Standortbezogene Erfassung und Modellierung von Wasser- und Stoffflüssen in Kippen der Lausitzer Braunkohletagebaue unter Nutzung der Versuchsanlage auf der Innenkippe des Restsees Gräbendorf (Teilprojekt 20)

Zusammenfassung

Die Gewinnung von Braunkohle im Lausitzer Revier ist mit der Umlagerung großer Mengen tertiärer und quartärer Deckschichten verbunden. Das Material wird stark durchmischt und mit Abraumförderbrücken oder -absetzern auf Kippen in technogen geprägten Strukturen abgelagert. In Abhängigkeit von den geologischen und technologischen Gegebenheiten werden dabei nicht nur die geohydraulischen Eigenschaften, sondern, induziert durch die Pyritverwitterung, auch das geochemische Milieu grundlegend verändert. Für die Prognose der künftigen Gewässerbeschaffenheit ist es erforderlich, die in den Kippen ablaufenden Umsetzungs-und Transportprozesse zu quantifizieren.

Das Teilprojekt 20 hatte zum Ziel, aufbauend auf detaillierten Prozessanalysen anderer Arbeitsgruppen und eigenständigen Feld- und Labormessungen, verschiedene konzeptionelle Vorstellungen über die Geohydraulik und die Geochemie in Braunkohlekippen zu verifizieren. Die am Standort Gräbendorf abgeleiteten allgemein gültigen Aussagen gestatten eine Übertragung auf großflächigere Kippenkomplexe.

Für die Innenkippe Gräbendorf wurde ein geohydraulisches Modell aufgebaut und unter Annahme verschiedener konzeptioneller Vorstellungen über die Parameterverteilung invers kalibriert. Die Wasserstandsmessungen zeigen, dass das Grundwasser in der Kippe aufgrund des homogenen Materials und der Ver-kippungstechnik relativ gleichmäßig ansteigt. Infolge günstiger Randbedingungen lässt sich der k_f-Wert mit hoher Sicherheit vorhersagen (2,9 · 10−3 m s−1 für den gewachsenen, 3,8 · 10−4 m s−1 für den gekippten Bereich). Die Sprengverdichtung reduziert den k_f-Wert ca. um den Faktor 2,6. Ein Methodenvergleich mit anderen Verfahren zur Ermittlung geohydraulischer Parameter (Sieblinien, Slug-Tests, Darcy-Versuchen) zeigt, dass Sieblinienverfahren und Darcy-Versuche eine gute Schätzung der Parameter erlauben. Dabei zeigen Darcy-Versuche an ungestörten Sedimenten aus größeren Tiefen eine gute Übereinstimmung mit der inversen Modellierung, oberflächennah gewonnene Proben hingegen unterschätzen den k_f-Wert ebenso wie die restlichen Verfahren.

Die geochemische Differenzierung der Kippe in Tiefenkompartimente basiert auf Analysen der Gasphase, der Festphase und der wässrigen Phase. Diese ergaben, dass der grundwassergesättigte Bereich zwar die bergbautypisch hohen Stoffkonzentrationen an Sulfat, Eisen und Erdalkalimetallen aufweist, jedoch infolge der vergleichsweise hohen Karbonatgehalte durch ein gutes Puffervermögen (positive Neutralisationskapazitäten) gekennzeichnet ist. In den oberflächennahen Bereichen übersteigt die Intensität der Pyritverwitterung die Pufferkapazität der Sedimente. Deutlich sind bereits eine pyritfreie Elutionszone (0–5 m) und eine Verwitterungszone (5–8 m) ausgebildet. Verlagerungspeaks der Reaktionsprodukte sind in Tiefen von 2,2–3,0 m zu erkennen. Die Quantifizierung dieser Prozesse mit dem Pyritoxidationsmodell SAPY erlaubt eine hinreichend genaue Beschreibung der oberen Randbedingung für die Stoffflüsse im Grundwasser.