Strömung, Transport und Verbleib der Salzabwässer aus dem Versenkungsstandort Eichhorst / Bodesruh der K+S Kali GmbH

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1 Strömung, Transport und Verbleib der Salzabwässer aus dem Versenkungsstandort Eichhorst / Bodesruh der K+S Kali GmbH Fachliche Stellungnahme und Einschätzung der Beeinflussung der Entwicklung der Wasserqualität im Raum Gerstungen / Thüringen aus dem Versenkungsraum Eichhorst/Bodesruh Im Zusammenhang mit dem Rechtsstreit Gerstungen./. Land Hessen Im Auftrag des Verwaltungsgerichts Kassel Prof. Dr. Martin Sauter, Dr. Torsten Lange & Dr. Bettina Wiegand Engelhardt & Sauter GbR 14. Juni 2016

2 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 2 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Veranlassung Historie der Versenkung von Salzabwässern im Werra Kaligebiet Stand der Technik Hydrogeologie des Werra Kali Gebietes Geologisch hydrogeologischer Überblick Strömungsverhältnisse im Werra Kaligebiet Bedeutung von Störungszonen für Strömung und Stofftransport Vorstellungen zur hydrogeologischen Rolle des Salzhangs Räumliche Verbreitung und Verbleib der versenkten Salzabwässer Modellsimulationen und Fluidbilanz Chloridbilanz Beurteilung des Einflusses der laufenden Salzabwasserversenkung auf die Wasserqualität von Trinkwasserentnahmen im Raum Gerstungen Vorgehensweise und Kriterien für die Beurteilung der Beeinträchtigung von Trinkwasserfassungen durch Salzabwässer Hydrogeologische Modellvorstellungen Aquifergeometrie und Parameter Geometrie Grundsätzliche Bemerkungen Geometrie hydrogeologisches Modell Räumliche Grundwasserpotentialverteilung Einfluss von Störungszonen auf die Grundwasserströmung Randbedingungen Hydraulische Parameter Potentialfeld und Strömungsdynamik Hydrogeologisches Detailmodell im Raum Berka Gerstungen auf der Basis von Messungen des Gesteinswiderstands und hydrodynamischer Überlegungen Modelle und Daten kritische Beurteilung der Methoden zur Prognose der Salzabwasserausbreitung Hydrogeologisches Modell Limitierungen Mathematisches Modell Limitierungen Hydrogeochemische Verhältnisse im Raum Gerstungen Quellen mit natürlichen Salzwasseraustritten Hydrochemische Zusammensetzung von geogenen Wässern im Kali Werra Gebiet Hydrogeochemische Zusammensetzung der Versenkwässer Hydrochemie der Werra am Pegel Gerstungen Hydrochemische Charakterisierung der Wässer im Raum Gerstungen Grundwässer in quartären und tertiären Ablagerungen Grundwässer des Mittleren Buntsandstein Grundwässer des Unteren Buntsandstein Grundwässer des Plattendolomit Zusammenfassende Beurteilung Weitere potentielle Einflussfaktoren auf Hydrodynamik und Hydrochemie 74 Anthropogene Einflüsse Grundwasserentnahme zur Trinkwasserversorgung Natürliche Prozesse Dolomitisierung und Ionenaustausch aufgrund der Einleitung von Salzabwässern Spezifische Fragen... 77

3 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 3 5. Zusammenfassende Beurteilung Literatur Anhang... 92

