image
image
image
image
image
image
- 0 INHALTSVERZEICHNIS -
Seite | 1
VITA-MIN
Methodenentwicklung zur Wasserhaushaltsanalyse und
Wasserhaushaltsplanung für die Bergbauregion Ostsachsen
Erstellungskonzept für ein
Großraummodell der Lausitz
- Abschlussbericht -
Auftragnehmer:
GEO
montan
Gesellschaft für angewandte Geologie mbH Freiberg
IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH Leipzig
GFI Grundwasser-Consulting-Institut GmbH Dresden
TU Bergakademie Freiberg, Institut für Bergbau & Spezialtiefbau Freiberg
BAH Büro für Angewandte Hydrologie Berlin
Autoren:
Hoth, Nils; Rascher, Jochen; Thom, Alexander; Geißler, Marion; Koch, Christian;
Pfützner, Bernd; Kacirek, Andreas; Berrios, Danilo; Mey, Silke; Bilek, Felix; Farfan,
David; Mansel, Holger
Auftraggeber:
Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
Koordination: Kuhn, Karin; Lünich, Kathleen
Bearbeitungszeitraum: 05/2018
05/2019
Gefördert durch den europäischen Fonds für Regionalentwicklung

image
image
image
image
- 0 INHALTSVERZEICHNIS -
Seite | 2
VITA-MIN
INHALTSVERZEICHNIS
INHALTSVERZEICHNIS ____________________________________________________________________________________ 2
ABBILDUNGSVERZEICHNIS _______________________________________________________________________________ 6
TABELLENVERZEICHNIS ________________________________________________________________________________ 10
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ____________________________________________________________________________ 11
A
EINFÜHRUNG - GRUNDLEGENDE VORBEMERKUNGEN ___________________________________ 12
A1 AUFGABEN- UND ZIELSTELLUNG _______________________________________________________________________ 12
A2
METHODISCHES VORGEHEN/ AUFBAU ABSCHLUSSBERICHT ___________________________________________ 14
B
KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ _________________________________ 16
B1
ABGRENZUNG MODELLGEBIET: ÄUßERE/INNERE RANDBEDINGUNGEN UND DISKRETISIERUNG _______ 16
B1.1
BERANDUNG GRM LAUSITZ - ÄUßERE RANDBEDINGUNGEN ___________________________________________ 16
B1.1.1
GRUNDAUSSAGEN ZUM ÄUßEREN RAND GRM LAUSITZ ______________________________________________ 16
B1.1.2
SONDERBEREICHE AM RAND UND DEREN HANDHABUNG _____________________________________________ 20
B1.1.3
MÖGLICHE ABGRENZUNG VON TEILMODELLEN ______________________________________________________ 22
B1.2
VERTIKALE BERANDUNG GRM LAUSITZ _______________________________________________________________ 23
B1.3
INNERE RANDBEDINGUNGEN GRM LAUSITZ ___________________________________________________________ 24
B1.4
DISKRETISIERUNG GRM LAUSITZ _____________________________________________________________________ 25
B2
GEOLOGISCH-HYDROGEOLOGISCHES 3D-STRUKTURMODELL: VORGEHEN BEIM AUFBAU DES
NUMERISCHEN MODELLS ____________________________________________________________________________________ 26
B2.1
GRUNDLEGENDE AUSSAGEN ZUR HYDROGEOLOGISCHEN GLIEDERUNG __________________________________ 26
B2.2
ANMERKUNGEN ZU VERWENDBAREN DATENQUELLEN _________________________________________________ 26
B2.3
BEWERTUNG DER HYDROGEOLOGISCHEN UNTERGLIEDERUNG BESTEHENDER REGIONALMODELLE ______ 27
B2.4
SCHLUSSFOLGERUNGEN ZUR GLIEDERUNG FÜR DEN AUFBAU DES GRM LAUSITZ _______________________ 28
B3
GEKOPPELTE MENGEN- UND GÜTEMODELLIERUNG FÜR DAS BERGBAUBEEINFLUSSTE
UNTERSUCHUNGSGEBIET ____________________________________________________________________________________ 32
B3.1
GRUNDLEGENDE ZIELSETZUNG EINER GROßRAUMMODELLIERUNG _____________________________________ 32
B3.2
STRÖMUNGSMODELLIERUNG GRUNDWASSER __________________________________________________________ 33
B3.3
MODELLIERUNG BODENWASSERHAUSHALT ___________________________________________________________ 35
B3.3.1
GRUNDLEGENDE AUSSAGEN ZUM BODENWASSERHAUSHALTSMODELL _______________________________ 35
B3.3.2
WAHL DER ARCEGMO-MODULE UND BETRIEBSWEISE IM GRM LAUSITZ ____________________________ 36
B3.3.3
KALIBRIERUNG DES BODENWASSERHAUSHALTSMODELLS____________________________________________ 37
B3.3.4
NOTWENDIGE WEITERENTWICKLUNGEN/DATENDEFIZITE __________________________________________ 38

image
image
image
- 0 INHALTSVERZEICHNIS -
Seite | 3
VITA-MIN
B3.4
MODELLIERUNG STOFFTRANSPORT GRUNDWASSER ___________________________________________________ 38
B3.5
MODELLIERUNG STOFFTRANSPORT FLIESSGEWÄSSER _________________________________________________ 40
B4
DATENANFORDERUNGEN
RECHERCHE DATENVERFÜGBARKEIT ______________________________________ 42
B4.1
GEOLOGISCHE DATEN
BASIS FÜR HYDROGEOLOGISCHES 3D-MODELL ________________________________ 42
B4.1.1
DATENANFORDERUNGEN ___________________________________________________________________________ 42
B4.1.2
DATENRECHERCHE _________________________________________________________________________________ 42
B4.1.3
EINSCHÄTZUNG DER DATENBASIS ___________________________________________________________________ 43
B4.2
HYDROGEOLOGISCHE PARAMETRISIERUNG ____________________________________________________________ 45
B4.2.1
DATENANFORDERUNGEN ___________________________________________________________________________ 45
B4.2.2
DATENRECHERCHE _________________________________________________________________________________ 46
B4.2.3
EINSCHÄTZUNG DER DATENBASIS ___________________________________________________________________ 46
B4.3
DATEN FÜR ÄUßERE RANDBEDINGUNGEN _____________________________________________________________ 47
B4.3.1
DATENANFORDERUNGEN ___________________________________________________________________________ 47
B4.3.2
DATENRECHERCHE _________________________________________________________________________________ 47
B4.3.3
EINSCHÄTZUNG DER DATENBASIS ___________________________________________________________________ 48
B4.4
GEOCHEMISCHE DATEN ALS BASIS FÜR DIE RÄUMLICHE CHARAKTERISIERUNG DER
KIPPENBESCHAFFENHEIT _____________________________________________________________________________________ 48
B4.4.1
DATENANFORDERUNGEN ___________________________________________________________________________ 48
B4.4.2
DATENRECHERCHE _________________________________________________________________________________ 49
B4.4.3
EINSCHÄTZUNG DER DATENBASIS ___________________________________________________________________ 50
B4.5
DATEN HYDROCHEMISCHE BESCHAFFENHEIT GRUNDWASSER _________________________________________ 51
B4.5.1
DATENANFORDERUNGEN ___________________________________________________________________________ 51
B4.5.2
DATENRECHERCHE _________________________________________________________________________________ 51
B4.5.3
EINSCHÄTZUNG DER DATENBASIS ___________________________________________________________________ 52
B4.6
DATEN OBERFLÄCHENGEWÄSSER _____________________________________________________________________ 52
B4.6.1
DATENANFORDERUNGEN FLIEßGEWÄSSER __________________________________________________________ 52
B4.6.2
DATENANFORDERUNGEN STANDGEWÄSSER _________________________________________________________ 53
B4.6.3
DATENRECHERCHE FLIEßGEWÄSSER ________________________________________________________________ 54
B4.6.4
DATENRECHERCHE STANDGEWÄSSER _______________________________________________________________ 55
B4.6.5
EINSCHÄTZUNG DER DATENBASIS OBERFLÄCHENGEWÄSSER ________________________________________ 55
B4.7
DATEN FÜR BODENWASSERHAUSHALTSMODELL _______________________________________________________ 56
B4.7.1
GENERELLE DATENANFORDERUNGEN _______________________________________________________________ 56
B4.7.2
ANFORDERUNGEN AN EINE GEKOPPELTE MODELLIERUNG ___________________________________________ 57
B4.7.3
DATENRECHERCHE _________________________________________________________________________________ 58
B4.7.4
EINSCHÄTZUNG DER DATENBASIS
VORGEHEN BEIM AUFBAU GRM LAUSITZ _______________________ 65
B5 VERGLEICH SIMULATIONSPROGRAMME ________________________________________________________________ 66
B5.1
GRUNDCHARAKTERISTIK MODFLOW ________________________________________________________________ 67
B5.2
GRUNDCHARAKTERISTIK FEFLOW ___________________________________________________________________ 69
B5.3
GRUNDCHARAKTERISTIK PCGEOFIM _________________________________________________________________ 70
B5.4
KOPPLUNG DER BETRACHTETEN GW-MODELLIERUNGSSOFTWARE ZU ARCEGMO _____________________ 72
B5.5
ABLEITUNG BEWERTUNGSMATRIX FÜR GW-MODELLIERUNGSSOFTWARE ______________________________ 73

image
image
image
- 0 INHALTSVERZEICHNIS -
Seite | 4
VITA-MIN
C
TESTMODELLIERUNG _________________________________________________________________________ 76
C1
WAHL TESTGEBIET ____________________________________________________________________________________ 76
C1.1
ANFORDERUNGEN AN DAS TESTGEBIET _______________________________________________________________ 76
C1.2
AUSWAHL TESTGEBIET _______________________________________________________________________________ 76
C2
GRUNDLEGENDES VORGEHEN BEI DER TESTMODELLIERUNG ___________________________________________ 80
C2.1
ZIELSTELLUNG TESTMODELLIERUNG __________________________________________________________________ 80
C2.2
ARBEITSSCHRITTE TESTMODELLIERUNG ______________________________________________________________ 81
C2.2.1
GEOLOGISCHES MODELL - DATENAUSWAHL BOHRUNGEN ___________________________________________ 81
C2.2.2
ERSTELLUNG HYDROGEOLOGISCHES 3D-STRUKTURMODELL
ÜBERFÜHRUNG IN DAS NUMERISCHE
MODELL ___________________________________________________________________________________________ 82
C2.2.3
VORGEHEN FÜR INNERE SONDERBEREICHE __________________________________________________________ 82
C2.2.4
VORGEHEN BEI FESTLEGUNG ÄUßERE UND INNERE RANDBEDINGUNGEN _____________________________ 86
C2.2.5
VORGEHEN AUFBAU BODENWASSERHAUSHALTSMODELL ____________________________________________ 87
C2.2.6
FESTLEGUNG DER ZU BERÜCKSICHTIGENDEN GWN FÜR UNGEKOPPELTE MODELLE __________________ 87
C3
VORGEHEN BEIM AUFBAU DES GRUNDWASSERMODELLS FÜR DIE TESTMODELLIERUNG _______________ 87
C3.1
ERSTELLUNG HYDROGEOLOGISCHES 3D-STRUKTURMODELL ___________________________________________ 87
C3.1.1
(HYDRO)GEOLOGISCHE MODELLIERUNG ____________________________________________________________ 87
C3.1.2
ERSTELLUNG HYDROGEOLOGISCHES 3D-STRUKTURMODELL
ÜBERFÜHRUNG IN NUMERISCHES MODELL
____________________________________________________________________________________________________ 90
C3.2
ABBILDUNG VON GLAZIGENEN RINNEN / STÖRUNGSBEREICHEN UND KIPPENAREALEN _________________ 91
C3.3
FESTLEGUNG ÄUßERE RANDBEDINGUNGEN ____________________________________________________________ 92
C3.4
INNERE RANBEDINGUNGEN - OBERFLÄCHEN- UND FLIEßGEWÄSSER ___________________________________ 92
C3.5
ABBILDUNG GRUNDWASSERNEUBILDUNG IM UNGEKOPPELTEN TESTMODELL __________________________ 96
C3.6
ABBILDUNG DER METEOROLOGISCHEN RANDBEDINGUNGEN IM UNGEKOPPELTEN TESTMODELL ________ 97
C4
VORGEHEN UND FESTLEGUNGEN BEIM AUFBAU DES BODENWASSERHAUSHALTSMODELLS ____________ 98
C4.1
LANDNUTZUNG _______________________________________________________________________________________ 98
C4.2
BODENINFORMATIONEN ______________________________________________________________________________ 99
C4.3
FLIEßGEWÄSSER ______________________________________________________________________________________ 99
C4.4
GRUNDWASSERFLURABSTAND _______________________________________________________________________ 100
C4.5
UMSTELLUNG DER DISKRETISIERUNG FÜR DIE GEKOPPELTE MODELLIERUNG __________________________ 101
C5
VERGLEICH DER ÜBERFÜHRTEN 3D-STRUKTMODELLE BEI UNTERSCHIEDLICHER SOFTWARE ________ 102
C6
ERKENNTNISSE AUS DER TESTMODELLIERUNG BEZÜGLICH DER GRUNDWASSERMODELLIERUNGS-
SOFTWARE __________________________________________________________________________________________________ 104
C6.1
ERGEBNISSE MODFLOW ____________________________________________________________________________ 104
C6.2
ERGEBNISSE FEFLOW ______________________________________________________________________________ 105
C6.3
ERGEBNISSE PCGEOFIM ____________________________________________________________________________ 106
C6.4
FOKUSSIERUNG DER BEWERTUNGSMATRIX ___________________________________________________________ 108
C7
ERGEBNISVERGLEICH ZUR STRÖMUNGSMODELLIERUNG FÜR EINZELNE MODELLE ____________________ 109

image
image
image
- 0 INHALTSVERZEICHNIS -
Seite | 5
VITA-MIN
C7.1
ERLÄUTERUNGEN ZUM VERGLEICH ___________________________________________________________________ 109
C7.2
VERGLEICH ISOHYPSENPLÄNE ________________________________________________________________________ 110
C7.3
VERGLEICH GANGLINIEN _____________________________________________________________________________ 113
C8
ERGEBNISDARSTELLUNG ZU DEN GEKOPPELTEN MODELLEN
(PCGEOFIM
ARCEGMO)___________ 117
C8.1
KURZERLÄUTERUNG MODELLVORGEHEN
BEWERTUNGSVORGEHEN _________________________________ 117
C8.2
ERGEBNISDARSTELLUNG GEKOPPELTE MODELLIERUNG _______________________________________________ 119
C8.3
ERGEBNISDARSTELLUNG ZUM ASPEKT OBERFLÄCHENWASSERGANG __________________________________ 120
C8.4
ERGEBNISDARSTELLUNG ZUM ASPEKT GRUNDWASSERGANG __________________________________________ 121
C8.5
ERGEBNISDARSTELLUNG ZUM ASPEKT GRUNDWASSERNEUBILDUNG __________________________________ 123
C8.6
ERGEBNISDARSTELLUNG ZUM ASPEKT BILANZAUSWERTUNG _________________________________________ 125
C8.7
ZUSAMMENFASSENDE HAUPTAUSSAGEN ZUR GEKOPPELTEN MODELLIERUNG _________________________ 126
D
SCHLUSSFOLGERUNGEN ZUM AUFBAU DES GRM LAUSITZ _____________________________ 127
D1 HAUPTAUSSAGEN ZUM GENERELLEN KONZEPT GRML-AUFBAU ______________________________________ 127
D2
HAUPTAUSSAGEN ZUM BODENWASSERHAUSHALTSMODELL UND ZUR WASSERHAUSHALTSANALYSE _ 129
D2.1
HAUPTAUSSAGEN ZUM BODENWASSERHAUSHALTSMODELL ___________________________________________ 129
D2.2
HAUPTAUSSAGEN ZUR GEKOPPELTEN MODELLIERUNG BWH-GW-MODELL __________________________ 130
D3 HAUPTAUSSAGEN UNTER BEACHTUNG DER TESTMODELLIERUNG ____________________________________ 131
D4 HAUPTAUSSAGEN ZUR TRANSPORTMODELLIERUNG MIT DEM GRM LAUSITZ _________________________ 133
D5 HAUPTAUSSAGEN ZUR DATENVERFÜGBARKEIT _______________________________________________________ 134
D5.1 GRUNDWASSERMODELLDATEN _______________________________________________________________________ 134
D5.2 DATEN ABBILDUNG DER OBERFLÄCHENGEWÄSSER ___________________________________________________ 134
D5.3 DATEN BODENWASSERHAUSHALTSMODELL __________________________________________________________ 134
D6 VARIANTENBETRACHTUNG ZUM BETRIEB DES GRM LAUSITZ ________________________________________ 135
D6.1
BETRIEBSKONZEPT DER BESTEHENDEN REGIONALMODELLE __________________________________________ 135
D6.2
VARIANTEN ZUM BETRIEB GRM LAUSITZ UND AKTUALISIERUNG ETC. ________________________________ 135
D7 AUFWANDS- UND KOSTENABSCHÄTZUNG FÜR AUFBAU UND BETRIEB GRM LAUSITZ ________________ 138
D7.1
METHODIK DER AUFWANDS- UND KOSTENABSCHÄTZUNG ____________________________________________ 138
D7.2
AUFBAU GRM LAUSITZ - ABGELEITETE TEILARBEITSBLÖCKE ZUR KOSTENABSCHÄTZUNG _____________ 139
D7.3
ZUSAMMENFÜHRUNG KOSTENABSCHÄTZUNG
AUFBAU- UND BETRIEBSPHASE _______________________ 141
E
KURZZUSAMMENFASSUNG UND FAZIT ____________________________________________________ 144
LITERATURVERZEICHNIS
__________________________________________________________________________ I

image
image
image
- 0 ABBILDUNGSVERZEICHNIS -
Seite | 6
VITA-MIN
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
Abbildung A1-1:
Überblick zum Niederlausitzer Braunkohlenrevier (aus PFLUG et al. 1998, ergänzt)
Abbildung B1-1:
Verbreitung des 2. Miozänen Flözkomplexes, die Lage von aktiven und Sanierungstagebauen
sowie das System der glazigenen Erosionsrinnen im Niederlausitzer Braunkohlerevier (aus
NOWEL et al. 1994)
Abbildung B1-2:
Lage der Regionalmodelle nach LMBV und Vattenfall/LEAG (aus EULITZ & KALTOFEN 2015),
ergänzt durch eine Flächenumrandungslinie aller Regionalmodelle (rot)
Abbildung B1-3:
Tertiärverbreitung, bergbaulich bedingter Grundwasserabsenkungstrichter und Zusam-
menschau der bestehenden Regionalmodelle
Abbildung B1-4:
Schematischer Schnitt zur Verdeutlichung des nach Süden auskeilenden Tertiärs mit prinzi-
piellem Hinweis auf die hydrogeologisch wichtigen quartären Erosionsrinnen, die teilweise
bis auf die Prätertiär-Oberfläche hinunter reichen
Abbildung B1-5:
Lage von Sonderbereichen und sonstiger geologischer Strukturen, die im GRM Lausitz zu
berücksichtigen sind
Abbildung B1-6:
Verteilung der Datenbestände zu vorhandenen Bohrungen bei LfULG und LEAG, mit Lage
eines möglichen Trennkorridors für das GRML
Abbildung B1-7:
Generalisierte Verbreitungslinien (Ausstreichen nach Süden) der tertiären GWL 5 bis 9
(nach LKT50 1987, 2016)
Abbildung B2-1:
Vorkommen und Lagerungsverhältnisse der Schichten im Niederlausitzer Braunkohlenre-
vier auf brandenburgischem und sächsischem Territorium (links) und die für das GRM Lau-
sitz wesentlichen GW-Leiter/-Stauer sowie zu berücksichtigende Lagerungsverhältnisse
(rechts)
Abbildung B3-1:
Das PSCN-Modul im Rahmen des hydrologischen Einzugsgebietsmodells ArcEGMO
Über-
blick über die simulierten Teilprozesse
Abbildung B3-2:
Prinzipielle Vorgehensweise und Einsatz verschiedener Modellwerkzeuge für den Aufbau
und die Parametrisierung eines großräumigen Stofftransportmodells
Abbildung B3-3:
Grundstruktur des Sulfatprognosemodells WBalMo in Bezug auf das Sulfateintragsmodul SE
(aus KALTOFEN 2017)
Abbildung B4-1:
Verteilung der Datenbestände zu verschlüsselten Bohrungen bei LfULG und LEAG, mit Kenn-
zeichnung von Gebieten mit derzeit hochqualitativ verschlüsselten Bohrungen
Abbildung B4-2:
Verteilung der GW-Messstellen im Untersuchungsgebiet
Abbildung B4-3:
Verteilung der geochemisch untersuchten Vorfeldbohrungen im Betrachtungsgebiet mit
dem Bereich der bergbaulichen Beeinflussung
Abbildung B4-4:
Verteilung der Grundwassergütemessstellen im Bereich GRM Lausitz
Abbildung B4-5:
Aggregations-Schema von ArcEGMO: Erzeugung von Hydrotopen durch Verschneidung der
Basiskarten (links) und Erstellen des finalen Raum-modells durch Zuordnung dieser Hydro-
tope zu den Teileinzugsgebieten des Untersuchungsraumes (rechts)

image
image
image
- 0 ABBILDUNGSVERZEICHNIS -
Seite | 7
VITA-MIN
Abbildung B4-6:
Ausdehnung des Bodenwasserhaushaltsmodell mit Vergleich zum berg-baulich beeinflussten
Modellgebietes der LMBV („Lausitzer
Löwe“, Stand 1990)
Abbildung B4-7:
Verwendete Bodeninformationen im Brandenburg-Modell
Abbildung B4-8:
Verwendete Landnutzung im Brandenburg-Modell
Abbildung B4-9:
Abbildung der Restseekette im Brandenburg-Modell
Abbildung C1-1:
Bereich des Testmodells (Strömungsmodell)
Abbildung C1-2:
Bereich des Testmodells (Bodenwasserhaushaltsmodell)
Abbildung C2-1:
Datenlage der Bohrungsverteilung im Testgebiet mit Darstellung der Auswahl an Bohrun-
gen für die Testmodellierung
Abbildung C2-2:
Lage glazigener Störungsbereiche im Testgebiet (aus KÜHNER 2017)
Abbildung C2-3:
Profilschnitt durch einen Teil mit glazigenen Störungsbereichen
Bereich des ehemaligen
Tgb. Bärwalde im Testgebiet (aus KÜHNER 2017)
Abbildung C2-4:
Bereich des Testgebietes
Lage von quartären Rinnen und Tagebaubereichen (mit resultie-
renden Kippen und Bergbaufolgeseen
Abbildung C2-5:
Mittlere jährliche Grundwasserneubildung, berechnet mit ArcEGMO
Abbildung C3-1:
Verbreitung der tertiären Horizontkörper im Liegenden des Quartärs
Abbildung C3-2:
Schematische Darstellung der Anbindung des Rinnenkörpers an die GWL der ungestörten
Feldesteile
Abbildung C3-3:
Schnitt durch das Strukturmodell (am Rechtswert GK 5469499) mit Ankopplung der Rinnen
und glazigenen Störkörper im Tertiär sowie der Position von Kippe und See Bärwalde
Abbildung C3-4:
Zeitliche Entwicklung an ausgewählten Punkten der äußeren Randbedingungen
Abbildung C3-5:
Äußere und innere Randbedingungen im Testgebiet
Abbildung C3-6:
Flächeninformation der 18 GWN-Klassen aus ArcEGMO, die auf die Modellgitter übertragen
wurden
Abbildung C3-7:
Zeitreihen (Stufenfunktion) zur Definition der GWN sowie der Zehrung von Wasserflächen
Abbildung C3-8:
links: Untergliederung des Modellgebietes in GWN-Klassen; rechts: Mittlere Jahres- und
Halbjahressummen der Grundwasserneubildung
Abbildung C3-9:
Räumlich und zeitlich variable Grundwasserneubildung im halbjährlichen Gang für die 18 ,
das Gesamtgebiet überdeckende GWN-Zonen
Abbildung C3-10:
Tagebaurestseebilanzierung (korrigierter Niederschlag der Station Boxberg und potentielle
Verdunstung im halbjährlichen Gang)
Abbildung C3-11:
Tagebaurestseebilanzierung (gewässertiefenabhängige Gewässerverdunstung im halbjähr-
lichen Gang)
Abbildung C4-1:
Datengrundlage der Landnutzung im Testmodellgebiet (CIR-Daten für Sachsen, ergänzt
durch Bergbaufolgenutzungsdaten für den Tagebaubereich Nochten/Reichwalde der LEAG)

image
image
image
- 0 ABBILDUNGSVERZEICHNIS -
Seite | 8
VITA-MIN
Abbildung C4-2:
Bergbaufolgenutzung der Tagebaue Lohsa (links) und Bärwalde (rechts)
Abbildung C4-3:
Räumliche Diskretisierung des sächsischen (hellblau) und des Brandenburger Fließgewäs-
sernetzes (dunkelblau) im Vergleich zu den im Grundwassermodell integrierten Fließgewäs-
sern
Abbildung C4-4:
Grundwasserflurabstand
Abbildung C4-5:
Veränderte Diskretisierung im gekoppelten Modellbereich am Beispiel der Landnutzung
Abbildung C5-1:
Testgebiet MODFLOW-Modellierung
exemplarischer Profilschnitt (über-höht) mit k
f
-
Wertverteilung
Abbildung C5-2:
Testgebiet PCGEOFIM-Modellierung
exemplarischer Profilschnitt (über-höht) mit k
f
-
Wertverteilung
Abbildung C5-3:
Testgebiet FEFLOW-Modellierung
exemplarischer Profilschnitt (überhöht) mit k
f
-
Wertverteilung
Abbildung C7-1:
Festgelegte Berechnungsphasen im Testmodell
Abbildung C7-2:
MODFLOW Berechnungsergebnisse, Hydroisohypsen, 01.01.2020
Abbildung C7-3:
PCGEOFIM Berechnungsergebnisse, Hydroisohypsen, 01.01.2020
Abbildung C7-4:
MODFLOW Berechnungsergebnisse, Hydroisohypsen, 01.01.2025
Abbildung C7-5:
PCGEOFIM Berechnungsergebnisse, Hydroisohypsen, 01.01.2025
Abbildung C7-6:
Lage der virtuellen Messstellen zum Vergleich der Berechnungsergebnisse
Abbildung C7-7:
Vergleich der WST-Entwicklung im Bärwalder See
Abbildung C7-8:
Vergleich des berechneten Durchflusses an der Spree (MST LPSpree02)
Abbildung C7-9:
Vergleich des berechneten GW-Standes an der MST P01
Abbildung C7-10:
Vergleich des berechneten GW-Standes an der MST P05
Abbildung C7-11:
Vergleich des berechneten GW-Standes an der MST P14
Abbildung C8-1:
Momentaufnahme der laufenden gekoppelten Berechnung für einen Berechnungszeitschritt
(links: Ausschriften von ArcEGMO & Kopplungsroutine; rechts: Ausschrift PCGEOFIM)
Abbildung C8-2:
Interaktion zwischen Bodenwasserhaushalts- und Grundwassermodell
Abbildung C8-3:
Grid-Typen im Testmodell
Abbildung C8-4:
Lage der fiktiven Grund- und Oberflächenwassermessstellen für die Ergebnisauswertung
Abbildung C8-5:
Berechneter Durchfluss (Tagesgang) der Hauptspree vor Einmündung von Schwarzem
Schöps (Vergleich gekoppelte/ungekoppelte Berechnung)
Abbildung C8-6:
Berechneter Grundwasserstand (Tagesgang) am Modellpegel P01_3 (Vergleich gekoppel-
te/ungekoppelte Berechnung)
Abbildung C8-7:
Berechneter Grundwasserstand (Tagesgang) am Modellpegel P14_3 (Vergleich gekoppel-
te/ungekoppelte Berechnung)

image
image
image
- 0 ABBILDUNGSVERZEICHNIS -
Seite | 9
VITA-MIN
Abbildung C8-8:
Berechnete(r) Grundwasserneubildung bzw. Grundwasserstand (Monatsgang) am Modell-
pegel P05_3 (Vergleich gekoppelte/ungekoppelte Berechnung)
Abbildung C8-9:
Entwicklung des Flurabstandes und der Grundwasserneubildung bei Entstehung einer Was-
serfläche
Abbildung C8-10:
Entwicklung eines Standortes von grundwasserfern zu grundwassernah
Abbildung C8-11:
Wechsel zwischen grundwasserfernen und grundwassernahen Verhältnissen
Abbildung C8-12:
Monatsmittelwerte des Durchflusses am Pegel Sprey
Abbildung D7-1:
Phasen des Modellaufbaus und -betriebs; Kostenblöcke und Betreiberstruktur als Grundlage
für die Kostenkalkulation

image
image
image
- 0 TABELLENVERZEICHNIS -
Seite | 10
VITA-MIN
TABELLENVERZEICHNIS
Tabelle B1-1:
Abschätzung der Zellen für den Modellraum GRM Lausitz
Tabelle B2-1:
Strukturmodelle/Schichteinheiten für die vorhandenen Regionalmodelle (Darstellung auf
der Basis von Aussagen in EULITZ & KALTOFEN 2015)
Tabelle B2-2:
Strukturmodelle/Schichteinheiten für die hoch aufgelösten Regionalmodelle (Darstellung
auf der Basis von Aussagen in EULITZ & KALTOFEN 2015)
Tabelle B2-3:
Vorgeschlagene quartäre und tertiäre Schichtgliederung für das GRM Lausitz
Tabelle B4-1:
Benötigte Fließgewässerinformationen
Tabelle B4-2:
Benötigte Standgewässerinformationen
Tabelle B4-3:
Datenquellen Fließgewässer
Tabelle B4-4:
Datenquellen Standgewässer
Tabelle B4-5:
Geodaten im Brandenburg-Modell für den Modellbereich Brandenburg
Tabelle B4-6:
Verwendete Geodaten im Wasserhaushaltsmodell Sachsen
Tabelle B4-7:
Verfügbare Datengrundlagen für die bergbaugeprägten Gebiete
Tabelle B5-1:
Bewertungsmatrix für die Evaluierung der GW-Modellierungssoftware nach Umset-
zung/Bedienbarkeit
Tabelle C3-1:
Zusammenstellung der Modellschichten des Testgebietes - geologisches Modell sowie resul-
tierendes hydrogeologisches 3D-Strukturmodell mit Zuordnung der kf-Werte
Tabelle C3-2:
Fließgewässersegmente und deren Definition
Tabelle C6-1:
Fokussierte Bewertungsmatrix für die zukünftige Evaluierung der GW-Modellierungs-
software nach der durchgeführten Testmodellierung
Tabelle D7-1:
Aufwands- und Kostenkalkulation für den Aufbau eines GRM Lausitz (Nettokosten)
aktua-
lisiert nach Testmodellierung
Tabelle D7-2:
Abgeschätzte und bilanzierte Nettokosten für verschiedene Aktualisierungsaufgaben im
nachfolgenden Betrieb des GRM Lausitz

image
image
image
- 0 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS -
Seite | 11
VITA-MIN
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS
AP
Arbeitspaket (zur Realisierung der Aufgabenstellung)
AS
Arbeitsschritt (zur Realisierung der Aufgabenstellung)
ArcEGMO
öko-hydrologisches Modellierungssystem zur räumlich-zeitlichen Simulation des Gebiets-
wasserhaushaltes und des Abflussregimes
BWHM
Bodenwasserhaushaltsmodell
BGR
Bundesanstalt für Geologie und Rohstoffe, Hannover
FEFLOW
Simulationsprogramm zur Berechnung von Grundwasserströmungen und den Transport
von löslichen Stoffen
HA
Hauptaspekt (bei der Themenbearbeitung)
GK200
Geologische Karte im Maßstab 1.200.000
GRM(L)
Großraummodell(Lausitz)
GW
Grundwasser
GWN
Grundwasserneubildung
GWM
Grundwassermodell
GWL
Grundwasserleiter
LBGR
Landesamt für Bergbau, Geologie und Rohstoffe Brandenburg, Cottbus
LEAG
Lausitz Energie Bergbau AG, Cottbus
LfU
Landesamt für Umwelt Brandenburg, Potsdam
LfULG
Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie, Dresden
LKQ50
Lithofazieskarten Quartär im Maßstab 1:50.000
LKT50
Lithofazieskarten Tertiär im Maßstab 1:50.000
LKT200
Lithofazieskarten Tertiär im Maßstab 1:200.000
LMBV
Lausitzer und Mitteldeutsche Bergbau-Verwaltungsgesellschaft mbH, Senftenberg
2. MFK
2. Miozäner Flözkomplex (2. Lausitzer Flözhorizont, 2. Lausitzer Flöz)
MGWL
Modellgrundwasserleiter
MODFLOW
Simulationsprogramm zur Berechnung von Grundwasserströmungen und den Transport
von löslichen Stoffen
PCGEOFIM
Simulationsprogramm zur Berechnung von Grundwasserströmungen und den Transport
von löslichen Stoffen
PSCN
Modul von ArcEGMO
RB
Randbedingung(en)(für die Modellierung)
Tgb.
(Braunkohlen-)Tagebau
Vattenfall
Vattenfall Europe Mining AG, Cottbus

image
image
image
image
- A EINFÜHRUNG - GRUNDLEGENDE VORBEMERKUNGEN -
Seite | 12
VITA-MIN
A
EINFÜHRUNG - GRUNDLEGENDE VORBEMERKUNGEN
A1
AUFGABEN- UND ZIELSTELLUNG
Die
Aufgabenstellung
des Auftraggebers Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geo-
logie (LfULG) Sachsen vom 20.10.2017 zum Projekt der Konzepterstellung für ein Groß-
raummodell des Niederlausitzer Braunkohlenreviers (GRML) fasst die generelle Zielrichtung
wie folgt zusammen:
„…Im Rahmen von Planfeststellungs- und Genehmigungsverfahren ist die großräumige und
langzeitige Entwicklung des Bergbaueinflusses zu berücksichtigen und Maßnahmen zur Ver-
besserung der Gewässergüte darzustellen und zu beachten. Grundwassermodelle zu Was-
serstand/Wassermengen sowie Stofffrachten sind dabei wesentliche Basis und dienen ent-
scheidend der Plausibilisierung von fachlichen Aussagen.“
Mit dem stetig fortschreitenden Grundwasserwiederanstieg im Niederlausitzer Braunkohle-
revier (Abb. A1-1) wurde in den letzten Jahrzehnten immer deutlicher, dass eine Betrach-
tung nur einzelner Tagebaue bzw. Teilbereiche des Reviers ohne einheitlichen bzw. ver-
gleichbaren geohydraulischen Bezug auf Strömungs- und vor allem Transportprozesse nur
ungenügend die Wechselwirkungen zu anderen Revierteilbereichen berücksichtigen können.
Abbildung A1-1: Überblick zum Niederlausitzer Braunkohlenrevier (aus PFLUG et al. 1998,
ergänzt)

image
image
image
- A EINFÜHRUNG - GRUNDLEGENDE VORBEMERKUNGEN -
Seite | 13
VITA-MIN
Vor allem für die großräumige Betrachtung des Stofftransportes der aus dem bergbaulichen
Einfluss resultierenden Stoffkomponenten (Sulfat, Eisen), aber auch für hydraulisch, was-
serhaushaltliche Betrachtungen für das Gesamtrevier, ist ein revierweites Großraummodell
notwendig.
Mit der Studie von EULITZ & KALTOFEN (2015) erfolgte eine Überprüfung der generellen Mach-
barkeit eines GRM Lausitz. Es wurden die existierenden 11 Regionalmodelle von LMBV und
LEAG (damals noch Vattenfall) auf ihre Verwendbarkeit für die oben benannte Hauptzielstel-
lung bewertet. Die Studie stellt fest, dass diese Regionalmodelle eine sehr unterschiedliche,
vertikale hydrogeologische Untergliederung und damit Detailliertheit besitzen. Generell ka-
men EULITZ & KALTOFEN (2015) zum Schluss, dass die Zusammenführung dieser Regionalmo-
delle nicht geeignet ist, großräumige, detaillierte Aussagen zur hydraulischen Entwicklung,
aber damit vor allem auch zu Prognosen der langfristigen Stofftransport-Entwicklung zu lie-
fern. Es wurde diesbezüglich die Notwendigkeit und prinzipielle Machbarkeit eines GRM Lau-
sitz herausgestellt. Aus Sicht der Autoren des vorliegenden Berichts gilt das auch heute
noch, obwohl durch die LMBV einzelne Regionalmodelle seit 2015 verfeinert und auch heute
noch unterschiedlich detailliert qualifizieren werden.
Der hier vorliegende Abschlussbericht zum Konzept des Aufbaus eines solchen GRM für das
Niederlausitzer Braunkohlerevier liefert das methodische Vorgehen und die Bewertung der
datenseitigen Grundlagen für die detaillierte Untersetzung eines solchen GRM-Aufbaus inkl.
einer Abschätzung der dafür notwendigen Aufbau- und Betriebskosten.
Folgende generelle Arbeitspunkte waren in der LfULG-Aufgabenstellung zu dieser Studie
benannt, die in der Konzepterstellung zu berücksichtigen sind:
Aussagen zur Abgrenzung des Modellgebietes,
Benennung der Datenanforderungen und Recherche zum verfügbaren Datenbestand,
Vorgehen zum Aufbau des hydrogeologischen 3D-Strukturmodells als die wesentliche
Basis des GRM Lausitz,
Vorgehen zur Diskretisierung und Festlegung (einheitlicher) Randbedingungen,
Detaillierte Abbildung der oberen Randbedingung des Strömungs- und Transportmodells
mit Hilfe eines Bodenwasserhaushaltsmodells sowie Aussagen zur dessen Ankopplung,
Vergleich/Test der benannten Simulationsprogramme zur GRM-Modellierung in einem
Pilotgebiet,
Aussagen zur generellen Modellierung des Stofftransportes im Grundwasser und damit
verbundene Auswirkungen auf die Fließgewässer,
Vorgehen zur Kalibrierung/Validierung des Strömungsmodells sowie des Bodenwasser-
haushaltsmodells,
Erstellung einer Kostenschätzung und eines Betriebskonzeptes für das GRM Lausitz.
Die Themenbearbeitung erfolgte mit Werkvertrag des LfULG vom 28.03.2017 im Zeitraum
05/2018 bis 05/2019 durch ein Bearbeitungsteam unter Federführung der Firma
GEO
mon-
tan
GmbH Freiberg in Arbeitsgemeinschaft mit GFI
Grundwasser-Consulting-Institut GmbH
Dresden
und IBGW
Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH Leipzig
unter maßgeblicher Ein-
beziehung der TU Bergakademie Freiberg
Institut für Bergbau & Spezialtiefbau
sowie unter
Mitwirkung von BAH
Büro für Angewandte Hydrologie Berlin
.

image
image
image
- A EINFÜHRUNG - GRUNDLEGENDE VORBEMERKUNGEN -
Seite | 14
VITA-MIN
Das Projekt Großraummodell (GRM) Lausitz verfolgt die
Zielstellung
:
Revierweite Güteprognosen für bergbautypische Wasserinhaltsstoffe, auf Basis eines
vereinheitlichten, aktuellen 3D hydrogeologischen Strukturmodells und damit der
großräumigen Grundwasserströmungsverhältnisse auszuweisen. Hierbei wird die
Kopplung zu den maßgeblich betroffenen Oberflächengewässern mit berücksichtigt.
Hydraulische Randbedingungen für die weiter bestehenden Regionalmodelle und für
künftige Lupenbetrachtungen, auf fachlich einheitlicher Grundlage auszuweisen und
bereitzustellen.
Wasserbilanzen, auch bezüglich potentieller Trocken- und Feuchtperioden inkl. mög-
licher klimatischer Veränderungen, zu ermitteln.
Somit die Sinnfälligkeit, Verhältnismäßigkeit und Nachhaltigkeit von kurz-, mittel-
und langfristigen Maßnahmen hinsichtlich ihrer großräumigen Wirkung auszuweisen
und zu bewerten.
Damit modellgestützte Aussagen für die Ableitung und Begründung von Zielen und
Abweichungen für Grundwasser- und Oberflächenwasserkörper gemäß der EU-WRRL
abzuleiten.
Mit dem vorliegenden Abschlussbericht werden die notwendigen Schritte zum Aufbau eines
GRM Lausitz konzipiert, die dafür notwendige Datenverfügbarkeit geprüft und bewertet so-
wie der sich daraus ergebende Arbeits- und Kostenaufwand abgeschätzt.
A2
METHODISCHES VORGEHEN/ AUFBAU ABSCHLUSSBERICHT
Für das Projekt sehr zielführend, initiiert durch den Auftraggeber, wurden die wesentlichen
Behörden/Institutionen/Firmen mit Bezug zum montanen Modellgebiet in die Bearbeitung
einbezogen. Es erfolgten diesbezüglich detaillierte Datenabfragen und umfangreiche fachli-
che Diskussionen zum Datenbestand eben nicht nur mit dem Auftraggeber LfULG Sachsen
selbst, sondern vor allem auch mit den zuständigen Landesämtern von Brandenburg (LBGR,
LfU) und den beiden Bergbaubetreibenden LMBV (Sanierungsbergbau) und LEAG (aktiver
Braunkohlenbergbau).
Generell muss bewusst bleiben, dass es in einem solchen Konzeptprojekt für ein GRM Lau-
sitz nicht darum gehen kann, alle verschiedenen Datenpools (und -arten) im Detail für die
gesamten Datenumfänge auszuwerten. Vielmehr kann es nur Ziel sein, einen generalisierten
Blick auf diese verschiedenen Daten zu erhalten. Dies heißt, dass Aussagen zu ihrer prinzi-
piellen Verwendbarkeit, zur Reihenfolge der Anwendung und vor allem auch zum Niveau der
notwendigen Erfassungs- und Aufbereitungsarbeiten, für eine Verwendung beim zukünftigen
Aufbau eines GRM Lausitz, abzuleiten waren.
Inhaltlich sei zum Abschlussbericht und der Dokumentation des methodischen Vorgehens
bei der Studienerstellung darauf verwiesen, dass nach dem einführenden Kap. A (Aufgaben-
und Zielstellung), im Hauptkapitel B zunächst in den Teilkapiteln B1 bis B3 die notwendigen
Grundlagen (Abgrenzung/Diskretisierung Modellgebiet - B1; hydrogeologische Untergliede-
rung - B2; Vorgehen Wassermengen-/Wassergütemodellierung - B3) behandelt wurden.
Danach erfolgt in Kap. B4 die detaillierte Benennung von Datenanforderungen mit den Er-
gebnissen zur Datenverfügbarkeit für die einzelnen, bereits oben benannten Datenarten. Im

image
image
image
- A EINFÜHRUNG - GRUNDLEGENDE VORBEMERKUNGEN -
Seite | 15
VITA-MIN
Teilkapitel B5 wird auf die aufgabenspezifische Charakteristik der in Erwägung gezogenen
Simulations-Software-Produkte (MODFLOW, FEFLOW, PCGEOFIM) eingegangen.
Im Kap. C wird zunächst die Auswahl eines Teilgebietes zur Testmodellierung erläutert. Die-
se Testmodellierung erfolgt, um die erarbeitete Methodik zum Aufbau eines GRM Lausitz in
einem Gebiet, das weitgehend alle für das GRML-Modellgebiet zu erwartenden geologischen,
hydrogeologischen und bergbaulichen Rahmenbedingungen enthält zu testen. Die wesentli-
chen Ergebnisse und Aussagen der Testmodellierung selbst („halbsynthetisches Modell“)
werden nachfolgend dargelegt. Es werden diesbezüglich Schlussfolgerungen für die Anpas-
sung der Methodik mit Blick auf die Notwendigkeiten hinsichtlich des überregionalen Auf-
baus des GRM Lausitz abgeleitet.
Kap. D liefert abschließend eine detaillierte Auflistung aller Rahmenbedingungen und not-
wendiger Arbeitsschritte, auf deren Basis der mögliche Aufbau und Betrieb eines GRM Lau-
sitz in der Zukunft beruhen müsste (D1-D5). Im Kap. D6 werden Varianten von Betreiber-
modellen unter Beachtung der Zielstellung eines GRM Lausitz beschrieben und diskutiert. Im
Kap. D7 erfolgt eine Abschätzung der Kosten für einen möglichen Aufbau und Betrieb des
GRM Lausitz.
Letztendlich erfolgt in Kap. E eine generelle Kurzzusammenfassung und es wird ein Fazit
aller wichtigen Aspekte für die Erstellung und den Betrieb eines GRM Lausitz gezogen.

