Entwicklung und Anwendung hydrogeochemischer Stoffflussmodelle zur Modellierung der Grund- und Rohwasserqualität in Gewinnungsanlagen: Fallbeispiel Fuhrberger Feld
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Clausthal
Inst. für Geologie und Paläontologie
2005
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| Schriftenreihe: | Clausthaler Geowissenschaften
4 |
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Inhaltsverzeichnis
Seite
Danksagung
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung /
Vorbemerkungen
Abkürzungsverzeichnis XII
1 Einleitung . 1
1.1 Veranlassung und Zielsetzung.1
1.2 Forschungskontext.3
1.3 Gleichgewichtsmodelle und reaktionskinetische Aspekte.6
1.3.1 Grundlagen.6
1.3.2 Einstellung lokaler Gleichgewichte.8
1.4 Vorgehensweise.10
2 Geosystemerkundung. 12
2.1 Wasserwirtschaftlicher Überblick.12
2.2 Geologie und Hydrogeologie.12
2.3 Böden, Flächennutzung und Grundwasserneubildung.16
2.4 Hydrogeochemischer Überblick.18
2.4.1 Reaktive Mineralphasen des Feststoffgerüsts.18
2.4.2 Stickstoffeinträge.19
2.4.3 Kalkdüngung und
2.4.4 Nitratreduktion durch
2.4.5 Aluminium-Hydroxid- und -Hy-droxosulfatphasen in der ungesättigten Zone unter Nadelwald.24
2.4.6 Sulfatreduktion.26
2.4.7 Grünland-Umbruch —
2.4.8 Nitratdurchbrach und Brunnen-verockerung.28
2.5 Beschaffenheitsentwicklung der geförderten Rohwässer.29
2.5.1 Brunnen 1.29
2.5.2 Brunnen 2.29
2.5.3 Brunnen 3.30
2.5.4 Brunnen 4.30
2.5.5 Brunnen 5.31
2.5.6 Wasserfassung Fuhrberg - Typisierung und Trends.37
2.6 Modellhafte Vorstellung zum hydrogeochemischen Prozess.37
3 Modellentwicklung.41
3.1 Vorgehensweise.41
3.2 Hydrogeochemische Zielfunktion.42
3.3 Erste Modellentwicklungsstufe: Stickstoffeintrag.45
3.3.1 Modellvorstellung.45
3.3.2 Hydrogeochemisches Prozessmodell.48
3.3.3 Ergebnis und Vergleich mit der Zielfunktion.51
3.4 Zweite Modellentwicklungsstufe: Kalkdüngung.53
3.4.1 Erweiterte Modellvorstellung.53
3.4.2 Hydrogeochemisches Prozessmodell.53
3.4.3 Ergebnis und Vergleich mit der Zielfunktion.55
V
3.5 Dritte Modellentwicklungsstufe: Sulfatreduktion.57
3.5.1 Erweiterte Modellvorstellung.57
3.5.2 Hydrogeochemisches Prozessmodell.58
3.5.3 Ergebnis und Vergleich mit der Zielfunktion.59
3.6 Vierte Modellentwicklungsstufe: Aluminiumhydroxid- und Hydroxosulfatphasen.61
3.6.1 Erweiterte Modellvorstellung.61
3.6.2 Hydrogeochemisches Prozessmodell.63
3.6.3 Ergebnis und Vergleich mit der Zielfunktion.64
3.7 Fünfte Modellentwicklungsstufe: Grünlandumbruch.66
3.7.1 Erweiterte Modellvorstellung.66
3.7.2 Hydrogeochemisches Prozessmodell.69
3.7.3 Ergebnis und Vergleich mit der Zielfunktion.71
3.8 Sechste Modellentwicklungsstufe: CO2-Partialdrücke.73
3.8.1 Erweiterte Modellvorstellung.73
3.8.2 Hydrogeochemisches Prozessmodell.74
3.8.3 Ergebnis und Vergleich mit der Zielfunktion.75
3.9 Siebte Modellentwicklungsstufe: Reaktivität der Eisendisulfide.77
3.9.1 Erweiterte Modellvorstellung.77
3.9.2 Hydrogeochemisches Prozessmodell.78
3.9.3 Ergebnis und Vergleich mit der Zielfunktion.79
3.10 Achte Modellentwicklungsstufe: lokal verminderte Markasitgehalte.82
