A new method for modeling water flow and water storage in municipal solid waste landfills

Abstract

Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines mathematischen Modells zur Beschreibung der Wasserbewegung und Wasserspeicherung in Hausmülldeponien. Hydraulische Untersuchungen an Hausmülldeponien zeigen, dass die Wasserverteilung innerhalb des Deponiekörpers heterogen ist. Präferenzielle Fliesswege bestimmen das Abflussgeschehen. Große Teile der Deponie sind kaum Wasser durchflossen. Diese besonderen Strömungsverhältnisse wurden in einem neuen zwei-dimensionalen zwei-Bereichsansatz berücksichtigt. Der Deponiekörper wird in einen feinporigen Matrixbereich mit geringer hydraulischer Durchlässigkeit und hohem Speichervermögen sowie einen vertikalen Sickerpfad mit hoher Durchlässigkeit und vernachlässigbarer Speicherkapazität unterteilt. Die mathematische Umsetzung dieses Konzeptes erfolgt mit Hilfe des Stofftransportmodells HYDRUS-2D. Das Modell wird anhand von Messdaten zweier Deponien in Österreich (Breitenau) und Schweden (Spillepeng) kalibriert. Mit dem zwei-dimensionalen zwei-Bereichsansatz kann eine gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und berechneten Sickerwasserabfluss erreicht werden. Unterschiede bei den kalibrierten Parameterwerten für die einzelnen Deponien können durch unterschiedliche Wasserverteilung in den Ablagerungen erklärt werden. Um ein Maß für die Homogenität der Wasserströmung zu erhalten, wird mit Hilfe von HYDRUS-2D der Austrag von leicht löslichen Salzen modelliert. Für die zwei Deponien variiert der von Wasser durchströmte Anteil zwischen 25 % und 50 %. Selbst für Deponieabschnitte, die mit ähnlichem Abfall und auf dieselbe Weise verfüllt wurden, sind erhebliche Unterschiede in der Homogenität der Wasserströmung feststellbar. Da im Deponiekörper ablaufende Reaktionen stark vom Wassergehalt und Wasseraustausch abhängig sind, ermöglicht das entwickelte Modell anhand der Kenntnisse der Strömungsverhältnisse und des Wasserdurchsatzes den Stabilisierungsgrad und damit das zukünftige Emissionsgeschehen von Hausmülldeponien besser abschätzen zu können.<br />

This thesis focuses on the numerical modeling of water movement and water storage in municipal solid waste (MSW) landfills. Hydraulic investigations at landfill sites indicate that the water flow is highly non-uniform. Preferential flow paths dominate the water transport. The non-uniform flow regime is caused by the heterogeneous character of the waste material itself, the disposal and compaction procedure, and by the construction elements such as gas wells or daily cover layers. In this thesis a two-dimensional two-domain approach for modeling water flow in landfills has been developed. Thereby a flow field consisting of one vertical favored flow path (channel domain) surrounded by the waste mass (matrix domain) is defined using the software HYDRUS-2D. The water flow model is calibrated using data from two landfill sites in Austria (Breitenau) and Sweden (Spillepeng). Predicted leachate generation corresponds well with the observed discharge. Parameters calibrated and thus heterogeneity of the flow regime is different for the two landfills. In order to quantify the heterogeneity of the flow regime, the transport of highly soluble salts is investigated. The calibrated water flow model and HYDRUS-2D were used to simulate the solute discharge. This allows determining the fraction of waste mass engaged in water flow. For the investigated landfills this fraction varies between 25 % and 50 %. The new model improves prediction of future emissions of MSW landfills, because it allows assessing flows and stocks of water, the key variables in landfills, in a quantitative way.