Veranstaltungsprogramm

Im Nordraum des Rheinischen Braunkohlereviers (Tagebau Garzweiler II), wo die jährliche Hebung von ca. 105 Mio. m³ Sümpfungswasser großräumige Grundwasserabsenkung verursacht, wird seit mehr als 30 Jahren aufbereitetes Sümpfungswasser des Braunkohlentagebaus Garzweiler II in die Aquifere infiltriert oder oberflächennah versickert. Zweck der Grundwasseranreicherung ist:

• Ausgleich von bergbaubedingter Grundwasserabsenkung in grundwasserabhängigen Feuchtgebieten
• Räumliche Begerenzung bergbaubedingter Grundwasserabsenkung
• Sicherung der öffentlichen Wasserversorgung
• Erhalt von feuchtgebietstypischer Vegetation trotz Grundwasserabsenkung

Es werden ca. 80 Mio. m³ von der Bergbautreibenden, RWE Power AG in Sickerschlitzen und ‑brunnen versickert oder direkt in Feucht­gebiete eingespeist. Ohne Grundwasseranreicherung würden z.B. grundwasserabhängige Feuchtgebiete des Naturparks Schwalm-Nette schwer geschädigt werden, da selbst in Feuchtgebieten, die mehr als 10 km vom Tagebau entfernt sind, Absenkungen von mehreren Metern auftreten würden. Die Wirksamkeit der Grundwasseranreicherung wird in einem Monitoring, an dem über 40 Behörden, Unternehmen und Verbände beteilgt sind, überprüft.

Neben den technischen Herausforderungen, die Anlagen langfristig zuverlässig zu betreiben, erfordert auch die Steuerung der Anlagen detaillierte Kenntnisse über die Auswirkungen der Grundwasseranreicherung. Dabei ist auch zu berücksichtigen, dass der Tagebau voranschreitet und die Sümpfungsziele entsprechend variieren.

Die behördliche Regionalplanung hat Ziele vorgegeben, die mit der Grundwasseranreicherung eingehalten werden müssen. Hierbei werden keine Mindestwasserstände vorgegeben, maßgeblich ist vielmehr der Erhalt intakter Feuchtgebiete. Dafür dürfen die Grundwasserstände zwar weder zu hoch noch zu niedrig sein, müssen aber dennoch charakteristische jahreszeitliche und klimatische Variationen erfahren. Gleichzeitig wird gefordert, dass möglichst wenig Infiltrationswasser unmittelbar in die Wurzelzone der Feuchtgebietsvegetation gelangt.

Zur Beurteilung der Grundwasserstände werden statistische Ganglinienanalysen (z.B. Wiener-Filter-Analyse) und ein revierweites Grundwassermodell eingesetzt. Mittels Kriging mit Externer Drift werden die Ergebnisse der Ganglinienanalysen mit den Modellergebnissen kombiniert. Dadurch entsteht ein schlüssiges Bild des Sümpfungseinflusses (Abbildung), das mindestens 2 mal pro Jahr aktualisiert wird und wichtige Hinweise zur Feinsteuerung der Grundwasseranreicherung gibt. Die Karte zeigt erwartungsgemäß die höchsten Absenkunsgbeträge in der Umgebung des Tagebaus; sie zeigt aber auch, dass die Absenkung in Richtung Nordwesten von einer Reihe Infiltrationsanlagen begrenzt wird und lokal Aufhöhung des Grundwasserstands festzustellen sind.

Weiterhin wird die Qualität des Grundwassers überwacht und die Ausbreitung des Infiltrationswassers im Untergrund ermittelt.

Nach dem voraussichtlichen Ende der Kohleförderung im Jahr 2030 wird noch eine begrenzte Zeit Sümpfungswasser zur Verfügung stehen. Die Grundwasseranreicherung wird jedoch bis zum vollendeten Grundwasserwiederanstieg fortgesetzt werden – auch um die Wiederauffüllung der Grundwasserleiter und eines Tagebausees zu beschleunigen. Es ist geplant, den Wasserbedarf durch die Entnahme von Rheinwasser zu decken.

Mit diesem Thema befasst sich auch die Exkursion „Grundwasseranreicherung im Nordraum“.

Water stress is increasing in Northeast Germany due to climate change. New approaches for water management are needed to mitigate the impacts on the water system and water users. Therefore, our study deals with the development of a web-based toolbox for subsurface water storage with focus on the lower catchment of the river Spree in the federal state of Brandenburg.

