Nebenbestimmung 7a der Versenkerlaubnis vom Beurteilung des Ergebnisse des GwModells Werra 2013 der K S AG, Stand

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1 Regierungspräsidium Kassel Abt. IH / Bad Hersfeld 19. März Regierungspräsidium Kassel Abteilung Staatliches Umweltamt Bad Hersfeld Hubertusweg Bad Hersfeld ee-7 HG Ufo für Hydrogeologie und Umwelt GmbH Eutopostroße Gießen Hydrogeologie Grundwassermodelle Boden- und Grundwasserschutz Geothermie Brunnenbau Rohstoffgewinnung Wirtschafilichkeitsonalysen Büro für Hydrogeologie und Umwelt GmbH Europastraße Gießen Telefon: / Telefax: / E-Moil: hg@buero-hg.de Internet: QM-System in Anlehnung an DIN EN ISO 9001 Ihr Zeichen Ihre Nachricht vorn Unser Zeichen Datum 09054/2 han/rnii/cha Nebenbestimmung 7a der Versenkerlaubnis vom Beurteilung des Ergebnisse des GwModells Werra 2013 der K S AG, Stand Sehr geehrte Damen und Herren, Sehr geehrter Herr Schädlich, als Behördengutachter sind wir aufgefordert, das GwModell Werra 2013 der KI- S AG, Stand dahingehend zu beurteilen, ob die Nebenbestimmung 7a der Versenkerlaubnis vom erfüllt ist. Diese Nebenbestimmung lautet wie folgt: Das Modell muss geeignet sein, die grundsätzlichen Fragestellungen, z.b. zum Verbleib des in den Grundwasserleiter Buntsandstein eingetretene Salzwasservolumens, substantiell zu beantworten sowie die orts- und zeitkonkreten Auswirkungen der Salzwasserversenkung hinreichend genau prognostizieren zu können. Weiterhin ist das Modell so zu planen und zu konzipieren, dass es für notwendige kleinskalige Problem- und Aufgabenstellungen und -nachbildungen angepasst werden kann. Gegebenenfalls sind weitere, über das derzeitige Bohrprogramm (Anhang 5.3 des Erläuterungsberichts) hinausgehende Bohrungen erforderlich. Das Bohrprogramm ist daher kontinuierlich an die Zwischenergebnisse der Grundwassermodellierung. anzupassen. a) Die Kalibrierung des numerischen dreidimensionalen Grundwassermodells (kurz 3-D-Modell) für das Werra-Kaligebiet ist spätestens bis zum abzuschließen (...) Im Folgenden wird beurteilt, ob bzw. in welchem Maße das vorliegende GwModell Werra 2013 der K-i-S AG, Stand (= 3-D-Modell) die Nebenbestimmung 7a der Versenkerlaubnis vom erfüllt und welche Schlussfolgerungen wir hieraus für die Modellanwendung und die zukünftige Beweissicherung ziehen. 1. Vörbemerkungen Für die Bewertung des GwModells Werra 2013 ist zunächst festzustellen, dass nach Auffassung des Modellerstellers (DHI-Wasy) die Feinkalibrierung eines GwModells dann gegeben ist, wenn es unter Be- p:ipro asv20141y rp hs stua hejdocx Geschäftsführer Dipl.-Geol. Dr. Bernd Honauer Dipl.-Geol. Dr. Walter Lenz Dipl.-Geol. Dr. Christoph Möbus Amtsgericht Gießen HRB 1835 Steuernummern: LISt.-IdNr.: DE St.-Nr.: Bankverbindungen: Volksbank Mittelhessen eg BLZ , Kto.-Nr tban: DE SWIFT/BIC: VBMHDE5F Büro HG GmbH Sparkasse Gießen BLZ , Kto.-Nr IBAN: 0E SWIFT/BIC: SKGIDE5F

2 01685 l GwModell Werra 2013 der K+S AG Versenkerlaubnis vom C PNr /2 Stellungnahme zur Erfüllung der Nebenbestimmung la Seite: 2 achtung des Modellmaßstabs und der maßgeblichen. Untersuchungsziele prognosefähig ist. Dieser Auffassung, die in dem Ergebnisprotokoll zum Projekttermin am bei der K+S AG dokumentiert ist, schließen wir uns ausdrücklich an. Zudem hat die K+S AG wiederholt darauf hingewiesen, dass aus ihrer Sicht die Nachbildung der diffusen Austräge in die Werra als prioritäres Kalibrierungsziel zu sehen ist (siehe [z. B.1 Ergebnisprotokoll zum Projekttermin am bei der K+S AG). Auch dieser Bewertung ist eindeutig zu folgen, da über die Erreichung dieses Kalibrierungsziels eine wesentliche Bilanzkontrolle des Stoffumsatzes innerhalb des GwModells erfolgt. Die Bohrungen des laufenden Erkundungsprogramms sind noch nicht vollständig abgeschlossen (zumindest liegen noch nicht alle Dokumentationen hierzu vor). Daher können noch nicht alle aktuellen Erkundungsergebnisse in das GwModell Werra 2013 eingeflossen sein, wie umgekehrt bisher noch keine (kontinuierliche) Anpassung des Bohrprogramms an Zwischenergebnisse aus der GwModellierung erfolgt ist. Beides war aufgrund der zeitlichen Entwicklung des Erkundungsprogramms und der GwModellierung und der entsprechenden Wechselbeziehungen nicht möglich. Daher ist, unabhängig von der weiteren fachlichen Bewertung, festzuhalten, dass dieser Aspekt der Nebenbestimmung 7a nur als eingeschränkt erfüllt betrachtet werden kann. Die folgende Bewertung des GwModells Werra 2013 beschränkt sich auf die Beurteilung des Kai ibrierungszustandes und der Prognosefähigkeit. Der Modellumgriff und die Randbedingungen wurden frühzeitig mit HLUG, TLUG und unserem Büro abgestimmt und sind somit akzeptiert. Dies gilt auch für den vertikalen Modellaufbau (28 Modellschichten) und die Umsetzung des Untergrundaufbaus mit dem Programm GOCAD [Geologisches Strukturmodell]. Die Bewertung der Modellkalibrierung