4 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 4 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 1: Hubschrauberelektromagnetikbefliegung (HEM) 1996/1997 im Werratal. (nach Hecht 2000) Abbildung 1 2: Abbildung 2 1: Klassifikation von Installationen zur Tiefenversenkung (Clark et al. 2005) Typisches Geologisches Profil durch den Untersuchungsraum (Skowronek et al. 1999) Abbildung 2 2: Schematisches hydrogeologisches Profil (Geletneky 2013) Abbildung 2 3: Abbildung 2 4: Abbildung 2 5: Abbildung 2 6: Abbildung 2 7: Abbildung 2 8: Potentialverteilung im Plattendolomit vor der Versenkung von Salzabwässern (Käbel, 2006) Strömungsregime im Plattendolomit und natürliche, historisch belegte Salzaustritte (Plümacher 2008) Hydrogeologische Modellvorstellungen im Werra Kalirevier (Plümacher 2008) Geologische Analyse des Verlaufs von Störungszonen im oberen Werratal, Blatt Berka (aus Büchel et al. 2012; blau kartiert, grün Störungszonen aus der Luftbildanalyse, rot Brüche aus dem Luftbild, schwarz Störungszonen im 3D Modell Werra) Ausbreitung von Salzabwässern im Plattendolomitgrundwasserleiter (nach Grundwassermodell Werra 2008) von 1940 bis 2003 (Plümacher 2008) Strukturkarte Plattendolomitgrundwasserleiter (2D) und Aufstiegszone (lila) aus dem gestörten Plattendolomitgrundwasserleiter (3D) (K+S, 2009) Abbildung 2 9: Simulierte Konzentrationsverteilung im Plattendolomit, Stand 06/2013 (DHI WASY 2013) Abbildung 2 10: Zeitlicher Verlauf der Chloridfracht in der Werra: Vergleich Modellrechnung (DHI WASY 2013) Messungen des diffusen Austrags (HLUG 2008) Abbildung 2 11: Prinzipskizze zur Matrix Diffusion Abbildung 2 12: Chloridaustrag in die Werra ( diffuser Eintrag ) und Versenkungshistorie (HLUG 2011) Abbildung 3 1: Abbildung 3 2: Abbildung 3 3: Modellgebiet mit Randbedingungen (siehe 3.2.1: Randbedingungen ), Störungen (graue Linien) Topografie (farblich angedeutet), Verläufen hydrogeologischer Schnitte (vgl. Abbildung 3 2 bis Abbildung 3 5) sowie der Verbreitung vollständiger, reduzierter und ausgelaugter Zechstein Salzmächtigkeiten (rot gestrichelt: Salzhang Innenrand, blau gestrichelt: Salzhang Außenrand) nach IHU (2011), HG (2011, 2012), DHI WASY (2013) Hydrogeologischer Schnitt S1 durch das Modellgebiet basierend auf IHU (2011) und HG (2012). Der Verlauf des Schnittes ist den Abbildungen Abbildung 3 10 bis Abbildung 3 12 zu entnehmen Hydrogeologischer Schnitt S2 durch das Modellgebiet basierend auf IHU (2011) und HG (2012). Der Verlauf des Schnittes ist den Abbildungen Abbildung 3 10 bis Abbildung 3 12 zu entnehmen. Die laterale Verbreitung des Salzhangs ist durch die Abschnitte SH gekennzeichnet, Zechsteinsalz mit voller Verbreitung als SV und

