Practical approaches to modelling natural attenuation processes at LNAPL contaminated sites

Abstract

Contamination of the subsurface by LNAPLs (Light Non-Aqueous Phase Liquids), particularly fuel hydrocarbons, is a widespread problem threatening groundwater quality at affected sites. Monitored natural attenuation (MNA) is increasingly used in site management strategies in such cases as an alternative to, or in conjunction with conventional remediation measures. For the implementation of MNA at a contaminated site, contaminant emission, transport and degradation processes need to be understood and quantified and a prognosis made for the likely future development of the contamination, especially with regard to the spatial and temporal stationarity of the contaminant plume. In this respect, mathematical models describing the relevant physical processes have come to play a central role in the investigation of contaminated sites. For the field-scale simulation of MNA-relevant processes, existing model codes offer manifold possibilities in terms of model complexity and process representation. The choice of modelling approach is site- and problem-specific, taking into consideration the site data available and the questions to be addressed (i.e. the processes of interest); there is no “one-size-fits-all” solution. Three kerosene contaminated sites, which are broadly similar in terms of geology and contamination history, but differ in terms of scale, the quantity and distribution of kerosene in the subsurface and the data available from site investigations, are presented as case studies demonstrating different innovative modelling approaches for investigating MNA-relevant processes. The modelling approaches in each case consider different processes to address different questions of relevance for the implementation of MNA. The three cases studies serve to highlight some important points for consideration in modelling LNAPL contaminated sites, as well as demonstrating how the modelling approach used can influence the model outcome. It is shown that in terms of the source zone geometry only the lateral extent is of significance for contaminant emission; the vertical extent and the NAPL distribution, as well as the source mass are of little relevance for contaminant emission. More important are hydrogeological and hydrological conditions, particularly groundwater flow velocity and recharge rates. Groundwater recharge is shown to be one of the most important parameters to consider for large area LNAPL contaminations. On the one hand it plays a significant role in contaminant emission, while on the other hand as a source of electron acceptors it can be a key determining factor for contaminant degradation. Comparing the case studies it can be seen how the processes considered in the modelling approach can affect the model outcome; where a simple first-order kinetic representation of biodegradation results in a steady state contaminant distribution, a more complex approach considering aqueous and solid phase electron acceptors can result in a transient situation.

Die Verunreinigung des Untergrunds durch LNAPLs (Light Non-Aqueous Phase Liquids), insbesondere Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe, ist ein weit verbreitetes Problem, das eine Bedrohung für die Grundwasserqualität an betroffenen Standorten darstellt. Die Überwachung natürlicher Schadstoffminderung (Monitored Natural Attenuation - MNA) wird in solchen Fällen zunehmend bei den Altlastenbearbeitungsstrategien verwendet – als Alternative zu oder in Verbindung mit herkömmlichen Sanierungsmaßnahmen. Für die Implementierung von MNA an einem verunreinigten Standort müssen Schadstoffemissionen, Transport und Abbauprozesse verstanden und quantitativ bestimmt werden, damit eine Prognose über die wahrscheinliche zukünftige Entwicklung der Verschmutzungssituation, besonders hinsichtlich der räumlichen und zeitlichen Stationarität der Schadstofffahne, erstellt werden kann. Mathematische Modelle, welche die relevanten physikalischen Prozesse beschreiben, spielen dabei mittlerweile eine zentrale Rolle. Für die Simulation der MNA-relevanten Prozesse im Feldmaßstab bieten vorhandene Modellcodes vielfältige Möglichkeiten hinsichtlich der Erfassung der Komplexität und der Prozessdarstellung. Die Wahl des Modellverfahrens ist standort- und problemspezifisch und erfolgt auf der Basis vorhandener Standortdaten und der zu untersuchenden Fragestellung (d.h. des zu untersuchenden physikalischen Prozesses). Dabei gibt es keine einheitliche Lösung, die auf alle Fälle anwendbar ist. Drei mit Kerosin verschmutzte Standorte, die von geologischen Gegebenheiten und Schadensfall her ähnlich sind, die sich jedoch hinsichtlich Größenordnung, Menge und Verteilung des Kerosins im Untergrund sowie der erhobenen Daten aus Standortuntersuchungen unterscheiden, werden als Fallstudien vorgelegt. Diese stellen unterschiedliche innovative Modellverfahren zur Untersuchung MNA-relevanter Prozesse dar. Die in den jeweiligen Verfahren betrachteten unterschiedlichen Prozesse verfolgen unterschiedliche Fragestellungen, die relevant sind für die Implementierung von MNA. Die drei Fallstudien dienen dazu, wichtige Gesichtspunkte hervorzuheben, die bei der Modellierung von LNAPL Standorten zu betrachten sind. Sie erlauben auch Aussagen darüber zu treffen, inwieweit das verwendete Modellverfahren das Endergebnis beeinflussen kann. Es wird gezeigt, dass bezüglich der Schadensherdgeometrie nur die laterale Ausdehnung für die Schadstoffemission von Bedeutung ist; die vertikale Ausdehnung und die Verteilung der NAPL Sättigungen sowie die gesamte Schadstoffmasse sind hingegen weniger relevant. Wichtiger sind hydrogeologische- und hydrologische Gegebenheiten, insbesondere die Grundwasserfließgeschwindigkeit und –neubildungsrate. Es stellt sich heraus, dass vor allem die Grundwasserneubildung einen der wichtigsten Parameter bei der Betrachtung großflächiger LNAPL Schadensfälle darstellt. Die Grundwasserneubildung spielt einerseits eine bedeutende Rolle bei der Schadstoffemission. Sie kann aber anderseits auch als Quelle für Elektronenakzeptoren ein Schlüsselfaktor für den Schadstoffabbau sein. Anhand der vergleichenden Fallstudien kann gezeigt werden, wie die Prozesse, die bei der Modellierung betrachtet werden, das Ergebnis beeinflussen können: Dort wo eine einfache 1.Ordnung Kinetik des Bioabbaus zu einer stationären Schadstofffahne führt, kann ein komplexeres Verfahren, welches sowohl wässrige als auch mineralische Elektronenakzeptoren betrachtet, zu einer instationären Schadstofffahne führen.