erfolgt nach folgenden Kriterien: ' Bewertung der Modellkalibrierung bezüglich der diffusen Einträge in die Werra Bewertung der Modellkalibrierung bezüglich der GwStandsentwicklung (GwStrömungsmodellierung) Bewertung der Modellkalibrierung bezüglich der GwBilanz (GwStrömungsrnodellierung) Bewertung der Modellkalibrierung bezüglich der Stoffausbreitung im Untergrund (Transportmodellierung) 2. Bewertung der Modellkalibrierung bezüglich der diffusen Einträge in die Werra In der Dokumentation und in dem Modelldatensatz von DHI-Wasy werden bezüglich der Chlorid-Bilanz ( ) für die Werra folgende voneinander abweichenden Zahlen genannt / berechnet: Cl-Austrag gemessen gemäß Modellbericht (Kurzbericht): t CI-Austrag berechnet gemäß Modellbericht (Kurzbericht): t (+ 11,6%) Cl-Austrag berechnet gemäß Modelldatensatz: t (+ 19,1%) Hierbei ist zu beachten, dass in dem oben betrachteten Abschnitt der Werra (bis P6) eine virtuelle (numerische) Infiltration von Salz (Cl) über die integrierten Oberflächengewässer stattfindet, die für den letzten Zeitschritt in 2010 bei 14% des berechneten Cl-Austrags liegt. Dies ist auf Unsauberkeiten" bei der numerischen Umsetzung der Oberflächengewässer zurückzuführen. Weiterhin sollte analog zur Vorgehensweise beim 2D-Modell Werra 2008 zusätzlich zur aktuellen textlichen und graphischen Umsetzung der gemessenen diffusen Cl-Austräge" im Modellbericht Werra 2013 ergänzend die Datengrundlage zur Berechnung der gemessenen diffusen Cl-Austräge" vorgelegt Aoro ,9sv m ks stue hetdocx C Büro HG GmbH Seile 2111

3 I-IG "r GModen Werra 2013 der K+S AG Versenkerlaubnis vom /2 Stellungnahme zur Erfüllung der Nebenbestimmung la Seite: 3 werden (z. 8. als Excel-Datei), um die Vorgehensweise bei der aktuellen (angepassten) Berechnung nachvollziehen zu können. Zudem weist der (auszugsweise) vorgelegte Ergebnisdatensatz des Transportmodells große Fehler in der Salz-Massenbilanz aus. Am Beispiel des Zeitschritts Tage ( Zeitschritt-Länge 2,4 Tage) wird ein Massenbilanzfehler ( Imbalance") von -4,4 E+09 g/d (= ca. -51 kg/s Salz) ausgewiesen, der in der gleichen Größenordnung liegt, wie der Austrag über die Oberflächengewässer (-4,5 E+ 09 g/d = ca. -52 kws Salz) und somit bei fast 100%. Zu diesem Zeitpunkt ist nach der ausgewiesenen Massenbilanz keine Salz-Infiltration über die Brunnen aktiv, während noch im dokumentierten Zeitschritt zuvor (30671 Tage Zeitschritt-Länge 1 Tag) eine Infiltration über die Brunnen von 7,0 E+09 g/d (= ca. -81 kg/s Salz) stattfindet bzw. ausgewiesen wird. Zu diesem Zeitpunkt wird ein Massenbilanzfehler ( Imbalance") von -2,1 E+09 g/d (= ca. -25 kg/s Salz) ausgewiesen, bei einem Austrag von -4,6 E+09 g/d (= ca. -53 kg/5 Salz) über die Oberflächengewässer d. h. ca. 30% im Vergleich zur Brunneninfiltration bzw. ca. 50% im Vergleich zum Austrag über die Oberflächengewässer. Ob die in der Bilanz ausgewiesenen Salz-Infiltrationen sowie der ausgewiesene Massenbilanzfehler der Realität entsprechen oder nur durch die Verwendung des IFM-Moduls SetIviass8C2" bedingt werden, lässt sich nicht abschließend prüfen, da keine lauffähige Datensatz-Version übergeben wurde. Ein derartiger Massenbilanz-Fehler wäre jedoch wenn er in der ausgewiesenen Form tatsächlich vorhanden sein sollte inakzeptabel. Unabhängig von diesen Widersprüchen und Diskrepanzen fällt bei der Darstellung der Ganglinien der gemessenen und berechneten diffusen Einträge in die Werra folgendes auf: > Bis Ende der 1940er Jahre berechnet das Modell Einträge in die Werra, die sich bis dahin nicht in den Messwerten dokumentieren. Das Modell suggeriert somit für die ersten Jahrzehnte der Versenkung einen Stoffabfluss in die Werra, während nach den Messwerten eher eine Einspeicherung von Salzabwasser in den Untergrund anzunehmen ist. > Bis Anfang der 1980er Jahre scheinen auf den ersten Blick Messung und Rechnung mehr oder weniger synchron zu verlaufen, wobei allerdings auch für diese Zeitspanne festzustellen ist, dass die höchsten Cl-Einträge Anfang der 1980er Jahre und somit ca. 15 Jahre nach der Phase mit der höchsten Versenkrate Mitte der 1960er Jahre auftritt.' > Ab Anfang der 1980er Jahre ist anhand der Messwerte eine raschere Abnahme der Einträge in die Werra zu verzeichnen, als dies das Modell berechnet. Messung und Rechnung verhalten sich genau umgekehrt als in der Anfangsphase der Versenkung. In der Realität erfolgte der Cl-Abfluss in die Werra ab Anfang der 1980er zunächst offensichtlich stärker, als dies das GwModell berechnet, das allerdings ab Ende der 1980er Jahre eine stärkere Cl-Abgabe in die Werra beschreibt, als die Messwerte zeigen. Dies deutet auf einen Speichereffekt im Modell hin, der für die letzten Jahrzehnte bewirkt, dass das Salzabwasser modelltechnisch" länger im Untergrund gehalten wird resp. langsamer in die Werra abfließt, als dies in der Realität der Fall ist. Betrachtet man dieses Ergebnis in der Zusammenschau mit der zeitlichen Entwicklung der Versenkraten, so könnten diese Phänomene eventuell unter Annahme eines Kluft-Matrix-Systems im Untergrund, (Plattendolomit + Buntsandstein) erklärt werden. Ein Kluft-Matrix-System ist dadurch charakterisiert, dass die Klüfte die Durchlässigkeit des Systems prägen und in diesen primär die GwStrömung und der Stofftransport erfolgt; die Klüfte üben aber keine wesentliche Speicherwirkung aus. Die Matrix verhält sich diesbezüglich umgekehrt sie stellt den primären Spei- papro asv20141s! rp ks slua hetdocx Büro HG GmbH Seite 3/11

