The need for the software is based on being able to make a statement as to whether the operation of a Pumped Hydropower Storage (PHS) facility in a former open-pit lignite mine can have a negative impact on the water quality in the lower reservoir and associated aquifers. The research question arises since flooded lignite mines are often associated with acidification and/or increased sulphate and metal concentrations. Thus, the software aims at modelling geochemical processes during the PHS operation in open-pit lignite mines.
The reaction path modelling framework comprises a Python framework for data management and a solver for geochemical reactions (phreeqc/phreeqpy; Parkhurst and Appelo, 2013; Müller, 2011). The software is based on a conceptual geochemical model that includes the main geochemical processes that are expected to influence the hydrochemistry. It integrates different non-dimensional batch reactors, each representing the water composition of the reservoirs, and water sources or sinks in the PHS system (groundwater, rainwater, surface run-off, mine dump water). These waters are cyclically mixed with ratios deducted from flow rates and time-dependent influxes of a hypothetical PHS system.
The water influxes have different chemical compositions based on the geochemical scenarios defined with the input data. An instant flooding of the mine with scenario-specific mixing ratios of rainwater, groundwater and mine dump water is simulated to provide an initial solution in the LR for the PHS operation. For the simulation of the PHS operation, the water volume of the UR is extracted from the LR and equilibrated with atmospheric partial pressures of oxygen and carbon dioxide to represent the water composition after pumping. The water composition evolving at the reservoir-mine dump interface layer is simulated by a kinetically controlled reaction of pyrite (Williamson and Rimstid, 1994) and calcite (Plummer, 1978) with the LR water. During the PHS discharge cycle, water flows into the adjacent mine dump sediments due to the increasing hydraulic head gradient in the LR compared to the surrounding groundwater aquifers. Water from the LR is mixed with rainwater, groundwater, surface run-off, and water from the reservoir-mine dump interface layer according to the water volumes that enter the reservoir during the respective cycle. Finally, the new water composition in the LR is mixed with the water from the UR to simulate the PHS discharge into the LR. Apart from gas exchange, evaporation and precipitation, no reactions are simulated for the water in the UR, as the reservoir is assumed to be artificially sealed.
Pump and discharge cycles are simulated until the pH and sulfate concentrations in the LR do not change by more than 1 x 10-4 and 1 x 10-5 mol kgw-1 within two consecutive PHS cycles, respectively. Otherwise, the simulation is terminated after 7,300 PHS cycles, representing 20 years of operation with a duration of one day per cycle. Input parameter ranges can cover a wide range of potential hydrogeochemical scenarios. In the software provided with this manual, a small range of generic data is defined as input to limit the simulation time and data output. However, the input can be modified to simulate a broader range of geochemical scenarios as described in the associated data description file.
Data collected as part of a research study examining the growth of lithium carbonate (mineral name: zabuyelite, chemical formula: Li2CO3) from aqueous solution in the presence of inorganic additives. Ion-pair interactions within the solutions were examined using Raman spectroscopy, whereas the interactions between precipitated crystals and aqueous solution was tested using attenuated total reflectance infrared spectroscopy. In addition, computational simulations were used to study ion pairing in solution (PHREEQC) and adsorption to crystal surfaces (VASP). Precipitates from the experiments were characterised using Raman spectroscopy, diffuse reflectance Fourier transform infrared spectroscopy (DRIFTS) and X-ray diffraction (XRD). Images of the precipitates were obtained using scanning electron microscopy (SEM). For details of the set up for each instrument and specific parameters for the computational simulations, please see the linked publication.
