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Table of Contents
Stofftransport und Stoffhaushalt
Während dieser Woche wird in die Software PhreeqC eingeführt. PhreeqC ist ein thermodynamisches Gleichgewichtsprogramm, es berechnet die Speziesverteilung an Hand einer eingegebenen Analyse (gelöste Stoffe), bekannter Phasen (Minerale oder Gase) auf der Basis der Thermodynamik. Die Software ist verfügbar über den USGS (United States Geological Survey) - es gibt beim USGS eine ganze Web-Seite mit Dokumentation, Einführung, Software (download).
1. Tag
1. Doppelstunde
Hintergrund: Themen des Stofftransportes, Aufgabenfelder. Am Ende der Seite einige Fragen zur Reflektion, wo Stofftransport bei aktuellen Aufgaben benötigt wird.
- Folien zur Vorlesung: Einführung - Lernziele und Aufbau der Vorlesung, Besprechung der Prüfungsleistung am Ende der Woche, Organisation (Geländetag). Wasserinhaltsstoffe - was sich im Wasser alles befindet (Tabelle).
- Folien zur Vorlesung: Wiederholung - graphische Darstellung (Piper), was bedeutet die Lage im Piper-Diagramm, Beispiel Kalahari und Namibia mit Karbonatwässern, Dolomit-, Salzwässern und Flutwässern (keine klare Kationen-Signatur. Verteilung der Konzentrationen, Hauptionen, Spurenstoffe, Seltene Erden. Typische Werte von Wasserinhaltsstoffen.
2. Doppelstunde
Zusammenstellung der wichtigsten Richtlinien zur Wasserqualität, national und international. Die Trinkwasserverordnung, die Mineralwasserverordnung, die Arzneimittelverordnung, Empfehlungen der World Health Organization und der Environmental Protection Agency der USA (EPA) sind zusammengestellt. Hier kann man nachlesen, welche Grenzwerte für einzelne Stoffe gelten oder welche Empfehlungen es gibt.
- Wiederholung der Grundlagen.: Massenwirkungsgesetz, Ionenaktivitätsprodukt, Ionenstärke, Aktivitätskoeffizient $\gamma$, Berechnung des Sättigungsindexes
- Fallstudie Deponie Ihlenberg. Untersuchung des möglichen Einflusses der Deponie Ihlenberg auf das Grundwasser vor Lübeck. Der volle Bericht kann bei der Stadt Lübeck oder auf dem Dokumentserver eingesehen werden.
Übung zum ersten Tag: Nachmittag - Einführung in PhreeqC
Die Software kann über folgenden Link heruntergeladen werden.
Sollte der Link über den USGS nicht funktionieren, kann die Datei auch über diese Seite geladen werden:
- Software: PhreeqC 3.3.8 (erst auspacken!)
- Dokumentation als PDF
- Kurzdarstellung im Factsheet
Einige neue Begriffe wurden eingeführt. Zunächst wird jedes Programm mit dem Schlüsselwort TITLE
erföffnet, danach kann Kommentar und Text stehen.
TITLE Meerwasser
Eine Analyse wird mit dem Schlüsselwort SOLUTION 1 Name
definiert. Jede Analyse hat eine Nummer, danach steht der Name der Analyse, um diese wiederzuerkennen.
SOLUTION 1 (NORDSTROM et al. 1979) units ppm pH 8.22 pe 8.451 # Achtung density 1.023 temp 25.0 Ca 412.3 Mg 1291.8 Na 10768.0 K 399.1 Fe 0.002 Mn 0.0002 pe Si 4.28 Cl 19353.0 Alkalinity 141.682 as HCO3 S(6) 2712.0 N(5) 0.29 gfw 62.0 N(-3) 0.03 as NH4 O(0) 1.0 O2(g) -0.7
Dazu einige Kommentare: Sulfat wird als S(6)
definiert, ebenso Nitrat als N(5)
. Hydrogenkarbonat wird als Alkalinity 141.682 as HCO3
definiert.
