In den letzten 20 Jahren wurde ein Großteil der Tagebaurestlöcher im Lausitzer Braunkohlenrevier geotechnisch gesichert, mit Fluss- und Sümpfungswasser geflutet und in Bergbaufolgeseen transformiert. Übergeordnetes Ziel der Bergbausanierung ist die „Wiederherstellung eines ausgeglichenen, sich weitgehend selbstregulierenden Wasserhaushaltes“ [3] […]

Nach im Wesentlichen abgeschlossener Grundsanierung konnte bisher in 16 von 24 größeren Bergbaufolgeseen des Lausitzer Reviers die Endwasserstandslamelle erreicht werden [1]. Insbesondere hinsichtlich der erforderlichen Ausleitung von Überschusswasser galt es, eine mit den gesetzlichen Vorgaben konforme Wasserbeschaffenheit der Seen herzustellen. Dies konnte durch die weitere Nutzung von Flusswasser, in einigen Fällen zusätzlich oder auch ausschließlich durch Behandlung der Seen mit carbonatischen und oxidischen Neutralisationsmitteln erreicht werden [2]. Ein Beispiel für eine Entwicklung der Wasserbeschaffenheit unter diesen Bedingungen zeigt Abb. 1. Der Bedarf der einzelnen Wasserkörper hinsichtlich solcher Nachsorgemaßnahmen ist höchst unterschiedlich und hängt vom Grundwasserströmungsregime, von der Hydrogeochemie der angrenzenden geologischen Körper, der Bathymetrie der Seen und der Einbindung in das Gewässersystem mit seinen regionalen und überregionalen Wasserspeichern ab. Auch die Verfügbarkeit von Wasser für die Flutung und wasserwirtschaftliche Nachsorge und dessen Priorisierung bei der Bereitstellung, aber auch die Anforderungen an die Stützung der abstromigen Fließgewässer durch Wasserabgaben spielen eine entscheidende Rolle. Nicht zuletzt definieren die Anforderungen der regionalen (Anlieger) und überregionalen Nutzer (u.a. Wasserversorger, Spreewald, Berlin) die Bewirtschaftungsmaßnahmen.

Durch das bedarfsangepasste Monitoring der Wasserbeschaffenheit der Bergbaufolgeseen während der Flutung und wasserwirtschaftlichen Nachsorge, wurde in den letzten Jahren eine breite Datengrundlage geschaffen. Diese ermöglichte es, ein Grundverständnis für die Reaktionen der künstlichen Wasserkörper auf ihr dynamisches geochemisches, hydrologisches und technologisches Umfeld und die Bewirtschaftungshandlungen aufzubauen. Die Erkenntnisse bisheriger Maßnahmen werden genutzt, um die weitere wasserwirtschaftliche Nachsorge zu planen und effizient umzusetzen. Sie bieten weiterhin eine wertvolle Grundlage für die Herstellung der heute noch nicht existierenden weiteren Bergbaufolgeseen in der Lausitz aber auch in anderen Revieren Deutschlands, die im Zuge der Beendigung der Braunkohlenförderung zukünftig noch zu gestalten sind.

Im Vortrag werden die Zusammenhänge zwischen den jeweiligen hydraulischen, geochemischen und technischen Randbedingungen der Bergbaufolgeseen, ihrer Entwicklung und dem mittel- und langfristigen Handlungsbedarf für die Aufrechterhaltung stabiler Wasserbeschaffenheitsverhältnisse aufgezeigt.

[1] Evaluation der berg- und wasserrechtlichen Bergbausanierung der LMBV unter Berücksichtigung von Kohleausstieg und Klimawandel in Sachsen und Brandenburg – Teil 1: Grundsatzstudie. Bericht der GFI Grundwasser-Consulting-Institut GmbH Dresden, im Auftrag der LMBV mbH, 06.12.2023

[2] Kunze, K., Bilek, F. (2025): In-Lake-Behandlung von Bergbaufolgeseen – Durchführung, Überwachung, Bewertung. Proceedings der Dresdner Grundwassertage 2023, Heft 57