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 16
VITA-MIN
B
KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ
In Abstimmung mit dem Auftraggeber / Projektbeirat wird von der in der LfULG-Leistungs-
beschreibung vorgegeben Bearbeitungsreihenfolge der Arbeitspakete AP 1 – 10 hier in der
Berichtsdarstellung abgewichen. Es wird die bei einem potentiellen Aufbau eines GRM Lau-
sitz notwendige Bearbeitungsreihenfolge für die Kapiteluntergliederung genutzt: Kap. B1
steht vor allem in Bezug zu AP2/ AP4 (Abgrenzung Modellgebiet/Randbedingungen); Kap.
B2 zu AP5 (hydrogeologisches 3D-Strukturmodell); Kap. B3 zu AP6 bis AP9 (obere RB
(BWHM)-Ankopplung an 3D-Strömungsmodell und Stofftransportmodellierung); Kap. B4 zu
den Datenanforderungen und -verfügbarkeiten (AP3); Kap. B5 zu AP1 (Vergleich Modellie-
rungssoftware); Kap. C1 zu AP10 (Auswahl des Pilotgebietes für die Testmodellierung).
B1
ABGRENZUNG MODELLGEBIET: ÄUßERE/INNERE RANDBEDINGUNGEN
UND DISKRETISIERUNG
B1.1
BERANDUNG GRM LAUSITZ - ÄUßERE RANDBEDINGUNGEN
B1.1.1 GRUNDAUSSAGEN ZUM ÄUßEREN RAND GRM LAUSITZ
Abb. B1-1 weist eine geologisch-bergbauliche Übersicht zum Niederlausitzer Braunkohlenre-
vier aus.
Abbildung B1-1: Verbreitung des 2. Miozänen Flözkomplexes, die Lage von aktiven und
Sanierungstagebauen sowie das System der glazigenen Erosionsrinnen
im Niederlausitzer Braunkohlerevier (aus NOWEL et al. 1994)

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 17
VITA-MIN
Dargestellt ist die Verbreitung des wirtschaftlichen Hauptbauhorizontes (2. MFK: 2. Mio-
zäner Flözkomplex) sowie die Lage von aktiven Gewinnungstagebauen der LEAG und von
Sanierungstagebauen der LMBV. Außerdem ist das System der glazigenen Erosionsrinnen,
die die Kohlenfelder definieren/ begrenzen und für die hydrogeologische Modellierung von
wesentlicher Bedeutung sind, angegeben.
Die zusammenfassende Umrandungslinie der derzeit betriebenen GW-Regionalmodelle re-
sultiert aus dem bergbaubeeinflussten Gebiet und fällt zu einem großen Teil mit der Flöz-
verbreitung des 2. MFK zusammen. Diese Ausdehnung ist natürlich auch für ein aufzubau-
endes Großraummodell von wesentlicher Bedeutung; dabei sind jedoch auch weitere Aspek-
te zu berücksichtigen. Die nachfolgenden Aussagen zum Modellrand beziehen sich auf den
Grundwasserteil. Aussagen zum Bodenwasserhaushaltsmodell finden sich im Kap. B4.7.
In Bezug auf die Festlegung des äußeren Modellrandes lassen sich zunächst die folgenden
vier Hauptaussagen A-D treffen:
A) Zuerst ist das Aussagegebiet zu definieren, in dem Aussagen zur letztendlichen
Transportbetrachtung – und damit auch zur Grundwasserströmung - getroffen werden
sollen.
B) Das Modellgebiet muss somit bezüglich seiner Ränder soweit nach außen gelegt wer-
den, dass durch Geschehen im Aussagegebiet diese Ränder, also die zu wählenden
Randbedingungen (RB), nicht (wesentlich) hydraulisch beeinflusst werden. Dies ist für
verschiedene, eventuell zu betrachtende Modellvarianten sicherzustellen.
C) Es ist die „harte“, belastbare Definition dieser Ränder zu bevorzugen. Darunter ist
z. B. zu verstehen, dass eine Randdefinition besser auf RB 1. Art (Festpotentiale - zeit-
variant), basierend auf real gemessenen Grundwasserständen (Messstellen) beruhen
sollte, als auf festgelegten, geschlossenen Rändern (mit Q=0), die auf z. B. aus älteren
Kartenwerken abgeleiteten Randstromlinien basieren.
D) In Bezug auf eventuell komplizierte „Sondergebiete“ am potentiellen Modellrand ist
eine Abwägung durchzuführen, wie bedeutend diese Modellgebiete und somit Modell-
aussagen in diesen Bereichen im Gesamtkontext sind. Es ist abzuklären, welche Mög-
lichkeiten eines sequentiellen Modellaufbaus gegeben sind und ob somit diese Gebiete,
erst später bei Bedarf, in die Modellierung mit einbezogen werden können.
Bezüglich dieser getroffenen Aussagen A) – D) ist weiterhin festzuhalten, dass die für GW-
Modelle typische Wahl von großen Oberflächengewässern (vor allem Flüsse) als äußere
Randbedingung die Aussagefähigkeit in Bezug auf die Wasser- und Stoffbilanz für eben die-
se Oberflächengewässer stark einschränken.
Die nachfolgende Abb. B1-2 weist den Blick auf die Lage der bestehenden GW-
Regionalmodelle (in Verantwortlichkeit von LMBV und LEAG) aus. In dieser Graphik ist eine
formale Flächenumrandung aller derzeit betriebenen Regionalmodelle (rote Linie) eingetra-
gen, die zur besseren räumlichen Orientierung in den nachfolgenden Übersichtkarten über-
nommen wurde.
Die in EULITZ & KALTOFEN (2015) dargestellten Modellgrundlagen für die 11 bestehenden Re-
gionalmodelle werden weiterführend in Kap. B2.3 charakterisiert und in Bezug auf ihre hyd-
rogeologische Untergliederung und somit auch Passfähigkeit diskutiert.

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 18
VITA-MIN
Abbildung B1-2: Lage der Regionalmodelle nach LMBV und Vattenfall/LEAG (aus EULITZ &
KALTOFEN 2015), ergänzt durch eine Flächenumrandungslinie aller Regio-
nalmodelle (rot)
An dieser Stelle soll auf einige Besonderheiten hinsichtlich der gewählten Lage der Ränder
und der Randbedingungsbelegung der bestehenden Regionalmodelle eingegangen werden.
So wird für den südlichen Rand deutlich, dass dieser - West-Ost verlaufend - mit der Festle-
gung einer Randbedingung 2. Art mit Q=0 (geschlossener Rand ohne Zu- und Abfluss) ge-
wählt worden ist. Es ergibt sich daraus, diesen Sachverhalt in Bezug auf dessen Sinnhaf-
tigkeit für die vorliegende Bearbeitung näher zu überprüfen.
Bezüglich der oben getroffenen Aussage zu den Vorflutern als Randbedingung sind folgende
konkrete Dinge festzuhalten:
Die Randbedingung „Neiße“ am östlichen Rand ist verständlich und durch die Funktion
als Staatsgrenze zu Polen vorgegeben. Dies bedeutet aber auch, dass bei Wahl als
Randbedingung keine volle Bilanzfähigkeit für diesen Fluss gegeben ist. Gleiches ist der
Fall, wenn die Schwarze Elster im südwestlichen Bereich als äußere Randbedingung ge-
wählt wird. Die Sinnhaftigkeit dieses Vorgehens ist, abwägend, weiter zu diskutieren.
Als Sondergebiete am potentiellen Rand eines GRM treten vor allem zwei Gebiete in den
Blick. Dies ist zum einen, der Bereich des Oberspreewaldes, mit dem südlich davon ge-
legenen tiefen quartären Ausräumungsbereich (Burgk-Peitzer Hauptrinne, vgl. Kap.
B1.1.2), zum anderen der Bereich des Muskauer Faltenbogens.

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 19
VITA-MIN
Für beide benannten Sondergebiete ist zu sagen, dass sie als sehr komplizierte hydrolo-
gische bzw. hydrogeologische Teilgebiete zu verstehen sind. Ihre Einbeziehung in das
Modellgebiet würde somit für einen deutlich überproportionalen Mehraufwand in Bezug
auf den Modellaufbau und vor allem die Modellkalibrierung (vermutlich auch beim Mo-
dellbetrieb) sorgen. Zur genaueren Analyse, zu diesen Sondergebieten und wie mit die-
sen verfahren werden sollte, sei auf das nachfolgende Kap. B1.1.2 verwiesen.
An dieser Stelle soll jetzt weiter der Aspekt der im Süden, im Zusammenspiel der Regional-
modelle ersichtliche Südgrenze (als geschlossener Rand, Q= 0) näher betrachtet werden.
Dazu ist in Abb. B1-3 die Tertiärverbreitung, im Vergleich zum Rand der Gesamtheit der
Regionalmodelle dargestellt.
Abbildung B1-3: Tertiärverbreitung, bergbaulich bedingter Grundwasserabsenkungstrich-
ter und Zusammenschau der bestehenden Regionalmodelle
Es wird deutlich dass die Grenze der Regionalmodell-Umrandung oft der Tertiärverbreitung
nach Süden sehr nahe kommt. Die gewählten Grenzen der Regionalmodelle entsprechen in
etwa der Absenkungsgrenze gegenüber dem vorbergbaulichen Zustand von ca. 1-2 m.
Es ist jedoch besser, den zu wählenden Südrand durch einen Polygonzug konkreter Wasser-
stands-Messstellen und ihrer Daten klar zu definieren. Dies vor allem auch vor dem Hinter-
grund klimatischer Veränderungen und zum Teil deutlich schwankender (sinkender) überre-
gionaler Grundwasserstände. Somit ist unserem Verständnis nach festzuhalten, dass nicht
generell die Randlinien bergbaulicher Beeinflussung (Grundwasser-Absenkungsgeschehen)
oder die Tertiärverbreitung als Grenze herangezogen werden sollte.

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 20
VITA-MIN
Abbildung B1-4: Schematischer Schnitt zur Verdeutlichung des nach Süden auskeilenden
Tertiärs mit prinzipiellem Hinweis auf die hydrogeologisch wichtigen
quartären Erosionsrinnen, die teilweise bis auf die Prätertiär-Oberfläche
hinunter reichen
Abb. B1-4 verdeutlicht weiterhin, als prinzipieller Schnitt, das Ausstreichen des Tertiär-
schichtenpaketes nach Süden. Dabei wird der Übergang südlich der Tertiärgrenze angedeu-
tet, bei dem dann nur noch quartäre Schichten auf dem prätertiären Festgesteinskörper
(mit Verwitterungsdecke) aufliegen.
B1.1.2 SONDERBEREICHE AM RAND UND DEREN HANDHABUNG
Wie bereits in Kap. B1.1.1 diskutiert, liegen am Rand (aber auch innerhalb) des zu betrach-
tenden Modellgebietes Bereiche, die infolge glazigener Prozesse komplizierte geologische
Lagerungsverhältnisse aufweisen (vgl. Abb. B1-5):
a) Sonderbereich
Muskauer Faltenbogen:
Glazitektonisch während des Elster-Glazials angelegte und Saale-kaltzeitlich über-
prägte, hufeisenförmige Stauchendmoräne auf sächsischem, brandenburgischem
und polnischem Territorium (KUPETZ & KUPETZ 2009; KÜHNER 2017).
Aufschuppung der tertiären Schichtenfolge bis einschließlich der Liegendsedimente
des 2. Miozänen Flözkomplexes in mehreren Faltensträngen führte zu komplizier-
ten hydrogeologischen Lagerungsverhältnissen.

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 21
VITA-MIN
b)
Sonderbereich
(Ober)Spreewald:
Abschnitt der bis 200 Meter tief eingeschnittenen, glazigenen Burg-Peitzer Haupt-
rinne im Bereich des heutigen (Ober)Spreewaldes (Teil des Baruther Urstromtals)
mit vollständiger Erosion der tertiären Schichtenfolge.
Die Rinne ist teilweise mit bindigen Sedimenten plombiert; es bestehen jedoch
teilweise auch hydraulische Verbindungen zwischen den permeablen Bereichen der
quartären Rinnenfüllung und den angeschnittenen tertiären Grundwasserleitern.
Die beiden benannten Sonderbereiche sollen, durch Wahl der generellen äußeren Randbe-
dingungen einbezogen werden, jedoch durch weitere innere Randbedingungen zunächst
abgegrenzt werden. Dieses Vorgehen ermöglicht, eine zukünftige potentielle Einbeziehung
der Sonderbereiche in die Modellierung vorzunehmen. Zunächst werden jedoch diese beiden
Bereiche „inaktiv“ gesetzt und die Modellierung erfolgt nur bis zu den oben erwähnten,
gleichfalls noch festzulegenden inneren Randbedingungen.
Abbildung B1-5: Lage von Sonderbereichen und sonstiger geologischer Strukturen, die im
GRM Lausitz zu berücksichtigen sind
Innerhalb des bergbaubeeinflussten Niederlausitzer Braunkohlenrevieres existieren weiter-
hin einige glazitektonisch gestörte Bereiche (Abb. B1-5). Diese müssen modelltechnisch im
hydrogeologischen Strukturmodell berücksichtigt werden. Detaillierte geologische Aussagen
zu diesen Gebieten finden sich in KUPETZ et al. (1989) und KÜHNER (2017).
Diese Bereiche müssen zuerst geologisch-hydrogeologisch geprüft werden, inwiefern hyd-
raulische Beziehungen der gestörten Bereiche zu den liegenden tertiären Grundwasserlei-
tern bestehen. Im Ergebnis muss entschieden werden, ob diese Bereiche als „Störbereiche“
geologisch ausgehalten und hydrogeologisch entsprechend parametrisiert werden (vgl. Kap.
C3.2).

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 22
VITA-MIN
Weiterhin befinden sich im potentiellen Modellgebiet postoligozäne tektonische Gräben, in
denen die Grundwasserleiter/-stauer teilweise mit hohen Beträgen gegenüber der normalen
Höhe versetzt sind. In solchen Fällen ist ebenfalls zu prüfen, in welchem Maß dies im Struk-
turmodell mit einer entsprechenden Parametrisierung erfasst werden kann (vgl. Kap. C3).
B1.1.3 MÖGLICHE ABGRENZUNG VON TEILMODELLEN
Auf Grund der komplexen geo- und hydrogeologischen Verhältnisse und der unterschiedli-
chen Datendichte (vgl. auch Kap. B4) im Bereich des geplanten GRM Lausitz war auch zu
prüfen, ob eine Teilung des Gesamtgebietes in zwei oder mehrere Teilmodelle zielführend
sei. Nach intensiver Diskussion und Bewertung der Datenlage ergibt sich, dass eine Zerle-
gung in zwei Teilmodelle nur durch Trennung im Bereich des Baruther Urstromtals denkbar
ist (vgl. Abb. B1-6). Dies würde zu einem „kleinen Teilmodell“ im Nordosten (Bereich Jäns-
chwalde/ Cottbus) und einem großen „Hauptteilmodell“ aller anderen Bereiche führen.
Insgesamt ist die Teilung in zwei Teilmodelle allerdings nicht zielführend, da dann wiederum
die Frage der Interaktion beider Modelle zueinander steht (Abgleich Randbedingungen etc.).
Es ginge also wieder um Fragen zu Aussagen für den Grenzbereich beider Modelle. Einziger
Vorteil der sich abzeichnen würde, dass das kleinere „Nordost-Teilmodell“ eventuell eher
aus den bestehenden Regionalmodellen ableitbar wäre.
Generell steht eine Modellteilung der Grundidee entgegen, für den Gesamtbetrachtungs-
raum Aussagen zum Stofftransport zu erhalten. Es müsste großer Aufwand in den Abgleich
der Schnittstellen gelegt werden. Eine solche Modellteilung eines GRM Lausitz wird generell
nicht als zielführend erachtet.
Abbildung B1-6: Verteilung der Datenbestände zu vorhandenen Bohrungen bei LfULG und
LEAG, mit Lage eines möglichen Trennkorridors für das GRML

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 23
VITA-MIN
B1.2
VERTIKALE BERANDUNG GRM LAUSITZ
Mit dem im Projektteam vorhandenen Vorwissen war klar, dass die tertiären Grundwasser-
leiter bis zum GWL 6 auf Grund der großen Anzahl an Erkundungsbohrungen, die in den
verschiedenen Erkundungsetappen bis in dieses Niveau abgeteuft wurden, gut aushaltbar
sind.
Die erste Sichtweise, an der Liegendgrenze des GWL 6 das GRM Lausitz vertikal zu beran-
den, wird noch gestützt durch die Annahme, dass in den darunter liegenden Tertiäreinheiten
nahezu keine Untersuchungen zu den hydraulischen Parametern dieser Einheiten erfolgten.
Die hier im Projekt durchgeführten Recherchen bestätigten genau diese Sichtweise und die-
se beiden Aussagen. Für die GWL 7 bis 9 liegen wesentlich weniger Aufschlüsse vor, aber
vor allem nahezu keine hydrogeologischen Parametrisierungen.
Die Recherchen ergaben jedoch auch, dass zum Teil diese tieferen tertiären Grundwasserlei-
ter in Regionalmodellen mit enthalten sind (z. B. LEAG – Raum Nochten/ Reichwalde), da
sie zum Verständnis einiger hydraulischer Phänomene wichtig sind. Bewusst bleiben muss
dabei aber auch, selbst wenn diese GWL 7 bis 9 deutlich unter dem Bereich des abgebauten
2. Miozänen Flözkomplexes liegen, dass sie gerade auch über tief eingeschnittene quartäre
Rinnen für die hydraulische Kommunikation relevant sein können.
Abbildung B1-7: Generalisierte Verbreitungslinien (Ausstreichen nach Süden) der tertiä-
ren GWL 5 bis 9 (nach LKT50 1987, 2016)
Zur Kontrolle dieser These wurden aus den im Bearbeitungsteam vorhandenen Informatio-
nen Verbreitungslinien für diese GWL abgeleitet, um deren flächenhafte Bedeutung für das
Niederlausitzer Revier einschätzen zu können. Abb. B1-7 weist diese GWL-Verbreitungs-
linien aus: Für GWL 5 und 6 wird deutlich, dass diese de facto mehr oder weniger die südli-
che Tertiärverbreitung mit markieren. Jedoch auch die GWL 7 und 8 sind weit nach Süden

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 24
VITA-MIN
verbreitet. Lediglich der GWL 9 ist nur im nördlichen Teil des Untersuchungsgebiets von Re-
levanz.
In Anbetracht des Widerstreits zwischen „guter Datenlage“ bis zur Liegendgrenze des
GWL 6, aber eventueller hydraulischer Bedeutung der darunter liegenden tertiären GWL 7
bis 9 (zumindest lokal) muss folgendes Vorgehen zur vertikalen Berandung favorisiert wer-
den:
Es wird die, wenn auch mit weniger Bohrungen, klar dokumentierte Prätertiärober-
kante als Modellunterkante gewählt.
Somit ist der Bereich der liegenden GWL 7 bis 9 im Modell enthalten.
Die Berücksichtigung dieser Einheiten erfolgt jedoch so, dass sie schematisiert einbe-
zogen werden: Entweder mit einer oder zwei Modellschichten, um in Modell-
Teilbereichen hydraulische Phänomene erklären zu können. Aufgrund der zu erwar-
tenden sehr geringen Datendichte zur hydraulischen Parametrisierung ist diese
schematische Einbeziehung gerechtfertigt.
Diese tiefer liegenden Schichten der GWL 7 bis 9 dienen somit als „numerisch-
hydraulisches Puffersystem, das im Modell zumeist nur hydraulisch wirksam wird,
wenn es über eine Störung bzw. ein Rinnensystem zur Kopplung mit darüber liegen-
den Grundwasserleitern kommt“.
Als untere vertikale Berandung des GRM Lausitz soll also die Prätertiärfläche dienen. Der
stratigraphische Bereich mit sehr guter Kenntnis zu den geologischen Lagerungsverhältnis-
sen und den hydrogeologisch-geochemischen Eigenschaften der Schichten, d. h. vom Quar-
tär bis zum tertiären GWL 6, ist komplett zu modellieren.
B1.3
INNERE RANDBEDINGUNGEN GRM LAUSITZ
Innere Randbedingungen sind solche, die unabhängig vom äußeren Modellrand die Grund-
wasserdynamik oder -beschaffenheit durch Potentiale (Wasserstand, Konzentration) oder
Ströme (Durchfluss/Massenstrom) im Innenbereich des Modells beeinflussen.
Wesentliche innere Randbedingungen sind:
Vorfluter,
Standgewässer, speziell wenn sie wasserstandsgesteuert sind (Überläufe),
Wasserentnahmen/-einleitungen,
Versickerungen an der Geländeoberkante,
Stoffquellen oder –senken,
Technologische Randbedingungen des Bergbaus (Brunnen, Drainagen, Dichtwände, Sa-
nierungselemente usw.).
Innere Randbedingungen müssen räumlich und zeitlich hinreichend genau bekannt sein und
mathematisch definiert werden können.
Dies bedingt speziell bei den Gewässern sowohl eine markscheiderische Einmessung, eine
geotechnische Anschlussvermessung zur Ermittlung der Kopplung zwischen Grund- und
Oberflächenwasser sowie aus dem Monitoring (Wasserstand, Wassermenge, Wasserqualität)
ableitbare zeitabhängige Randwerte.
In Bergbaugebieten sind in der Regel auch Veränderungen der Randbedingungen im Zuge
des Bergbaufortschritts (Feld- und Randriegel, Dichtwände u. a. m.) und besonders wäh-

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 25
VITA-MIN
rend und nach der Sanierung zu erwarten. Hierfür sind epignostisch (Kalibrierungsphase)
hinreichend genaue Unterlagen auszuwerten, modelltechnisch umzusetzen sowie speziell für
die Prognose belastbare Annahmen zwischen den fachlich Beteiligten abzustimmen und
durch den Modellierer mathematisch zu definieren.
Die bestehenden Regionalmodelle in der Lausitz (vgl. Kap. B2.3) werden langjährig aktiv
betrieben und durch Fortschreibung ständig gemäß den Anforderungen des jeweiligen Be-
treibers aktuell gehalten. Es ist davon auszugehen, dass die inneren Randbedingungen, vor
allem die bergbautechnologischen, den aktuellen Stand repräsentieren. Die Randbedingun-
gen sind gemäß dem derzeit verwendeten mathematischen Modell codiert. Generell ist die
spätere Überführung in ein GRM Lausitz zu prüfen und zielführend. Insofern wäre auch zu
bewerten, inwieweit deshalb die Verwendung der gleichen GW-Modellierungssoftware einen
Vorteil (Aufwandsersparnis) darstellt. Bei Verwendung eines anderen Simulators muss ent-
weder auf die originären Basisdaten zurückgegriffen werden oder eine programmtechnische
Überführung durch eine noch zu entwickelnde Softwarelösung umgesetzt werden.
B1.4
DISKRETISIERUNG GRM LAUSITZ
(1) Horizontale Modelldiskretisierung
Die horizontale Diskretisierung der Grundraster der in der Lausitz eingesetzten Grundwas-
ser-Strömungsmodelle reicht von 1.000 x 1.000 m (LMBV Modelle LUPLOH und NORD) bis
100 x 100 m (LEAG Modelle Jänschwalde-Nord und Welzow). In den Aussagegebieten der
jeweiligen Modelle wird die Diskretisierung feiner und liegt unterhalb 250 x 250 m.
Vorrangig werden die Lausitzer Regionalmodelle, wenn sie qualifiziert umgebaut worden
sind, horizontal mit Gitterweiten von 100 m bis 125 m aufgelöst. In Detailgebieten werden
noch feinere Gitter, die bei ca. 50 m oder niedriger liegen, benutzt. EULITZ & KALTOFEN
(2015) geben für die Berechnung der Interaktion zwischen Grund- und Oberflächenwasser
in den Regionalmodellen an, dass eine horizontale Modellauflösung von ≤ 125 x 125 m min-
destens vorliegen sollte.
Für das GRM Lausitz wird derzeitig eine horizontale Diskretisierung von ca. 200 x 200 m
empfohlen. Die Festlegung der horizontalen Diskretisierung wird mit dem Ziel der
Stofftransportmodellierung auch von der Verfügbarkeit bohrlochgeologischer, physikalischer
und geochemischer Primärdaten wie k
f
-Werten, Kolmationskoeffizienten, Speicherkoeffizien-
ten sowie Pyrit-, TOC- und Calcit-Konzentrationen abhängen.
(2) Vertikale Modelldiskretisierung
Die Regionalmodelle haben aktuell teilweise nur 2 Modellgrundwasserleiter (z. B. Modelle
LUPLOH und NORD). Andere Modelle (Bereiche Lauchhammer, Hoyerswerda, Cottbus-Nord
oder Jänschwalde-Nord) werden als 3D-Modelle mit 8 bis 20 Modellschichten betrieben.
Nach erster Sichtung der geologischen Daten wird von einer vertikalen Diskretisierung des
GRM Lausitz von ca. 20 Modellschichten (vgl. Kap. B2.4).
(3) Einschätzung der numerischen Umsetzbarkeit
Wird in dem Modellbereich, der je nach Festlegung der äußeren Randbedingungen einen
Modellraum von ca. 110 x 100 km abbildet, ein horizontales Raster von 200 x 200 m bis
500 x 500 m und eine vertikale Auflösung von 18 bis 25 Modellschichten angenommen, so
hat das GW-Strömungsmodell zwischen 1,12 Mio. und ca. 7,0 Mio. Zellen (Tab. B1-1).

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 26
VITA-MIN
Bei der Testmodellierung hat sich die gewählte Diskretisierung von 200 x 200 m unter geo-
logischen und modellrechnerischen Aspekten bewährt. Eine endgültige Entscheidung wird
vom Auftraggeber abhängen und erst nach vollständiger Erarbeitung aller Primärdaten und
der Formulierung des Modellziels möglich sein. Generell kann die Anzahl der ausgewiesenen
Zellen mit allen verfügbaren Softwarelösungen bei relevanten Computereigenschaften bear-
beitet werden.
Tabelle B1-1: Abschätzung der Zellen für den Modellraum GRM Lausitz
Modellgitter
Zellen in X-
Richtung
Zellen in Y-
Richtung
Anzahl Modell-
schichten
Anzahl Zellen
Modellraum
2/3 aktive
Zellen
200 x 200 m
552
504
25
6.955.200
4.636.800
250 x 250 m
442
403
18
3.206.268
2.137.512
500 x 500 m
221
202
25
1.116.050
744.033
B2
GEOLOGISCH-HYDROGEOLOGISCHES 3D-STRUKTURMODELL: VORGEHEN
BEIM AUFBAU DES NUMERISCHEN MODELLS
B2.1
GRUNDLEGENDE AUSSAGEN ZUR HYDROGEOLOGISCHEN GLIEDERUNG
Für den Aufbau eines, das gesamte Niederlausitzer Braunkohlenrevier überstreichendes
GRM, gelten folgende Prämissen hinsichtlich der Anforderungen an das hydrogeologische
Strukturmodell:
Alle im Strukturmodell genutzten geologischen Schichten (Grundwasserleiter, Grund-
wassergeringleiter und -stauer) müssen innerhalb ihres Verbreitungsgebietes über das
gesamte Modellgebiet stratigraphisch korrelierbar sein. Für die schon vorhandenen Re-
gionalmodelle ist dies aufgrund der kleineren Gültigkeitsflächen nicht in dieser Konse-
quenz erforderlich.
Die hydrogeologischen Gliederungen der schon vorhandenen, höher aufgelösten Regio-
nalmodelle sollte sich so gut als möglich in den Einheiten des GRM Lausitz wiederfinden.
Das Strukturmodell muss die vielfältigen hydraulischen Bedingungen im Modellgebiet
widerspiegeln, insbesondere die Verbindungen von quartären Grundwasserleitern in den
glazigenen Rinnenstrukturen mit den tertiären, stratiform weitverbreiteten Grundwas-
serleitern (Abb. B2-1). Ebenfalls gilt es, die überregionale „Aufspaltung“ von Grundwas-
serleitern infolge der Flözgliederung des 2. Miozänen Flözkomplexes (2. MFK) in bis zu
drei Flözbänke/Einzelflöze sowie die faziellen Übergänge von stratigraphisch gleichen
Schichten von grundwasserleitenden zu -stauenden Eigenschaften abzubilden.
Aus der Genese der quartären und tertiären Grundwasserleiter (terrestrisch bis para-
lisch und flachmarin) ergeben sich deutliche Unterschiede hydrogeologischer Eigen-
schaften. Dies gilt weiterhin insbesondere auch hinsichtlich der Geochemie der Substra-
te bzw. der Beschaffenheit resultierender Wässer (vgl. Kap. B2.4).
B2.2
ANMERKUNGEN ZU VERWENDBAREN DATENQUELLEN
Zum Aufbau des hydrogeologisch-stratigraphischen 3D Strukturmodells des GRM Lausitz
stehen mehrere Datenbestände hinsichtlich geologischer, hydrogeologischer und geochemi-
scher Informationen zur Verfügung:
Daten für den sächsischen Modellbereich aus dem LfULG.

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 27
VITA-MIN
Daten für den brandenburgischen Modellbereich aus dem LBGR, des LfU
Daten aus dem Fundus der beiden Bergbaufirmen LMBV (Sanierungsbergbau) und LEAG
(Aktivbergbau).
Die geologischen und hydrogeologisch-geochemischen notwendigen Daten zum Aufbau des
GRML-Strukturmodells werden detailliert in Kap. B4 besprochen. Es wird diesbezüglich dort
auch eingeschätzt, ob die Datenbasis für den Aufbau des Strukturmodells jeweils ausrei-
chend ist und welcher Arbeitsaufwand zum Erreichen konsistenter Datensätze notwendig
sein wird.
B2.3
BEWERTUNG DER HYDROGEOLOGISCHEN UNTERGLIEDERUNG BESTEHENDER
REGIONALMODELLE
Derzeit existieren im Lausitzer Braunkohlenrevier 11 Regionalmodelle, unter Verantwortung
von LMBV und LEAG. Diese überlappen sich teilweise deutlich (vgl. Abb. B1-1) und weisen
eine unterschiedliche vertikale Differenzierung auf. Die differenzierte Charakterisierung der
in den jeweiligen Regionalmodellen verwendeten hydrogeologisch-stratigraphischen Gliede-
rung geht aus Tab. B2-1 hervor.
Tabelle B2-1: Strukturmodelle/Schichteinheiten für die vorhandenen Regionalmodelle
(Darstellung auf der Basis von Aussagen in EULITZ & KALTOFEN 2015)
Darunter sind hydrogeologisch wenig differenzierte Zweischicht- bzw. Dreischichtmodelle
(Tab. B2-1). Stratigraphisch deutlich detaillierter aufgelöst sind die Regionalmodelle im Be-
reich Jänschwalde, Cottbus-Nord, Welzow und Nochten-Reichwalde der LEAG sowie die
LMBV-Modelle von Lauchhammer, Erweitere Restlochkette und Hoyerswerda (vgl. umseitige
Tab. B2-2).
Nach Angaben der LMBV werden derzeit sämtliche Modelle, speziell aber die stratigraphisch
geringer aufgelösten Zwei- bzw. Dreischichtmodelle (SAM Nord, SAM Greifen, SAM LUPLOH
etc.), hydrogeologisch verfeinert und qualifiziert.

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 28
VITA-MIN
Tabelle B2-2: Strukturmodelle/Schichteinheiten für die hoch aufgelösten Regionalmodelle
(Darstellung auf der Basis von Aussagen in EULITZ & KALTOFEN 2015)
In den Tabellen B2-1 und B2-2 sind die in den Regionalmodellen abgebildeten und model-
lierten stratigraphischen Schichteinheiten zusammengestellt. Aus den starken Unterschieden
hinsichtlich der Berücksichtigung der geologisch stratigraphischen Schichteinheiten in den
jeweiligen Regionalmodellen ist klar ersichtlich, dass es nicht möglich ist:
aus den Regionalmodellen ein revierweites Großraummodell zu erstellen und
umgekehrt alle Regionalmodelle als Lupen im Großraummodell zu integrieren.
Es steht außer Frage, dass die Regionalmodelle - besonders wenn sie zukünftig inhaltlich
qualifiziert sind - auch zukünftig für spezifische betriebliche Fragestellungen der Firmen wei-
ter relevant sind.
B2.4
SCHLUSSFOLGERUNGEN ZUR GLIEDERUNG FÜR DEN AUFBAU DES GRM LAUSITZ
Das hydrogeologische Strukturmodell für das GRM Lausitz muss alle für das gesamte Mo-
dellgebiet relevanten tertiären und quartären Grundwasserleiter erfassen sowie den in Kap.
B2.1 dargestellten Prämissen genügen. Dazu gibt Abb. B2-1 einen zusammenfassenden
Überblick.
Die tertiären Grundwasserleiter (vgl. Abb. B2-1) sind i. d. R. mehr oder weniger großflächig
verbreitet. Die Verbreitungsflächen der einzelnen Horizonte sind aus der Braunkohlenerkun-
dung und den daraus abgeleiteten überregionalen Kartenwerken (Lithofazieskarten Tertiär
1:50.000: GEISSLER et al. 1988, ESCHER et al. 2016.) für das gesamte Lausitzer Braunkohlen-
revier bekannt.

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 29
VITA-MIN
Abbildung B2-1: Vorkommen und Lagerungsverhältnisse der Schichten im Niederlausitzer
Braunkohlenrevier auf brandenburgischem und sächsischem Territorium
(links) und die für das GRM Lausitz wesentlichen GW-Leiter/-Stauer so-
wie zu berücksichtigende großräumige Lagerungsverhältnisse (rechts)
Eine detailliertere Aufgliederung in GW-Leiter/-Stauer ist für die revierweite Modellierung
insbesondere im Bereich des aufgespaltenen 2. MFK (Zwischenmittel sowie Einzelflö-
ze/Flözbänke) zu sehen (Abb. B2-1). Diese Situation, wie beispielsweise die Abspaltung des
MFK 2-Unterbegleiters und Einschub des GWL 5 in den Flözkörper, wurde auch bei der
Testmodellierung im Raum Bärwalde (Kap. C3.1) geprüft.
Da als vertikale Berandung die Prätertiäroberfläche genutzt werden sollte und die Schich-
tenfolge speziell bis zum GWL 6 geologisch und hydrogeologisch sehr gut untersucht ist,
bildet das Schichtpaket der Grundwasserleiter 7 bis 9 einen hydraulischen Puffer bis zur
vertikalen Berandung (vgl. Kap. B1.2).
Hingewiesen werden muss an dieser Stelle auch auf teils extreme, grabenartige Schichtver-
sätze der tertiären Schichtenfolge, wie beispielsweise in den LEAG-Kohlenfeldern Welzow
und Nochten (Abb. B1-5), die bei der Strömungs- und Transportmodellierung entsprechend
zu beachten sind (vgl. Kap. B1.1.2).

