1. Zielstellung. Stark abgesunkener Wasserspiegel im Adolf- Mittag-See am ; (Wasserstand am Pegel Buckau 41,80 mnn)

Transkript

1 1. Zielstellung Problem Der Kulturpark Rotehorn liegt auf einer von der Stromelbe und der Alten Elbe umflossenen Insel im Stadtzentrum Magdeburgs. Der zentral auf der Insel gelegene Adolf Mittag See wird nur bei Hochwasser direkt über die Taube Elbe durch Zufluss von Elbwasser gespeist. Der See steht mit dem Grundwasser und damit mit der Stromelbe und der Alten Elbe in hydraulischem Kontakt. In den trockenen Monaten, bei einem Niedrigwasserstand in der Elbe kommt es zu einem entsprechenden Absinken des Wasserspiegels im Adolf Mittag See. Durch die Abnahme des Wasservolumens und die starke Sauerstoffzehrung infolge der Schlammablagerungen kommt es im See im Sommer häufig zum Fischsterben. Gleichzeitig ist die Nutzung des Sees zu Erholungszwecken (Ruderbootverleih) eingeschränkt. Zusätzlich stellt eine Freitreppe, welche in den See führt, eine architektonische Besonderheit dar, die auf einen Mindestwasserstand von 42,50 mnn ausgerichtet ist. Zunehmende Niedrigwasserperioden sowie Planungen zur Eintiefung der Stromelbe erfordern eine Systembewertung als Grundlage der Ableitung von Maßnahmen. Stark abgesunkener Wasserspiegel im Adolf- Mittag-See am ; (Wasserstand am Pegel Buckau 41,80 mnn) Wasserspiegel im Adolf-Mittag-See am , Wasserspiegel bei 42,52 mnn

2 Zielstellung Ziel dieser Arbeit ist es, die Wechselwirkung zwischen Grundwasser und Oberflächenwasser im Untersuchungsgebiet zu erfassen und unter Nutzung eines geohydraulischen Modells die Auswirkungen verschiedener wasserbaulicher Maßnahmen auf den Seewasserstand zu bewerten. 2. Gebietsbeschreibung Domfelsen 500 m Zollhafen Flutgraben Adolf-Mittag-See Stromelbe Alte Elbe Taube Elbe Cracauer Wehr Einlaufrohr Die Elbe teilt sich am Stromkilometer 322,8 in Stromelbe und Alte Elbe auf und umfließt die Rotehorninsel im Stadtgebiet Magdeburgs. Der Abfluß der Elbe erfolgt je nach Abflußmenge stärker oder schwächer über das feste Cracauer Wehr in der Alten Elbe. Im zentralem Bereich der Insel ist der Adolf-Mittag-See angelegt wurden. Der 1908 künstlich als Aufweitung der Tauben Elbe gestaltete See hat eine Gesamtfläche von ca. 4 ha und einen Umfang von etwa 1,5 km. Die mittlere Wassertiefe beträgt etwa 2,00 m. In südlicher Richtung verbindet die etwa 1,5 km lange Taube Elbe den Adolf-Mittag-See mit der Stromelbe. Die Verbindung zur Stromelbe erfolgt dabei mit Hilfe eines regulierbaren Einlaufbauwerkes über einen festgelegten Rohreinlauf. Nach Norden hin kann der Adolf-Mittag-See über einen sogenannten Flutgraben in zwei kleine Weiher und anschließend in die Zollelbe entwässern. Die Zollelbe besitzt eine direkte Verbindung zur Stromelbe, und ist die meiste Zeit des Jahres ein toter Seitenarm der Stromelbe. 3. Übersicht zu den durchgeführten Arbeiten Zur Ermittlung der Infiltrationsbedingungen der Gewässer und der Landflächen, sowie der Ermittlung von Grundwasserströmungen sind folgende Untersuchungen wichtig: - Felduntersuchungen 1. Ermittlung von Wasserständen im Untersuchungsgebiet (Errichtung eines Messnetzes und Durchführung von Wasserstandsmessungen) 2. Untersuchung der Kolmation der Oberflächengewässer 3. Probenahme von Grundwasser und Oberflächenwasser - Laboruntersuchungen 1. Untersuchung gewonnener Bodenproben auf ihre Kornzusammensetzung und ihren Anteil an organischen Bestandteilen 2. Bestimmung von Durchlässigkeitsbeiwerten 3. Analyse von Wasserproben durch das Institut für Wasserchemie der TU Dresden 4. Modellaufbau

