Englische Übersetzung des Titels: Modelling and simulation of transport and interfacial mass transfer of volatile chlorinated hydrocarbons in the water unsaturated soil zone with regard to the soil vapour extraction remediation technique

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Abstract

Vorliegende Dissertation wurde im Rahmen des Arbeitsgebiets 'Transport und Reaktion in der wasserungesaettigten Bodenzone' im Teilprojekt D2 'Stroemungen in Oberflaechen-, Boden- und Grundwasser' des Sonderforschungsbereichs 359 'Reaktive Stroemungen, Diffusion und Transport' an der Ruprecht-Karls-Universitaet Heidelberg angefertigt. Ziel der Dissertation ist die Entwicklung eines numerischen Modells zur Simulation von Bodenluftabsaugungssystemen im Labor- und Feldmassstab. Das Verfahren der Bodenluftabsaugung dient der Entfernung von leichtfluechtigen chlorierten Kohlenwasserstoffen (LCKW) aus der wasserungesaettigten Bodenzone. Das entwickelte numerische Modell loest zwei- und dreidimensionale Stroemungs-, Transport- und Phasenuebergangsgleichungen eines nicht-isothermen n-Komponenten- und 3-Phasensystems. Es wird dabei von einer stationaeren Verteilung der Volumenanteile und einem thermischen Gleichgewicht der Phasen ausgegangen. Der Schwerpunkt der mathematischen Modellierung liegt auf einer detaillierten Beschreibung und Quantifizierung der physikalisch-chemischen Prozesse, welche die kinetischen Massenuebergaenge zwischen der gasfoermigen, waessrigen und festen Phase steuern. Modellparameter hoeherer raeumlicher Variabilitaet koennen unter Beruecksichtigung gemessener Daten geostatistisch erzeugt werden. In der Dissertation werden Beitraege zu folgenden Teilaufgaben geleistet: 1. Detaillierte mathematische Modellierung der relevanten physikalisch-chemischen Prozesse. 2. Testen der numerischen Diskretisierung in 1D anhand analytischer und semi-analytischer Loesungen. 3. Validierung der mathematischen Modellierung in 2D auf der Grundlage experimenteller Daten. 4. Anwendung des numerischen Modells in 3D als Entscheidungshilfe bei der Planung und Durchfuehrung eines konkreten Feldexperiments.

Übersetzung des Abstracts (Englisch)

Present thesis has been written in context of the work-scope 'Transport and reaction in the water unsaturated soil zone' in sub-project D2 'Flows in surface, soil and ground water' of SFB 359 'Reactive flows, diffusion and transport' at the Ruprecht-Karls-University of Heidelberg. The objective of this study is to develop a numerical model for the simulation of soil vapour extraction systems at the laboratory and field scale. The soil vapour extraction technique is used to remove volatile chlorinated hydrocarbons (VCHC) from the water unsaturated soil zone. The developed numerical model solves two- and three-dimensional equations of flow, transport and interfacial transfer of a non-isothermal n-component and 3-phase system. For this, a stationary distribution of phase saturations and a thermal equilibrium of the phases is assumed. The main focus of mathematical modelling is on the detailed description and quantification of the physical and chemical processes that govern the kinetics of mass transfer across the gas, water and solid phase. Model parameters of higher spatial variability can be generated geostatistically in consideration of measured data. The thesis contributes to following tasks: 1. Detailed mathematical modelling of the relevant physical and chemical processes. 2. Test of the numerical discretization in 1d with analytical and semi-analytical solutions. 3. Validation of the mathematical model in 2d on the basis of experimental data. 4. Application of the numerical model in 3d as decision-support tool for the design and processing of a field experiment.