8. Umweltministerkonferenz, März 1993

Mit dem Ende des Braunkohleabbaus im Rheinischen Braunkohlerevier wird das Grundwasser etwa ab dem Jahr 2030 großräumig wieder ansteigen. In einigen Teilbereichen hat der Grundwasserwiederanstieg bereits begonnen. Es wird davon ausgegangen, dass weitgehend die vorbergbaulichen Grundwasserstände wieder erreicht werden. Um die Grundwassersituation zu untersuchen, betreibt das LANUK NRW (Auftragnehmer GCI GmbH) ein großräumiges Grundwassermodell. Dieses ist ein gutes Instrument, um Bereiche zu identifizieren, in denen sich die ursprüngliche, bergbauunbeeinflusste Grundwassersituation möglicherweise nicht wieder einstellen wird. Mittels einer Prognoserechnung lässt sich der zukünftig zu erwartende Grundwasserstand simulieren. Dieses Szenario, das sogenannte Bergbauszenario, prognostiziert die Grundwassersituation, die sich auf der Grundlage der heutigen Planung für Tagebau und Rekultivierung bergbaubedingt einstellen wird.

Für den Vergleich mit dem bergbauunbeeinflussten Zustand wird eine geeignete Darstellung dieser Situation benötigt. Es hat sich gezeigt, dass ein Vergleich der Modellergebnisse mit konstruierten Grundwassergleichenplänen oder Flurabstandskarten für einen vorbergbaulichen Zeitpunkt nicht geeignet ist. Für die Konstruktion der Karten standen in der Vergangenheit häufig nur wenig Daten zur Verfügung. Außerdem stellen sie in manchen Bereichen eine Situation dar, die durch lokale Einflüsse (unabhängig vom Bergbau) geprägt ist, die sich in der Zukunft nicht mehr auswirken werden. Daher ist ein Vergleich von Modellvarianten, d. h. ein Vergleich des Bergbauszenarios mit einem Referenzszenario ohne Bergbau, zielführend. Ein Referenzszenario ist ein hypothetisches Szenario, mit dem die Grundwasserstände berechnet werden, die sich eingestellt hätten, wenn keine Bergbautätigkeit im Rheinischen Revier stattgefunden hätte.

Dafür müssen die Modelleingangsdaten modifiziert werden, was unter anderem Folgendes umfasst:

1. Bodensetzungen, die aufgrund der Sümpfungsmaßnahmen im Rheinischen Revier stattgefunden haben, beeinflussen die Randbedingungen an Fließgewässern.
2. Verlegungen von Fließgewässern für den Tagebaubetrieb müssen bei der Definition von Randbedingungen berücksichtigt werden.
3. Vorbergbauliche Landnutzung in den Tagebaubereichen wirkt sich auf die im Modell angesetzte Grundwasserneubildung aus.

Aus dem Vergleich der beiden Szenarien lässt sich ablesen, ob nach Bergbauende und abgeschlossenem Wiederanstieg des Grundwassers ein Einfluss des Braunkohleabbaus und der damit verbundenen Rekultivierung verbleibt. Das Ergebnis zeigt, dass es Gebiete im Rheinischen Revier geben wird, in denen die zukünftige Grundwassersituation aufgrund des Bergbaus voraussichtlich von der bergbauunbeeinflussten Situation abweichen wird. Dabei handelt es sich insbesondere um Gebiete im Einflussbereich eines Tagebausees. Da die Seespiegelhöhen niedriger als die ursprünglichen Grundwasserstände in den Seebereichen sind, werden im Umfeld um die Seen nach dem Wiederanstieg gegenüber dem Referenzszenario niedrigere Grundwasserstände erwartet, was zu größeren Flurabständen führt. Höhere Grundwasserstände werden voraussichtlich nicht eintreten. Dennoch können in kleinen Bereichen im Bergbauszenario infolge der im Rheinischen Revier stattfindenden Bodenbewegungen nach erfolgtem Wiederanstieg lokal geringere Flurabstände auftreten als im Referenzszenario.

