Einfluß der Fließeigenschaften

Die Fließeigenschaften eines Fluids werden im wesentlichen durch seine Dichte ρρ_Fluid, seine Viskosität ηη_Fluid (innere Reibung) und durch die Benetzungseigenschaften von Boden und Fluid bestimmt (vergl. Kap. 2.2).

Der Einfluß von ρ_Fluid und η_Fluid auf das Fließen wird deutlich, wenn die Durchlässigkeit k_Fluid (als eine vom Fluid abhängige Größe) durch die Permeabilität K (als eine vom Fluid nicht abhängige Größe) ausgedrückt wird (vergl. Kap. 2.1.3).

k_Fluid = (K ⋅⋅ρFluid⋅⋅ g) / ηFluid

Betrachtet man einen Boden mit gegebener Permeabilität K, der von unterschiedlichen Flui-den durchströmt wird, so zeigt sich, daß seine Durchlässigkeit mit der Dichte des strömenFlui-den Fluids steigt. Dagegen wird die Durchlässigkeit mit steigender Viskosität geringer.

Doch auch alle Medien, mit denen ein Fluid im Untergrund in Berührung kommt, spielen

we-spielsweise Wasser, als benetzendes Fluid, in einen luftgesättigten (also trockenen) Boden sehr gut ein, wohingegen Luft, als ein nicht benetzendes Fluid, erst unter dem Eintrittskapil-lardruck in wassergesättigten Boden eindringen kann (vergl. Kap. 2.1.3.4).

Als treibende Kräfte für die Bewegung einzelner oder mehrerer Phasen im Untergrund sind Potentialunterschiede wirksam. Sie wirken z. B.

• bei natürlichen oder künstlich erzeugten Grundwasserströmungen (hydraulischer Gradient),

• bei künstlich erzeugten Bodenluftströmungen (pneumatischer Gradient),

• bei der Infiltration oder Perkolation von Niederschlagswasser, von flüssigen organi-schen Schadstoffen oder von schweren organiorgani-schen Dämpfen (Gravitationspotential und Matrixpotential).

Dreiphasenströmung

Im Falle einer Untergrundkontamination durch organische Substanzen kann neben der Gas-phase (Bodenluft mit organischen Dämpfen) und der WasserGas-phase (Boden- bzw. Grundwasser mit gelösten organischen Substanzen) eine weitere flüssige (Schadstoff-)Phase aus mit Wasser nicht mischbaren Substanzen auftreten.

Die Mobilität der drei Fluide wird durch die Art des Schadstoffes (Dichte, Viskosität, Benet-zungseigenschaften), die Art des Untergrundes (Porengrößenverteilung, Benetzbarkeit) und den jeweiligen Anteil im Porenraum bestimmt. In einem solchen System ist demnach eine Dreiphasenströmung, also die gleichzeitige Bewegung der Gasphase, der Wasserphase und der flüssigen Schadstoffphase möglich.

Beispielhaft für laminare Dreiphasenströmungen sind in Abb. 2.3-3 die relativen Durchlässig-keiten für Wasser, Öl und Luft dargestellt.

Die Diagramme zeigen, daß Dreiphasenströmung nur in sehr engen Grenzen auftreten kann.

Hierfür müssen alle drei Fluide im funikularen Sättigungsbereich liegen, d. h. jedes Fluid muß eine zusammenhängende Phase bilden. Diese Zone ist im Diagramm b) durch das zentrale Dreieck begrenzt. In allen anderen Sättigungsbereichen liegt zumindest eine der drei Phasen in Residualsättigung d. h. immobil vor.

Dreiphasenströmungen bilden bei Sanierungsmaßnahmen die Ausnahme. Sie können aber bei pneumatischen Sanierungen auftreten. Das Wasser und die flüssige Schadstoffphase werden dann durch die veränderten Druckverhältnisse bei der Luftströmung mobilisiert.

Abb. 2.3-3 Relative Durchlässigkeiten für die drei nicht mischbaren Fluide Wasser (w), Luft (a) und Öl (ö) (nach BUSCH, LUCKNER, 1974)

Zweiphasenströmung

Zweiphasenströmungen können in der gesättigten Zone als Fließen von Wasser und flüssiger (Schadstoff-) Phase, und in der ungesättigten Zone als Fließen von Wasser und Luft, Wasser und flüssiger Phase (Luft immobil) oder von Luft und flüssiger Phase (Wasser immobil) auf-treten.

