DE19942436C2

DE19942436C2 - Verfahren zur Abschätzung der Ausbreitung von Schadstoffen für den Grundwasserschutz

Info

Publication number: DE19942436C2
Application number: DE19942436A
Authority: DE
Inventors: Kersten Roselt; Joerg Schmidt; Fritz Weihrauch; Volker Grunewald
Original assignee: JENA GEOS INGENIEURBUERO GmbH
Current assignee: JENA GEOS INGENIEURBUERO GmbH
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 1999-09-06
Publication date: 2001-07-12
Anticipated expiration: 2019-09-07
Also published as: DE19942436A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abschätzung der Aus breitung von Schadstoffen für den Grundwasserschutz, insbeson dere zur Gefahrenbeobachtung und -bewältigung von Altlasten- Verdachtsflächen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Behördlich anordenbare Maßnahmen des Grundwasserschutzes im Be reich von Altlasten zielen regelmäßig auf Maßnahmen zur Gefah renabwehr bzw. Sicherung, die eine Unterbrechung der Expositi onspfade oder die Reinigung kontaminierten Grundwassers zum In halt haben. Derartige Sanierungs- und Sicherungsarbeiten sind jedoch außerordentlich Zeit- und kostenintensiv und erfordern darüber hinaus Monitoringmaßnahmen, um die Wirksamkeit der Sa nierung überprüfen zu können. Aufgrund der Vielzahl der Stand orte und der Längerfristigkeit der Altlastenwirkungen ergeben sich insgesamt gegenwärtig, aber auch zukünftig enorme Aufwen dungen, die im Hinblick auf ihre ökologische und ökonomische Effektivität nicht immer gerechtfertigt sind. Eine Minimierung bzw. Optimierung der Maßnahmen zur Sanierung bzw. zum Monito ring erfordert die Erfassung grundlegender Zusammenhänge über die Ausbreitung und den Einfluß von Altlasten insbesondere auf das Schutzgut Wasser.

Bisher wurde das Erfordernis von Grundwasser-Sanierungsmaß nahmen aus den Absolutkonzentrationen der toxisch relevanten Schadstoffe im Grundwasser durch Vergleich mit Referenzwerten ("Listenwerten"), d. h. sogenannten Maßnahmeschwellwerten abge leitet bzw anderweitig mehr oder weniger empirisch festgelegt.

Mit anderen Worten gab die Messung hoher Konzentrationen eines oder mehrerer Schadstoffe im Grundwasser Anlaß zur Einleitung von entsprechenden Sanierungsmaßnahmen, ohne daß hinreichend genau bekannt war, ob und inwieweit sich die Stoffe ausbreiten, z. B. auf ein Trinkwassererfassungsgebiet zu, oder ob derartige Stoffe mikrobiell abgebaut werden, was bei organischen Schad stoffen in hohem Maße gegeben ist. Ebensowenig wurde den wirk lichen Gegebenheiten hinreichend entsprechend berücksichtigt, ob und inwieweit die Schadstoffe durch das Gestein, durch das das Grundwasser fließt, womöglich zurückgehalten und gefiltert werden.

Darüber hinaus wurde bereits versucht, die Schadstoffausbrei tung auf der Grundlage komplizierter Simulationsprogramme zu analysieren. Eine realitätsnahe Anwendung von rechnerischen Schadstofftransport-Modellen ist jedoch in fast allen Fällen durch eine unsichere oder empirisch abgeschätzte Ermittlung der Migrationsparameter eingeschränkt. Insbesondere eine laborative Nachbildung dieser Prozesse zum Studium selbiger bereitet er hebliche Schwierigkeiten. Dies ist letztendlich Ursache dafür, daß bei den bisher bekannten Schadstofftransport-Modellen und deren Anwendung zumeist ein worst-case-Szenario berücksichtigt wird, das in vielen Fällen von der objektiven Lage und Situati on weit entfernt ist. Schadstofftransportmodelle, welche über aktuelle Messungen immer wieder aktualisiert werden, sind zudem sehr aufwendig und nur für extrem große Schadensfälle einsetz bar.

