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Modellierung der Wasserqualität in Fliessgewässern

Modellierung der Wasserqualität in Fliessgewässern. W. Kinzelbach, IfU, ETH Zürich O. Cirpka, EAWAG SS 06. Inhalt. Prozesse und Gleichungen Strömungsmodelle Mischung Tracertransport Fluss Temperaturmodell Fluss Sauerstoffmodell Fluss Nutrientenmodell Biozönosenmodellierung

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Modellierung der Wasserqualität in Fliessgewässern

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Presentation Transcript

  1. Modellierung der Wasserqualität in Fliessgewässern W. Kinzelbach, IfU, ETH Zürich O. Cirpka, EAWAG SS 06

  2. Inhalt • Prozesse und Gleichungen • Strömungsmodelle • Mischung • Tracertransport Fluss • Temperaturmodell Fluss • Sauerstoffmodell Fluss • Nutrientenmodell • Biozönosenmodellierung • Temperaturmodell See • Sedimenttransport

  3. Motivation der Transportmodellierung Emission Immission Transmission Schadstoffquellen Verfrachtung und Umweltqualität Umwandlung Ein Transportmodell bestimmt aus den Emissionen die Umweltqualität. Der Zusammenhang ist meist kompliziert

  4. Einsatzgebiete von Transportmodellen • Analyse (Blick zurück) • Messdateninterpretation • Bilanzierung des Verbleibs von Schadstoffen • Verursacheridentifizierung • Belastungsstatistik • Prognose (Blick in die Zukunft) • Standortgutachten und Genehmigungsverfahren • Folgenabschätzung • Sanierung • Bewirtschaftungsplanung • Festlegung von Grenzwerten

  5. Klassische Anwendungen • Standortgutachten Kernkraft • Umweltverträglichkeitsstudien generell • Wärmelastpläne • Flussgebietsmanagementmodelle • Luftreinhaltepläne

  6. Kernkraft als starke Treibkraft für Modellierung • Auswirkungen in der Zukunft (Prognose erforderlich) • Experimente nicht möglich • Auswirkungen in der Regel nicht messbar • Belastungspfade vielfältig • Unsicherheit berücksichtigbar durch Sensitivitätsanalyse, Konservatismen

  7. Transportpfade für Radionuklide aus Kernkraftanlagen

  8. CKW-Fahnen Raum Heidelberg (1981)

  9. Chernobyl-Fahne (26.4.1986)

  10. Tracereinleitung Rhein 1

  11. Tracereinleitung Rhein 2

  12. Abwassereinleitung Ostsee

  13. Rauchfahne Ätna

  14. Rauchfahne Schornstein

  15. Warmwassereinleitung Donau

  16. Gemeinsamkeiten: Prozesse • Mittlere Verfrachtung: Advektion • Vermischungsprozesse • Molekulare Diffusion • Turbulente Diffusion • Dispersion • Quellen und Senken • Chemische und biologische Umwandlung • Adsorption, Sedimentation

  17. Zeitliche und räumliche Variabilität von Strömungsfeldern Turbulente Geschwindigkeitsvariationen Heterogenität eines Aquifers Laminare Strömung

  18. Wirkungsweise der Dispersion Differentielle Advektion wird asymptotisch zu Dispersion

  19. Stoffflussvektor Zerlegung Advektion Molekulare Diffusion Turbulente Diffusion Dispersion Gesamtfluss

  20. S V Transportgleichung Produktion und Entzug durch Quellen und Senken im Innern von V Speicherung Nettotransport über die Berandung S Differentielle Form:

  21. Bausteine der Transportmodellierung Molekulare Diffusion Turbulente Diffusion und Dispersion Quellen/ Senken Advektion Speicherung Diffusions/ Dispersionsmodell z.B. Ficksches Gesetz mit anisotropem Dispersionstensor Quellen/ Senkenmodell Z. B. Chem Abbau Bio. Umwandlung Sedimentation Adsorption Strömungsmodell Kontinuitätsgleichung Impulsgleichung Energiegleichung Zustandsgleichungen

  22. Strömungsmodelle Fluss • Einfachster Fall: Normalabfluss • Komplizierter: Rückstaueffekte berücksichtigt • Kinematische Welle • Lösung der St. Venant Gleichungen