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 30
VITA-MIN
Die hydrogeologische Gliederung der quartären Schichten sollte zumindest folgende Aspekte
berücksichtigen (Einheiten umfassen):
Eine nahezu über das gesamte Lausitzer Braunkohlenrevier verfolgbare Gliederung der
quartären Schichtenfolge folgt der Untergliederung in elsterglaziale Sedimente (vorwie-
gend Rinnenfüllungen), saalefrühglaziale Ablagerungen (sog. Tranitzer Fluviatil) und in
die spätsaale- und weichselglazialen Sedimente (freundl. Hinweis R. Kühner, LEAG).
Über die regional differenzierte Abgrenzung dieser Schichtpakete durch grundwasser-
stauende Horizonte muss vor dem eigentlichen Aufbau des Großraummodells durch
geologische Detailbetrachtungen entschieden werden. Des Weiteren ist zu diesem Zeit-
punkt auch eine ggf. weitere Aufgliederung des spät- und weichselkaltzeitlichen
Schichtpaketes festzulegen.
Eine hydrogeologisch separate Behandlung erfordern die glazigen/glazitektonisch bean-
spruchten Bereiche innerhalb des Modellgebietes („Sondergebiete“), wie z. B. die Stau-
chendmoräne von Zeissholz (vgl. Abb. B1-5). Dort ist zu prüfen, ob hydraulische Ver-
bindungen zum unterlagernden Tertiär vorhanden sind. Ist das nicht der Fall, sind sie
als Störkörper zu parametrisieren (vgl. Kap. C3.2).
Die glazigenen Rinnen (vgl. Abb. B1-5) sind zunächst auszuhalten. Ihre genaue Abbil-
dung erfolgt dann über die horizontal und vertikal aufgelöste Parametrisierung. Für Be-
reiche mit wenigen geologischen und hydrogeologischen Informationen muss diese Pa-
rametrisierung nach der geologischen Genesevorstellung erfolgen. Diesbezüglich sind
eisrandparallele (± W-O-streichende) Rinnen i. d. R. durch bindige Zwischenschichten
wenigstens teilweise plombiert. Die mehr oder weniger N-S-streichenden Rinnen, stel-
len ehemals unter dem Gletschereis befindliche Abflussbahnen dar und weisen deshalb
i. d. R. relativ gute Wasserwegsamkeiten auf. In jedem Fall ist dies, sofern genauere
Informationen vorliegen, anhand von hydrogeologischen Daten für jede Rinnenstruktur
im Einzelnen zu präzisieren.
Die Kippenkörper sind natürlich separat auszuhalten und mit einer gesonderten Abbil-
dungsidee in das GRM einzubeziehen. Für die Förderbrückentagebauen wird zumindest
eine vertikale Untergliederung nach Abraumförderbrücken- (AFB) und Absetzerkippen
(AS) berücksichtigt. Die eigentliche Abbildung der Kippenkörper erfolgt durch die Para-
metrisierung. Da generell die relevanten (überbaggerten) Schichten (Layer) des ge-
wachsenen Gebirges im „Modell-Kippenkörper“ weiterzuführen sind, besteht bei vor-
handenem Datenpool die Möglichkeit einer detaillierten Berücksichtigung von Teilstruk-
turen der jeweiligen Kippenkörpern (z. B. Verwitterungszonen in AFB-/ AS-Kippe).
Insgesamt ergeben sich konzeptionell für das GRM Lausitz, nach derzeitigem Stand, ± 20
Modellschichten (vgl. Tab. B2-3). In dieser Untergliederung enthalten sind neben den ein-
zelnen lithologischen Schichtpaketen (1 bis 18) auch einige, aus stratigraphisch unter-
schiedlichen Bereichen zusammengesetzte Körper - Kippenkörper, quartäre Rinnen, tertiäre
Störkörper = glazigen gestörte Lagerungsverhältnisse und die stratigraphisch ältesten,
bergbaulich nicht beeinflussten Tertiäreinheiten - die im GRM zusätzlich differenziert para-
metrisiert werden können. Für gewisse Bereiche sind, wenn nötig, die quartären Schichten
weiter (z. B. in rollig und bindig) zu untergliedern.

image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 31
VITA-MIN
Tabelle B2-3: Vorgeschlagene quartäre und tertiäre Schichtgliederung für das GRM Lausitz
Aus hydrochemischer bzw. geochemischer Sicht sind im Quartär die kalkhaltigen Moränen-
gebiete und im Tertiär die besonders schwefelhaltigen flachmarinen Sedimente, also insbe-
sondere die von der montanen Grundwasserabsenkung betroffenen oligozänen und mittel-
miozänen Grundwasserleiter 3 bis 6 zu nennen und im Strukturmodell zu beachten. Die hö-
heren Aciditätspotentiale der marinen GWL 8 und 9 sind demgegenüber für die Modellierung
uninteressant, da diese Grundwasserleiter nie entwässert und damit nie belüftet wurden.
Die Fläche des GRM Lausitz (Strömungsmodellteil) wird sich an der Umrandung der vorhan-
denen Regionalmodelle zuzüglich der Sonderbereiche Muskauer Faltenbogen und
(Ober)Spreewald, aber auch in Abhängigkeit von den Festlegungen der hydrogeologischen
Randbedingungen orientieren.
System
Serie
Einheit
bzw.
Formation
Untereinheit
bzw.
Subformation
Bezeichnung
Inhalt
Eigenschaft
Kippen-
körper
Material
aus Quartär und Tertiär
weiter
differenziert
Weichsel-Kaltzeit
Eem-Warmzeit
2
sog. Tranitz-Fluviatil
GWL
Holstein-Komplex
Elster-Komplex
Cromer-Komplex
Unter-Pleistozän
Pliozän
Weißwasser-Subfm.
Ober-Miozän
Mühlrose-Subfm.
Klettwitz-Subfm.
5
1. MFK & GWL 2 (253/254)
Stauer/GWL
Nochten-Subfm.
7
OB 2. MFK
Stauer
8
GWL 4 (4341)
GWL
Welzow-Subfm.
10
GWL 5 (50)
GWL
11
UB 2. MFK
Stauer
12
GWL 6 (611/612)
GWL
13
Schluff-Leithorizont
Stauer
14
GWL 6 (6362)
GWL
16
GWL 7 (73)
GWL
17
Mittl. Schluffh./Flöz Lübbenau
Stauer
18
GWL 7 (74)
GWL
Vetschau-Subfm.
Striesa-Subfm.
Grießen-Subfm.
Branitz-Subfm.
Zinnitz-Subfm.
Calau-Subfm.
Stoßdorf-Subfm.
Ober-Eozän
Borna-Formation
Missen-Subfm.
Prätertiär
4
6
9
15
Puffer
Rauno-
Formation
Holozän
Ober-
Pleistozän
Quartär
Tertiär
Mittel-Miozän
Ober-Oligozän
Unter-Oligozän
Mittel-
Pleistozän
Cottbus-
Formation
Böhlen-
Formation
weiter
differenziert
GWL 2 (22) & Flaschenton
GWL 3 (3231)
2. MFK
3. MFK
4. MFK,
GWL 8,
Flöz Calau
& GWL 9
GWL/Stauer
GWL
Stauer
Stauer
Greifenhain-Subfm.
Meuro-
Formation
Lübbenau-Subfm.
Drebkau-Subfm.
Buchhain-Subfm.
Brieske-
Formation
Spremberg-
Formation
weitere Teilung
bzw.
Zusammenfassung
Stör-
körper
13a
(bindig)
16a
(GWL 7)
über Rinne
Rinne
Stratigraphische Gliederung Lausitz (Stand 2019)
Mögliche Schichtgliederung für das GRM Lausitz
formell in:
1a (rollig)
&
1b (bindig)
formell in:
3a (rollig)
&
3b (bindig)
Saale-Komplex
Ablagerungen
aus Saale- und Elster-Kaltzeit
(lokal auch
"Prä-Elster-Schotter"
der alten Elbeläufe)
3
Ablagerungen
aus Holozän sowie
Weichsel- und
Saale-Kaltzeit
1
GWL/Stauer
bzw.
weiter
differenziert
GWL/Stauer
bzw.
weiter
differenziert

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 32
VITA-MIN
Die abschließende Aufstellung eines detaillierten geologischen Modells für ein GRM Lausitz,
unter Berücksichtigung der geologisch-hydrogeologischen Lagerungsverhältnisse und der
rechentechnischen Möglichkeiten (darstellbare GW-Leiter/-Stauer, Modellfläche und Diskre-
tisierung), muss einer der ersten Bearbeitungsschritte beim GRML-Aufbau sein. Dazu ist
bzgl. der tertiären Schichten insbesondere das im LfULG und bei LEAG datenseitig und per-
sonell vorhandene Fachwissen einzubeziehen. Hinsichtlich der quartären Schichtenfolge se-
hen die Gutachter ein Mitwirken von Herrn Ralf Kühner (LEAG) als ausgewiesenen Experten
für das Lausitzer Quartär als unerlässlich an.
B3
GEKOPPELTE MENGEN- UND GÜTEMODELLIERUNG FÜR DAS
BERGBAUBEEINFLUSSTE UNTERSUCHUNGSGEBIET
B3.1
GRUNDLEGENDE ZIELSETZUNG EINER GROßRAUMMODELLIERUNG
Ein zukünftiges Großraummodell Lausitz verfolgt als wesentliche Hauptzielrichtung die lang-
fristige Prognose der zeitlichen Entwicklung der Grundwasser- und Oberflächenwasser-
beschaffenheiten im Modellgebiet. Diesbezüglich bedarf es, als wesentlicher Basis, einer
detaillierten, auf den aktualisierten Daten/Parametern beruhenden Strömungsmodellierung
im festgelegten Modellgebiet (vgl. Kap. B1.1).
Es ist nicht Ziel, die detaillierteren Regionalmodelle der Bergbaubetreibenden LMBV und
LEAG zu ersetzen, da diese zumeist zur Beantwortung lokaler, technischer Fragen benutzt
werden. Das Großraummodell ist so aufzubauen, dass es bestmöglich von den Erkenntnis-
sen der aktualisierten, detaillierten Regionalmodelle profitiert. Im zukünftigen Zusammen-
spiel zwischen GRM Lausitz und Regionalmodellen ist auch der Vorteil zu sehen, dass das
GRM Lausitz den verschiedenen, sich überlappenden Regionalmodellen abgestimmte, „äuße-
re“ Randbedingungen liefern kann. Dies gilt gerade dort, wo die Regionalmodelle auf ge-
schlossene äußere RB (Q = 0) zurückgreifen. Weiterhin ist das GRM Lausitz das einzige
Tool, welches überregionale Aussagen für das gesamte Lausitzer Revier liefern kann.
Eine direkte Einbindung aller Regionalmodelle in das Großraummodell, im Sinne sogenann-
ter Lupen, ist sowohl methodisch, als auch modelltechnisch nicht durchführbar. Dies vor
allem, weil die modelltechnische Untergliederung der einzelnen Regionalmodelle stark vari-
iert. Es ist jedoch zu empfehlen, zukünftig weiter zu prüfen, wie das Großraummodell geo-
metrisch (horizontal und vertikal) so strukturiert werden kann, dass nach Aktualisierung
bzw. stratigraphischer Verfeinerung der Regionalmodelle, eine Lupeneinbindung später po-
tentiell möglich wäre.
Die Notwendigkeit, dass das Modellgebiet alle bergbaulich beeinflussten Gebiete enthält,
wurde bereits in Kap. B1.1 eingehend erläutert. Die zukünftigen Modellgrenzen des GRM
Lausitz sind typisch so zu wählen, dass die äußeren Modellränder vom Modellgeschehen
innerhalb des Modells (Hydraulik und Transport) nicht beeinflusst werden. Die konkrete
Festlegung dieser Modellgrenzen ist als einer der ersten Arbeitsschritte beim realen Aufbau
des GRM Lausitz durchzuführen. Hierbei ist die Festlegung mit den konkreten Anforderun-
gen des Auftraggebers zum Modellgebiet verknüpft. Dabei sind auch die Aussagen zur Ver-
meidung von RB 2. Art (Q=0) aus Kap. B1.1 zu beachten.

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 33
VITA-MIN
B3.2
STRÖMUNGSMODELLIERUNG GRUNDWASSER
Das gekoppelte Grundwasser-/Bodenwasserhaushaltsmodell (Wasserhaushaltsmodell) dient
zum einen zur Klärung der Grundwasserströmungsverhältnisse im bergbaubeeinflussten
Gebiet der Lausitz. Aufbauend auf diesem Strömungsmodell erfolgt dann die Stofftrans-
portmodellierung für bergbautypische Wasserinhaltsstoffe. Dabei ergeben sich die Auswir-
kungen auf die Oberflächengewässer (sowohl hydraulisch als auch stofflich).
Dafür sind die Informationen über die hydraulische Interaktion zwischen den Grundwasser-
leitern und den Vorflutern, dem Boden und der zeitabhängigen Zu- bzw. Abflüsse im Unter-
suchungsgebiet nötig.
Der Modellaufbau sollte in den nachfolgend dargestellten Schritten erfolgen.
(1) Festlegung der Modellgrenzen
Zur Abgrenzung des Modellraums sind weitgehend unabhängige äußere Randbedingungen
zu definieren. An den Modellrändern können über das Grund- und Oberflächenwasser Aus-
tauschprozesse mit den angrenzenden Gebieten erfolgen, gerade weil ober- und unterirdi-
sche Einzugsgebiete in Bergbaugebieten meist nicht identisch sind.
Die Wahl der Modellränder ist daher so zu definieren, dass eine Beeinflussung durch im In-
nern des Modells stattfindende Prozesse nahezu ausgeschlossen werden kann. Die Ränder
werden im Allgemeinen so gewählt, dass sich einfache Randbedingungen formulieren las-
sen, die bereits bekannt sind oder messtechnisch ermittelt werden können. In der Regel
eignen sich Fließ- oder Standgewässer, geologische Barrieren oder definierte Wasserstände
(GW-Messstellen, Randstromlinien) dazu (vgl. Kap. B1.1 und B3.1).
Die Festlegung der Ränder des Grundwassermodells und damit die Größe des Modellraums
müssen auf Basis der Grundwassergleichen des Haupthangendgrundwasserleiters zu einem
geeigneten Zeitpunkt erarbeitet werden. Die konkrete Konzeption zur Berandung des
Grundwassermodells für das GRM Lausitz wurde bereits in Kap. B1.1 erläutert.
(2) Aufbau des hydrogeologischen Strukturmodells
Basis für die numerische Berechnung der Grundwasserströmung ist die hydrogeologische
Strukturmodellbildung, auf der Grundlage der Interpretation der geologischen Schichten
innerhalb des betrachteten Modellgebietes. Die hydrogeologisch relevanten Einheiten wer-
den nach Teufe, Abfolge und Ausdehnung unterteilt und generalisiert in einem hydrogeolo-
gischen Strukturmodell, im 3D-Raum verwendet. Die horizontale Ausdehnung des Struk-
turmodells resultiert aus der erwähnten Berandung des Modellgebietes. Der vertikale Aufbau
basiert dann auf dem gewählten hydrogeologisch-stratigraphischen Normalprofil.
(3) Definition der hydraulischen Randbedingungen
Die Festlegung der Randbedingungen erfolgt entsprechend den hydrologischen und hydro-
geologischen Verhältnissen. Hierbei können beispielsweise Einzugsgebietsgrenzen, Verbrei-
tungsgrenzen, Vorfluter etc. als natürliche Randbedingung herangezogen werden.
Grundsätzlich sollten die äußeren Randbedingungen soweit vom Aussagegebiet entfernt de-
finiert werden, dass es zu keiner (maßgeblichen) Beeinflussung der Randbedingungen durch
modellinnere Prozesse kommt. Andererseits wird durch Berücksichtigung relevanter innerer
Randbedingungen eine entsprechende Modellgenauigkeit im Aussagebiet sichergestellt.

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 34
VITA-MIN
(4) Räumliche und zeitliche Diskretisierung
Die Darstellung der zeitlich variablen Auswirkungen der sich verändernden bergbaulichen
Beeinflussungen und der Interaktion zwischen Aquifer und Vorfluter im Untersuchungsgebiet
bedingen ein instationäres Grundwassermodell. Es werden verschiedene Berechnungspha-
sen durchlaufen, welche durch unterschiedliche Zustände charakterisiert sind: Einschwing-
phase auf Grund unscharfer Anfangsbedingungen, Kalibrierungsphase, Verifizierungsphase
und Prognose bis zum stationären Endzustand.
Für die numerische Berechnung ist es erforderlich, den zu untersuchenden Modellraum in
einzelne Bilanzelemente zu zerlegen. Über das Modellgebiet wird dazu ein horizontal-ebenes
Raster gelegt. Die horizontale Diskretisierung des Modells sollte ein Kompromiss aus Ab-
bildegenauigkeit, Datenverfügbarkeit (Parametrisierung), numerischer Stabilität und Per-
formanz der Simulation sein.
Die vertikale Modellstruktur orientiert sich an der lithofaziellen Gliederung des Gebietes. Die
vertikalen Gliederungsebenen werden im Folgenden mit „Modellgrundwasserleiter“ (MGWL)
bezeichnet, gleichgültig ob es sich um einen Grundwasserleiter im klassischen Sinn, einen
hydrogeologisch zusammengefassten Grundwasserleiterkomplex oder einen sogenannten
Grundwassergeringleiter oder -stauer handelt. Die hydraulischen Unterschiede der jeweili-
gen MGWL werden durch ihre Parametrisierung definiert. Die vertikale Kopplung zwischen
den MGWL ergibt sich aufgrund der Bedingung, dass die Liegendhöhe eines MGWL gleich
der Hangendhöhe eines (tiefer) folgenden MGWL ist.
(5) Aufbau des Parametermodells
Das Parametermodell beschreibt die geohydraulischen Eigenschaften der Bilanzelemente
des geometrischen Modells und beruht auf den Gebietserfahrungen und labor- und/ oder
feldtechnisch ermittelten geohydraulischen Eigenschaften des Untergrundes (wesentlich k
f
-
Werte, effektive Porositäten).
(6) Modellkalibrierung
Der Prozess der Modellkalibrierung dient der bestmöglichen Anpassung des Modells im
Epignosezeitraum an die gemessene Grundwasserdynamik, durch Verifizierung der hydro-
geologischen Parameter und deren Verteilung. Dabei sollen bestimmte Systemeigenschaften
und Prozesse des realen Systems mit dem Grundwassermodell hinreichend genau abgebil-
det werden. Dies bedeutet, dass die simulierten Ergebnisse mit den gemessenen Werten
von Wasserstand, Wassermenge und Wasserbeschaffenheit in eine bestmögliche Überein-
stimmung in Raum und Zeit gebracht werden.
Die Kalibrierung erfolgt durch schrittweise systematische Änderung der Eingangsparameter
in fachtechnisch sinnvollen und zulässigen Grenzen sowie bei Bedarf auch der Verifizierung
der vorab ermittelten Rand- und Anfangsbedingung. Die Grundwasserneubildung wird dabei
vorzugsweise außen vor gelassen, da diese auf Basis eines anerkannten Prozessmodells
(Bodenwasserhaushaltsmodell) ermittelt wird (vgl. Kap. B3.3). Zur Optimierung der Anzahl
der anzupassenden Parameter wird der gesamte Modellraum unter hydrogeologischen Ge-
sichtspunkten in Bereiche ähnlicher Eigenschaften (Rayons) eingeteilt.
Geringe Abweichungen zwischen den gemessenen und den berechneten Piezometerhöhen
sowie Volumenströmen zeigen eine hohe Modellgüte an. Nach der Beurteilung der Modell-

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 35
VITA-MIN
abweichungen werden die Eingangsparameter, Rand- und Anfangsbedingung etc. in defi-
nierten Intervallen systematisch variiert.
Zielstellung der Modellanpassung ist es, möglichst geringe Abweichungen der gemessenen
Zuständen (Wasserstände, Volumenströme) zu erlangen. Neben der statistischen Ermittlung
der Modellgüte kommen dann auch weitere Methoden zur Anwendung:
Ganglinienauswertung,
Vergleich der Grundwasserströmungsverhältnisse verschiedener Zeitzustände,
Räumliche und zeitliche Bilanzierung einzelner hydraulischer Randbedingungen sowie
die Plausibilitätsprüfung des Gebietswasserhaushaltes.
B3.3
MODELLIERUNG BODENWASSERHAUSHALT
B3.3.1 GRUNDLEGENDE AUSSAGEN ZUM BODENWASSERHAUSHALTSMODELL
Für die Modellierung des Bodenwasserhaushaltes ist die Nutzung des öko-hydrologischen
Modellierungssystems ArcEGMO
©
(PFÜTZNER 2002, BECKER et al. 2002) vorgesehen. ArcEGMO
wird für verschiedene wasserwirtschaftliche, aber auch landesplanerische Fragestellungen
landesweit in Sachsen, Sachsen-Anhalt und Brandenburg eingesetzt. Detaillierte Informatio-
nen zu diesem Programmsystem sind unter
www.ArcEGMO.de
zu finden.
Abbildung B3-1: Das PSCN-Modul im Rahmen des hydrologischen Einzugsgebietsmodells
ArcEGMO – Überblick über die simulierten Teilprozesse

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 36
VITA-MIN
Im Großraummodell Lausitz ist ArcEGMO-PSCN in erster Linie für die Simulation des Boden-
wasserhaushaltes und damit für die fundierte Erfassung der räumlich und zeitlich differen-
zierten Grundwasserneubildung (als wesentliche, obere Randbedingung für die Modellierung
der Grundwasserströmungsverhältnisse) vorgesehen. Wie vorstehende Abb. B3-1 verdeut-
licht, dienen zwei wesentliche Komponenten zur Beschreibung der Vegetation und des Bo-
dens.
Das Vegetationsmodell enthält dabei Wachstumsansätze für forst- und landwirtschaftlich
genutzte Flächen. Die Vegetationsdynamik wird in Abhängigkeit vom Landnutzungstyp si-
muliert.
Genutzt werden können je nach Problemstellung und Datenverfügbarkeit „gesteuerte Model-
le“ und „Feedback-Modelle“. Für landesweite Wasserhaushaltssimulationen und stationäre
Randbedingungen bzw. für bekannte Vegetationsverläufe, haben sich „gesteuerte Modelle“
bewährt, bei denen über Zeitfunktionen die Entwicklung phänologischer Kennwerte vorge-
geben wird. Ändern sich jedoch wesentliche Randbedingungen wie das Klima oder die
Grundwasserflurabstände, muss die Dynamik der Vegetationsdecke explizit in Abhängigkeit
von der Witterung und den übrigen Standortbedingungen simuliert werden. Neben dem
Waldwachstumsmodell 4C (SUCKOW et al., 2001) hat sich VEGEN als generisches Wachs-
tumsmodell auf der Basis Wärmesummenansatzes zur Simulation der phänologischen Ent-
wicklung bewährt (vereinfachtes EPIC-Wachstumsmodells nach WILLIAMS et al. 1989).
Die Modellierung der Bodenprozesse erfolgt unter Berücksichtigung der horizontalen Schich-
tung des Bodens bis hinunter zum Ausgangssubstrat. Dabei werden bei grundwasserbeein-
flussten Standorten auch temporär gesättigte Bodenschichten einbezogen.
B3.3.2 WAHL DER ARCEGMO-MODULE UND BETRIEBSWEISE IM GRM LAUSITZ
Bergbaugeprägte Regionen sind Landschaften im Wandel. Der aktive Bergbau ist verbunden
mit großräumigen Grundwasserabsenkungen, die zu einem Wegfall von Feuchtflächen und
einer reduzierten Gebietsverdunstung führen. In den Einleitgewässern ist die Wasserführung
stark erhöht, verbunden mit einem lokalen Grundwasseranstieg in den Auenbereichen die-
ser Gewässer. Der nachbergbauliche Grundwasserwiederanstieg führt zu Vernässungser-
scheinungen. Feuchtgebiete entstehen wieder, Restlöcher werden zu Seen und Kippen wer-
den bewaldet. Dies alles führt zu massiven Änderungen im Gebietswasserhaushalt.
Deshalb ist in bergbaugeprägten Regionen die Betrachtung mittlerer Zustände nicht zielfüh-
rend. Es ist eine instationäre Abbildung erforderlich, mit physikalisch fundierten Modellan-
sätzen und unter der Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen Oberflächen- und
Grundwasser.
ArcEGMO-PSCN hat sich für diese Fragestellungen in einer Reihe von Projekten im Mittel-
deutschen Braunkohlenrevier bewährt. Das Modell kann räumlich genestet in unterschiedli-
cher Komplexität betrieben werden. Für die bergbaulich wenig beeinflussten Außenbereiche
des Untersuchungsgebietes ist es ausreichend, wenn sie mit einfachen, d. h. gesteuerten
Vegetationsansätzen erfasst werden. Für die unmittelbar bergbaugeprägten Flächen ist es
dagegen notwendig, die sehr zeitvariabel wirkenden Vegetationseinflüsse auf den Boden-
wasserhaushalt mit dem VEGEN-Modell zu beschreiben.
ArcEGMO-PSCN kann als reines Wasserhaushaltsmodell angewendet werden und sich auf
die Beschreibung der wechselfeuchten Bodenzone beschränken. Für das Großraummodell ist
es aber sinnvoll, wenn mittels ArcEGMO ein komplexes Flussgebietsmodell aufgebaut wird.
Mit diesem werden neben den hydrometeorologischen Prozessen (räumliche Interpolation

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 37
VITA-MIN
der meteorologischen Eingangsgrößen, Berechnung der potenziellen Verdunstung, Modellie-
rung der Schneeschmelze) und den Prozessen in der Bodenzone (Infiltration, Perkolation,
Verdunstung) auch die Abflusskonzentrationsprozesse im Grundwasser, auf der Bodenober-
fläche und im Gewässernetz beschrieben. Damit werden letztlich alle hydrologisch und was-
serwirtschaftlich relevanten Prozesse und damit der gesamte Wasserhaushalt in einem
Flussgebiet erfasst.
Dieses Flussgebietsmodell kann dann anhand von Oberflächenwasserpegeln validiert wer-
den. Es kann allein betrieben werden, wobei dann in Kauf genommen werden muss, dass
die Grundwasserströmung und die im Bergbaubereich wichtigen Wechselwirkungen zwi-
schen Oberflächen- und Grundwasser nur vereinfacht berücksichtigt sind. Im Rahmen des
zu erstellenden Großraummodells wird das Flussgebietsmodell gekoppelt und damit ständig
datenaustauschend mit dem Grundwasserströmungsmodell betrieben. Durch die Kopplung
liefert ArcEGMO räumlich und zeitlich hoch aufgelöste Grundwasserneubildungsraten, und
bei Bedarf Wasserstände im Gewässer, als Randbedingung für das instationäre Grundwas-
serströmungsmodell. ArcEGMO wiederum erhält vom Grundwassermodell räumlich und zeit-
lich hoch aufgelöste Grundwasserstände als wesentliche Randbedingung für das Bodenwas-
serhaushaltsmodell und grundwasserbürtige Zuflüsse ins Gewässersystem. Der Datenaus-
tausch zwischen beiden Modellen erfolgt in Tagesschritten, so dass unmittelbare Wechsel-
wirkungen zwischen Oberflächen- und Grundwasser genügend genau berücksichtigt werden.
Diese Wechselwirkungen werden von ArcEGMO abgebildet, sofern die Rechnungen gekop-
pelt an ein Grundwassermodell erfolgen. Die Berücksichtigung dieser Wechselwirkungen
führt meist zu dämpfenden Effekten im Vergleich zu ungekoppelten Modellrechnungen.
Wenn z. B. in langanhaltenden Trockenperioden die Grundwasserstände so weit absinken,
dass die Pflanzenwurzeln nicht mehr vom Grundwasser zehren und demzufolge nicht mehr
potenziell verdunstet wird, wird das weitere Absinken des Grundwassers gedämpft.
In ungekoppelten Modellrechnungen wird in solchen Fällen oft die Verdunstung über- und
die Grundwasserneubildung unterschätzt. Ähnliche Effekte ergeben sich beim Grundwasser-
wiederanstieg, der auf Grund der zunehmenden Verdunstung gedämpft wird, wenn oberflä-
chennahe Bereiche erreicht werden.
ArcEGMO kann für das GRM unabhängig vom Grundwassermodell aufgebaut und betrieben
und erst für spätere Modellrechnungen mit dem Grundwassermodell gekoppelt werden.
Die Ergebnisse der gekoppelten Modellierungen führen zu fundiert ermittelten Grundwasser-
zuflüssen ins Gewässersystem, die wiederum in die jeweiligen Landesmodelle eingespeist
werden können und diese Landesmodelle somit weiter qualifizieren.
B3.3.3 KALIBRIERUNG DES BODENWASSERHAUSHALTSMODELLS
Eine direkte Prüfung bzw. Kalibrierung der modellierten Grundwasserneubildung anhand von
Messwerten ist nur für Lysimeter möglich. Diese Prüfung erfolgte in den letzten Jahren in
verschiedenen Bearbeitungen für verschiedene Lysimeter, z.B. von Brandis.
Für großräumige Modellgebiete ist die Kalibrierung der Grundwasserneubildung nur indirekt
über die für das Modellgebiet berechneten Abflüsse im Vergleich mit den gemessenen Ab-
flussmengen (d.h. der Abflussdifferenz zwischen Gebietseinlass und Gebietsauslass) mög-
lich. Aus diesem Grund wird das Modellgebiet für das Oberflächenmodell (weiterführend
siehe Kapitel C8.6) gegenüber dem Grundwassermodell erweitert.

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 38
VITA-MIN
Durch die Kopplung mit einem Grundwassermodell können zusätzlich die Grundwasserstän-
de zur Kalibrierung herangezogen werden, da die modellierten Sickerwassermengen die
berechneten Grundwasserstände direkt beeinflussen. In beiden Fällen wird sowohl räumlich,
als auch zeitlich nach den bestmöglichen Übereinstimmungen der gemessenen und model-
lierten Ganglinien gesucht. Zusätzlich wird eine Plausibilitätsprüfung des Gebietswasser-
haushaltes anhand der räumlichen und zeitlichen Verteilung der einzelnen Wasserhaushalts-
größen durchgeführt.
B3.3.4 NOTWENDIGE WEITERENTWICKLUNGEN/DATENDEFIZITE
Für die Erfassung der in Bergbaugebieten zeitlich und räumlich sehr veränderlichen Randbe-
dingungen wie Oberflächenmorphologie, Bodenverhältnisse, Oberflächenbedeckung/ Vege-
tation sind prinzipiell zwei unterschiedliche Verfahrensweisen möglich:
1) Unterteilung des Betrachtungszeitraumes in quasistationäre Teilzeiträume und Simu-
lation dieser Zeitscheiben.
2) Abbildung der zeitlichen und räumlichen Änderungen der Randbedingungen über
Funktionen und Simulation des gesamten Betrachtungszeitraumes.
Die zuerst genannte Verfahrensweise hat sich in einer Vielzahl von Modellen von WBALMO
bewährt und kann problemlos auch für ArcEGMO genutzt werden.
Die Modellierung zeitlich veränderlicher Randbedingungen oder deren Vorgabe durch Zeit-
funktionen ist in ArcEGMO für die Vegetation möglich.
Für die kontinuierliche Abbildung von Änderungen in den Bodenverhältnissen und in der
Oberflächenmorphologie müssen neue Programmlösungen geschaffen werden, sofern dies
als erforderlich angesehen wird.
B3.4
MODELLIERUNG STOFFTRANSPORT GRUNDWASSER
Nachfolgende Abb. B3-2 stellt das prinzipielle Vorgehen und den Einsatz verschiedener Mo-
dellwerkzeuge für den Aufbau und die Parametrisierung eines großräumigen Stofftransport-
modells dar. Basis der Transportmodellierung ist dabei natürlich immer das in Kap. B3.2
prinzipiell beschriebene Grundwasserströmungsmodell. Die Berechnung des Einzelstoff- oder
Mehrkomponenten-Stofftransportes ist dabei unabhängig vom letztlich gewählten Modell-
code, der für die Grundwasserströmung verwendet wird.
Grundlage des Stofftransportmodells sind neben dem Strömungszustand die recherchierten
Daten der geochemischen Charakteristik der verschiedenen ausgehaltenen geologischen
Schichten. Zum einen sind die geochemischen Verhältnisse für den vorbergbaulichen Zu-
stand zu charakterisieren, zum anderen vor allem auch der Istzustand in Bezug auf die hyd-
rogeochemischen Verhältnisse in den Grundwasserleitern und den Kippenkörpern. Die vor-
bergbaulich, geochemischen Verhältnisse sind durch die ortskonkreten Daten charakteri-
siert, die vor der Überbaggerung erhoben worden.
Weiterhin erfolgt eine Abschätzung des Umsatzes des initialen Sulfidgehaltes in Abhängig-
keit des teufenabhängigen Sauerstoffzutrittes (Teufe der Grundwasserabsenkung) und des
Umfanges der Bergbautätigkeit. Ziel ist es insgesamt, die Zusammensetzung der Bergbau-
wässer und relevanter Sekundärmineralpools in den Kippen (z. B. Gips), vor allem auch für
die Kippen zu definieren.

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 39
VITA-MIN
Die Umsatzberechnung durch Sauerstoffzutritt kann durch Programme wie PYROX (WUN-
DERLY et al. 1996) oder DARIS (diffusion and reactions in soils, KOWAL 2019) erfolgen. Die
Folgereaktionen der Sulfidverwitterung müssen dann mit einer hydrogeochemischen Soft-
ware, wie z. B. PHREEQC oder MINTEQ berechnet werden. Diese vor der eigentlichen Prog-
noserechnung durchzuführenden Berechnungen dienen der Definition der stofflichen An-
fangsbedingungen des Stofftransportmodells (Wasserbeschaffenheit und Stoffinventar rele-
vanter Festphasen).
Abbildung B3-2: Prinzipielle Vorgehensweise und Einsatz verschiedener Modellwerkzeuge
für den Aufbau und die Parametrisierung eines großräumigen Stofftrans-
portmodells
Die Berechnung des Stofftransportes kann je nach Fragestellung nicht-reaktiv oder reaktiv
als Einzelstoff- oder Mehrstoff-System erfolgen. Für ein Modell der Größe des GRM Lausitz
sollte in einem ersten Schritt eine konservative (nicht-reaktive) Modellierung erfolgen. An-
schließend kann ein reaktives Modellkonzept schrittweise integriert werden. Generell steigt
mit der Erhöhung der Komplexität des geochemischen Modells auch der Rechenaufwand.
Der Stofftransport eines Einzelstoffs, z. B. Sulfat, kann abgebildet werden, indem Stoffquel-
len bzw. Stoffsenken z. B. durch einen Dual-porosity-Ansatz oder Sorptionsisotherme defi-
niert werden.
Für den reaktiven Mehrkomponenten-Stofftransport besitzen alle drei Grundwasser-
Programmcodes (FEFLOW; PCGEOFIM, MODFLOW) Kopplungen zu PHREEQC. Für MOD-
FLOW/MT3DMS ist dies z. B. PHT3 (PROMMER 2002).
Geologische Daten
Geochemische Daten
geologisches
Strukturmodell
(räumliche Verteilung der geologischen
Schichten)
(zellbasierte Berechnung der Pyritverwitterung zur Bestimmung
der räumlichen Verteilung der Pyritverwitterungsprodukte)
mögl. Programm-Codes
: PYROX / DARIS
(Bestimmung der hydrogeochemischen Anfangsbedingungen (AB)
aus dem Stoffinventar der Kippen und des Gewachsenen)
mögl. Programm-Codes
: PHREEQC / MINTEQ
mögl. Programm-Codes
: PHT3D
Modellkonzept
Reaktions-und Genesemodell
Minerallösung und Fällung
Modellkonzept
Sulfid-Oxidation
“ und Konkurrenz-
reaktionen wie TOC-Oxidation
(Prognose: Berechnung des reaktiven Transportes und der
zeitabhängigen räumlichen Verteilung z.B. von Fe- und SO
4
)
Modellkonzept
Doppelporositäts-
modell „Sulfat-
freisetzung“
mögl. Programm-Codes
:
MODFLOW / PCGEOFIM / FEFLOW
Hydraulische Daten und
zellbasierte Volumenströme
werden auf ein einheitliches
Gitter übertragen
geochemisches
Strukturmodell
Vorbergbau
“ (initiale geochemische
Zusammensetzung Kippen und Gewachsenes)
variantes
geochemisches
Strukturmodell
im
Berechnungszeitraum
(geochemische Zusammensetzung der Kippen, der im Berechnungs-
zeitraum entstehenden Kippen und des Gewachsenen)
hydrogeochemische
Datenbank
Basis z.B. PhreeqC.dat
Zuweisung einer initialen Konzentration an Pyritverwitterungsprodukten zu den geologischen Schichten die durch primäre (Kippen) und sekundäre
Pyritoxidation (Kippen und Gewachsenes) entstanden sind und die Quelle der bergbaulichen Beeinflussung definieren
Festlegung von RB & AB
(Konzentrationsentwicklung)
GW-Strömungsmodell
Stofftransportmodell

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 40
VITA-MIN
B3.5
MODELLIERUNG STOFFTRANSPORT FLIESSGEWÄSSER
In Bezug auf das Bodenwasserhaushaltsmodell besteht das Modul PSCN (Plant-Soil-Carbon-
Nitrogen Model) aus einem Bodenfeuchtemodell, einem Bodenwärmemodell, einem Kohlen-
stoff-/Stickstoffmodell und einem Phosphormodell. Es beschreibt neben der Wasserdynamik
auch den Phosphor-, Kohlen- und Stickstoffhaushalt, wobei der Stoffhaushalt vor allem im
Hinblick auf die fundierte Erfassung des Systems „Vegetation - Boden“ ausgerichtet ist. Das
Nährstoffangebot wird dabei als Randbedingung für die Vegetationsentwicklung betrachtet.
Die Simulation der Bodenwärmedynamik basiert auf der numerischen Lösung der verein-
fachten eindimensionalen Wärmeleitungsgleichung für veränderliche Wärmekapazität und
Wärmeleitfähigkeit. Der Beitrag des Bodeneises an der Wärmeleitung und der Phasenüber-
gang der Bodenflüssigkeit werden nicht betrachtet.
Die für das zu erstellende Großraummodell relevante Stoffproblematik (Eisen, Sulfat) wird
im Bodenwasserhaushaltsmodell von ArcEGMO bisher nicht betrachtet. Insbesondere die
Eisentransport- und -reaktionsprozesse sind kompliziert und die Implementierung der Pro-
zesse zu aufwendig, um das ArcEGMO-Modell dahingehend zu qualifizieren. Daher ist es
effizienter und zielführender, eine Kopplung zu einem externen Stofftransportmodell herzu-
stellen.
Abbildung B3-3: Grundstruktur des Sulfatprognosemodells WBalMo in Bezug auf das Sul-
fateintragsmodul SE (aus KALTOFEN 2017)

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 41
VITA-MIN
Im Lausitzer Revier wurde für die Spree als wesentlichem Vorfluter ein Sulfatprognosemo-
dell durch KALTOFEN (2017) erstellt. Dieses Sulfatprognosemodell besteht aus unterschiedli-
chen Modulen, die aus Abb. B3-3 ersichtlich sind.
KALTOFEN (2017) ist diesbezüglich Folgendes zu entnehmen: „Das Sulfateintragsmodul SE
quantifiziert die Sulfateinträge in ein Fließgewässer am Emissionsquerschnitt EQ. Durch ein
Sulfattranslationsmodul ST wird das Sulfatsignal durch zeitliche Verzögerung und Verluste in
den Fließ- und Standgewässern so verändert, dass die Summe der Emissionen am Aussage-
querschnitt AQ wiedergegeben wird. Ausgewählte Aussagequerschnitte sind als Steuerquer-
schnitte SQ vorgesehen.“ Die weitere Vorgehensweise ist dann KALTOFEN (2017) im Detail zu
entnehmen.
Das natürliche Wasserdargebot wird innerhalb des Modellkomplexes mit einem Nieder-
schlag-Abfluss-Modell verknüpft. Allerdings fehlt in dieser Modellstruktur die Ankopplung zu
einem Grundwasserströmungsmodell, um die Interaktionen zwischen Grund- und Oberflä-
chenwasser abzubilden.
Somit ergäbe sich zukünftig die Möglichkeit Ergebnisse des GRML zu Grundwasserständen,
zur Grundwasserneubildung und dem Grundwassersulfattransport als Eingangsgrößen im
WBalMo zu verwerten. Mit diesem Ansatz könnten die Sulfatfrachten in den Fließgewässern
fundierter simuliert werden. Eine Erweiterung für den Stofftransport von Eisen wäre noch zu
untersuchen.
Es ist zu beachten, dass die hier aufgezeigte potentielle Verknüpfung zu einem Stofftrans-
portmodell im Fließgewässer (wie WBalMo) nicht Bestandteil der Kostenbilanzierung in Kap.
D7 ist.

