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Osterkamp, Katrin (2005): Wassertransport in Kapillarsperren: Markierungsversuche im Labormaßstab. Dissertation, LMU München: Faculty of Geosciences
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Abstract

Die Kapillarsperre stellt ein alternatives Oberflächenabdichtungssystem für Deponien dar. Sie besteht aus einem geneigten Schichtenverbund, bei dem die feinkörnige Kapillarschicht (KS) von der gröberkörnigen Kapillarbruchschicht (KBS) unterlagert wird. Unter ungesättigten Bedingungen führt der ausgeprägte Texturunterschied an der Schichtgrenze zu einer Behinderung der vertikalen Wasserbewegung. Erst bei Überschreiten der lateralen Dränkapazität der KS setzt ein Wasserübertritt in die KBS ein. Bei Rückgang der Belastung regeneriert sich das System. Zur Untersuchung des Wassertransports in der KS wurden in einem Versuchstank zum einen Markierungsversuche mit einem Cocktail aus den Fluoreszenztracern Na-Naphthionat (Na), Uranin (U), Pyranin (P) und Sulforhodamin B (SRB) durchgeführt, wobei die Tracereingabe als momentane Eingabe in Form eines Dirac-Impulses erfolgte (Tm-Versuche). Zum anderen wurde eine Lösung aus dem Fluoreszenztracer U und NaBr als Salztracer mittels kontinuierlicher Eingabe zugeführt (Tk-Versuche). Die Beregnungsraten betrugen jeweils 20 l/d bis 80 l/d. Zur Abschätzung des Sorptions- und Transportverhaltens der Tracer erfolgten ergänzend Batch-Versuche (Schüttelversuche) sowie Säulenversuche unter ungesättigten Bedingungen mit Durchflussraten zwischen 2 l/d und 80 l/d. Die Tracereingabe bei den Säulenversuchen wurde analog zu den Tankversuchen ausgeführt (Sm- bzw. Sk-Versuche). In den Batch-Versuchen zeigt U eine geringe Sorptivität mit Verteilungskoeffizienten Kd bis max. 0,08 cm³/g, während die Kd-Werte von P (bis 1,18 cm³/g) und SRB (0,83 cm³/g bis 2,92 cm³/g) auf eine ausgeprägte Sorptionsneigung dieser beiden Fluoreszenzfarbstoffe hindeuten. Für Na ist keine messbare Wechselwirkung mit dem KS-Material festzustellen, so dass dieser Tracer als Referenz bei der Beurteilung des Transportverhaltens der Stoffe verwendet wird. Das in den Säulenversuchen mit momentaner Eingabe (Sm) ermittelte Transportverhalten der Fluoreszenztracer entspricht den Ergebnissen der Batch-Versuche. Die höchsten Retardationsfaktoren RD im Vergleich zu Na zeigt SRB mit 1,6 bis 2,3, gefolgt von P mit 1,2 bis 1,6 und U mit max. 1,15. Die Rückgewinnung der Tracer beträgt nahezu 100%, so dass eine irreversible Sorption ausgeschlossen werden kann. Die Auswertung der Sm-Versuche mit dem Programm FIELD (Version 5, MALOSZEWSKI 2000) ergibt eine Aufsplittung des Tracerdurchgangs in drei bis sechs Teilkurven. Ursache ist eine vermutlich durch die mangelhafte Funktion der eingesetzten Verteilerplatte hervorgerufene Ungleichverteilung des Wassergehalts in der Säule, die experimentell nachgewiesen werden konnte. Die Säulenversuche mit kontinuierlicher Eingabe (Sk) zeigen als wichtigstes Ergebnis ein nahezu identisches Verhalten von U und NaBr. Daher wird NaBr als geeignet für den Einsatz in den nachfolgenden Tankversuchen angesehen. Auch in den Tankversuchen mit momentaner Eingabe (Tm-Versuche) ist bei der Modellierung mit FIELD eine Aufsplittung des Tracerdurchgangs in bis zu zehn Teilkurven festzustellen. Ursache ist in diesem Fall die für eine Kapillarsperre typische Wassergehaltsverteilung in der KS, die durch eine Zunahme des Wassergehalts zur Schichtgrenze hin sowie hangabwärts charakterisiert ist. Das Transportverhalten der Fluoreszenzfarbstoffe ergibt ein ähnliches Bild wie in den Sm-Versuchen. U weist mit einem Retardationsfaktor von max. 1,12 eine geringe Sorptivität auf, die ebenso wie die Transportverzögerung von P mit RD-Werten zwischen 1,07 und 1,41 den Werten aus den Sm-Versuche entspricht. Lediglich SRB zeigt eine deutlich erhöhte Retardation, die RD-Werte liegen zwischen 2,67 und 4,38. Die Rückgewinnung beträgt für Na und U ca. 100%, dagegen erreichen P und SRB aufgrund des ausgeprägten Tailings der Durchgangskurven nur Werte von 98 % bzw. 96 %. Bei den Tankversuchen mit kontinuierlicher Tracereingabe (Tk-Versuche) erlaubt der Einbau von Leitfähigkeitssonden, die Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit nach der Zugabe des Salztracers NaBr in einer vertikalen Ebene zu beobachten. Es ist ein wenige Zentimeter mächtiger Hauptfließweg direkt über der Schichtgrenze zu erkennen, in dem die höchsten Fließgeschwindigkeiten beobachtet werden. Tensiometermessungen deuten auf das Vorhandensein nahezu gesättigter Verhältnisse in diesem Bereich hin, die zu maximalen Fließgeschwindigkeiten führen.