Our approach is based on a systematic combination of site selection criteria and spatial data on land use, soil, groundwater and potential water sources. This will provide relevant information for the preliminary planning of managed groundwater recharge measures by authorities and water suppliers. Considering surpluses from runoff and surface waters, also caused by extreme weather events, suitable locations for surface-induced recharge will be identified.

Supported by additional modelling-based indications for implementation, efficiency and costs, as well as simplified site selection through a query system, the toolbox will offer an initial knowledge for such planning considerations.

Managed Aquifer Recharge (MAR) feasibility and suitability assessments for the fluvio-deltaic aquifer of the Upper Litani Basin in Lebanon was carried out using a Geographic Information System based Multi-criteria Decision Analysis (GIS-MCDA) coupled with integrated numerical modeling (MikeShe,2016). Criteria selected to delineate feasible and suitable zones were either obtained from previous research (slope, soil, vegetation) or from the model as input and output data (aquifer transmissivity and storativity, total recharge, delta head, drainage network, and groundwater flow rate). Two types of suitability sensitivity analysis were used: (1) the MCDA to generate weighting schemes and suitability maps for several criteria groups and (2) the MikeShe Autocal sensitivity tool to validate and refine the MCDA weights for four quantitative criteria (soil, vegetation, transmissivity and storativity). The MCDA approach shows that two thirds of the basin is considered moderately suitable and moderately feasible with less than 7% classified of low suitability and feasibility degree, and its corresponding sensitivity analysis unraveled that storativity and vegetation are the most and least sensitive factors consecutively. In addition, the Autocal sensitivity tool revealed that storativity is the highest MAR suitability contributing parameter (49%) while vegetation is the lowest (10%). While previous research has primarily relied on weights calculated using MCA only, this paper offers a standard relative weighting scale which could benefit future MAR suitability-related studies.

Trotz der finanziellen und ökologischen Vorteile der kontrollierten Anreicherung von Grundwasserleitern (MAR) als praktikable Lösung für eine nachhaltige Bewirtschaftung der Wasserressourcen, ist ihr Beitrag zur sicheren Wasserversorgung auf globaler Ebene noch begrenzt. Dies liegt vor allem an fehlenden Daten zu den technologischen Kosten, den hydrogeologischen Standortmerkmalen, dem Fehlen nationaler Vorschriften und den damit verbundenen Betriebsrisiken wie der unvorhersehbaren Qualität und Quantität des angereicherten und gewonnenen Wassers. Eine ordnungsgemäße Überwachung von MAR-Anlagen in Kombination mit einer simulationsgestützten Optimierung kann die mit der MAR-Implementierung verbundenen Risiken besser beschreiben, die Optimierung des Betriebsmanagements unterstützen und damit das Vertrauen der Öffentlichkeit stärken.

Die INOWAS-Plattform (eine Zusammenstellung kostenloser webbasierter empirischer, analytischer und numerischer Simulationswerkzeuge für die Grundwasserbewirtschaftung - www.inowas.com) wurde mit Echtzeit-Überwachung und -Modellierung sowie Risikobewertungswerkzeugen erweitert, um die Leistung von MAR-Systemen zu optimieren und gleichzeitig wirtschaftlichen und ökologischen Zwängen gerecht zu werden. Der Ansatz basiert auf der Aufrüstung konventioneller Überwachungssysteme mit Echtzeit-Umweltsensoren zur hochauflösenden räumlichen und zeitlichen Charakterisierung von Prozessen, die an MAR-Standorten stattfinden. Es wurde ein maßgeschneidertes Protokoll entwickelt, um Sensordaten aus verschiedenen Quellen zu nutzen und diese in die INOWAS-Plattform zu importieren, wo sie automatisch für die weitere Verwendung in Modellierungswerkzeugen verarbeitet werden können. Diese Werkzeuge umfassen die Bewertung der Grundwasserverweilzeit während der unterirdischen Passage zwischen Anreicherungs- und Entnahmestelle unter Verwendung saisonaler Temperaturschwankungen in Anreicherungsbecken und Entnahmebrunnen. Im Zusammenhang mit MAR ist die Verweildauer im Untergrund ein entscheidender Indikator für die Abschwächung von hygienischen Parametern und anderen unerwünschten Substanzen. Zusätzlich hilft das Tool zur quantitativen mikrobiellen Risikobewertung (QMRA) das Kontaminationsrisiko für den Endnutzer durch Krankheitserreger in Abhängigkeit von den standortspezifischen Behandlungsschritten auf der Grundlage einer probabilistischen Risikobewertung abzuschätzen.

