| Numerische Quellen-Analyse In Der Forensischen Geochemie |
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Ein neues Verfahren zur Auswertung chemischer (Wasser-)Daten im Hinblick auf das Verursacherprinzip: Herdermittlung.
- Rekonstruktion (kontaminierter) Stammwässer bei Grundwasser (GW) Mischvorgängen.
- Erkennen von Fliessrichtungen anhand von NQA-Ergebnissen.
- Grundwasserbilanzierung anhand von NQA-Ergebnissen.
- Quantifizierung individueller Schadensanteile bei multiplen Grundwasserkontaminationen.
- Unabhängige Kontrolle von Transport- und Fließmodellen.
Die Numerische Quellen-Analyse, NQA, ist ein innovatives, computergestütztes Verfahren aus dem Repertoire der Forensischen Geochemie (ForGeo MKW, ForGeo CKW, ForGeo FS). Ursprünglich bei CTI (Kanada) im Einsatz zur Erkundung von Lagerstätten wurde das Verfahren von CTI weiterentwickelt für die quantitative Erfassung von Mischungsvorgängen vor allem bei Grundwasserkontaminationen.
Die Abbildung 1 illustriert ein gängiges Problem in der Beurteilung und Erfassung von Schadenszentren: Proben mit hohen Belastungen im Untersuchungsgebiet lassen oft auf multiple Schadenseinträge A, B, und C schließen, ohne daß diese jedoch genau bekannt sind, oder ihre Einzelanteile am Gesamtschaden erfaßt werden können. Die NQA bietet hier eine massgeschneiderte numerische Lösung an, um Mischvorgänge zu rekonstruieren und Ausgangswässer (Herde von Kontaminationen) numerisch zu erfassen.
Das NQA-Verfahren transferiert gemessene chemische Daten wie z.B. Na, Ca, HCO3 etc. in eine Vektor-Matrix mit Ankopplung an lineare Entmischungsgleichungen. Das Ziel des Verfahrens ist die numerische Entschlüsselung und Rekonstruktion von Mischvorgängen in Mischsystemen wie z.B. Grundwasser-Mischsysteme, Erdöle, Erdgase, Magmenkammern usw., die von verschiedenen Herden gespeist werden, usw. NQA basiert ausschließlich auf gemessenen Daten ohne jedwede Annahmen. Anstatt Proben oder Kontaminationsorte über aufgelistete Komponenten oder Kontaminationsprofile zu beschreiben, werden dieselben jetzt im Sinne ihrer Quellen - Mischungsverhältnisse klassifiziert: z.B. kann eine Probe #3 jetzt als 25% Wassertyp A, 45% Typ B und 30% Typ C klassifiziert werden. Sind die Wässer A,B, oder C kontaminationsbelastet, lassen sich quantitative Schadensanteile einzelnen Schadensorten oder Proben zuordnen.
Das Ergebnis der NQA sind a) Anzahl der Stammwässer am Mischsystem, b) die rekonstruierte chemische Zusammensetzung der Stammwässer und c) die Anteile der Stammwässer in Feldproben. In Kürze: die NQA erlaubt detaillierte Einsicht in Mischungsvorgänge indem sie Stammwässer (allgemein: Quellen, Herde) rekonstruiert. Die NQA ist deshalb ein Eckpfeiler in der Forensischen Geochemie (ForGeo MKW, ForGeo CKW, ForGeo FS, EGB) Die NQA erlaubt es, Kontaminationsherde zu erkennen und quantitativ zu erfassen, was bisher über konventionelle Datenauswertung nicht möglich war. Die NQA ist problem-orientiert, kostengünstig, und liefert Ergebnisse hoher Beweiskraft, ein entscheidender Aspekt für die Forensische Geochemie.
Abbildung 1
Konzept, Methodik und Vorteile der NQA
Das Konzept des numerischen Entmischens kann am besten über die Illustration Abbildung 2 erläutert werden, indem man von der umgekehrten Situation bekannter Ausgangswässer mit definiertem Chemismus ausgeht. In Abb. 2 ist ein Mischsystem aus vier Ausgangswässern mit 25 Beprobungsstellen dargestellt.