4 I I PNr. GwModell Werra 2013 der K+S AG Versenkerlaubnis vom 30: /2 Stellungnahme zur Erfüllung der Nebenbestimmung 7a Seite: 4 cher in dem System dar, allerdings begrenzt die geringe Durchlässigkeit der Matrix die darin mögliche GwStrömung. Kluft und Matrix verhalten sich bezüglich der Durchlässigkeit (kf) und des Speichervermögens (5) wie folgt zueinander: kf Klüfte > > kf Matrix ; SKlüfte < < SMatrix Der hydraulische Austausch zwischen Kluft und Matrix erfolgt nach dem Leakage-Prinzip und wird dementsprechend über die Größe der Kontaktflächen (= Kluftflächen), der Permeabilität dieser Kontaktflächen (= Leakage-Faktor") und dem hydraulischen Gradienten zwischen Kluft und Matrix gesteuert. Aufgrund des oben dargestellten Verhältnisses von Durchlässigkeit und Speichervermögen weisen die Klüfte eine erheblich größere hydraulische Diffusivität' auf als die Matrix. Dies bedeutet, dass sich Druckänderungen im GwSystem extrem viel schneller in den Kifften auswirken als in der Matrix. Bei Annahme eines solchen Kluft-Matrix-Systems lässt sich unter Berücksichtigung der zeitlichen Entwicklung der Versenkraten die Diskrepanz zwischen gemessenen und berechneten Einträgen in die Werra wie folgt erklären: > Im (noch) ungestörten GwSystem ist der hydrostatische Druck (= GwStand) in den Klüften und in der Matrix im Mittel nur wenig unterschiedlich. Mit Beginn der Versenkung wird zunächst eine Druckerhöhung in den Klüften erzeugt und es entsteht dadurch ein (sehr) großer hydraulischer Gradient von den Klüften zur Matrix hin. Dies führt in der Realität zu einer verstärkten Einspeisung des Salzabwassers in die Matrix, mit der Folge, dass anfänglich kaum Einträge in die Werra gemessen werden (Einspeicherung des Salzabwassers in die Matrix). > Mit fortschreitender Versenkung gleichen sich die Drücke in den Klüften und in der Matrix mehr und mehr an, wenngleich in Folge der bis Mitte der 1960er Jahre ständig steigenden Versenkrate immer ein Druckgefälle von den Klüften zur Matrix hin angenommen werden muss. Allerdings sollte sich dieser Druckunterschied aufgrund der langen Einwirkzeit der Versenkung im Vergleich zur Anfangsphase abgemindert haben, so dass das Kluft-Matrix-System dann global gesehen wie ein homogen-isotropes GwSystem reagiert. Daher gelingt in der Zeit zwischen Ende der 1940er und Mitte der 1960er Jahre eine (scheinbar) gute Anpassung der berechneten an die gemessenen Einträge in die Werra. > Beim zeitlichen Verlauf der gemessenen Einträge in die Werra fällt auf, dass diese etwa 15 Jahre nach der Spitze in der Versenkrate (1964) ihr Maximum erreichen (1979). Dies wird vom GwModell nicht in gleicher Weise nachvollzogen hier werden für Mitte der 1960er Jahre vergleichbare und uni 1980 sogar geringere Einträge berechnet. Dieses Phänomen lässt sich mit dem Kluft-Matrix-Modell wie folgt erklären: o Durch die Reduzierung der Versenkrate sinkt zunächst sehr schnell der Überdruck in den Klüften und der hydraulische Gradient, der bis dahin von den Klüften zur Matrix hin orientiert war, kehrt sich um. Es entsteht erstmalig ein hydraulisches Gefälle von der Matrix zu den Klüften. o Dadurch kommt es zur verstärkten Einspeisung von der Matrix in die Klüfte und das zuvor durch die Versenkung bis Mitte der 1960er verstärkt in die Matrix eingespeicherte Salzabwasser wird nun bevorzugt in die Klüfte abgegeben und gelangt über diese verstärkt in die Werra. Dort tritt dann zeitlich verzögert aufgrund der Trägheit der Matrix in Folge der geringen hydraulischen Diffusivität der Spitzenwert der gemessenen Einträge um 1980 auf. > Auch die daran anschließende Entwicklung der diffusen Einträge in die Werra lässt sich mit dem Kluft-Matrix-Ansatz erklären: I Die hydraulische Diffusivität ist der Quotient aus Durchlässigkeit bzw. Transmissivität und Speicherkoeffizient. Opro sv2014ts fp ksslua hef.docr cb0ro HG GmbH Seile 4111