Die Verdunstung einer Probe erfolgt mit dem Schlüsselwort REACTION 1 Name
. Jede Reaktion hat eine Nummer, danach kann ein Name ergänzt werden. Für die Verdunstung wird negatives Wasser hinzutitriert. Die Menge des entnommenen Wassers ist hier 52.73 mol. Die Gesamtmenge ist immer 1 kg und entspricht ca. 55.5 mol pro kg.
REACTION 1 H2O -1.0 52.73 moles
Zwei Proben werden mit dem Befehl MIX
gemischt. Die zu mischenden Proben werden mit ihren Anteilen benannt.
MIX 1 1 0.5 2 0.5
Übungsaufgabe zum ersten Tag:
- Einlesen einer einfachen Analyse des Meerwassers. Auswerten der Ausgabe Datei mit Ionenbilanzfehler, Speziesverteilung, Sättigungsindizes. Verdunsten Sie das Meerwasser bis auf 5 % Rest und beschreiben Sie, welche Stoffe ausfallen.
Freiwillige Übungsaufgabe:
Eine aufwändigere Analyse des Grundwassers von Heilbronn. Erstellen Sie die Eingabe-Datei selber. Hier muss die richtige Datenbank ausgewählt, da es auch Spurenstoffe gibt. Wenn Sie Zweifel über die Schreibweise haben, schauen Sie in der Datenbank nach. Beantworten Sie die folgenden Fragen für die Analyse von Heilbronn
- Welche Datenbank erfüllt alle Anforderungen?
- Wie ist das Ionengleichgewicht - Ist die Analyse OK?
- Welches sind die häufigsten As Spezies.
- Sind diese Konzentrationen kritisch (WHO, TWV)? Dazu kann man in den Richtlinien nachschauen. Die Trinkwasserverordnung und die WHO geben dazu Informationen.
2. Tag: Exkursion
Thema ist die Aufnahme von Geländedaten und die Orientierung im Gelände für eine Stofftransportaufgabe.
Geländeinformationen zur Festlegung des Konzeptmodelles.
3. und 4. Tag: Reaktionen und Transport
Theorie Reaktion - Lösung von Phasen (Gase und Minerale)
Die Grundlagen für die Erweiterung von Transportmodelle um Lösung von Gasen, Lösung von Flüssigkeiten und Lösung von Mineralen werden besprochen.
Die Anwendung von PhreeqC wird Schritt für Schritt um die einzelnen Reaktionen erweitert, die für die Modellierung dieses Falles erforderlich sind. Diese Reaktionen sind:
- Gasaustausch nach Henry für die Lösung von Gasen wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid oder Ammoniak
- Einstellung von Gleichgewichten mit Mineralphasen wie Calcit, Dolomit, Feldspäten, Alumosilikaten, Pyroxene oder auch Schadstoffen, die in fester Form vorliegen und eine Wasserlöslichkeit besitzten wie Carnotit (Uran-Karbonate), Calomel (Quecksilber-Verbindungen)
- Zugabe von Stoffen mit dem Befehl
REACTION
(der ist schon aus der Verdunstung bekannt) - Zugabe von Stoffen, die Redoxreaktionen auslösen (organische Verbindungen, die leicht abgebaut werden)
Die Lösung von Gasen kann mit dem Schlüsselwort GAS_PHASE
speziell für Gase oder mit dem Befehl EQUILIBRIUM_PHASES
erreicht werden. Die erste Option bietet mehr Möglichkeiten, die zweite ist einfacher und universeller - sie wird auch für die Lösung von Mineralphasen verwendet.
GAS_PHASE 1-5 Air -fixed_pressure -pressure 1.0 -volume 1.0 -temperature 10.0 CH4(g) 0.0 CO2(g) 0.000316 O2(g) 0.2 N2(g) 0.78
Hierbei wird ein Gas nach dem Gasgesetz $ p*V = n*R*T$ mit dem Druck $p$, dem Volumen $V$, der Molzahl $n$, der allgemeinen Gaskonstante $R$ und der Temperatur $T$ in seiner Verteilung gerechnet und dann bis zur Löslichkeitskonstante in Wasser gelöst. Das obige Beispiel beschreibt die Lösung von Luft. Sie können es eingeben und in der Output-Datei nachsehen, wieviele Mol in Wasser gelöst vorliegen und wie sich dieses auf den pH-Wert und auf das Redox-Potential auswirkt. Einfacher ist die Ausertung, wenn der Befehl SELECTED_OUTPUT
verwendet wird.