Im Helmstedter Revier ist der Kohleausstieg mit Einstellung der Förderung bereits im Jahr 2016 vollzogen worden. Geblieben waren die Aufgaben, wasserwirtschaftliche Lösungen für die Gestaltung von fünf Tagebaurestlöchern im gesamten Revier zu finden und umzusetzen.

Die Lage des Reviers auf der Wasserscheide zwischen Elbe und Weser sowie die de facto nicht vorhandene Verfügbarkeit von Fremdwasser zur Flutung impliziert einen besonders langen Weg für die Herstellung eines sich weitgehend selbst regulierenden Wasserhaushalts im Revier, wenn bereits die mengenmäßige Sanierung des Wasserhaushalts und die Erreichung von Zielwasserständen für einige Folgeseen bis weit ins nächste Jahrhundert reichen wird.

Neben dem zu diesem Zeitpunkt bereits in Flutung befindlichen Restloch des Tagebaus Helmstedt, das mit dem Restloch des Tagebaus Wulfersdorf den gemeinsamen Lappwaldsee bilden wird, ist vor allem der Tagebau Schöningen von zentraler Bedeutung für die Beschreibung der wasserwirtschaftlichen Herausforderungen im Revier. Aufgrund dessen, dass das Erreichen des Endwasserstandes aktuell weit nach 2100 erwartet wird, sind aktive wasserwirtschaftliche Arbeiten noch sehr lange abzusichern:

- Brunnenbetrieb zur flutungsbegleitenden Wasserhebung und zur geotechnischen Sicherung von Böschungen,

- Ableitung bzw. Nutzung des Sümpfungswassers zur Flutung,

- Sicherung der endgestalteten Böschungen vor erosiven Prozessen bis zur Überstauung durch Seewasser,

- Anpassung und Weiterentwicklung von wasserwirtschaftlichen Maßnahmen und Funktionen der Folgeseen bis zum Erreichen des Endwasserstandes.

Aufgrund der Langwierigkeit dieses Prozesses spielt der Zeitfaktor eine besondere Rolle. Das Sümpfungswasser des Tagebaus Schöningen ist geprägt von einer relativ hohen Chloridbelastung und die über lange Zeit erfolgte Überleitung in das Restloch Helmstedt hat Auswirkungen auf die dortigen Ziele der Gewässerherstellung. Die Erosionsanfälligkeit und die Kulturunfreundlichkeit einiger Böschungsmaterialien in Verbindung mit der langen Flutungszeit begünstigen Böschungsumbildungen und erfordern langfristige Managementmaßnahmen.

Die Lösungsfindung für diese Probleme im Spiegel reichhaltiger Erfahrung aus 30 Jahren Braunkohlensanierung im Osten Deutschlands wird flankiert von Fragestellungen, in denen gerade neue Erfahrungen gesammelt werden. Insbesondere die Unsicherheit zur zukünftigen Klimaentwicklung ist hier von besonderer Bedeutung. Während die Zeiträume bis zum Erreichen der Endwasserstände zum Teil bis weit ins nächste Jahrhundert gehen, gibt es Prognosen aus den verfügbaren Klimamodellen lediglich bis Ende des Jahrhunderts.

Der Beitrag beschäftigt sich mit den revierübergreifenden, wasserwirtschaftlichen Zusammenhängen und deren Bedeutung für die Sanierungsaufgaben und Gewässerherstellungen. Die Ableitung von Lösungen für die regionalen Herausforderungen unter Nutzung reichhaltiger Erfahrungen wird genauso diskutiert wie der Beitrag des Reviers in der Berücksichtigung von klimamodellbasierten Prognoseunsicherheiten und deren Bedeutung für die weiteren Sanierungsplanungen.

Die Grundwasser(strömungs)modellierung war und ist ein wichtiges Arbeitsmittel sowohl für den Gewinnungs- als auch den Sanierungsbergbau in den ostdeutschen Braunkohlenrevieren. Die Palette der Modellanwendungen reicht dabei von Großraummodellen für tagebauübergreifende Grundwassersimulationen bis zu Detailmodellen für lokale oder objektkonkrete Fragestellungen.