5 IG PNr. GvvModell Werra 2013 der K+S AG Versenkerlaubnis vom /2 Stellungnahme zur Erfüllung der Nebenbestimmung 7a Seite: 5 o Etwa ab 1982 erfolgt eine drastische Reduzierung der Versenkrate in Folge derer es zunächst zu einem erheblichen Druckabfall in den Klüften gekommen sein muss. o Dies wiederum führte innerhalb kurzer Zeit zu einer erheblichen Vergrößerung des hydraulischen Gradienten von der Matrix zu den Klüften, wodurch verstärkt das zuvor in erheblichem Maße eingespeicherte Salzabwasser zunächst in die Klüfte und über diese in die Werra abgeführt wurde. Durch diese verstärkte Abfuhr von Salzabwasser, das in den Jahrzehnten zuvor in die Matrix eingespeichert wurde, blieben die diffusen Einträge in die Werra bis weit in die zweite Hälfte der 1980er Jahre relativ hoch, obwohl bereits Anfahg der 1980er Jahre die Versenkrate erheblich re- duziert wurde. o Im Laufe der späten 1980er Jahre glichen sich die Drücke in den Klüften und idder Matrix wieder an, wenngleich die Druckgefällerichtung von der Matrix zu den Klüften prinzipiell erhalten blieb. Mit der deutlichen Abnahme des hydraulischen Gradienten von den Klüften zur Matrix nahm auch der Austrag von Salzabwasser bis Mitte der 1990er Jahre deutlich ab, was den starken Abfall der gemessenen Einträge in die Werra bis zu diesem Zeitpunkt erklären würde. o Etwa seit Ende der 1990er Jahre könnte durch die zwischenzeitlich erfolgte weitgehende Angleichung der Druckverhältnisse in den Klüften und in der Matrix wieder ein hydraulisches Verhalten gegeben sein, wie es für ein homogen-isotropes GwSystem typisch ist. Hierfür spricht, dass seitdem im Modell und in den Messwerten eine vergleichbare Abnahme der Einträge in die Werra bzw. ein diesbzgl. vergleichbarer Trend erkennbar ist. Allerdings zeigt das homogen-isotrop arbeitende Modell diese gleichbleibende Abnahme der Einträge bereits seit Ende der 1980er, wie die in Anlage 1 gezeigten Ausgleichgeraden am Ende der Zeitreihen deutlich machen. > Generell könnten auch die zeitlichen Versätze von Maxima und Minima der gemessenen Einträge in die Werra im Vergleich zu den jährlichen Versenkraten für die Wirksamkeit eines Kluft-Matrix- Systems sprechen. Wenngleich die Messdaten bis Ende der 1940er Jahre bekanntermaßen nicht die gleiche Qualität aufweisen wie die späteren Messungen, ist dennoch offensichtlich, dass das prioritäre Kalibrierungsziel der K+S AG, nämlich eine Anpassung der berechneten diffusen Einträge an die Messwerte zu erzielen, noch nicht erreicht wurde. 3. Bewertung der Modellkalibrierung bezüglich der GwStanclsentwicklung (GwStrömungsmodellierung) Generell sei erwähnt, dass die Abweichungen der gemessenen von den simulierten Werte nur in etwa abzuschätzen sind, da die in den Diagrammen im Kurzbericht angegebenen Skalen keine genauere Bewertung zulassen. Die Anpassung für Quartär-GwMessstellen kann nur akzeptiert werden, wenn die Abweichung von simulierten und gemessenen Werte wenige Meter beträgt, da es sich um einen freien GwLeiter handelt, der vom Versenkdruck unbeeinflusst ist. Da die Buntsandstein- und Plattendolomit-Messstellen teilweise im gespannten GwLeiter liegen und Reaktionen auf den Versenkdruck zeigen, wird für sie eine höhere Abweichung bis ca. 15 m (vorläufig) akzeptiert. Möglicherweise muss diese Annahme bei genauer Betrachtung bestimmter Teilräume nachkorrigiert werden. Aufgrund der in den Diagrammen im Kurzbericht angegebenen Skalen ist eine Abweichung unter 5 m kaum zu erkennen, so dass die Frage in Anlage 2.1, ob die Simulation der Piezometerhöhen akzeptabel ist, für Quartärmessstellen mit ja" beantwortet wird, wenn die Abweichung < 5 m beträgt (eine genauere Beurteilung ist aufgrund der gewählten Skala nicht möglich). Für Buntsandstein- und Plattendolomit- Messstellen wird eine Abweichung < 15 m (vorläufig) akzeptiert. glpro losv rp ks siva hef.docx 0 Büro HG GmbH Seite 5/11

6 Ö1681 I Gvilvtodell Werra 2013 der K+S AG Versenkerlaubnis vom C PNr /2 Stellungnahme zur Erfüllung der Nebenbestimmung 7a Seite: 6 Bei der Darstellung der gemessenen und berechneten GwStände für die stationäre Kalibrierung fällt auf, dass im Plattendolomit wie auch textlich beschrieben für eine große Anzahl von Messstellen (33%) ein deutlich zu geringes GwPotential (Differenz < -20 m) berechnet wird, während im Unteren Buntsandstein (su) für eine große Anzahl von Messstellen (Summe: 46%) ein zu hohes GwPotential berechnet wird. Dies deutet auf eine bereichsweise (flächenhaft) zu starke Trennung dieser beiden GwLeiter durch den Bröckelschiefer hin. In der Dokumentation des GwModells Werra 2013 fehlt eine Darstellung der GwDruckdifferenzen zwischen dem Plattendolomit und dem Unteren Buntsandstein für den Zustand mit Versenkung analog zur Abbildung 7-7. Hierdurch ist nicht erkennbar in welchen Bereichen aus hydraulischen Gründen von ca3-grundwasser respektive Salzabwasser in den Buntsandstein möglich ist. Nach der Darstellung in Anlage Blatt 5 irn.hydrogeologischen Modell (Stand 09/2011) wäre dies auch im Bereich der Herfatal-Anomalie möglich. Dies dokumentiert sich aber nicht in Abbildung 7-26a (simulierte Konzentrationsausbreitung Ende 2010) im su. Generell zeigt sich eine akzeptable Anpassung der Piezometerhöhen im Quartär und im Buntsandstein