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 42
VITA-MIN
B4
DATENANFORDERUNGEN – RECHERCHE DATENVERFÜGBARKEIT
Um das GRM Lausitz als solches zu erstellen, bedarf es diverser Eingangsparameter bzw. -
daten. Das betrifft neben den Ausgangsdaten für das übergeordnete strukturgeologische
Modell auch Daten und Messreihen zur Hydrogeologie, Geochemie, Grundwasser- und Ober-
flächenwasserbeschaffenheit sowie zu den äußeren Randbedingungen des künftigen Groß-
raummodells.
Diesbezüglich wurde eine Datenabfrage bei den Geologischen Landesämtern in Sachsen und
Brandenburg sowie bei den Bergbautreibenden LMBV und LEAG gestellt. Im Folgenden wird
- gegliedert nach einzelnen Modellteilaspekten - dargelegt, welche Datenanforderungen ge-
nerell für die Erstellung des GRM Lausitz gestellt werden müssen und welche Sachlage sich
hinsichtlich der Datenbasis mit momentanem Stand zur Datenrecherche ergeben haben.
B4.1
GEOLOGISCHE DATEN – BASIS FÜR HYDROGEOLOGISCHES 3D-MODELL
B4.1.1 DATENANFORDERUNGEN
Für die Erstellung des hydrogeologisch-stratigraphischen 3D-Modells werden flächendeckend
über das gesamte Gebiet möglichst tiefreichende, stratigraphisch eingestufte Bohrungen
benötigt, die dann entsprechend des festzulegenden endgültigen Normalprofils des Modells
(der Schichten des Strukturmodells) zu verschlüsseln sind.
Für die räumliche Vernetzung sind zudem geologische Schnitte und Verbreitungskarten ein-
zubeziehen. Schon verfügbare 3D-Modellkörper/-Modelle, wie die des LfULG, werden natür-
lich in die Modellbildung einbezogen. Es ist bei diesen 3D-Modellkörpern jedoch zu beden-
ken, dass sie nur für ca. 1/3 des potentiellen Modellraums vorliegen werden und dort nur
die jüngsten Teile der tertiären Schichtenfolge auftreten. Das Konzept bezieht sich aber auf
das gesamte Niederlausitzer Braunkohlenrevier, mit sämtlichen montan relevanten tertiären
Schichten. Es muss also um eine konsistente stratigraphische Gliederung des hydrogeologi-
schen Strukturmodells gehen, die den Aufbau für den Gesamtraum im Blick hat. Damit ist
ganz klar, dass dies nicht allein unter Verwendung hydrogeologischer 3D-Körper für einen
Teilbereich erfolgen kann. Die Hauptaufgabe besteht darin, auf Basis einer konsistenten
Projektmodelldatenbank, mit ausgewählten und qualifizierten Bohrungen des Gesamtgebie-
tes, auf sächsischem und brandenburgischem Territorium die Basis für das GRM Lausitz zu
erarbeiten.
B4.1.2 DATENRECHERCHE
Die Recherche in den einzelnen Institutionen ergab folgendes Bild
:
Für den sächsischen Anteil der Lausitz (hineinreichend bis in den Raum Südbranden-
burg) existieren im LfULG reichlich 100.000 Bohrungen (Flach- und Tiefbohrungen,
vgl.
https://www.rohstoffdaten.sachsen.d/suche)
mit Stamm- und Schichtdaten digi-
tal verfügbar. Diese auch mit aktueller stratigraphischer Verschlüsselung.
Zudem existieren für die Region ca. 30 geologische Schnitte, mehrere Verbreitungs-
karten (LKQ50, LKT50, GK200, LKT200) sowie drei 3D-Modelle (teilweise nur rand-
lich angeschnitten), die ebenfalls in unterschiedlicher Qualität digital verfügbar sind.
Des Weiteren ist aktuell ein geologisch-hydrogeologisches 3D-Strukturmodell, im
Rahmen der hydrogeologischen 3D-Landeskartierung (HyK50/ Geothermieatlas) für
den gesamten Bereich der sächsischen Lausitz in Bearbeitung. Im Ergebnis liefert

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 43
VITA-MIN
dieses Hyk-Projekt (Fertigstellung voraussichtlich nach 2020) rasterbasierte (25 m)
3D-Verbreitungsgrenzen geologischer Körper, auf der Grundlage aller verfügbaren
plausiblen Aufschlüsse und einer sachsenweit einheitlichen stratigraphischen Nomen-
klatur, als volumetrisches Raummodell. Der blattschnittfreie Datensatz wird im LfULG
von der geologischen 3D-Modelliersoftware unabhängig, unter ORACLE gespeichert
und kann visualisiert und extrahiert werden.
Insgesamt ist jedoch auch festzuhalten, wie schon angemerkt, dass die hier erwähnten Be-
reiche allerdings nur ca. 1/3 der potentiellen Modellfläche des GRM Lausitz abdecken.
Weiterhin sind im LfULG in teils digitaler, teils analoger Form Berichte zu den Ver-
breitungskarten, 3D-Modellen sowie zu Erkundungs- und Forschungsprojekten im
Bereich Lausitz vorhanden.
Eine Anfrage zur Datenlage bei der Landesdirektion Sachsen (LDS) ergab, dass dort
keine eigenen geologischen Daten bzw. Berichte verfügbar sind. Es wurde in erster
Linie auf das LfULG sowie für einzelne Berichte auf LMBV und LEAG verwiesen.
Bei der LEAG erfolgt die Datenhaltung bezüglich der Bohrungen im „Komplex-
Speicher-Geotechnik“ (KSG). Dieser enthält momentan etwas mehr als 100.000 Boh-
rungen, unterschiedlich detailliert bearbeitet und mit unterschiedlichen Endteufen. Es
handelt sich um Bohrprofile mit überwiegend flächendeckend guter, untereinander
abgestimmter stratigraphischer Verschlüsselung für Bereiche im Westen und Nordos-
ten (alles Brandenburg). Im Süden (vor allem sächsischer Teil) sind die Bohrungen
noch weniger stratigraphisch abgestimmt, bis hin zu Bohrungen ohne genauere An-
sprache.
Auch bei LBGR und LMBV sind mehrere Tausend von Bohrungsdaten zu finden. Diese
sind jedoch nur teilweise, höchstens zu einem Drittel, in digitaler Form verfügbar.
Weiterhin sind sie zumeist nicht auf aktuellem geologisch-stratigraphischen Bearbei-
tungsstand.
B4.1.3 EINSCHÄTZUNG DER DATENBASIS
Im Gebiet des künftigen GRM Lausitz ist eine gute Abdeckung mit stratigraphisch nach ak-
tuellem geologischen Kenntnisstand verschlüsselten Bohrprofilen für die Erstellung des
Strukturmodells vorhanden. Diesbezüglich ist in einem ersten Schritt auf die Bohrungsda-
tenbeständen des LfULG Sachsen sowie der LEAG zurückzugreifen (vgl. ± Gebiete mit hoch-
qualitativen Bohrungen in Abb. B4-1). Ein besonderer Vorteil dieser beiden Datenbestände
besteht darin, dass sie im Tertiär weitgehend nach den gleichen stratigraphischen Prinzipien
verschlüsselt und aktuell gehalten vorliegen.
Bezüglich der quartären Schichtenfolge auf brandenburgischem Territorium ist noch eine
durchgehende Stratifizierung nach aktuellem Kenntnisstand (u. a.
KÜHNER
2010, 2017) of-
fen. Für nahezu das gesamte potentielle Modellgebiet existiert allerdings bei LEAG eine
hochaufgelöste Quartärbasiskarte als Netzpunktkarte, die ein detailliertes Abbild der gla-
zigenen Rinnenstrukturen liefern kann (freundl. Hinweis R. Kühner, LEAG).
Zudem steht in Aussicht, dass zum Zeitpunkt der eigentlichen Erstellung des GRM Lausitz
auch die Informationen und 3D-Modelle der HyK50 Lausitz in Sachsen zur Verfügung stehen
werden. In jedem Fall muss aber bewusst bleiben, dass bei allen beiden Datenpools, trotz
der generell günstigen Datensituation, eine „bewertende Aufbereitung“ - d. h. die Erzeu-

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 44
VITA-MIN
gung eines projektbezogenen, geologisch konsistenten Bohrdatenbestandes über die ge-
samte GRML- Fläche - notwendige Voraussetzung für den Aufbau des GRM Lausitz ist.
In Bezug auf die oben angesprochenen 3D-Modelle des LfULG für den sächsischen Teil des
Modellgebietes (hydrogeologische Körper) ist festzuhalten, dass die bereits überbaggerten
Bereiche in den Tagebaufeldern á priori dabei nicht mit modelliert werden. Dies ist aber ge-
rade mit Blick auf die „Vorfeldgeologie“ unbedingt mit zu berücksichtigen: Zum einen, weil
die „Vorfeldgeologie-Modelle“ entscheidend für die Kippeninventarisierung sind, zum ande-
ren ja gerade für diese Bereiche ein detaillierter Datenbestand (in Bezug auf die wichtigen
bergbaubeeinflussten Bereiche) vorhanden ist. Weiterhin sind diese Areale auch in Hinsicht
auf hydraulische Modellaussagen (Wasserstände) zum „vorbergbaulichen Zustand“ wesent-
lich.
Abbildung B4-1: Verteilung der Datenbestände zu verschlüsselten Bohrungen bei LfULG
und LEAG, mit Kennzeichnung von Gebieten mit derzeit hochqualitativ
verschlüsselten Bohrungen
Es ist, gerade in Anbetracht der oben getroffenen Aussage klar, dass es um eine Zusam-
menführung und Abgleich mit den Bohrungsdaten aus den übrigen 2/3 Fläche des Modell-
raums geht. Dies bedeutet auch, dass es zur teilweisen Zusammenführung von geologisch-
hydrogeologischen Einheiten aus der feinaufgelösten sächsischen Gliederung, im Interesse
eines modellschichtmäßig und numerisch handhabbaren überregionalen hydrogeologischen
Strukturmodells, kommen muss. In diesem Kontext ist positiv zu vermerken, dass - dank
der Mitarbeit der damaligen Abteilung Geologie/Referat: geologische Kartierung an der DIN
Bergmännisches Risswerk 2001 - die geologisch-stratigraphische Untergliederung des säch-
sischen und brandenburgischen Tertiärs sehr gut aufeinander abgestimmt sind. Dennoch ist
natürlich nicht von einer vollständig identischen Untergliederung auszugehen.

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 45
VITA-MIN
Für die Gebiete ohne ausreichende Bohrungsbelegung muss danach in einem zweiten, ar-
beitsintensiveren Schritt auf weitere Bohrungen, mit unterschiedlicher Qualität im Datenbe-
stand von LBGR Brandenburg und LMBV zurückgegriffen werden.
Einzubinden sind bei der Auswahl der Modellbohrungen insbesondere die bei der Erstellung
der LKT50 Lausitz (2016) genutzten Bohrungen sowie solche, welche auch als Messstellen
für die Randbedingungen, die Wassergüte sowie Grundwasserstände dienen (vgl. Kap. B4.2
bis B4.5). Für das derzeit im Aufbau befindliche geologisch-hydrogeologische 3D-
Strukturmodell der sächsischen Lausitz werden diese Datensätze bereits mitgeführt.
B4.2
HYDROGEOLOGISCHE PARAMETRISIERUNG
B4.2.1 DATENANFORDERUNGEN
Ganz wesentlich für das generelle Ziel des GRM Lausitz, die Stofftransportmodellierung für
den gesamten bergbaulich beeinflussten Bereich der Niederlausitz durchzuführen, ist die
räumlich differenzierte hydrogeologische Parametrisierung des Modellgebietes. Dies deshalb,
weil die advektive Ausbreitung der bergbaulich überprägten Grundwässer wesentlich durch
diese Parameterwahl determiniert ist. Wichtig ist es somit vor allem, die hydraulischen
Durchlässigkeitsbeiwerte (k
f
-Werte) sowie die effektiven und totalen Porositäten (n
eff
, n
tot
)
der einzelnen hydrogeologischen Einheiten, in ihrer räumlichen Verteilung zu parameterisie-
ren.
Diesbezüglich kann festgestellt werden, dass folgende generelle Datenquellen dafür relevant
sind: Abgeleitete Daten aus Pumpversuchen, Informationen aus Körnungsuntersuchungen,
gemessene Daten an durchgeführten Labor-Durchströmungsversuchen und Daten, die aus
vorangegangenen Grundwassermodellierungen resultieren, auf Basis dabei durchgeführter
Modellkalibrationen. Alle diese vier prinzipiellen Datenquellen weisen typische, systema-
tische Fehleraspekte auf, die zu beachten sind:
A) Pumpversuche - eventuell fehlerhafte Auswertung (Durchführung) - z. B. zu kurze
Pumpzeiten, keine Berücksichtigung von Randbedingungen etc.
B) Auswertung Körnungsuntersuchungen - z. B. Verlust von Feinkorn beim Bohrprozess,
Agglomeratbildung aus Feinkorn bei Siebung nicht richtig unterbunden - beide Bsp.
würden zur Überschätzung der Durchlässigkeit führen.
C) Labor-Durchströmungsversuche - Daten liegen vermutlich nur sehr begrenzt vor.
Frage der Repräsentanz des Materials, Randläufigkeiten in den Kernhaltern etc.
D) Verwendung kalibrierter Daten anderer Modelle - Dies bezieht sich natürlich vor al-
lem auf die Parametrisierung der Regionalmodelle. Die in diesen Modellen liegende Er-
fahrung, bei erfolgreicher Kalibrierung, sollte genutzt werden. Jedoch muss dafür die
Detailliertheit (und vertikale, horizontale Auflösung) beider Modelle vergleichbar sein.
Wesentlich bei der Datenrecherche war, herauszustellen, wo digital verfügbare Datenpools
vorhanden sind. Dies im Gegensatz zu papiergebundenen Daten, die erst noch digital er-
fasst werden müssen.
In Bezug auf die oben aufgeführten, prinzipiell möglichen systematischen Fehler der ver-
schiedenen Datenpools muss dennoch bewusst bleiben, dass im Rahmen des GRM-Aufbaues
keine vollständige Überprüfung der hydrogeologischen Parameter, in Bezug auf ihre Aus-
gangsdaten erfolgen kann. Jedoch ist dies stichprobenhaft zu kontrollieren. Eventuell bieten
sich dafür, begleitend zum eigentlichen Modellaufbau auch studentische Qualifikationsarbei-
ten an.

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 46
VITA-MIN
B4.2.2 DATENRECHERCHE
Die durchgeführte Datenrecherche ergab, dass die wesentlichen, weil auch digital verfüg-
baren Datenspeicher für diese Aufgabe, die des LfULG Sachsen und der LEAG sind. Hierbei
ist weiterführend zu vermerken, dass diese beiden Datenpools, wie schon für die geologi-
schen Daten vermerkt, sich sehr gut ergänzen. Natürlich bedarf es dann einer weiteren Ver-
dichtung in den wohl zumeist Brandenburger Bereichen, die nicht durch die LEAG-Daten
definiert werden können (siehe unten).
Bezüglich des LfULG-Datenpools wird hierbei die Hauptaufgabe darin bestehen, anhand der
zum Teil notwendigen Zusammenführung von geologisch/hydrogeologischen Schichten (vgl.
Kap. B4.1), auch eine Überführung der hydrogeologischen Parameter abzuleiten. Außerdem
ist anzumerken, dass durchaus noch nicht sämtliche Daten in digitaler Form vorliegen, son-
dern erst aus Ergebnisberichten der Braunkohlenerkundung etc. händisch recherchiert wer-
den müssen.
In Bezug auf den LEAG-Datenpool ist zu vermerken, dass eine Verknüpfung der geologisch,
hydrogeologischen Bohrungsdaten zu den hydrogeologischen Parametern über den „Kom-
plex-Speicher Geotechnik“ besteht. Jedoch kann erst in der eigentlichen Bearbeitung (dem
eigentlichen Aufbau des GRM Lausitz) geklärt werden, für welche Bereiche die hydrogeologi-
schen Parameter zum Teil doch nicht vollständig digital aufbereitet vorliegen, sondern z. B.
nur als pdf-Dateien.
In Bezug auf die Daten, die beim LBGR Brandenburg zur hydrogeologischen Parametri-
sierung vorhanden sind, ist deutlich festzuhalten, dass diese nicht digital aufbereitet vorlie-
gen. Sie sind in Papierform den typischen Bohrarchivakten zu entnehmen. Diesbezüglich ist
klar, dass diese Daten nur zur Verdichtung der oben benannten digitalen Datenpools ver-
wendet werden können. Dies für Bereiche, in denen diese digitalen Datenpools Lücken auf-
weisen.
Inwieweit der bohrungsgetragene Datenpool der LMBV eine Erweiterung zum LfULG-/LEAG-
Datenpool darstellt, auch gegenüber den „papierverfügbaren“ Daten aus den Bohrarchiv-
akten des LBGR Brandenburg, konnte bis jetzt nicht abschließend geklärt werden. Es wird
nicht davon ausgegangen, dass dies in Größenordnung der Fall ist. In jedem Fall muss beim
Aufbau des GRM Lausitz abschließend eine Überprüfung in Bezug auf diesen LMBV-
Datenpool erfolgen.
Bei der Recherche wurde vom LBGR Brandenburg darauf verwiesen, dass gerade für Berei-
che, die schlecht durch die Braunkohleerkundung abgedeckt sind, der vorhandene HYRA-
Datenspeicher und generell Untersuchungen zur Ausweisungen von z.B. Schutzzonen an
Trinkwasserfassungen relevant sind. Es ist zu vermerken dass, wenn diese Untersuchungen
ab der 1990er Jahre im Auftrag der Wasserwerke erfolgten, es einer Genehmigung zur Ver-
wendung der Daten durch die Wasserwerkseigentümer bedarf.
Wie in Kap. B4.2.1 unter D) vermerkt, ist es natürlich zielführend, wesentliche Charak-
teristika der Regionalmodelle in die Parametrisierung des GRM Lausitz mit einzubeziehen.
Dies kann sich natürlich nur auf die differenziert aufgebauten Regionalmodelle beziehen.
Besondere Bedeutung erlangt dieser Datenpool auch zum Vergleich zu den aus den anderen
Datenpools abgeleiteten räumlichen Verteilungen.
B4.2.3 EINSCHÄTZUNG DER DATENBASIS
Es ist einzuschätzen, dass eine Datenbasis für die Belegung des GRM Lausitz mit hydrogeo-
logischen Parametern vorhanden ist. Zuerst sind zur Parametrisierung die Datenbestände

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 47
VITA-MIN
von LfULG Sachsen und von LEAG (unter Voraussetzung der Zustimmung) zu verwenden.
Diese ergänzen sich räumlich sehr gut. Nachfolgend ist die dabei entstandene Datenbele-
gung durch Daten aus dem LMBV-Datenpool und dem LBGR Bohrarchiv zu verdichten.
In jedem Fall muss bewusst bleiben, dass es bei allen Datenpools einer „bewertenden Auf-
bereitung“, vor endgültiger Verwendung bedarf. Dabei stellt sich bei den digitalen Daten-
pools vor allem die Frage der Repräsentanz und der Zusammenführung von Einzeldaten.
Dies gilt vor allem auch für die Parametrisierung der hydrogeologischen Einheiten. Für die
„papierverfügbaren“ Daten muss natürlich erst die digitale Erfassung erfolgen.
Insgesamt sind für alle erfassten Parameter-Daten räumliche Überprüfungen der Datenkon-
sistenz in den verschiedenen ausgehaltenen hydrogeologischen Einheiten durchzuführen.
Zielführend dafür wäre z. B. eine Überprüfung der d
10
und d
60
-Werte aus den Körnungs-
untersuchungen in den verschiedenen Einheiten. Das LfULG verfügt dabei über ein Pro-
gramm zur Auswertung von Korngrößenanalysen, das direkt auf die Struktur der Geologi-
schen Datenbank aufsetzt.
B4.3
DATEN FÜR ÄUßERE RANDBEDINGUNGEN
B4.3.1 DATENANFORDERUNGEN
In Kap. B1.1.1 wurden Grundaussagen getroffen, welche wesentlichen Dinge bei der Wahl
und detaillierten Definition des Randes/der Randbedingungen zu beachten sind. Daraus ab-
geleitet und vereinfacht zusammengefasst wird für das GRM möglichst die Definition „harter
Randbedingungen“ angestrebt. Dies heißt, Polygonzüge - basierend auf Grundwassermess-
stellen und ihren Wasserstands-Ganglinien - und nicht die Wahl geschlossener Ränder,
wenn dies nicht zwingend notwendig ist. Gleichfalls sollten die Ränder so definiert werden,
dass wesentliche Vorfluterabschnitte voll bilanzierbar sind, also somit nicht als Randbedin-
gungen benutzt werden können. Aus diesen Anforderungen leitet sich ab, dass die Recher-
che vor allem aufzeigen musste, welcher Datenpool an GW-Messstellen mit langfristigen
Messreihen vorhanden ist.
B4.3.2 DATENRECHERCHE
Wie in Kap. B4.3.1 herausgestellt, erfolgte die Datenrecherche zu Grundwassermessstellen
mit langfristigen Messreihen. Aktuelle Präzisierungen dazu liegen mittlerweile mit dem
LfULG-Projekt „Evaluierung Grundwassermonitoring“ vor.
Die Zusammenschau der Messstellen im Untersuchungsgebiet aus verschiedenen Daten-
pools geht aus nachstehender Abb. B4-2 hervor. In Bezug auf mögliche GRM-Modellränder
ist herauszustellen, dass am Beispiel des Südrandes (Datenbestand LfULG Sachsen) ein
Netz aus relevanten Messstellen zur Ableitung eines Randpolygonzuges möglich ist. Dies gilt
auch in ähnlicher Art für den Nordbereich. Im Einzelnen ergeben sich auch Bereiche für die
eine Verdichtung von GW-Messstellen notwendig ist. Gleichfalls ist bei der eigentlichen Be-
arbeitung dann genau festzulegen, für welche GW-Leiter diese Verdichtungsnotwendigkeiten
sich ergeben.
Anzumerken ist auch, dass im Zuge der hier durchgeführten Recherche keine Tiefenprüfung
bzw. detailierte Kontrolle der tatsächlichen Verwendbarkeit der in Abb. B4-2 dargestellten
Messstellen erfolgt ist. Die Messstellen unterliegen, insbesondere in Bereichen mit aktivem
Bergbau, einer jährlichen Veränderung. Dies erfordert eine zum eigentlichen Modellaufbau
des GRML zeitnahe Überprüfung bzw. erneute Kontrolle der hier dargestellten Verhältnisse.

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 48
VITA-MIN
Abbildung B4-2: Verteilung der GW-Messstellen im Untersuchungsgebiet
B4.3.3 EINSCHÄTZUNG DER DATENBASIS
Die Datenrecherche zeigt, dass die in Kap. B4.3.2 zusammengefassten Anforderungen, die
vor allem auf die Benutzung von zeitveränderlichen Randbedingungen 1. Art, auf Basis eines
Polygonzuges langjährig gemessener Grundwasserstandsmessstellen abzielen, erfüllbar
sind.
Somit ist die Festlegung „harter“ Randbedingungen für das GRM Lausitz gewährleistet. Im
Detail sind beim GRM-Aufbau, in einem der ersten Schritte, ganz konkret die Daten der für
den Rand wesentlichen Messstellen zu bewerten, um dann konkret die Messstellen für den
Rand-Polygonzug auszuwählen. Dies muss verknüpft mit der endgültigen Festlegung der
Untergliederung des generellen hydrogeologischen Strukturmodells erfolgen.
Es ist diesbezüglich auch festzuhalten, dass zuerst eine klare Aussage von einem potentiel-
len Auftraggeber des Aufbaus eines GRM Lausitz zu treffen ist, hinsichtlich A) Aussagegebiet
und B) welche Vorfluterbereiche sollen vollbilanzmäßig erfasst werden und stehen somit
nicht zur Randbedingungsfestlegung zur Verfügung!
B4.4
GEOCHEMISCHE DATEN ALS BASIS FÜR DIE RÄUMLICHE CHARAKTERISIERUNG DER
KIPPENBESCHAFFENHEIT
B4.4.1 DATENANFORDERUNGEN
Ein wesentlicher Punkt in Bezug auf die Stofftransportmodellierung ist es, die großen inne-
ren Stoff-Quellterme im Untersuchungsgebiet, die verschiedenen Braunkohleabraumkippen,
genauer zu charakterisieren. Zwar lässt sich eine Typisierung der Kippenwässer mittels der
verfügbaren Kippenwasseranalysen durchführen, aber bereits um diese einordnen zu kön-
nen, ist eine vergleichende Inventarisierung dieser Kippenkörper notwendig.

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 49
VITA-MIN
Um diese Kippeninventarisierung, auch Vorfeld-Bilanzierung genannt (HOTH 2004), durch-
führen zu können, sind Daten zur geochemischen Beschaffenheit der zur Verkippung ge-
langten Abbraummaterialien ganz entscheidend. Nach Zuordnung der Daten der Einzel-
proben zu den relevanten geologischen Auswerteeinheiten wird für diese verschiedenen
Auswerteeinheiten die Verteilung der wesentlichen Stoffparameter überprüft. Es sind im
Endeffekt Flächentrends in diesen Auswerteeinheiten auszuweisen. Bei potentiell eher unge-
richteter Verteilung der Gehalte sind demgegenüber geeignete Mittelwerte herauszustellen.
Wesentlich sind diesbezüglich vor allem die Schwefel- und die Karbonat-Gehalte. Weiterhin
ist eine genauere Kennzeichnung der Körnungsverhältnisse sowie der Gehalte an organi-
schem Kohlenstoff (TOC) und der Kationenaustauschkapazität (KAK) möglich.
Diesbezüglich die entscheidende Datenquelle, hinsichtlich der Abraummaterialien der ver-
schiedenen Kohlefelder sind die Bodengeologischen Vorfeldgutachten aus den zumeist
1970er und 1980er Jahren. Das Ziel dieser Untersuchungen bestand in der Kennzeichnung
der Rekultivierungsfreundlichkeit bzw. -feindlichkeit der einzelnen geologischen Einheiten.
WÜNSCHE (1974) zeigt umfassend die Grundidee und Vorgehensweise für diese Analysen auf.
Neben den oben benannten Parametern ist auch die in diesen Untersuchungen bestimmte
hydrolytische Acidität mit heranzuziehen. Sie kennzeichnet (eher) die potentielle Verwitter-
barkeit der jeweiligen Materialien (genauere Erläuterungen dazu vgl. HOTH 2004).
Nach Interpretation in den einzelnen Auswerteeinheiten erfolgt dann eine Verschneidung
des erhaltenen geochemischen Modells mit dem geologischen Modell des GRM. Diese Aus-
wertung erfolgt für die überbaggerten Bereiche und führt somit zur Kippeninventarisierung.
Man erhält damit flächendifferenzierte Mischbeschaffenheiten für die einzelnen Kippenberei-
che. Dabei werden wesentliche Grundzüge der vor Ort angewandten Verkippungstechnolo-
gie mit berücksichtigt. Dies heißt z. B., welche Abraumschichten wurden in eine Abraumför-
derbrücken(AFB)-Kippe und welche in eine Absetzer(AS)-Kippe verstürzt. Es ergeben sich
typische Verteilungsmuster in den einzelnen Kippenkörpern.
Für den nördlichen Bereich des Niederlausitzer Raums ist auf die Bilanzierungen in der Dis-
sertation HOTH (2004) hinzuweisen. Für die anderen Kippenbereiche mit größtenteils LMBV-
Zuständigkeit sind die Arbeiten von GFI mbH Dresden mit der Dissertation von GRAUPNER
(2008) zu nennen.
Weiterhin erfolgten für die LEAG-Bereiche verschiedene Arbeiten durch
die Firma IWB Institut für Wasser und Boden Dr. Uhlmann .
B4.4.2 DATENRECHERCHE
Wie in Kap. B4.4.1 schon ausgeführt, sind als die wesentlichen Datenquellen die Unter-
suchungen der Bodengeologischen Vorfeldgutachten anzusehen. Die Herausarbeitung der
Einzeldaten aus den alten Berichten in den verschiedenen Archiven erfolgte durch die in
Kap. B4.4.1 erwähnten Dissertationen. Dabei wurde auch die digitale Erfassung eines Groß-
teils dieser Proben vorgenommen.
In den geführten Recherchegesprächen mit LEAG und LMBV kam zum Ausdruck, das zum
Teil auch weiterführend untersuchte „Neu-Bohrungen“ oder geochemisch untersuchte Tage-
bauprofil-Proben vorliegen. Dennoch ist festzuhalten, dass der wesentliche Datenpool aus
den erwähnten untersuchten Bohrungen der Bodengeologischen Vorfeldgutachten besteht.

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 50
VITA-MIN
Abbildung B4-3: Verteilung der geochemisch untersuchten Vorfeldbohrungen im Betrach-
tungsgebiet mit dem Bereich der bergbaulichen Beeinflussung
Abb. B4-3 weist die Lage dieser bereits von GFI in Projekten für die LMBV bzw. von HOTH
(2004) und TU Bergakademie Freiberg für den Niederlausitzer Nordraum erfassten Bohrun-
gen aus. Es wird die große Anzahl solcher Bohrungen ersichtlich. Auch wenn nicht alle diese
Bohrungen vollständig für das ganze Abraumprofil geochemisch und bodenphysikalisch un-
tersucht wurden, ist dennoch dieser Datenpool beeindruckend. Seine Bedeutung liegt vor
allem in der Vergleichbarkeit der Einzeldaten, da über mehrere Jahrzehnte hinweg de facto
das genau gleiche Untersuchungsvorgehen angewandt wurde.
B4.4.3 EINSCHÄTZUNG DER DATENBASIS
Es ist einzuschätzen, dass eine sehr gute Datenbasis vorliegt. Der weitere Vorteil ist, dass
durch Arbeiten von GFI mbH Dresden und TU Bergakademie Freiberg diese Alt-Papierdaten
bereits zu größerem Teil digital erfasst und bewertet vorliegen.
Bei Beginn einer GRM-Bearbeitung sind diese Einzelproben noch einmal dem im GRM Lausitz
gebildeten geologischen Modell zuzuordnen, um dann die beschriebene Verschneidung (Vor-
feldbilanzierung) durchzuführen. Es ist begleitend die wesentliche Charakteristik der Verkip-
pungstechnologie für die verschiedenen Kippenkörper zu recherchieren und mit einzubezie-
hen. Nach dieser räumlichen Inventarisierung der Kippenkörper kann dann der Ver-
gleich/ Abgleich zu den vorliegenden Kippenwasserbeschaffenheitsdaten erfolgen (siehe
Kap. B4.5). Wie vom Projektteam im Projekt „Sulfattransportmodellierung im Südraum
Leipzig“ (HOTH et al. 2014) erfolgreich praktiziert, resultiert dann daraus die abschließende
Festlegung der Anfangsbedingungen für die Kippenwasserbeschaffenheiten im 3D-Stoff-
transportmodell. Dabei wurde diese verknüpft mit der Einschätzung zu den wesentlichen
Stoffspeichern in den Kippenkörpern als gebildete Sekundärminerale (vor allem Gips).

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 51
VITA-MIN
B4.5
DATEN HYDROCHEMISCHE BESCHAFFENHEIT GRUNDWASSER
B4.5.1 DATENANFORDERUNGEN
Die hydrochemische Beschaffenheit der Grundwässer ist die wesentliche Datenquelle, um
differenziert für die verschiedenen GWL den hydrogeochemischen Zustand zu charakterisie-
ren und somit auch Festlegungen für den Anfangszustand der Stofftransportmodellierung zu
treffen (siehe bereits Kap. B4.4).
Mit diesen Beschaffenheitsdaten werden also folgende Punkte der Stofftransportmodellie-
rung untersetzt:
Ableitung und Validierung eines geochemischen Modellkonzeptes zur Beschreibung
der Interaktion zwischen Porengrundwasserleiter und der Feststoffmatrix. Wie bereits
in Kap. B4.4 ausgeführt, lässt sich nur aus der hydrochemischen Beschaffenheit der
Grundwässer die Mineralphase Gips als dominanter Sulfat-Feststoffspeicher begrün-
den und quantifizieren. Weiterhin lassen sich auch nur aus der hydrochemischen Be-
schaffenheit die zugehörigen systembeschreibenden Pufferreaktionen, wie die Kar-
bonatlösung, nachvollziehen. Die solchermaßen abgeleiteten Feststoffspeicher sind
wiederum wesentliche Anfangs- und Randbedingungen für das Stoffaustragsmodell.
Vergleich von Berechnungsergebnissen mit Messwerten in den jeweiligen Modell-
grundwasserleitern, zur Prüfung der Modellgüte.
Plausibilitätsprüfung der Berechnungsergebnisse durch Trendanalysen.
Prinzipiell sind mit den Wasserbeschaffenheiten des Grundwassers alleine keine quantitati-
ven Aussagen über wesentliche Stoffinventargrößen des bergbaulichen Einflusses möglich
(z. B. Quantifizierung des sekundär gebildeten „Gipspools“). Dazu sind die Daten vorher in
hydrogeochemische Modellierungen (PHREEQC) einzubinden. Insgesamt ist der erfolgreich
praktizierten Vorgehensweise im Projekt „Sulfatprognose Südraum Leipzig“ in HOTH et al.
[2014] zu folgen.
Soll mit dem Stofftransportmodell eine Aussage über den Zeitraum der bergbaulichen Be-
einflussung getroffen werden, ist die Quelle, also das gesamte verfügbare Stoffinventar
(z. B. für Sulfat und Eisen), zu berechnen und im Stofftransportmodell als Quelle zu berück-
sichtigen.
Mit der Definition des Stoffinventars wird es möglich, den erwarteten, räumlich differenzier-
ten Sulfat- und Eisenaustrag aus den Tagebaukippen und dem Gewachsenen im gesamten
Untersuchungsgebiet zu modellieren. Dies schließt auch die Frachtbetrachtung, zu Fließge-
wässer und Seen im festgelegten Prognosezeitraum ein.
B4.5.2 DATENRECHERCHE
Für den Bereich des zukünftigen GRM Lausitz konnten konkrete Grundwasser-Gütemess-
stellen sowohl bei den Landesämtern von Sachsen und Brandenburg, als auch bei LMBV und
LEAG recherchiert werden. Zusammengeführt sind diese Messstellen in nachfolgender Abb.
B4-4 dargestellt.
Die Messreihen der einzelnen Gütepegel umfassen recht unterschiedliche Zeitreihen, bein-
halten jedoch sehr umfangreiche Messparameter. Somit ist eine gute Datenbasis gegeben,
die auch für die Zukunft Messwerte im gesamten Modellgebiet liefern wird. Natürlich sind
die Messstellen nicht gleichmäßig über die Fläche verteilt. Es ergibt sich eine verständliche
Konzentration von Messstellen um die Abbaubereiche. Aussagen zu einer zielführenden Ver-

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 52
VITA-MIN
dichtung des Netzes von Gütemessstellen aus Sicht des GRML sollten erst im Zuge der
Erstmodellierung getroffen werden.
Abbildung B4-4: Verteilung der Grundwassergütemessstellen im Bereich GRM Lausitz
Wie bereits für die GW-Messstellen insgesamt angemerkt (vgl. Kap. B4.3.2), ist im Vorfeld
der eigentlichen Erstellung eines GRM eine detaillierte Prüfung der Verwendbarkeit der ein-
zelnen Gütemessstellen (Abb. B4-4) nötig, da sich v. a. hinsichtlich der in der Zuständigkeit
von LEAG befindlichen Messstellen, aufgrund des aktiven Tagebaus, jährliche Veränderun-
gen ergeben.
B4.5.3 EINSCHÄTZUNG DER DATENBASIS
Die sich aus den bisherigen Recherchen ergebende Datenbasis, hinsichtlich Grundwassergü-
te-Messstellen, ist als überwiegend sehr gut einzuschätzen, um die Bereiche in und um die
großräumigen Stoffquellen (Kippenkörper) zu kennzeichnen. Allerdings muss für die Nut-
zung im GRM Lausitz noch eine detaillierte Recherche hinsichtlich der Zuordnung der Mess-
stellen zu den späteren Modellgrundwasserleitern erfolgen. Möglicherweise ergibt sich dar-
aus eine ungleiche Verteilung über die Fläche.
Auch ist aus der Verteilung der gefundenen Messstellen erkennbar, dass insbesondere im
Randkorridor des künftigen GRM Lausitz nicht überall ausreichend viele GW-Güte-Mess-
stellen zur Verfügung stehen. Hier bedarf es einer Verdichtung, über die aber erst im Zuge
der Erstmodellierung entschieden werden sollte.
B4.6
DATEN OBERFLÄCHENGEWÄSSER
B4.6.1 DATENANFORDERUNGEN FLIEßGEWÄSSER
Grundsätzlich sind die Datenanforderungen der beiden Modelle (Grundwasser - und Boden-
wasserhaushaltsmodell) an die Fließgewässerinformationen ähnlich. Es gibt nur vereinzelte

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 53
VITA-MIN
modellspezifische Unterschiede im Anforderungsprofil, welche die nachstehende Tab. B4-1
aufzeigt.
Wesentliche Grundvoraussetzung für die Realisierung der Modellkopplung ist, dass beiden
Modellen die gleiche Fließgewässernetzgeometrie zugrunde liegt. Im Bodenwasserhaus-
haltsmodell wird ein Fließgewässernetz für die modellseitige Beschreibung der Abflusskon-
zentration im Gerinne benötigt. Darüber hinaus sind Informationen zur Gewässerprofilgeo-
metrie im Quer- und Längsschnitt erforderlich, um das Abflussverhalten im Fließgewässer zu
simulieren. Für die Modellierung der Fließgewässerspeisung aus deren Einzugsgebieten wer-
den außerdem geometrische Informationen zu den oberirdischen Einzugsgebieten benötigt.
Tabelle B4-1: Benötigte Fließgewässerinformationen
Attribut/Datenart
GWM
BWHM
Lageinformation
x
x
Profilinformationen
x
x
Topologische Konsistenz
x
x
Hydraulische Durchlässigkeit der
Gewässersohle/Mächtigkeit Kolmationsschicht
x
W-Q-Beziehungen
x
Abflussmessungen
x
x
Oberirdisches Einzugsgebiet
x
Im Grundwassermodell werden zusätzlich Aussagen zur Mächtigkeit der Kolmationszone
sowie deren hydraulischer Durchlässigkeit benötigt, um die Austauschraten von Grund- und
Oberflächenwasser ermitteln zu können. Weiterhin werden für einzelne Fließgewässerab-
schnitte Durchfluss-Wasserstandsbeziehungen benötigt, um die Wasserstände bzw. Durch-
flüsse im Fließgewässer korrekt ermitteln zu können.
Anforderungen an die Fließgewässergeometrie sind:
topologische Konsistenz, d. h. Fließrichtung und -beziehungen müssen erkennbar sein.
Fließgewässervermessung mit Profilinformation (Sohlhöhe, Sohlbreite, Profiltiefe, Profil-
oberkantenbreite, Sohlneigung, Sohlrauhigkeit, hydraulische Durchlässigkeit der Ge-
wässersohle).
Sind keine Profilinformationen verfügbar, können die Höheninformationen näherungsweise
aus einem hoch aufgelösten digitalen Geländemodell gewonnen werden. Angaben zu Sohl-
breite bzw. Profiloberkantenbreite können durch Vermessung von Orthophotos abgeschätzt
werden.
Anforderungen an die Einzugsgebietsgeometrie sind geschlossene Polygone.
Sind keine Informationen zu oberirdischen Einzugsgebieten vorhanden, können diese durch
Auswertung eines digitalen Geländemodells gewonnen werden. Von Belang könnte diese
Methode für die Abbildung des Bergbaufolgezustandes sein, welcher durch eine veränderte
Vorflutsituation sowie veränderte geomorphologische Verhältnisse geprägt sein kann. Be-
dingung wären die Kenntnis davon, welche Fließgewässer zukünftig die Vorflutfunktion er-
füllen werden, wo sich diese befinden und welches Höhenniveau die Geländeoberkante zu-
künftig aufweisen wird.
B4.6.2 DATENANFORDERUNGEN STANDGEWÄSSER
Standgewässer werden im Bodenwasserhaushaltsmodell über die Landnutzung definiert und
bilanziert. Die wesentliche Information, die benötigt wird, ist die Flächenausdehnung der

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 54
VITA-MIN
Gewässer (Tab. B4-2). Über einen vereinfachten Verdunstungsansatz kann die Verdunstung
von der freien Wasserfläche somit bei der Aufstellung der Gebietsbilanz berücksichtigt wer-
den. Sofern das Bodenwasserhaushaltsmodell wie vorgeschlagen im Rahmen eines Flussge-
bietsmodells läuft, werden die Standgewässer ähnlich wie im Grundwassermodell über Spei-
cherinhaltslinien und W-Q-Beziehungen erfasst.
Im Grundwassermodell sollte für eine korrekte Bilanzierung der Standgewässer die Gewäs-
serverdunstung tiefenabhängig vorgegeben werden. Diese kann auf Grundlage frei verfüg-
barer Klimadaten mit dafür vorgesehenen Berechnungsverfahren bestimmt werden. Außer-
dem werden morphologische Informationen der Gewässerhohlkörper benötigt, um daraus
Flächen-Volumen-Wasserstandsbeziehungen abzuleiten. Daraus werden Wasserstände, in
Abhängigkeit vom Füllvolumen berechnet.
Das oberirdische Einzugsgebiet im Grundwassermodell sollte bis zur unmittelbaren Oberkan-
te des Böschungssystems der Gewässerhohlform reichen. Über einen vereinfachten Berech-
nungsansatz kann somit der Landoberflächenabfluss im Böschungsbereich berücksichtigt
werden. Im Bodenwasserhaushaltsmodell hingegen muss das gesamte oberirdische Ein-
zugsgebiet betrachtet werden, da eine detaillierte Simulation der Oberflächenabflussbildung
innerhalb des Einzugsgebietes erfolgt.
Tabelle B4-2: Benötigte Standgewässerinformationen
Attribut/Datenart
BWHM
GWM
Flächengröße
x
Morphometrische Informationen
(Wasserstands-Volumen-Flächenbeziehung)
x
Oberirdisches Einzugsgebiet
x
x
Gewässerverdunstung
x
x
Gewässersohle – Kolmation
x
B4.6.3 DATENRECHERCHE FLIEßGEWÄSSER
Für die Modellierung der Fließgewässer sind die in Tab. B4-3 benannten Datenarten und -
quellen wesentlich. Die Beschaffung flächendeckender geometrischer Informationen ist in
der Regel unproblematisch und kostenfrei. Bei den Gewässerprofil- und Beschaffenheitsda-
ten sowie bei den vorliegenden Abflussmessungen ist im Zuge der Bearbeitung im Detail zu
prüfen, ob diese für die gewünschten Aussagen ausreichend sind. Wenn dies nicht der Fall
sein sollte, müsste die Datenbasis nachverdichtet werden, gegebenenfalls auch durch Ei-
generhebungen (Stichtagsmessungen, Profilvermessungen etc.).
Insgesamt liegen aus den bestehenden Landesmodellen Daten vor (vgl. Kap. B4.7.3). Diese
sind vor allem für die überbaggerten Bereiche zu qualifizieren.
Tabelle B4-3: Datenquellen Fließgewässer
Datenart
Datenquellen
Bergbaulich
überpräg-
ter Raum
Bergbaulich nicht überprägter Raum
Sachsen
Brandenburg
Oberirdische Einzugsgebiete
LEAG, LMBV
Wasserhaushalt-
sportal, LfULG
Landesmodell- Bran-
Gewässernetz
denburg, LfU
Profilinformation
LEAG, LMBV
Gewässerstruk-
turkartierung
2016 (LfULG),
LTV
Gewässerzustands-
bewertung (LfU)