5 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 5 Abbildung 3 4: Abbildung 3 5: Abbildung 3 6: Abbildung 3 7: vollständig ausgelaugte Bereiche als SA Hydrogeologischer Schnitt S3 durch das Modellgebiet basierend auf IHU (2011) und HG (2012). Der Verlauf des Schnittes ist den Abbildungen Abbildung 3 10 und Abbildung 3 12 zu entnehmen. Die laterale Verbreitung des Salzhangs ist durch die Abschnitte SH gekennzeichnet, Zechsteinsalz mit voller Verbreitung als SV und vollständig ausgelaugte Bereiche als SA Hydrogeologischer Schnitt S4 durch das Modellgebiet basierend auf IHU (2011) und HG (2012). Der Verlauf des Schnittes ist den Abbildungen Abbildung 3 10 und Abbildung 3 12 zu entnehmen. Die laterale Verbreitung des Salzhangs ist durch die Abschnitte SH gekennzeichnet, Zechsteinsalz mit voller Verbreitung als SV und vollständig ausgelaugte Bereiche als SA Verteilung der Gewässerrandbedingungen im Modellgebiet nach IHU (2011), DHI WASY (2013) Hydraulische Parametrisierung des Plattendolomits (K+S, 2011). Die rot markierten Punkte sind die Lokationen von Bohrlochversuchen mit der gemessenen hydraulischen Leitfähigkeit in m/s Abbildung 3 8: Hydraulische Parametrisierung des Plattendolomits (K+S, 2011). Ergebnisse von WD Tests aus Bohrlochversuchen (Datenquelle: HG, 2012b) Abbildung 3 9: Parameterfeld der hydraulischen Leitfähigkeit im Plattendolomit (K+S, 2013; Werra Modell) Abbildung 3 10: Grundwasserpotentialverteilung im Buntsandsteingrundwasserleiter und äußere Randbedingungen des Modellgebietes nach IHU (2011)/HG (2012)/DHI WASY (2013). Die Linien S1 bis S4 verweisen auf die hydrogeologischen Schnittdarstellungen in Abbildung 3 2 bis Abbildung 3 5 (3.2.1). Die unterschiedlichen Arten der Randbedingungen (RB) sind farblich markiert: gelb no flow RB (RB 2. Art), grün Transfer bzw. Gewässer RB (RB 3. Art), rot Festpotential im östlichen Ausstrichbereich des Plattendolomits (RB 1. Art) Abbildung 3 11: Grundwasserpotentialverteilung im Plattendolomit und äußere Randbedingungen im Modellgebietes nach IHU (2011)/HG (2012)/DHI WASY (2013). Die Linien S1 bis S4 verweisen auf die hydrogeologischen Schnittdarstellungen in Abbildung 3 2 bis Abbildung 3 5 (3.2.1). Die unterschiedlichen Arten der Randbedingungen (RB) sind farblich markiert: gelb no flow RB (RB 2. Art), grün Transfer bzw. Gewässer RB (RB 3. Art), rot Festpotential im östlichen Ausstrichbereich des Plattendolomits (RB 1. Art) Abbildung 3 12: Dichtekorrigierte Grundwasserpotentialverteilung im Plattendolomit (Stand 2002, ergänzt 2005) und äußere Randbedingungen im Modellgebietes nach IHU (2011)/HG (2012)/DHI WASY (2013). Die Linien S1 bis S4 verweisen auf die hydrogeologischen Schnittdarstellungen in Abbildung 3 2 bis Abbildung 3 5 (3.2.1). Die unterschiedlichen Arten der Randbedingungen (RB) sind farblich markiert: gelb no flow RB (RB 2. Art), grün Transfer bzw. Gewässer RB (RB 3. Art), rot Festpotential im östlichen

6 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 6 Ausstrichbereich des Plattendolomits (RB 1. Art) Abbildung 3 13: Strömungsdynamik im Plattendolomit (IHU, 2011) Abbildung 3 14: Grundwasserpotentialverteilung im Buntsandstein und Verteilung der spezifischen Widerstände im Buntsandsteingrundwasserleiter. Grundlage sind die scheinbaren Widerstände in einem Tiefenintervall zwischen 5 und 10 m unter Gelände Abbildung 3 15: Grundwasserpotentialverteilung im Plattendolomit und Verteilung der spezifischen Widerstände im Plattendolomitgrundwasserleiter. Grundlage sind die scheinbaren Widerstände in einem Tiefenintervall bis 280 m unter Gelände Abbildung 3 16: Chemische Zusammensetzung der Versenkwässer (Standort Wintershall) Abbildung 3 17: Chemische Zusammensetzung der Versenkwässer (Standort Hattorf) Abbildung 3 18: Leitfähigkeitsmessungen am Pegel Gerstungen (Zeitraum ) Abbildung 3 19: Leitfähigkeitsmessungen am Pegel Gerstungen (Zeitraum ) Abbildung 3 20: Kartenausschnitt nördlich von Heringen mit ausgewerteten Grundwassermessstellen Abbildung 3 21: Durch Versenkwässer beeinflusste Bohrungen und Jahr der erstmalig dokumentierten Beeinflussung basierend auf dem Mg/Ca Verhältnis >0, Abbildung 7 1: Abbildung 7 2: Schema einer typischen Störungszone mit geometrischer und hydraulischer Parameterverteilung, Quelle: CAINE et al. (1996) Mächtigkeit der gestörten Zone in Relation zum Versatzbetrag (FAULKNER et al., 2010)... 94