In den 1970er Jahren begann in der DDR die Entwicklung und Anwendung von Programmen zur numerischen Modellierung der Grundwasserströmung. Mit ihnen sollten Fragestellungen zu Grundwassererschließung und -bewirtschaftung, Tagebauentwässerung und -wiederauffüllung oder Meliorationsmaßnahmen in der Landwirtschaft bearbeitet werden.

Seit ihren Anfängen hat die numerische Grundwassermodellierung eine bemerkenswerte Entwicklung durchlaufen. Durch Fortschritte in der Rechentechnik und Datenverarbeitung wurde die Leistungsfähigkeit der Simulationsprogramme bzw. der damit erstellten Grundwassermodelle sukzessive gesteigert. Die Zunahme von Rechengeschwindigkeit und zu verarbeitenden Datenmengen sowie Verbesserungen im Pre- und Postprocessing erlauben inzwischen großräumige Grundwassermodellierungen mit hohem Detailgrad. War die Diskretisierung des Strömungsraumes anfänglich noch auf wenige hundert Modellzellen limitiert, sind inzwischen hochaufgelöste 3D-Modelle mit mehr als eine Million Modellzellen im Einsatz.

Im Lauf der Zeit haben sich aber nicht nur die technischen Möglichkeiten verändert, sondern auch die Aufgaben und Anforderungen an die Grundwassermodelle.

Die Lausitzer und Mitteldeutsche Bergbau-Verwaltungsgesellschaft mbH (LMBV) ist Projektträger der Bergbausanierung in Ostdeutschland. In der Lausitz saniert sie im Auftrag von Bund und den Ländern Brandenburg und Sachsen die von der Braunkohlenförderung der DDR in Anspruch genommenen Gebiete. Mit der Außerbetriebnahme der Tagebaue war die Einstellung der Sümpfungsmaßnahmen verbunden. Entsprechend verschob sich der Aufgabenschwerpunkt der Grundwassermodelle von der Tagebauentwässerung zur Begleitung des Grundwasserwiederanstieges einschließlich der Flutung der Tagebaurestlöcher. Auch nach Abschluss des Grundwasserwiederanstieges ist die LMBV auf die Ergebnisse und Aussagen der Grundwassermodelle für unterschiedliche Fragestellungen (Planungen, Genehmigungen, Gutachten usw.) angewiesen.

Der Beitrag soll einen Überblick über die Grundwasserströmungsmodellierung im Lausitzer Revier mit Fokus auf den Sanierungsbergbau in Verantwortung der LMBV geben. Dabei wird auf die Entwicklung der Modelle bezüglich Aufgaben, Anwendung und Herausforderungen eingegangen.

Im Rheinischen Revier endet der aktive Bergbau im Jahr 2029 und die Tagebauhohlformen werden anschließend mit Fremdwasser gefüllt. In den mit einem geplanten Volumen von 4,3 Mrd. m³ Wasser größten und mit bis zu 360 m tiefsten Bergbaufolgesee Hambach werden ab 2030 jährlich etwa 230 Mio. m³ Rheinwasser eingeleitet. Es ist davon auszugehen, dass das Füllziel nach etwa 40 Jahren erreicht und der Grundwasserwiederanstieg im Umfeld nach etwa weiteren 20 bis 30 Jahren abgeschlossen sein wird.

Aktuell stellen die Tagebaue die Bereiche mit der größten Grundwasserabsenkung dar, denen das Grundwasser zufließt. Mit der Seefüllung ändert sich diese Situation, die Seen werden während der Füllphase zu Hochpunkten, aus denen das Wasser abströmt. In diesem Zusammenhang erfolgt der Grundwasserwiederanstieg, eine Aufsättigung und Durchströmung der Abraumkippen sowie ein Austrag kippentypischer Inhaltsstoffe. Im Rheinischen Revier ist hierbei das Sulfat von zentraler Bedeutung, während Calcium, Eisen und Schwermetalle eine untergeordnete Rolle spielen. Gleichzeitig sind die Inhaltsstoffe des Rheinwassers – vordergründig organische Spurenstoffe – von Bedeutung, denn die Einleitung in die Seen wird voraussichtlich unaufbereitet erfolgen.