Aus der DE 42 03 452 A1 ist ein Verfahren zur Erkennung einer Umweltverschmutzung, insbesondere der Oberflächen von Flüssen bekannt. Konkret wird dort eine Analyse einer Ausbreitung von Verschmutzungen, z. B. Öl auf einem Oberflächengewässer, vorge nommen, wofür oberhalb eines zu überwachenden Gebiets ein Trä gersystem mit Sensoren angeordnet ist und hierbei bevorzugt auf ein Radarsystem zurückgegriffen wird. Durch eine Kopplung mehrerer Sensoren soll eine Wichtung der Ausgangssignale möglich sein, um eine Verschmutzungsklassifizierung zu realisieren. Un mittelbare Informationen und Aussagen zum Grundwasserschutz können jedoch nach der Lehre der DE 42 03 452 A1 nicht gewonnen werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Altla sten-Schadstoffabschätzung für den Grundwasserschutz anzugeben, bei dessen Anwendung sich der Monitoringaufwand für Grundwas serschäden verringern läßt, das eine Optimierung von Sanierun gen im Bereich von Altlasten und Deponien mit Blick auf das Schutzgut Grundwasser ermöglicht bzw. eine objektive Entschei dungsgrundlage für Sanierungsmaßnahmen darstellt.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt verfahrensgemäß mit einer Lehre gemäß den Merkmalen nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Nach dem Grundgedanken der Erfindung wird eine mittelbare Be stimmung von reaktiven geogenen Komplexen anhand von Konzentra tionsmessungen entlang der Fließrichtung des Abstroms der Alt lastenverdachtsfläche vorgenommen. Die reaktiven geogenen Kom plexe sind gekennzeichnet durch spezifische, insgesamt sehr komplizierte Wechselbeziehungen zwischen physikalischen, geo chemischen und mikrobiellen Prozessen, die ein Zurückhalten bzw. bei organischen Schadstoffen den Abbau der Substanzen im Grundwasser bewirken. Eine objektive Ermittlung der standort spezifischen Wirkung solcher Komplexe gestattet es, den Faktor natürlicher Abbau- und Rückhalteprozesse als Sammeleffekt für Sanierungsentscheidungen zu nutzen, wenn eine entsprechend ob jektivierte Risikoprognose erfolgt.

Konkret werden erste Konzentrationsmessungen entlang der Fließ richtung des Abstroms an mindestens zwei Grundwassermeßstellen M1 und M2 zu einem ersten Zeitpunkt durchgeführt.

Aus diesen Messungen wird dann ein Konzentrationsgradient i_c für die einzelnen Kontaminanten (standortrelevante Parameter) oder mit ihnen in Beziehung stehenden anderen Meßgrößen ermit telt, wozu folgende Formel genannt sein soll:

mit
s₁ Entfernung der Grundwassermeßstelle M1 vom Emissionszentrum,
s2 Entfernung der Grundwassermeßstelle M2 vom Emissionszentrum,
c1 Konzentration im Bereich der Grundwassermeßstelle M1,
c2 Konzentration im Bereich der Grundwassermeßstelle M2.

Darüber hinaus erfolgt eine wiederholte, mindestens zweite Kon zentrationsmessung entlang des Abstroms der Altlastverdachts fläche zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt und eine erneute Ermittlung des Konzentrationsgradienten i_c nach der oben be schriebenen Beziehung.

Aus der Entwicklung des Konzentrationsgradienten i_c wird dann die Tendenz der Ausbreitung der Schadstoffahne im Sinne von re gressiv, stagnativ oder progressiv bestimmt. Diese Tendenz der Ausbreitung kann auch über Daten ermittelt werden, die aus zeitlich zurückliegenden Anlässen bestimmt wurden.

Durch Inbezugsetzen der ermittelten Tendenz hin zum Ressourcen wert des belasteten Grundwasservorkommens ist eine optimierte Risikobewertung und -prognose möglich.

Aus der vorgenommenen Risikobewertung und -prognose sind dann konkrete Maßnahmen zur Sanierung der Altlastenverdachtsfläche ableitbar.

Der zeitliche Abstand der Messungen korreliert mit der Grund wasserfließgeschwindigkeit, den jahreszeitlich bedingten Grund wasserspiegelschwankungen, dem Löslichkeitsverhalten und der Mobilität des jeweiligen Schadstoffs und kann von Fall zu Fall durch Probemessungen bestimmt werden.

Erfindungsgemäß liegt die mindestens zweite Meßstelle M2 auf einer gedachten Verlängerung der Linie, die ausgehend von der Altlastenverdachtsfläche über die erste Meßstelle M1 verläuft und die Grundwasserfließrichtung exakt wiedergibt.

Die Länge bzw. die Entfernung der Meßstrecken vom Zentrum der Altlastenverdachtsfläche liegt im Intervall von im wesentlichen 100 bis ≦ 1000 m.

