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Erfahrungen mit Tagebauflutungen in deutschen Braunkohlerevieren zeigen, dass hydrogeochemische Prozesse zu kritischen ökologischen und ökonomischen Faktoren für die Realisierung von Pumpspeicherprojekten (Pumped Hydro Storage; PHS) werden können. Je nach Sulfid- und Sauerstoffverfügbarkeiten, sowie Puffer- und Verdünnungsprozessen können saure Grubenwässer und erhöhte Sulfat- und Metallkonzentrationen einen negativen Einfluss auf angrenzende Ökosysteme und Grundwasserressourcen sowie die installierte PHS-Infrastruktur haben. Im Rahmen des ATLANTIS-Projekts hatte diese Studie das Ziel, Veränderungen der Wasserzusammensetzung im unteren Wasserreservoir aufgrund des Betriebs von Pumpspeicherkraftwerken unter verschiedenen hydrogeochemischen Randbedingungen zu quantifizieren (Abbildung 1).

Für die Parameterstudie wurden Datensätze zur Hydrochemie, Hydrogeologie und Morphologie von gefluteten deutschen Braunkohleminen verwendet, mit denen ein hydrochemischer Reaktionspfad für numerische Simulationen entwickelt wurde. Die chemischen Modellrechnungen wurden mit PHREEQC (Parkhurst und Appelo, 2013) realisiert, während der In- und Output über Python/PHREEQPY (Müller, 2022) gemanagt wurde. Über diesen neuen Workflow konnten zahlreiche Parameterkombinationen für die Simulation verschiedener hydrogeologischer Ausgangsszenarien analysiert und ausgewertet werden. Die in den Szenarien berücksichtigen Einflussfaktoren umfassen unter anderem die anfängliche Flutung der Tagebaue, regelmäßige Wasserzuflüsse aus den Quellen Niederschlag, Grundwasser und Abraumhalden, Mineralverfügbarkeiten in den Sedimenten sowie die Pumpzyklen zwischen dem unteren und oberen Speicherbecken des Pumpspeicherkraftwerks.

Die Simulationsergebnisse zeigen, dass das Volumen des zwischen dem unteren Speicherbecken und den angrenzenden Grundwasserleitern während der Pumpzyklen migrierenden Wassers (Abbildung 1) zu gering ist, um die Wasserqualität des Reservoirs langfristig zu beeinflussen. Die langfristige Verfügbarkeit von Pufferkapazitäten im Speicher und den angrenzenden Abraumhalden bestimmen die Entwicklung von saurem oder neutralem Grubenwasser. Sulfatkonzentrationen werden vor allem durch Verdünnungsprozesse beeinflusst, was die Bedeutung zusätzlicher Zu- und Abflüsse unterstreicht. Abhängig von diesen Ein- und Austrägen sowie der Sauerstoffverfügbarkeit und den vorhandenen Sulfidmengen in den Grubensedimenten variiert die Zeit bis zum Erreichen des chemischen Gleichgewichts im unteren Speicherbecken von einigen Wochen bis zu mehreren Jahren.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass unter bestimmten hydrogeochemischen Randbedingungen, wie der Verfügbarkeit ausreichender Pufferkapazitäten und der Verdünnung durch regelmäßige Zu- und Abflüsse, der Betrieb von Pumpspeicherkraftwerken in stillgelegten Braunkohletagebauen aus ökologischer Sicht sicher realisiert werden kann.

Abbildung 1: Der Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerks in einem ehemaligen Braunkohletagebau kann hydrogeochemische Wechselwirkungen zwischen Reservoirwasser, Sedimenten und Aquiferen hervorrufen.

Literatur

Müller, M. (2022). PhreeqPy - Python Tools for PHREEQC. https://www.phreeqpy.com/. Zuletzt aufgerufen am 30.10.2023.

Parkhurst, D. L., & Appelo, C. A. J. (2013). Description of input and examples for PHREEQC version 3—a computer program for speciation, batch-reaction, one-dimensional transport, and inverse geochemical calculations. US geological survey techniques and methods, 6(A43), 497.