7 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 7 1. Einführung 1.1. Veranlassung Im Zusammenhang mit der Aufbereitung der Kalisalze im Werra Kali Gebiet der K+S fallen in größerem Umfang hochkonzentrierte Salzabwässer an. Diese wurden entweder direkt in die Werra eingeleitet bzw. seit 1925 in die tiefe durchlässige Zechsteinformation des Plattendolomits versenkt. Die Wässer breiten sich im Plattendolomitgrundwasserleiter aus und verdrängen in situ vorhandene Formationswässer. Mischwässer von Salzabwässern, Formationswässern und jungen, gering konzentrierten Grundwässern treten laut Berichten der K+S Kali GmbH, ihrer Gutachter, sowie der Landesbehörden in den Talauen des Vorfluters Werra als Mischwässer über diffuse Austritte wieder zu Tage und bilden einen Teil der Salzwasserfracht der Werra. Aufgrund der Auflagen zur Gewässerreinhaltung der Werra und aufgrund optimierter Aufbereitungsverfahren konnten die Volumenströme der Salzabwässer deutlich verringert und unter 10 Mio. m 3 /a gesenkt werden. Im Jahre 2010 ( ) wurde durch die K+S Kali GmbH ein Antrag an das Regierungspräsidium Kassel auf Erlaubnis zur weiteren Versenkung von Salzabwässern, sowie auf Einleitung von Prozesswässern in die Werra gestellt. Der Antrag der K+S Kali GmbH vom auf Erlaubnis einer weiteren Versenkung von Salzabwässern wurde vom Regierungspräsidium Kassel mit Befristung zum erteilt (Datum des Bescheides: ). Die Erlaubnis umfasst u.a. die Einleitung (Versenkung) von Prozessabwässern einschließlich der Haldenwässer für die Produktionsstandorte Hattorf (Philippsthal), Wintershall (Heringen) und Unterbreizbach (Unterbreizbach) in den Grundwasserleiter Plattendolomit. Die Versenkung wird über 9 Bohrungen in der Gemarkung Philippsthal für den Standort Hattorf und für den Standort Wintershall über 3 Bohrungen (Eichhorst 1B und Eichhorst 1C in der Gemarkung Ronshausen sowie Bodesruh in der Gemarkung Heringen) unter der Maßgabe verschiedener Auflagen bewilligt (Regierungspräsidium Kassel, 2011). Des weiteren erfolgt die Entsorgung von Salzabwässern durch direkte Einleitung in die Werra, wobei entsprechende Konzentrationsobergrenzen und Auflagen zur Zusammensetzung des Gewässers (Mg Gehalte) eingehalten werden müssen. Diese Auflagen beinhalten u.a.: a) eine Reduktion der Versenkrate auf durchschnittlich ca. 5 Mio. m 3 /a, b) maximale Konzentrationen relevanter chem. Komponenten der Versenkwässer, c) eine Festlegung der Versenkstandorte. In den Nebenbestimmungen wurde neben einem regelmäßigen Berichtswesen, u.a. a) ein umfangreiches Monitoringprogramm für die Zusammensetzung der Wässer in Tiefbohrungen und der Oberflächengewässer, sowie für die Beobachtung des hydraulischen Potentials festgelegt, b) die Erweiterung des Messstellennetzes vorgeschrieben, c) die Überarbeitung des hydrogeologischen Modells der Region unter Einbeziehung von geophysikalischen Widerstandsmessungen, und

