Tausalzverdünnung und -rückhalt bei verschiedenen Entwässerungsmethoden – Modellberechnungen

Dilution and detention of road de-icing salt in different drainage systems – Model simulations

  • Auftausalze werden zur Vermeidung von Schnee- und Eisglätte eingesetzt. Hierbei ist Natriumchlorid das meist verwendete Salz. Diese Salze sind in Wasser leicht löslich und können in den Wasser-kreislauf gelangen. Mögliche Eintragspfade sind direkter Abfluss aus dem Entwässerungssystem zu Oberflächengewässern und Versickerung ins Grundwasser. Da die Salze im Grundwasser mobil sind, gelangt die eingetragene Stoffmenge auch zu den Vorflutern. Sowohl im Grundwasser als auch in Oberflächengewässern können erhöhte Salzkonzentrationen zur Beeinträchtigung von Natur und Umwelt oder sonstiger Nutzung führen. In diesem Projekt wurde der Wissensstand zu gewässerschutzrelevanten Wirkungen von Chlorid durch eine Literaturauswertung zusammengefasst, insbesondere zu Konzentrationsbereichen und zugehörigen Wirkungszeiträumen, die akute und chronische Toxizität für Gewässerorganismen auslösen. Auch die Transportpfade und das Verhalten des auf Straßen ausgebrachten Tausalzes wurden beschrieben. Hauptziel des Projektes war herauszufinden, welche Versickerungs- und technische Entwässerungseinrichtungen und welche Betriebsweisen die Konzentrationen von Tausalz in Gewässern unterschiedlicher Größe auf ein verträgliches Maß reduzieren können. An ausgewählten Punkten, wie Grundwasser oder Fließgewässer, wurden die berechneten Salzfrachten und -konzentrationen immissionsbezogen bewertet. Als maßgebender Punkt im Fließgewässer wird i.d.R. der unterstromige Pegel eines Gewässerkörpers betrachtet. Das Endziel des Projektes war, die Verdünnung und den Rückhalt von Tausalz bei verschiedenen Entwässerungsmethoden, die nach den RAS Ew vorgegeben sind, unter Einsatz numerischer Modellierung zu untersuchen. Der Salztransport wurde nicht für reale Standorte modelliert. Vielmehr wurden Modellierungsberechnungen an mehreren repräsentativen Szenarien durchgeführt, die auf andere Fälle übertragen werden können. Dafür wurden unterschiedliche Kombinationen von Tausalzmengen, Straßenausbildung, Art der Entwässerung sowie hydrologischen und hydrogeologischen Ortseigenschaften ausgewählt und in den Modellen als Randbedingungen eingebaut. Die Ergebnisse zum Transportpfad Untergrund zeigten deutliche Vermischungs- und Dämpfungseffekte durch Dispersion und Verdünnung. Die Berechnungen zeigten, dass sich ein Jahresmittelwert der Chlorid-Konzentration, der auf Tausalzeinsatz und Transport im Untergrund zurückzuführen ist, gut mit einer Massenbilanz berechnen lässt. Die saisonalen Schwankungen in den berechneten Chlorid-Konzentrationen waren in der Regel sehr gering. Somit kann in vielen Fällen auf eine numerische Modellierung des Transportpfades Untergrund verzichtet und stattdessen eine vereinfachte Massenbilanzierung verwendet werden. Die Berechnungen zum Transportpfad der technischen Entwässerung können aus den Eingangsparametern sensitive und weniger sensitive Größen hinsichtlich des Transportverhaltens identifizieren. So hat z.B. die Regencharakteristik nur einen geringen Einfluss auf die Ergebnisse. Dagegen hatten die Streumengen und die betrachtete maximale Konzentration im Straßenablauf wie erwartet eine sehr starke Auswirkung. Auch wurden insbesondere die Möglichkeiten des Rückhaltes und der Verdünnung von Tausalz in unterschiedlichen Beckenanlagen der technischen Straßenentwässerung untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Ausgestaltung der Becken einen deutlichen Einfluss auf die Ergebnisse hatte. Die Berechnungsergebnisse der beiden Transportpfade lieferten jeweils einen Input (Wassermenge und Chloridkonzentration) zu einem Gewässer. Diese wurden dann an einem Auswertepunkt im Gewässer zusammengeführt. I.d.R. liegt dieser Auswertepunkt am unterstromigen Ende des Gewässerkörpers. Zur Überlagerung von Konzentrationen aus Sickerwasser, Grundwasser, technischen Einleitungen und Oberflächengewässer wurden in einer Mischungsrechnung jeweils die Stoffgehalte und die Wassermengen aufgenommen. Bei Betrachtung eines (Teil-)Einzugsgebiets eines Gewässers wurde dann zunächst der Zufluss im Gewässer und dessen Hintergrundkonzentration am Oberstromende zusammen mit dem Austausch über den Transportpfad Untergrund betrachtet. Die Berechnung lieferte dann einen Gewässerabfluss und eine Hintergrundkonzentration am unterstromigen Ende. Danach wurde die Mischungskonzentration am unterstromigen Ende des Gewässers mit der Einleitung aus dem technischen Entwässerungssystem berechnet. Neben den berechneten Komponenten (Wassermenge und Konzentration) aus den Transportpfaden Untergrund und technischem Entwässerungssystem gingen als Randbedingungen der Mischungsberechnung der Abfluss und die Hintergrundkonzentration des Gewässers in die Berechnung ein. Diese beiden Größen wurden in einer Matrix berücksichtigt, um ein breites Anwendungsspektrum zu erreichen. Hierbei wurden die berechneten Zuflüsse (Menge und Konzentration) zum Gewässer mit einer frei wählbaren Matrix aus Abfluss und die Hintergrundkonzentration des Gewässers in der Mischungsrechnung betrachtet.