Bestehende Grundwassernutzungskonzepte in Deutschland sind auf hohe Grundwasserspiegel und Wasserpegel in Flüssen ausgerichtet. Der Klimawandel und der ansteigende Wasserbedarf in Industrie, Landwirtschaft und Ballungsräumen führen jedoch zu einem erhöhten Wasserverbrauch. Im Rahmen des Verbundprojekts iMolch wird ein umfassendes Konzept zur nachhaltigen Nutzung von Grundwasserressourcen erarbeitet. Hierbei liegt ein besonderer Fokus auf der Entwicklung innovativer Überwachungs- und Prognosetechniken sowie Handlungsstrategien für die Grundwasserbewirtschaftung mittels Spurenstoffe, Spurenelemente und biologischer Parameter (BMBF; Projektnummer: 02WGW1667D). Das Ziel dieses Beitrags ist die Erkennung der Systemzusammenhänge im Grundwasserleiter unter Verwendung chemischer Parameter sowie deren Erprobung am Standort der Standwerke Düsseldorf. Dafür erfolgt zuerst eine hydrochemische Charakterisierung des landseitigen und flussseitigen Grundwassers.

Grundlage dieser Arbeit bildet ein mittels intensiven Monitorings erhobener Datensatz der Stadtwerke Düsseldorf vom Wasserwerk Flehe für die Zeit von 2018 bis 2019. Das Wasserwerk Flehe liegt im Süden der Stadt Düsseldorf und verfügt über eine Brunnengalerie, die parallel zum Rhein verläuft. An diesem Standort setzt sich das Rohwasser überwiegend aus Uferfiltrat und in geringem Maße aus landseitigem Grundwasser zusammen. Im Trockenjahr 2018 wurde an 15 Grundwassermessstellen, die senkrecht zur Brunnengalerie verlaufen, in regelmäßigen Abständen von 2 Wochen hydrochemische Parameter und Stoffkonzentrationen anorganischer sowie organischer Substanzen gemessen. Zu diesen Stoffen zählen u.a. Indikatoren für Abwasser oder landwirtschaftliche Nutzung.

Der Vergleich zwischen den Daten der Grundwassermessstellen und dem Rheinpegel sowie den Stoffkonzentrationen im Rhein ermöglichte die Identifikation zeitlicher und räumlicher Trends der Stoffe im Grundwasser am Standort Flehe. Es zeigt sich ein deutlicher Zusammenhang zwischen den gemessenen Stoffkonzentrationen (u.a. Carbamazepin) im Grundwasser und dem Rheinpegel. Bei Hochwasser werden beispielsweise Stofffrachten, welche aus dem Rhein ins Grundwasser gelangen, weit ins Landesinnere transportiert. Aus den Daten geht hervor, dass diese erhöhten Stoffkonzentrationen auch jenseits der Pumpbrunnen messbar waren. Daraus folgt, dass bei hohen Rheinpegeln die Brunnengalerie trotz laufender Pumpen vom rheinseitigen Grundwasser überspült wird und somit am Wasserwerk Flehe in diesem Zeitraum ausschließlich Uferfiltrat gewonnen wird.

Durch den Klimawandel nehmen Extremwetterereignisse auch in Deutschland zu. Dazu zählen unter anderem langanhaltende Trockenperioden, welche auch auf die Wasserstände von Flüssen und Grundwasser einen großen Effekt haben. Die sich verändernden Voraussetzungen wirken sich auf die Bewirtschaftung dieser Wasserressourcen aus. Neben vielen weiteren Problemen wird die Trinkwassergewinnung an Standorten mit Uferfiltration dadurch deutlich beeinflusst.

Das vom BMBF geförderte Projekt iMolch (Projektnummer 02WGW1667D) entwickelt nachhaltige Wassermanagement-Konzepte zur Optimierung der Grundwasserbewirtschaftung vor dem Hintergrund der Auswirkungen des Klimawandels.

