Grundwasseranreicherung: Sicherung der Trinkwasserversorgung in der Metropolregion Rhein-Main

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1 Grundwasseranreicherung: Sicherung der Trinkwasserversorgung in der Metropolregion Rhein-Main Potsdam, Dipl.-Ing. Lilo Weber, Dr. Hermann Mikat

2 Trinkwasserversorgung Rhein-Main Entwicklung und Stand

3 Wasserversorgung Rhein-Main Rückblick Kapazitätsproblem 1962 Dargebotsengpass 1976 und 1993 Seite 5

4 Hydrogeologie

5 Untergrund/Aquifer Main Hessisches Ried ergiebigster Grundwasserspeicher Hessens Rhein Infiltratiionsan Infiltrationsanlagen lagen Brunnen n Quartär des Oberrheingrabens Neckar Kilometer Seite 9

6 Bohrkern - exemplarisch Angaben Bohrtiefe in m grobsandiger ms kiesiger ms red. Milieu Feinsandlage Tiefe 49 m Tiefe 10 m Tiefe 18 m Holzreste Paläobodenbildung Seite 13

7 Ökologische Grundwassergewinnung

8 Anlagenbestand Hessenwasser Technische Kennzahlen Hessenwasser 2013* *einschließlich Betriebsführung Trinkwasser-Gewinnungsanlagen: 27 Infiltrationswasser-Anlagen: 2 (ab 05/13) Brunnen, Quellfassungen, Stollen: 251 Wasseraufkommen: 102 Mio. m³ davon Fördermenge: 66 Mio. m³ Technische Kennzahlen Hessenwasser 2010* *einschließlich Betriebsführung Trinkwasser-Gewinnungsanlagen: 30 Infiltrationswasser-Anlagen: 3 Brunnen, Quellfassungen, Stollen: 279 Technische Kennzahlen Hessenwasser 2005* *einschließlich Betriebsführung Trinkwasser-Gewinnungsanlagen: 39 Infiltrationswasser-Anlagen: 3 Brunnen, Quellfassungen, Stollen: 359 Wasseraufkommen: 100 Mio. m³ davon Fördermenge: 61 Mio. m³ Wasseraufkommen: 105 Mio. m³ davon Fördermenge: 65 Mio. m³ Seite 15

9 Ökologische Grundwassergewinnung durch die Infiltration WW Eschollbrücken WW Allmendfeld Stationäre Berechnung der flächenhaften Aufspiegelungen unter mittleren Bedingungen im Hessischen Ried [Brandt Gerdes Sitzmann Umweltplanung GmbH (2002): Modellrechnungen zum Einflussbereich der Infiltrationsmaßnahme. Unveröffentlichtes Gutachten, Darmstadt] Seite 17

10 Entnahme-/Infiltrationsentwicklung WW Allmendfeld Start Infiltration Gernsheimer Wald Seite 18

11 Monitoring WHR Zeitliche Entwicklung der Grundwasserstände mit Vorgaben aus dem Grundwasserbewirtschaftungsplan Inbetriebnahme Ganglinie Allmendfeld Vernässung GOK Wassernotstand GW-Stand [NN+m] Abschaltwert *2.)*7.) Richtwert *1.)*2.)*6.)*7.) unterer Grenzgrundwasserstand *1.)*6.) Inbetriebnahme Infiltrationsanlage Gernsheimer Wald Bewirtschaftungsband Ordner: Überwachung_monatlich Seite 19

12 Situation Einschränkung der Entnahmemengen durch Wasserrechtsauflagen (Beispiel: WW Allmendfeld) Zeitraum Entnahme Mio. m³/a Infiltration Mio. m³/a Langfristig nutzbares Dargebot Mio. m³/a Wasserrecht ab ,8-12,8 Genehmigter Dauerpumpversuch ,0-23,0 Vor Grundwasserbewirtschaftungsplan (1999) WR Infiltrationsanlage Gernsheimer Wald Genehmigte Entnahmemenge ab ,8-12,8 ab ,8 6,5 6,3 ab ,8 9,5 6,3 Beantragte Entnahmemenge ab ,8 11,5 6,3 Seite 20

13 Anlagenkennzahlen Infiltration und Entnahme (Mengenangaben bei mittleren Verhältnissen) Wasserwerk / Infiltrationsanlage Anzahl Entnahmebrunnen Infiltrationsgewerke Anzahl Entnahme Mio. m³ Infiltration Mio. m³ Entnahme / Infiltration Verhältnis Stadtwald Frankfurt ,0 4,5 2 : 1 Hessisches Ried WW Eschollbrücken ,52 1,98 6,3 : 1 WW Allmendfeld ,59 8,67 1,7 : 1 WW Jägersburg ,20 6,58 1,9 : 1 Gesamt ,31 21,73 2 : 1 Seite 21