Eine Lösung von Gas bis zum Löslichkeitsgleichgewicht, bei dem nicht Drücke oder Volumina angegeben werden müssen, kann einfacher mit dem Befehl EQUILIBRIUM_PHASES
erfolgen.
EQUILIBRIUM_PHASES CO2(g) -2.0
Hierbei wird $CO_{2}(g)$ solange gelöst, bis ein Sättigungsindex von -2.0 erreicht wird. Für Gase entspricht dieser Wert dem Logarithmus des Partialdruckes. In diesem Beispiel wird bei -2.0 also bis zu einem Partialdruck von 0.01 (=$10^{-2}$) gelöst. Wird hier 0.0 eingegeben, so wird bis zur Sättigung gelöst - das entspräche einer reinen Kohlendioxid-Atmosphäre mit dem Partialdruck 1 und einem log(Partialdruck)=0. Anschließend wird die Lösung von Mineralphasen behandelt. Die Lösung von Calcit oder anderen Mineralphasen erfolgt ganz einfach mit dem Schlüsselwort EQUILIBRIUM_PHASES
:
EQUILIBRIUM_PHASES Calcite 0.0
Die Lösung erfolgt bis zum angegebenen Sättigungsindex - bei 0.0 als bis zur Sättigungsgrenze für dieses Mineral. In der Hilfe sind eine Reihe nützlicher Optionen gegeben. Danach wird das Thema Redox-Reaktionen behandelt. Die Redoxkette von Sauerstoffzehrung über Nitratreduktion, Eisenreduktion und Sulfatreduktion bis zur Methanogenese wird noch einmal kurz wiederholt. Zur Wiederholung der Grundbegriffe die Folien zum Thema RedOx. Dabei wird auch noch einmal die Redox-Messung und Bestimmung besprochen. Hierbei sind die Parameter pe - negativer dekadischer Logarithmus der Elektronenkonzentration - und der Redoxwert in mV. Dies ist die Grundlage für die Modellierung der Redoxreaktionen mit PhreeqC. Hierfür widd das Schlüsselwort REACTION
noch einmal genauer erläutert. Die Redoxreaktion am Beispiel des Trinkwassers von Ebnet werden mit einem Fallbeispiel demonstriert (siehe die Redox Ebnet).
REACTION 1 CH2O(NH3)0.07 1.0 1. 2. 3. 4. 8. 16. 32 64. 125. 250. 500. 1000. mmol
TITLE Ebnet SOLUTION 1 #Values from Freiburg Ebnet, 2007 units mg/l temp 10.0 pH 8.22 Ca 33.3 Mg 3.5 K 1.5 Na 7.5 C(4) 80.0 as HCO3- charge S(6) 10.8 as SO4-2 Cl 11.8 N(5) 14.5 as NO3- Fe 0.02 REACTION 1 Streusalz Al(OH)3 0 0.0001 0.001 0.01 moles SELECTED_OUTPUT -file Ebnet.txt -pH -totals Ca C(4) Na Cl Al -molalities Ca+2 CaHCO3+ CaSO4 CaCO3 CaOH+ CaHSO4+ Al(OH)4- Al(OH)3 Al(OH)2+ AlOH+2 Al+3 AlSO4+ Al(SO4)2- AlHSO4+2 END
Danach wird nach der Geländearbeit das Konzeptmodell für ein Stofftransportmodell erstellt. Dabei werden Beispiel für Konzeptmodelle dargestellt. Eine Fallstudie, die mit PhreeqC gerechnet wurde ist der Stofftransport von einem Hg und Cd kontaminierten Holzlager in Bad Krozingen bis nach Hausen. Das Konzeptmodell wurde von Dörthe Carstens erstellt, deren Masterarbeit an der AL Universität erstellt wurde.
Link zur Verwendung von Aquion (PhreeqC)
Eine einfachere Auswertung von Analysen ist möglich mit Aqion. Die Software kann hier heruntergeladen werden:
- ListenpunktAqion Software Die Software ist verpackt und muss erst ausgepackt werden.