  • The study treats the numerical simulation of transport of road salt to surface water bodies, with special focus on dilution and detention processes. The simulations are restricted to chloride as the main water quality parameter. The transport of chloride from the road environment to a surface water body can occur on different transport paths: - Input into the surface water body directly from the technical drainage system, - Transport in the subsurface resulting from direct infiltration (e.g. road verge, retention or treatment basins), - Transport in the subsurface resulting from drift and diffuse infiltration. All three transport paths are considered in the study. The simulations do not represent real cases, but typical and generalized situations. The results concerning subsurface transport show remarkable dilution and damping effects. It can be shown that a yearly average chloride concentration in the surface water (resulting from road salt) can be estimated reasonably well using a simple mass balance. Seasonal variations in the concentrations are small in most cases. Therefore, simple mass balancing can be used in most cases instead of numerically modelling chloride transport in the subsurface. The simulations concerning the transport in the technical drainage system are used to identify more or less sensitive parameters within the wide range of different existing input parameters. For example, it can be shown that the rainfall regime plays a minor role for the computed results. In contrast,, the amount of road salt and the maximum concentration in the road runoff, as expected, have an important impact. Furthermore, the possibilities of dilution and detention of road salt within different basin types as part of the drainage system are investigated. The results indicate that the design of the basin (volume, geometry, flow damping, permanent basin fill levels, occurrence of density stratification) have a significant influence on the computed mass flow to the surface water body. The results of the both models (subsurface and technical drainage system) gave an input into a water body. This was evaluated at a characteristic point in the water body. In most cases this will be the downstream gauge of a catchment (e.g. a gauche). The superposition between flow and concentration of the water body the subsurface and the technical drainage system were computed under the assumption of complete mixing. Regarding a (possibly partial) water body catchment a mixing of flow and concentration from the upstream reach with groundwater was computed in a first step. This did result in a discharge and a background concentration at the downstream gauge of the water body. In a second step the mixing at this point with the input from the technical drainage system was considered. In addition to the computed inputs from the subsurface and technical drainage system the flow and the background concentration of the water body represent boundary conditions. To achieve a general as possible approach these boundary conditions are treated in a matrix, which gives multiple combination of the both values.

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Metadaten
Author:Christopherus Braun, Markus Klute, Christian Reuter, Sebastian Rubbert
URN:urn:nbn:de:hbz:opus-bast-21437
ISBN:978-3-95606-431-9
Series (Serial Number):Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe V: Verkehrstechnik (313)
Publisher:Fachverlag NW in der Carl Ed. Schünemann KG
Place of publication:Bremen
Document Type:Book
Language:German
Date of Publication (online):2019/03/26
Date of first publication:2019/04/02
Publishing institution:Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
Contributing corporation:Björnsen Beratende Ingenieure GmbH (Koblenz)
Release Date:2019/04/02
Tag:Bewertung; Deutschland; Flüssigkeit; Halogenid; Richtlinien; Salz (chem); Sickerung; Umweltschutz; Wasser; Winterdienst
Environment protection; Evaluation (assessment); Germany; Halide; Salt (chem); Seepage; Specifications; Water; Winter maintenance
Number of pages:110 Seiten
Institutes:Sonstige
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoBASt

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