Im Abstrombereich des Tagebau(see)s liegen mehrere Wasserwerke, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten und mit unterschiedlicher Intensität von dem Abstrom sulfatreichen Wassers betroffen sein werden (Bild 1) und dann ihren Betrieb einstellen müssen. Im Zusammenhang mit der langfristigen Sicherung der Wasserversorgung erfolgt die Prognose der Stoffausbreitung mittels numerischer Modellierung mit dem Grundwassermodell der RWE Power, dem Reviermodell. Zur Bestimmung des Sulfataustrags wurde das sogenannte Wanderpunktverfahren angewendet. Auch die Modellierung des Fremdwasserabstroms aus den Seen folgt einem rein konservativen Ansatz und geht von einem nicht reaktiven Transportverhalten aus. Für die Auswertung und die daraus abgeleiteten Maßnahmen zur Sicherung der Wasserversorgung werden die Zeithorizonte bis 2100 (Bild 1) bzw. bis 2200 betrachtet.

Die Auswertungen zur Stofftransportmodellrechunungen zeigen, dass für das oberste quartäre Grundwasserstockwerk und die bis zu 200 m mächtige hoch ergiebige Hauptkiesserie (Horizont 8) als wichtigste Grundwasserleiter ein Sulfatabstrom aus der Außenkippe Sophienhöhe und der Innenkippe des Tagebaus Hambach sowie ausgehend von den Alttagebauen auf der Ville in Richtung nördliche Erftscholle und Erftaue erfolgen wird. Es erfolgt also ein zweiseitiger Zustrom in Richtung auf die Wassergewinnungsstandorte.

Zudem zeigt die Auswertung, dass der räumliche Wirkungsbereich des Sulfatabstroms deutlich größer ist, als jener des Fremdwassers aus dem Tagebausee. Der Einflussbereich des Rheinwassers liegt größtenteils innerhalb des durch den Kippenabstrom beeinflussten Bereichs. Lediglich im südlichen Abstrombereich des Tagebausees Hambach tritt ein Areal auf, das zukünftig ausschließlich einen Einfluss des Rheinwassers zeigt, nicht aber vom Kippenabstrom tangiert wird.

Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, Trinkwassergewinnungsstandorte bzw. Entnahmemengen zukünftig anzupassen, weshalb derzeit eine Aktualisierung des regionalen Wasserversorgungskonzeptes erarbeitet und mit den Wasserversorgungsunternehmen sowie den Genehmigungsbehörden abgestimmt wird.

Im Lausitzer Braunkohlenrevier ist das Grundwasser großflächig und nachhaltig durch die Pyritverwitterung beeinflusst. Die Sümpfung im Gewinnungsbergbau und der Grundwasser­wiederanstieg im Sanierungsbergbau werden seit vielen Jahrzehnten durch zwei- und dreidimen­sionale regionale Grundwasserströmungsmodelle begleitet. Zur Untersuchung der vielschichtigen hydrogeochemischen Fragen, z. B. zum Stoffaustrag aus Halden und Kippen, zum diffusen Stoffeintrag in Oberflächengewässer oder der stofflichen Beeinflussung von Wasserfassungen, mussten erst geeignete Werkzeuge zur Abbildung des reaktiven Stofftransportes entwickelt werden. Erste Modellierungen zum Stoffaustrag aus einer Tagebaukippe wurden im Lausitzer Revier Anfang der 2000er Jahre durchgeführt. Seitdem haben sich sowohl die Rechenleistung der Computertechnik als auch die methodischen Modellansätze enorm weiterentwickelt.

Für die ersten Bearbeitungen wurde ein reaktives Stromfaden­modell auf der Basis von PHREEQC eingesetzt. Mit diesem eindimensionalen Modellansatz konnten Aussagen zur zeitlichen Entwicklung von Stoff­konzentrationen an einem ausgewählten Punkt im Grundwasser getroffen werden. Die Wirkungen der transversalen Dispersion und der Verdünnung durch Grundwasserneubildung fanden in diesem Modell noch keine Berücksichtigung. Das Modell benötigte zudem keine Wasserbilanzen, sondern lediglich Fließgeschwindigkeiten auf einem Stromfaden.