3.10.1 Erweiterte Modellvorstellung.82
3.10.2 Hydrogeochemisches Prozessmodell.82
3.10.3 Ergebnis und Vergleich mit der Zielfunktion.84
3.11 Neunte Modellentwicklungsstufe: Brunnenverockerung.86
3.11.1 Erweiterte Modellvorstellung.86
3.11.2 Hydrogeochemisches Prozessmodell.87
3.11.3 Ergebnis und Vergleich mit der Zielfunktion.89
3.12 Quantitativer Vergleich modellierter und gemessener Daten.92
4 Plausibilitätsprüfung. 96
4.1 Einführung.96
4.1.1 Brunnen 1.97
4.1.2 Brunnen 2.98
4.1.3 Brunnen 3.99
4.1.4 Brunnen 5.100
4.2 Zusammenfassung. 105
5 Parameterstudien und Sensitivitätsanalyse.106
5.1 Grundlagen. 106
5.2 Geohydraulisches Modell. 108
5.2.1 Flächennutzungsänderungen im Einzugsgebiet.108
5.2.2 Änderung der mittleren Neubildungsrate unter Acker- und Grünlandflächen.117
5.2.3 Mischungsverhältnis der Grundwässer aus den Modellstromröhren für Acker- und
Grünlandflächen mit normalen und lokal verminderten Markasitgehalten.120
5.3 Nichtberücksichtige geohydraulische Prozesse (Dispersion). 123
5.3.1
reduzierten Zone.127
5.3.2
Nitratdurchbrachswässern.131
5.3.3
Zone.134
VI
5.4 Geochemischer Modellteil.137
5.4.1 pH-Wert der Niederschläge.137
5.4.2 Aluminiuraphasen unter Nadelwald.139
5.4.3 Kalkdüngung auf Acker- und Grünlandflächen (Calcitvorräte).141
5.4.4 O2 -Partialdruck in der Bodenluft unter Nadelwaldflächen.143
5.4.5 COz-Partialdrücke in der Bodenluft unter Nadelwaldflächen.145
5.4.6 CCVPartialdrücke unter Acker- und Grünlandflächen.147
5.4.7 CCVPartialdrücke unter umgebrochenen Grünlandflächen.150
5.4.8 Düngung: Ammonium/Nitrat Verhältnis.152
5.4.9 Düngung: Stickstoff/Schwefel-Ver-hältnis.155
5.4.10 Denitrifikation: Pyrit- und Markasitvorräte.157
5.4.11 Denitrifikation: Residualer Markasitgehalt unter Acker- und Grünlandflächen mit lokal
verminderten Markasitgehalten.160
5.4.12 Denitrifikation: Inkrementell reagierenden Pyritmenge.162
5.4.13 Grünlandumbrach: Kalkdüngung.164
5.4.14 Grünlandumbruch: Eisenmonosulfidgehalte.167
5.4.15 Grünlandumbrach: Überlagerung mit der Intensität der Düngung.169
5.4.16 Nitratdurchbruch: Eingetragene Stickstoffmenge.172
5.4.17 Umsatz der Sulfatreduktion.175
5.5 Nichtberücksichtigte geochemische Teilprozesse.178
5.5.1 Grünlandumbrach: Schwefelgehalt der Biomasse.178
5.5.2
5.5.3 Säurepufferung durch silikatische Minerale.183
5.5.4 Kationenaustausch.188
5.6 Sensiti vitätsanaly
5.6.1 Geohydraulischer Modellteil.193
5.6.2 Geochemischer Modellteil.196
6 Berücksichtigung der zeitlichen Entwicklung.200
6.1 Vorbemerkungen.200
6.2 Das verbesserte Stoffflussmodell.200
6.3 Berücksichtigung zeitabhängiger Parameter — die Erweiterung des Stoffflussmodells
um eine zeitliche Komponente.203
6.3.1 Die zeitliche Änderung des geohydraulischen Modellteils.205
6.3.2 Die zeitliche Änderung des geochemischen Modellteils
6.3.3 Die zeitliche Veränderung des geochemischen Modellteils
Waldböden und Dünge-und Grünlandumbruch-Intensität.210
6.4 Plausibilitätsprüfung.213
6.5 Modellszenarien und Prognose.215
6.5.1 Szenario 1: konstante Nitrateinträge.216
6.5.2 Szenario 2: abnehmende Stickstoffeinträge.218