Beispiel für die Reaktion von Pyrit:
TITLE Ebnet SOLUTION 1 #Values from Freiburg Ebnet, 2007 units mg/l temp 10.0 pH 8.22 Ca 33.3 Mg 3.5 K 1.5 Na 7.5 C(4) 80.0 as HCO3- S(6) 10.8 as SO4-2 Cl 11.8 charge N(5) 14.5 as NO3- Fe 0.02 REACTION 1 O2(g) 0.1 FeS2 1 0.01 moles in 100 steps SELECTED_OUTPUT -file Pyrit-EQ.txt -pH -pe -totals Ca C(4) Na Cl Fe S(6) S(-2) Fe(2) Fe(3) -molalities Fe+2 Fe+3 END
Übungen, Fallbeispielen und Aufgaben
Sie können die Wirkung auf eine Regenwasseranalyse testen. Die Regenwasseranalyse ist gegeben:
units mg/l pH 7.0 # gegeben temp 10.0 Ca 2.5 Mg 0.215 Na 0.705 K 0.18 Cl 1.18 C(4) 5.0 as HCO3- S(6) 2.35 as SO4 N(5) 1.18 as NO3
Geben Sie nun zunächst CO2(g) aus der Atmosphäre mit einem Partialdruck von 10-3.5 und dann im Boden Calcit, Gips und einen Partialdruck von CO2(g) von 10-1.5 hinzu. Mit SELECTED_OUTPUT können Sie selektiv Ausgaben in eine Datei machen.
SELECTED_OUTPUT -file Regenwasser.txt -pH -pe -charge_balance -percent_error -totals Ca Mg Cl Sr Na -gases CO2(g) -equilibrium_phases Calcite -saturation_indices Calcite -molalities Ca+2 HCO3- Mg+2 -activities Ca+2 HCO3- Mg+2
Sie können ebenso die Wirkung auf eine Grundwasseranalyse testen. Wir stellen uns vor, dass das Wasser einer Quelle zunächst verdunstet und danach ein Gleichgewicht mit der Atmosphäre hergestellt wird. Was passiert?
TITLE Wasserprobe Quelle SOLUTION 1 Quelle pH 7.03 pe -1.5 temp 15.9 units mg/L Ca 206.0 Mg 41.7 Na 5.94 K 8.22 C(4) 329.0 as HCO3 S(6) 431.0 as SO4 N(5) 0.126 as NO3 Cl 3.55 Sr 12.0 SAVE SOLUTION 1 END TITLE Verdunste das Quellwasser REACTION 1 Verdunstung von 50 % des Wassers H2O -1.0 27.75 moles USE SOLUTION 1 SAVE SOLUTION 2 END TITLE EQUILIBRIUM_PHASES 1 CO2(g) -3.5 USE SOLUTION 2 END
Beachten Sie dabei die Verwendung der Schlüsselwörter USE #
und SAVE #
wobei # hier für die Nummer einer Lösung steht. Mit den Befehlen USE
und SAVE
können Sie angeben, welche Lösung verwendet werden soll, wenn sich dies nicht aus dem Befehl ergibt, oder eine Lösung unter einer neuen Lösungsnummer speichern, nachdem eine Reaktion stattgefunden hat, damit sie diese im nächsten Rechenschritt als Ausgangslösung verwenden können - mit dem Befehl USE
.