Das Stromfadenmodell wurde in den Folgejahren zu einem reaktiven Stromröhrenmodell (bzw. Kaskadenmodell) weiter­entwickelt, mit dem zwar die verdünnende Wirkung der Grundwasser­neubildung abgebildet, aber noch kein Austausch mit den benachbarten Stromröhren (transversale Dispersion) berücksichtigt werden konnten. Das Stromröhrenmodell war hinsichtlich der Wassermengen und Stoffmengen bilanztreu.

Für eine räumlich differenzierte Betrachtung des Stofftransportes unter Berücksichtigung mehrerer Grundwasser­leiter, des Austauschs mit Oberflächengewässern und über die Breite des gesamten Strömungsfeldes ist ein dreidimensionales Modell für den reaktiven Stofftransport erforderlich.

Die meisten der am Markt verfügbaren dreidimensionalen Stofftransportmodelle koppeln den Stofftransport direkt mit der geohydraulischen Simulation. Die Nutzung solcher Modelle macht eine aufwendige Migration des kompletten regionalen Grundwasserströmungsmodells einschließlich seiner spezifischen inneren und äußeren Randbedingungen erforderlich. Die Strukturen und Limitationen der Modelle sind meist nicht deckungsgleich.

Da die am Markt verfügbaren Modelle die gestellten Ansprüche nicht in ausrei­chendem Maße erfüllen konnten, wurde vom IWB ein flexibles System zur Kombination bestehender geohydraulischer Modelle mit dem etablierten hydrogeochemischen Simulator PHREEQC entwickelt.

Im Vortrag wird die Evolution der Stofftransportmodellierung im Grundwasser des Lausitzer Braunkohlenreviers in den letzten 30 Jahren nachgezeichnet. Weiterhin wird beleuchtet, wie sich im gleichen Zeitraum die Ansprüche an die Stofftransportmodelle hinsichtlich dem räumlichen und inhaltlichen Detailgrad von Prognosen, dem Prognosehorizont und der Prognosezuverlässigkeit verändert haben. Dabei wird insbesondere das Spannungsfeld zwischen den gestiegenen Ansprüchen, dem Datenbedarf der Modelle und den bestehenden (und auch durch technische Weiterentwicklung nicht weiter auszumerzenden) Prognoseunschärfen in den Blick genommen.

Durch die für den Braunkohleabbau nötige Entwässerung des Tagebaus kommt es zur Belüftung der anstehenden Grundwasserleiter sowie des Abraummaterials. Die damit einhergehende Oxidation und Lösung von reduzierten Eisensulfidmineralen prägt dem anstehenden Grubenwasser neben den typisch hohen Eisen- (und Sulfat) Konzentrationen die im Eisensulfid substituierten Spurenmetalle (z.B. Nickel und Zink) auf. Eisen sowie Spurenmetalle müssen vor der Einleitung in die Vorflut zurückgehalten werden, um den bestehenden Umweltqualitätsnormen für Fremdwassereinleitungen in die Vorflut zu entsprechen.

Die Aufbereitung des Grubenwassers geschieht in einer Grubenwasserreinigungsanlage, in der die Metalle durch Anheben des pH-Wertes und Belüftung komplexiert und anschließend aus der flüssigen Phase entfernt werden. Diese Vorgehensweise funktioniert zuverlässig, ist jedoch mit hohen Kosten verbunden.

In einem Fallbeispiel präsentieren wir ein alternatives in-situ Behandlungssystem, das durch eine gezielte Steuerung der Entwässerung im Tagebau die natürlich auftretenden Reinigungsprozesse im Grubenwasser optimiert. Ein vertieftes Prozessverständnis der physiko-chemischen Reaktionsmechanismen kann somit verwendet werden, um energiesparende Lösungen zur Kopräzipitation von Eisen und Spurenmetallen im Tagebau zu finden.