Modelling of natural attenuation in soil and groundwater

Abstract

Contaminated land poses a serious problem with respect to soil quality and the risk of spreading of pollutants into other compartments of the environment such as groundwater. Under certain conditions, groundwater contamination remains restricted to a tolerable extent because of Natural Attenuation processes. In this study the size of these so called steady state plumes is evaluated by 2D and 1D modelling of homogeneous aquifers. For simplified conditions, if longitudinal mixing is negligible, scenarios can be modelled using a 1D domain in the direction vertical to flow. Sensitivity of the plume length on biodegradation kinetics, flow velocity, transverse vertical dispersivity alpha/t, the source and aquifer geometry and reaction stoichiometry was analysed. It was found, that for many readily biodegradable compounds, mixing due to transverse dispersion rather than reaction kinetics are the overall limiting factor for Natural Attenuation. If alpha/t and aquifer- and source geometry of a contaminant plume are known, the length of the steady state plume can be predicted. Numerical simulations were performed in order to assess the diffusive spreading of volatile fuel constituents from a spill in the unsaturated zone and their biodegradation for the Vaerlose field experiment, Denmark. Sensitivity analyses illustrate that the net attenuation rates depend mainly on partitioning parameters such as Henry's Law constant of the fuel constituents, on the biological degradation rate constant, the depth of the source above the water table and to a lesser extent on soil water content and temperature. The measured field data of 14 NAPL compounds, oxygen and reaction products were reproduced by the model MIN3P. However, agreement was significantly enhanced if temporal variations of temperature and water content were implemented. By fitting measured soil gas concentrations in the unsaturated zone using the numerical models, estimates of aerobic biodegradation rate constants were obtained. The mass balance of the field site model indicates that most of the contaminant mass degasses to the atmosphere. Biodegradation was found to be important for compounds with low Henry's law constant (BTEX) and for heavier n-alkanes which showed very high degradation rate constants. The emission into groundwater could be determined after the processes in the unsaturated zone were quantified. Compared to measured pollutant concentrations in groundwater, which were detectable in a small area below the emplaced source, the model yielded qualitative agreement when vertical dispersivity in the capillary fringe was in the range of centimetres. A risk of groundwater contamination was found for compounds which show both, low Henry’s law constant and low biodegradation rate constant. Quantification of biodegradation appears to be the most crucial task for risk assessment in the unsaturated zone.

Die Verschmutzung von Böden und Grundwasser stellt in der heutigen Zeit ein gravierendes Problem dar. Unter bestimmten Bedingungen sind natürliche Rückhalteprozesse (Natural Attenuation) in der Lage, Verschmutzungen des Grundwassers auf ein akzeptables Maß zu beschränken. Das Ausmaß sogenannter stationärer Grundwasserfahnen biologisch abbaubarer Schadstoffe wurde durch die Modellierung homogener Aquifere in 2D und 1D ermittelt. Für vereinfachte Bedingungen, insbesondere wenn longitudinale Mischung keinen Einfluß auf die Fahnenlänge hat, können szenariospezifische Modellierungen in 1D quer zur Grundwasserströmungsrichtung für die Abschätzung der Schadstofffahnenlänge eingesetzt werden. Die Sensitivität der Fahnenlänge auf biologische Abbaukinetik, Grundwasser Fließgeschwindigkeit, vertikale Querdispersivität alpha/t und Aquifer- und Schadensherdgeometrie sowie die Reaktionsstöchiometrie wurde ermittelt. Als kritischer Faktor für die Ausbreitung aerob abbaubarer Schadstoffe im Grundwasser wurde die Querdispersivität alpha/t identifiziert, wohingegen die biologische Abbaukinetik in den meisten Fällen nicht den limitierenden Faktor darstellt. Bei bekannter Querdispersivität alpha/t, Schadensherdgeometrie und Ausgangskonzentration kann das Ausmaß stationärer Schadstoffahnen im Grundwasser vorhergesagt werden. Für Abschätzung des von einem Herd organischer Schadstoffe in der ungesättigten Bodenzone ausgehenden Risikos für das Grundwasser wurden numerische Simulationen durchgeführt. Das Feldexperiment Vaerlose Airforce Base in Dänemark lieferte dazu hervorragend geeignete Meßdaten. Die Modellierung beinhaltete die diffusive Ausbreitung der Schadstoffe in der Bodenluft, nicht stationäre, gemessene Wetterdaten vom Standort und eine Abschätzung des biologischen Abbaus. Sensitivitätsanalysen zeigten, daß die Gesamtabbauraten in erster Linie von den Verteilungskoeffizienten der Schadstoffe wie der Henrykonstante, den biologischen Abbauratenkonstanten, der Tiefe des Schadenherdes und außerdem von Temperatur und Bodenwassergehalt abhängen. Die im Gelände gemessenen Konzentrationen der aus einem Gemisch von 14 Kerosinbestandteilen ausgasenden Schadstoffe konnten mit dem numerischen Modell MIN3P nachvollzogen werden. Die Übereinstimmung konnte deutlich verbessert werden, wenn zeitliche Schwankungen von Bodentemperatur und in geringerem Maße des Bodenwassergehalts berücksichtigt wurden. Durch die Anpassung mit MIN3P simulierter Konzentrationen an die gemessenen Daten konnten die biologischen Abbauratenkonstanten erster Ordnung abgeschätzt werden. Die Massenbilanz des Modells zeigt an, daß der Großteil der Schadstoffmasse in die Atmosphäre ausgast. Biologischer Abbau war von großer Bedeutung für Stoffe mit niedriger Henrykonstante wie die BTEX und für die langkettigen n-Alkane, denen sehr hohe Ratenkonstanten zugeordnet wurden. Der Transport ins Grundwasser konnte nach der Bestimmung der Massenbilanz in der ungesättigten Zone abgeschätzt werden. Gemessene Konzentrationen im flachen Grundwasser konnten für Querdispersivitäten alpha/t in der Größenordnung von Zentimetern qualitativ reproduziert werden. Das Risiko einer Grundwasserkontamination ergibt sich demgemäß für Stoffe, die sowohl eine niedrige Henry Konstante als auch niedrige biologische Abbauratenkonstante aufweisen. Im Gegensatz zur gesättigten Zone muß in der ungesättigten Zone geschlußfolgert werden, daß die Quantifizierung des biologischen Abbaus die wichtigste Aufgabe zur Abschätzung des Risikos einer Grundwasser- Beeinträchtigung darstellt.