Wassertransport in Kapillarsperren

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.