3 Der Aufbau des Modells gliedert sich auf der Grundlage der für das Untersuchungsgebiet zur Verfügung stehenden Daten in folgende Arbeitspunkte: 1. Festlegung der Randbedingungen 2. Horizontale Diskretisierung 3. Vertikale Diskretisierung 4. Hydrologisch Hydrogeologisches Parametermodell 5. Umwandlung der Daten in die Datenstrukturen des numerischen Simulationsmodells Randbedingungen: Randbedingung 1.Art, h = f(t) Die Elbe und die Alte Elbe als umschließende Grenzen des Untersuchungsgebietes wurden als geeignete Modellrandbedingung gewählt. Die Grenzen in Westen, Osten und Süden werden direkt durch die Stromelbe und die Alte Elbe, als Randbedingung 1.Art [ h R = f(t)], definiert. Der nördliche Rand liegt im Abstrombereich der Insel und wird ebenfalls als Randbedingung 1.Art festgelegt [h R = f(t)], wobei für diesen Abschnitt zwischen den Wasserständen in der Stromelbe und der Alten Elbe interpoliert wird, da man an diesem Rand von einer Randstromlinie ausgehen kann. Horizontale Diskretisierung des Modellgebietes: Für den Modellaufbau musste berücksichtigt werden, dass im Ergebnis der durchgeführten Labor- und Feldarbeiten erkannt wurde, dass der Adolf Mittag See und ein Teil der Tauben Elbe mit dem Grundwasser kommunizieren. Damit müssen die Uferlinien im Modell genau erfasst werden. Unter Berücksichtigung dieses Punktes wurde für die Eichung des Simulationsmodells eine Zellgröße von einheitlich 25 m x 25 m gewählt. Diese Zellgröße wurde bei den anschließenden Simulationen noch verfeinert auf 12,5 m x 12,5 m. Für die numerische Verschlüsselung bedeutet das, dass sich 80 Spalten und 120 Zeilen ergeben und nach der Verfeinerung 115 Spalten und 178 Zeilen. Vertikale Diskretisierung des Modells: Ausgangspunkt für den vertikalen Modellaufbau ist das Strukturmodell. Für die Modellbildung ist folgender allgemeiner Aufbau in drei Schichten maßgebend: 1. Dichte Deckschicht als weitgehend vorhandene Auelehmschicht mit einer Mächtigkeit von m und/oder als Kolmationsschicht auf den Gewässersohlen. 2. Der Grundwasserleiter mit einem Schichtwechsel von Sanden und Kiesen mit einer Mächtigkeit von 3 m bis 13 m. 3. Die anstehenden Festgesteine und dichten Tone werden als Grundwasserstauer angesehen und bilden somit den unteren Modellrand. Tiefere Grundwasserstockwerke brauchen deshalb bei der Modellbildung nicht berücksichtigt werden. 5. Modellparameter Parametermodell Porosität und Durchlässigkeit: Die erste Schicht dient der Abbildung der Oberflächengewässer und wurde mit den von Programmautoren empfohlenen Werten belegt, k f Werte von 1 m/s. Für die Kolmationsschicht wurden im Bereich des Adolf Mittag Sees und der Tauben Elbe bis zur Reyerbrücke k f Werte von 3 E-5...7,8 E-4 m/s und für die übrige Taube Elbe Werte

