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Lexikon der Geowissenschaften: Mehrphasenfluß

Mehrphasenfluß, tritt im Untergrund bei der Strömung im wasserungesättigten Bereich und der Strömung in Gegenwart von flüssigen und gasförmigen Kohlenwasserstoffen auf. Der Durchlässigkeitsbeiwert eines Fluides hängt von der Durchlässigkeit des festen Mediums K, von der Dichte ρfl und der dynamischen Viskosität ηfl des Fluides ab. Für ein beliebiges Fluid läßt sich daher für eine gegebene Temperatur und ein gegebenes Untergrundmaterial mit der Durchlässigkeit K der Durchlässigkeitsbeiwert kfl dieses Fluides errechnen und mit demjenigen von Wasser kfw vergleichen. Der Durchlässigkeitsbeiwert der reinen Phasen ist bei Benzin, Benzol und den meisten Chlorkohlenwasserstoffen (Ausnahme Tetrachlorethan) deutlich größer als derjenige von Wasser, während diese Werte bei den Mineralölen erheblich niedriger sind. Im allgemeinen bewegen sich daher reine Mineralölphasen im porösen Medium langsamer und reine Phasen von Benzin, Benzol und Chlorkohlenwasserstoffen schneller als Wasser. Da die Benetzbarkeit der festen Untergrundmaterialien gegenüber organischen Fluiden durchweg niedriger ist als gegenüber Wasser, nimmt das Wasser die kleinsten Porenräume und die organischen Fluide die großen Porenräume ein. Etwaige an den Körnern haftende organische Flüssigkeiten werden durch zutretendes Wasser von der Kornoberfläche in die Porenräume verdrängt. Diese Umbenetzung kann durch chemische und biologische Vorgänge wie Verharzung und mikrobieller Abbau behindert werden. Bei der Strömung mehrerer Fluide durch ein poröses Medium gilt für jede dieser Phasen eine effektive Durchlässigkeit, die von ihrem Sättigungsgrad abhängt. Da die nicht benetzende Phase bevorzugt die großen Kanäle besetzt, ist ihr Gehalt im fließenden Gemisch immer relativ höher als es ihrem prozentualen Anteil an der Füllung des Porenraumes entspricht. Mit zunehmender Konzentration an nicht benetzender Phase nimmt die relative Permeabilität der benetzenden Phase schnell ab, da diese immer mehr in die kleinsten Hohlräume des Porenraumes verdrängt wird. Bei einer bestimmten Sättigung an benetzender Phase wird die Permeabilität dieser Phase schließlich unmeßbar klein. Diese Flüssigkeitsmenge kann sich trotz eines äußeren Druckgefälles nicht bewegen (Restsättigung). Die Bewegung von drei nicht mischbaren Fluiden in einem porösen Medium kann in entsprechender Weise beschrieben werden, wobei drei verschiedene Grade der relativen Permeabilität in Abhängigkeit vom Sättigungsgrad auftreten.

Versickern organische Fluide wie Mineralöle und Chlorkohlenwasserstoffe etwa bei Tankunfällen als geschlossene Phase im Untergrund, so breiten sich diese im ungesättigten Porenraum unter dem Einfluß der Schwerkraft und von Kapillar- und Adsorptionskräften aus. Bei Erreichen der Grundwasseroberfläche sammeln sich dort die spezifisch leichten organischen Fluide (z.B. Mineralöle) an, während die spezifisch schweren Phasen (z.B. Chlorkohlenwasserstoffe) bei Überschreitung der Rückhaltekapazität zur Sohlschicht absinken. Auf der Grundwasseroberfläche bzw. auf der Sohlschicht entstehen mehr oder weniger flache Imprägnationskörper, die sich entsprechend dem hydraulischen Gefälle der Grundwasseroberfläche bzw. entsprechend den Druckgradienten im Körper und der Gestalt der unteren Grenzfläche des Grundwasserleiters ausbreiten, bis Restsättigung erreicht ist. Die löslichen Anteile der organischen Fluide diffundieren in das Grundwasser. Im Unterstrom eines Imprägnationskörpers bildet sich so eine Verunreinigungszone. Die Wanderung der gelösten Substanzen kann mit Hilfe der Gesetzmäßigkeiten der hydrodynamischen Dispersion beschrieben werden. [ME]

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