In einer Weiterbildung der Erfindung, insbesondere auch unter dem Aspekt der Optimierung des zeitlichen Abstands der Messun gen kann eine laufende oder zyklisch abgefragte Auswertung der Konzentrationsmessungen an den Meßstellen M1 und M2 sowie Er mittlung der jeweiligen Konzentrationsgradienten vorgenommen werden.

Aus der zeitlichen Verzögerung des Anstiegs oder des Abfalls der Gradientenwinkel zwischen i_c an der Meßstelle M1 und i_c an der Meßstelle M2 wird auf die örtliche Wirksamkeit des jeweili gen reaktiven geogenen Komplexes geschlußfolgert.

Bevorzugt wird die Konzentrationsmessung durch eine entspre chend abgeteufte Sensorik vorgenommen, wobei die Meßwerte tele metrisch zu einer Datensammel- und -auswerteeinrichtung über tragen werden. Die vorerwähnte laufende oder zyklische Abfrage bzw. Auswertung der Konzentrationsmessungen sowie die Bestim mung der jeweiligen Konzentrationsgradienten kann automatisiert mit einem Personal Computer oder dergleichen Rechnereinrichtung vorgenommen werden.

Mit dem vorbeschriebenen Verfahren wurden langjährige Erkennt nisse aus der Altlastenbearbeitung sowie hydrogeologische Un tersuchungen zur Entwicklung von Schadstoffahnen praxiswirksam gemacht, so daß die Beurteilung von Schadstofftransportvor gängen sowie zum Abbau und zur Rückhaltung von Schadstoffen praxiswirksam vereinfacht werden konnte.

Es hat sich gezeigt, daß die räumliche Ausbildung von Schad stoffahnen im Umfeld von Altlastenstandorten oder Altablagerungen deutlich engständiger und daß die Ausbreitungsgeschwindig keit wesentlich geringer als bisher angenommen ist.

Verfahrensgemäß gelingt es unter Berücksichtigung von Art, Men ge und Verteilung organischer und anorganischer Schadstoffe so wie außerdem unter Beachtung der Hydrogeochemie des Kontamina tionsbereichs und seiner Umgebung, den Faktor natürlicher Ab bau- und Rückhalteprozesse für Sanierungsentscheidungen zu nut zen, wobei für jeden Standort in einfacher Weise quantifizierte Aussagen gewonnen werden können. Diese standortspezifisch aus gerichtete Quantifizierung greift auf ermittelte parameterspe zifische Konzentrationsgradienten zurück, welche die Konzentra tionsänderung anthropogen bedingter Wasserinhaltsstoffe oder anderer geeigneter standortspezifisch ausgewählter chemisch physikalischer Meßgrößen vektoriell im Abstrom von Altlasten verdachtsflächen in Abhängigkeit von der Entfernung zum Emissi onsherd beschreiben.

Bei Anwendung des vorgestellten Verfahrens sind Sanierungs- und Monitoringmaßnahmen durch eine objektivierte Altlasten-Risiko prognose optimierbar, weil es gelingt, eine begründetere Ein schätzung einer Tendenz der Schadstoffausbreitung im Zusammen hang mit dem Ressourcenwert des belasteten Grundwasservorkom mens zu treffen.

Mittels der wiederholten Bestimmung des parameterspezifischen Konzentrationsgradienten läßt sich die Entwicklung des Einflus ses der Altlasten auf das Schutzgut Grundwasser nachweisen, so daß unter bestimmten Umständen eine weniger aufwendige Sanie rungsmaßnahme oder eine Entlassung von Altlastenverdachtsflä chen aus dem Altlastenverdacht oder eine Zurückstufung des Ver dachtsgrads erfolgen kann.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei spiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des Konzentrationsverlaufs ei nes Schadstoffs oder einer beschreibenden Meßgröße im reaktiven geogenen Komplex und

Fig. 2 die Wechselbeziehung zwischen der ermittelten Tendenz der Schadstoffausbreitung und dem Ressourcenwert des belasteten Grundwasservorkommens als Entscheidungs grundlage für ein kostenoptimiertes Altlastenmanage ment.

Bei dem Verfahren zur Altlasten-Schadstoffabschätzung für den Grundwasserschutz werden zunächst erste Konzentrationsmessungen entlang der Fließrichtung des Abstroms der Altlastenverdachts fläche an mindestens zwei Grundwassermeßstellen M1 und M2 zu einem ersten Zeitpunkt vorgenommen bzw. solche Werte, wenn zu treffend, zurückliegenden Messungen entnommen.