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 55
VITA-MIN
Datenart
Datenquellen
Bergbaulich
überpräg-
ter Raum
Bergbaulich nicht überprägter Raum
Sachsen
Brandenburg
Beschaffenheit
LEAG, LMBV
Gewässergüteda-
ten LfULG
Gewässergütedaten
LfU
Abflussmessung
LEAG, LMBV
LfULG
LfU
B4.6.4 DATENRECHERCHE STANDGEWÄSSER
Geometrische Informationen zu Standgewässern können kostenfrei bezogen werden. Die
zur Verfügung stehenden Daten für Standgewässer sind in Tab. B4-4 ausgewiesen. Daten
zur Bergbaufolgesituation sind aus Planungsunterlagen von LMBV und LEAG zu entnehmen.
Gewässerlotungen liegen ebenfalls in der Regel vor. Die benötigten meteorologischen Mess-
größen für die Berechnung der Gewässerverdunstung sind zumeist frei verfügbar.
Die Gewässerverdunstung wird mittels eines vereinfachten Kombinationsverfahrens nach
RICHTER (1984) im DVWK-Merkblatt 238/1996 berechnet.
Tabelle B4-4: Datenquellen Standgewässer
Datenart
Datenquellen
Bergbaulich
überprägter
Raum
Bergbaulich nicht überprägter Raum
Sachsen
Brandenburg
Standgewäs-
sergeometrie
LEAG, LMBV
CIR- Biotoptypen- und
Landnutzungskartierungen
der Jahre 1993, 2005
(LfULG), Gewäs-
serstrukturkartierung 2016
(LfULG), LTV
Landesmodell- Bran-
denburg, CIR- Biotopty-
pen- und Landnut-
zungskartierungen der
Jahre 1993, 2009 (LfU)
Morpho-
metrische
Daten
Gewässerlotun-
gen, Risswerke
(LEAG, LMBV)
LTV für Talsperren
Einzugsgebiet
Vermessungsda-
ten aus Befliegun-
gen (LEAG, LMBV)
DGM (Landesvermessung)
DGM (Landesvermes-
sung)
Gewässer-
verdunstung
Meteorologische
Messdaten (LEAG,
LMBV)
Berechnet aus Meteorolo-
gische Messdaten (DWD)
Berechnet aus Meteoro-
logische Messdaten
(DWD)
B4.6.5 EINSCHÄTZUNG DER DATENBASIS OBERFLÄCHENGEWÄSSER
Für die Bereitstellung der benötigten Informationen zu den Oberflächengewässern stehen
verschiedene Quellen zur Verfügung (Tab. B4-3, B4-4). Die Datenlage ist als gut bis sehr
gut zu beurteilen. Bei einem möglichen GRM-Aufbau müsste geprüft werden, ob die benötig-
ten Informationen - neben den öffentlich zugänglichen Quellen - auch aus unveröffentlichten
Auftragsarbeiten der genannten Institutionen in bereits weiter aufgearbeiteter Form bezo-
gen und benutzt werden können. Weiterhin ist ebenfalls zu prüfen, ob Sekundärinformatio-
nen der Regionalmodelle verwendet werden können.
Für die relevanten Gewässer stehen Daten in ausreichendem Umfang für die Einbindung in
die GW-Strömungsmodelle zur Verfügung. Das betrifft die morphometrischen Informationen
und die daraus abgeleiteten Wasserstands-Volumen-Flächenbeziehungen. Auch die Daten zu
den oberirdischen Einzugsgebieten der Seen zur Bestimmung des „surface-runoff“ sind aus

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 56
VITA-MIN
den Oberflächen-Abflussmodellen verfügbar. Meteorologische Datenreihen für die Nieder-
schläge können aus Messwerten abgeleitet werden. Bezugsquellen sind mit den DWD-
Stationen in der Lausitz verfügbar. In Sachsen erfolgte die Aufbereitung der Daten im Sys-
tem REKIS. Die Gewässerverdunstung kann aus den Klimadaten berechnet werden (DWA-M
504-1, DVWK 1996) oder ist Ergebnis der gekoppelten Modellierung (siehe ArcEGMO).
Flächendeckende Daten zur Charakterisierung der Gewässersohle (Kolmationsschicht) ste-
hen nur für wenige Tagebaufolgeseen und Fließgewässerabschnitte zur Verfügung. Wenn
eine Erhebung von Daten erfolgte, dann häufig im Zusammenhang mit wissenschaftlichen
Untersuchungen. Zielführender wird es sein die Bestimmung der Parameter, die die Interak-
tion zwischen den Fließgewässern und dem Grundwasserleitern beschreibt, aus einer ersten
Modellkalibrierung abzuschätzen.
B4.7
DATEN FÜR BODENWASSERHAUSHALTSMODELL
B4.7.1 GENERELLE DATENANFORDERUNGEN
Für den Aufbau des Bodenwasserhaushaltsmodells (BWHM) werden folgende Daten zur Be-
schreibung der hydrologisch relevanten Eigenschaften des Untersuchungsraumes benötigt:
Oberirdische Einzugsgebiete,
Gewässernetz,
DGM (Höhenlage, Gefälle, Aspekt),
Bodendaten (Pedologie),
Versiegelung, Anschlussgrad und Art der Kanalisation,
Vegetationsbestand (benötigte Kennwerte abhängig vom gewählten Vegetationsmodell).
Melioration / Drainagen in den nicht bergbaulich geprägten Randbereichen,
Grundwasserflurabstand (sofern Teilbereiche des GRM nicht gekoppelt modelliert wer-
den sollen, ansonsten wird der GW-Flurabstand aus dem GW-Modell bereitgestellt).
Abbildung B4-5: Aggregations-Schema von ArcEGMO: Erzeugung von Hydrotopen durch
Verschneidung der Basiskarten (links) und Erstellen des finalen Raum-
modells durch Zuordnung dieser Hydrotope zu den Teileinzugsgebieten
des Untersuchungsraumes (rechts)

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 57
VITA-MIN
Aus diesen Basisdaten werden entsprechend des Aggregationsschemas von ArcEGMO (BE-
CKER et al. 2002, PFÜTZNER 2002) Hydrotope bzw. Elementarflächen als Modellgeometrien
des Bodenwasserhaushaltsmodells gebildet (Abb. B4-5), die sich meist als unregelmäßige
Polygone ergeben.
In der Regel werden wesentliche Einflussgrößen, wie die Oberflächenmorphologie, die Bo-
deneigenschaften und die Verteilung der Landnutzung im Untersuchungsgebiet, als zeitlich
unveränderlich (stationär) angesetzt.
Weitere Größen, wie die Vegetationsbedeckung oder die Grundwasserflurabstände, werden
je nach Zielstellung der Modellierung und Verfügbarkeit entsprechender Informationen be-
nötigt:
ebenfalls stationär mit zeitlich nicht veränderlichen Kennwerten oder
über die Vorgabe einer zeitlichen Entwicklung als externe Randbedingung (z. B. Jah-
resgänge als Zeitfunktion) oder
instationär deterministisch simuliert über physikalisch fundierte Modellansätze (Ve-
getationsmodelle, Grundwassermodelle).
Die zeitlich veränderlichen Randbedingungen für das hydrologische Regime eines Gebietes
und damit für dessen Bodenwasserhaushalt werden für die Modellierung als Zeitreihen be-
nötigt. Im Einzelnen sind dies:
Meteorologische Zeitreihen (Niederschlag, Lufttemperatur, Strahlung/ Sonnenschein-
dauer, Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit) als Tageswerte in hinreichender räumlicher
Auflösung für einen hinreichend langen Zeitraum,
Abflussdaten an Oberflächenwasserpegeln, als Tageswerte in hinreichender räumli-
cher Auflösung für einen hinreichend langen Zeitraum für die Modellkalibrierung und
die Validierung der im Rahmen der gekoppelten Oberflächen-Grundwasser-Model-
lierung ermittelten Gebietswasserbilanzen,
Wassernutzungen (Entnahmen, Einleitungen, Überleitungen) in möglichst hoher zeit-
licher Auflösung (Mittelwerte für Jahresperioden) als Quellen und Senken im Rahmen
der Gebietswasserbilanzierung.
Eine ausführliche Beschreibung der benötigten Daten ist Bestandteil der ArcEGMO-PSCN-
Dokumentation.
B4.7.2 ANFORDERUNGEN AN EINE GEKOPPELTE MODELLIERUNG
Für den Datenaustausch zwischen Grund- und Oberflächenwassermodell, im Rahmen der
gekoppelten Modellierung, ist eine Angleichung der Modellgeometrien beider Modelle not-
wendig. Da Grundwassermodelle zumeist nicht auf Basis unregelmäßiger Polygone arbeiten,
übernimmt das Bodenwasserhaushaltsmodell die Geometrien des Grundwassermodells. Da-
mit verbunden ist eine Übertragung der Daten des Bodenwasserhaushaltsmodells auf die
Geometrien des Grundwassermodells.
Ein weiterer Abgleich der Modellgeometrien ist bei den Gewässerdaten notwendig. Es ist
z. B. erforderlich, dass je Modellgeometrie des Grundwassermodells maximal ein Gewäs-
serstrang zugeordnet werden kann. Dies erfordert in Gebieten mit sehr hoher Gewässer-
dichte eine sehr feine Auflösung des Grundwassermodells oder eine Ausdünnung des Ge-
wässernetzes.

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 58
VITA-MIN
B4.7.3 DATENRECHERCHE
Aufgrund der Erfahrungen bei der Erstellung von Bodenwasserhaushaltsmodellen für eine
gekoppelte Modellierung, und um eine gewisse Passfähigkeit zu den existierenden landes-
weiten Modellen in Brandenburg und Sachsen zu gewährleisten, werden im Folgenden die
verwendeten Datengrundlagen für das Landesmodell des LfU Brandenburg, das Wasser-
haushaltsportal beim LfULG Sachsen sowie verfügbare Datengrundlagen für die bergbauge-
prägten Gebiete beschrieben. Anschließend wird eine Empfehlung für die für das GRM Lau-
sitz zu verwendenden Daten abgeleitet.
(1)
Landesweites Niederschlag-Abfluss-Modell Brandenburg
Zielgröße für das Brandenburg-Modell (Abb. B4-6) ist nicht der Bodenwasserhaushalt, son-
dern der Gewässerabfluss. Als Modell wurde der EGMO-Ansatz und nicht das für das GRML
empfohlene PSCN-Modell verwendet. Ursprünglich sollte das Brandenburg-Modell auf die
Landesfläche begrenzt werden und Bergbaugebiete sollten nicht mit modelliert werden.
Abbildung B4-6: Ausdehnung des Bodenwasserhaushaltsmodell mit Vergleich zum berg-
baulich beeinflussten Modellgebietes der LMBV („Lausitzer Löwe“, Stand
1990)

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 59
VITA-MIN
Damit wäre aber die Erstellung von Gebietswasserbilanzen insbesondere im südlichen Bran-
denburg kaum möglich, so dass die vollständigen Einzugsgebiete von Schwarzer Elster,
Spree und Lausitzer Neiße in die Modellierung einbezogen wurden. Wie vorstehende Abbil-
dung B4-6 zeigt, liegt das Modellgebiet für das GRM innerhalb des Landesmodells Branden-
burg.
Anzumerken ist allerdings, dass für die außerhalb Brandenburgs liegenden Gebiete, wie
auch für die Bergbauflächen generell in den letzten Jahren keine Aktualisierungen der ver-
wendeten Grundlagendaten erfolgte.
So sind im derzeitigen Brandenburg-Modell das Gewässernetz gewnet25 (Version 4.1;
Stand: 2015), die Seen (Version 4.1 Stand: 2016) und die oberirdische Einzugsgebiete
ezg25 (Version 4.0; Stand: 2014) weitgehend auf dem aktuellen Stand der LfU-Datenbasis.
Demgegenüber sind diese Daten für die sächsischen Gebietsteile (bis auf das Einzugsgebiet
der Lausitzer Neiße im Rahmen des Projektes NEYMO) seit ca. 10 Jahren nicht mehr erneu-
ert worden.
Abb. B4-7 zeigt weiterhin die verwendeten Bodeninformationen im Brandenburg-Modell. Für
die Landesfläche Brandenburgs wurde die BÜK300 genutzt, die nach wie vor die fundierteste
Bodenkarte für landesweite Betrachtungen in Brandenburg ist.
Für sächsische Anteile wurde das beim Aufbau des Brandenburg-Modells 2004 verfügbare
Blatt der BÜK200 genutzt und ansonsten auf die BÜK1000 zurückgegriffen. Die BÜK1000
wurde auch immer dann verwendet, wenn Flächen in der BÜK300 oder BÜK200 nicht para-
metrisierbar waren. Dies betraf Siedlungsflächen und devastierte, also bergbaugeprägte
Flächen.
Abbildung B4-7: Verwendete Bodeninformationen im Brandenburg-Modell

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 60
VITA-MIN
Zur Charakterisierung der Landnutzung (Abb. B4-8) wurden in Brandenburg und für die
sächsischen Gebietsteile einheitlich die Color-Infrarot-(CIR)-Biotoptypen- und Landnut-
zungskartierung verwendet. In nachfolgender Abb. B4-8 schwarz gekennzeichnet sind de-
vastierte, d. h. bergbaugeprägte Flächen, aus denen mittlerweile teilweise Wasserflächen
bzw. Restseen geworden sind.
Für den Aufbau des GRM Lausitz ist somit auch vorzugeben, welchen Gebietszustand bzw.
welche -zustände das Bodenwasserhaushaltsmodell abbilden soll.
Abbildung B4-8: Verwendete Landnutzung im Brandenburg-Modell
Als Klimadaten wurden die REGNIE-Daten des DWD in einer Auflösung von 1 x 1 km und
einer zeitlichen Auflösung von Tageswerten genutzt. Für die weiteren Klimagrößen wie Luft-
temperatur, Luftfeuchte und Globalstrahlung/Sonnenscheindauer wurden Tageswerte von
den im Modellgebiet verfügbaren Klimastationen des DWD genutzt.
Im Brandenburg-Modell kann der Zeitraum von 1951 bis 2015 gerechnet werden, allerdings
ohne die insbesondere in den bergbaugeprägten Bereichen stattfindenden Entwicklungen,
während eines Simulationslaufes, berücksichtigen zu können. Letztlich ist es (derzeit) nur
möglich, Szenario-Analysen durchzuführen, die Auskunft darüber geben, welche Gebiets-
hydrologie sich eingestellt hätte, wenn über den kompletten Simulationszeitraum die vorge-
gebene Landnutzung gegeben wäre.
Ähnliches gilt für die Oberflächenwasserkörper, für die ebenfalls vorzugeben ist, für welchen
Gebietszustand - und damit oft verbunden, welche Bewirtschaftung - sie ins Modell einzu-
binden sind. Nachfolgende Abb. B4-9 zeigt die Einbindung der Restseekette ins Landesmo-
dell Brandenburg. Für die Einbindung benötigt werden Steuerregeln, die Speicherinhaltslinie
und die Schlüsselkurve.

image
image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 61
VITA-MIN
Abbildung B4-9: Einbezug der Restseekette im Brandenburg-Modell
Die Tab.B4-5 gibt eine Übersicht über die in Brandenburg-Modell für die Landesfläche ge-
nutzten Datengrundlagen.
Tabelle B4-5: Geodaten im Brandenburg-Modell für den Modellbereich Brandenburg
Information
GIS-Kartenmaterial
Format
Boden
BÜK300 (LBGR) Stand 2011
Vektordaten
Landnutzung
Biotop- und Landnutzungskartierung im
Land Brandenburg (BTLN) 2009"; Be-
reitstellung durch LfU Brandenburg
Vektordaten
Versiegelung, Anschluss-
grad und Art der Kanali-
sation
ATKIS-Daten 2010-Objektart Plät-
ze/Gebäude/Straßen (nach Bethwell
2008)
Vektordaten
Rasterdaten
Fließgewässernetz
Gewässernetz gewnet25 (Version 4.1;
Stand: 2015)
Vektordaten
Teileinzugsgebiete
Oberirdische Einzugsgebiete ezg25 (Ver-
sion 4.0; Stand: 2014),
Vektordaten
DGM
ATKIS, DGM1 und DGM10, Stand 2015
Rasterdaten
Grundwasserflurabstände
Spezialkarte des LfU
Vektordaten
(2)
Wasserhaushaltsmodell Sachsen
Für den sächsischen Raum wurde im Rahmen des KLiWES-Projektes durch die TU Dresden
im Auftrag des LfULG, ein Wasserhaushaltsmodell unter Nutzung von ArcEGMO-PSCN auf-

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 62
VITA-MIN
gebaut. Mit diesem Modell können flächendifferenziert verschiedene Wasserhaushaltsgrößen
in täglicher Auflösung berechnet werden, die dann im Wasserhaushaltsportal (WHP) Sach-
sen räumlich und zeitlich aggregiert abrufbar sind.
Bis auf maßgebliche Teile der bergbaugeprägten Lausitz und den Elbeschlauch liegt dieses
Modell landesweit vor.
Die Geodatenbasis setzt sich aus Informationen zu Boden, Landnutzung und Hydrogeologie,
dem Fließgewässernetz und den Teileinzugsgebieten sowie einem Digitalen Geländemodell
zusammen. Die verwendeten GIS Daten sind in Tab. B4-6 dargestellt.
Tabelle B4-6: Verwendete Geodaten im Wasserhaushaltsmodell Sachsen
Information
GIS-Kartenmaterial
Format
Geologie
Hydrogeologische Übersichtskarte Sach-
sen HÜK200, Vektordatensatz
Vektordaten
Boden
Bodenkonzeptkarte BKkonz
Vektordaten
Landnutzung
Amtliches, kartografisches Informations-
system ATKIS-DLM DTK10
Rasterdaten
Fließgewässernetz
Fließgewässernetz Freistaat Sachsen
Vektordaten
Teileinzugsgebiete
EzgSN04205, TEZG Struktur mit Gewäs-
serkennzahlen nach LAWA (1993)
Vektordaten
DGM
Digitale Reliefanalyse Sachsen DGM25,
20 x 20 m, Höhengenauigkeit: 0,2m
Rasterdaten
Der Grundwasserflurabstand wurde aus den Bodendaten (BKkonz und Sächsischer Bodenat-
las des LfULG 2007), der Hydrogeologischen Spezialkarte Hyk50 (LfULG, 2004) und den für
den Lockergesteinsbereich Sachsen vorliegenden Hydroisohypsen ermittelt.
Räumliche Informationen zur Stadtentwässerung (Versiegelungsgrad, Kanalisationstyp und
Anschlussgrad) werden im WHP nach GLÖCKNER & RÜSTER (2010) aus vorliegenden Stadt-
strukturtypenkartierungen hergeleitet.
Meliorationseigenschaften sowie potentiell drainagebedürftige Flächen wurden von MÖLLER et
al. (2009) und STEININGER et al. (2013) ermittelt. Für die Modellierung wurden Drainagen
nur auf Acker- und Grünlandflächen zugelassen (SCHWARZE et al., 2016).
Talsperren und Speicher über 1 Mio. Kubikmeter Volumen werden im WHP ebenso berück-
sichtigt. Für die Analyse des Ist- Zustandes werden die gemessenen Abgaben im Wasser-
haushaltsmodell zur Berechnung verwendet, für Projektionen entspricht der Zufluss zur Tal-
sperre dem Abfluss.
Die Klimadaten wurden für die Berechnung in räumlicher Auflösung von mindestens
1 x 1 km und in zeitlicher Auflösung von Tagesschritten genutzt (Schwarze et al. 2014).
Dazu zählen nach Richter (1995) korrigierter Niederschlag, der Nebelniederschlag in Gebie-
ten, die höher als 400 m NHN liegen, die maximale, mittlere und minimale Lufttemperatur,
relative Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit und Globalstrahlung. Die für den Zeitraum von
1961 bis 2010 vorliegende Datenbasis wurde aus Stationsdaten erstellt, die nach einer im
Rahmen des KliWES-Projekts (TU Dresden, Professur für Hydrologie) erarbeiteten Methode
gerastert wurden.

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 63
VITA-MIN
(3)
Bergbaugeprägte Gebiete
Die bergbaugeprägten Bereiche der Lausitz sind in den beiden Landesmodellen nur im
Randstreifen von ca. 5 km (Sachsen) oder nur sehr vereinfacht (Brandenburg) erfasst. Al-
lerdings wurde für den Leipziger Raum im Jahr 2018 eine gekoppelte Grundwasser-
Bodenwasserhaushaltsmodellierung durchgeführt.
Für eine Untersetzung sind jedoch fundierte Datengrundlagen bei LfULG, der LMBV und der
LEAG vorhanden. Für die Tagebaubereiche Nochten, Jänschwalde und Lauchhammer liegen
die Daten für ein BWHM bereits aufbereitet vor.
Anders als bei den bisherigen landesweiten Datengrundlagen ist der Zeitbezug hier wesent-
lich stärker zu beachten, weil Änderungen im Typ der Landnutzung, der Bodenverhältnisse,
der Oberflächenmorphologie, der Grundwasserverhältnisse und im Gewässersystem dyna-
mischer und kleinräumiger erfolgen.
Für die Datenerfassung und Aufbereitung sind Vorgaben erforderlich, welchen Zustand bzw.
Zeitpunkt die Daten repräsentieren sollen. Daraus ergeben sich dann für unterschiedliche
Bereiche u.U. auch unterschiedliche Datenquellen.
Die Dynamik der Bergbaugebiete kann durch die Erfassung charakteristischer Systemzu-
stände vereinfacht abgebildet werden, wobei die folgenden vier vorgeschlagen werden:
Vorbergbaulicher Zustand bzw. Ausgangszustand,
Devastierung im Rahmen des aktiven Bergbaus,
Oberflächenkonturierung und Wiederbepflanzung im Rahmen der Rekultivie-
rung und
Bergbaufolgezustand (Endzustand).
In der bisherigen Modellierungspraxis wird dabei so verfahren, dass für diese vier Zustände
jeweils die Grundwasserneubildung flächendifferenziert berechnet wird und im Grundwas-
sermodell in Abhängigkeit vom Tagebaufortschritt und der Verkippungstechnologie zeitdy-
namisch vorgegeben wird.
Mit Stützung auf die vorhandene Datenbasis wird mittels einer geeigneten Parametrisierung
ein plausibles Bild des Wasserhaushaltes der unterschiedlichen Phasen des Bergbaus ge-
zeichnet. Wesentliche Rolle spielt die modellseitige Erfassung der Landnutzung sowie der
bodenphysikalischen Eigenschaften. Die Erfassung der Landnutzungsverhältnisse bzw. der
Bodenbedeckung durch Bewuchs lässt sich mit relativ großer Sicherheit für die unterschied-
lichen Systemzustände vornehmen. Über landnutzungsartspezifische Parameter wie z. B.
Bodenbedeckungsgrad, Rauhigkeit sowie weitere pflanzenphysiologisch bestimmte Parame-
ter wie Interzeptionspeicherkapazität, Blattflächenindex und Durchwurzelung lassen sich
unterschiedliche Bodenbedeckungsarten sowie auch Entwicklungsstadien von Waldbestän-
den erfassen. Dazu bietet ArcEGMO eine Vielzahl von Parametersätzen.
Weitaus schwieriger gestalten sich die Erfassung der Bodenverhältnisse und deren Para-
metrisierung. Im Zuge der Devastierung geht durch den fortschreitenden Tagebau die na-
türliche Bodenstruktur verloren. Im nachbergbaulichen Zustand finden anthropogen umge-
lagerte Böden Verbreitung, deren Kornzusammensetzung und bodenphysikalische Eigen-
schaften durch die bodenkundliche Kippenkartierung charakterisiert sind. Für die modellhaf-
te Beschreibung des nachbergbaulichen Zustandes müssen meist begründete Annahmen
getroffen werden.

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 64
VITA-MIN
Diese Annahmen stützen sich auf vorhandene Bodenkartierungen auf bereits verkippten
Arealen im jeweiligen Untersuchungsraum und deren Inter- bzw. Extrapolation auf nicht
kartierte Bereiche. Bodengeologische Kartierungsberichte zu Kippenarealen existieren auch
für die meisten anderen Tagebaubereiche, sie sind für das sächsische Gebiet als sog. Kipp-
bodenkarten im Maßstab 1:10.000 (KBK10) im Bereich Geologie des LfULG digital verfüg-
bar. Digitale Kippbodendaten liegen auch bei der LMBV vor. In beiden Fällen überstreichen
die kartierten Bereiche i. d. R. jedoch nur Teilbereiche der Kippenareale. Mangelt es an
Kippsubstratkartierungen ist die Grundannahme in der Regel folgende, dass für die Rekulti-
vierung das zwischengelagerte Bodensubstrat verwendet wird, welches am Rekultivierungs-
standort Verbreitung fand, bevor er durch den Tagebau devastiert wurde. Da die natürliche
Schichtung des Bodens durch den Umlagerungsprozess gestört ist, wird für den Bergbaufol-
gezustand ein Einschichtbodenprofil bestehend aus der Hauptbodenart des natürlichen vor-
bergbaulichen Bodens angenommen.
Im Folgenden werden wesentliche Datengrundlagen mit Bezugnahme auf die zu beschrei-
benden vier vorgeschlagenen Systemzustände für einzelne Tagebaubereiche innerhalb des
angestrebten Großraummodells Lausitz aufgeführt.
(4)
Vorbergbaulicher Zustand bzw. Ausgangszustand
Für die Erfassung des vorbergbaulichen Landnutzungszustandes (Ausgangzustand für den
Modellstart) eignen sich historische Landnutzungskartierungen bzw. Luftbildaufnahmen.
Eine geeignete Datengrundlage bildet die Biotoptypen- und Landnutzungskartierung aus
dem Jahr 1993, welche für Sachsen und Brandenburg vorliegt. In Ergänzung können histori-
sche Orthophotos, welche bei den bergbaubetreibenden Unternehmen vorliegen genutzt
werden, um Informationen zur Bodenbedeckungsart zu gewinnen.
Vorbergbauliche Bodeninformationen können weiterhin aus den folgenden amtlichen Boden-
daten gewonnen werden, wobei im Einzelfall zu prüfen ist, in welchen Bereichen sich welche
Datenquellen eignen:
• Daten der Reichsbodenschätzung.
• Bodenübersichtskarte 1: 50.000 (LfULG Sachsen).
• Bodenübersichtskarte 1: 300.000 (LfU Brandenburg).
• Bodenübersichtskarte 1: 200.000 (BGR).
In den meisten Fällen sind vom Bergbau devastierte Bereiche in den Bodenübersichtskarten
nicht kartiert. Jedoch liegen für überbaggerte und danach wieder rekultivierte Bereiche nach
ca. 1960 zumeist Bodenkippenkartierungen vor. Diese sind im Bereich von Sachsen mittler-
weile über das LfULG mehr oder weniger flächendeckend, auch digital im LfULG selbst, ver-
fügbar. Ebenfalls liefern historische topographische und geologische Karten Informationen
zu vorbergbaulich, geomorphologisch, hydrographischen Verhältnissen. Historische geologi-
sche Karten zur Quartärverbreitung liefern ebenfalls Anhaltspunkte für die Zusammenset-
zung des Bodensubstrats und erlauben Rückschlüsse auf Bodenarten.
(5)
Devastierung im Rahmen des aktiven Bergbaus (Istzustand)
Der aktive Bergbau ist geprägt durch ausgedehnte vegetationsarme bzw. -freie Flächen, die
im Zusammenhang mit der Vorfeldberäumung und der Abbautätigkeit geschaffen werden.
Die Rodung großer Waldbestände bedingt eine gravierend andere Wasserhaushaltssituation.
Die Grundwasserneubildung ist dann auf diesen vegetationsfreien Arealen deutlich begüns-
tigt und erhält als Bilanzgröße besonderes Gewicht.

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 65
VITA-MIN
Im Rahmen der Bodenwasserhaushaltsmodellierung kann der Istzustand bzw. die Phase der
Devastierung sehr gut über Orthophotos erfasst werden, die regelmäßig durch die LEAG und
die LMBV in Auftrag gegeben werden. Unterschiedliche Momentaufnahmen der aktiven
Bergbauphase liefern darüber hinaus die Biotoptypen- und Landnutzungskartierungen von
Sachsen aus dem Jahr 2005 und für Brandenburg aus dem Jahr 2009.
(6)
Oberflächenkonturierung und Wiederbepflanzung im Rahmen der Berg-
bausanierung
Dieser Zustand beschreibt ein Stadium zwischen der Devastierung und dem Bergbaufolge-
zustand. Unentbehrlich sind Informationen zur geplanten Bergbaufolgenutzung. Für den
Großraum Jänschwalde liefern z. B. derartige Informationen verfahrensführende Unterlagen
zum Braunkohlenplan Jänschwalde und Jänschwalde-Nord sowie über den Braunkohleplan
Tagebau Cottbus-Nord.
Ebenfalls für die übrigen Tagebaue innerhalb des geplanten Großraummodell-Lausitz-
Gebietes existieren derartige Unterlagen zur Bergbaufolgenutzung. Diese liefern Hinweise
über die angestrebte zukünftige Landnutzung. Waldflächen nehmen eine Sonderrolle ein, da
aufwachsende Waldbestände eine langsame Dynamik besitzen und eine langwierige Verän-
derung des Wasserhaushaltes bewirken. Die Erfassung von Zwischenstadien wie Auffors-
tungsbereiche oder Dickungen ist deshalb für Aussagen zur mittelfristigen Entwicklung des
Gebietswasserhaushaltes von besonderem Interesse. Wissenschaftlich begründete Parame-
tersätze für die Beschreibung der unterschiedlichen Waldentwicklungsstadien sind in
ArcEGMO standardmäßig enthalten.
(7)
Bergbaufolgezustand (Endzustand)
Für langfristige perspektivische Aussagen zum Gebietswasserhaushalt und den Grundwas-
serverhältnissen ist der Bergbaufolgezustand in seiner endgültigen Ausprägung, gemäß den
vorhandenen Bergbaufolgenutzungplanungen entscheidend. Dies gilt ebenfalls Informatio-
nen zu Flusslaufrückverlegungen, die Entstehung von Tagebaurestseen sowie Ableitern ge-
hen aus den Planungsunterlagen hervor.
B4.7.4 EINSCHÄTZUNG DER DATENBASIS – VORGEHEN BEIM AUFBAU GRM LAUSITZ
Für den Aufbau des GRM Lausitz bietet es sich an, die Datenbasis des Brandenburg-Modells
als Grundlage zu verwenden, um ein erstes, rechenfähiges Basismodell aufzubauen.
Tabelle B4-7: Verfügbare Datengrundlagen für die bergbaugeprägten Gebiete
Information
Datenquelle
Gewässernetz und oberirdische
Einzugsgebiete
Planungsgrundlagen (LEAG, LMBV)
DGM1
Laserscan, Bergbaufolgenutzungskonzepte (LEAG,
LMBV)
Bodendaten (Pedologie)
KSK 10 (LfULG Sachsen), Kippsubstratkartierun-
gen (LEAG, LMBV)
Versiegelung
Luftbilder, ATKIS
Landnutzung, Vegetationsbestand
Orthophotos zur Ableitung zeitbezogener Zustän-
de, Bergbaufolgenutzungskonzepte (LEAG, LMBV)
Grundwasserflurabstand
Sim. GW-Modell

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 66
VITA-MIN
Im Brandenburg-Modell ist der Bereich des GRM hinsichtlich der hydrologisch relevanten
GEO-Daten, der Klimadaten (REGNIE und weitere Klimadaten bis 2015), der hydrologischen
Daten (Oberflächenwasserpegel) und der wasserwirtschaftlichen Daten (wasserbauliche An-
lagen inkl. ihrer Steuerregeln und Kennwerte wie W-Q-Beziehung und Speicherinhaltslinie)
abgedeckt.
Dieses Basismodell wird dann sukzessive untersetzt mit den in Tab. B4-6 aufgeführten Da-
ten für den sächsischen Bereich des GRM Lausitz und mit den in Tab. B4-7 aufgeführten
Daten für die bergbaugeprägten Teile innerhalb der Großraummodellfläche.
Hinsichtlich der Landnutzung und der Vegetationsbedeckung wird empfohlen, die CIR-Daten
aus dem Brandenburg-Modell auch für den sächsischen Bereich beizubehalten - also nicht
die ATKIS-Daten - zu nutzen.
Unabhängig davon, inwieweit Teile der Landesmodelle verwendet werden können, fallen
beim Aufbau des GRM folgende Arbeitsblöcke an:
Datenprüfung, gegebenenfalls Transformation der Geo-Daten auf ein einheitliches
Koordinatensystem, gegebenenfalls Bereinigung der Daten,
Zusammenfassung hydrologisch sehr ähnlicher Eigenschaftsklassen,
Geometrische und inhaltliche Zusammenführung der drei Teildatenbestände (Sach-
sen, Brandenburg, bergbaugeprägt). Diese Zusammenführung beinhaltet zum einen
Anpassungen der Geometrien in den Bereichen, in denen die Teildatenbestände an-
einandergrenzen. Zum anderen sind die Datenbestände soweit als möglich zu homo-
genisieren. Darunter ist zu verstehen, dass unterschiedliche Bezeichnungen für glei-
che Inhalte angeglichen werden. Damit soll verhindert werden, dass inhaltlich nicht
notwendige Differenzierungen die Klassenanzahl für ein Attribut erhöhen und damit
den numerischen Simulationsaufwand vergrößern.
Im Ergebnis dieser Arbeitsschritte entsteht ein Modell, das als Komponenten Elementarflä-
chen bzw. Hydrotope, Teileinzugsgebiete und Gewässer als (unregelmäßige) Vektordaten
beinhaltet.
Für die vorgesehene Kopplung mit einem Grundwassermodell sind die im Kap. B4.7.2 ge-
nannten Voraussetzungen zu schaffen. Für die Kopplung mit PCGEOFIM oder MODFLOW
wären die Informationen der Vektordaten auf die Rasterzellen der Grundwassermodelle zu
übertragen.
B5
VERGLEICH SIMULATIONSPROGRAMME
Im Rahmen des AP 1 sollten verschiedene Softwarepakete zur Grundwassermodellierung
getestet und verglichen werden. Dabei wird vor allem auf bekannte und etablierte Pro-
gramme Bezug genommen, die besonders geeignet zur Beschreibung bergbaurelevanter
Prozesse und Parameter/ Randbedingungen und die Erstellung von Großraummodellen sind.
Darunter sind die Grundwassersimulationsprogramme MODFLOW, FEFLOW und PCGEOFIM
zu verstehen, mit denen auch bereits Regionalmodelle im Lausitzer Revier betrieben wer-
den. Die Vorüberlegungen zu weiteren Simulationsprogrammen ergaben, dass diese nur
dann in die Testung einzubeziehen sind, wenn sie wesentliche Vorteile in Bezug auf Teile der
Prozessabbildung liefern. Daraus resultierend wurden die Programme OPENGeoSys (z.B.
KOLDITZ ET AL. [2016]) und PHAST (PARKHURST ET AL. [2010]) näher in Erwägung gezogen.
OPENGeoSys, betrieben und entwickelt vom UFZ in Leipzig, bietet die Möglichkeit der Einbe-

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 67
VITA-MIN
ziehung eines 2-Fluidphasensystems und gleichzeitig die Betrachtung von geomechanischen
Aspekten und hydrogeochemischen Reaktionen. PHAST, entwickelt vom USGS, verknüpft
die Anwendung vom freien Rechenbaustein MODFLOW (mittels dem GUI MODELMUSE) mit
PHREEQC, dem Standard der hydrogeochemischen Reaktionsbetrachtungen. Somit bieten
beide Programmcodes deutliche Vorteile durch ihre komplexere Modellabbildung und
dadurch, dass sie gleichfalls Open Software darstellen.
Die detaillierte Betrachtung offenbarte jedoch, dass sich zum jetzigen Zeitpunkt mit diesen
beiden Codes Großraummodelle nicht praktikabel simulieren lassen. Dies deshalb, da zum
einen die relevanten, komplexen Randbedingungsabbildungen nicht erfolgen können, zum
anderen die Modelle a priori nicht für solch großräumige Modellansätze ausgelegt sind. Der
Blickwinkel dieser Modelle ist eher das generelle Prozessverständnis. Weiterhin liegt natür-
lich keine Kopplung zu Bodenwasserhaushaltsmodellen und speziell zu ArcEGMO vor. Daraus
abgeleitet wurden nur die drei oben genannten numerischen Grundwassersimulationspro-
gramme MODFLOW, FEFLOW und PCGEOFIM zum weiteren Vergleich herangezogen. Sie
werden nachfolgend kurz charakterisiert. Eine vergleichende Bewertung ergibt sich nach der
Testmodellierung im Gebiet um Bärwalde (vgl. Kap. C6).
B5.1
GRUNDCHARAKTERISTIK MODFLOW
Das Programm MODFLOW wurde von MCDONALD & HARBAUGH (1988) vom U.S. Geological
Survey entwickelt. Es ist ein Finite-Differenzen-Modell (FD-Modell) zur Berechnung der drei-
dimensionalen gesättigten Grundwasserströmung. Alle Modellparameter und Randbedingun-
gen, von der Diskretisierung bis zur Position von Filterbrunnen, sind in separaten Modulen
(packages) definiert. Der modulare Aufbau und die Flexibilität neue Module zu programmie-
ren und in das Modell zu integrieren, erlauben einen weiten Einsatzbereich. Der Quellcode
des Programms ist „free public domain“, kann also eingesehen und erweitert werden.
Da der Quellcode frei verfügbar ist, wurden in der Vergangenheit unterschiedliche Varianten
aus dem MODFLOW-Kern entwickelt. So stehen dem Anwender neben MODFLOW-2005 auch
MODFLOW-USG, MODFLOW-LGR, MODFLOW-NWT oder MODFLOW-CDSS zur Verfügung. Die
Auswahl ist anwendungs- bzw. aufgabenspezifisch zu treffen.
Die letzte Veröffentlichung des eigentlichen Programm-Codes („core version“) ist die jüngste
Version MODFLOW 6 (v6.0.3, 09.08.2018) und erweitert den FD-Ansatz zum CVFD („gene-
ralized control-volume finite-difference (CVFD)“). Sie kann, wie auch FEFLOW, unstruktu-
rierte Gitter als Grundlage für die Grundwasserströmung verwenden. Der CVFD-Ansatz wur-
de bereits für die Version MODFLOW-USG entwickelt. MODFLOW 6 fasst die bestehenden
Modellvarianten MODFLOW-NWT und MODFLOW-USG zusammen und erlaubt damit die Ab-
bildung komplexer Modellgebiete, wie sie auch für das GRM Lausitz zu erwarten sind.
Für die Bedienung von MODFLOW, also für die Bearbeitung und Kontrolle der Input-Daten
und die Visualisierung von Berechnungsergebnissen stehen verschiedene kommerzielle und
nicht kommerzielle Graphical User Interfaces (GUI) zur Verfügung. GUI sind unter anderem
Groundwater Vistas, Visual MODFLOW, Processing Modflow, Groundwater modelling system
(GMS), Argus ONE, Freewat, ModelMuse / ModelViewer oder Processing Modflow (PMWIN).
Details zu den in MODFLOW integrierten Modulen (packages) enthalten die Dokumentatio-
nen zu MODFLOW-2005 (HARBAUGH 2005) oder MODFLOW 6 (LANGEVIN et al. 2017).