Numerische Modelle werden häufig für die Planung, Optimierung und Bewertung von MAR-Anlagen verwendet, aber eine optimale Nutzung der Modellierungsergebnisse wird dadurch behindert, dass die Modelle nicht häufig aktualisiert und mit aktuellen Beobachtungsdaten verglichen werden. Auf der INOWAS-Plattform wurden weitere Werkzeuge für die Integration von Echtzeit-Beobachtungsdaten in den webbasierten Modellierungsrahmen entwickelt, um die schnelle Integration von Daten in die Simulationen zu ermöglichen. Ein Szenario-Manager ermöglicht den einfachen Vergleich verschiedener Modellläufe und fördert die wissenschaftlich fundierte Entscheidungsfindung der Beteiligten.

Die webbasierten Werkzeuge bieten einfach zu bedienende Instrumente zur Verringerung der mit MAR-Anlagen verbundenen Risiken, wodurch diese besser kontrollier- und steuerbar werden sowie die gesellschaftliche Akzeptanz gefördert wird.

Contamination of groundwater with pharmaceutical active compounds (PhACs) increased over the last decades. Potential pathways of PhACs to groundwater include techniques such as irrigation, managed aquifer recharge, or bank filtration as well as natural processes such as losing streams of PhACs-loaded source waters. Usually, these systems are characterized by redox-active zones, where microorganisms grow and become immobilized by the formation of biofilms, structures that colonize the pore space and decrease the infiltration capacities, a phenomenon known as bioclogging. The goal of this work is to gain a deeper understanding of the influence of soil biofilms on hydraulic conductivity reduction and the fate of PhACs in the subsurface. For this purpose, we selected three PhACs with different physicochemical properties (carbamazepine, diclofenac, and metoprolol) and performed batch and column experiments using a natural soil, as it is and with the organic matter removed, under different biological conditions. We observed enhanced sorption and biodegradation for all PhACs in the system with higher biological activity. Bioclogging was more prevalent in the absence of organic matter. Our results differ from works using artificial porous media and thus reveal the importance of utilizing natural soils with organic matter in studies designed to assess the role of soil biofilms in bioclogging and the fate of PhACs in soils.

Groundwater table depletion and water scarcity are a rising concern worldwide. One of the possibilities to address these concerns is managed aquifer recharge (MAR) using unconventional water sources like treated wastewater (TWW) effluent. Yet, the risk to deteriorate the groundwater quality by compounds still present in TWW should be addressed, namely nutrients (e.g., N and P) and emerging organic compounds (e.g., pharmaceuticals), as well as the risk of mobilizing trace metals from the aquifer materials (e.g., As, U). Many of the associated processes are dependent on the oxidation-reduction potential (ORP) conditions in the aquifer. Due to infiltration of TWW and successive mixing with the groundwater the conditions of the local aquifer are expected to change.

While column studies are widely used in MAR research to describe changes of ORP and associated transformation processes, they have the limitation of being one-dimensional and mostly using only one water source. In contrast, tank experiments make it possible to study processes in two dimensions. However, there are few large-scale tank facilities on MAR focused on water quality which commonly also use only one water source. Therefore, we designed and constructed an experimental sand tank facility to study the associated mixing processes of TWW and groundwater. The tanks have the unique feature of a continuous flowing groundwater in the saturated zone and an unsaturated zone for periodically infiltration of TWW.

The facility consists of three tank replicates to study degradation/transformation and sorption under natural conditions as well as modified regimes, e.g., by incorporating reactive layers. The tanks in shape of an “L” are approx. 3 m long, 0.5 m wide, and 1m in height except for the infiltration zone which is 2.5 m in height. To reduce boundary effects, the wall material of the tanks is HDPE. For water sampling the tanks are equipped with suction cups and small-diameter wells. The ORP is measured continuously in-situ via high-resolution ORP probes to capture the mixing zone and changing conditions along the flow path. Additionally, various sensors (soil moisture content and water pressure) are installed for the purpose of parameter optimization during numerical flow and transport modelling.

As proof of concept, we conducted an experiment in one of the tanks to study the mixing and associated processes for different hydraulic gradients of the groundwater as well as infiltrating volumes of the TWW. The tank is packed with fine-medium sand. To study processes based on natural waters, the infiltrating feed water is a secondary TWW effluent from a Portuguese wastewater treatment plant, while the groundwater flowing continuously in the lower part of the tanks consists of local groundwater. Results will be presented on the mixing processes based on hydrochemistry, ORP and backed by numerical transport modelling as well as nitrate isotope signatures.