14 Resumee Sicherstellung Trinkwasserversorgung Zur langfristigen und nachhaltigen Sicherung der Trinkwassergewinnung im Rhein-Main-Gebiet bedarf es der ausgleichenden Wirkung der Infiltration von aufbereitetem Oberflächenwasser Die infiltrationsgestützten WW im Hessischen Ried liefern den Ausgleich in Grundlastphasen (Vorhaltung) aus nichtinfiltrationsgestützten Gebieten bzw. Quellschüttungsbereichen Die infiltrationsgestützten WW im Stadtwald liefern Spitzenlast und substituieren Fehlmengen aus dem Bezug (Vorhaltung) Das durch behördliche Vorgaben reduzierte Dargebot wird durch den Betrieb der Infiltrationsanlagen ausgeglichen Bei mittleren Grundwasserständen beträgt das Verhältnis zwischen Entnahme und Infiltration 2 : 1 Die Vor- und Instandhaltung der Infiltrationsanlagen ist kostenintensiv und bedarf einen hohen Personalaufwand Seite 25

15 Infiltration zur Sicherung der Trinkwasserversorgung in Rhein-Main

16 Hessisches Ried Wasserrecht Entnahme 20 Mio. m³/a Wasserrecht Infiltration 12,7 15,8 Mio. m³/a 8 Sickerschlitzgräben L/B/T in m 100 / 1 / 6 (Konzeptionsmenge 100 m³/h) 1 Sickerschlitzgraben L/B/T in m 40 / 1 / 6 1 Sickerbecken L /B/T in m 50 / 6 / 1,5 m mit zwei Schluckbrunnen Versuchsanlage mit 1 Sickerschlitzgraben L/B/T in m 18 / 1 / 6 Versuchsanlage mit 1 Sickerschlitzgraben L/B/T in m 18 / 1 / 4 Versuchsanlage mit Sickerbecken L/B/T in m 18 / 6 / 1,5 a.b. Versuchsanlage mit Schluckbrunnen DN 600, Tiefe 27 m a.b. Seite 28

17 Infiltrationsanlage Eschollbrücken Untergrundaufbau Sickerschlitzgraben 6 Tiefe 1,5 m Tiefe 7,4 m Ergebnisse Rammkernsondierung 2013: - bis 7,4 m Feinsand, mittelsandig Farbwechsel zw. 6,8-7,4 m von rotbraun nach graubraun - bis 8,4 m schluffiger Feinsand - bis 9,2 m Feinsand - bis 9,7 m schluffiger Feinsand - bis 14,6 m feinsandiger Mittelsand Seite 29

18 Infiltrationsanlage Eschollbrücken Sickerschlitzgraben 6 Sickerschlitzgraben 7 Grundwasserflurabstand ca. 8,98 m u GOK in 06/2013 Leistungsangabe bis Stichtag (Leistungseinbruch um 40 % in 2010): Leistungsangabe bis Stichtag : - Betriebszeitraum 289 Monate - in Betrieb 133 Monate - Infiltrationsmenge m³ - Fahrweise >0 bis 100 m³/h: 87 Monate - Fahrweise > 100 m³/h: 46 Monate - max. 174 m³/h - Ø 80 m³/h - max. durchgängige Betriebsdauer: 22 Monate - Betriebszeitraum 289 Monate - in Betrieb 121 Monate - Infiltrationsmenge m³ - Fahrweise >0 bis 100 m³/h: 66 Monate - Fahrweise > 100 m³/h: 55 Monate - max. 209 m³/h - Ø 88 m³/h - max. durchgängige Betriebsdauer: 21 Monate Seite 30

19 BERLIN BRANDENBURGER BRUNNENTAGE 2014 Infiltrationsanlage Eschollbrücken Filtersand 0,4 mm 2,3 mm Sickerschlitzgraben 6 / Bilderabfolge Sickerschlitzgraben 7 / Bilderabfolge Tiefe 0,05 m unter GOK Tiefe 0,15 m unter GOK Tiefe 0,05 m unter GOK Tiefe 0,1 m unter GOK Tiefe 0,2 m unter GOK Tiefe 0,2 m unter GOK Tiefe 0,27 m unter GOK Tiefe 1,2 m unter GOK (nach Absaugung) Tiefe 0,27 m unter GOK Seite 31

20 Infiltrationsanlage Eschollbrücken Sickerschlitzgraben 6 / Analytik Sickerschlitzgraben 7 / Analytik Längsschnitt mit Angabe von Tiefenstufen: - keine von Ausfällungen an der Oberfläche des Filtersandes - Konzentrationsanstieg in tieferen Bereichen (Kolmationsbänder, -nester) - atypisches Tiefenprofil Längsschnitt mit Angabe von Tiefenstufen: - klassisches Abbild von Ausfällungen in den Bereichen mit hohen Fließgeschwindigkeiten im Wesentlichen im Einlaufbereich des Infiltrats Konzentrationsverteilung in beiden Sickerschlitzgräben passt zum optischen Bild Seite 32

21 Infiltrationsanlage Eschollbrücken Sickerschlitzgraben 6 / Regenerierung Absaugen bis in eine Tiefe von 1,2 m unter GOK Anstehendes Marmorierung bis in eine Tiefe von 120 cm Seite 33