Der vorliegende Beitrag untersucht, wie sich extreme klimatische Bedingungen im Jahr 2018 auf die Strömungsverhältnisse auf einen Uferfiltrations-Standort am Rhein ausgewirkt haben. Die Stadtwerke Düsseldorf nutzen an mehreren Standorten Uferfiltration zur Gewinnung von Trinkwasser aus dem Rhein. Im Rahmen des Projekts wird u.a. der Standort Flehe im Stadtgebiet Düsseldorf untersucht. Das Wasserwerk besteht aus zwei Pumpwerken, welche aus 51 betriebenen Brunnen das Rohwasser fördern. Die Trinkwasserbrunnen sind auf einer Länge von einem Kilometer im Abstand von 50 bis 60 m zum Flussufer parallel zum Rhein angeordnet. Zur Grundwasserqualitätsüberwachung wurden 15 Grundwassermessstellen senkrecht zum Flussufer installiert, mit verschiedenen Filtertiefen und in einem Abstand von 20 bis 90 Metern. An den Messstellen wurde ein intensives Monitoring zwischen dem 31.01.2018 und 08.05.2019 durchgeführt. Die Messungen erfolgten in einem Abstand von etwa zwei Wochen und erfassten neben dem Wasserstand auch zahlreiche physikalische, chemische und biologische Parameter. Die Daten werden durch stündliche Werte der Fördermengen des Wasserwerkes und geologische Profile des Untergrundes ergänzt.

Zunächst wurden räumliche und zeitliche Änderungen der Wasserstände im Bezug zum Rheinpegel analysiert. Der Fokus lag dabei auf dem Rheinniedrigstand im Sommer 2018, welcher im Oktober den niedrigsten bekannten Wasserstand am Pegel Düsseldorf erreichte. Der Untergrund am Standort besteht aus sandigen Kiesen der Niederterrassen des Rheins und darunter liegenden oligozänen Sanden. Deren hohe Durchlässigkeit (k_f-Wert etwa 3 · 10^-3 m/s) resultiert in hohen Abstandsgeschwindigkeiten von mehreren Metern pro Tag und niedrigen Verweilzeiten im Grundwasserleiter. Hohe hydraulische Gradienten führen dazu, dass der Rhein die Brunnengalerie bei Hochstand überspült und sich trotz laufender Pumpbrunnen kein Absenktrichter bildet, wohingegen während des Extremereignisses im Sommer 2018 fast nur noch landseitiges Grundwasser gefördert wurde. Damit einher gingen signifikante Veränderungen der förderbaren Wassermenge und der Wasserbeschaffenheit.

Auch wenn Flüsse als Methanquelle bekannt sind und mittlerweile im Global Methane Budget berücksichtigt werden, steht nur eine geringe Datenmenge für die Methanemission von Flüssen in die Atmosphäre zur Verfügung. Dies betrifft insbesondere die Methanemission durch Ebullition.

Um der Inkonsistenz der Daten entgegenzuwirken und damit eine detailliertere Modellierung des Methanflusses zu ermöglichen, wurden in dieser Arbeit mit Hilfe von Blasensammlern die aufsteigenden Gasblasen in der Moosach an vier Standorten entlang eines Flussquerprofiles gesammelt. Ein Blasensammler wurde am Gleithang des Flusses installiert, zwei in der Flussmitte und der vierte Blasensammler befindet sich am Prallhang. Der Untersuchungszeitraum begann für drei der vier Blasensammler mit dem Einbau am 08.06.2022. Der vierte Blasensammler wurde nachträglich am 25.07.2022 eingebaut. Die letzte Probennahme fand für alle vier Standorte am 12.09.2022 statt. Die Probennahme erfolgte regelmäßig etwa ein bis zweimal pro Woche, wobei das gesammelte Gas mit Hilfe einer Gasmaus von einem Schlauchboot aus entnommen wurde.