Adsorption und Austausch
Die Grundlagen der Adsorption und des Ionenaustausches wurden wiederholt. Ionenaustausch betrifft vor allem Kationen (in unserern Breiten und unseren Böden) und unter den Kationen vor allem die Schwermetalle und Metalle. Die Hauptionen Natrium und Kalikum, sowie Ca und Mg sind weniger betroffen. Der Kationenaustausch ist besonders wichtig bei folgenden Problemen und Fragestellungen:
- Seawater-Intrusion und damit verbundene chemische Veränderungen des Grundwassers
- Transport von Metallen und Schwermetallen wie z. Bsp. Blei, Cadmium
- Tracer-Transport in Böden und im Aquifer, Retardation
Zur Wiederholung der Grundbegriffe die Folien zum Thema Absorption und Austausch. Die Sorption wird mit dem Schlüsselwort EXCHANGE eingeführt. Schauen Sie sich das folgende Beispiel an:
TITLE Quelle und Grundwasser SOLUTION 1 Grundwasser pH 7.03 temp 15.9 units mmol/L Ca 100.0 Mg 100.0 Na 0.00 K 10.0 Sr 10.0 C(4) 400.0 as HCO3 Cl 30.0 EXCHANGE 1 Gemessene Belegung des Austauschers CaX2 0.3 MgX2 0.2 NaX 0.5 SELECTED_OUTPUT -file Exchange.txt -step -totals Ca Mg Na K Sr Cl END
Mit dem Schlüsselwort EXCHANGE
werden Austauschplätze X
definiert, die mit den Ionen Ca, Mg und Na in einer bekannten Menge (Mol) vorbelegt sind. Wenn das Ion zweiwertig ist, belegt es zwei Austauschplätze, daher wird CaX2
und MgX2
aber NaX
geschrieben. Das Interessante bei diesem Beispiel ist, dass die Wasseranalyse vorher kein Na besitzt, nach dem Austausch mit dem Austauscher aber Na im Wasser gelöst ist, das vom Austauscher stammt - dafür ist (in gleicher Menge) Ca, Mg und Sr aus dem Wasser auf den Austauscher transferiert worden. Die Konzentrationen der Anionen verändern sich nicht, da wir hier von Kationenaustausch sprechen. Wenn Austauschplätze für Anionen und entsprechende Reaktionen definiert sind, kann allerdings auch Anionenaustausch gerechnet werden (dies ist in den Tropen und Subtropen wichtig). Die Austauschphasen sind in der Datenbank definiert. Wenn Sie also sehen wollen, welche Austauchreaktionen sie modellieren können, so müssen Sie in der Datenbank nach den Begriffen EXCHANGE_PHASES
, EXCHANGE_MASTER_SPECIES
und EXCHANGE_SPECIES
suchen.
EXCHANGE 1 Einfache Darstellung der Austauscher X 1.0 # mol pro kg Wasser -equilibrate with solution 1
Eine Alternative Darstellung von Austauschern erfolgt, indem die vorhandenen Menge Austauscher in mol angegeben wird (bedenken Sie, immer in mol pro 1 kg Wasser oder 55,5 mol Wasser - Sie müssen also berechnen wie viel Austauscher sie pro kg Boden haben, dann wie viel Wasser in einem kg Boden ist und danach die Austauschermenge auf 1 kg Wasser hochrechnen). Mit dem Befehl -equilibrate with solution 1
wird der Austauscher dann mit einer vorhandenen Lösung ins Gleichgewicht gebracht und entsprechend belegt.
Oberflächenkomplexierung - Surface
Oberflächenkomplexierung ist die Bindung von geladenen Wasserinhaltsstoffen an die Eisenhydroxid-Hydrathülle des Festgesteins. Diese wird als Hfo (hydrous ferro-oxide bezeichnet. Sie hat starke (strong=s) und schwache (weak=w) Bindungen, je nachdem welche Seite der Hydrathülle der Wasserphase zugewandt ist. Beide haben unterschiedliche Eigenschaften, die in der Datenbank definiert sind. Sie können die Oberflächenkomplexierung auch direkt in die Eingabe-Datei schreiben, wenn sie in der Datenbank nicht definiert ist.
SURFACE_SPECIES Hfo_sOH = Hfo_sOH log_k 0.0 Hfo_wOH = Hfo_wOH log_k 0.0 Hfo_sOH + Hg+2 = Hfo_sOHg+ + H+ log_k 7.76 Hfo_wOH + Hg+2 = Hfo_wOHg+ + H+ log_k 6.45
Der Prozess der Oberflächenkomplexierung wird mit dem Schlüsselwort SURFACE
eingefügt. Die Oberfläche wird in Quadratnmeter pro Gramm Boden angegeben.
