Numerisches Transportmodell
Grundlage der Arbeiten ist ein numerisches Transportmodell, welches auf Basis der Literatur und der im Projekt gewonnen Messdaten am Wasserwerk Flehe am Rhein in Düsseldorf entwickelt wurde. Im Modell wurde die Grundwasserströmung, und der Wärme und Stofftransport bei der Uferfiltration am Wasserwerk Flehe über 15 Monate simuliert. Für die Simulation wurde dabei der Modellierungscode PFLOTRAN (www.pflotran.org) verwendet. Das Modell beinhaltet den advektiv-dispersiven Transport von Pathogenen sowie deren Inaktivierung, Sorption (Adsorption, Desorption), und Straining (physische Filterung an kleinen Poren). Mittels der gewonnenen Daten vom Wasserwerk Flehe wurde eine stochastische Modellkalibration durchgeführt und die Unsicherheit der Modellparameter bestimmt.
Vereinfachtes Numerisches Modell
Das 2D Modell für das Wasserwerk Flehe wurde im nächsten Schritt vereinfacht zu einem 1D Modell. Dieses vereinfachte 1D Modell unterscheidet das Untergrundmaterial noch zwischen Aquifer und Kolmationsschicht am Übergang vom Fluss zum Aquifer. Weiterhin verwendet das vereinfachte 1D Modell dieselben mathematischen Gleichungen für die Transportprozesse. Während das 2D Modell des Wasserwerks Flehe noch instationär war, d.h. es wurde eine Zeitperiode simuliert, ist das 1D Modell stationär, d.h. es wird angenommen, dass über einen längeren Zeitraum dieselben Bedingungen herrschen.
Näherungsmodell
Das Näherungsmodell ist eine mathematische Näherung des vereinfachten 1D Modells. Dafür wurden eine Vielzahl von Simulationen des vereinfachten 1D Modells mit verschiedenen Parameterwerten durchgeführt. Aus den Ergebnissen wurde eine mathematische Näherung abgeleitet mittels Legendre Regression bzw. generalized Polynomial Chaos Expansion (gPCE). Diese mathematische Näherung enthält nun nicht mehr direkt die Prozessgleichungen, sondern eine Vielzahl von Polynomen, welche jedoch mit den gleichen Parameterwerten dasselbe Ergebnis erzeugen wie das vereinfachte 1D Modell. Die Vorteile des Näherungsmodells sind, (i) dass es nur Bruchteile einer Sekunde braucht, um berechnet zu werden, dadurch sind Unsicherheitsbetrachtungen leichter möglich, und (ii) dass es nicht mehr die spezielle Modellierungssoftware benötigt, welche für den Laien nicht einfach zu installieren ist.
Mikrobielle Belastung von Oberflächengewässern
– Was sind niedrige, mittlere, hohe und extreme mikrobielle Belastungen? –
Mikrobielle Krankheitserreger, wie Bakterien (E. Coli, Enterokokken, Clostridium perfringens, etc.) und Viren (Adenoviren, Enteroviren, Rotaviren, etc.) kommen im Oberflächengewässern in unterschiedlichen Konzentrationen vor. Die Belastung der Oberflächengewässer mit mikrobiellen Krankheitserregern ist zeitlich variabel, abhängig von Faktoren wie der Hydrologie (insbesondere der Abflussmenge) aber auch der Abgabemenge der Klärwerke. Für jeden speziellen Standort sollte immer die lokal auftretende Belastung (d.h. Konzentrationen) berücksichtigt werden. Auf Basis der üblicherweise auftretenden Konzentrationen (WHO1, UBA2) wurden hier jedoch zur Einordnung drei Szenarien definiert:
„Niedrige“ Belastung
100 B/100mL – 1 V/100mL
entspricht Oberflächengewässern mit geringen bis keinem Abwassereintrag außerhalb großer urbaner Räume und stark landwirtschaftlich geprägten Regionen.
„Mittlere“ Belastung
5,000 B/100mL – 100 V/100mL
entspricht Oberflächengewässern in größeren und dichter besiedelten urbanen Räumen entfernt von einer Klärwerkseinleitung.
„Hohe“ Belastung
100,000 B/100mL – 1,000 V/100mL
entspricht Oberflächengewässern mit starken Abwasseranteil, bspw. nah an einer Klärwerkseinleitung, sodass die Konzentrationen wenig durch Mischung oder durch Abbau im Oberflächengewässer selbst verringert werden können.
„Extreme“ Belastung
1,000,000 B/100mL – 100,000 V/100mL
entspricht Belastungen wie sie bei Extremereignissen auftreten könnten, bspw. bei Starkregen, welcher zu Mischwasserüberläufen und zum Eintrag ungeklärter Abwässer führen kann.
Referenzen
1World Health Organization (2008). Guidelines for Drinking-water Quality Third Edition. ISBN 978 92 4 154761 1.
2Umweltbundesamt (2020). Leitfaden zum Umgang mit „kurzzeitigen Verschmutzungen“ in Flussbadegewässern.https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/1410/publikationen/2020-07-22_leitfaden_verschmutzungen-flussbadegewaesser.pdf