Transportmodellierung von Spurenelementen mit substratübergreifenden Isothermen - Verlagerungsprognose unter Einbeziehung von räumlicher Variabilität und Datenunsicherheit

Land / Region: Deutschland

Projektanfang: 01.10.2001

Projektende: 30.09.2008

Projektstand: 31.03.2007

Betrachtet man die Vielzahl der Ansprüche, die an ein in der bodenkundlichen Praxis routinemäßig eingesetztes Verfahren zur Sickerwasserprognose nach Bundesbodenschutzverordnung gestellt werden, so wird relativ schnell deutlich, dass es das eine „universell“ einsetzbare Verfahren nicht gibt und auch in Zukunft nicht geben wird.
Das hier vorgestellte Verfahren zur Sickerwasserprognose von Spurenelementen stellt daher einen Baustein in dem „Gebäude von Verfahren“ dar, welche in Zukunft eine Prognose der Sickerwasserqualität in unterschiedlicher Güte erlauben werden.

In einem derartigen „Gebäude von Verfahren“, in dem jeder Baustein eine wichtige Funktion erfüllt, ist die Güte des Bausteins je nach Anspruch, der an seine Qualität gestellt wird, unterschiedlich. Bei der Sickerwasserprognose reicht - je nach benötigter Qualität der Aussage - die Güteskala der Verfahren von verbal/argumentativen Methoden bis hin zu hochkomplexen Stofftransportmodellen. Es liegt beim Anwender zu entscheiden, welches Verfahren für den von ihm benötigten Zweck sinnvoll erscheint. Er muss außerdem bei seiner Entscheidung abwägen, welche Auswertemöglichkeit die ihm zur Verfügung gestellten Daten zulassen.

Das im Projekt entwickelte Verfahren hat auf der einen Seite den Vorteil wenig datenintensiv und damit kostengünstig zu sein. Auf der anderen Seite liefert es unscharfe, nicht eindeutige Ergebnisse. Bezüglich seiner Funktion im „Gebäude der Verfahren“ ist es als intermediär zwischen verbal/argumentativen Methoden und hochkomplexen Stofftransportmodellen einzuordnen.

Grundlage des Verfahrens ist ein Katalog von Pedotransferfunktionen (Utermann et al., 2005), welche die Sorption von Spurenelementen über einfach zu erhebende Bodeneigenschaften beschreiben. Eine breite Anwendbarkeit wird durch die den Funktionen zugrunde liegende, für Böden in Deutschland repräsentative Datengrundlage gewährleistet. Ein Vorteil dieser „Deutschland-Isothermen“ für die Praxis der Sickerwasserprognose ist die sehr einfache Bestimmung der elementspezifischen Sorption in einem beliebigen Boden anhand von sorptionsbestimmenden Eigenschaften wie pH-Wert, C_org- und Tongehalt.

Diese vereinfachende Beschreibung hat allerdings den Nachteil, dass die an der Festphase sorbierte Menge nicht mehr eindeutig vorhergesagt werden kann. Stattdessen erhält man ein durch Minimum und Maximum begrenztes Unsicherheitsintervall, mit dem bei den weiteren Prognoseschritten umgegangen werden muss.

Eine zusätzliche Quelle von Varianz ist die räumliche Variabilität der in die Pedotransferfunktionen eingehenden sorptionsbestimmenden Eigenschaften. Will man diese quantifizieren, so ergibt sich eine weitere Unsicherheitsquelle, da es in der Praxis weder technisch noch finanziell möglich sein wird, die Variabilität von Eigenschaften im Raum kontinuierlich zu erfassen.

Nimmt man an, dass die Sorption der wesentliche verlagerungssteuernde Prozess ist, so muss vor allem die Unsicherheit und räumliche Variabilität der Sorption bei der Vorhersage der Verlagerung berücksichtigt werden.

Als Verlagerungsmodell wird ein konvektiv/dispersiver Ansatz gewählt, der - gekoppelt mit einem 2D-Monte-Carlo Verfahren (Abbildung 1) - die Verlagerungsberechnung auf der Feldskala erlaubt.

Abb.1: Schematische Darstellung der im Rahmen des 2D-Monte-Carlo Verfahrens durchgeführten n x n lokalen Simulationen zur Berechnung von n feldgemittelten Verlagerungsprofilen, die (wie in Abbildung 2 für den Standort Nordenham dargestellt) statistisch ausgewertet werden können. Quelle: BGR

Der Vergleich der Modellvorhersagen mit Messdaten soll dazu dienen, den hier vorgestellten Ansatz zu bewerten. Hierzu wurden zum einen Modellrechnungen für ein aus der Literatur übernommenes Feldexperiment für Cd mit einer Verlagerungsgeschichte von 85 Jahren durchgeführt.

Abbildung 2 zeigt das Ergebnis einer dieser Untersuchungen (Umgebung der Metallhütte Nordenham mit 85-jähriger Cd-Immissionsgeschichte). Abbildung 3 zeigt das Ergebnis einer Sickerwasserprognose bis zum Jahr 2175 für denselben Standort.

Abb. 2: Gemessene Tiefenverteilung der sorbierten Cd-Konzentration am Standort Nordenham nach 85-jähriger Belastungsgeschichte. Die Abbildung zeigt darüber hinaus die mit der Cd-Pedotransferfunktion von Utermann et al. (2005) berechnete Tiefenverteilung (mit 95% Konfidenzintervall). Quelle: BGR

Abb. 3: Sickerwasserprognose bis zum Jahr 2175 für den Standort Nordenham. Der Ort der Beurteilung nach BBodSchV (1999) liegt bei 60 cm u. Gelände. Quelle: BGR

Die dargestellten Ergebnisse erlauben die Güte des Verfahrens in einer abgestuften Sickerwasserprognose einzuordnen. Darüber hinaus erlaubt das Verfahren Aussagen im Bezug auf Stoffe, über deren Transportverhalten bisher nur wenige Informationen vorlagen.

Downloads:

• Entwicklung eines Verfahrens zur Quantifizierung von Stoffkonzentrationen im Sickerwasser auf der Grundlage chemischer und physikalischer Pedotransferfunktionen. Endbericht. BMBF-Förderkennzeichen 02 WP 0206. Veröffentlichungsdatum: 18.03.2005 (PDF, 18 MB)

Literatur:

• BBodSchV, Bundesgesetzblatt (1999): Bundesbodenschutzverordnung: BGBl I, S. 1554

• Utermann, J., Heidkamp, A., Meyenburg, G., Gäbler, H. E., Altfelder, S., Böttcher, J., (2005): Pedotransfer-functions for Sorption of Trace Elements in Agricultural & Forest Soils, Consoil 2005

Partner:

• Bundesministerium für Bildung und Forschung
  
• Prof. Dr. T. Streck, Fg. Biogeophysik, Universität Hohenheim, Stuttgart
  
• Prof. Dr. J. Böttcher, Institut für Bodenkunde, Universität Hannover