Nach einer signifikanten Meßwerteanzahl unter Berücksichtigung üblicher Statistik und Meßwertmittelung wird ein Konzentrati onsgradient i_c ermittelt, wozu folgende Formel genannt sein soll:

mit
s₁ Entfernung der Grundwassermeßstelle M1 vom Emissionszentrum,
s2 Entfernung der Grundwassermeßstelle M2 vom Emissionszentrum,
c1 Konzentration im Bereich der Grundwassermeßstelle M1,
c2 Konzentration im Bereich der Grundwassermeßstelle M2
und der Einheit

bzw. dimensionslos bei Normierung der Entfernung (z. B. auf 100 m).

Weiterhin werden die Konzentrationsmessungen zu einem späteren Zeitpunkt wiederholt, und es wird eine erneute Ermittlung des Konzentrationsgradienten i_c vorgenommen. Aus der vergleichenden Bewertung und Entwicklung der Konzentrationsgradienten i_c vom ersten zum zweiten Zeitpunkt läßt sich dann eine Tendenz der Ausbreitung der Schadstoffahne über regressiv nach stagnativ bis hin zu progressiv ermitteln.

Die Lage der Meßstellen und die gegebenen Konzentrationsver hältnisse einschließlich angedeuteter Wirkung des reaktiven geogenen Komplexes sind in der Fig. 1 dargestellt.

Der parameterspezifische Konzentrationgradient i_c beschreibt mittelbar die Wirkung des reaktiven geogenen Komplexes, d. h. der physikalischen, geochemischen und mikrobiellen Prozesse bzw. deren Wechselwirkungen, die sich im Grundwasser abspielen und welche auch auf die Wirkungen des in der Meßstrecke vorhan denen Gesteinsmaterials zurückzuführen sind.

Die wiederholte Ermittlung des Konzentrationsgradienten in ob jektspezifisch angemessenen Zeiträumen gibt Auskunft über die Verhaltensentwicklung bzw. über die Tendenz der Ausbreitung der Schadstoffahne und läßt eine Prognose der Gefahrensituation, wie in Fig. 2 zu erkennen, zu.

Konkret wird die Tendenz der Ausbreitung der Schadstoffahnen mit dem Ressourcenwert des belasteten Grundwassers tabellarisch korreliert und hieraus eine Risikoabschätzung sowie erforderli che Maßnahmen zum Grundwasserschutz abgeleitet. Die Risikobe wertung kann durch einen entsprechenden Programmteil mit Hilfe eines Personal Computers erfolgen, wobei selbstverständlich auch eine feinere Abstufung als die nach den drei Klassen gemäß Fig. 2 denkbar ist.

Die Meßstellen M1 und M2 befinden sich auf einer Linie, welche auch durch die Altlastenverdachtsfläche führt und die Grundwas serfließrichtung wiedergibt. Die gesamte Meßstreckenlänge kann im Bereich von im wesentlichen 100 bis ≦ 1000 m liegen.

Aus Erfahrung hat sich gezeigt, daß der zeitliche Abstand der Messungen während der Durchführung von Sanierungsmaßnahmen, die einen Eingriff in das System darstellen, im Bereich von Tagen oder Wochen liegt, ansonsten Zeitabstände von einem Monat bis zu einem Jahr relevant sind. Sie sind objektspezifisch angemes sen anzupassen. Bereits vorliegende Ergebnisse, d. h. vorhandene Meßreihen können über übliche statistische Verfahren zur Er mittlung günstiger Zeitabschnitte und repräsentativer Parameter für neu durchzuführende Messungen herangezogen werden.

Konkret orientieren sich die zeitlichen Abstände der Messungen an der jeweiligen Grundwasserfließgeschwindigkeit, an möglichen jahreszeitlich bedingten Grundwasserspiegelschwankungen sowie am Löslichkeitsverhalten bzw. der Mobilität des jeweiligen Schadstoffs.

