Stofftransport im Boden

Belastung von Boeden und Grundwasser durch Schadstoffe haben zur Entwicklung zahlreicher Stofftransportmodelle für den ungesaettigten Boden geführt. Modellierungskonzepte zur Beschreibung des Stofftransports, von der klassischen Konvektions-Dispersionsgleichung bis zu erweiterten Modellen, werden in dieser Dissertation diskutiert. Chemische und physikalische Nichtgleichgewichts-Prozesse koennen den Stofftransport erheblich beeinflussen und zu veraenderten Transportvorgaengen, z.B. frueherem Auftreten einer Substanz im Grundwasser, führen. Konzepte zur Beschreibung dieser Phaenomene sind deshalb oft in Programmen integriert und werden ausfuehrlich behandelt. Schwerpunkt liegt auf der Beschreibung von Sorptionsprozessen. Die am haeufigsten angewandten Adsorptionsisothermen, die von einem Gleichgewichtszustand zwischen der Stoffkonzentration in geloester und adsorbierter Phase ausgehen, und speziellere Konzepte werden betrachtet. Als Erweiterung der gebraeuchlichen Adsorptionskonzepte für die ungesaettigte Bodenzone werden die zahlreichen Anwendungs- und Interpretations-moeglichkeiten anhand von Beispielen zur Beschreibung der Sorption unter Anwendung von Thermodynamik und Molekuelmodellierung aufgezeigt. Migrationsprozesse koennen mit Hilfe von Simulationen analysiert und der Einfluss veraenderter Anfangs- und Randbedingungen bzw. verschiedener Modellparameter auf den Stofftransport getestet werden. Fallbeispiele unter Anwendung haeufig verwendeter Konzepte werden vorgestellt. Die Programme LEACHP und HYDRUS_2D werden fuer die Interpretation von Labor- und Feldexperimenten verwendet, auch um Vor- und Nachteile der jeweiligen Modelle zu definieren. Der Einfluss der angewandten Konzepte auf die Migration von geloesten Substanzen wird demonstriert und allgemeine Entscheidungskriterien zur Auswahl geeigneter Modelle gegeben. Oft ist eine Erweiterung bestehender Software notwendig, um die fuer ein bestimmtes System relevanten Prozesse zu beruecksichtigen. Dies wird anhand der Implementierung einiger Subroutinen in den source code von HYDRUS_2D demonstriert. Zusammenfassend soll festgehalten werden, dass eine kritische Analyse der Transportprozesse die Grundlage für die Modellanwendung bildet, denn die Interpretation der Simulationsergebnisse haengt vom physikalischen Hintergrundwissen des Anwenders ab. The problems of contaminated soils and risks of groundwater pollution have given rise to the development of numerous solute transport models. Diverse modelling concepts, from transport description by the simple convection-dispersion equation, to more elaborated concepts, are reviewed in this thesis. Chemical and physical non-equilibrium processes considerably impact the solute transport behaviour and might cause an enhanced occurrence of substances in groundwater. Thus, respective concepts accounting for these phenomena, are widely implemented in various programs and are addressed in detail. Emphasis is given on the process of sorption, which is discussed from different points of view. The most frequently used adsorption isotherms, assuming equilibrium between concentration in solution and adsorbed phase, along with more complicated sorption concepts, are specified. Additionally, examples how the field of thermodynamics and molecular modelling techniques are used for describing sorption, are listed to show the wide range of applications and interpretations. Simulation enables to analyse migration processes. Moreover, the impact of altered initial/boundary conditions and various model parameters on solute transport can easily be tested. Simulation case studies are presented, where some of the widely used concepts are applied. The programs LEACHP and HYDRUS_2D are applied for interpreting laboratory and field experiments, and to demonstrate the advantages and disadvantages of these models. The impact of the implied mathematical concepts on migration processes is shown. Factors decisive for selection of appropriate models are listed. Often effects being important for a specific problem are not considered in the available programs. Thus an extension of models might be necessary, which is demonstrated by the coupling of several subroutines to the source code of HYDRUS_2D. In conclusion it should be stated that critical analysis of the transport processes forms the basis for application of models, since the interpretation of simulation results depends on the background knowledge of the user.