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Modelling the risk of chloridnated hydrocarbons in urban groundwater
Kurzbeschreibung
Ziel dieser Arbeit ist die Risikoermittlung einer Altlast in einem urbanen Umfeld. Ein
multidisziplinärer Ansatz zur Beurteilung des Abbaupotentials von Schadstoffen im Grundwasser
wurde gewählt, um das Gesamt-Risikopotential abschätzen zu können. An experimentellen und
theoretischen Methoden wurde dabei auf chemische und biochemische Techniken bis hin zu
geowissenschaftlichen Untersuchungen zurückgegriffen. Im Speziellen kamen molekularbiologische
und nasschemische Analysen sowie die Finite-Elemente Modellierung von Transport
und Reaktion im Grundwasser zur Anwendung. Die räumlichen Dimensionen reichten dabei von
kleinskaligen Laborexperimenten bis hin zu Messungen auf der Feldskala. Mit Hilfe dieses
ganzheitlichen Ansatzes war es möglich, die von Altlasten ausgehenden Gefahren mit potentiellen
Gesundheitsschäden von Anwohnern zu verknüpfen.
Als Beispiel wurde ein mit chlorierten Ethenen belastetes Gebiet im Raum Braunschweig
ausgewählt, auf welches das hier entwickelte Modell angewendet wird. Während wiederholter
Messkampagnen wurden Schadstoffkonzentrationen sowie verschiedene Umweltparameter
ermittelt und mit vorhandenen Daten in der Literatur verglichen. Anhand der Messdaten wurde ein
Grundwassermodell zur Simulation von Fließ-, Transport- und Reaktionsprozessen erstellt und
validiert. Mittels einer Sensitivitätsanalyse konnten daraufhin wichtige Transport- und
Reaktionsparameter ermittelt werden, die anschließend mithilfe einer Monte-Carlo Simulation zur
Berechnung von schadstoffspezifischen räumlichen Auftretenswahrscheinlichkeiten genutzt
wurden.
Es zeigte sich während der Anwendung der beschriebenen Methoden, dass ein auf der
vereinfachten linearen Reaktionskinetik beruhender Schadstoffabbau die realen Verhältnisse nur
teilweise beschreiben konnte. Daher wurde ausgehend von den vorliegenden Daten ein
Reaktionsmodell auf Basis der Monod-Kinetik entwickelt. Ferner wurden anorganische
Elektronenakzeptoren als inhibierende Substanzen für die reduktive Dechlorierung von
Chlorethenen implementiert und dieses erweiterte kinetische Modell auf die Fallstudie
angewendet. In einem weiteren Schritt wurden die bereits erwähnten Schadstoff-
Auftretenswahrscheinlichkeiten mit einem Gesundheitsrisikoansatz verknüpft. Abschließend
konnte damit eine Risikoanalyse durchgeführt werden, um räumliche und zeitliche
Gefährdungspotentiale abzuschätzen.
Description
The main target of this work is the development of a risk assessment approach of groundwater
contaminations in an urban area. A multidisciplinary approach was performed to assess
degradation potential of contaminant species in soil and the inherent risk posed by anthropogenic
substances. Experimental and theoretical methods range from chemical and biochemical to geoengineering
applications. This especially concerns molecular biological, wet-chemistry techniques
and Finite Element groundwater transport and reaction modelling. The spatial dimensions
considered in the studies range from small laboratory to field scales. With regard to these applied
methods the overall goal was a holistic risk approach to intertwine both, reactive transport of
contaminants in groundwater and human health risks.
An experimental area polluted with chlorinated ethenes and located in Braunschweig was chosen
to validate the model. Based on repeated measurement campaigns pollutant concentrations as
well as other environmental parameters and chemical data were determined and their quality was
valued at assessed literature data. With the obtained experimental data a groundwater reactive
transport model was established and validated. Further, to test the influence of the flow, transport
and reaction model parameters a sensitivity analysis was performed. Based on this analysis,
contaminant specific probabilities of occurrence were calculated with a Monte-Carlo simulation
approach. Additionally, model optimisation techniques were applied to improve conformity of
simulated and experimental data.
It could be shown, that a simplified first-order reaction kinetic is only partially capable of rendering
the measured field data. Hence, it was necessary to extend and improve the underlying
degradation kinetics by means of modified Monod-equations. Here, the extension mainly
comprises the introduction of inorganic electron acceptors as well as inhibiting reactions to refine
the reductive dechlorination process of the chlorinated hydrocarbons. The next important step
concerns the derivation of a health risk approach from the aforementioned concentration
probabilities of occurrence. The combined model approach finally enables to calculate spatial and
temporal health risk occurrence.
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