Der erwähnte Ressourcenwert des belasteten Grundwasservorkom mens wird aus der wasserwirtschaftlichen und/oder ökologischen Bedeutung (Einstufung) des jeweiligen Grundwasservorkommens ab geleitet. Hieraus ergibt sich die vorgenommene unterschiedliche Betrachtungsweise für die jeweiligen Altlastenstandorte oder bereits belastete Grundwässer dahingehend, ob diese durch die Fließrichtung eine Gefährdung aktuell genutzter und durch Trinkwasserschutzzonen rechtlich geschützter Trinkwassererfas sungen darstellen oder nicht.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens schlägt vor, eine kontinuierlich oder zyklisch abgefragte Auswertung der Konzentrationsmessungen an den Meßstellen M1 und M2 oder weiteren Mn sowie eine Ermittlung der jeweiligen Konzentrati onsgradienten durchzuführen, wobei aus der zeitlichen Verzöge rung des Anstiegs oder des Abfalls des Gradientenwinkels zwi schen i_c M1 und i_c M2 bzw. i_c Mn auf die örtliche Wirksamkeit der reaktiven geogenen Komplexe geschlossen wird. Aus dieser zeitlichen Verzögerung lassen sich darüber hinaus Erkenntnisse über die Mobilität und Transfergeschwindigkeit der verschiede nen Schadstoffe oder hinsichtlich einer möglichen Sättigung von filterwirkenden Gesteinsschichten gewinnen.

Die Konzentrationsmessungen an den jeweiligen Meßstellen können automatisiert, z. B. durch eine speziell abgeteufte Sensorik vorgenommen werden, wobei die Meßwerte telemetrisch zu einer Datensammel- und -auswerteeinrichtung übertragen werden und ei ner späteren online- oder offline-Bewertung zuführbar sind.

Claims

1. Verfahren zur Abschätzung der Ausbreitung von Schadstoffen für den Grundwasserschutz, insbesondere zur Gefahrenbeobachtung und -bewältigung von Altlastenverdachtsflächen, gekennzeichnet durch

- mittelbare Bestimmung von reaktiven geogenen Komplexen durch Konzentrationsmessungen entlang der Fließrichtung des Abstroms der Altlastenverdachtsfläche an mindestens zwei Grundwassermeßstellen M1 und M2 zu einem ersten Zeitpunkt;
- Ermittlung eines Konzentrationsgradienten i_c nach folgender Beziehung
mit
s₁ Entfernung der Grundwassermeßstelle M1 vom Emissionszentrum,
s2 Entfernung der Grundwassermeßstelle M2 vom Emissionszentrum,
c1 Konzentration im Bereich der Grundwassermeßstelle M1,
c2 Konzentration im Bereich der Grundwassermeßstelle M2
und der Einheit
bzw. dimensionslos bei Normierung der Entfernung (z. B. auf 100 m),
- wiederholte, mindestens zweite Konzentrationsmessungen entlang des Abstroms der Altlastenverdachtsfläche zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt und erneute Ermittlung des Konzentrationsgradienten i_c nach obiger Beziehung und
- Ableiten der Tendenz der Ausbreitung der Schadstoffahne durch vergleichende Bewertung und jeweilige Entwicklung der Konzentrationsgradienten i_c, wobei die mindestens zweite Meßstelle M2 sich auf einer gedachten Linie befindet, die ausgehend von der Altlastenverdachtsfläche über die erste Meßstelle M1 verläuft und die Grundwasserfließrichtung wiedergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine objektivierte Risikoabschätzung durchgeführt wird, und zwar dadurch, daß aus der Raum-Zeit-bezogenen Tendenz der Aus breitung der Schadstoffe und dem Ressourcenwert des belasteten Grundwasservorkommens eine Klassifikationsmatrix gebildet wird, mit deren Hilfe der betreffende Altlastenstandort einer von mehreren Risikoklassen zuordenbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Meßstrecke ausgehend vom Zentrum der Alt lastenverdachtsfläche im Bereich von im wesentlichen 100 bis ≦ 1000 m gewählt ist.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch laufende oder zyklisch abgefragte Auswertung der Konzentra tionsmessungen an den Meßstellen M1, M2 . . . Mn sowie Ermittlung der jeweiligen Konzentrationsgradienten, wobei aus der zeitlichen Verzögerung des Anstiegs oder Abfalls des Gradien tenwinkels zwischen i_c M1, i_c M2 und i_c Mn auf die örtliche Wirksamkeit der reaktiven geogenen Komplexe geschlossen wird.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch statistische Ermittlung der relevanten Meßgrößen und der optimalen Zeitabstände zwischen den Messun gen.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationsmessungen durch eine abgeteufte Sensorik erfolgen, wobei die Meßwerte telemetrisch zu einer Datensammel- und -auswerteeinrichtung übertragen werden.