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LEIPZIG
Stofftransportmodellierung Großraummodel
Südraum Leipzig (langfristiges Sulfatverhalten)
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Nils Hoth (1), Anne Walther (1), Heike Büttcher(2),
Marion Geissler(3), Anne Weber (4), Helena
Ceranski (2), Karin Heiland (2), Holger Mansel (2),
Jochen Rascher (3), Felix Bilek (4)
1
(1)
(2)
(3)
(4)

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Bergbauaktivität geochem. Milieuwechsel Sulfid-Verwitterung
AMD/ ARD-Phänomene Acidität (Eisen), Sulfat, (Spuren)Metalle
Prozessverständnis Netzwerk hydro(bio)geochemischer Reaktionen
Langfristig aufgesättigte Kippen/ belüftete GWL Einfluss auf GWL/
Oberflächengewässer
Sauerwasser (
AMD/ ARD)
Problemstellung

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Weathering cycle
FeS
2
+ 3,5 O
2
+ H
2
O
Fe
2+
+ 2 SO
4
2-
+ 2H
+
+O
2
+ Fe S
2
(bei ph < 3- 3.5)
Fe
3+
+ 3 H
2
O
Fe(OH)
3
+ 3 H
+
(bei ph > 3- 3.5)
Carbonate buffer
DIC, Ca
2+
, Mg
2+
,Fe
2+
Cation exchanger
Na
+
, K
+
, Ca
2+
, Mg
2+
Al- u. Fe- hydroxid buffer
Al
3+
, Fe
3+
, trace metals
Alumosilicate buffer
Al
3+
, H
2
SiO
3
, major elem., trace elements
Geogene Puffer Elementspeicherung in Sekundärmineralen (z.B. Gips)
aerobic respiration
CH
2
O + O
2
CO
2
+ H
2
O
Nitrate reduction
CH
2
O + 0,5 NO
3
-
+ H
+
CO
2
+ 0,5 N
2
+ 0,5 H
2
O
Manganese reduction
CH
2
O + 2 MnO
2
(s) + H
+
CO
2
+ 2 Mn²
+
+ 0,5 H
2
O
Iron reduction
CH
2
O + 4 FeOOH(s) + 8 H
+
CO
2
+ 7 H
2
O + 4 Fe
2+
Sulphate reduction
CH
2
O + 0,5 SO
4
²
-
+ 0,5 H
+
0,5 HS
-
+ CO
2
+ H
2
O
Methane fermentation
CH
2
O 0,5 CH
4
-
+ 0,5 CO
2
Mikrobielle Redoxsequenz
Transformation tertiarer organ. Substanz
Netzwerk hydro(bio)geochemischer Reaktionen

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Großraum-Stofftransportmodell
4
• Transportgleichung bzgl. Hauptstoff (der am ehesten „Tracer“) -Sulfat
• Wesentliche Basis ist Strömungsmodell (Advektionsterm !)
• So komplex wie notwendig – gerade im vertikalen Schichtenaufbau
• Also wesentliche hydraulische Unterschiede (k
f
, n
eff
, Drücke, …)
• Aber auch vertikale Unterscheidungen in Bezug auf wichtige geochem./
hydrogeochemische Unterschiede
• Gesamte Parameterisierung, äußere und innere Randbedingungen …
• Obere Randbedingungen (GWN) – komplex Bodenwasserhaushalt, am
Ende aber eben „nur“ obere Randbedingung !!
Strömungsmodell Detailliertheit und Parameterisierung
Verständnis Geochemie Parameterisierung - Bilanzierung
Hydrochemischer Istzustand Unterschiede verschied. GWL, Kippen

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Hintergrund zu Projekt
5
Grundwasserkörper im Südraum Leipzig sind langanhaltend durch
Braunkohlebergbau geprägt (Sanierungs-, aktiver Bergbau).
Im 1. Bewirtschaftungsplan (BWP) - EUWRRL Inanspruchnahme weniger
strenger Bewirtschaftungsziele
Danach konzeptionell stark erweitertes Vorgehen zur Bewertung
großräumige Sulfattransportprognose zur belastbaren Herleitung
langfristig abweichender Bewirtschaftungsziele
Auftraggeber – LMBV, MIBRAG
(in Abstimmung mit Behörden)