vor allem in den Talbereichen der Werra und mit einigen Ausnahmen auch im Talbereich der Felda, sowie im Südraum von Bad Hersfeld, am nw' Modellrand bei Bebra / Weiterode und weitgehend im Raum Gerstungen, sowie im Thüringer Gebiet nördlich der Linie Widdershausen - Marksuhl. Für den Zechstein bzw. den Ca3 wird eine akzeptable Anpassung der Piezometerhöhen mit Ausnahme entlang der Ulster nur punktuell erreicht, was u.a. bedeutet, dass die Austauschraten zwischen Ca3 und dem Buntsandstein in weiten Bereichen von dem GwModell nicht hinreichend genau berechnet werden können. Dies hat abgesehen vom Werratal zur Folge, dass Bereiche mit möglichem Aufstieg von Salzabwasser in den Buntsandstein als solche von dem Modell nicht mit der erforderlichen Präzision nachvollzogen werden können. Als Beispiele für derart ungeklärte Situationen seien die Herfatal- Anomalie und der Bereich zwischen Heringen und Frauensee genannt. Die recht gute Anpassung im Bereich der Ulster ist darauf zurückzuführen, dass der Bereich als Entlastungsgebiet erkannt und durch die Anpassung der entsprechenden kf-werte umgesetzt wurde. Die Anpassung der berechneten an die gemessenen GwStände bzw. GwGanglinien erfolgt in hohem Maße über die Variation der Beträge und der räumlichen Verteilung der Durchlässigkeit (kf-wert) der betreffenden Modellschicht. Diesbezüglich ergibt sich vor allem für den Buntsandstein insoweit ein schlüssiges Gesamtbild, als entlang der maßgeblichen Talstrukturen erhöhte kr-werte resultieren. Im Plattendolomit ist entlang des Werratals ebenfalls abschnittsweise eine erhöhte Durchlässigkeit gegeben, allerdings resultieren aus der Modellkalibrierung auch Bereiche mit flächenhaft erhöhter Permeabilität östlich der Werra bei Springen sowie südlich und südwestlich von Hattorf. Relativ geringe kf-werte sind entlang des Salzhangs im Norden und Nordwesten sowie entlang der Treischfelder Schwelle.und des Soisdorf-Uffhausener Grabens im Süden und Südwesten anzunehmen. Diese kf-wert-verteilung lässt sich hydrogeologisch plausibel nachvollziehen. 4. Bewertung der Modellkalibrierung bezüglich der GwBilanz (GwStrömungsmodellierung) Als Grundlage für die Bilanzkontrolle wurden in der 20. KW, in der 39. KW und in der 47./48. KW 2011 NW-Abflussmessungen an den Fließgewässern innerhalb des Modellgebietes durchgeführt. Die Diskussion dieser Ergebnisse im Rahmen der regelmäßig durchgeführten Projektgespräche führte zu der von allen Beteiligten akzeptierten Auffassung, dass die Messung vom September 2011 (39. KW) in etwa MW- Bedingungen repräsentiert und daher als maßgeblich für die Modellkalibrierung zu betrachten ist (stationäre Kalibrierung des GwStrömungsmodells). Aoro tasv2014st m ks slua heida«büro HG GmbH Seite 6/11

7 G PNr. GwModell Werra 2013 der K+S AG Versenkerlaubnis vom 30, /2 Stellungnahme zur Erfüllung der Nebenbestimmung 7a Seite: 7 An den Fließgewässern innerhalb des Modellgebietes wurde insgesamt ein NW-Abfluss von mvs gemessen, während das GwModell entlang der entsprechenden Leakage-Randbedingungen einen Gesamtabfluss von m3/s berechnet. Bezogen auf die o. g. Summe der Messwerte bedeutet dies eine Abweichung des Modells von -11,3%. Wenngleich in einzelnen Teileinzugsgebieten deutlich höhere Abweichungen zwischen Messung und Rechnung gegeben sind, kann die Abweichung von -11,3% allerdings nur im Sinne einer Globalbilanz als akzeptables Resultat gesehen werden. Für die in der Tabelle 5-1 dargestellten Vorfluter (Werra und Ulster) ist jedoch festzustellen, dass hier noch eine sehr große Abweichung zwischen den gemessenen und den berechneten Abflüssen vorliegt bezogen auf die relevante Abflussmesskampagne (39. KW) sind Abweichungen von 44% bis % festzustellen. Auch bei der dargestellten Verteilung der Differenzen der berechneten und gemessenen Abflüsse (Abbildung 5-5) fallen die beiden Klassen mit deutlichen positiven Abweichungen von 0,01 0,25 m3/s und vor allem mit > 0,1 m3/s auf. 5. Bewertung der Modellkalibrierung bezüglich der Stoffausbreitung im Untergrund (Transportmodellierung) Insgesamt ist es in dem GwModell Werra 2013 bisher nur bei wenigen GwMessstellen gelungen, die gemessenen Konzentrationen sowohl hinsichtlich der zeitlichen Entwicklung, als auch bezüglich der Höhe der Beträge, plausibel zu produzieren. Zwei herausragend gute Beispiele, aber leider seltene Ausnahmen, sind die GwMessstellen Weißenborn 2 (174) und Ufhausen 1 (511), mit denen die Salzabwasserausbreitung innerhalb des Plattendolomits südwestlich von Friedewald bzw. südwestlich von Hattorf gut nachvollziehbar wird. Unterstützt wird das Ergebnis von der GWM Ufhausen 1 auch durch das wenngleich weniger gute, jedoch in der Tendenz stimmige Modellergebnis von der GWM Geisa 1 (675). Diese Resultate belegen, dass es mit dem GwModell Werra 2013; Stand zumindest grob gelingt, die großflächige Salzabwasserausbreitung innerhalb