4 von 4,9 E-7...7,9 E-7 m/s ermittelt. Für das Modell wurden für die vertikale Durchlässigkeit k f Werte von 1 E-5 und 5,5 E-7 m/s als mittlere Werte angesetzt. Durch Siebanalysen wurden für den teilweise anstehenden Auelehm ein k f Wert von rd. 1 E- 6 m/s nach MATTEL/PACQUANT ermittelt und so im Modell vereinbart. An den Stellen, wo der Auelehm nicht verbreitet ist, wurde ein kf Wert von 1 E-3 m/s angesetzt. Die Durchlässigkeitsbeiwerte des GWL (Schicht 3) wurde ein mit einem Mittelwert von 1*10-3 m/s angesetzt. Das Verhältnis zwischen vertikalem und horizontalem kf Wert wurde mit 1:10 angenommen. Bei den angetroffenen Kiesen und Sanden liegt erfahrungsgemäß eine entwässerbare Porosität zwischen 0.20 und 0.30 vor. Es wurde mit einem mittleren Wert von 0,25 gerechnet. Parametermodell Anfangswasserstände Als Anfangswasserstände wurden gemessene und berechnete Grundwasser- und Elbewasserstände herangezogen und durch die Messwerte der Stichtagsmessungen ergänzt. 6. Isohypsenplan der für die Kalibrierung verwendeten Stichtagsmessung Wasserstand in mnn 44,50 44,00 43,50 43,00 42,50 42,00 41,50 41,00 Für die Modellkalibrierung wurde die zweite Stichtagsmessung vom genutzt, da zu diesem Zeitpunkt am ehesten von quasistätionären Verhältnissen ausgegangen werden kann Datum N1 N2 R3 Holzbogenbrücke Osts. Pegel Buckau Pegel Strombrücke 7. Übersicht zu Varianten/Maßnahmen Der Zielwasserstand im Adolf-Mittag-See wurde mit 42,50 mnn angenommen, da dieser Wasserstand eine mittlere Seetiefe von 2 m gewährleistet, des weiteren wird durch diese relative Wasserhöhe die Nutzung von Ruderbooten ermöglicht und durch die Wassertiefe die Qualität des Wassers verbessert. Um einen Zielwasserstand von 42,50 mnn im Adolf-Mittag-See zu gewährleisten, bzw. die Wasserqualität des Sees zu erhöhen wurden verschiedene Sanierungsmaßnahmen vorgeschlagen. Unter anderem wurden folgende Möglichkeiten vorgeschlagen: - Vertiefung des Sees durch Entnahme von 50 cm mineralischen Untergrund - Tieferlegung der Sohle des Einlaufrohres und angleichen der Sohlhöhe der Tauben Elbe - Grundwassergewinnung durch Horizontalfilterbrunnen - Einleitung von Elbewasser in die Taube Elbe - Verminderung der Wasserverluste (aus Infiltration) in den Grundwasserleiter durch Abdichtung der Seesohle - Entschlammmung des Adolf-Mittag-Sees - Entnahmestellen für Elbewasser während Niedrigwasserperioden der Elbe schaffen, u.a. Überleitung von Elbewasser aus der Alten Elbe durch ein Einlaufbauwerk.

5 Durch Modellberechnung und analytische Betrachtungen wurden folgende Möglichkeiten untersucht: - Vertiefung der Sohle Adolf-Mittag-Sees und der damit verbundenen Entschlammung der Seesohle - Tieferlegung der Tauben Elbe in Zusammenhang eines Tieferlegens des Einlaufrohres; Dabei erfolgen Betrachtungen zum Gerinne der Tauben Elbe und zur möglichen Neuanlage eines Gerinnes vom Cracauer Wehr zum Adolf-Mittag-See. - Die Einspeisung von Fremdwasser in den See bei gleichzeitiger Grundwassergewinnung auf der Rotehorninsel, dazu grundsätzliche Überlegungen zur Grundwassergewinnung. Rein analytisch wurden folgende Punkte betrachtet: - Abfluss- und Zuspeisungsmengen in den Adolf-Mittag-See - eine Möglichkeit die Dichtungssohle des Adolf-Mittag-Sees aus Ton herzustellen - der Einfluss der Salzquelle auf das Grundwasser der Insel - und die Möglichkeit einer chemischen Behandlung des Sedimentes um die Sauerstoffzehrung im See zu verringern. Durch Modellrechnungen wurden des weiteren die Grundwasserströmungsverhältnisse der Insel und die Auswirkung von Strombaumaßnahmen in der Elbe untersucht 8. Ergebnisse zu den 2-3 wichtigsten Varianten 1. Eine Einspeisung von Fremdwasser in den Adolf-Mittag-See führt zu einer Erhöhung des Wasserspiegels im See. Zur Einspeisung notwendiges Wasser kann prinzipiell auf der Insel gewonnen werden. Geeignet zur Entnahme von Grundwasser ist der Bereich der Südspitze der Insel, da dort eine ausreichende Mächtigkeit des Grundwasserleiters und die höchstmöglichen Grundwasserstände vorliegen. Ein einzelner Brunnen kann maximal 11,7 l/s fördern, wenn man den Grundwasserspiegel um nicht mehr als 2 m im Bereich des Brunnen absenken möchte. Da die Reichweite eines Brunnens bei einer Absenkung von maximal 2 m etwa 200 m beträgt, kommt es zu einer gegenseitigen Beeinflussung dieser, d.h. man würde mehr als diese zwei Brunnen zur Gewinnung des Grundwassers benötigen, günstiger wäre es, wie im Fall der Simulation für ein MNW 5 Brunnen a 5 l/s anzusetzen. In der Simulation wurde dadurch eine Absenkung im Bereich der Brunnen von 0,70 m bewirkt. Der Bau von fünf Brunnen und deren Betrieb würde hohe Kosten verursachen. Auch aus ökologischer Sicht ist es nicht zu empfehlen, den ohnehin niedrigen Grundwasserstand währen MN- Wasserstände der Elbe noch weiter abzusenken, da er mit 42,0 mnn dann rd. 3,0 m unter Geländeoberkante liegt. 2. Der Zielwasserstand im See kann durch eine Eintiefung der Seesohle verringert werden. Zwar würde das bedeuten, dass man die Uferbereiche des Sees neu gestalten muss, aber bei einer gleichzeitigen Vertiefung der Tauben Elbe mit dem Einlaufrohr und einem Tieferlegen der Schwelle im Auslaufbereich des Adolf-Mittag-Sees könnte die Wahrscheinlichkeit des Zuflusses von Elbewasser in das System der Tauben Elbe Adolf-Mittag-See und die Wahrscheinlichkeit der Durchströmung des Sees mit Elbewasser verbessert werden. Mit der Vertiefung der Sohle des Adolf-Mittag-Sees kann, trotz beibehalten des Zielwasserstandes, die Qualität des Seewassers verbessert werden. Die Sauerstoffkozentration fällt nicht so schnell in kritische Bereiche, wenn der Zielwasserstand nicht erreicht wird, da die relative Wassertiefe und menge im See erhöht wurde. 3. Eine Tieferlegung des Einlaufrohres und dadurch einer Sohlanpassung der Tauben Elbe erscheint sinnvoll bei einer Tieferlegung des Adolf-Mittag-Sees. Als minimales Gefälle der

