Aufgaben und Ziele des Simulationslabors der Sektion Hydrogeologie
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Bergbau-& Industriefolgen für die Umwelt |
Hydrogeologische Systeme werden anthropogen gestört oder zerstört und mit völlig verändeter Struktur neu geschaffen.
Solche, als geologisch jung zu betrachtende Systeme, befinden sich häufig in instabilen Gleichgewichtszuständen ihre geochemischen, boden- bzw. gesteinsmechanischen und hydrogeologischen Eigenschaften können strenger Kopplung unterliegen.
Die Einstellung stabiler Gleichgewichtszustände hat häufig katastrophale Auswirkungen auf Mensch und Natur.
Große Areale sind in breitem Spektrum mit toxischen organischen und anorganischen Stoffen angereichert, lebensnotwendige Nähr- und Spurenstoffe fehlen.
Das potentielle Schadstoffinventar wird durch anthropogen aufgebrachte Stoffe und die geologisch bereits vorhandenen gebildet. Direkte anthropogene Einflüsse und globale klimatische Veränderungen führen zur Veränderung von Mobilität und Verfügbarkeit des Schadstoffinventars.
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Problem |
Die Erfassung von Gütedaten im Gelände und deren alleinige Bewertung erlaubt i. allg. keine Klärung von Prozessen, da die Bilanzierung stofflicher und energetischer Ein- und Austräge von hydrogeologischen Systemen nur im Ausnahmefall möglich ist und die treibenden Kräfte unerkannt bleiben. Häufig kann nur das Wasser beprobt und analysiert werden. Systemverständnis setzt jedoch die Analyse aller Elemente des Systems und deren Wechselwirkung voraus und ist für die Prognose notwendige Voraussetzung. Ein Weg zum Prozeßverständnis ist dessen experimentelle Simulation unter definierten Bedingungen.
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Aufgabe |
Kleinmaßstäbige Simulation von Migrationsprozessen von fluiden Phasen und deren Inhaltsstoffen in Böden und Gesteinen.
(Migration = Bewegung und Reaktionen von Phasen und Inhaltsstoffen)
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Ziele |
Untersuchung und Bilanzierung hydrogeologischer, geochemischer und hydrobiologischer Prozesse.
Synthese analysierter Teilprozesse unter reproduzierbaren Milieu- und Fließbedingungen.
Entwicklung von Modellkonzepten und/oder Überprüfung von deren Anwendbarkeit für konkrete Untersuchungsobjekte.
Modellreduktion durch Bestimmung limitierender Prozesse
Parameteridentifikation
Durchführung von Szenarien zur Abschätzung der Stabilität hydrogeologischer Systeme.
Prüfung der Vollständigkeit erkannter Zusammenhänge zwischen Elementen eines Systems (Modell) f&uum;r die richtige Bewertung und Prognose einer Situation.
Skalierung von Prozessen und Parametern.
Bewertung von Feldbeobachtungen.
Vergleich und Einordnung experimenteller Methoden
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Arbeitskonzept: |
Durchführung von Experimenten mit begründetem Annäherungsgrad an die natürliche Lagerung der Böden und Gesteine.
Einhaltung naturnaher Bedingungen für Druck, Temperatur und Fließregime.
Experimentelle Simulation mit on-line Erfassung relevanter Parameter..
Ermittlung aller, für die Prozeßbeschreibung nötiger Parameter in gleichbleibender räumlicher Dimension..
Simultane Entwicklung des Prozeßmodells und Abbruch des Experiments bei hinreichender Übereinstimmung von Meßwerten und deren Prognose entsprechend des Modells.
Keine 1:1-Übertragung von Parametern in andere zeit-räumliche Maßstäbe, sondern Übertragung von Konzepten; Skalierung von Prozessen und Parametern.
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Methoden |
für die Untersuchung von gestört / ungestört eingebauten Proben bei gesättigt / ungesättigtem Fließen der bewegten Phase(n) unter naturnahen Fließ- und Milieubedingungen
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Untersuchung hydraulischer Eigenschaften |
Einphasenströmung: kf-Wertbestimmung
z.B. Prinzip der hängenden Wassersäule
Mehrphasenströmung: pF-Kurvenermittlung
Be- und Entwässerungscharakteristik
Bestimmung der ungesättigten Wasserleitfähigkeit
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Untersuchung des Verhaltens von Inhaltsstoffen |
Durchlaufsäulenexperimente
Synthese von Teilprozessen
Bilanzierung
Steuergrößen und limitierende Prozesse
Differenzierung von Transportmechanismen
Test / Bilanzierung geochemischer Fallen
Ermittlung dynamischer Kennwerte
Umlaufsäulenexperimente
Abtastung geochemischer Gleichgewichtszustände
Titration von Pufferbereichen
Bestimmung von Alkalität/Azidität
sequentielle Extraktion
Elutionsverhalten
mikrobielle Stoffumsätze
Speziesverteilung von Schadstoffen
Diffusionsexperimente
Bestimmung der apparativen Diffusion
Untersuchung feinstkörniger Schlämme
Topfexperimente
Elutionsverhalten stückiger Festgesteinsproben
Elutionskinetik im Langzeitexperiment
Untersuchung der Oberflächenkorrosion
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Charakterisierung von Böden / Gesteinen |
Korngrößenverteilung, Dichte, Porosität, Permeabilität.....
spezifische Oberfläche(Oberflächenbelegung durch Stickstoffadsorption nach der BET-Methode)
Topfexperimente
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Integration des Labors |
| Aufgabengebiet | Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen der UFZ-Sektionen |
| Untersuchungsgegenstand / Thema, Probengewinnung | Hydrogeologie, Bodenforschung, Analytik, Sanierungsforschung, Chemische Ökotoxikologie, Projektbereich "Industrie- und Bergbaufolgelandschaften" + externe Partner |
| Eluatanalytik | Analytik, Hydrogeologie + externe Partner |
| natürliche Radioaktivität | Analytik |
| Tracermethoden | Hydrogeologie + externe Partner |
| Kolloidchemie | Hydrogeologie, Bodenforschung |
| Hydrobiologie | Hydrogeologie |
| mineralogische Charakterisierung der Gesteine | Hydrogeologie + externe Partner |
| bodenkundliche Untersuchungen | Bodenforschung |
| Feststoffanalytik & Gesteinsaufschlüsse | Analytik |
| Modellierung | Hydrogeologie, Bodenforschung, Sanierungsforschung + ext. Partner |