6.5.3 Szenario 3: Zunehmende Mischungsanteile von Nadelwald-Grundwässern.218
6.5.4 Schlussbemerkungen.221
7 Zusammenfassung.222
Literaturverzeichnis.225
Abbiłdungs
Tabellenverzeichnis.243
Anlagen (beiliegend auf CD-ROM)
vn |
| adam_txt |
Inhaltsverzeichnis
Seite
Danksagung
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung /
Vorbemerkungen
Abkürzungsverzeichnis XII
1 Einleitung . 1
1.1 Veranlassung und Zielsetzung.1
1.2 Forschungskontext.3
1.3 Gleichgewichtsmodelle und reaktionskinetische Aspekte.6
1.3.1 Grundlagen.6
1.3.2 Einstellung lokaler Gleichgewichte.8
1.4 Vorgehensweise.10
2 Geosystemerkundung. 12
2.1 Wasserwirtschaftlicher Überblick.12
2.2 Geologie und Hydrogeologie.12
2.3 Böden, Flächennutzung und Grundwasserneubildung.16
2.4 Hydrogeochemischer Überblick.18
2.4.1 Reaktive Mineralphasen des Feststoffgerüsts.18
2.4.2 Stickstoffeinträge.19
2.4.3 Kalkdüngung und
2.4.4 Nitratreduktion durch
2.4.5 Aluminium-Hydroxid- und -Hy-droxosulfatphasen in der ungesättigten Zone unter Nadelwald.24
2.4.6 Sulfatreduktion.26
2.4.7 Grünland-Umbruch —
2.4.8 Nitratdurchbrach und Brunnen-verockerung.28
2.5 Beschaffenheitsentwicklung der geförderten Rohwässer.29
2.5.1 Brunnen 1.29
2.5.2 Brunnen 2.29
2.5.3 Brunnen 3.30
2.5.4 Brunnen 4.30
2.5.5 Brunnen 5.31
2.5.6 Wasserfassung Fuhrberg - Typisierung und Trends.37
2.6 Modellhafte Vorstellung zum hydrogeochemischen Prozess.37
3 Modellentwicklung.41
3.1 Vorgehensweise.41
3.2 Hydrogeochemische Zielfunktion.42
3.3 Erste Modellentwicklungsstufe: Stickstoffeintrag.45
3.3.1 Modellvorstellung.45
3.3.2 Hydrogeochemisches Prozessmodell.48
3.3.3 Ergebnis und Vergleich mit der Zielfunktion.51
3.4 Zweite Modellentwicklungsstufe: Kalkdüngung.53
3.4.1 Erweiterte Modellvorstellung.53
3.4.2 Hydrogeochemisches Prozessmodell.53
3.4.3 Ergebnis und Vergleich mit der Zielfunktion.55
V
3.5 Dritte Modellentwicklungsstufe: Sulfatreduktion.57
3.5.1 Erweiterte Modellvorstellung.57
3.5.2 Hydrogeochemisches Prozessmodell.58
3.5.3 Ergebnis und Vergleich mit der Zielfunktion.59
3.6 Vierte Modellentwicklungsstufe: Aluminiumhydroxid- und Hydroxosulfatphasen.61
3.6.1 Erweiterte Modellvorstellung.61
3.6.2 Hydrogeochemisches Prozessmodell.63
3.6.3 Ergebnis und Vergleich mit der Zielfunktion.64
3.7 Fünfte Modellentwicklungsstufe: Grünlandumbruch.66
3.7.1 Erweiterte Modellvorstellung.66
3.7.2 Hydrogeochemisches Prozessmodell.69
3.7.3 Ergebnis und Vergleich mit der Zielfunktion.71
3.8 Sechste Modellentwicklungsstufe: CO2-Partialdrücke.73
3.8.1 Erweiterte Modellvorstellung.73
3.8.2 Hydrogeochemisches Prozessmodell.74
3.8.3 Ergebnis und Vergleich mit der Zielfunktion.75
3.9 Siebte Modellentwicklungsstufe: Reaktivität der Eisendisulfide.77
3.9.1 Erweiterte Modellvorstellung.77
3.9.2 Hydrogeochemisches Prozessmodell.78
3.9.3 Ergebnis und Vergleich mit der Zielfunktion.79
3.10 Achte Modellentwicklungsstufe: lokal verminderte Markasitgehalte.82
3.10.1 Erweiterte Modellvorstellung.82
3.10.2 Hydrogeochemisches Prozessmodell.82
3.10.3 Ergebnis und Vergleich mit der Zielfunktion.84