Bei all diesen Kombinationen zweier nicht mischbarer Phasen ist ein ähnliches Verhalten zu beobachten, wobei die Benetzungseigenschaften von großer Bedeutung sind. In Abb. 2.3-4 sind schematisch die relativen Durchlässigkeiten für die Zweiphasenströmung von Wasser (als besser benetzende Phase) und von Öl (als schlechter benetzende Phase) wiedergegeben.

Abb. 2.3-4 Relative Durchlässigkeit für Öl und Wasser bei Zweiphasenströmen (nach VAN DAM, 1967)

Im folgenden werden allgemein gültige Zusammenhänge dargestellt, wobei die besser benet-zende Phase (in Anlehnung an dieses Beispiel) als Wasserphase, die schlechter benetbenet-zende Phase als Ölphase bezeichnet wird:

• Die Durchlässigkeit des Bodens für jede Phase ist relativ zur Durchlässigkeit bei voller Sättigung verringert.

• Die relative Durchlässigkeit der Wasserphase verringert sich schon bei Anwesenheit geringer Anteile der Ölphase im Porenraum. Die Ölphase befindet sich in Form von Tröpfchen in Aufweitungen der Porenkanäle und verringert den Fließquerschnitt der Wasserphase. Solange sich die Ölphase immobil in Form isolierter Tröpfchen im Po-renraum befindet, spricht man von einem insularen Sättigungszustand der Ölphase.

• Die relative Durchlässigkeit der Ölphase bleibt dagegen von der Anwesenheit einer Wasserphase zunächst unbeeinflußt. Das Wasser benetzt die Kornoberflächen, besetzt die engen Porenzwickel und verringert den Fließquerschnitt nur unwesentlich. Solange sich das Wasser immobil in Porenzwickeln und engen Poren befindet, spricht man von einem pendularen Sättigungszustand der Wasserphase.

• Sind beide Phasen mobil, so spricht man von einem funikularen Sättigungszustand. Die Summe der beiden relativen Durchlässigkeiten ist immer < 1.

• Eine Ausdehnung des funikularen Sättigungsbereiches - d. h. eine Mobilisierung von pendularem Wasser oder insularem Öl - kann dadurch erreicht werden, daß der Gra-dient der Strömung erhöht wird.

Der Verlauf der (relativen) Durchlässigkeitskurven wird einerseits vom Boden durch seine Porenstruktur und Benetzbarkeit, andererseits von beiden strömenden Phasen durch ihre Dichten, Viskositäten und Grenzflächenspannungen bestimmt. Daten, die genauere Angaben zu den relativen Durchlässigkeiten verschiedener Böden erlauben würden, sind nur vereinzelt veröffentlicht und stammen fast sämtlich aus der Erdölforschung (z. B. LEWERETT, LEWIS, 1941; SCHNEIDER, OWENS, 1970). Eine Zusammenfassung der Grundlagen bieten VAN DAM und SCHIEGG (VAN DAM, 1967; SCHIEGG, 1979; UMWELTBUNDESAMT, 1990). Eine Übersicht über neuere Untersuchungen im Zusammenhang mit Sanierungsmaß-nahmen der ungesättigten Zone geben MERCER und COHEN und DVWK (MERCER, CO-HEN, 1990; DVWK, 1993).

Zweiphasenströmungen können bei pneumatischen Sanierungen auftreten, wenn die Sättigung der Wasser- oder der Schadstoffphase die Residualsättigung überschreitet. Häufig treten Was-serbewegungen im Umfeld von Bodenluftabsaugbrunnen auf, wobei eine Wasserströmung durch Infiltration, Wasserspiegelschwankungen oder kapillaren Aufstieg gespeist werden kann.

Nach Eindringen einer flüssigen Schadstoffphase (s. u.) in die gesättigte Zone können auch hier Zweiphasenströmungen entstehen. Besonders häufig tritt dies bei Schadstoffen auf, die leichter als Wasser sind und eine "aufschwimmende Ölphase" bilden. Bei der Ausbreitung einer solchen Ölphase verbleibt im durchströmten Porenraum residuelles Öl zurück, weshalb bei begrenzter Infiltration immer auch die Ausbreitung in flüssiger Phase begrenzt bleibt. Die gezielte Fassung einer flüssigen Schadstoffphase als aufschwimmende Ölphase oder als schwere organische Phase auf einem Stauhorizont (z. B. LCKW) ist wegen in der Regel nur geringer aufbringbarer Strömungsgradienten nur mit starken Einschränkungen möglich. So verbleibt meist ein erheblicher Anteil der flüssigen Phasen in Residualsättigung (insular) im Porenraum.