Anschließend wurden im Labor das Volumen, die Methan Konzentrationen sowie die Isotopen Signaturen der Proben bestimmt. Da bei der ersten Messung eine Methankonzentration von etwa 60% gemessen wurde, musste die Analyse Methodik angepasst werden. Für die Messungen mit einem GC-FID war es nötig die Proben vor der Messung im Verhältnis 1:100 zu verdünnen. Zusätzlich wurden die Methankonzentrationen mit einer GCM Micro Box gemessen, welche zudem die Analyse der Stickstoff- und Kohlenstoffdioxidkonzentrationen der Proben ermöglichte.

Um herauszufinden welche Faktoren einen potentiellen Einfluss auf die Menge der aufsteigenden Gasblasen, sowie auf die Methankonzentration der Gasblasen und das Isotopenverhältnis haben, wurden diese mit der Wassertemperatur, der Wassertiefe, der Zeit zwischen den Probennahmen und Niederschlagswerten verglichen.

Durch die Charakterisierung des Sedimentes an den gewählten Standorten konnte gezeigt werden, dass die Menge an produziertem Gas sowie die Methan Konzentration Standortabhängig sind, wobei die Korngrößenverteilung, die Porosität und der Glühverlust vermutlich eine wesentliche Rolle einnehmen. Nicht eindeutig festgestellt werden konnte, welche Faktoren beziehungsweise welche Kombination aus Einflüssen für eine Zu- beziehungsweise Abnahme der Ebullition-Rate verantwortlich sind. Standortabhängige Unterschiede zeigen sich auch in den Isotopenanalysen. Zudem wurde ein starker Isotopenshift in der ersten Hälfte der Messperiode am Gleithang festgestellt. Mögliche Ursachen des Isotpenshiftes werden im Rahmen dieser Arbeit nicht detailliert analysiert. Durch den Vergleich mit den Auswertungen von drei Peepern, welche etwa 2 m flussabwärts der Blasensammler installiert wurden, konnte bestätigt werden, dass die Methan Emission von Flüssen in die Atmosphäre durch Ebullition höher ist als die Emission durch diffusive Prozesse.

Wenn Regenwasser in den Boden von Inseln, die von Salzwasser umgeben sind, infiltriert, bilden sich Süßwasserlinsen. Diese Linsen und ihre Brackwasserzonen werden vom Klimawandel beeinflusst. Sowohl der Meeresspiegelanstieg als auch Änderungen der Grundwasserneubildung wirken sich auf die Größe der Linse und die Mächtigkeit der Brackwasserzone aus. In dieser generischen Studie wird der Einfluss des Klimawandels auf Süßwasserlinsen anhand eines Querschnittsmodells einer hypothetischen Insel mithilfe von Klimaprojektionen untersucht. Mit hochaufgelösten Meeresspiegelprojektionen, jährlichen Werten des Meeresspiegelanstiegs und monatlichen Grundwasserneubildungsprojektionen mehrerer Klimamodelle für die ostfriesische Barriereinsel Norderney werden Änderungen der Süßwasserlinse und ihrer Brackwasserzone zwischen den Dreißigjahresperioden 1971-2000 und 2071-2100 berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit das Volumen und die Tiefe von Süßwasserlinsen in Zukunft abnehmen werden und die Mächtigkeit der Brackwasserzone zunehmen wird.

Die Studie ist in zwei Teile geteilt: Zunächst wird der Einfluss der Randbedingungen auf Inseln verschiedener Breite untersucht, anschließend wird eine Multiparameterstudie mit verschiedenen hydrogeologischen Parametern durchgeführt. Die Randbedingungen haben einen größeren Einfluss auf schmalere Inseln als auf breitere. Der Effekt des Klimawandels hängt stark von den verwendeten Klimamodellen ab. Der Einfluss der hydrogeologischen Parameter, zumindest im betrachteten Variationsbereich, ist weniger ausgeprägt. Von den betrachteten Parametern haben die hydraulische Leitfähigkeit und ihre Anisotropie den größten Einfluss. Unter den untersuchten hydrogeologischen Bedingungen werden sehr wahrscheinlich in Zukunft die Süßwasser- und damit die Trinkwasserressourcen von Inseln schrumpfen.