Abbildung 2
Wenn vier Stammwässer mit definiertem Chemismus (in Abb.2 durch unterschiedliche Farbgebung der vier Wässer gekennzeichnet) in dem "Untersuchungsgebiet" mit 25 Feldproben zusammenfließen, dann sind alle 25 Feldproben, per Definition, als Mischproben anzusehen. Je nach Mischungscharakter hat jede Feldprobe in Abb. 2 Stammwasseranteile von mindestens einem, höchsten vier Stammwässern, da vier Stammwässer die Quellen des Gesamtmischsystems darstellen. Daraus folgt in zwingender Notwendigkeit, dass drei Faktoren die Zusammensetzung aller Mischproben kontrollieren und definieren:
- Anzahl der Stammwässer
- Zusammensetzung (Chemismus) der Stammwässer
- Anteile (0-100%) der Stammwässer in jeder der Mischproben
Das NQA-Verfahren geht den umgekehrten Weg der obigen Illustration: Anstelle der Berechnung der Zusammensetzung der Feldproben aus bekannten Stammwässern berechnet die NQA aus gemessenen Feldproben (z.B. Grundwasser-Proben) heraus die (unbekannten) Stammwässer, da diese Information in dem Mischsystem enthalten sein muß wie vorhin erläutert.
Es ist ebenfalls offensichtlich, daß das NQA-Verfahren für die Rekonstruktion von Ausgangswässern und Schadensherden (im Falle belasteter Wässer) unabhängig ist von jedweder geologischen oder hydrogeologischen Situation. In der obigen Illustration Abb. 2 fließen vier Stammwässer im Zentrum zusammen; daraus ergeben sich Mischwässer unterschiedlicher Farbschattierungen, entsprechend der "Farbe" (Chemismus) der beteiligten Stammwässer. Für den Fall einer besonderen Fließrichtung ergeben sich für die Mischproben andere "Farbschattierungen" entsprechend dem Fließverhalten. Herrscht zum Beispiel ein Fließen in Abb. 2 von NO nach SW vor, so wäre das NQA-Ergebnis wie folgt: Das Mischsystem Abb. 2 im Arbeitsraum mit 25 Mischproben wäre von drei Stammwässern aufgebaut: Wasser # 1, 2 und 4, wobei der äberwiegende Anteil aller Mischproben eine rötliche Färbung annimmt, da das Stammwasser #2 im Arbeitsgebiet dominiert. Das Stammwasser #3 im Abstrombereich tritt nicht in Erscheinung in dem Arbeitsgebiet mit den 25 Mischproben.
In mathematischer Hinsicht induziert ein Mischungsvorgang eine Reihe numerischer Besonderheiten in Datensätzen:
- Mischen induziert eine lineare Varianz in Datensätzen. Diese lineare Varianz wächst mit der Anzahl der Stammwässer und mit dem chemischen Kontrast der Wässer.
- Stammwässer sind, per Definition, Extremproben; Mischproben können keinen extremeren Charakter annehmen als ihre zugehörigen Ausgangswässer.
- Stammwässer sind voneinander unabhängig; jedes Stammwasser erzeugt in einer Daten-Matrix einen Eigenvektor.
Der entscheidende Vorteil von NQA-Ergebnissen ist die neue Sichtweise von gemessenen Daten als Quelle – Mischung Relation. Tabelle 1 ist ein Ausschnitt einer typischen Datenreihe von Grundwassermessstellen. Tabelle 2 sind die numerisch rekonstruierten Stammwässer; basierend auf Tabelle 1 lassen sich vier Stammwässer ermitteln, die am Mischsystem der Tabelle 1 Daten partizipieren.
Tabelle 1: Rohdaten der GW-Proben (Ausschnitt)
| Datum | Pegel | Na mg/l |
K mg/l |
Mg mg/l |
Ca mg/l |
NO3 mg/l |
SO4 mg/l |
Cl mg/l |
HCO3 mg/l |
| 01. Jan. 04 | B 312 | 226,00 | 45,00 | 71,30 | 372,00 | 0,08 | 434,00 | 402,00 | 945,60 |
| 01. Jan. 04 | B 313 | 175,00 | 55,00 | 78,00 | 365,00 | 0,62 | 378,79 | 336,03 | 945,50 |
| 01. Jan. 04 | B 314 | 201,00 | 23,00 | 74,00 | 400,00 | 1,03 | 456,06 | 353,18 | 963,80 |
Tabelle 2: Interne % Zusammensetzung der numerisch ermittelten Stammwässer.