des Plattendolomits südlich und westlich der Werra plausibel zu beschreiben. Ein großes Problem stellt nicht nur die geringe Anpassung der meisten Messstellen dar, sondern auch die geringe oder teils unplausible Datengrundlage vieler Messstellen, mit der die Simulation abgeglichen werden soll. Es stellt sich demnach die Frage, ob eine Simulation über einen Zeitraum von 85 Jahren überhaupt anhand einer oder zwei Messungen beurteilt werden kann und soll. Die Messwerte änderer Messstellen zeigen z. T. eine starke Streuung, so dass auch in diesen Fällen ohne Zusatzinformationen für die Gründe keine eindeutige Bewertung erfolgen kann. Es ist bisher nur an wenigen GwMessstellen eine akzeptable Anpassung der berechneten Konzentrationen an die Messungen gelungen. Vergleicht man die Messungen mit den Ergebnisse der SkyTEM-Messungen, so fällt auf, dass die Verbreitung von Salzwasser für das zentrale Werra-Tal entsprechend der textlichen Beschreibung gut gelingt, jedoch im Bereich der N-S-Linie Dorndorf Merkers -> Springen -> Frauensee ->Gospenroda" eine oberflächennahe GwVersalzung berechnet wird, die sich in den SkyTEM-Messungen so nicht wiederfindet. Auch die sog. Herfa-Tal"-Anomalie der SkyTEM-Messungen kann mit den aktuellen GwModellberechnungen noch nicht nachvollzogen werden. In Verbindung mit den Aussagen zu den diffusen Einträgen in die Werra unter Punkt 2 kann das vorliegende Transportmodell noch nicht als prognosefähig eingestuft werden. Unter Beachtung des gegebenen Modellmaßstabs ist somit das vom Modellersteller selbst definierte Kriterium für die Feinkalibrierung eines GwModells bisher nicht erfüllt. Mom lasv2014tst O,p ks siva hefdocx ()Büro HG GmbH Seite 7/11

8 H C PNr. GwModell Werra 2013 der K+S AG Versenkerlaubnis vom /2 Stellungnahme zur Erfüllung der Nebenbestimmung la Seite: 8 6. Gesamtbewertung der Modellkalibrierung, Stand Nach den bisherigen Ausführungen kommen wir zu dem Schluss, dass die Nebenbestimmung 7a der Versenkerlaubnis vorn nicht erfüllt ist, da die Kalibrierung des numerischen dreidimensionalen GwModells (kurz 3-D-Modell) mit dem Stand nicht abgeschlossen ist. Wesentlich für diese Einschätzung sind hierbei folgende Punkte: > Der ModelldatenSatz ist noch in wesentlichen Teilen fehlerhaft und erlaubt daher keine ausreichend präzise Berechnung der GwStrömung und des Stofftransports im Untergrund. > Das auch nach Einschätzung der K+S AG wesentliche Kalibrierungsziel, nämlich die Reproduktion der diffusen Einträge in die Werra wurde nicht erreicht. Dadurch kann derzeit nicht davon ausgegangen werden, dass der Salzabwasserumsatz innerhalb des Modellgebietes quantitativ hinreichend genau von dem 3-D-Modell abgebildet wird. > Es wurde keine hinreichend gute Anpassung des Transportmodells erzielt, so dass die räumliche und zeitliche Ausbreitung von Salzabwasser im Untergrund nicht mit der notwendigen Genauigkeit be- rechnet werden kann. In Verbindung mit der unzureichenden Reproduktion der diffusen Einträge in die Werra ist somit keine Prognosefähigkeit des GwModells gegeben. Es ist somit öffensichtl ich, dass der Verbleib des in den Grundwasserleiter Buntsandstein eingetretenen Salzwasservolumens gemäß Nebenbestimmung 7 der Versenkerlaubnis vom Mit dem 3-D- Modell bei dem derzeitigen Bearbeitungsstand nicht substantiell beantwortet werden kann. Somit können auch die orts- und zeitkonkreten Auswirkungen der Salzwasservetsenkung nicht hinreichend genau prognostiziert werden. Aufgrund der noch fehlenden Prognosefähigkeit kann bei dem derzeitigen Stand der Modellierung auch der Teil b) der Nebenstimmung 7 der Versenkerlaubnis vom nicht umgesetzt werden: b) Zum frühestmöglichen Zeitpunkt sind für das Gebiet Eichhorst Bodesruh Berechnungen der Druckverhältnisse im Buntsandstein und Plattendolomit für die Betriebszustände ohne und mit Salzabwassereinleitung in den Plattendolomit unter Variation der Versenkorte- und mengen durchzuführen.) Wenngleich das GwModell Werra 2013 noch nicht als feinkalibriert bewertet werden kann, sind mit diesem Recheninstrument bereits doch einige Ziele erreicht worden, die aus fachlicher Sicht positiv zu bewerten sind. Diese werden im Folgenden aufgeführt: > Mit dem Aufbau des numerischen Modells und der damit einhergehenden Integration des geologischen Strukturmodells über das Programm GOCAD wurde mit Blick auf die geohydraulischen Berechnungen die bestmögliche Umsetzung des Untergrundes in das notwendige Prognoseinstrument realisiert. Dem Untergrundaufbau wird daher mit der höchstmöglichen Präzision Rechnung getragen. > Das Modellgebiet und die äußeren Randbedingungen sind so gewählt, dass die maßgeblichen Striimungs- und Stoffumsetzungsprozesse innerhalb des Modellgebietes ablaufen (können), ohne dass die Modellrechnungen durch eine unzulässige Gebietsabgrenzung präjudiziert werden. Das Gw/viodell Werra 2013 deckt somit das prognoserelevante Gebiet gut ab. Einschränkungen gibt es hier jedoch im Bereich des östlichen Zustroms bezüglich der angesetzten Stoffkonzentrationen, die als nicht hinreichend belegt angesehen werden müssen. papro tasv2014ist rp ks slua hel.docx Büro HG GmbH Sek 8111