SURFACE 1-100 -equilibrate with solution 1-100 Hfo_wOH 7.16E-03 600 3.19E+00 # mol Bindungen, m^2/g Oberfläche, g Eisenhydroxid/kg Hfo_sOH 1.79E-04
Ein Beispiel ist die Bindung von Quecksilber (Hg) and Oberflächenkomplexe. Um überprüfen zu können, wo das Quecksilber sitzt, müssen Sie die Austauschbelegung in SELECTED_OUTPUT mit ausgeben.
-molalities Hfo_sOHg+ Hfo_wOHg+ Hg Hg2+2 Hg(OH)2 HgClOH HgOH+ HgCl2 HgCl+ Hg+2 Hg(OH)3- HgCl3- HgCl4-2
Lösen Sie bitte zur Übung folgende Aufgaben: Die Wasserversorgung Freiburg verwendet Grundwasser aus Hausen und Ebnet. Dieses Grundwasser ist chemisch unterschiedlich.
- Bitte lesen aus der Ausgabe folgende Informationen: Ladungsbilanzfehler, pH-Wert im Gleichgewicht (berechnet), Sättigungsindex für Calcit und Gips, die Molalität von Ca+2 und von HCO3-.
- Um Korrosion zu vermeiden, können die Wassertypen über Kalkschotterfilter geführt werden. Ist dies nötig? Stellen Sie ein Gleichgewicht mit Calcit her und untersuchen Sie, was mit dem Wasser passiert.
- Mischen Sie beide Proben im Verhältnis 3:7, 5:5 und 7:3. Geben Sie für die Mischwässer wiederum jeweils an: Ladungsbilanzfehler, pH-Wert im Gleichgewicht (berechnet), Sättigungsindex für Calcit, die Molalität von Ca+2 und von HCO3- an. Was passiert bei der Mischung? Bitte verwenden Sie USE und SAVE, um die Schritte Calcit-Lösung und Mischung zu trennen und die richtigen Zwischenlösungen zu speichern und wiederzuverwenden.
SOLUTION 1 #Freiburg Ebnet, 2007 units mg/l temp 10.0 pH 8.22 Ca 33.3 Mg 3.5 K 1.5 Na 7.5 C(4) 85 as HCO3 S(6) 10.8 as SO4-2 Cl 11.8 N(5) 14.5 as NO3- Fe 0.02
Sie haben ebenfalls eine Analyse aus dem Wasserwerk Hausen.
SOLUTION 6000 Wasseranalyse an Brunnen Hausen temp 13.4 pe 7 pH 6.8 units ug/L Ca 183000 Mg 27300 Na 17000 K 1690 Al 0.978 As 1.525 Cd 0.064 Cr 0.646 Cu 29.3 Ni 0.806 Pb 3.253 Zn 56.8 Fe 4.777 Mn 1.925 C(4) 621000 as HCO3 S(6) 48660 #Sulphat N(+5) 80010 as NO3 #Nitrat Cl 48010
Sie wollen wissen, was passiert, wenn das Wasser aus Ebnet durch einen Austauscher läuft. Im Anwendungsbeispiel wäre das der Grundwasserleiter des Oberrheingrabens, in den der Schwemmfächer der Dreisam mündet und der mehr Feinmaterial und Ton enthält. Dieser Austauscher enthält einen Austauscher X mit 0.5 mol pro kg Boden. Er ist mit dem Wasser in Hausen im Gleichgewicht und mit den Ionen dieser Analyse vorbelegt.
Zur Wiederholung habe ich Ihnen Folien zur Advektions-Dispersions-Gleichung vorbereitet und hochgeladen. Spreadsheets zur Berechnung der ADV in 2 Dimensionen. Zur Nachrechnung in 1D auch die Umsetzung der ADV-Gleichung für 1D-Transport als Excel-Spreadsheet.
Transportmodellierung
Es geht um die Fragestellung, wie lange eine Schwermetallkontamination benötigt, um ein Trinkwasserschutzgebiet zu erreichen. Die Vorlesungsfolien können hier heruntergeladen werden. Für die Umsetzung der Modellierung muss zunächst ein Konzeptmodell erstellt werden. Das Konzeptmodell beschreibt die einzelnen Modellschritte (SOLUTION, EQUILIBRIUM_PhASES, EXCHANGE, TRANSPORT).