Intensiv untersucht wurde die Bewegung unter Schwerkraft für flüssige Schadstoffe in der ungesättigten und der gesättigten Zone. Für Flüssigkeiten, die leichter sind als Wasser (Öl, Benzin), sind hier die Untersuchungen von SCHWILLE und SCHIEGG zu nennen (SCHWILLE, 1971; SCHIEGG, 1979); für Flüssigkeiten, die schwerer sind als Wasser (LCKW), die Untersuchungen von SCHWILLE (SCHWILLE et al., 1984; siehe auch ME-LUF, 1983).

Eindringen von nicht mischbaren Fluiden in den wassergesättigten Porenraum

Das Eindringen einer nicht benetzenden Phase (Öl, LCKW, Luft) in einen wassergesättigten Porenraum erfordert die Überwindung des Eintrittskapillardruckes p_ke. In Abb. 2.1-9 wurde für das Eindringen von Luft in einen wassergesättigten Boden die Abhängigkeit des Eintritts-kapillardruckes vom mittleren Korndurchmesser d_50,Oberfl. aufgetragen. Das Diagramm kann auch für das Eindringen von anderen nicht benetzenden Phasen in einen wassergesättigten Boden verwendet werden. Hierfür sind lediglich die für das jeweilige Fluid geltende Grenzflä-chenspannung σσ_ij und der Randwinkel der Benetzbarkeit αα zu ersetzen. MERCER und CO-HEN machen hierfür einige Angaben (MERCER, COCO-HEN, 1990):

Verhalten mischbarer Flüssigkeiten

Einige Schadstoffe wie Alkohole, Säuren und Laugen sind mit Wasser in beliebigen Verhält-nissen mischbar. Die Fluideigenschaften des Gemisches (Dichte, Viskosität und Benetzungs-eigenschaften) ergeben sich aus den Eigenschaften der gemischten Fluide und dem Mi-schungsverhältnis. Mit zunehmender Verdünnung im Untergrund kommen sie den Eigen-schaften des reinen Wassers immer näher.

Zwischen mischbaren Fluiden treten keine Grenzflächenkräfte auf. Die Durchmischung der Fluide erfolgt durch Diffusion in der Mischung unterstützt durch mechanische Effekte bei der Durchströmung der Poren.

Erfahrungen mit Grundwasser-Dichteströmungen (unterschiedliche Salzgehalte, Temperatur-differenzen) zeigen, daß die Durchmischung mitunter sehr langsam vonstatten gehen kann.

Zusammenfassung

Die Bedeutung der Fließeigenschaften organischer Schadstoffe auf ihr Verhalten kann zu-sammenfassend wie folgt beurteilt werden:

• Die Durchlässigkeit eines Bodens für ein beliebiges Fluid k_Fluid steigt mit der Dichte des Fluids und sinkt mit der Zunahme der Viskosität des Fluids.

• Bei Anwesenheit mehrerer miteinander nicht mischbarer Phasen (flüssig oder gasför-mig) im Untergrund können Mehrphasenströmungen auftreten. Die Durchlässigkeit für jede der Phasen ist für beliebige Teilsättigungszustände geringer als bei Sättigung durch diese Phase.

• Ein Fluid ist mobil, wenn es im Boden eine zusammenhängende d. h. kohärente Phase bildet (funikularer Sättigungszustand). Fluide in pendularem (benetzendes Fluid) oder insularem (nicht benetzendes Fluid) Sättigungszustand können nur durch das Aufbrin-gen eines Druckgradienten mobilisiert werden, der die haltenden Kapillarkräfte über-windet.

• Das Eindringen eines nicht mischbaren Fluids in einen wassergesättigten Porenraum wird wesentlich durch den mittleren Korndurchmesser und die Grenzflächenspannung des Fluids zu Wasser bestimmt. Der Eintrittskapillardruck ist proportional zur Grenz-flächenspannung und umgekehrt proportional zum mittleren Korndurchmesser.