Das Oderbruch mit einer Gesamtflaeche von etwa 800 Quadratkilometer ist eines der groessten geschlossenen Flusspoldergebiete in Deutschland. Die bisher hier durchgefuehrten hydrogeologischen Erkundungen beschraenken sich ueberwiegend nur auf die Grundwasserdynamik. Ziel dieser Untersuchungen ist die erstmalige flaechendeckende Charakterisierung der hydrochemischen Verhaeltnisse des oberflaechennahen Grundwassers im Oderbruch. Neben 70-90 bereits vorhandenen Messstellen ist die zusaetzliche Installierung von drei Transsenken mit je 5 Messstellen geplant, um vor allem die Ausbreitung des Oderinfiltrats in den Grundwasserleiter erfassen zu koennen und um eine Abschaetzung der Schadstoffeintraege durch das Infiltrat vorzunehmen. Die Qualitaet des Uferfiltrats aus der Oder ist eine aktuelle, umweltrelevante Fragestellung, die laengerfristig auch im Zusammenhang mit der Wasserversorgung von Berlin zu sehen ist. Die abschliessenden Modellierungen mit den Computerprogrammen PHREEQM (APPELO and WILLEMSEN 1987, 1991) und CoTAM (SIEGER 1993) dienen dazu, die hydrogeochemischen Prozesse und Zustaende in der Uferfiltratzone und im oberflaechennahen Grundwasserleiter des Oderbruchs genauer aufzuschluesseln und zu erlaeutern.
Der Schwerpunkt des FuE-Vorhabens betrifft: - die Auswertung von Pump- und Injektionsversuchen sowie die Ermittlung von Auslaufkoeffizienten zur geohydraulischen Beschreibung und Quantifizierung von oberflaechennahen und tieferen Grundwassersystemen. - Die Aufstellung von Wasserbilanzen als Grundlage fuer Stoffbilanzen (Input-/Outputbilanzen). - Beurteilung der Grundwasserfliesssysteme im Hinblick auf eine moegliche Gefaehrdung durch Saure Niederschlaege auf der Basis von numerischen Grundwassermodellen. - Geohydrochemische Analyse der Grundwaesser sowie Anwendung von geohydrochemischen Analysemodellen (WATEQF) und Synthesemodellen (PHREEQE) zur qualitativen Beschreibung, Ueberpruefung und Verifizierung der Grundwasserfliesssysteme und -modelle. - Aufgliederung der Grundwassersysteme in Grundwasserneubildungsgebiete (recharge-Gebiete) als stark versauerungsempfindliche Raeume und -abflussgebiete (discharge-Gebiete) als weniger versauerungsempfindliche Raeume sowie ihre kartenmaessige Darstellung auf der Grundlage der von Hubbert (1940), Toth (1963), Freeze und Witherspoon (1967) und Freeze und Cherry (1979) entwickelten Theorien.
Bei realistischer Betrachtung der Grundwasserbewegung in der Umgebung geplanter Endlager ist der Einfluss der vom Salzgehalt abhaengigen variablen Dichte auf das Stroemungsgeschehen zu beruecksichtigen. Grundwassermodelle mit variabler Dichte waren bereitzustellen und im Hinblick auf ihre Gueltigkeit zu pruefen. Modellberechnungen zur Bewegung versalzener Tiefenwaesser zeigten, dass in Salz-/Suesswassersystemen gaenzlich andere Stroemungsmuster entstehen als in reinen Suesswassersystemen (zB diffusiv dominierter Stofftransport, Konvektionszellen). Berechnete Dichteschichtungen stimmten relativ gut mit Felddaten ueberein. Die Validierung solcher Modelle fuer Laborexperimente zum Salzwassertransport stand im Vordergrund der Beteiligung am internationalen Projekt INTRAVAL. Die Ergebnisse der Experimente konnten zwar reproduziert werden, doch muss die Gueltigkeit der Stofftransportgleichung in der verwendeten Form in Frage gestellt werden (konstante Dispersionslaenge). Ein weiteres Ziel des Vorhabens war die Pruefung und Weiterentwicklung von Rechenprogrammen zur Beschreibung chemischer Stoffumsetzungen, die fuer das Grundwasser im Deckgebirge eines Salzstocks charakteristisch sind. Im Rahmen der in den Programmbeschreibungen von WATEQF, PHREEQU UND PRHQPITZ genannten Gueltigkeitsbereiche sind die von diesen Programmen berechneten Ergebnisse gut miteinander vergleichbar. Wichtige geochemische Wechselwirkungen im System Deckgebirge-Salzstock-Grundwasser konnten mit den Modellrechnungen plausibel nachvollzogen werden. Eingeschraenkt wird die Anwendbarkeit der Programme ua durch fehlende bzw ungepruefte thermodynamische Basisdaten va in hochsalinen Loesungen.