9 IG PNr. GwModell Werra 2013 der K+S AG Versenkerlaubnis vom /2 Stellungnahme zur Erfüllung der Nebenbestimmung 7a Seite: 9 > Innerhalb des Plattendolomits erfolgt modellgemäß bis 2010 keine wesentliche Salzabwasserausbreitung über den relativ gering durchlässigen Salzhang im Norden und Westen sowie über die gering durchlässigen tektonischen Elemente im Süden und Südwesten hinaus. Dies lässt erwarten, dass auch die zukünftige Salzabwasserausbreitung innerhalb des Plattendolomits innerhalb dieser hydrogeologisch-geohydraulisch plausiblen Grenzen bleibt. Zumindest für den Süden und Südwesten ist dies durch entsprechende Sensitivitätsberechnungen hinreichend belegt. > Die Vertikalschnitte zur Modellberechnung zeigen einen weitgehend auf das Werratal fokussierten Aufstieg von hochkonzentriertem Wasser (Salzabwasser) in den Buntsandstein und von dort in die Werra. Dieses Ergebnis war aus hyclrogeblogisch-geohydraulischen Gründen zu erwarten und ist in diesem Sinne plausibel. Allerdings liefert das Modell bisher noch keinen Beleg bzw. keine Erklärung für die Auffälligkeiten in den SkyTEM-Messungen entlang des Herfatals ( Herfatal-Anomalie"). Die Herfatal-Anomalie" könnte auf eine verstärkte Salzabwasser-Einspeisung aus dem Plattendolomit in den Buntsandstein in Folge der Versenkung mutmaßlich durch die Versenkung im Raum Eichhorst/Bodesruh hinweisen. > lm Buntsandstein und insbesondere auch im Bereich Gerstungen konnte eine relativ gute Anpassung des GwStrömungsmociells erreicht werden (Anpassung der berechneten an die gemessenen GwStände bzw. Ganglinien); Demzufolge ergibt sich für den Buntsandstein in diesem Bereich bereits ein schlüssiges GwStrömungsbild. So zeigt sich etwa, dass innerhalb des Buntsandsteins ausgehend von der Versenkung in Eichhorst/Bodesruh kein GwAbstrom in Richtung der TwBrunnen der Gemeinde Gerstungen erfolgt, was wir als Bestätigung unserer Einschätzung in unserem Schreiben vom sehen. Eine Risikoabschätzung für die TwBrunnen kann allerdings bisher nur anhand der Betrachtung der in manchen Messstellen nachgewiesenen chemischen Beeinflussung bzw. zum Teil anhand der Sky-TEM- Messungen durchgeführt werden, da im GwModell Werra 2013 bzgl. der Stoffausbreitung noch Anpassung- bzw. Klärungsbedarf, wie unter Punkt 5 beschrieben, besteht. Generell besteht bei TwBrunnen, die im su verfiltert sind, eine höhere Wahrscheinlichkeit, cims sie von Salzabwasser beeinflusst werden können, als bei TwBrunnen die das Grundwasser aus höheren Schichten, also dem Mittleren oder Oberen Buntsandstein, sowie dem Muschelkalk oder dem Quartär beziehen. Ebenso sind Brunnen in der Werratalaue bzw. in anderen potentiellen Entlastungsgebieten (z.b. Nebentäler der Werra) gefährdeter, als Brunnen, die eine eher exponierte Lage einnehmen. Die TwBrunnen, die im su verfiltert sind, liegen im westlichen Modellgebiet zwischen Friedewald und Bad Hersfeld, in der nordwestlichen Modellecke bei Bebra, im Werratal auf der Höhe von Heringen, am nördlichen Modellrand, nw' Gerstungen, im Feldatal, südlich von Tiefenort und im Bereich von Bad Salz ungen. Im westlichen Modellgebiet, zwischen Friedevvald und Bad Hersfeld, sind Messstellen (ONR 1066 und 662) im Unteren Buntsandstein vorhanden, die eine Beeinflussung durch Salzabwasser zeigen. Damit ist für die Brunnen in diesem Bereich eine Salzabwasserbeeinflussung grundsätzlich möglich. Dies gilt auch für Brunnen im Werratal (belegt durch die TEM-Messungen) und im Feldatal, wobei hier auch eine natürliche Aufsalzung nicht auszuschließen ist. Im Raum Bad Satzungen ist mit einer natürlich erhöhten Mineralisation zu rechnen; ein Risiko durch eine Salzabwasserbeeinflussung ist hier auszuschließen. Am nördlichen Modellrand, nw' von Gerstungen, ist ebenfalls nicht mit einer Beeinflussung durch Salzabwasser aus der aktuellen Versenkung zu rechnen, was durch die Überprüfung der GwGleichen in diesem Bereich bereits bewiesen wurde (s. o.). Zu den Brunnen am nw' Modellrand, im Bereich Bebra-Weiterode, kann nach den bisherigen Betrachtungen keine Aussage getroffen werden, da eine Überprüfung anhand der vorliegenden Datendichte zu ungenau wäre. p: oro asv20141s rp ks stua hefdocx Büro HG Gell Seite 9111