  23. Fickscher Diffusionsprozess Schwerpunkt: xs = ut Breite der Verteilung:

  24. Skalenabhängigkeit der turbulenten Diffusion im Meer

  25. Skalenabhängigkeit der turbulenten Diffusion in der Atmosphäre

  26. Skalenabhängigkeit der Dispersion in Aquiferen aL aus DL=aLu

  27. Beispiele für Quellen und Senken-Terme • SO2-SO4 in der Atmosphäre • Adsorption im Aquifer • BSB-gelöster Sauerstoff im Fluss • Wärme im Fluss

  28. Invarianten • Typische Zeitskalen • Advektion TA = L/u • Diffusion/Dispersion TD = L2/D • Chemie (Reaktion 1. Ordnung) TC = 1/l • Dimensionslose Verhältnisse • Peclet-Zahl Pe = TD/TA = uL/D • Damköhler-Zahl Da = TC/TD = D/(lL2)

  29. Vergleich der Einzelprozesse anhand von Zahlenbeispielen

  30. Klassifizierung von Transportmodellen Nach Prozessen • Transportierte Spezies (Einzel-Multi) • Strömungsfeld • Kopplung zwischen Konzentration und Dichte • Chemische/biologische Umwandlungen Nach räumlichen Dimensionen • 0D, 1D, 2D horizontal, 2-D vertikal, 3D Nach Zeitstruktur stationär –instationär Nach Lösungsverfahren • analytische Lösung • Vernachlässigung der Dispersion/Diffusion • Numerische Lösung (FE, FE, Charakteristikenmethode, Random Walk, Zweischrittverfahren)

  31. Dimensionalität bei Fernfeldproblemen • 3D • Atmosphäre, Grundwasser, Dichteeffekte • 2D • Grundwasser, Ästuar • 1D • Fluss, Ästuar, See mit Schichtung • 0D • See (durchmischt), Regionale Grobbilanzen

  32. Beeinflussung der Strömung durch den Schadstoff (Dichteströmung) Sickerwässer aus Deponie Heisse Abgase

  33. Heterogene Transportmodelle Modelle, die Phasen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten u enthalten Totzonen in 1D-Fluss Doppelporosität in Aquiferen Adsorption in Sedimenttransport

  34. Prozess der Modellierung Wahl des Modells Fragestellung Wahl des Lösungsverfahrens Daten Kalibrierung/Validierung Anwendung Unsicherheitsanalyse

  35. Modell und Realität

  36. Beispiel Sauerstoffmodell des Neckars • Dimension: 1-D, stationär • Anwendungsbereich: >10 km • Strömung: 1-D, quasi-stationär • Diffusion/Dispersion: vernachlässigt • Quellen(Senken: Biozönose mit 10 Spezies, Wiederbelüftung • Lösungsverfahren: Charakteristikenverfahren

  37. Biozösenmodell von Boes

  38. Gewässergüte Neckar 1976

  39. Neckarsanierung Abfluss Zustand 1974 BSB5 Sauerstoff Temperatur Abfluss Zustand 1990 BSB5 Sauerstoff Temperatur

  40. Neckarsanierung Istzustand 1974 Abfluss BSB5 Gel. Sauerstoff Temperatur Vollausbau 1990 Kosten rund 2 Mrd. DM BSB5 Gel. Sauerstoff

  41. Beispiel Temperaturmodell des Rheins • Dimension: 1-D, Instationär • Anwendungsbereich: >10 km • Strömung: 1-D, quasi-stationär • Diffusion/Dispersion: vernachlässigt • Quellen(Senken: Wärmeaustausch durch Oberfläche • Lösungsverfahren: Charakteristikenverfahren

  42. Kraftwerksplanung am Rhein (1970)

  43. Wärmelastplan Rhein: Temperaturprognose Sommer

  44. Beispiel Schadstofftransport in der Atmosphäre • Dimension: 3-D, stationär • Anwendungsbereich: 100 m - 30 km • Strömung: 1-D • Diffusion/Dispersion: Entfernungsabhängige turb. Diffusionskoeffizienten • Quellen(Senken: Abbaureaktion 1. Ordnung • Lösungsverfahren: analytische Lösung

  45. Transportmodell der TA-Luft Gauss-Fahne Q Quellstärke u mittlere Windgeschwindigkeit H effektive Emissionshöhe sz(x) = axb Diffusionsparameter sy(x) = gxd a,b,g,d abhängig von Stabilitätsklasse l Abbaurate (einschl. Deposition)

  46. Luftrheinhalteplan Ludwigshafen (1980)

  47. Luftreinhalteplan Ludwigshafen Imissionen Formaldehyd Emissionen Formaldehyd Darstellung der flächenbezogenen 95-Perzentile

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