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 68
VITA-MIN
Montanhydrologische Randbedingungen
Für die Definition von Randbedingungen stehen in MODFLOW unterschiedliche Programm-
Module zur Verfügung. Alle Randbedingungen die für montanhydrologische Fragestellungen
von Bedeutung sind, können in MODFLOW definiert werden. Als Beispiele sind hierbei die
Implementierung von Brunnen (well package) zur Abbildung der Tagebauentwässerung, die
entstehenden Restseen (lake package) zur Darstellung der Hohlraumfüllung oder die Fließ-
gewässer (river package) zu nennen, in die das Grundwasser entwässert oder von dem es
gespeist wird. Für das GRM Lausitz ist weiterhin die Integration der Kippenherstellung und
die Kippengenese von Bedeutung. Dafür wurde das MODFLOW-Modul TMP (Time-varying
material properties) entwickelt. Dieses ist aktuell nur in der kommerziellen Version MOD-
FLOW-SURFACT v4 erhältlich. Das Modul ermöglicht die Abbildung von zeitlich veränderli-
chen Materialeigenschaften, wie sie in der Lausitz durch die Umlagerung des Deckgebirges
und die Herstellung der Kippen durch den aktiven Tagebau erzeugt werden.
Numerik
In MODFLOW stehen für die Lösung des Differentialgleichungssystems unterschiedliche Al-
gorithmen zur Verfügung. Als wichtigste Gleichungslöser sind PCG (Preconditioned Conju-
gate Gradient), PCGN (Preconditioned Conjugate Gradient Solver with Improved Nonlinear
Control), GMG (Geometric Multigrid), SIP (Strongly Implicit Procedure), DE4 (Direct Solver)
und NWT (Newton Solver) zu nennen. Die Wahl des Gleichungslösers (solver) und seine
Parametrisierung sind dabei von der Modellkomplexität und den verwendeten Modulen ab-
hängig.
Im Testmodell wurde MODFLOW-NWT eingesetzt, weil die starken Gradienten im Bereich
der Grundwasserabsenkung durch den zu simulierenden Tagebaubetrieb zum Trockenfallen
(wetting/ drying) von Zellen führt und MODFLOW-NWT für diese Anwendungsfälle einen
Lösungsansatz darstellt.
Datenbasis
Aufgrund der weltweiten Verbreitung von MODFLOW existiert eine Vielzahl von geologischen
Modellen (z. B. GMS, LEAPFROG, GOCAD), die eine Schnittstelle zu MODFLOW haben und
damit den Arbeitsablauf vom geologischen Modell zum hydrogeologischen Modell stark ver-
einfachen. Diese Aussage gilt auch für die hydrologischen und hydraulischen Inputdaten, die
in QGIS/FREEWAT oder ARCGIS erfasst, bearbeitet und in ein MODFLOW-fähiges Format
exportiert werden können.
Die Herausforderung bei der Bearbeitung des GRM Lausitz wird die Datenerfassung, Daten-
haltung und Datenübertagung sein. Die Anforderungen hierfür sind nicht durch das Modell-
werkzeug selbst limitiert, da für MODFLOW unterschiedliche Programme (GUI) zur Verfü-
gung stehen, die für die Input- und Output-Dateien sowohl ASCII als auch binäre Formate
verwenden. Eine Übertragung von Teildaten aus den bestehenden Regionalmodellen ist
möglich, da jedes Modell mit einem strukturierten Gitter (Finite Differenzen oder Finite Vo-
lumen) auch einen strukturierten Input voraussetzt.
Modellkalibrierung
Die Kalibrierung des Grundwassermodells als Bestandteil des GRM Lausitz unter Verwen-
dung von MODFLOW kann auch automatisch erfolgen. Für die automatische Parameteriden-
tifikation stehen die Programme PEST++ und UCODE zur Verfügung. Mit beiden Program-
men können Parameter wie der k
f
-Wert, Porosität oder Speicherkoeffizient in definierten

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 69
VITA-MIN
Grenzen variiert werden, um eine Verbesserung des Modellergebnisses (Vergleich Berech-
nung / Messwert) zu erreichen. Beide Programme sind sehr gut dokumentiert, was die Ver-
wendung der komplexen mathematischen Algorithmen bei der inversen Modellierung zur
Parameteridentifikation erleichtert.
B5.2
GRUNDCHARAKTERISTIK FEFLOW
Das Programm FEFLOW wurde erstmals von Hans-Jörg G. Diersch 1979 eingeführt. Es ist
weit verbreitet und verwendet die Finite-Elemente-Methode zur Modellierung der Grundwas-
serströmungsgleichung. Mit FEFLOW kann der Strömungsprozess sowohl wassergesättigt,
als auch ungesättigt berechnet werden. Weiterhin ist auch der Massen- und Wärmetrans-
port, einschließlich von Flüssigkeitsdichteeffekten und chemischer Kinetik für Mehrkompo-
nentenreaktionssysteme modellierbar. Eingesetzt wird die Software für die Analyse, Planung
und das Management von Wasserressourcen sowie für geothermische und umwelttechni-
sche Fragestellungen in Bezug auf Grund- und Oberflächenwasser. Die Software wird häufig
aktualisiert. Die jüngste Version von FEFLOW ist die V.7.1 -64 Bit (Dezember 2018).
Die Entwicklungs- und Vertriebsfirma DHI-WASY GmbH beschreibt die Software FEFLOW in
ihrem Handbuch als flexibles Modellierungssystem für hydrologische und hydrogeologische
Prozesse, das viele Werkzeuge für Pre- und Postprocessing enthält. Es werden Haupt-
prozesse des hydrogeologischen Kreislaufs abgebildet, wobei dies, je nach Aufgaben-
stellung, in verschiedenen räumlichen Auflösungen möglich ist, zum Teil aber auch Add-ons
zur Normalvariante der Modellierungssoftware erfordert (vgl. Kap. C6.2).
Montanhydrologische Randbedingungen
Für die Definition von Randbedingungen stehen in FEFLOW unterschiedliche Interfaces zur
Verfügung. Alle Randbedingungen, die für montanhydrologische Fragestellungen von Bedeu-
tung sind, können in FEFLOW für das gesamte Modell ausgewiesen werden. Wasserstands-
messungen aus Brunnen (wells), die sich über mehrere Layer (multilayer-wells) strecken,
werden in FEFLOW mittels Interfaces dargestellt. Ebenfalls können alle Flächendaten, wie
die entstehenden Restseen, Tagebaue und Entwässerungsdaten von aktiven Tagebauen,
zeitdifferenziert betrachtet werden. Für das GRM Lausitz ist prinzipiell der Import von the-
matischen Karten zur Grundwasserdynamik (z. B. Grundwasserflurabstand), sowie der Im-
port von Stützstellen für die Modellierung der Grundwasseroberfläche, über programminter-
ne Tools auszuführen. Die Parametrisierung von Stauern, Grundwasserhemmern, sowie
Grundwasserleitern erfolgt ebenso über die Verknüpfung oder über Abfragen von Datenban-
ken.
Numerik
Als Grundlage zur Beschreibung der gesättigten Grundwasserströmung dient wie üblich das
Darcy-Gesetz. Zusammen mit der Kontinuitätsbedingung ergibt sich damit eine Differential-
gleichung zur Berechnung der Grundwasserströmung. Wichtige Parameter in dieser Glei-
chung sind die hydraulische Durchlässigkeit und der Speicherkoeffizient.
Für die Beschreibung des ungesättigten Zustands wird der Begriff Standrohrspiegelhöhe um
das Matrixpotential erweitert. Die entsprechende Erweiterung des Darcy-Gesetzes für den
ungesättigten Zustand führt schließlich zur Richards-Gleichung, mit der sich die Bewegung
des Wassers im ungesättigten porösen Medium mathematisch beschreiben lässt. Auch die

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 70
VITA-MIN
Bodenparameter in dieser Richards-Gleichung sind abhängig vom Matrixpotential und damit
vom Wassergehalt des Bodens.
Sowohl die Gleichung der Grundwasserströmung als auch die Richards-Gleichung sind parti-
elle Differentialgleichungen, deren analytische Lösung nur für Sonderfälle gelingt. Das
Grundwasserströmungsprogramm FEFLOW löst die Grundwasserströmungsgleichung oder
die Richards-Gleichung nach der Methode der finiten Elemente und stellt damit eine Mög-
lichkeit dar, auch komplexere Fragestellungen der Bewegung des Wassers im Untergrund zu
simulieren. Weiterhin stellt FEFLOW eine große Auswahl von Werkzeugen und Methoden zur
Diskretisierung des Modellgebietes, zur Interpolation der eingegebenen Daten und zur Lö-
sung der Gleichungssysteme zur Verfügung.
Datenbasis
FEFLOW ist in der Lage, unterschiedliche Sachdaten, Geometrien und Parameter verschie-
dener Formatierungen zu importieren. Zu den Geometrien zählen Punkte, Linien und Flä-
chen, aber keine Solids (Körper).
Zunächst wird das Finite-Elemente-Netz in FEFLOW erzeugt. Danach werden die Geometrie-
daten und anschließend die zugehörigen Sachdaten importiert. Die Sachdaten sind als
ASCII, Shapefile, CAD (dxf) oder aus einem Datenbankverwaltungssystem über eine Im-
port-Schnittstelle zu verknüpfen. Weiterhin können alle flächenbezogenen Daten, z. B.
Wasserstandsmessungen, Restlöcher Seen und aktuelle Wasserstände von aktiven Tage-
bauen zu den jeweiligen Schichten zugeordnet werden. Brunnenentnahmen werden punkt-
förmig, Druckhöhen und Leakagekoeffizienten von Oberflächengewässern sowie laterale Zu-
und Abflüsse linienförmig verwaltet.
Die Ausbreitung der Nutzungsarten innerhalb eines Modells ist zuerst als Polygon einzu-
zeichnen und deren Randbedingungen sowie Verbreitungen über programminterne Masken
3-dimensional zu konstruieren.
Karten zu Hydroisohypsen, Grundwasserflurabstandskarten sowie Karten von Grundwas-
sermessstellen sind als Shapefiles zu importieren. Die Geometrien und Parameter werden
bei der Modellierung eines Untersuchungsgebietes als Projektdaten gehalten.
Die Modellergebnisse können auf verschiedene Arten exportiert und dargestellt werden.
Modellkalibrierung
Die Kalibrierung des GRM Lausitz unter Verwendung von FEFLOW kann sowohl manuell als
auch automatisch erfolgen. Für die automatische Parameterschätzung steht das branchen-
übliche Softwarepaket FePEST zur Verfügung. FePEST wurde von John Doherty entwickelt
und wird für die Unsicherheitsanalyse numerischer Modelle genutzt. FePEST ist die grafische
Benutzeroberfläche und deckt die wesentlichen PEST-Methoden für die automatische Kalib-
rierung und Optimierung von FEFLOW-Modellen ab.
B5.3
GRUNDCHARAKTERISTIK PCGEOFIM
PCGEOFIM ist speziell für die Anforderungen der bergbaulichen und nachbergbaulichen Was-
serwirtschaft entwickelt worden. PCGEOFIM verwendet die Finite-Volumen-Methode zur Be-
rechnung der Grundwasserdynamik. Dieser Ansatz ermöglicht sowohl global, als auch lokal
bilanztreue Ergebnisse, d. h. Zu- und Abflüsse werden für jedes Volumenelement erfasst

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 71
VITA-MIN
und in den Ergebnissen ausgewiesen. Zudem ist die Berechnung von gespannten und unge-
spannten Grundwasserverhältnissen möglich. Geologische Formationen wie Rinnen, Störun-
gen oder Grundwasserstauer können im hydrogeologischen Strukturmodell ortsdiskret ab-
gebildet werden.
Montanhydrologische Randbedingungen
Neben den üblichen Randbedingungen verfügt PCGEOFIM speziell für die Montanhydrologie
implementierte Randbedingungen zur Tagebauentwässerung, Brunnengalerien und Brun-
nengruppen sowie Horizontalfilterbrunnen. Die Einbindung von Restseen in ihrer Hohlform,
die Anbindung an Vorfluter und Ableiter erlauben die Simulation verschiedener Flutungs-
szenarien, die auch zeitlich gestaffelt ablaufen können. Die zeitliche Veränderung der Ge-
ländetopographie infolge bergmännischer Abtragung und Umlagerung des Kohledeckgebir-
ges sowie Änderungen an den hydrogeologischen Eigenschaften der Grundwasserleiter, als
Folge von Sanierungsmaßnahmen und Setzungen können durch die Programmoption der
zeitabhängigen Parameter innerhalb eines Modells abgebildet werden.
Numerik
Der in PCGEOFIM implementierte Gleichungslöser ist ein vorkonditioniertes, konjugiertes
Gradientenverfahren. Es ist in der Lage, auch sehr große Gleichungssysteme zu lösen, wo-
bei die maximale Größe nur durch die verfügbaren Hardwareressourcen begrenzt ist. Der
eingesetzte hochoptimierende Compiler für die Programmerstellung erhöht durch automati-
sches Vektorisieren von Berechnungsabläufen die Effizienz und reduziert damit die Berech-
nungszeiten.
Datenbasis
Die große Mehrzahl existierender und aktuell betriebener Grundwassermodelle im Lausitzer
Tagebaurevier wird mit dem Programm PCGEOFIM simuliert. Somit stünde die Möglichkeit
bereit, gerade Daten zu inneren Randbedingungen teilweise in das GRM Lausitz einfach
übernehmen zu können. Generell ist jedoch für das überregionale Gebiet des GRM eine Da-
tenerkundung und -aufbereitung erforderlich. Mit Einschränkungen können (hydrogeologi-
sche) Daten auch aus den bestehenden Teilmodellen extrapoliert und in das übergeordnete
Modell übertragen werden.
Im Hinblick auf die Anforderungen eines überregionalen GRM sind auch die Ansprüche an
Speicherplatz und die Leistungsfähigkeit der Datenhaltung zu berücksichtigen. Die Mo-
delleingangsdaten für PCGEOFIM sind auch für die hydrogeologischen Daten bis ca. 200 GB
problemlos handhabbar. Daten für Randbedingungen, Klimazeitreihen und Messstellen
kommen ergänzend hinzu. Ergebnisdaten sind in ihrer Größe nicht beschränkt und können
aufgrund des Binärformats mit maximaler Geschwindigkeit ausgegeben werden.
Modellkalibrierung
Es ist eine automatische Parameteridentifikation anhand von Messwerten möglich. Das Mo-
dellgebiet wird dafür in Zonen verschiedener hydraulischer Parameter (k
f
-Wert, Porosität
oder Speicherkoeffizient) unterteilt. Der Wert jeder Zone wird als Faktor für den zugehöri-
gen hydraulischen Parameter bei der Simulation verwendet und dient als Fittingparameter
bei der Parameteridentifikation. Dadurch sinkt die Zahl der zu identifizierenden Parameter.
Dies reduziert die Anzahl notwendiger Rechenläufe für das Gauß-Newton-Verfahren.

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 72
VITA-MIN
B5.4
KOPPLUNG DER BETRACHTETEN GW-MODELLIERUNGSSOFTWARE ZU ARCEGMO
Die Kopplung zum Bodenwasserhaushaltsmodell (ArcEGMO) ist prinzipiell für alle drei
Grundwassersimulationsprogramme gegeben. Die Arbeitsweise eines solchen Modellverbun-
des wird in Kapitel C8 am Beispiel ArcEGMO – PCGEOFIM ausführlich beschrieben. Die Kopp-
lungen mit FEFLOW und MODFLOW arbeiten analog. In allen Kopplungen werden Daten
Zeitschritt für Zeitschritt, d.h. täglich, in beide Richtungen ausgetauscht, so dass Wechsel-
wirkungen z.B. zwischen Grundwasserstand und Bodenwasserhaushalt realitätsnah berück-
sichtigt werden. Der Datenaustausch wird über eine GIS-Schnittstelle organisiert, in der die
räumlichen Relationen zwischen den Geometrien beider Modelle abgebildet sind.
Programmtechnische Realisierung
Programmtechnisch besteht die jeweilige Kopplungssoftware aus zwei Komponenten. Zum
einen sind das Routinen, die in ArcEGMO die Austauschgrößen für das GW-Modell bereitstel-
len und von diesem übernehmen. Eine analoge Programmkomponente existiert für jedes der
GW-Modelle.
Der Datenaustausch selbst erfolgt in allen Kopplungen nicht dateibasiert, sondern wesent-
lich effektiver über gemeinsam genutzte Hauptspeicherbereiche (shared memory).
In den Kopplungen mit PCGEOFIM und MODFLOW übernimmt ArcEGMO die Steuerung, ist
also master und ruft in definierten Zeitabständen Funktionen in PCGEOFIM bzw. MODFLOW
auf. Beide GW-Modelle arbeiten als executables. Die Kopplung mit MODFLOW bezieht sich
auf den Prä-/ Postprozessor CADSHELL von IHU Nordhausen.
In der Kopplung mit FEFLOW erfolgt die Steuerung durch FEFLOW. ArcEGMO ist slave und
wird als DLL (dynamic link library) in FEFLOW integriert.
Austauschgrößen
In allen zu betrachtenden Modellkopplungen liefert ArcEGMO die Grundwasserneubildung
bzw. -zehrung an das GW-Modell und erhält als Rückgabegröße den Grundwasserstand bzw.
-flurabstand.
Damit ist über alle drei Modellverbünde eine fundierte Abbildung der Wechselwirkungen zwi-
schen Grundwasser und Bodenwasser möglich, die entscheidend ist für die korrekte Erfas-
sung des Gebietswasserhaushaltes in Regionen, die bergbaubedingt durch großräumige
Grundwasserabsenkungen und -wiederanstiegsprozesse gekennzeichnet sind.
In den Kopplungen mit PCGEOFIM und MODFLOW liefert ArcEGMO zusätzlich den Direktzu-
fluss zum Gewässer und übernimmt vom Grundwassermodell die grundwasserbürtigen Zu-
flüsse zum Gewässer. Mit diesem Austausch der Zuflüsse zum Gewässer wird erreicht, dass
in beiden Modellen (ArcEGMO und GW-Modell) der Gewässerabfluss simuliert werden kann
und damit zusätzliche Validierungsmöglichkeiten für die Modellergebnisse bestehen.
Für die Kopplung mit FEFLOW liefert ArcEGMO die zeitlich variablen Wasserstände im Ge-
wässer als Randbedingung für die Grundwasserströmungssimulation und übernimmt von
FEFLOW wiederum die grundwasserbürtigen Zuflüsse zum Gewässer.
Lizenzlage
Es ist zu beachten, dass auf Grund der Lizenzlage zum jetzigen Zeitpunkt die Kopplungs-
software nur von den Lizenzeigentümern bzw. Entwicklern genutzt werden kann. Die Lizenz-
rechte für die ArcEGMO-seitigen Kopplungen liegen beim BAH Berlin. Für die grundwasser-

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 73
VITA-MIN
seitigen Kopplungskomponenten sind die Rechte für PCGEOFIM beim IBGW Leipzig und für
MODFLOW bei IHU Nordhausen. Für die Kopplung mit FEFLOW existieren zwei Versionen.
Eine Basisversion wurde von DHI-WASY entwickelt und bildet den Austausch von Grundwas-
serneubildung und Grundwasserstand ab. Eine weitere Version wurde vom BAH Berlin ent-
wickelt und erfasst neben dem Austausch von Grundwasserneubildung und Grundwasser-
stand auch den Austausch von Wasserständen und Grundwasserzuflüssen in die Oberflä-
chengewässer.
B5.5
ABLEITUNG BEWERTUNGSMATRIX FÜR GW-MODELLIERUNGSSOFTWARE
Wie in Kap. B5 einführend vermerkt, sollen verschiedene Softwarepakete zur Grundwasser-
modellierung getestet und verglichen werden. Dabei wurde auf bekannte und etablierte Pro-
gramme Bezug genommen, welche sowohl kommerzieller Natur, als auch kostenfrei verfüg-
bar sind. Die Bewertung sollte hinsichtlich unterschiedlicher Aspekte und Leistungsmerkma-
le erfolgen. Es wird diesbezüglich hier jetzt eine generelle Bewertungsmatrix hergeleitet, die
nachfolgend in der Phase der Testmodellierung eventuell zu präzisieren und/ oder einzu-
grenzen ist. Insgesamt muss der Fokus vor allem auf der Eignung der Software zur Be-
schreibung bergbaurelevanter Prozesse und Parameter liegen. Weiterhin ist natürlich die
generelle Möglichkeit zur Handhabung von wirklichen Großraummodellen ebenfalls ein wich-
tiges Kriterium. Einen weiteren, im Folgenden nicht näher aufgegriffenen Bewertungspunkt
stellte die Kopplung von externen Programmen, zur Modellierung des Bodenwasserhaushal-
tes dar.
Somit wurde im Zuge der Bearbeitung der Programmvergleiche die nachfolgende Tab. B5-1
als Bewertungsmatrix abgeleitet und angefertigt. Ziel war die übersichtliche, erfassbare
Evaluierung der betrachteten Programmsysteme hinsichtlich ihrer Eignung zur Umsetzung
von GW-Großraummodellen in Bergbauregionen. Anhand von definierten Bewertungskrite-
rien sollte für jede Software ermittelt werden, inwiefern ein Kriterium erfüllt ist und wie es
programmspezifisch umgesetzt wird (vgl. Tab. B5-1, Spalte „Erläuterung“). Wird ein Kriteri-
um besonders komfortabel umgesetzt bzw. ist ein Feature komfortabel zu bedienen, sollte
das zusätzlich kenntlich gemacht werden. Auf eine Qualifizierung/ Präzisierung der Bewer-
tungsmatrix nach der erfolgten Testmodellierung wird in Kap. C6.4 näher eingegangen.
Im Folgenden werden die in vier Bereiche unterteilten Kriterien (vgl. nachfolgende Tab. B5-
1) näher untersetzt:
Insbesondere im
ersten Komplex „Preprocessing/Parametrisierung/Spezielle Randbedingun-
gen“
finden sich für die Umsetzung von GW-Großraummodellen in bergbaulichen Regionen
entscheidende Kriterien. Dies sind vor allem die Folgenden:
Parametermodell
: Die Unterpunkte „
Räumliche Diskretisierung
“ und „
Adaption an
Ränder, Randbedingungen und geologische Formationen
“ dienen der Bewertung nach
geometrischen Kriterien, inwiefern also das Modell räumlich aufgelöst auf Gebietsspe-
zifika eingehen kann.
Hydrogeologisches Strukturmodell
: Hier wird auf die Fähigkeit des Programms einge-
gangen, inwiefern geologische Sonderstrukturen wie Rinnen, Stauer und Störungen
abgebildet werden können. Dazu kann bewertet werden, ob und wie der Tagebaufort-
schritt sowie die Restlochentstehung im Programm umgesetzt werden. Hierbei ist für
die Bewertung entscheidend, wie die Abbildung zeitlicher Änderungen hydraulischer
Eigenschaften von GWL und damit der Parameterfelder erfolgt. Darunter ist als we-

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 74
VITA-MIN
sentlichster Aspekt der Übergang des Gewachsenen GWL-Materials zu Kippematerial
zu verstehen, aber auch Sanierungsmaßnahmen, bodenmechanische Verdichtung,
Landnutzung etc..
Im Punkt
Allgemeine Randbedingungen
wird die Einbindung von Tagebauentwässe-
rung und variabler sowie konstanter Grundwasserneubildung (auch in Abhängigkeit
von Niederschlag, Verdunstung und Landnutzung) bewertet.
Fließgewässer
: Hier werden die modelltechnische Abbildung (Definition und Charakte-
risierung) von Fließgewässern sowie deren Kopplung zum Grundwasser, aber auch die
Umsetzung von Fließgewässersystemen/Hierarchie bewertet. Ein wichtiger Punkt ist
hierbei auch die Betrachtung der Bilanzierung der Fließgewässer.
Standgewässer
: Ähnlich verhält es sich mit den Standgewässern. Diese können auch
nach Umsetzung im Modell und der Möglichkeit ihrer Charakterisierung bewertet wer-
den. Auch hier ist die Kopplung zum GW und ihre Bilanzierung zu betrachten. Des
Weiteren spielen die nachbergbaulichen Prozesse der Flutung (Steuerungsvarianten,
Zeitabhängigkeit, Leerlaufen) eine entscheidende Rolle in der Bewertung der unter-
schiedlichen Softwaresysteme.
In einem
zweiten Komplex können die Programmsysteme nach ihrer Numerik
(Gleichungslö-
ser/Genauigkeit der Lösung, Performance des Gleichungslösers, Bilanztreue), der
Zeitdis-
kretisierung
(Zeitschrittweitensteuerung, Flexibilität bei der Speicherung der Modellergeb-
nisse) sowie nach der
Parameteridentifikation und Modellkalibrierung
(Methodik bei automa-
tischer und manueller Modellkalibrierung) bewertet werden. Ein Hauptaugenmerk bei der
Bewertung sollte hier bei den jeweiligen methodischen Ansätze in den Programmen liegen.
Der
dritte Komplex beinhaltet Kriterien zum Postprocessing sowie zur Datenhaltung
. Dabei
können die Datenausgabe, die grafische Ausgabe/Aufbereitung, Bilanzierung, Statistik, Da-
tenformate sowie die Datenbearbeitung bewertet werden. Diese Kriterien werden von den
zu vergleichenden Programmsystemen unterschiedlich umgesetzt, woraus sich die Wichtig-
keit der Erläuterungsspalte zur Bewertung herausstellt.
Der
vierte Komplex umfasst allgemeine Kriterien
. Diese sind allerdings, wie die
Eignung für
Großraummodelle
(Umgang mit großen Datenmengen, Verwaltung) auch von entscheiden-
der Bedeutung. Hierbei ist auch zu bewerten, ob Daten mehrerer oder ganze Teilmodelle in
ein großes Gesamtmodell überführt werden können, und mit welchem Aufwand. Ebenso ist
der Punkt
Kosten
(Lizenzkosten usw.) aufgeführt, aber auch
Weiterentwicklung der Soft-
ware
,
Implementierung von Kundenwünschen
,
Anwendersupport
,
Weiterbildung/Schulung
,
Dokumentation
und
Anwendung
können bewertet werden.
Die hier vorgestellte Bewertungsmatrix dient der Möglichkeit einer vergleichenden Evaluie-
rung von GW-Modellierungsprogrammen vor dem Hintergrund der Großraummodellierung in
Bergbauregionen (der Lausitz). Die Bewertungskriterien wurden so gewählt und formuliert,
dass unterschiedliche Softwaresysteme in ihrem Ergebnis vergleichbar werden. Des Weite-
ren obliegt die Bewertung der jeweiligen Software einer fachkompetenten und mit der Soft-
ware vertrauten Person. Es wird daher, selbst bei angestrebter Objektivität, dennoch am
Ende ein subjektives Ergebnis vorliegen. Die Bewertungskriterien wurden zwar in Absprache
mit dem Auftraggeber und unter den Projektpartnern formuliert, sie können aber natürlich
keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder vollkommene Objektivität erheben. Die Bewer-
tungsmatrix ist in ihrem Ergebnis daher auf jeden Fall lediglich als Instrument zur Entschei-
dungsfindung zu verstehen.

image
image
image
- B KONZEPT UND AUFBAU GROßRAUMMODELL LAUSITZ -
Seite | 75
VITA-MIN
Tabelle B5-1: Bewertungsmatrix für die Evaluierung der GW-Modellierungssoftware nach
Umsetzung/Bedienbarkeit
Merkmal/Eigenschaft
Erläuterung
Parametermodell
Räumliche Diskretisierung
FEM, FDM, FVM
Adaption an Ränder, Randbedingungen und
geologische Formationen
flexibel durch Lupen und lok. Netzverfeinerung
Hydrogeologisches Strukturmodell
Abbildung von Rinnen
umsetzbar; MGWL muss durchgängig sein, um Fließen zu ermöglichen; Mächtigkeit ist der Rinnenstruktur
anzupassen
Abbildung von Stauern
Leakage oder 3D-Modell mit entsprechenden kf-Werten
Abbildung von Störungen
Vorgabe von Faktoren in max. 3 Dimensionen zur Reduktion des Leitwerts zwischen benachbarten
Elementen
Abbildung von Abtrag und Verkippung
(Tagebaufortschritt, Restlochentstehung)
zeitliche Änderungen der Geometrie über Option zeitabh. Parameter möglich
Abbildung zeitlicher Änderung hydraulischer
Eigenschaften von GWL (z.B. durch Verkippung,
Sanierungsmaßnahmen, bodenmechanische
Verdichtung, Landnutzung)
zeitliche Änderung hydraulischer Eigenschaften über Option zeitabh. Parameter möglich
Einbindung externer Software
(Unterstützung bei Aufbau und Visualisierung)
Verwendung von GMS und automatische Überführung in Geofim-Struktur mittels Schnittstelle; Einbindung
der Parameterdateien in ein GIS; Verwendung spezieller Schnittstellen für ArcGIS
Allgemeine Randbedingungen
Entwässerung von Tagebaubereichen
Abbildung über RB 1. Art (kein Zustrom zulässig); Vorgabe über Start Entwässerung, Entwässerungsziel
und -ende; Ausweisung der Menge
Grundwasserneubildung (Niederschlag,
Verdunstung, Landnutzung)
konstant, zeitvariabel, flurabstandsabhängig, auch Kombination, klassen- oder elementspezifisch möglich
Fließgewässer
Modelltechnische Abbildung
(Definition und Charakterisierung)
Definition einzelner Flussabschnitte über gekoppelte GW-Elemente; Charakterisierung über
Gerinnegeometrie (Schlüsselkurve)
Kopplung zum Grundwasser und Bilanzierung
Austausch zum GW als 3. Art; Abfluss im Flussabschnitt über Gerinne; Ein- und Ausspeisung GW möglich
Abbildung von Fließgewässersystemen/Hierarchie
(zeitabhängige) Kopplung von Fließgewässern; Hierarchie durch Reihenfolge in Stammdaten
Standgewässer
Modelltechnische Abbildung
(Definition und Charakterisierung)
Definition über gekoppelte GW-Elemente; Charakterisierung über Vermessungsdaten der
Hohlform und Wasserstands-Flächenbeziehung
Kopplung zum GW/Bilanzierung
Austausch zum GW als 3. Art; Berücksichtigung von Verdunstung, Niederschlag und oberirdischem Zufluss;
Ein- und Ausspeisung GW möglich
Abbildung der Flutung (Möglichkeiten, Steuerung,
Zeitabhängigkeit, Leerlaufen)
Flutung über freien Aufgang mit oder ohne zusätzlicher Mengeneinspeisung, h-Steuerung; zeitabhängiges
Umschalten zwischen Flutungsszenarien möglich; Flutung über Fließgewässer (Ableiter); Berücksichtigung
des Leerlaufens von Elementen und deren Auswirkung auf Standgewässer
Numerik
Auswahl Gleichungslöser/Genauigkeit der Lösung
Vorkonditioniertes bi-konjugiertes Gradientenverfahren (iterativ); Genauigkeit nutzerdefiniert
Performance des Gleichungslösers
Lösung von Systemen mit mehreren Mio. Unbekannten möglich
Bilanztreue des numerischen Lösungsverfahrens
individuelle Bilanzierung jedes GW-Elements
Zeitdiskretisierung
Zeitschrittweitensteuerung
automatische Steuerung; Grenzen z.B. durch Randbedingungen und zeitabh. Parameter
Speicherung Modellergebnisse
beliebig viele Speicherpunkte möglich
Methodik bei automatischer
Parameteridentifikation
automatische Parameteridentifikation über Gauß-Newton-Verfahren; Zonierung des Modellgebietes für
hydraulische Parameter und Identifikation der Zonenparameter; Durchführung bis Minimum der
quadratischen Summenabweichung vorliegt
Methodik bei manueller
Modellkalibrierung
visuelle Auswertung von Messstellenganglinien, Durchflüssen an Flussabschnitten, ortsbezogene
Darstellung von Abweichungen an Messstellen mit nutzerdefinierter Abstufung;
optional: Zonierung des Modellgebiets Anpassung der Zonenwerte (kf, ne, s0 usw.)
Postprocessing
Datenausgabe (h, Q, Fließgeschwindigkeit,
Konzentrationen)
Ausgabe von Ganglinien während der Berechnung; Massenverarbeitung im Batch
grafische Ausgabe /Aufbereitung
(Gleichen, Potentiale)
Erstellung von Plänen während der Berechnung
Bilanzierung Mengenströmung
(z. B. Bilanzen von Modellbereichen)
Nutzerdefinierte Bilanzgebiete, Limnologische Bilanzen für Standgewässer
Statistik zur Modellgüte
Ausgabe des RMSE zwischen Messwerten und Ergebnissen (h- und Q-Messstellen)
Datenhaltung
Datenformat Input
(Spezifikation, Beschränkungen)
Binärdaten; Spezifikation offen; dbf-Format; Grenze bei 2 GB pro Eingabedatei
Datenformat Output
(Spezifikation, Beschränkungen)
Binärdaten; proprietär; Größe ist durch Rechnerressourcen begrenzt
Bearbeitung von Modell- und Ergebnisdaten
direktes Einbindung von dbf in GIS und Office möglich; Umwandlung in ASCII
Anwenderfreundlichkeit der
Benutzeroberfläche
Aufbereitung von Modelleingangsdaten über GUI (Verschneiden usw.); Modellauswertung und
Planerstellung über GUI möglich; Anbindung zu GIS und CAD für weitere Bearbeitungen und
Auftraggeber-spezifische Auslieferungen
Eignung für Großraummodelle
(Umgang mit großen Datenmengen, Verwaltung)
schneller Datentransfer durch Binärdaten; durch Aufsplitten in Lupen und strukturierte Abfragen einfache
Verwaltung; Datenmengen im GB-Bereich möglich; Speicherplatzersparnis bei Archivierung durch gute
Kompressibilität
Kosten
(Lizenzkosten, Wartungsvertrag, sonstige Kosten)
Lizenzkosten und optional Wartungsvertrag
Weiterentwicklung der Software
permanente Weiterentwicklung im Rahmen der täglichen Anwendung sowie durch Forschungsvorhaben
Implementierung von Kundenwünschen
je nach Aufwand durch Wartungsvertrag oder individueller Entwicklungsauftrag
Anwendersupport
kostenfreier Support und Updates bei aktivem Wartungsvertrag
Weiterbildung/Schulung
Schulung auf Anforderung; regelmäßig firmeninterne Anwenderschulungen
Programmdokumentation
mehrere Dokumentationsteile, frei auf Firmenwebseite verfügbar
Verbreitung und Anwendung
weite Verbreitung in den Tagebaurevieren Mitteldeutschlands und der Lausitz
Preprocessing/Parametrisierung/
Spezielle Randbedingungen
Numerik/
Kalibrierung
Postprocessing/
Datenhaltung
Allgemeines
Parameteridentifikation und Modellkalibrierung

image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 76
VITA-MIN
C
TESTMODELLIERUNG
C1
WAHL TESTGEBIET
C1.1
ANFORDERUNGEN AN DAS TESTGEBIET
Die Anforderungen der Aufgabenstellung (AST) an das zu wählende Testgebiet waren um-
fangreich. Das in Sachsen liegende Testgebiet sollte umfassend die wesentlichen, typischen
hydraulischen Besonderheiten der zu betrachtenden Braunkohlebergbaugebiete enthalten.
Darunter sind Sanierungstagebaue mit den zugehörigen, in Flutung befindlichen Restseen,
Zu- und Ableiter sowie Aktivtagebaue mit ihrer Wasserhebung und zugehörigen sich entwi-
ckelnden Kippenkörpern und weiterhin sich verändernde Fließgewässer etc. zu verstehen.
Gleichzeitig wurde benannt, dass die Datengrundlage für die Modelle größtenteils direkt vor-
liegen sollte und der Modellaufbau ohne wesentliche Datenrecherche erfolgen kann.
Die in der AST geforderte Überprüfung einer Lupenimplementierung von bestehenden Regi-
onalmodellen in das auszuhaltende Testgebiet ist nach den im Kap. B getroffenen Aussagen
nicht mehr relevant und wurde deshalb nicht einbezogen. Dies begründet sich damit, dass
herausgestellt wurde, dass die derzeitigen Regionalmodelle sich zum Teil stark in ihrem
hydrogeologischen Strukturaufbau und vor allem dessen Detailliertheit unterscheiden. Somit
ist keine generelle Lupenimplementierung im späteren GRML möglich, sondern dies könnte
nur langfristig im Einzelfall entschieden werden. Damit ist eine generelle Einbeziehung von
Regionalmodellennicht zielführend. Weiterhin gehört der Gesamtumfang der Modelldaten
der Regionalmodelle den Bergbaufirmen und denen von Ihnen beauftragten, Modell betrei-
benden Ingenieurbüros. So dass die Einbeziehung ins Testmodell auch, in Bezug auf oben
erwähnte Aspekte (Datengrundlage liegt direkt vor etc.) nicht erfolgen konnte.
Abgeleitet aus diesen Ausführungen, war ein Gebiet zu wählen, welches einen großen Anteil
der benannten Anforderungen erfüllt.
Ebenfalls ist herauszustellen, dass die Hauptfrage/-aufgabe der Testmodellierung darin be-
steht, die prinzipielle Vorgehensweise des Aufbaus eines GRML und der damit verbundenen
Erstmodellierung zu testen. Also dass es nicht Ziel dieser Testmodellierung war, im lokalen
Bereich hydraulische Aussagen, -Situationen im Detail zu überprüfen, Detailmodellierungs-
ergebnisse zu bewerten etc..
C1.2
AUSWAHL TESTGEBIET
Die Auswahl des Modellgebietes, das als Basis für den Vergleich der Programme MODFLOW,
PCGEOFIM und FEFLOW festgelegt wurde, erfolgte mit einem Fokus auf die bergbauliche
Wasserwirtschaft und denen in Kap C1.1 benannten Anforderungen.
Folgende konkrete Aspekte beeinflussen das Strömungsfeld in bergbaulich geprägten Gebieten:
Geologie
Kippe (gesättigt / ungesättigt),
Gewachsenes (gesättigt / ungesättigt),

image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 77
VITA-MIN
Rinnenstruktur im Modellgebiet,
Ableitung eines reduzierten Normalprofils aus den geologischen Daten und Übertra-
gung auf das hydrogeologische Strukturmodell.
Bergbau
Aktiver Tagebau mit Änderung von Materialeigenschaften bei der Umlagerung von
Sedimenten bei Kippenherstellung (zeitlich variierende Materialeigenschaften),
Sanierungsbergbau.
Oberflächengewässer
Fließgewässer mit und ohne Ankopplung an GW-Leiter bzw. Wiederankopplung der
Fließgewässer in der Phase des GW-Wiederanstiegs,
Fließgewässerabschnitt mit und ohne Sohldichtung sowie einer zeitlich variablen
Sohldichtung (Rückbau von Sohldichtungen in fließgewässerabschnitten,
See mit Flutungsphase durch Eintrag von Flusswasser (Wasserbilanz),
Steuerung der Wasserspiegellagen in Seen in Abhängigkeit von geotechnischen Si-
cherungs- oder Baumaßnahmen, klimatischen Bedingungen (Nass-/Trockenjahre),
bedarfsgerechte Steuerung in Abhängigkeit von Nutzungsverträgen oder Nutzungs-
zwängen.
Wasserhaushalt
Grundwasserneubildung (Änderung durch Flächenbewirtschaftung),
Evaporation von Wasserflächen,
Niederschlag auf das Modellgebiet,
GW-Absenkung und Wiederanstieg (wetting/drying),
Bilanzgebiete Seen,
Bilanzgebiete Fließgewässerabschnitte.
Alle Anforderungen zusammenfassend, wurde der Bereich um den Bärwalder See als Teil-
modell zum Vergleich der Strömungsmodellierungswerkzeuge ausgesucht, weil der Bereich:
des ehemaligen Tagebaus Bärwalde (mit Flutung Restsee) sowie die aktiven Tagebaue
Nochten und Reichwalde im Modellgebiet enthalten sind,
die Verbindung zwischen Sanierungsbergbau und aktivem Bergbau gegeben ist,
der Einfluss von aktivem Tagebau und Sanierungsbergbau auf Oberflächengewässer
(Fließgewässer: Schwarzer Schöps, Spree, See: Bärwalder See) beinhaltet ist,
die starke Ankopplung der Fließgewässer abbildet, die in der Lausitz eine zentrale Prob-
lematik innerhalb von GW-Strömungsmodellen darstellt,

image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 78
VITA-MIN
die zeitlich variablen Randbedingungen nicht nur für die Kippenherstellung enthält, son-
dern auch die Änderung der Fließgewässerkolmation im Bereich der Spree,
das Gebiet Kippen und quartäre Rinnenstrukturen, als Sonderkörper enthält. Dies wird,
wie sich beim konkreten Aufbau ergab, noch untersetzt von glazigenen Störungsberei-
chen (vgl. Kap. C2.2.3)
die Betrachtung des bergbaulichen Einflusses auf folgende Schutzgüter enthält:
dem Bärwalder See,
der Rohwasserfassung zur Trinkwasserherstellung im Bereich der Ortslage Bärwalde,
die Fließgewässer Spree und Schwarzer Schöps.
auf sächsischem Gebiet liegt.
Das 15 x 12 km große Testmodellgebiet ist aus Abb. C1-1 ersichtlich. Das gewählte Grid
beträgt dx = dy = 200 m. Die kartographischen Darstellungen werden in dem für Sachsen
seit 2015 gültigen geografischen Referenzsystem ETRS_1989_UTM_Zone_33N erstellt.
Abbildung C1-1: Bereich des Testmodells (Strömungsmodell)

image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 79
VITA-MIN
Abbildung C1-2: Testmodellbereich für die Bodenwasserhaushaltsmodellierung (mit Git-
terstruktur des Grundwasser-Testmodells)
Das Modellgebiet für das Testmodell zum Bodenwasserhaushalt muss größer gewählt wer-
den. Dies ist notwendig, um neben den Validierungsmöglichkeiten des Grundwassermodells
(Grundwasserstandsmessstellen) auch die Niederschlag Abfluss-Beziehung anhand von ge-
bietsinternen Oberflächenwasserpegeln zur zusätzlichen Prüfung der Modellgüte zu nutzen
(Abb. C1-2). Um die daraus resultierende, belastbare Gebietswasserbilanz erstellen zu kön-
nen, sind die BWH-Modellgebietsgrenzen so gewählt worden, dass externe Zuflüsse an den
Modellgrenzen mittels Grenzpegelganglinien berücksichtigt werden. Somit müssen die
Quellgebiete nicht mit modelliert werden. Das in Abb. C1-2 dargestellte BHWM-Modellgebiet
im Testgebiet Bärwalde berücksichtigt somit das Einzugsgebiet der Spree.
Es ist zur Wahl des Testmodellgebietes zusammenzufassen, dass im Bereich Bärwalde die
Programmcodes auf ihre generelle Eignung sehr gut zu prüfen sind. Es wird ausweisbar
sein, wo Schwierigkeiten in der Bearbeitung des GRM Lausitz auftreten können und wie die-
se behoben werden sollten.
Eine Kalibrierung der einzelnen Modelle an Felddaten war nicht Ziel der Testmodellierung,
da es nicht darum geht, das Gebiet hydrogeologisch „richtig“ zu modellieren, sondern die
vorgeschlagene Methodik zum Aufbau und Betrieb eines GRM Lausitz zu testen. Einige
Randbedingungen wurden deshalb nur in einem vereinfachten Ansatz in die Modelle inte-
griert. Die Modelle sind deshalb als „halb-synthetisch“ zu verstehen. Die notwendigen Aus-
sagen zur Umsetzbarkeit im GRM Lausitz sind jedoch auch aus diesem halb-synthetischen
Modell ableitbar.