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Bearbeitungsgebiet
6
Projektbearbeitungs
gebiet - fast
40 km *40 km
Nutzung besteh-
endes Großraum-
modell Leipzig Süd
Software
PCGEOFIM
betrieben durch
IBGW Leipzig

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A) Arbeitspakete des Projekts
7

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A) Arbeitspakete des Projekts
AP 1) Auswertung geologische, geochemische und technologische
Grundlagendaten – Anpassung Strömungsmodell
Umfangreiche Datenaufnahme und –neuauswertung
Pragmatisch handhabbares Geologisches Modell (Auswerteeinheiten)
8
AP 2) Ausweisung Stoffinventar
Geochemische Gehalte der geologischen Vorfeld-Auswerteeinheiten
Vorfeldbilanzierung - mittlere Kippenbeschaffenheiten (örtlich differenziert)
Berechnung/ Abgleich „Anfangswasserbeschaffenheiten“ der Kippen
AP 3) Sulfattransportmodellierung mit HGMS
Auswertung IST-Zustand Sulfatgehalte
Anpassung Prognose-Werkzeug (Isotherme für Gips-Lösung)
Eigentliche Sulfattransportmodellierung (Varianten)
AP 4) Reaktive Transportmodellierung in Schwerpunkt-Teilgebieten
Auswahl Schwerpunkt-Teilgebiete – Varianten der Modellierung
Vergleichende Aussagen zu HGMS
AP 5) Zusammenführende Auswertung/ Hauptaussagen

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B) Hauptergebnisse zum Geologischen
Modell
9

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B) Hauptergebnisse AP1 – Geologisches Modell
Umfangreiche Vorkenntnis /
Vorarbeiten von
GEOmontan
Stratigrafisches Grundver-
ständnis
Basierend auch auf
Standke et al. [2010]
10

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B) Hauptergebnisse AP1 – Geologisches Modell
Pragmatisches Geologisches Modell
Notwendig für Stoffinventar -
Vorfeldbilanzierung
Abgleich mit HGMS
11
Auswerteeinheit
Nr.
Sammel-
stratigrafie-Nr.
Beschreibung
DSE-Nr. der enthaltenen Schichten
1
10000
Quartär rollig (GWL 1.0, 1.1, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7)
1050, 1910, 2361, 2430, 2460, 2481, 2570, 2580
2
20000
Quartär bindig
1010, 1030, 1040, 1920, 2310, 2320, (2350), 2370,
2410, 2420, 2510, 2540, 2610, 2640
3
26600
Quartär rollig (GWL 1.8; Terrassenschotter,
Altpleistozän)
2660, 2720, 2740
Flöz Bio
5402
4
54410
Thierbacher Schichten, rollig
5441
5
54420
Thierbacher Schichten, bindig
5442
Glimmersande (GWL 2.2)
5600
6
60000
GWL 2.4
6000
GWL 2.5
6120
7
61000
Muschelschluff
6130
GWL 2.6
6140
Flöz y
6240, 6241
Glaukonitschluff
6262
GWL 2.7
6270
8
62000
Deckton Flöz 4
6280
13a
70000
Bindiges in Flöz 4
6340, 6341, 6363, 6381, 6431
Flöz 4
6310, 6350, 6351, 6400, 6500, 6501, 6503
12
65500
Liegendton Flöz 4 (Haselbacher Ton)
6550
13b
70000
Bindiges zwischen UK Flöz 4 und OK Flöz 23
(ohne Haselbacher Ton)
6570, 6630, 6690
9
66000
GWL 3_ges
6560, 6620, 6621, 6640, 6641
13c
70000
Bindiges in Flöz 23
7120, 7140, 7141, 7160, 7180, 7181, 7220, 7240,
7241
Flöz 23O
7110, 7150, 7151
10
71700
GWL 4_ges
7130, 7170, 7230
Flöz 23U
7210, 7250, 7251
Flöz 23 ungespalten
7253
14a
74000
Liegendton Flöz 23 (Luckenauer Ton)
7280
11
73000
GWL 5_ges
7320, 7360, 7361
Bindiges in GWL 5
7330
14b
74000
Deckton Flöz 1
7380
Flöz 1O
7451
14c
74000
Bindiges zwischen Flöz 1O und 1U
7480
Flöz 1U
7531
Flöz 1 ungespalten
7532
Liegendton Flöz 1
7540
15
75600
GWL 6_ges
7560, 7590
quartäre und tertiäre Grundwasserleiter
g
quartäre und tertiäre bindige Schichten
g
n
Braunkohlenflöze
-

