Geologie und Hydrogeologie des Stuttgarter Talkessels - Ein konzeptionelles Systemmodell

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1 Geologie und Hydrogeologie des Stuttgarter Talkessels - Ein konzeptionelles Systemmodell Wolfgang Ufrecht Amt für Umweltschutz Stuttgart

2 Altlastensituation Stuttgart 2948 Verdachtsflächen, 2047 Fälle mit LCKW- Verdacht

3 Schema der Altlastenbearbeitung Grundstücks- bzw. störerbezogene Einzelfallbearbeitung und standortbezogene Untersuchungsverfahren. Gefahr-, Risikoabschätzung In Regie und auf Kosten von Behörde Störerzuordnung Erkundung in Schritten bzw. nachfolgende Sanierung durch Störer

4 Schadensfallbearbeitung Schrittweises Vorgehen, dem Verursacherprinzip folgend >> sehr zeitaufwendig, Untersuchungen im lokalen Maßstab (Einzelfallbetrachtung), nur selten Fahnenerkundung Tiefere Stockwerke oft unberücksichtigt, Grenzen der Einzelfallbearbeitung bei komplexen Schadensfällen, Nur kleiner Teil der Verdachtsflächen abgearbeitet Kenntnis über Gefährdungspotential weiterer Einzelfälle? keine übergeordnete Risiko- und Gefährdungsbetrachtung.

5 Neue Wege: Integrale Untersuchung Gesamtschauliche Untersuchungen Ziel: Situation im Projektraum erkennen und Modellvorstellung des gesamten Systems entwickeln (Systemverständnis und Prozessverständnis). Vollwertiges räumliches und zeitliches Bild der Konzentrationsverteilung.

6 Das EU-Projekt MAGPlan Räumliche Untersuchung der Grundwasserqualität in Stuttgart MAGPlan: Bewirtschaftungsplan zur Sicherstellung eines guten chemischen Grundwasserzustands durch Vermeidung von Schadstoffeinträgen aus Altlasten Projektpartner: LHS Stuttgart Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Projektlaufzeit: Projektbudget 3,4 Mio (Fördersatz 50%) Projektförderung Life Environment

7 Der Modellraum: Stuttgarter Talkessel 705 Standorte mit potentiellem LCKW-Eintrag Relief 101 Standorte mit untersuchtem LCKW-Eintrag Geologie Tektonik Grundwasser Funktionsraum Mineral- und Heilquellen Digitales Höhenmodell Baden-Württemberg

8 Nutzungsaspekte - Schutz der Mineral Thermalwässer Wasserwirtschaftliches Schutzgut Kulturgut Tetrachlorethen, PCE Trichlorethen, TCE µg/l 12 Staatlich anerkannte Heilquellen (Bade- und Trinkkuren) im Oberen Muschelkalk Werte in µg/l Gesamtschüttung: 500 l/s Drei Mineralbäder in der Stadt Werte vom bis Tetrachlorethen Trichlorethen

9 Hydrogeologisches Modell (konzeptionelles Modell) Instrument zur umfassenden Beschreibung der hydrogeologischen Gegebenheiten in einem Betrachtungsraum. Sammeln und Verarbeitung von (vorliegenden) Daten, Datenlage im urbanen Raum Bohrungen GWM 1000 Pumpversuche Ca Analysen Verarbeitung von Daten (Raum und Zeit) Interpretation von Zusammenhängen Beschreibung der Systemeigenschaften, Prozesse und Wirkungsmechanismen Möglichst naturnahe Hydrogeologische (konzeptionelle) Systemvorstellung

10 Abstrahierung des komplexen Natursystems Reduzierung auf das Wesentliche

11 Datenerfassung, Auswertung Diskrepanzen auflösen Kenntnislücken => Untersuchungsmaßnahmen Wechselspiel zwischen hydrogeologischem und numerischem Modell

12 Definition des Modellraums Strukturierung Hangkante und oberer Hangbereich Hangfuß und Talniederung Quartär Unterjura Rhät Knollenmergel Stubensandstein Bunte Mergel und Kieselsandsteinsch. Schilfsandstein Gipskeuper Unterkeuper Oberer Muschelkalk Mittlerer Muschelkalk K e u p e r

13 Definition des Modell raums Strukturierung

14 Vertikale Strukturierung Hydrostra atigraphie Lithostrati igraphie Überführen von Einheiten mit vergleichbaren hydrogeologischen Eigenschaften in hydrostratigraphische Einheiten

15 Vertikale Strukturierung Hydrostra atigraphie Lithostrati igraphie Überführen von Einheiten mit vergleichbaren hydrogeologischen Eigenschaften in hydrostratigraphische Einheiten Lithostratigraphie Hydrostratigraphie MAGPlan: 8 Grundwasserstockwerke Weitere Unterteilung des Gipskeupers