image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 80
VITA-MIN
C2
GRUNDLEGENDES VORGEHEN BEI DER TESTMODELLIERUNG
C2.1
ZIELSTELLUNG TESTMODELLIERUNG
Wie in Kap. C1.1 schon ausgeführt, ist es Hauptziel der Testmodellierung, die generelle Um-
setzbarkeit eines GRML-Aufbaus zu prüfen. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Über-
prüfung des konzeptionellen Vorgehens.
Bei Verwendung eines ganz konkreten Modellgebietes agiert man immer im Bereich konkre-
ter, lokaler Fragestellungen. Diesbezüglich wurde sich entschieden das Modellgebiet zwar an
einen realen Bereich stark anzulehnen, aber dennoch mit einem teilweise halb-
synthetischen Modell zu arbeiten. Dies heißt z. B. Abstraktionen im hydrogeologischen 3D-
Strukturmodell, in Bezug auf die Einteilung im Quartär und bei der Parametrisierung von
Kippenkörpern und Rinnen vorzunehmen. Weiterhin nur wesentliche Fließgewässer und
nicht die Vielzahl kleiner Fließ- und Standgewässer zu berücksichtigen. Ziel der gekoppelten
Modellierung mit dem Bodenwasserhaushaltsmodell ist es, das generelle Zusammenspiel
von Grundwasser, Oberflächengewässern und Bodenwasserhaushalt zu überprüfen. Denn
diese Verkopplung ist für die Wasserhaushaltsanalyse in den Bergbauregionen essentiell.
Gleiches gilt z. T. auch für Zeitfunktionen von äußeren und inneren Randbedingungen, die
vereinfacht anzusetzen waren. Dieses generelle Vorgehen war auch in Anbetracht der zur
Verfügung stehenden Bearbeitungszeit zielführend.
Letztendlich bestand das Gesamtziel der Testmodellierung darin, Antworten auf folgende
Hauptfragen zu bekommen: Ist das Konzept zum GRML-Aufbau umsetzbar? Welche wichti-
gen Erkenntnisse zu Anpassungsnotwendigkeiten des Konzepts ergeben sich aus der erfolg-
ten Testmodellierung?
Es sei nochmal erwähnt, dass es nicht darum geht, detailliert lokale Fragestellungen im Ge-
biet nachzuvollziehen. Vielmehr ist die Überprüfung des Umgangs mit inneren und äußeren
Randbedingungen und wesentlichen hydraulischen Strukturen (z. B. sich füllende Restsee-
körper) und ihrer Spezifika entscheidend. Es sind die sich ergebenden Besonderheiten, auch
beim Aufbau des hydrogeologischen 3D-Strukturmodell zu dokumentieren. Hierbei sind auch
Besonderheiten herauszustellen, die sich für die angewendeten Software-Programme erge-
ben. Hier ist das Augenmerk hauptsächlich auf die Spezifika von typischen Aspekten zu hyd-
raulischen Randbedingungen in den Braunkohlenbergbau-Folgegebieten zu legen.
Der Vergleich der Software-Programme zueinander kann bei der Testmodellierung nur mit-
tels einer zum Bodenwasserhaushaltsmodell nicht-echtgekoppelte Modellierung erfolgen.
Das heißt, es werden durch das Bodenwasserhaushaltsmodell Zeitfunktionen der GWN er-
rechnet, die dann in die ungekoppelten GW-Modelle als obere RB 2. Art einfließen.
Die Testung des echt gekoppelten Vorgehens mit dem Bodenwasserhaushaltsmodell ArcEG-
MO (online-Kopplung) ist nur mit der Kopplung zur Grundwassermodellierungssoftware
PCGEOFIM möglich. Dies hat Lizenz-Gründe (wie schon in Kap. B5 ausgeführt), da die Kopp-
lung des Bodenwasserhaushaltsmodells ArcEGMO mit den drei Grundwasser-Software-
paketen nicht frei verfügbar ist. Die Rechte zur Kopplung von Seiten des Bodenwasserhaus-
haltsmodells liegen bei BAH, die Rechte von Seiten der Grundwassermodelle jedoch bei den
unterschiedlichen Firmen - bei FEFLOW DHI-WASY, bei MODFLOW ist nur die Kopplung zur
MODFLOW-Version – Cadshell (IHU Nordhausen) bekannt und hier im Bearbeiterteam für
PCGOFIM – bei IBGW Leipzig.

image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 81
VITA-MIN
C2.2
ARBEITSSCHRITTE TESTMODELLIERUNG
C2.2.1 GEOLOGISCHES MODELL - DATENAUSWAHL BOHRUNGEN
Im Zeitraum der Bearbeitung der Testmodellierung standen für das Testgebiet noch keine
digitalen 3D-Daten bzw. vollständig mit dem aktuellen stratigraphischen Normalprofil ver-
schlüsselte Bohrung aus der HyK50-Modellierung im LfULG zur Verfügung. Anstelle der Nut-
zung dieser voraussichtlich ab dem Jahr 2020 verfügbaren Daten wurde, abgestimmt mit
dem Auftraggeber, auf den in der UHYDRO-Datenbank des LfULG verfügbaren Datenpool an
Bohrungen zurückgegriffen. Die entsprechenden Datensätze von Kopf-, Schicht- und Sach-
daten wurden für den räumlichen Ausschnitt des Testmodells abgefragt und vom LfULG mit
Stand 01/2019 übergeben.
Der insgesamt ca. 17.000 Bohrungen mit elektronisch verschlüsseltem Schichtenverzeichnis
umfassende Datensatz wurde für die Verwendung hinsichtlich der Testmodellierung geprüft.
Dabei schließen ca. 14.000 Bohrungen auch die Schichten bis zum Tertiär bzw. Prätertiär
auf (siehe Abb. C2-1). Aus diesen wurden gezielt Bohrungen ausgewählt. Dabei wurde auf
eine möglichst homogene Verteilung der Bohrungen in der Fläche geachtet.
Abbildung C2-1: Datenlage der Bohrungsverteilung im Testgebiet mit Darstellung der
Auswahl an Bohrungen für die Testmodellierung
Als wesentliche Grundlage dienten dabei die meist tiefreichenden Bohrungen der LKT50
Lausitz, welche schon mit einer aktuellen horizontweisen Verschlüsselung hinsichtlich Tertiär
vorliegen. Die zusammengestellten insgesamt 481 Bohrungen im Testgebiet (siehe Abb. C2-
1) wurden dann entsprechend der für die geologische Modellierung festgelegten stratigra-
phischen Untergliederung (vgl. Kap. C3.1) eingestuft. Dabei wurde insbesondere für das
Quartär auf eine weniger komplexe Unterteilung, im Sinne eines „halb-synthetischen“ Mo-
dells zurückgegriffen.

image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 82
VITA-MIN
C2.2.2 ERSTELLUNG HYDROGEOLOGISCHES 3D-STRUKTURMODELL – ÜBERFÜHRUNG IN DAS
NUMERISCHE MODELL
Die Basis für die Erstellung des hydrogeologischen 3D-Strukturmodells lieferte die geologi-
sche Modellierung und deren Umsetzung in ein nach hydrogeologischen Aspekt in Schichten
untergliedertes Modell (vgl. Kap. C3.1). Das ganze geschah mittels der Umsetzung der in
einer Datenbank verschlüsselten ausgewählten Bohrungen im Testgebiet (siehe Kap.
C2.2.1).
Nachfolgend wurde das konkrete hydrogeologische Modell für alle drei GW-Modellierungs-
programme mit dem Programmsystem GMS (Groundwater Modeling System) von AQUAVE-
OTM erzeugt. Das Programmsystem GMS bietet die Möglichkeit, geologische sowie hydroge-
ologische Daten zu dreidimensionalen Struktur-, Parameter- und Strömungsmodellen zu
entwickeln.
Das erhaltene 3D-Strukturmodell wurde mit Kippen- und See-Bereichen ergänzt. Auch er-
folgte für die inneren Sonderbereiche (quartäre Rinnen und glazigene Störungsbereiche)
eine Ankopplung an die entsprechenden hydrogeologisch relevanten Modellschichten.
Unter Ergänzung der Parametrisierung (k
f
-Werte usw.) wurde somit die Grundlage für die
Grundwasser-Modellierung für die einzelnen Software-Programme erstellt.
C2.2.3 VORGEHEN FÜR INNERE SONDERBEREICHE
Besondere Bedeutung besitzt auch die Festlegung zur Vorgehensweise für speziell zu hand-
habende „innere Sonderbereiche“. Hierunter sind vor allem folgende drei Arten spezieller
„hydrogeologischer Körper“ zu verstehen: die entstandenen/ noch entstehenden Kippenkör-
per, quartäre Rinnenstrukturen und glazigene Störungsbereiche. Da sich bei der Testmo-
dellerstellung zur Handhabung dieser Körper eine umfangreiche Diskussion, mit wesentli-
chen Erkenntnissen ergab, wird dieses Vorgehen und generelle Aussagen zum Umgang da-
mit, hier umfassend dargestellt.
Voranzustellen ist, dass für alle diese drei Arten von Sonderbereichen eine ähnliche generel-
le Vorgehensweise zu wählen ist:
Sie sind strukturell in ihrer Spezifik zu verstehen und abzubilden. Dabei erfolgt ihre
grundlegende Abbildung über ihre Parametrisierung und nicht als, im konzeptionellen
hydrogeologischen Modell ausgewiesene, einzelne Einheit (Schichtglieder). Dies ist ziel-
führend, weil sie „Ersetzungen“ anderer Schichtglieder darstellen.
Diese Handhabung entspricht auch exakt der geologischen bzw. technischen Situation.
Denn pleistozäne Rinnen stellen eine Aufarbeitung der vorher vorhandenen Abfolge von
GWL und Stauern dar. Die Bereiche wurden durch eine Rinnenfüllung ersetzt. Gleiches
gilt auf technischem Weg für Kippenmaterialien, gegenüber den Vorfeldverhältnissen.
Somit wird für beide Bereiche die Umwandlung der „betroffenen Körper“ durch neue Pa-
rameterisierungen abgebildet.
Entscheidend ist, dass dieses beschriebene Vorgehen in den vorher für diese Sonderge-
biete ausgehaltenen Verbreitungsgrenzen erfolgt. Innerhalb dieser Rinnen-, Kippenberei-
che bzw. glazigenen Störungsbereichen kann, bei detaillierter Datenlage, eine sehr diffe-
renzierte Parametrisierung erfolgen.
Für die Kippenkörper ist aus anderem Blickwinkel, dem Wissen um ihren generellen, struk-
turellen Aufbau Folgendes festzuhalten:

image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 83
VITA-MIN
Die Berücksichtigung der
entstandenen Kippenkörper
ist vom hydraulischen und hyd-
rogeochemischen Aspekt zu betrachten. Wie in den Großraummodellen im Mitteldeut-
schen Revier (und auch in Lausitzer Regionalmodellen) gehandhabt, bietet sich diesbe-
züglich oft eine grundlegende vertikale Zweiteilung an. Dies gilt insbesondere für AFB-
Tagebaue, in denen oft eine Unterscheidung in die AFB-Kippe und die darüberliegende
Absetzerkippe (ASK) zielführend ist.
Hydrogeochemisch ist es natürlich sinnvoll, auch noch Verwitterungszonen in der vertika-
len Teilung, wohlgemerkt im Hangenden beider Teilkippenkörper (AFBK und ASK) auszu-
halten. Siehe insgesamt zu diesem Vorgehen und den Prozessen z. B. HOTH (2004).
In der oben beschriebenen Vorgehensweise, dass alle Schichten des Grundmodells auch
in den Kippen fortgeführt werden, ist diese Mindestberücksichtigung von vier verschiede-
nen „Quasi-Kippenschichten“ überhaupt kein Problem. Es ist auch eine deutlich weitere
vertikal differenzierte Berücksichtigung möglich. Dies wird jedoch oft an der konkreten
Datenlage scheitern. Stehen keine differenzierteren Daten zur Verfügung, dann werden
die verschiedenen Schichten innerhalb des Bereichs der Kippenkörper gleich parametri-
siert.
Es ist abschließend zur Einbeziehung der Rinnen und Kippenkörper anzumerken:
Im späteren aufzubauenden GRML muss es darum gehen, über die Parametrisierung be-
kannte Trends in den Körnungsverhältnisse (wesentliche feinkörnige bzw. grobkörnige Be-
reiche) abzubilden. Ziel der Parametrisierung kann es nicht sein, homogene Rinnenfüllung
bzw. Kippenparametrisierungen im Modell zu haben.
Die gleiche Aussage gilt auch für die stratiformer gelagerten, gewachseneren Bereiche in
den Feldesteilen (Tertiär und Quartär). Hier sollten wesentliche, großräumige Trends, die
aus den generellen Ansprachen der erbohrten Einheiten bzw. k
f
-Wertbestimmungen bekannt
sind, in Trends der Parametrisierung einfließen. Auf keinen Fall sollten die Einheiten nur mit
gleichen k
f
-Werten für die gesamten Einheiten belegt werden und die Spezifizierung dann
nur über Parameteranpassung im Modell erfolgen. Stattdessen ist die Parameteranpassung
später auf die differenzierte Parameterzonierung (Ansprache orientierter Zonen) aufzuset-
zen.
Nachfolgend sollen jetzt noch einmal die Erkenntnisse aus der Testmodellerstellung zu den
glazigenen Störungsbereichen zusammengeführt werden:
Die aus KÜHNER (2017) entnommene Abb. C2-2 weist aus, dass im Testgebiet größere Berei-
che, als vor der Testmodellerstellung erwartet, solche
glazigenen Störungsbereiche
dar-
stellen. In Abb. C2-3 wird dies durch den ebenfalls aus KÜHNER (2017) entnommenen Profil-
schnitt untermauert. Darauf aufbauend ist, hinausgehend über die Testmodellierung, für das
GRML insgesamt festzuhalten:
Solche glazigen gestörten Bereiche sind als Sonderbereiche vom „normalen Modell-
gebiet“ zu unterscheiden. Es ist weiterführend auszuweisen, ob es sich um
A) vollständige Störungen der Lagerungsverhältnisse handelt, die bis in das Quartär
keiner stratiform verfolgbaren Idee von Grundwasserleitern gehorchen oder B) ob
diese Störungen sich vor allem „nur“ auf das Tertiär beziehen.
Es ist generell anzumerken, dass Daten von GW-Standsmessstellen, die sich lokal in
diesen „aufgeschuppten Bereichen“ befinden, nur nach Überprüfung zur interpolie-
renden Darstellung von Hydroisohypsenplänen herangezogen werden können!

image
image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 84
VITA-MIN
Abbildung C2-2: Lage glazigener Störungsbereiche im Testgebiet (aus KÜHNER 2017)
Abbildung C2-3: Profilschnitt durch Gebiet mit glazigenen Störungsbereichen – Bereich
des ehemaligen Tgb. Bärwalde im Testgebiet (aus KÜHNER 2017)

image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 85
VITA-MIN
Im Fall A) ist davon auszugehen, dass überhaupt keine einfach interpolierbare hyd-
rogeologisch-hydraulische Situation vorliegt. Im oben benannten Fall B) muss zuerst
überprüft werden, im lokalen/regionalen Maßstab, ob und wie die einzelnen Bereiche
(Messstellen) miteinander, hydraulisch sinnvoll kommunizieren oder nicht. Im Ideal-
fall sind die Messstellen im Fall B) hydraulisch über das Quartär gekoppelt und somit
zueinander „in Beziehung zu setzen“. Dies muss jedoch erst mit vorhergehender ge-
nauer Zuordnung der Messstellen und ihrer verfilterten Bereiche zu den einzelnen
GWL überprüft werden.
Zusammenfassend zu diesen Aussagen, sind in allen Lageplan-Darstellungen bei ei-
nem späteren GRML-Aufbau und zugehörigen Ergebnisdarstellungen diese Gebiete
glazigener Störungen, klar als Sonderbereiche zu kennzeichnen.
Durch die gewonnenen Erkenntnisse wird auch bewusst, dass der Umgang mit den
inneren Sondergebieten gezielter Beachtung beim Aufbau des GRML bedarf. Aus die-
sem Fakt resultiert auch eine angepasste Aufwandsbilanzierung (vgl. Kap. D7).
Aus Abb. C2-4 ist dann eine Zusammenführung der Sonderbereiche innerhalb des Testge-
bietes ersichtlich. Es wird deutlich, dass mit dem gewählten Testgebiet nicht nur die Spezifi-
ka von Braunkohlenbergbaugebieten (aktive Tagebaue, Sanierungstagebaue – Restseen,
Kippenkörper, Fließgewässer, weitere Standgewässer) sehr gut abgebildet sind, sondern
dass zusätzlich ein sehr großer Teil des Testgebietes durch innere Sonderbereiche gekenn-
zeichnet ist. Im Testmodell selbst erfolgte eine einfache Handhabung der Sonderbereiche,
da keine Datenbasis für eine differenzierte Parameterisierung, in Bezug auf die in der AST
genannten und durch die Zeitrestriktionen vorgegebenen Bedingungen, vorhanden war.
Abbildung C2-4: Bereich des Testgebietes – Lage von quartären Rinnen und Tagebaube-
reichen (mit resultierenden Kippen und Bergbaufolgeseen)

image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 86
VITA-MIN
C2.2.4 VORGEHEN BEI FESTLEGUNG ÄUßERE UND INNERE RANDBEDINGUNGEN
Die Randbedingungen des Testgebietes wurden in Anlehnung an Realdaten abgeleitet und
mit dem Fokus auf die Bandbreite möglicher Randbedingungen für das GRM Lausitz im Test-
modell definiert. Für die Modellränder werden RB 1. und 2. Art. angesetzt, wobei der Ost-
rand durch die Entwässerungsmaßnahmen des Tagebaus Reichwalde zeitlich variabel ist und
in Form von einzelnen Zeitreihen in jeder Zelle definiert wird. Gleiches gilt für den Nordrand
und den im Nordwesten des Modellgebiets liegenden Bergbaufolge-Speichersee Lohsa II.
Der Westrand wird als RB 2. Art (no-flow, Q= 0) und der Südrand als RB 1. Art mit einem
konstanten Potential definiert.
Innere Randbedingungen sind durch den Bärwalder See, die Vorfluter, die Grundwasserneu-
bildung (Kap. C2.2.5) und die Förderbrunnen der real existierenden Wasserfassung Bärwal-
de definiert. Dabei wurde als wesentlicher Modellierungsstartpunkt der Beginn der Flutung
von Bärwalde im Jahr 2000 betrachtet und festgelegt. Diesbezüglich erfolgte bei der Model-
lierung auch eine Übertragung der verfügbaren Klimadatenzeitreihe von 1991-2015 auf
2000-2025, um einen instationären Anstieg des Sees abzubilden. Nach diesen ersten 25
Jahren wird dann 25 Jahre mit stationärem Endwasserstand und mittlerer GWN weiter ge-
rechnet. Die zeitliche Verschiebung der Klimadaten ist in Bezug auf den halbsynthetischen
Modellansatz zu sehen (vgl. Kap. C2.1).
Das Fließgewässernetz im Modellraum ist komplex. Dem halb-synthetischen Ansatz folgend,
wurde der Fokus in der Bearbeitung auf die Vorfluter Spree und Schwarzer Schöps gelegt.
Die Interaktion von Fließgewässern und See wurde durch die Flutung des Bärwalder Sees
mit Wasser der Spree über einen Zuleiter und die Ableitung von Wasser aus dem See in den
Schwarzen Schöps realisiert. Der Ableiter wurde so definiert, dass ab einem Wasserstand
(WST) im See von 124 m NHN, Wasser aus dem See abgeführt wird.
Abbildung C2-5: Mittlere jährliche Grundwasserneubildung im Bereich des Grundwasser-
Testmodells, berechnet mit ArcEGMO

image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 87
VITA-MIN
C2.2.5 VORGEHEN AUFBAU BODENWASSERHAUSHALTSMODELL
Für den Aufbau des Bodenwasserhaushaltsmodells werden die unter Kap. B4.7 aufgeführten
hydrologisch relevanten Eigenschaften zur Beschreibung des Untersuchungsraumes benö-
tigt. Da sich der in Kap. C1.2 festgelegte Bereich im Landesmodell Brandenburg (siehe Kap.
B4.7.3) befindet, konnte dieser Bereich aus der Datenbasis dieses Brandenburger Modells
ausgeschnitten und teilweise mit weiteren Informationen untersetzt werden. Das so erstellte
Datenmodell wird im Kap. C4 genauer erläutert.
C2.2.6 FESTLEGUNG DER ZU BERÜCKSICHTIGENDEN GWN FÜR UNGEKOPPELTE MODELLE
Grundlage für die Vorgabe der oberen Randbedingung „Grundwasserneubildung“ in den
Grundwasserströmungsmodellen bildete eine Bodenwasserhaushaltsmodellierung mit
ArcEGMO. Als Ergebnis dieser Modellierung zeigt Abb. C2-5 die räumliche Verteilung der
berechneten mittleren jährlichen Grundwasserneubildung für den Zeitraum 1991-2015. Die
Berechnung erfolgte zeitvariabel unter Zugrundelegung eines mittleren Grundwasserflurab-
standes.
Um die Grundwasserneubildung in allen Grundwasserströmungsmodellen gleichermaßen
berücksichtigen zu können, sollte ein möglichst einfacher und pragmatischer Weg gefunden
werden, um sicher zu stellen, dass die Umsetzbarkeit in den unterschiedlichen GW-
Modellierungsprogrammen gewährleistet ist. Maßgabe war, die Grundwasserneubildung so-
wohl räumlich als auch zeitlich variabel zu erfassen. Außerdem musste vereinfachend, für
diese Vorgehensweise mit nicht echt-gekoppelten Modellen, ein unveränderlicher Grundwas-
serflurabstand angenommen werden.
Neben der Modelleingangsgröße Grundwasserneubildung waren auch die meteorologischen
Randbedingungen für die Bilanzierung des Tagbaurestsees in den Grundwasserströmungs-
modellen zu berücksichtigen.
C3
VORGEHEN BEIM AUFBAU DES GRUNDWASSERMODELLS FÜR DIE
TESTMODELLIERUNG
C3.1
ERSTELLUNG HYDROGEOLOGISCHES 3D-STRUKTURMODELL
C3.1.1 (HYDRO)GEOLOGISCHE MODELLIERUNG
Für die Erstellung des geologischen Modells wurde aus dem vom LfULG übergebenen aktuel-
len Bohrungs-Datensatz eine Auswahl an 481 Bohrungen verwendet (vgl. Kap. C2.2.1), die
größtenteils bereits im Zuge der Bearbeitung LKT50 Lausitz für den Bereich Tertiär aktuell
stratifiziert wurden. Diese Stratifizierung in einzelne tertiäre Horizonte erfolgte damals hän-
disch mittels eines umfangreichen Schnittmodells mit Schnitten in N-S- und W-E-Richtung.
Für den Aufbau des hydrogeologischen Strukturmodells war es entscheidend, dass die Gren-
zen zwischen den einzelnen Horizontkörpern nicht nur definierten stratigraphischen Einhei-
ten, sondern vorrangig hydrologischen/hydraulischen Einheiten (Grundwasserstauer/
Grundwasserleiter) entsprechen. Die 481 Bohrungen mussten dahingehend nochmals neu
verschlüsselt werden. Dabei dienten die Grenzen aus der Konstruktion für die LKT50 Lausitz
als hilfreiche Orientierung für die Untergliederung in nun zu definierende Horizontkörper.
Bei der geologischen Modellerstellung wurde zunächst grundlegend zwischen Quartär und
Tertiär unterschieden. Das Tertiär wurde dann bis zur Prätertiäroberkante betrachtet und in
15 hydrogeologisch relevante Einheiten zzgl. „Pufferschichten“ unterteilt (vgl. Tab. C3-1).

image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 88
VITA-MIN
Im Zuge der weiteren Bearbeitung für die Übernahme bzw. die Erstellung des Strukturmo-
dells wurden die Tertiärschichten teilweise zusammengefasst und letztendlich auf 11 Schich-
ten reduziert. Das Quartär wurde in 3 hydraulische Einheiten sowie den Rinnenkörper auf-
geschlüsselt. Die endgültige Untergliederung in geologische Modellschichten sowie die dar-
aus erstellten Strukturmodellschichten sind in Tab. C3-1 übersichtsweise zusammengestellt.
Konkret wurde das geologische 3D-Modells mit ArcGIS mit folgendem Ablauf erstellt:
Als Ausgang für die Berechnung wurden für alle betrachteten Horizontkörper die Liegend-
teufen und die Mächtigkeiten der einzelnen Körper für jede Bohrung ermittelt. Für das Mo-
dell wurden Rasterkarten in Form von GRIDs erstellt. Diese hatten eine Zellengröße von 200
x 200 m. Es wurden jeweils die Liegendteufen, die Mächtigkeiten und die Hangendteufen für
die einzelnen Einheiten in Form von GRIDs generiert. Dabei wurde in ArcGIS das Werkzeug
"Topo zu Raster" genutzt, dessen Interpolationsmethode speziell für die Erstellung digitaler
Höhenmodelle entwickelt wurde. Die Interpolation erfolgte dabei mithilfe der Methode der
iterativen finiten Differenzen. Die Berechnung der einzelnen Modellschichten erfolgte vom
Hangenden zum Liegenden. Es wurden für jeden Horizont jeweils zunächst die Liegendhö-
hen aus den Bohrungsdaten berechnet. Anschließend erfolgte der Verschnitt mit den dar-
über liegenden Horizonten, um die Mächtigkeitskarten bzw. daraus wiederum die Hangend-
karten zu generieren. War einer der Horizontkörper an einer Bohrung nicht verbreitet, wur-
de für die Berechnung der Liegendhöhe an dieser Stelle der Wert der Liegendhöhe der han-
genden Schicht zzgl. Puffer verwendet, um beim anschließenden Verschnitt mit der Han-
gendschicht eine Lücke zu generieren.
Für das Quartär wurde als Hangendfläche eine Oberkante aus den Ansatzhöhen der Bohrun-
gen berechnet, um eine flächendeckende Bezugshöhe für alle Bohrungen zu erhalten. Je
nach Bohrungsalter könnte es sonst zwischen bestehenden DGMs und der Ansatzhöhe zu
Abweichungen kommen, bzw. führt ein Verschnitt der Horizontkarten mit zu hochauflösen-
den DGMs zu Unebenheiten in den Oberflächen, die sich mit der bestehenden Bohrungsdich-
te nicht abbilden lassen.
Aus der Bearbeitung der LKT50 Lausitz liegt ein relativ aktueller Stand bezüglich Liegendba-
sis des Quartärs vor. Allerdings konnte, da momentan aus der Bearbeitung HyK50 Lausitz
noch keine aktuellen Einstufungen für das Quartär verfügbar sind, bei der weiteren Untertei-
lung des Quartärs leider nur auf die teils recht alte, ursprüngliche stratigraphische Unter-
gliederung zurückgegriffen werden.
Eine Einteilung des Quartärs anhand der in der LfULG-Datenbank teilweise vorhandenen
DSE-Schlüsseln war aufgrund deren Inkonsistenz kurzfristig nicht möglich. In Abstimmung
mit allen Projektbeteiligten wurde das Quartär für das Strukturmodell im Testgebiet in 4
hydraulische Einheiten, Q1 bis Q3 und die Rinnenkörper, im Sinne des „halb-synthetischen“
Modellansatzes gegliedert (vgl. Tab. C3-1).
Zur Ermittlung der Verbreitung der Rinnenstrukturen wurden die tertiären, stratigraphischen
Einheiten unterhalb des Quartärs betrachtet. Es wurde von der Annahme ausgegangen: La-
gert das Quartär auf dem Tertiär auf, so schließen sich jüngere tertiäre Einheiten an das
Quartär an. Hat sich eine Rinnenstruktur tiefer in das Tertiär eingeschnitten, so unterlagern
ältere tertiäre Einheiten das Quartär. Aus dieser Annahme ergab sich Abb. C3-1.
Die tertiären hydraulischen Einheiten wurden dazu fortlaufend von 1-15 nummeriert. Die
Pufferbereiche sowie das Prätertiär sind als eine Einheit verschlüsselt. Aus dieser numeri-
schen Verschlüsselung wurde eine Karte generiert. Je kleiner die Werte (grün), um so jün-

image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 89
VITA-MIN
ger der Horizont der das Quartär unterlagert. Hohe Zahlen (rot) zeigen ältere Einheiten im
Liegenden der quartären Schichten.
Die Rinnen zeichnen sich mit dieser Methode deutlich ab. Im Süden des Untersuchungsge-
bietes befindet sich eine Hochfläche des Prätertiärs. Das Quartär lagert dort direkt dem Prä-
tertiär auf. Diese Bereiche wurden nicht mit in die Rinnenstruktur einbezogen.
Abbildung C3-1: Verbreitung der tertiären Horizontkörper im Liegenden des Quartärs
Die Rinnenstrukturen ließen sich auf diese Weise sehr gut aushalten und die Bohrungen au-
ßerhalb der Rinnenstruktur identifizieren. Anschließend wurde mit allen Bohrungen außer-
halb der Rinnenstrukturen die Quartärbasis flächendeckend berechnet. Vereinzelt zeigten
sich an den Rändern der Rinnenstrukturen noch einzelne „Löcher“ bzw. deutliche Senken,
deren Bohrungen nachträglich händisch aus dem Rinnenbereich ausgeschlossen wurden.
Im Resultat entstand die Quartärbasis ohne Rinnenstrukturen (Liegendbasis Q3). Quartäre
Sedimente unterhalb dieser Basis wurden den Rinnenfüllungen zugeordnet.
Das verbleibende Quartär ohne die Rinnenkörper wurde in 3 Schichten unterteilt: zwei
grundwasserleitende Einheiten (Q1 und Q3) und einen trennenden, grundwasserstauenden
Horizont (Q2). Zur Abtrennung wurden die quartären Sedimente in einzelne bindige und
rollige Schichten untergliedert. Um keine zu detaillierte Aufschlüsslung zu erhalten, wurden
Schichten < 50 cm nicht berücksichtigt, sondern der angrenzenden Schicht zugeschlagen.
Von allen bindigen Horizonten wurde Liegendhöhe und Mächtigkeit berechnet. Anschließend
wurden alle Bohrungen mit bindigen Lagen mittels ArcGIS in der Fläche abgebildet. Bohrun-
gen mit nur einem bindigen Horizont wurden als Referenzhöhe für den Horizont Q2 ange-
nommen. Bei Bohrungen mit mehreren bindigen Lagen wurden die Schichten ausgewählt,

image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 90
VITA-MIN
die in Mächtigkeit und Höhenlage zu den übrigen Bohrungen passten, um eine möglichst
aushaltende und ebene Stauerschicht Q2 zu erhalten. Der daraus resultierende Horizontkör-
per Q2 diente als trennender Stauer für den Quartärkörper. Die Liegendhöhe als auch die
Mächtigkeiten der Schichten Q2 wurden in Form von GRIDs generiert. Die beiden grundwas-
serleitenden Horizonte Q1 und Q3 wurden anschließend rechnerisch ermittelt. Nachfolgend
wurde für den Horizontkörper Q2 an den einzelnen verwendeten Bohrungen geprüft, in wel-
chen Regionen keine bzw. sehr geringmächtige bindige Schichten existieren. Für diese Be-
reiche des Ausstreichens bzw. nicht Vorhandenseins von quartären Stauschichten ergibt sich
eine hydraulisch bedeutsame Verbindung der GWL (sog. Fenster), welche durch entspre-
chende Parametrisierung (k
f
-Werte) im Testmodell berücksichtigt wurde.
Die Daten (GRIDs) der aufgeschlüsselten Horizontkörper für das Quartär (Q1-Q3 und Rin-
nenkörper), 15 Horizontkörper für das Tertiär (inkl. einzelner Zusammenfassungen) sowie
den Puffer und die Hangendfläche Prätertiär wurden als Grundlage für den Aufbau des
Strukturmodells genutzt. Separat als Horizonte bzw. Körper ausgehalten wurden dabei auch
stark tektonisch gestörte Bereiche mit undifferenzierbarem Tertiär (Störkörper). Hingegen
wurden rezente Kippenkörper bzw. Hohlräume (mit und ohne Wasserfüllung) nicht separat
ausgewiesen, sondern der vorbergbauliche Zustand im geologischen Modell abgebildet.
C3.1.2 ERSTELLUNG HYDROGEOLOGISCHES 3D-STRUKTURMODELL – ÜBERFÜHRUNG IN NUMERISCHES
MODELL
Die Erstellung des 3D-Strukturmodells erfolgte auf Grundlage des Geologischen Modells,
welches zuvor unter hydrogeologischem Aspekt in einzelnen Schichten zusammengefasst
wurde (vgl. Tab. C3-1). Außerdem wurde zum Liegenden hin eine Limitierung des Struktur-
modells vorgenommen.
Tabelle C3-1: Zusammenstellung der Modellschichten des Testgebietes - geologisches Mo-
dell sowie resultierendes hydrogeologisches 3D-Strukturmodell mit Zuord-
nung der k
f
-Werte

image
image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 91
VITA-MIN
C3.2
ABBILDUNG VON GLAZIGENEN RINNEN / STÖRUNGSBEREICHEN UND KIPPENAREALEN
Die in Kap. C2.2.2 umfänglich diskutierten „inneren Sonderbereiche“ (Rinnensysteme, Kip-
penkörper, glazigene Störungen) können einen wesentlichen Einfluss auf das Grundwasser-
geschehen haben. Beispielsweise können Grundwasserleiterverbreitungen über Rinnen ent-
koppelt/ gestört sein, aber über die Rinnen können jedoch auch sonst getrennte GWL kom-
munizieren. Auch in Kippen kann es zu hydraulischen Kopplungen von eigentlich getrennten
Grundwasserstockwerken kommen.
Diese Sonderbereiche werden im geologischen Strukturmodell als eine eigenständige hydro-
geologische Einheit ausgehalten. Zur Nachbildung der horizontalen Grundwasserströmung
im Übergangsbereich dieser Sonderbereiche empfiehlt es sich daher diese im geologischen
Strukturmodell durch Weiterführung der angrenzenden Grundwasserleiter zu gewährleisten.
Dies bedeutet, die angrenzenden grundwasserleitenden Schichten werden über die Sonder-
bereiche hinweg weitergeführt. Abb. C3-2 weist diese Anbindung der Rinnenkörper schema-
tisch aus. Dies wird dann in Abb. C3-3 untersetzt mit einem konkreten Profilschnitt, der
auch den Umgang mit den Kippen- und Störkörpern ausweist.
Abbildung C3-2: Schematische Darstellung der Anbindung des Rinnenkörpers an die GWL
der ungestörten Feldesteile
Abbildung C3-3: Schnitt durch das Strukturmodell (beispielhaft am Rechtswert GK
5469499) mit Ankopplung der Rinnen und der glazigenen Störkörper im
Tertiär sowie der Position von Kippenbereichen und dem Bergbaufolgesee
Bärwalde

image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 92
VITA-MIN
C3.3
FESTLEGUNG ÄUßERE RANDBEDINGUNGEN
Die äußeren Randbedingungen des Testmodells wurden in Anlehnung an Realdaten aus dem
Testgebiet abgeleitet und mit dem Fokus auf die Bandbreite möglicher Randbedingungen für
das GRM-Lausitz definiert.
Der Westrand des Modells wurde als RB 2. Art (no flow, Q=0) definiert. Am Südrand erfolg-
te die Implementierung einer RB 1. Art (Grundwasserzustrom) mit einem konstanten Was-
serstand H von 136,0 m NHN. Beide Randbedingungen lassen sich aus der Analyse von
Hydroisohypsenplänen über einen Zeitraum von mindestens 10 Jahren ableiten.
Am Ost- und Nordrand des Modells beeinflusst die Entwässerung der Tagebaue Reichwalde
und Nochten das Strömungsfeld im Abstrom des Bärwalder Sees. An beiden Rändern wurde
deshalb eine zeitlich variante Randbedingung 1. Art definiert (H = f(t)). Gleiches gilt für die
Entwicklung des Wasserstandes im Speichersee Lohsa II. Es wird im Testmodell vereinfacht
angenommen, dass der Wasserstand (WST) im RL Lohsa II bis 2016 ansteigt und danach
auf einem Niveau von 116,4 m NHN verbleibt.
Als Beispiel für die Variabilität der Wasserstandsentwicklung in den Randbedingungen zeigt
Abb. C3-4 den zeitlichen Verlauf der festgelegten Wasserstände im Norden, Süden und Os-
ten sowie für den Speicher Lohsa auf.
Abbildung C3-4: Zeitliche Entwicklung der äußeren Randbedingungen im Testmodell (an
beispielhaft ausgewählten Punkten)
C3.4
INNERE RANBEDINGUNGEN - OBERFLÄCHEN- UND FLIEßGEWÄSSER
Als innere Randbedingungen sind exemplarisch für die Oberflächengewässer im Testmodell
die beiden Hauptvorfluter im Modellgebiet, die Spree und der Schwarze Schöps, sowie der
Bärwalder See enthalten. Auch ein Zuleiter von der Spree zum Bärwalder See und ein Ablei-
ter vom Bärwalder See in den Schwarzen Schöps sind im Modell enthalten. Damit werden
die Interaktionsmöglichkeiten von Fließgewässern und Seen in den Modellen getestet.
60
70
80
90
100
110
120
130
140
WST in mNHN
Lohsa_II 5464300 5699500
RB_Nord 5470500 5700900
RB_Süd 5470700 5689100
RB_Ost 5477900 5695700

image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 93
VITA-MIN
Weiterhin sind die Entnahmebrunnen der Wasserfassung Bärwalde im Abstrom des Bärwal-
der Sees, als Beispiel für die lokale Entnahme von Wasser aus dem Grundwasserleiter im
Modell implementiert. Die Grundwasserneubildung wurde in den ungekoppelten Modellen so
gehandhabt, dass von Seiten des BWHM eine zusammenfassende, zeitvariante Vorgabe von
18 GWN-Klassen erfolgte. Die Daten wurden vom Wasserhaushaltsmodell ArcEGMO als Flä-
cheninformation übernommen und auf das jeweilige Modellgitter übertragen. Eine Berech-
nung der ungesättigten Strömung, wie sie z. B. mit dem UZF-Modul in MODFLOW bzw. auch
mit FEFLOW möglich ist, wurde deshalb im Testmodell nicht berücksichtigt.
Für den Bärwalder See als Randbedingung wurde die vereinfachte und auf einem Raster von
100 x 100 m interpolierte Morphometrie mit einem DGM definiert. Der See hat ausgedehnte
Flachwasserbereiche und einen tiefen, für Bergbaufolgeseen typischen Randschlauch. Die
Interaktion zwischen See und Grundwasserleiter wurde mit einer Kolmationsschicht, mit
hydraulischer Leitfähigkeit von k
f
-Wert = 10
-5
m/s, bei einer Schichtmächtigkeit von 1 m
exemplarisch beschrieben. Der Anfangswasserstand des Sees beträgt 80 m NHN. Der See
war mit dem Zuleiter (ZuL) und dem Ableiter (AbL) gekoppelt, um die Flutung und die Ab-
leitung in den Schwarzen Schöps bei einem WST von 124 m NHN abzubilden. Niederschlag
und Evaporation waren nicht separat zu definieren, weil die GWN (bzw. Zehrung) als RB
durch das Bodenwasserhaushaltsmodell ArcEGMO definiert war.
Abbildung C3-5: Äußere und innere Randbedingungen für das Grundwassermodell im
Testgebiet

image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 94
VITA-MIN
Abbildung C3-6: Flächeninformation der 18 GWN-Klassen aus ArcEGMO, die auf die
Modellgitter übertragen wurden
Abbildung C3-7: Zeitreihen (Stufenfunktion) zur Definition der GWN sowie der Zehrung
von Wasserflächen
-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
GWN / Zehrung in mm/a
1
5
15
GWN-Klasse

image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 95
VITA-MIN
Die Fließgewässer wurden in Segmente eingeteilt. Die Einteilung erfolgte nur grob, um die
generelle Definition der RB zu demonstrieren. Für den Verlauf der Spree wurden 3 Segmen-
te (Spr_1 bis Spr_3 in Abb. C3-5) definiert. Am Südrand des Modellgebietes fließt die Spree
mit einem Volumenstrom Q von 80,4 m³/min (= 1,34 m³/s) in das Modellgebiet (oberstro-
miger Modellrand). Die Breite der vereinfacht als Rechteckgerinne definierten Spree wurde
für den gesamten Flussverlauf mit 10 m festgelegt. Im GRM Lausitz müssen die Querschnit-
te der Vorfluter aus den verfügbaren Vermessungsdaten generiert werden.
Der Schwarze Schöps wurde mit 2 Segmenten (Sch_1 bis Sch_2 Abb. C3-5) beschrieben.
Am oberstromigen Modellrand wurde ein Volumenstrom von 20,1 m³/min (= 0,355 m³/s)
bei einer Gerinnebreite von 5 m festgelegt. Dieser wurde im gesamten Verlauf konstant ge-
halten. Auch der Zuleiter und der Ableiter wurden mit einer Gerinnebreite von 5 m in das
Modell integriert.
Zur Abbildung der Fließgewässer als Gerinne wurden weiterhin auch die Manning-Strickler-
Beiwerte (k
st
), die k
f
-Wert der Gerinnesohle (kf
G
) und deren Mächtigkeit (M
G
), die Sohlhöhe
am Beginn (S
G,Beg
) und am Ende des Segments (S
G,End
), die genannte Gerinnebreite am Be-
ginn (B
G,Beg
) und am Ende des Segments (B
G,End
) definiert. Die in das Modell eingeflossen
Werte fasst Tab. C3-2 zusammen.
Um eine realistische Flutungssituation im Modell zu testen, wurde der Zuleiter (ZuL) zum
Bärwalder See so definiert, dass aus dem Volumenstrom der Spree (Spr_1) 5 m
3
/min
(0,083 m³/s) entnommen und in den See geleitet werden. Der Ableiter (AbL) aus dem Bär-
walder See wurde so definiert, dass erst ab einem WST im See von 124 mNHN (Sohlhöhe
des Gerinnes) Wasser in den Schwarzen Schöps (Sch_2) abgeführt wird.
Tabelle C3-2: Fließgewässersegmente und deren Parametrisierung
Name
Q in
m³/s
k
st
in m
1/3
/s
kf
G
in m/s
M
G
in m
S
G,Beg
in m
S
G,End
in m
B
G,Beg
in m
B
G,End
in m
Sch_1
0,33
70
0,0001
1
148,4 132,1
5
5
Sch_2
0
70
0,0001
1
148,4 132,1
5
5
Spr_1
0,83
70
0,0001
1
135,6 129,8
10
10
Spr_2
0
70
0,0001
1
135,6 129,8
10
10
Spr_3
0
70
0,0001
1
132,3 129,2
10
10
AbL
0
70
1,00E-06
1
134,0 123,9
5
5
ZuL
0,083
70
1,00E-06
1
123,8
120
5
5
Q – am Anfang des Segments (im Bereich des Modellrandes)
k
st
– Manning-Strickler-Beiwert
kf
G
– kf-Wert der Gerinnesohle
M
G
– Mächtigkeit Gerinnesohle
S
G,Beg
– Sohlhöhe am Beginn des Segments
S
G,End
– Sohlhöhe am Ende des Segments
B
G,Beg
– Gerinnebreite am Beginn des Segments
B
G,End
– Gerinnebreite am Ende des Segments
Die Brunnenstandorte im Modellgebiet entsprechen den realen Brunnenpositionen der Was-
serfassung Bärwalde. Insgesamt wurde eine Förderrate von 2000 m³/d auf die 4 Brunnen
(B01 bis B04 in Abb. C3-5). Die Filterunterkante dieser Brunnen wurde bei 85 m NHN fest-
gelegt. Alle Brunnen waren einheitlich bis zur GOK verfiltert und haben einen Durchmesser
von 0,3 m.