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LEIPZIG
B) Hauptergebnisse AP1 –Verbreitung Auswerteeinh.

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LEIPZIG
C) Hauptergebnisse zum Geochemischen
Modell
13

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LEIPZIG
Vorfeldbohrungen
viele Parameter
DDR – 1970-80er
(Manfred Wünsche)
Bedeutend hier
Schwefel-, Karbonat-
Gehalte und Säure-
titration nach
Verwitterung
C) Datengrundlage Geochem. Vorfeldbohrungen

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LEIPZIG
AE 7 –oberer Teil Böhlenfor-
mation (Muschelsand, -schluff)
C) Ergebnisse für zwei tertiäre AE - Schwefel
AE 8 – unterer Teil Böhlenfor-
mation (Braune, Graubraune Sande)
Unterschiede – klarer faziell, paläogeographischer Zusammenhang

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Workshop Bannewitz 19.3. 2018 – Vortrag Hoth et al.
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LEIPZIG
AE 7 –oberer Teil Böhlenfor-
mation (Muschelsand, -schluff)
C) Ergebnisse für zwei tertiäre AE - Karbonat
AE 8 – unterer Teil Böhlenfor-
mation (Braune, Graubraune Sande)
Unterschiede – klarer faziell, paläogeographischer Zusammenhang

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LEIPZIG
Resultierende flächendifferenzierte Kippenbeschaffenheit
Vorfeldbilanz (Verschnitt geolog. u. geochem. Modell)

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LEIPZIG
Bedeutende Faktoren für Aciditätsgenerierung:
Schwefelgehalt , Karbonate als Pufferpotential – aber auch
Korngrößenverteilung – Verwitterungsbedingungen,
Wasserhaltevermögen und O
2
-Eintritt
Vorfeldbilanz (Verschnitt geolog. u. geochem. Modell)
Resultierende flächendifferenzierte Kippenbeschaffenheit

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LEIPZIG
Gehalte (Schwefel, Karbonat) sind (in Großmaßstab) nicht chaotisch
Fazielle, palaeogeografische Kontrolle (Berner [1984])
Terrestrische
and
marine
Einheiten - verschiedener geochemischer
Charakter
C) Fazielles Verständnis

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LEIPZIG
D) Hauptergebnisse IST-Zustand
Sulfatgehalte
20

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LEIPZIG
D) IST-Zustand gelöste Sulfatgehalte - Kippen
Großteil über 1400 mg/l – im Gipsgleichgewicht
Hauptproblemzonen Witznitz, Ostteil Espenhain (siehe Vorfeldbilanz)

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LEIPZIG
D) IST-Zustand gelöste Sulfatgehalte – GWL 1
Restpfeiler Zwenkau/ Espenhain, Bereich Witznitz, Abstrom Halde Trages
Große Bereiche > 240 mg/l (ca. 250-260 mg/l) – GWN!