3.11 Neunte Modellentwicklungsstufe: Brunnenverockerung.86
3.11.1 Erweiterte Modellvorstellung.86
3.11.2 Hydrogeochemisches Prozessmodell.87
3.11.3 Ergebnis und Vergleich mit der Zielfunktion.89
3.12 Quantitativer Vergleich modellierter und gemessener Daten.92
4 Plausibilitätsprüfung. 96
4.1 Einführung.96
4.1.1 Brunnen 1.97
4.1.2 Brunnen 2.98
4.1.3 Brunnen 3.99
4.1.4 Brunnen 5.100
4.2 Zusammenfassung. 105
5 Parameterstudien und Sensitivitätsanalyse.106
5.1 Grundlagen. 106
5.2 Geohydraulisches Modell. 108
5.2.1 Flächennutzungsänderungen im Einzugsgebiet.108
5.2.2 Änderung der mittleren Neubildungsrate unter Acker- und Grünlandflächen.117
5.2.3 Mischungsverhältnis der Grundwässer aus den Modellstromröhren für Acker- und
Grünlandflächen mit normalen und lokal verminderten Markasitgehalten.120
5.3 Nichtberücksichtige geohydraulische Prozesse (Dispersion). 123
5.3.1
reduzierten Zone.127
5.3.2
Nitratdurchbrachswässern.131
5.3.3
Zone.134
VI
5.4 Geochemischer Modellteil.137
5.4.1 pH-Wert der Niederschläge.137
5.4.2 Aluminiuraphasen unter Nadelwald.139
5.4.3 Kalkdüngung auf Acker- und Grünlandflächen (Calcitvorräte).141
5.4.4 O2 -Partialdruck in der Bodenluft unter Nadelwaldflächen.143
5.4.5 COz-Partialdrücke in der Bodenluft unter Nadelwaldflächen.145
5.4.6 CCVPartialdrücke unter Acker- und Grünlandflächen.147
5.4.7 CCVPartialdrücke unter umgebrochenen Grünlandflächen.150
5.4.8 Düngung: Ammonium/Nitrat Verhältnis.152
5.4.9 Düngung: Stickstoff/Schwefel-Ver-hältnis.155
5.4.10 Denitrifikation: Pyrit- und Markasitvorräte.157
5.4.11 Denitrifikation: Residualer Markasitgehalt unter Acker- und Grünlandflächen mit lokal
verminderten Markasitgehalten.160
5.4.12 Denitrifikation: Inkrementell reagierenden Pyritmenge.162
5.4.13 Grünlandumbrach: Kalkdüngung.164
5.4.14 Grünlandumbruch: Eisenmonosulfidgehalte.167
5.4.15 Grünlandumbrach: Überlagerung mit der Intensität der Düngung.169
5.4.16 Nitratdurchbruch: Eingetragene Stickstoffmenge.172
5.4.17 Umsatz der Sulfatreduktion.175
5.5 Nichtberücksichtigte geochemische Teilprozesse.178
5.5.1 Grünlandumbrach: Schwefelgehalt der Biomasse.178
5.5.2
5.5.3 Säurepufferung durch silikatische Minerale.183
5.5.4 Kationenaustausch.188
5.6 Sensiti vitätsanaly
5.6.1 Geohydraulischer Modellteil.193
5.6.2 Geochemischer Modellteil.196
6 Berücksichtigung der zeitlichen Entwicklung.200
6.1 Vorbemerkungen.200
6.2 Das verbesserte Stoffflussmodell.200
6.3 Berücksichtigung zeitabhängiger Parameter — die Erweiterung des Stoffflussmodells
um eine zeitliche Komponente.203
6.3.1 Die zeitliche Änderung des geohydraulischen Modellteils.205
6.3.2 Die zeitliche Änderung des geochemischen Modellteils
6.3.3 Die zeitliche Veränderung des geochemischen Modellteils
Waldböden und Dünge-und Grünlandumbruch-Intensität.210
6.4 Plausibilitätsprüfung.213
6.5 Modellszenarien und Prognose.215
6.5.1 Szenario 1: konstante Nitrateinträge.216
6.5.2 Szenario 2: abnehmende Stickstoffeinträge.218
6.5.3 Szenario 3: Zunehmende Mischungsanteile von Nadelwald-Grundwässern.218
6.5.4 Schlussbemerkungen.221
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