10 01677 GwModell Werra 2013 der K+S AG Versenkerlaubnis vom I C PNr, 09054/2 Stellungnahme zur Erfüllung der Nebenbestimmung 7a Seite: 10 Zur Abschätzung des Risikos der TwBrunnen aus der Salzabwasserversenkung wird das GwModell ein geeignetes Prognose-Instrument darstellen, sofern es gelingt, die simulierten Konzentrationen besser an die Messwerte anzupassen bzw. die Feinkalibrierung des Stofftransportmodells erfolgreich durchzuführen. Bis zur abgeschlossenen Feinkalibrierung kann es lediglich bei der Abschätzung anhand der chemischen Daten und der TEM-Messungen bleiben, wobei bei den TEM-Messungen immer auch die Geologie teufengenau zu betrachten ist, um die richtigen Rückschlüsse zu ziehen. Des Weiteren haben die Projektgespräche der letzten Monate bei der K+S AG gezeigt, dass nach wie vor deutliche Verbesserungen in der Modellanpassung erreichbar sind. Auch dies zeigt, dass der Kalibrierungsprozess noch nicht abgeschlossen ist. 7. Schlussfolgerungen und Empfehlungen zur weiteren Vorgehensweise Aufgrund des komplexen Untergrundaufbaus und der ausgeprägten lnstationarität der geohydraulisch relevanten Prozesse sind das GwStrömungsgeschehen, die Salzabwasserausbreitung im Untergrund und die damit zusammenhängenden diffusen Einträge in die Werra quantitativ schwierig zu fassen. Ohne den Einsatz eines numerischen GwModells wird dies auch zukünftig nicht gelingen und auch die Entwicklung eines fundierten Systemverständnisses ist ohne GwModellierung kaum möglich. Daher sollte auch mit Blick auf die zukünftige Beweissicherung das GwModell Werra 2013 fortgeführt und zu einem prognosefähigen Instrument zur Untersuchung unterschiedlicher Versenkorte- und -mengen weiterentwickelt werden. Wenngleich das GwModell Werra 2013 in dem derzeitigen Bearbeitungszustand noch nicht als feinkalibriert resp. dem Erkundungsstand entsprechend als abgeschlossen bewertet werden kann, liefert es eine Gesamtbetrachtung der relevanten hydrogeologisch-geohydraulischen Gegebenheiten und Prozesse, wie sie mit keiner anderen Methode erreicht werden kann. Ein umfassendes Verständnis der hydrogeologischen Zusammenhänge im Werra-Kaligebiet und der die Salzabwasserausbreitung prägenden Bedingungen kann ohne Unterstützung durch ein numerisches GwModell (3-D-Modell) nicht erwartet werden. Dementsprechend wird die erreichbare Qualität der zukünftigen Beweissicherung auch wesentlich von der Güte des numerischen GwModells abhängen. Eine fachlich optimale und somit auch wirtschaftlich sinnvolle Beweissicherung ist am ehesten mit einem prognosefähigen GwModell zu erzielen. Mit diesem Berechnungsinstrument kann entsprechend der Modellgenauigkeit die zukünftige räumliche und zeitliche Entwicklung des Salzabwassers im Untergrund ermittelt werden, so dass auf dieser Grundlage eine optimierte Beweissicherung möglich wird (inkl. Planung und Ausführung evtl, hierzu notwendiger Bohrungen bzw. GwMessstellen). Unabhängig von diesen Aspekten weisen wir darauf hin, dass nach den Ausführungen unter Punkt 2 nicht auszuschließen ist, dass über die Modellvorstellung eines Kluft-Matrix-Systems bzw. über einen Doppel-Porositäts-Ansatz eine bessere Systembeschreibung gelingen kann. Daher sollte vor der Fortführung des GwModells Werra 2013 oder parallel dazu ein entsprechendes Prinzipmodell mit möglichst wenig Modellschichten erstellt und mit diesem versucht werden, die diffusen Einträge in die Werra besser zu reproduzieren. Dieses Kluft-Matrix- bzw. Doppel-Porositäts-Modell könnte beispielsweise als 3- Schicht-Modell wie folgt aufgebaut sein: Schicht 1: Buntsandstein; Kluft-Matrix- bzw. Doppel-Porositäts-Ansatz; hydraulische Ankopplung an die wesentlichen Vorfluter innerhalb des Modellgebietes Schicht 2: Bröckelschiefer (Trennschicht); homogen-isotroper Ansatz Schicht 3: Plattendolomit; (zunächst) homogen-isotroper Ansatz Die Untersuchung des Kluft-Matrix- bzw. Doppel-Porositäts-Ansatzes mit dem derzeitigen 28-Schichten- Modell ist nicht möglich, da dies rechentechnisch nicht bewältigt werden kann, zumindest nicht inner- papro asv201e rp ks siva hetdocx BOro HG GmbH Seite 10/11

11 01676 PNr. GwModell Werra 2013 der K+S AG - Versenkerlaubnis vom Stellungnahme zur Erfüllung der Nebenbestimmung 7a Seile: 11 halb praktikabler Zeiträume. Zudem ist zur Entwicklung des Systemverständnisses ein überschaubares Gwiviodell mit begrenzten Rechenlaufzeiten anzustreben (Hinweis: das vorliegende Transportmodell benötigt eine Rechenlaufzeit von 3 bis 5 Tagen). Für eventuelle Rückfragen stehen wir gerne zur Verfügung. Mit freundlichen Grüßen Büro HG GmbH Dipl.-Geol. Dr. Bernd Hanauer Dipl.-Geol. Dr. Christoph Möbus '/ )7 97S7 V 7' Dipl.-Geol. Christiane Charisse Anlagen: Anlage 1: Darstellung der gemessenen und berechneten diffusen Einträge in die Werra in der Zusammenschau mit den Versenkraten seit 1925 Anlage 2: Einzelbewertung der Messstellen bezüglich der Kalibrierung des GwModells Werra 2013, Stand Anlage 2.1: Tabellarische Aufbereitung Anlage 12: Planliche Darstellungen zu Anlage 2.1 Anlage 3: Anlage 3.1: Anlage 3.2: Anlage 3.3: Einzelbewertung der Messstellen für ausgewählte Bereiche bzw. GwLeiter GWM Bereich Gerstungen GWM Unterer Buntsandstein (st]) GWM Plattendolomit (Ca3) plpro tasv20141s rp ks slua herdocx 0Büro HG GmbH Seite 11111