16 Laterale Strukturierung (Aquifergeometrie) Schichtlagerung, Schichtausbiss durch Erosion Bohrpunktekarte Bohrdateninformationssystem Stuttgart (BOISS) Abgedeckte Geologische Karte Strukturkarte Grenze Gipskeuper/Unterkeuper

17 Laterale Strukturierung (Aquifergeometrie)

18 Laterale Strukturierung: Subrosion in Abhängigkeit der Morphologie und Überdeckung Ableitung aus Subrosionskarten für alle GW-Stockwerke im Gipskeuper Vollständig ausgelaugt, GW-Geringleiter Teilweise ausgelaugt, GW-Leiter Unausgelaugt, GW-Nichtleiter Schichtglied abgetragen

19 Laterale Strukturierung: räumliche Verteilung von Aquiferkennwerten (Homogenzonen) Datenlage für Abgrenzung oft schlecht: Einsatz des geologischen à priori Wissens über Prozesse (Aquifergenese) Durchlässigkeit Strukturbildend: sedimentationsbedingt, z.b. fazielle Differenzierung (kavernöse Zellendolomite), Sekundäre Aquiferüberprägung (Tektonik, Verwitterung, Verkarstung)

20 Laterale Strukturierung: Großes tektonisches Inventar, Mehrfache Überprägung unter Wechselnden Spannungsfeldern

21 Hohe örtliche Auflösung Feingliederung vertikal (Bank für Bank) Heterogenitäten in Durchlässigkeit Prozesse (mikrobiell) Verweilzeit S. SPITZBERG (2006) Hohe Detailgenauigkeit im Einzelfall, aber keine Möglichkeit der Auflösung in Einzugsgebietsskala (Abstrahierung)

22 Laterale Strukturierung: Sichtbarmachung Hydraulisch wirksamer tektonischer Strukturen Aquiferdiagnose: Negativer Rand Absenktrichter: Keine radial-symmetrische Ausdehnung Parameterkontraste S. Spitzberg Absenkbeträge in cm

23 Laterale Strukturierung: Hydrogeologische Charakterisierung Verwerfung: Prozesse an der Störung (gesteinsabhängig), Versatzbetrag.

24 Laterale Str rukturierung Störungen mit Sprunghöhen > 80 m (Kategorie 1) Störungen mit Sprunghöhen von m (Kategorie 2) Störungen mit Sprunghöhen < 60 m (Kategorie 3) dicht geringdurchlässig durchlässig

25 Hydraulisch wirksame Verwerfugen Prüfung der Hypothesen Verteilungsmuster: Verweilzeit Stabile Isotope (Bildungsbedingungen)

26 Grundwasserneubildung und Randzufluss Im Stuttgarter Talkessel

27 Grundwasserneubildung und Randzufluss Im Stuttgarter Talkessel 2 l/s(km 2 ) 1,0 l/s(km 2 ) 4 l/s(km 2 ) Randzufluss: 39 l/s GW-Neubildung: 31 l/s Kartierung Versiegelungsgrad Abgestufte Neubildungsspende

28 Hydraulik: Grundwasserströmung GW-Strömung Dunkelrote Mergel Abgedeckte Geologische Karte GW-Oberfläche und Morphologie, steile Gradienten, mnn Ausstrich Dunkelrote Mergel

29 Hydrogeologisches Modell Zweiteilung: Oberflächennahe und tiefe Stockwerke Grundwasser-Neubildung LCKW GW-Neubildung Gipsauslaugun ngsfront Gipskeuper mit Teilstockwerken Vorflut Neckartal Unterkeuper Mineral- und Heilquellen Oberer Muschelkalk

30 GW-Beschaffenheit: Vertikale Wechselwirklungen Gipskeuper SO 4 Quartär Unterkeuper SO 4 SO 4 Hinweis auf Wechselwirkungen? Welche Grundwasser- Komponenten sind beteiligt? Überprüfung mit Schwefelisotopie

31 Entwicklung Modellvorstellungen: Werkzeuge T. Ertel Tracertests Hydrochemie Isotope / Umwelttracer Anthropogene Spurenstoffe Einschränkung von Freiheitsgraden! Höherwertige Aussagen

32 - Mombachquelle - Reaktionsraum Stuttgarter Talkessel Gipsauslaug gungsfront LCKW GW-Neubildung Licht ins Dunkel Vorflut Neckartal Eintrag Austrag (Bilanz) Wo? Was? Wieviel? Transport (Fahnen) Stoffliche Umsetzungen / Abbau Unterkeuper Mineral- Heilquellen Oberer Muschelkalk