image
image
image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 96
VITA-MIN
C3.5
ABBILDUNG GRUNDWASSERNEUBILDUNG IM UNGEKOPPELTEN TESTMODELL
Auf Grundlage der in Kap. C2.2.5 dargestellten Berechnungsergebnisse der Grundwasser-
neubildung wurde eine Klassifizierung in 18 Teilklassen mit ähnlicher Grundwasserneubil-
dung vorgenommen (vgl. Abb. C3-8).
Abbildung C3-8: links: Untergliederung des Modellgebietes in GWN-Klassen; rechts: Mitt-
lere Jahres- und Halbjahressummen der Grundwasserneubildung
Für jede dieser GWN-Klassen erfolgte eine Aggregierung der berechneten Tageswerte der
Grundwasserneubildung zu Halbjahressummen der hydrologischen Sommer- und Winter-
halbjahre im Zeitraum 1991-2015. Auf diese Art ist es mit hinreichender Genauigkeit mög-
lich, den typischen innerjährlichen Verlauf der Grundwasserneubildung zu simulieren. Im
Ergebnis dieser Datenaggregierung entstanden für die 18 über das Gebiet verteilten GWN-
Klassen, Zeitreihen in Halbjahresschritten, aus denen die obere Randbedingungen für die
drei Grundwasserströmungsmodelle erzeugt wurden (vgl. Abb. C3-9).
Abbildung C3-9: Räumlich und zeitlich variable Grundwasserneubildung im halbjährlichen
Gang für die 18, das Gesamtgebiet überdeckende GWN-Klassen

image
image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 97
VITA-MIN
C3.6
ABBILDUNG DER METEOROLOGISCHEN RANDBEDINGUNGEN IM UNGEKOPPELTEN
TESTMODELL
Die modellseitige Erfassung von Niederschlag und Verdunstung über freien Wasseroberflä-
chen wurde durch korrigierte Niederschläge, potentielle Verdunstung sowie tiefenabhängige
Gewässerverdunstung berücksichtigt. Deren Vorgabe ist für die Standgewässerbilanzierung
notwendig. Alle drei Größen wurden analog zum Vorgehen bei der Grundwasserneubildung
ebenfalls zu Halbjahressummen im Zeitraum 1991-2015 aggregiert. Die Niederschlagsaus-
gangsdaten sind unkorrigierte Messdaten der Station Boxberg (DWD). Die Daten wurden
mittels des Verfahrens nach Richter korrigiert. Die potentielle Verdunstung wurde auf
Grundlage meteorologischer Messgrößen der DWD-Station Cottbus nach dem Turc-Ivanov-
Verfahren berechnet. Die Werte zur Gewässerverdunstung für die Gewässertiefen 2 m, 5 m
und 15 m stammen aus einem DWD-Gutachten, welche um eigene Berechnungen ergänzt
wurde. Als Berechnungsverfahren kam das vereinfachte Kombinationsverfahren nach Rich-
ter gemäß DVWK-Merkblatt 238/1996 zum Einsatz.
Abbildung C3-10: Klimatische Wasserbilanz für Tagebaurestsee (korrigierter Niederschlag
der Station Boxberg und potentielle Verdunstung im halbjährlichen Gang)
Abbildung C3-11: Klimatische Wasserbilanz für Tagebaurestsee (gewässertiefenabhängige
Gewässerverdunstung im halbjährlichen Gang)

image
image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 98
VITA-MIN
C4
VORGEHEN UND FESTLEGUNGEN BEIM AUFBAU DES
BODENWASSERHAUSHALTSMODELLS
Für das Bodenwasserhaushaltsmodell wurden die Daten weitestgehend aus dem Branden-
burg-Modell übernommen. Die Niederschläge werden über REGNIE-Daten im 1 km² Raster
eingelesen. Für die Oberflächenmorphologie wurde das DGM10 und SRTM verwendet, wäh-
rend das Sohlgefälle von Gewässerabschnitten aus dem DGM1 abgeleitet wurde. Die Boden-
daten wurden aus der BÜK300 für Brandenburg und aus der BÜK200 für Sachsen bezogen.
Für die Klassifizierung der Landnutzung wurden CIR Daten ausgewertet. Das ausgeschnitte-
ne Brandenburg-Modell wurde teilweise durch zusätzliche Datengrundlagen weiter präzi-
siert. Das dazu angewandte Vorgehen wird in den folgenden Unterkapiteln beschrieben.
C4.1
LANDNUTZUNG
Die Datengrundlage für die Landnutzung im Testmodell bilden CIR-Daten der Biotoptypen-
und Landnutzungskartierung von Sachsen aus dem Jahr 1993
1
. Die bergbauüberprägten
Bereiche der Tagebaue Nochten/Reichwalde, werden im Bergbaufolgezustand beschrieben.
Datengrundlage für die Bergbaufolgenutzung sind Planungsstände der LEAG
2
.
Abbildung C4-1: Datengrundlage der Landnutzung im Testmodellgebiet (CIR-Daten für
Sachsen, ergänzt durch Bergbaufolgenutzungsdaten für den Tagebaube-
reich Nochten/Reichwalde der LEAG)
Die Originär-Flächendaten werden GIS-gestützt zu einem Landnutzungsthema zusammen-
geführt (vgl. Abb. C4-1). Zusätzlich wurden die Standgewässer des LfULG (Stand Dezember
1
LfULG (1993): CIR - Biotoptypen und Landnutzungskartierung Sachsen. – Dresden
2
Lausitz Energie Bergbau AG (2017): Bereitstellung digitaler Informationen zur Bergbaufolgeland-
schaft für den Tagebaubereich Nochten/Reichwalde. – Cottbus

image
image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 99
VITA-MIN
2018) mit dem Landnutzungsthema verschnitten und in die Datenbasis übernommen (dun-
kelblaue Flächen).
Für die Tagebaue Lohsa
3
und Bärwalde
4
liegen Sanierungsrahmenpläne vom Regionalen
Planungsverband vor (Abb. C4-2). Diese liegen in nicht digitalisierter Form vor und sind
noch nicht im Testmodell berücksichtigt, da dies für den Nachweis der Funktionsfähigkeit
des Modells nicht notwendig war.
Abbildung C4-2: Bergbaufolgenutzung der Tagebaue Lohsa (links) und Bärwalde (rechts)
C4.2
BODENINFORMATIONEN
Datengrundlage für die Beschreibung der in den Bergbauarealen verbreiteten Böden ist ei-
nerseits die Bodenkonzeptkarte des Freistaates Sachsen
5
. Diese enthält stark generalisierte
Informationen zu den Böden in Kippengebieten. Die Bodenkonzeptkarte besitzt im Betrach-
tungsraum eine etwas höhere räumliche Differenzierung als die Bodenkarte 1: 50000, wes-
halb dieser der Vorzug gewährt wird. Für den Tagebaubereich Nochten/Reichwalde können
die Bodendaten teilweise durch Detailinformationen aus durchgeführten Kippsubstatkartie-
rungen
6
Dritter präzisiert werden. Laut Auskunft des LfULG wird voraussichtlich gegen Ende
des Jahres 2019 eine überarbeitete Fassung der Bodenkarte 1:50.000 vorliegen, welche
auch in den vom Bergbau betroffenen Arealen eine höhere Informationsdichte aufweisen
wird.
C4.3
FLIEßGEWÄSSER
Für das Fließgewässernetz standen zwei Datenbasen zur Verfügung. Das im Landesmodell
Brandenburg verwendete Gewässernetz
7
und das sächsische Fließgewässernetz
8
. Letzteres
3
Regionaler Planungsverband Oberlausitz-Niederschlesien (2000): Braunkohlenplan als Sanierungs-
rahmenplan für den stillgelegten Tagebau Lohsa. – Bautzen
4
Regionaler Planungsverband Oberlausitz-Niederschlesien (1998): Braunkohlenplan als Sanierungs-
rahmenplan für den stillgelegten Tagebau Bärwalde. – Bautzen
5
LfULG (2004): Bodenkonzeptkarte 1: 25000. – Freiberg
6
C&E GmbH (2004-2017): Bodengeologische Kartierungsberichte. Tagebau Nochten. – Berlin
7
Fließgewässernetz Brandenburg digitalen Gewässernetz DLM 25W

image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 100
VITA-MIN
ist räumlich sehr viel detaillierter. Im Grundwassermodell ist allerdings lediglich der Verlauf
der Spree und der Schwarzen Schöps als Fließgewässer im Modell integriert (Abb. C4-3).
Daher ist die Differenziertheit des Brandenburger Fließgewässers ausreichend und wurde
deshalb im halb-synthetischen Testmodell nicht weiter untersetzt.
Abbildung C4-3: Räumliche Diskretisierung des sächsischen (hellblau) und des Branden-
burger Fließgewässernetzes (dunkelblau) im Vergleich zu den im Grund-
wassermodell integrierten Fließgewässern
C4.4
GRUNDWASSERFLURABSTAND
Der Grundwasserflurabstand wurde, zur besseren Vergleichbarkeit des ungekoppelten Mo-
dells mit dem gekoppelten Modell, aus einer Stichtagsmessung vom LfULG übernommen,
die auch als Startbedingung für die gekoppelte Modellierung herangezogen wurde. Die
Seen, für die das Grundwasser über Flur steht, werden in Abb. C4-4 als rote Flächen ge-
kennzeichnet. Grundwassernahe Flächen sind vor allem im Südosten des Modellgebietes zu
finden. Andere Bereiche sind oft als grundwasserfern einzustufen.
8
Sächsisches Fließgewässernetz des Sächsischen Landesamtes für Umwelt, Landwirtschaft und Geo-
logie, Stand Dezember 2018

image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 101
VITA-MIN
Abbildung C4-4: Verteilung der Grundwasserflurabstände im Testmodellgebiet
C4.5
UMSTELLUNG DER DISKRETISIERUNG FÜR DIE GEKOPPELTE MODELLIERUNG
Im eigentlichen Kopplungsbereich müssen sowohl das Bodenwasserhaushaltsmodell, als
auch das GW-Modell die gleiche räumliche Diskretisierung aufweisen. Daher wurden die Po-
lygonflächen, wie sie für ArcEGMO typisch sind, auf Rasterflächen (200 x 200 m) umgestellt
(nachfolgende Abb. C4-5). Numerische Werte wurden flächengewichtet gemittelt, während
bei nominalen Daten die jeweils größte Ausprägung der jeweiligen Rasterfläche verwendet
wurde.

image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 102
VITA-MIN
Abbildung C4-5: Veränderte Diskretisierung im gekoppelten Modellbereich am Beispiel der
Landnutzung
C5
VERGLEICH DER ÜBERFÜHRTEN 3D-STRUKTMODELLE BEI
UNTERSCHIEDLICHER SOFTWARE
Nachfolgend wird die Überführung der hydrogeologischen 3D-Strukturmodelle in die jeweili-
gen Modellierungssoftware exemplarisch aufgezeigt. Hierbei geht es nicht um den absoluten
Vergleich, sondern es soll auch die Komplexität des ausgewählten Testmodellbereichs her-
ausgestellt werden.
Um eine Vergleichbarkeit der drei Modellansätze in Bezug auf die Testmodellierung zu wah-
ren, wurde entschieden, in FEFLOW ebenfalls die 200 m Gitterstruktur zu überprüfen. Dies
ist prinzipiell möglich. Natürlich liegen die Vorteile des FEM-Codes eher auf unregelmäßigen,
in Bereichen wesentlicher hydraulischer Änderungen stärker verfeinerten Netzen. Während
der Modellierung stellte sich heraus, dass der gewählte Weg zur Vergleichbarkeit zu den
Finite Differenzen Codes unvorteilhaft ist, weil es an spitzwinkligen Dreiecken, zur Abbildung
von rechteckigen Elementen, zu größeren numerischen Problemen kommt, die längere Re-
chenzeiten auf Grund größerer Iterationszahlen zur Folge haben. Nach dem gewählten Vor-
gehen war dies aber nicht mehr zu ändern. Dieses Vorgehen hat aber keinen Einfluss auf die
generellen Aussagen, die sich aus der Testmodellierung in Bezug auf FEFLOW ergeben.

image
image
image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 103
VITA-MIN
Abbildung C5-1: Testgebiet MODFLOW-Modellierung – exemplarischer Profilschnitt (über-
höht) mit k
f
-Wertverteilung
Abbildung C5-2: Testgebiet PCGEOFIM-Modellierung – exemplarischer Profilschnitt (über-
höht) mit k
f
-Wertverteilung
Abbildung C5-3: Testgebiet FEFLOW-Modellierung – exemplarischer Profilschnitt (über-
höht) mit k
f
-Wertverteilung

image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 104
VITA-MIN
C6
ERKENNTNISSE AUS DER TESTMODELLIERUNG BEZÜGLICH DER
GRUNDWASSERMODELLIERUNGS-SOFTWARE
Mit dem Aufbau und dem Betrieb der GW-Strömungs-Testmodelle sollte ein Vergleich zwi-
schen den Programmpaketen PCGEOFIM, FEFLOW und MODFLOW möglich werden. Der Ver-
gleich konzentrierte sich insbesondere auf die Handhabung von Daten und die Bearbeitbar-
keit bergbauspezifischer Fragestellungen.
C6.1
ERGEBNISSE MODFLOW
Die MODFLOW-Inputdateien für das Testmodell wurden mit QGIS (2.18) und dem Software-
system GMS von AQUAVEO
TM
erzeugt. Bei der Übertragung auf das GRM Lausitz kann die
Änderung der Inputdaten auch direkt über eine Datenbank oder HDF/netCDF-Dateien erfol-
gen. Aufgrund der umfangreichen Datenhaltung sollten die Input-Dateien für das GRM di-
rekt aus einer Datenbank erzeugt werden können.
Für die Definition der Randbedingungen wurden im Testmodell folgende MODFLOW-Module
verwendet: MNW (Multi-Node Well), GHB (General-Head Boundary), CHD (Time-Variant
Specified-Head), LAK (Lake), SFR (Stream-Flow Routing), RCH (Recharge).
Für die Berechnung der Grundwasserströmung wurden zwei MODFLOW-Versionen getestet.
Zum einen MODFLOW-2005-LPF (Layer-Property Flow package) mit dem PCG2-Solver und
MODFLOW-NWT mit UPW (Upstream Weighting package). Durch die starken hydraulischen
Gradienten im Modellgebiet konnte mit MODFLOW 2005 keine Lösung erzeugt werden. Mit
MODFLOW-NWT hingegen waren die Berechnungen erfolgreich, d.h. Konvergenz konnte
erreicht werden. Dabei war die Rechenzeit stark von den festgelegten Konvergenzkriterien
des NWT-Solvers abhängig.
Bei Verwendung von MODFLOW zum Aufbau und Betrieb des GRML ist die Version MOD-
FLOW-NWT mit dem UWP-Solver, auf Basis von MODFLOW 6 zu nutzen. Grund für diese
Empfehlung sind die abzubildenden starken Schwankungen des GW-Standes im Modellge-
biet, besonders im Bereich des aktiven Bergbaus.
Auch die Betrachtung der Fließgewässer in Bezug auf Hoch- und Niedrigwasserereignisse
kann mit MODFLOW erfolgen. Eine Prüfung, ob eine Kopplung mit einem surface-runoff-
Modell oder die Beschreibung der ungesättigten Zone mit dem MODFLOW-Modul UZF (Unsa-
turated-Zone Flow package) notwendig ist, erfolgte im Testmodell nicht. Generell besteht in
MODFLOW die Möglichkeit dazu.
Zur Abbildung der Kippen bei ihrer Entstehung und Genese ist insbesondere die zeitlich va-
riante Änderung der Materialeigenschaften (z. B. k
f
-Wert bei Um- / Ablagerung der Sedi-
mente bei der Kippenherstellung) zu betrachten. Hierbei muss das TMP-Modul (Time-
varying Material Property) von Waterloo Hydrogeologic genutzt werden. Das TMP-Modul ist
nur im Paket mit der Version MODFLOW-SURFACT v4.0 (frühere Versionen funktionieren
nicht) verfügbar. MODFLOW-SURFACT v4.0 muss mit dem GUI Visual MODFLOW Pro betrie-
ben werden. Dieses TMP-Modul war zur Bearbeitung des Testmodelles im Bearbeitungsteam
nicht verfügbar.
Bei der Bearbeitung des GRM Lausitz werden die marktverfügbaren GUIs (Eingabemasken)
nicht die notwendige Kapazität zum Handling der erwartbaren großen Datenmengen liefern.
Es wird deshalb notwendig werden, Werkzeuge zu nutzen, die

image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 105
VITA-MIN
a) die Input-Dateien direkt aus dem Datenmanagementsystem heraus aufbauen und
b) die Modellergebnisse in visualisierbarer oder digitaler Form aus den umfangreichen
Output-Dateien generieren.
Nach dem Aufbau und dem Betrieb des Testmodells mit MODFLOW kann das Programmsys-
tem, unter Beachtung der gegebenen Hinweise, für die Bearbeitung des GRM Lausitz emp-
fohlen werden.
C6.2
ERGEBNISSE FEFLOW
Die entscheidenden Erkenntnisse zu FEFLOW-Besonderheiten aus der Testmodellerstellung
und der Testmodellierung sind letztendlich folgende:
In der dem Projektteam zur Verfügung stehenden Normallizenz von FEFLOW (Version 7.1)
sind einige für die Großraummodellierung notwendigen Features, zur Abbildung von Rand-
bedingungen und hydraulischen Spezialkörpern, nicht enthalten. Dies gilt für die Handha-
bung der genauen, wasserbilanzierenden Abbildung von sich füllenden Restseestrukturen
und der wasserbilanzierenden Abbildung von Fließgewässern. Dies heißt nicht, dass dies
prinzipiell mit FEFLOW nicht möglich ist. Es bedarf jedoch dazu Add-ons bzw. Verkopplun-
gen mit anderen Programmsystemen, z. B. MIKE-SHE. Diese Fragestellung der genauen
Abbildung von z. B. Restseefüllung und der Veränderung von Parametern für Vorfeldberei-
che, die zu Kippen werden, ist im Programmsystem MODFLOW genauso gegeben. Dies ist
nur mit speziellen Modulen realisierbar (vgl. Kap. C6.1).
Gleiches gilt weiterführend auch für die genaue Abbildung der Grundwasserneubildung
(GWN) als obere RB des GW-Modells. FEFLOW bietet de facto drei Levels der Berück-
sichtigung der GWN. Wie schon in Kap. B5 ausgeführt, ist das anspruchsvollste Niveau, die
Verkopplung mit dem Bodenwasserhaushalt mittels des Programms ArcEGMO. Dies ist in
FEFLOW prinzipiell möglich (das Kopplungsvorgehen ist vergleichbar, der hier im Projekt
testbaren Kopplung zu PCGEOFIM). Allerdings ist diese Kopplung in keiner der öffentlich
zugänglichen FEFLOW-Versionen enthalten, sondern kann nur von DHI-WASY „inhouse“ ge-
nutzt werden. Ein zweites, ebenfalls komplexes Vorgehen zur GWN-Abbildung ist die Be-
rücksichtigung einer wasserteilgesättigten Strömung mittels der Richards-Gleichung. Dies
heißt also, es wird ein wassersättigungsabhängiger Strömungsprozess modelliert, der aller-
dings nicht eine echte 2-Fluidphasen Betrachtung beinhaltet (ohne Gasphase, „nur“ wasser-
sättigungsabhängige Durchlässigkeiten). Hierbei sind dann natürlich weitere Parametrisie-
rungen notwendig, die es ermöglichen, den wassersättigungsabhängigen Wasserfluss zu
beschreiben. Es war klar, dass dieser GWN-Ansatz nicht im Testmodell überprüft/berück-
sichtigt werden sollte. Es ging also darum, die GWN über das dritte, einfachste Level der
GWN-Berücksichtigung abzubilden. Dazu wird die GWN, als RB 2. Art (gegebenenfalls zeit-
variant) berücksichtigt. Es wurden somit die vom BWHM in GWN-Klassen bereitgestellte
GWN-Raten, als zeitvariante RB 2. Art berücksichtigt. In Bezug auf die konkrete, praktische
Handhabung von Zeitsteuerungen von Randbedingungen sei auf die generellen Aussagen
hier weiter unten im Teilkapitel verwiesen.
Als generelle Charakteristik ist, zumindest für FEFLOW-Nutzer die nicht über den Zugang
zum Quellcode verfügen, festzuhalten, dass der Modellaufbau und damit auch die Überar-
beitung von Parametrisierungen, RB-Festlegungen und –Detaildaten sehr stark Tool- und
damit Grafik-orientiert sind. Dies erfordert jedoch, bei einem langfristigen GRM-Aufbau nicht
hinderlich, ein vorheriges, detailliertes Konzept zum Super-Meshaufbau, welches auch schon
Spezifika zu RB etc. konzeptionell beinhalten muss. Dies gilt nicht nur wegen der Grid-

image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 106
VITA-MIN
Generierung. Ein bedeutender Nachteil besteht darin, dass dem „FELOW-Normal-Nutzer“
kein einfacher Zugang zur im Modell dahinter liegenden „Datenmatrix“ gegeben ist. Dies
wirkt sich besonders negativ aus, bei der Fehlersuche in Daten und beim Umbau in Modell-
varianten. So interessant die stark grafisch orientierte Modellhandhabung für Einzelbereiche
ist, so anfällig ist sie aber auch für Detailfehler (nicht mit markierte, zu viel markierte Netz-
knoten etc.).
Weiterhin ist auf die im Testmodell genutzte Zeitsteuerung von Randbedingungen einzuge-
hen. Diese Zeitsteuerung von Randbedingungen erfolgt über *.pow-Dateien. Hier ergaben
sich bei der Modellierung Probleme, dass aus dem Normalnutzer unerklärlichen Gründen, die
darin enthaltenen Datenreihen teilweise nicht vollständig berücksichtigt werden. Immer
wieder erfolgten Kontrollen der internen Formate dieser Dateien. Dies brachte jedoch keine
Aufklärung. Ein interner Datenformatfehler liegt natürlich nahe. Dieser ist jedoch ohne
Quellcode-Zugang zum Debugging nicht einfach zu finden. Diesbezüglich ist anzumerken,
dass für eine Vielzahl solch detaillierter Fragestellungen aus Manual, Online-Hilfe und auch
Support-Hotline, verständlicherweise im Sinne der Komplexität, keine Problemlösung zu
erwarten ist. Gerade in Bezug auf diese Probleme lässt sich verallgemeinernd zusammen-
fassen, sollte das Programmsystem FEFLOW zum GRML-Modellierung genutzt werden, be-
darf es Zugang des Bearbeiter-Teams zum Quellcode (oder Regelungen dazu), um z. B.
zeitnah Fehler im Modell finden und dann beheben zu können.
Insgesamt sind die wesentlichen Erkenntnisse zu Besonderheiten bei der FEFLOW-Nutzung
nach der Testmodellierung in folgenden Aussagen noch einmal kurz zusammen zufassen:
Kopplung zu ArcEGMO (nur „in-house“), wasserbilanzierende Abbildung von Rest-
seen, Fließgewässer (nicht in FEFLOW-Grundvariante, sondern Add-ons bzw. Ver-
kopplung zu anderer Software – z. B. MIKE-SHE notwendig)
Kein echter „Datenbank“-Zugriff zu wesentlichen Modelldaten im Modell (umständ-
lich, zeitaufwendig für Fehlersuche und Modellvariantenanpassungen)
Beispiel der Handhabung und Fehlersuche in Zeitsteuerungsdateien – Quellcode-
zugriff zum Debugging ist unbedingt angeraten.
Dies führt zur allgemeinen GRML-Aussage, dass es zum einen einer fachspezifischen Aus-
schreibung bedarf und das in Bezug auf FEFLOW es naheliegend ist, dass adäquat zu den
aufgezeigten Problemen nur DHI-WASY dies umsetzen kann oder ein potentielles Modellier-
Team zeigen muss (im Angebot), wie die aufgezeigten Aspekte durch vertragliche Regelun-
gen abgesichert sind.
C6.3
ERGEBNISSE PCGEOFIM
PCGEOFIM wird für die modelltechnische Begleitung montanhydrologischer Fragestellungen
im Rahmen des aktiven Bergbaus, wie auch der Sanierungstagebaue im Mitteldeutschen
und Lausitzer Revier angewendet. Als mathematisches Modell wird die Finite-Volumen-
Methode genutzt. Diese zeichnet sich durch Bilanztreue und eine flexible Gitterstruktur aus.
Durch diesen Algorithmus ist es möglich, hochdynamische Grundwasserzustände, wie bspw.
der Grundwasserwiederanstieg in ehemaligen Tagebaubereichen, modelltechnisch erfassen
und numerisch stabil simulieren zu können.
Die Datenverarbeitung erfolgt über eine GIS-Schnittstelle (QGIS, ArcGIS) sowie direkt über
die Eingangsdateien. Hierbei ermöglicht die dateibasierte Datenbankstruktur der Eingangs-
daten eine flexible und effiziente Bearbeitung der Parameterdateien. Im Hinblick auf die

image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 107
VITA-MIN
Anforderungen eines überregionalen Großraummodells (GRM) sind auch die Ansprüche an
Speicherplatz und die Leistungsfähigkeit der Datenhaltung zu berücksichtigen. Die Mo-
delleingangsdaten für PCGEOFIM können allein für die hydrogeologischen Daten ca. 200 GB
umfassen. Daten für Randbedingungen, Klimazeitreihen und Messstellen kommen ergän-
zend hinzu. Die Ergebnisdaten sind in ihrer Größe unbeschränkt und können im ASCII- und
Binärformat ausgegeben werden.
Das hydrogeologische Strukturmodell kann ohne Einschränkung in das PCGEOFIM-Para-
metermodell überführt werden. Unter Nutzung des Softwaresystems GMS von AQUAVEO
TM
werden die Modelleingangsdaten zur Beschreibung des Strukturmodells erzeugt. Für jedes
aus der Modelldiskretisierung entstandene finite Volumenelement werden dabei der Schwer-
punkt, die Abmessungen (Unterkante, Mächtigkeit, Länge in x- und y-Richtung) ortsbezogen
aus dem hydrogeologischen Strukturmodell übernommen. Die Parametrisierung der geohyd-
raulischen Eigenschaften erfolgt GIS-gestützt in den Modelleingangsdaten und nicht im hyd-
rogeologischen Strukturmodell.
Das Programmsystem PCGEOFIM ermöglicht die Berücksichtigung zeitabhängiger Parame-
ter. Hierbei können Tagebauentwicklungen durch das Schütten von Kippen, Dichtwände,
Änderung der hydraulischen Eigenschaften der Modellgrundwasserleiter oder Landnutzungs-
änderungen zeitabhängig simuliert werden. Im Testmodell wurden diese Feature, in Ab-
stimmung zu den anderen GW-Softwaremodellen, da sie in den vorliegenden Versionen dies
nicht berücksichtigen konnten, nicht benutzt.
In PCGEOFIM kommen neben den klassischen Randbedingungen RB: 1., 2. und 3. Art auch
die speziell für montanhydrologische Fragestellungen entwickelten gekoppelten Randbedin-
gungen See und Fluss zur Anwendung. Diese speziellen Randbedingungen können die
Wechselwirkungen zwischen Oberflächen- bzw. Fließgewässern und Grundwasser abbilden.
Mit der Seerandbedingung wird in PCGEOFIM auf Basis einer hohlformspezifischen Wasser-
stand-Volumen-Kennlinie die hydraulische Interaktion zwischen Grundwasser und Standge-
wässern (Seen, Restlöcher) berechnet. Zusätzlich können klimatische Einflussfaktoren wie
oberirdischer Zufluss und wasserstandsabhängige Zehrung, Wasserein- und ausleitung,
Kopplung mit Fließgewässern und Brunnen vorgegeben werden.
Die Flussrandbedingung beschreibt durch Vorgabe von Durchflussganglinien, in Abhängig-
keit des Gerinnes (explizit vorzugeben) die hydraulische Interaktion zwischen Fließgewässer
und Grundwasser. Zusätzlich können durch Kopplung mit einem Bodenwasserhaushaltsmo-
dell (BWHM) die Hoch- und Niedrigwasserereignisse in Fließgewässern betrachtet werden.
Grundsätzlich bietet PCGEOFIM die Möglichkeit einer Kopplung mit dem bereits vielfach be-
nannten Bodenwasserhaushalts-Modellierungssystem ArcEGMO. Dieses Verfahren bietet
größtmögliche Flexibilität in der Berücksichtigung von Landnutzungsänderungen oder alter-
nativen Landnutzungsszenarien sowie verschiedenen meteorologischen Bezugsreihen.
Im ungekoppelten Testmodell erfolgte die Vorgabe der Grundwasserneubildung aus Grün-
den der Vergleichbarkeit zwischen den GW-Modellen nur ortsdiskret, flurabstands- und zeit-
abhängig. Somit kann das Schwankungsverhalten der Grund- und Seewasserstände unter
verschiedenen klimatischen Bedingungen in diesen ungekoppelten Modellansätzen nur nä-
herungsweise abgebildet werden.

image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 108
VITA-MIN
C6.4
FOKUSSIERUNG DER BEWERTUNGSMATRIX
In Kap. B5.4 wurde eine umfassende Bewertungsmatrix für den Vergleich von unterschiedli-
chen GW-Strömungssoftware-Paketen abgeleitet. Die Testmodellierung hat jetzt eine klare
Fokussierung in diesem Bezug erbracht: Von entscheidender Bedeutung ist die Art der Um-
setzung konkreter Aspekte, die typische für die großräumige Braunkohlenbergbaufolgeland-
schaft sind. Diesbezüglich weist Tab. C6-1 eine stark eingekürzte, fokussierte Bewertungs-
matrix aus. Aus der darin aufzufindenden Unterteilung in „Parametermodell“ / „Signalmo-
dell“ / „Postprocessing“ und „Numerik“ seien vor allem noch einmal die folgenden Teilaspek-
te in ihrer Bedeutung herausgehoben:
Im „Parametermodell“ – die zeitabhängige Strukturänderung – also wie die Veränderung der
Parameterfelder in Bezug auf Überbaggerung von gewachsenen Bereichen und Erzeugung
von Kippenkörpern in den Programmen gehandhabt wird.
Im „Signalmodell“ vor allem, wie mit der Abbildung der Kopplung zu Seen und Fließgewäs-
sern verfahren wird (echt gekoppelte See-, Flußrandbedingungen) und die Abbildung/ der
Umgang mit weiteren typischen montanhydrologischen Randbedingungen. Die zeitlich und
örtlich differenzierte Abbildung der GWN ist verknüpft zu sehen mit der Einschätzung zur
Bewertung der Kopplung zum Bodenwasserhaushaltsmodell.
Auch in den Rubriken „Postprocessing“ und „Numerik“ seien die Aspekte der Datenausgabe
und das konkrete Vorgehen bei der Kopplung zum Bodenwasserhaushaltsmodell sowie per-
spektivisch auch zu einem „reaktiven Stofftransport“ = Kopplung des Programms zu
PHREEQC herausgestellt.
Tabelle C6-1: Fokussierte Bewertungsmatrix für die zukünftige Evaluierung der GW-
Modellierungssoftware nach der durchgeführten Testmodellierung
Merkmal/Eigenschaft
Bemerku
Räumliche Diskretisierung
Netzflexibilität (Verfeinerung)
Hydrogeologisches Strukturmodell
Zeitabhängie Strukturänderung
Allgemeine Randbedingung 1., 2., 3. Art
Gekoppelte Randbedingung (See, Fluss)
Montanhydrologische Randbedingungen
GW-Neubildung
Definition von Ausgabezeitpunkten
Datenausgabe (h, Q, Fließgeschwindigkeit, Transport)
Grafische Ausgabe und Aufbereitung
Bilanzierung
Statistik / zeitabhängige Statistik
Performance (Stabilität, zeitliche Diskretisierung)
Kopplung (Stofftransport / BWHM)
Parameteridentifikation / Kalibrierung
Parametermodell
Signalmodell
Numerik
Postprocessing

image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 109
VITA-MIN
C7
ERGEBNISVERGLEICH ZUR STRÖMUNGSMODELLIERUNG FÜR EINZELNE
MODELLE
C7.1
ERLÄUTERUNGEN ZUM VERGLEICH
Das dem Testmodell zugrundeliegende hydrogeologische Strukturmodell wurde, wie bereits
erwähnt, mit einem Grundraster von 200 x 200 m in allen drei Testmodellen abgebildet. Alle
Modelle berücksichtigen 11 Modellschichten. Aufgrund der Programmspezifik erfolgte die
Umsetzung des hydrogeologischen Strukturmodells im jeweiligen Programmsystem schich-
tenbasiert (FEFLOW, PCGEOFIM) oder rasterbasiert (MODFLOW). Der nachfolgende Ver-
gleich von Modellergebnissen soll im Detail zwischen den Programmen MODFLOW und
PCGEOFIM erfolgen. Dies begründet sich daher, dass mit FEFLOW, wie in Kap. C6.2 erläu-
tert, in der zur Verfügung stehenden Programm-Grundvariante, nicht die wasserbilanzieren-
de Füllung des Restsees abgebildet werden kann, wie in den beiden anderen Modellen. Da
deshalb der Restsee Bärwalde als RB 1. Art, mit einer vorgegebenen Wasserstandsentwick-
lung gehandhabt werden musste, soll hier auf die Darstellung der FEFLOW-Teilergebnisse
verzichtet werden.
Im schichtenbasierten Ansatz repräsentiert jede Modellschicht eine hydrogeologisch-strati-
graphische Einheit. Somit können Verbreitungslücken direkt im Parametermodell berück-
sichtigt werden. Der rasterbasierte Modellansatz folgt den Anforderungen des Finite-
Differenzen-Verfahrens. Hydrogeologisch-stratigraphische Einheiten können durch eine oder
mehrere Modellschichten repräsentiert werden. Diese Vorgehensweise war in MODFLOW
notwendig um die Verbreitungslücken über die Zuordnung von Parameterwerten eines Mo-
dellelements abzubilden.
Jedes der drei Testmodelle durchläuft 3 Berechnungsphasen (Abb. C7-1), welche durch un-
terschiedliche Zustände charakterisiert sind. Die Einschwingphase dient der modellinternen
Anpassung der Anfangsbedingung. In der Epignose berechnet das Testmodell für einen Zeit-
raum 2002-2025 die instationären Grundwasserströmungsverhältnisse durch Flutung des
Bärwalder Sees, unter Berücksichtigung einer ortstypischen zeitabhängigen Grundwasser-
neubildung (entnommen aus dem BWHMl). In der Prognose erfolgt die Berechnung stationä-
rer Grundwasserströmungsverhältnisse unter mittleren klimatischen Verhältnissen. Die Zeit-
schrittlänge wurde in allen Modellierungssystemen auf einen Monat festgelegt.
Abbildung C7-1: Festgelegte Berechnungsphasen in den Testmodellen
An den Modellrändern wird durch die Definition der äußeren Randbedingungen in allen Mo-
dellen eine Vergleichbarkeit gewährleistet. Dabei wurde darauf geachtet, dass keine Beein-
flussung der inneren Randbedingungen durch die Modellränder besteht. Die Vorgabe der
inneren Randbedingung „Bärwalder See“, der Fließgewässer „Spree“ und „Schwarzer
Schöps“ sowie der „Brunnen“, als auch deren Implementierung und Parametrisierung erfolg-
te mit den jeweiligen programspezifischen Randbedingungstypen.
01.01.2002
01.01.2050
01.01.2025
01.01.2000
Berechnungsmethodik - zeitlicher Ablauf
Einschwingphase
Epignose
Prognose

image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 110
VITA-MIN
C7.2
VERGLEICH ISOHYPSENPLÄNE
Die folgenden Abbildungen C7-2 bis C7-5 vergleichen die berechneten Grundwassergleichen
für die Jahresscheiben 2020 und 2025. Dargestellt werden die Grundwassergleichen des
unteren quartären Grundwasserstockwerks (Modellschicht 3).
Die generelle Grundwasserfließrichtung verläuft von Süden nach Norden/Nordosten. Inner-
halb des Modellgebietes wirken der Bärwalder See sowie die Hauptvorfluter Spree und
Schwarzer Schöps abschnittsweise effluent oder influent. Im Norden und Osten des Modell-
gebietes werden die Grundwasserstände durch die bergbauliche Wasserhaltung der Tage-
baue Nochten und Reichwalde reguliert.
Die Wirkung der äußeren Randbedingungen auf die Dynamik der berechneten Grundwas-
serströmung wird in beiden Modellen vergleichbar abgebildet. Auch die Wirkung der Vorflut
(innere Randbedingungen) ist bei beiden Modellansätzen vergleichbar.
Im Bereich der Fließgewässer zeigen sich die Gemeinsamkeiten im Wechsel zwischen ex-
oder infiltrierenden Fließverhältnissen. Lokale Unterschiede in der Ausprägung der berech-
neten Grundwasserstände sind auf die modellspezifische Umsetzung der Flussrandbedin-
gung zurückzuführen. Entsprechend der Datenverfügbarkeit besteht die Möglichkeit in bei-
den Programmsystemen das Gerinne sowohl elementbezogen, als auch flussabschnittsbezo-
gen zu charakterisieren. Die Umsetzung und somit die Abbildegenauigkeit unterliegt maß-
geblich der Datenverfügbarkeit. Generell kann festgestellt werden, dass PCGEOFIM und
MODFLOW Fließgewässer mit dem notwendigen Detailgrad abbilden können.
Die Berechnungsergebnisse zur Wasserstands (WST)-Entwicklung im Bärwalder See sind im
Betrachtungszeitraum sehr ähnlich, obwohl die Randbedingung zur Abbildung des Sees in
PCGEOFIM und MODFLOW unterschiedlich gehandhabt werden.
Lokale Unterschiede in den Grundwassergleichen (Abb. C7-2 bis C7-5) sind auf die modell-
technische Umsetzung der GWN und die Unterschiede in der Übertragung des geologischen
Strukturmodells auf das jeweilige Berechnungsgitter zurückzuführen.
Die oberirdische Randbedingung (GWN) kann flurabstandsabhängig auf den obersten GWL
oder direkt auf die Grundwasseroberfläche gesetzt werden. Weiterhin sollte bei der Übertra-
gung der GWN aus dem Bodenwasserhaushaltsmodell festgelegt werden, wie die stark diffe-
renzierte Flächeninformation aus dem Bodenwasserhaushaltsmodell auf das GW-
Strömungsmodell übertragen wird. So wäre beispielsweise festzulegen, dass ein flächenge-
wichteter Mittelwert als Zellwert auf das Modellraster zu übertragen ist.
Die berechneten Grundwasserströmungsverhältnisse beider Berechnungsverfahren zeigen
jedoch keine signifikanten Unterschiede, auch wenn lokal unterschiedliche Wasserstände
das Ergebnis der jeweiligen Berechnung sind. Die Ergebnisse der Modelle sind plausibel und
lassen den Schluss zu, dass die Modellsysteme auch für das GRM Lausitz eingesetzt werden
können.

image
image
image
image
image
- C TESTMODELLIERUNG -
Seite | 111
VITA-MIN
Abbildung C7-2: MODFLOW Berechnungsergebnisse, Hydroisohypsen, 01.01.2020
Abbildung C7-3: PCGEOFIM Berechnungsergebnisse, Hydroisohypsen, 01.01.2020