| Variable | Stammwasser 1 | Stammwasser 2 | Stammwasser 3 | Stammwasser 4 |
| Na | 2,1 | 22,0 | 3,3 | 3,5 |
| K | 0,8 | 0,8 | 0,7 | 0,4 |
| Mg | 3,2 | 0,4 | 3,0 | 6,1 |
| Ca | 18,2 | 9,5 | 20,5 | 15,0 |
| NO3 | 0,0 | 0,0 | 0,0 | 2,7 |
| SO4 | 1,2 | 12,2 | 45,4 | 16,1 |
| Cl | 1,9 | 33,5 | 6,5 | 11,5 |
| HCO3 | 72,6 | 20,4 | 20,5 | 44,7 |
Tabelle 3 liefert die % Anteile der Stammwässer in den jeweiligen GW-Proben.
Tabelle 3: Prozentuale Anteile der Mischungsendglieder in den Proben (Ausschnitt)
| Datum | Pegel | % Wasser 1 | % Wasser 2 | % Wasser 3 | % Wasser 4 |
| 01. Jan. 04 | B 312 | 32 | 37 | 25 | 6 |
| 01. Jan. 04 | B 313 | 36 | 32 | 25 | 7 |
| 01. Jan. 04 | B 314 | 32 | 28 | 30 | 10 |
Ein wichtiger Punkt im Verständnis und der Bedeutung für diesen numerischen Ansatz ist die Tatsache, daß die Information in den Tabellen 2 & 3 identisch ist mit der Information in Tabelle 1. Die numerisch bestimmten Tabellen 2 & 3 können dazu benutzt werden, um die Daten der Tabelle 1 zu berechnen. Im Idealfall reiner Mischung ohne Analysenfehler gelingt eine völlige Rückrechnung. Deshalb stellt die NQA im Grunde eine Datentransformation dar von Konzentrations-bezogenen Daten (mit verschleierter Information über die Quellen) hin zu Quellen-bezogener Information:
Verschleierte Information Tabelle 1 = Expliziete, quellen-bezogene Information Tabellen 2 & 3
Anstelle einer Liste gemessener Daten mit limitiertem Diagnosewert bestimmt die NQA Stammwässer (allgemein: Quellen) und ihre Mischungsverhältnisse. Diese neue Sichtweise analytischer Daten erlaubt entschieden bessere Interpretationen (hydro-)chemischer und hydrodynamischer Prozesse. Da numerische Quellenrekonstruktion ausnahmslos auf gemessenen Daten beruht, sind solche Ergebnisse von Bedeutung für die Beurteilung, Auswertung und Quantifizierung individueller Schadensbeiträge zum Gesamtschaden, wenn multiple Schadenseinträge vorliegen. Ebenso lassen sich über NQA-Ergebnisse Fließrichtungen und Grundwasserbilanzierungen durchführen bzw. Fließ- und Transportmodelle überprüfen.
Die numerische Datentransformation und Rekonstruktion von Quellen-Typen kann erfolgreich eingesetzt werden, solange Mischvorgänge vorherrschen oder Reaktionsabläufe (z.B. Abbau von CKW etc.) innerhalb des Mischsystems einer semi-linearen Kinetik folgen. Im Fall von Reaktionen werden näherungsweise Reaktionsendglieder bestimmt anstelle von exakten Mischungsendgliedern.
Anwendungsbereiche der NQA
- Erkennen von Fließrichtungen über chemische Wasserdaten.
- Grundwasserbilanzierungen bei wasserwirtschaftlichen Fragestellungen:
- Uferfiltratbilanzierungen.
- Klärung grundlegender hydrochemischer Verhältnisse.
- Bilanzierung von Grundwässern unterschiedliche Herkunft.
- Effiziente und kostengünstige Nachweisführung bei komplexen Grundwasserschäden.
- Prüfung und Optimierung von Untersuchungs- und Meßprogrammen.
- Vermeidung kostenintensiver Untersuchungsmaßnahmen durch die schnelle und beweiskräftige Analyse vorliegender hydrochemischer Daten.
- Quantifizierung punktueller und diffuser Schadstoffeinträge ins Grundwasser.
- Quantifizierung von Schadensanteilen.
- Prognosen der Schadstoffentwicklung.
- Prüfung und Optimierung von Grundwassermodellen.
- Mithilfe bei der Klärung von Schadensalter und Schadensausbreitung im Grundwasser.
- Ergänzung zu und Kontrolle von Emissionspumpversuchen bzw. deren Interpretation.
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