TITLE Simple-Transport and ion exchange example SOLUTION 0 Initial solution for column units mmol/kgw temp 25.0 pH 7.0 Ca 1.0 C(4) 2.0 as HCO3- SOLUTION 1 CaCl2 units mmol/kgw temp 25.0 pH 7.0 Na 100.0 Cl 100.0 SOLUTION 2-100 Initial solution for column units mmol/kgw temp 25.0 pH 7.0 Ca 1.0 C(4) 2.0 as HCO3- EXCHANGE 1-100 X 0.150 # mol/L -equilibrate 1 TRANSPORT -cells 100 -length 100*10.0 -shifts 100 -time_step 864000 -flow_direction forward -boundary_cond flux flux -dispersivity 100*50.0 -correct_disp true -punch_cells 50 -punch_frequency 1 SELECTED_OUTPUT -time true -step true -distance true -solution true -file transport.txt -totals Ca Na Cl -molalities Ca+2 Na+ -molalities CaX2 NaX END
- Modellieren Sie den Fall, dass Regenwasser (siehe Analyse Regenwasser oben) mit 10 Grad im Boden Kohlendioxid mit einem Partialdruck von 0.01 oder pCO2 = -2 aufnimmt und danach Calomel-Salz (ein Quecksilber-Chlorid) bis zur Sättigung im Boden löst. Dieses Wasser durchmischt sich zunächst mit dem Grundwasser, das von oben anströmt (siehe Analyse Hausen). Dabei beträgt der Anteil Sickerwasser am Gesamtstrom 0.25 oder 25 %, der Grundwasserzustrom beträgt 0.75 oder 75 %. Dann wird das gemischte Wasser 1000 m transportiert. Die Cellgröße beträgt 10 m, es gibt also 100 Zellen. Die Dispersivität beträgt 0.05 m. Die Porosität des Porenaquifers ist 0.25 oder 25 %. Die Fließgeschwindigkeit ist 1 m / Tag.
- Nun ergänzen Sie Austausch des Aquifers. Die Kationenaustauschkapazität beträgt 150 meq/kg Boden und 15 meq/kg Aquifer. Der Austauscher wird mit der Lösung equilibriert. Rechnen Sie von KAK Boden auf Austauschkapazität in mol/L Wasser um mit der Formel:
KAKWasser [mmol/L] = KAKBoden [mmol/kg] * (1-ne)*ρBoden
mit ρBoden = 2000.0 kg/m3 = 2.0 g/cm3 und mit ne Porosität
Welche Konzentration von Quecksilber im Wasser gibt es nach 100, 500 und 1000 m und an diesen Stellen nach 1, 5 und 20 Jahren?
Modellieren Sie den Transport von Sickerwasser aus a) einem Waste Rock Dump (Taubes Restgestein), der Malachit enthält und b) aus einem Tailingsdamm (verarbeitetes Gestein) über 100 m Fließweg in einem Kalahari-Aquifer. Der Aquifer hat eine Porosität von 25 % und die Fließgeschwindigkeit beträgt 100 m pro Jahr. Die Austauschkapazität des Aquifers beträgt 225 milliMol pro kg, der Aquifer hat 2 mg Fehydroxide pro kg mit 600 m² Oberfläche pro g. Es sickern aus dem Tailingsdam und aus dem Waste Rock Dump ca. 10 % neugebildetes Wasser (Sickerwasser) in den Aquifer, 90 % unbelastetes Grundwasser mischen sich mit dem Sickerwasser. Es sind Analysen von Regenwasser, von Tailingsdamwasser und von Grundwasser gegeben. Der Boden enthält Calcit und hat einen Kohlendioxid-Partialdruck von 0.01. Die Frage ist, ob am Ende der Fließstrecke der kritische Wert von 0.1 mg/L Cu+2 unterschritten wird. Das Regenwasser hat folgende Zusammensetzung:
units ppm pH 6.2 temp 25.0 Ca 36.0 Mg 4.7 Na 5.6 K 6.5 Cl 5.0 C(4) 88 as HCO3 S(6) 84.0 as SO4 F 0.2
Das Tailingswassser hat folgende Zusammensetzung:
units ppm pH 6.2 temp 25.0 Ca 36.0 Mg 4.7 Na 5.6 K 6.5 Cl 5.0 C(4) 88 as HCO3 S(6) 84.0 as SO4 F 0.2 Cu 2.0
Das Grundwasser hat folgende Zusammensetzung:
units ppm pH 7.3 temp 25.0 Ca 52.0 Mg 25.0 Na 42.0 K 9.8 Cl 14.0 C(4) 387 as HCO3- S(6) 6.0 as SO4 F 0.6 Fe 0.01 Mn 0.01 Cu 0.01
Aufgabe zum Reaktiven Transport
Sie sollen den Stofftransport von der Wonnhalde bis zur Dreisam in einem Modell darstellen. Es gibt eine Altlast auf der Wiese der Wonnhalde und eine in der Wiehre. Beschreiben Sie, wann deren Stoffe die Dreisam erreichen - sie haben dafür eine Messstelle direkt an der Dreisam. Erstellen Sie ein Transportmodell und simulieren Sie den Transport des belasteten Wassers unter Berücksichtigung von Ionenaustausch.