6 Tauben Elbe würde das Wassergefälle der Stromelbe genügen. Auch wenn der Adolf-Mittag- See nicht vertieft werden soll und der Zielwasserstand des Sees bei 42,50 mnn liegt, kann das Einlaufrohr in seiner Sohllage von 42,79 mnn auf 42,5 mnn eingetieft werden. Dadurch würde sich die Unterschreitungswahrscheinlichkeit am Einlaufrohr um ca. 55 Tage im Jahr verbessern, und nach durchgeführten Strombaumaßnahmen in der Elbe würde sich zur jetzigen Wahrscheinlichkeit der Unterschreitung nichts verändern. Höhen in m NN 46,5 46,0 45,5 45,0 44,5 44,0 43,5 43,0 42,5 42,0 Dauerlinie des Elbwasserstandes am Einlaufrohr (hochgerechnet vom Pegel Buckau, für 1 Jahr) 41, Tage der Unterschreitung der wasserstände Istzustand Zustand bei Strombaumassnahme Variante Z Der Einfluss der geplanten Strombaumaßnahmen in der Elbe, auf die Grundwasserstände der Rotehorninsel und damit auf den Wasserstand des Adolf- Mittag-Sees, ist groß. Gemäß der Vorzugsvariante Z 211 wirken sich die geplanten Absenkungen in der Elbe auf den See wie folgt aus. Senkt man den Wasserstand der Stromelbe um 20 bis 30 cm je nach Bereich und die Alte Elbe um 15 cm, so führt das zu einer Grundwasserabsenkung von 25 bis 30 cm auf der Insel und damit zu einem Absenkung des Seewasserspiegels von ebenfalls 25 bis 30 cm. Durch eine Absenkung des Elbewasserspiegls um 28 cm am Pegel Buckau, wie es bei Variante Z 211 der Fall ist, wird ein langjähriges MNW nicht mehr nur an 20 Tagen unterschritten sondern an 85 Tagen im Jahr. In Höhe des Einlaufrohres bedeutet das, dass nach durchgeführten Strombaumaßnahmen nach Variante Z 211 an 225 Tagen im Jahr kein Elbewasser durch das Einlaufrohr, in seiner jetzigen Lage, in die Taube Elbe einfließen kann. 9. Vorzugsvariante Als Vorzugsvariante kann eine Eintiefung der Sohle des Adolf-Mittag-Sees mit gleichzeitiger Vertiefung der Sohllage der Tauben Elbe (einschließlich des Einlaufrohres) und der Schwelle im Auslaufbereich des Adolf-Mittag-Sees angesehen werden. Dadurch könnte die Häufigkeit des Zuflusses von Elbewasser erhöht werden. Des weiteren kann diese Maßnahme als die kostengünstigste und umweltverträglichste Variante zur Lösung des Problems absinkender Wasserstand im Adolf-Mittag-See angesehen werden. Da der See künstlich angelegt wurde, sollte über eine Änderung des Zielwasserstandes von 42,50 mnn nachgedacht werden, um langfristige kostenintensive Sanierungsmaßnahmen und zusätzliche Wassereinspeisungen in den Sommermonaten vermeiden zu können. Im Ergebnis der Arbeit wird ein Zielwasserstand von 42,00 mnn vorgeschlagen, der selbst nach Abschluss der Strombaumaßnahmen am Einlaufrohr der Tauben Elbe nur an 80 Tagen im Jahr unterschritten werden würde.