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LEIPZIG
D) IST-Zustand gelöste Sulfatgehalte – GWL 2.6/2.7
Relevanz dieses GWL als Hauptaciditätsträger im nördlichen Teil des UG

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LEIPZIG
D) IST-Zustand gelöste Sulfatgehalte – GWL 5
Erhöhte Gehalte in diesem tiefen GWL im südlichen „Altteil“

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LEIPZIG
Hauptergebnisse Prognose Gipspool
Bedeutung dieses langfristigen
Stoffspeichers
25

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LEIPZIG
D) Prognostizierter Gipspool-Kippen
Auf Basis der Vorfeldbilanz (mit 10% Sges-Verwitterungsumsatz)
Resultiert aus PhreeqC -Anfangswasserberechnung (inkl. Pufferung)

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LEIPZIG
E) Hauptergebnisse der
Sulfattransportmodellierung mit HGMS
(Modellierung bis 2100, mit Prognosezeitpunkten
2015, 2021, 2027, 2050 und 2100)
27

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LEIPZIG
E) Prognose 2100 -gelöste Sulfatgehalte –GWL 1
Darstellung GWL 1 und Kippen
Man sieht „Beeinflussungssäume“ – keine wesentliche Umkehr

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LEIPZIG
E) Prognose 2100 -gelöste Sulfatgehalte –GWL 5
Darstellung GWL 5 und Kippen
Tieferer GWL umfassender überprägt – keine „Verdünnung“ durch GWN

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LEIPZIG
E) Hauptergebnis Bilanzierung
Bilanzierung der Sulfat-
frachten im Grundwasser
Zwenkauer
See
Cospudener
See
Markkleeberger
See
Störmthaler
See
Pereser
See
Groitzscher
Dreieck
Haselbacher
See
Bockwitzer
See
Zechauer
See
Schwerzauer
See
Domsener
See
Werbener
See
Kahns-
dorfer
See
Hainer See
Haubitzer
See
1
1
2
3
4
5
Pleiße
Wyhra
Schnauder
Weiße
Elster
1
2
3
1
2
3
Zu den wesentlichen Stand-
und Fließgewässern
Fließgewässer
(Pleiße, Weiße
Elster, Whyra, Schnauder)
in
Bilanzabschnitte eingeteilt
Antransportierte Frachten im
GW ! – Reaktions-/
Lokalverwitterungszonen am
Interface nicht berücksichtigt!

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LEIPZIG
G) Zusammenfassende Aussagen zur
Sulfatfracht-Bilanzierung
31

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LEIPZIG
G) Hauptergebnisse GW-Sulfatfrachten zu Seen
Beispielhaftes Ergebnis für Seen
Zwenkauer
See
Cospudener
See
Markkleeberger
See
Störmthaler
See
Pereser
See
Groitzscher
Dreieck
Haselbacher
See
Bockwitzer
See
Zechauer
See
Schwerzauer
See
Domsener
See
Werbener
See
Kahns-
dorfer
See
Hainer See
Haubitzer
See
1
1
2
3
4
5
Pleiße
Wyhra
Schnauder
Weiße
Elster
1
2
3
1
2
3
Antransportierte Frachten im GW ! –
Reaktions-/ Lokalverwitterungszonen am
Interface nicht berücksichtigt!

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Workshop Bannewitz 19.3. 2018 – Vortrag Hoth et al.
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LEIPZIG
G) Hauptergebnisse GW-Sulfatfrachten zu Seen
Zusammenfassende Grafik aus
Kurzfassung des Abschlussberichts
Antransportierte Frachten im GW ! –
Reaktions-/ Lokalverwitterungszonen am
Interface nicht berücksichtigt!
Zusammenfassende Aussage zu
konstanten
,
abnehmenden
und
zunehmenden
Sulfatfrachten im GW

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Workshop Bannewitz 19.3. 2018 – Vortrag Hoth et al.
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LEIPZIG
G) Hauptergebnisse GW-Sulfatfrachten zu Flüssen
Beispielhaftes Ergebnis für Fließgewässer-Abschnitte
(links Pleiße, rechts Weiße Elster)
Zwenkauer
See
Cospudener
See
Markkleeberger
See
Störmthaler
See
Pereser
See
Groitzscher
Dreieck
Haselbacher
See
Bockwitzer
See
Zechauer
See
Schwerzauer
See
Domsener
See
Werbener
See
Kahns-
dorfer
See
Hainer See
Haubitzer
See
1
1
2
3
4
5
Pleiße
Wyhra
Schnauder
Weiße
Elster
1
2
3
1
2
3
Antransportierte Frachten im GW ! –
Reaktions-/ Lokalverwitterungszonen
am Interface nicht berücksichtigt !