22 Infiltrationsanlage Eschollbrücken Sickerschlitzgraben 6 / Materialauswahl Körnung für Neubefüllung Filtermaterialauswahl: - Chemisch-physikalische Eigenschaften - verbaute Körnung zur Vergleichsmäßigung der Filtergeschwindigkeit bis 1,2 m Tiefe 0 30 cm = 1,4 2,3 mm cm = 1,0 1,5 mm - anstehender Filterkies ab 1,2 m bis in 6 m Tiefe 0,4 2,3 mm - Unterkornanteil und Materialabrieb beim Transport erfordert zusätzliche Aufbereitungsschritte (Anlieferung in Big Bag zu 1 t) Seite 35

23 Infiltrationsanlage Eschollbrücken Sickerschlitzgraben 6: Entfernung der Feinanteile/Unterkorn aus Filtersand und Filterkies Sieblinie des ausgeblasenen Feinanteils Reduzierung des Unterkornanteils von 15 % auf 12 % 1 t Feinanteil auf 180 t Frischmaterial Seite 36

24 Infiltrationsanlage Eschollbrücken Filtermaterial / Sieblinien Ausgangsmaterial Ergebnis aus Siebung: - 1. und 2. Sieblinie Unterkornanteil aus der Körnung 1,0-1,5 mm - 3. und 4. Sieblinie Filtersand nach Ausblasung Körnung 1,0 1,5 mm - 5. Ausgangsmaterial Körnung 1,0 1,5 mm - 6. Ausgangsmaterial Körnung 1,4 2,3 mm Feinmaterial ist in Sieblinien des Ausgangsmaterials nicht erkennbar, führt bei Schüttung des Materials zur Ausbildung von Bändern Seite 40

25 Infiltrationsanlage Eschollbrücken Sickerschlitzgraben 6 / geänderte Schichtenfolge und Umbau Funktionsprinzip: - Einbau eines PE-Dränrohres (DN 200) über Grabenlänge vom Einlauf ausgehende vergleichmäßigte Beaufschlagung (beachten Anfahrtsmenge) - Einbau definierter Schichtabfolgen über anstehendem Filtermaterial (0,4 bis 2,3 mm): Reduzierung der Filtergeschwindigkeit (Erhöhung der effektiven Porosität) - Einbau von Rammfilter zur Überwachung der Potentialhöhen in versch. Tiefen Grundlage zur Berechnung der Abstandsgeschwindigkeit - Vorgabe max. Beaufschlagung (100 m³/h) Reduzierung der Abstandsgeschwindigkeit, längere Standzeiten. Seite 41

26 Anforderungen an Sande und Kiese Brunnenbau DIN 4924 Wasseraufbereitung DIN EN Grundwasseranreicherung DVGW-Arbeitsblatt W 126 Gehalt SiO 2 : min. 96 % Abschlämmbare Bestandteile max. 1 % Unter-/Überkorn: max. 10 % (Korngruppen bis 2 mm) Massenanteil org. Stoffe: < Nachweisgrenze nach DIN Prüfung mit Natronlauge Kornform: mindestens kantengerundet Gehalt SiO2: min. 96 % (Typ1) min. 80 % (Typ 2 und Typ 3) Säurelöslichkeit: max. 2 % (Typ1 und Typ 2) KGV: d 10 ± 5 % U < 1,5 d 1 ± 5 % oder Unter-/Überkorn: max. 5 % (KG bis 1,25 mm) max. 10 % (KG bis 5,6 mm) Massenanteil org. Stoffe: keine Angabe Kornform: keine Angabe Sande nach DIN EN Körnungen i. d. R. zwischen 0,1 mm und 3 mm Die formulierten Anforderungen für Sande und Kiese sind für die Belange der Infiltration nicht ausreichend. Seite 44

27 Resumee Regenerierung von Infiltrationsorganen Nach 24 Betriebsjahren (ca. 7 Mio. m³ Infiltration) wurde in 2013 erstmalig ein Sickerschlitzgraben für ca regeneriert Reinigung der Filtersande in situ durch Spüllanzen einschließlich unmittelbaren Absaugens der Spülungswässer führt zur irreversiblen Verlagerung von Feinstpartikel in die Tiefe Herkunft und Feinanteil der Filtersande (nach DIN EN 12904) bestimmen maßgeblich Standzeit und Kolmationsneigung Auf die ab einer Tiefe von 1,2 m bis 6 m anstehende Filterkornschicht wurden zwei darauf abgestimmte Korngruppen eingebaut Zur Vergleichmäßigung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgte der Einbau eines Drainrohres über die gesamte Grabenlänge Seite 45

28 Ansprechpartner: Dr. Hermann Mikat Taunusstraße Groß-Gerau Tel.: 069/ Projektleitung Infiltrationsorgane: Dipl.-Ing. Lilo Weber Tel.: 069/ Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!