Die Analyse des Regenwassers vor der Infiltration und des Grundwassers im Aquifer von der Altlast bis zur Dreisam sieht folgendermaßen aus:
TITLE Ebnet SOLUTION 1 Regenwasser units mg/l pH 5.5 temp 10.0 Ca 2.5 Mg 0.215 Na 0.705 K 0.18 C(4) 7.5 as HCO3- S(6) 5.0 as SO4 N(5) 1.18 as NO3 Cl 1.18 END
TITLE Ebnet SOLUTION 1 Grundwasser im Günterstal units mg/l temp 10.0 pH 8.22 Ca 33.3 Mg 3.5 K 1.5 Na 7.5 C(4) 85.0 as HCO3- S(6) 10.8 as SO4-2 Cl 11.8 N(5) 14.5 as NO3- Fe 0.02 END
Der Austauscher X hat eine Kapazität von 0.005 mol. Es wird davon ausgegangen, dass die Austauscher vor der Belastung im Gleichgewicht mit dem unbelasteten Grundwasser stehen.
- Gruppe 1: Sie modellieren eine Altlast mit 5 mg/L Cu im Neubildungswasser in der Wiehre (2) - Szenario ehemalige Metallverarbeitung.
- Gruppe 2: Sie modellieren eine Altast mit 5 mg/L Cd im Neubildungswasser in der Wiehre (2) - Szenario ehemalige Metallverarbeitung.
- Gruppe 3: Sie modellieren eine Altlast mit 10 mg/L Pb im Neubildungswasser in der Wiehre (2) - Szenario ehemalige Metallverarbeitung ( Bericht).
- Gruppe 4: Sie modellieren eine Altast mit 1 mg/L Cu im Neubildungswasser auf der Wonnhalde (3) - Szenario ehemaliges Holzlager in der Wiehre.
- Gruppe 5: Sie modellieren eine Altast mit 1 mg/L As3+ im Neubildungswasser in der Wonnhalde (3) - Szenario ehemaliges Holzlager, Bericht.
4.2.1 Durchgangskurven
Wann werden die Stoffe die Messstelle erreichen?
4.2.2 Konzentrationen
Wie hoch sind die Konzentrationen?
4.2.3 Verteilung
Wie sind die Stoffe im Wasser und auf dem Austauscher verteilt?
5. Auswertung und Diskussion
Schlussbesprechnung der Ergebnisse der Arbeitsgruppen.
6. Literatur
- Appelo, C. Anthony J., and Dieke Postma. Geochemistry, groundwater and pollution. CRC press, 2004.
- Merkel, Broder J., and Britta Planer-Friedrich. Grundwasserchemie: praxisorientierter Leitfaden zur numerischen Modellierung von Beschaffenheit, Kontamination und Sanierung aquatischer Systeme. Springer-Verlag, 2008.
Links
- Diagramme (Software zur Darstellung hydrochemischer Analysen)