Die übermäßige Nutzung von Grundwasser zählt als Hauptursache für Landabsenkungen weltweit und stellt vor allem aride und semiaride Gebiete vor große Herausforderungen. Längerfristige Folgen kontinuierlicher Kompaktion, wie zum Beispiel der Verlust der Aquiferspeicherkapazität, bleiben hierbei lange unentdeckt. Im Iran hat die enorme Grundwasserentnahme über die letzten Jahrzehnte schon in vielen Bereichen zu signifikanter Landabsenkung geführt. Insbesondere stark landwirtschaftlich genutzte Regionen mit erhöhtem Bewässerungsbedarf sind von diesem Phänomen betroffen. Innerhalb der Rafsanjan-Ebene, Irans Zentrum des Pistazienanbaus, treten dadurch Landabsenkungsraten von bis zu 25 cm a^-1 auf. Die daraus resultierenden Folgen zeigten sich bereits 1977 in Form von Erdrissen und herausstehenden Brunnengehäusen.

In dieser Studie werden satellitenbasierte InSAR-Analysen mit einer Grundwasserströmungsmodellierung kombiniert, um die grundwasserinduzierte Landabsenkung innerhalb der Rafsanjan-Ebene besser bewerten und vorhersagen zu können. Hierfür wurde ein Grundwasserströmungsmodell basierend auf hydrogeologischen Daten entwickelt. Jährlich variierende Entnahmeraten wurden mittels objektbasierter Klassifikation abgeschätzt und ergänzt. Modellergebnisse historischer Landabsenkungen (1961 bis 2020) werden sowohl mit Hilfe gemessener Grundwasserstände als auch Landabsenkungsraten aus InSAR-Zeitreihen kalibriert und durch Ergebnisse örtlicher Nivellierungskampagnen validiert. Für diesen Zeck wurde ein Kalibrierungsschema konzipiert, das die hydraulischen Parameter des Aquifers sowie die mechanischen Charakteristika der vorkommenden Sedimente koppelt und deren Abhängigkeit in Bezug auf die Landabsenkung berücksichtigt. Diese Kombination liefert darüber hinaus genauere Informationen über die Wasserfreisetzung durch die Kompaktion des Aquifers.

Die simulierte Grundwasserabsenkung liefert im gesamten Modellgebiet einen RMSE von 3,49 m und NRMSE von 0,139. Ergebnisse der Landabsenkung zeigen eine leichte Übereinschätzung und weisen einen RMSE von 2,5 cm a^-1sowie einen NRMSE von 6,7 % auf. Erstaunlicherweise besteht jedoch keine zwingende Korrelation zwischen simulierter Landabsenkung und dem Rückgang des Grundwasserspiegels. In einigen Gebieten wurden trotz starkem Grundwasserrückgang nur geringe oder gar keine Landabsenkungsraten gemessen und simuliert. Die Landabsenkung innerhalb der Rafsanjan-Ebene kann somit nicht ausschließlich auf die Absenkung des Grundwasserspiegels zurückgeführt werden. Stattdessen fokussieren sich die höchsten Landabsenkungsraten auf Gebiete mit mächtigeren Schichten feinkörniger Sedimente, bei denen die irreversible Umlagerung der Körner zu einer inelastischen Kompaktion führt. Folglich hat die Landabsenkung innerhalb der Rafsanjan-Ebene bereits jetzt zu einem irreversiblen Rückgang der Speicherkapazität des Aquifers um 8,8 km³ geführt.

Zukünftige Szenarien landwirtschaftlicher Entwicklung zeigen, dass eine fortschreitende Landabsenkung aus wirtschaftlichen Gründen für die Region unvermeidbar ist. Dennoch können durch die Implementierung verbesserter Bewässerungsmethoden die Absenkungsraten und der assoziierte Verlust der Aquiferspeicherkapazität bis zum Jahr 2050 um bis zu 50 bzw. 36 % reduziert werden. Die Minimierung der Landabsenkung kann darüber hinaus zu einer Verminderung des Risikos kurzfristiger Schäden, wie beispielsweise der Infrastrukturschädigung, führen.