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Workshop Bannewitz 19.3. 2018 – Vortrag Hoth et al.
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LEIPZIG
G) Hauptergebnisse GW-Sulfatfrachten zu Flüssen
Zusammenfassende Grafik aus
Kurzfassung des Abschlussberichts
Antransportierte Frachten im GW ! –
Reaktions-/ Lokalverwitterungszonen am
Interface nicht berücksichtigt !
Zusammenfassende Aussage zu
konstanten
und
zunehmenden
Sulfatfrachten im GW
(Angabe der Sulfat-Fracht auf 100 kg/d gerundet)
(Wasserflächen entsprechend der Jahresscheibe 2100)
Weitgehend konstante Sulfat-Frachten
[kg/d]
Weiße Elster
3: Pegel Kleindalzig - Eintritt Elsterflutbett 3: Trachenauer Wehr - Pegel Böhlen 5: AGRA-Wehr - Connewitzer Wehr
2027
2300
900
2700
2100
2300
900
2700
Pleiße
Pleiße
Weiße
Elster
2027
2100
5:
2700
2700
4:
1600
1900
3:
900
900
2:
1700
2400
1:
3200
5100
3:
2300
2300
2:
400
1600
1:
6500
14400
0
Ausführliche Darstellung
der Sulfatfrachtentwicklung
für alle Jahresscheiben:
+ Anl. 6.4.37
+ Bericht Kap. 6.4.4
Zunehmende Sulfat-Frachten
[kg/d]
1: Bearbeit.geb. - Schnaudermünd. 2: Schnaudermünd. - Peg. Kleindalzig 1: Bearbeit.geb. - Wyhramünd. 2: Wyhramünd. - Trachenauer Wehr 4: Peg. Böhlen - AGRA-Wehr
2027
6500
400
3200
1700
1600
2100
14400
1600
5100
2400
1900
Weiße Elster
Pleiße

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Workshop Bannewitz 19.3. 2018 – Vortrag Hoth et al.
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LEIPZIG
Gesamt-Zusammenfassung
36

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LEIPZIG
Gesamt-Zusammenfassung
Es liegt eine leistungsfähige Kombination von Modellansätzen für
dieses großräumige Untersuchungsgebiet vor
37
In 1,5 Jahren Projektbearbeitungszeit war diese Fülle von Ergebnissen
nur durch ein Projektteam von Erfahrungsträgern möglich
Hauptaussage
: Prognoserechnungen zeigen bis Ablauf 3. BWZ (2027) und
Ende Berechnung (2100) keine wesentliche Änderung chem. Zustand
der Grundwässer von SAL GW 051/ SAL GW 059
Natürlich bleiben Fragen offen (= Kap. 8 Bericht)
(Sulfatreduktion,
Extremverwitterungszonen, Datendichte „alter Südteil“, 3D-HGMS Struktur im
„alten Südteil“,....)
Flächenanteil [%]
Sulfatklassen
Konzentrationsbereich [mg/l]
IST-Zustand (2013)
END-Zustand (2100)
I
< 240
4
5
II
240 - 600
88
86
III
600 - 1400
7
9
IV
1400 - 3000
1
0.4
Va
3000 - 5000
-
-
Vb
> 5000
-
-
Natürlich weiterführende Frage – Eisentransport/ -verhalten

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LEIPZIG
Danksagung
Auf Projektberatungen – sehr produktive, zielführende Diskussionen
38
LMBV – Hr. Rieper, Dr. Weber
MIBRAG - Hr. Finck, Dr. Struzina
LfULG - Fr. Kuhn, Hr. Schaarschmidt
LDS
- Hr. Klaus Häfner, Hr. Kannapinn
Dank an sehr gut arbeitendes - produktives „Frauenpower-Team“
:
Anne Walther, Heike Büttcher, Marion Geissler, Dr. Anne Weber, Helena
Ceranski, Karin Heiland