8 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 8 d) die Erstellung eines prognosefähigen Grundwasserströmungs und Stofftransportmodells gefordert. In seiner Entscheidung ging das Regierungspräsidium davon aus, dass aufgrund der niedrigen Versenkdrucke eine Vergrößerung des Verdrängungsraums bzw. des Entlastungsareals im Bereich der Vorfluter nicht zu erwarten sei. Diese Einschätzung des Regierungspräsidiums beruht darauf, dass: - langjährige Messreihen der hydrochemischen Zusammensetzung und der hydrodynamischen Reaktionen in Beobachtungsmessstellen keine oder nur geringfügige Reaktionen auf Versenkaktivitäten zeigen, - sich die Versenkbeeinflussung auf Entlastungsbereiche in den Talauen beschränkt, - seitens der hessischen Fachbehörde HLUG in einigen Messstellen abnehmende Trends der Salzabwasserbeeinflussung (in wenigen Messstellen aber auch steigende) festgestellt wurden, - der grundwasserhydraulische Potentiallinienplan in den quartären, Buntsandsteinund Plattendolomitgrundwasserleitern Strömung in Richtung der Vorfluter Werra und Fulda nahelegen, - der Salzhang, d.h. die Übergangszone zwischen Bereichen mit voll ausgeprägter, ursprünglicher Salzmächtigkeit und den vollständig ausgelaugten, salzfreien Gebieten, als im wesentlichen hydraulisch abdichtendes Element betrachtet werden kann, und - das gesamte Versenkvolumen über den Erlaubniszeitraum in Höhe von insgesamt 18,4 Mio. m 3 im Vergleich zum bisher insgesamt versenkten Salzabwasservolumen in Höhe von ca. 1 Mrd. m 3 gering sei. Das Regierungspräsidium ging weiter davon aus, dass, ausgehend von den seit Jahren abnehmenden Trends, keine Erhöhung der diffusen Einträge von Salzabwässern in die Vorfluter zu erwarten sei. Weiterhin werden verschiedene Einzelfallbetrachtungen, potentiell gefährdeter Trinkwasserversorgungen vorgestellt. Gegen diese Versenkerlaubnis wurde seitens der Gemeinde Gerstungen (Reitinger, 2012) aus Gründen der Befürchtung einer potentiellen Gefährdung der gemeindeeigenen Trinkwasserversorgung, sowie aus weiteren formellen Gründen (unterlassene Öffentlichkeitsbeteiligung, Verletzung von Beteiligungsrechten) geklagt. In ihrer Klageschrift bezieht sich die Klägerin, neben den formal juristischen Gründen auf anscheinende Widersprüche zwischen der, in der Versenkungserlaubnis formulierten, Einschätzung zur Grundwassergefährdung und den von den hessischen und thüringischen Fachbehörden abgefassten Stellungnahmen. Ferner werden seitens der Gemeinde Gerstungen eigene Messungen der chemischen Zusammensetzung des geförderten Trinkwassers, sowie Stellungnahmen des Gutachters Dr. Krupp angeführt, die einen Zusammenhang zwischen der Versenkungsaktivität im Raum Eichhorst / Bodesruh und einer möglichen Gefährdung der Trinkwasserförderanlagen der Gemeinde Gerstungen herstellen. Es wird seitens der Klägerin dargestellt, dass große Unsicherheiten hinsichtlich der Grundlagen für die Beurteilung der Grundwassergefährdung bzw. dessen schädliche Veränderung aufgrund der mangelnden Kenntnis der hydrogeologischen Verhältnisse (Verbindung Plattendolomit Buntsandstein; Salzabwasserbilanz; Verbleib der Salzabwässer) existieren und damit die Ausbreitung der Salzabwässer nicht verlässlich vorhergesagt werden könne. Schließlich führt die Klageschrift an, dass das, in den Nebenbestimmungen geforderte, Messnetz zur Einschätzung der Verteilung der Salzabwässer im Untergrund, sowie zur Beobachtung der hydrodynamischen und hydrochemischen Verhältnisse und das 3D Grundwassermodell zur Prognose der Auswirkungen der weiteren Versenkungen, als Instrumente zur Kontrolle von negativen Auswirkungen auf das Trinkwasser ungeeignet seien.

9 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 9 Generell wird als Nachweis für die Beeinflussung oberflächennaher Grundwasserleiter durch Versenkwässer und verdrängte Formationswässer eine zunehmende Mineralisation des Grundwassers angenommen. Dabei ist die Unterscheidung von Versenkwässern und Formationswässern grundsätzlich über hydrochemische Analysen möglich, jedoch ist bei Mischwässern eine Beurteilung der Herkunft der Mineralisation mitunter nicht eindeutig. Dies wird zusätzlich erschwert durch die Heterogenität von natürlich vorkommenden geogenen Grundwässern im Untersuchungsgebiet, die den verschiedenen grundwasserleitenden Horizonten des Buntsandsteins, Zechsteins und des Rotliegenden, sowie tertiären und quartären Grundwasserleitern mit ihren unterschiedlichen geochemischen und hydraulischen Eigenschaften zugeordnet werden. Im vorliegenden Gutachten erfolgt eine Beurteilung des hydrochemischen Zustands und möglicher Gefährdungen von Wassereinzugsgebieten im Raum Gerstungen basierend auf einer hydrogeologischen Analyse der Strömungsverhältnisse, hydrochemischen Analysedaten von Oberflächenwässern, Grundwässern und Versenkwässern, die vom Verwaltungsgericht Kassel und von der K+S GmbH zur Verfügung gestellt wurden. Die Autoren des vorliegenden Gutachtens wurden vom Verwaltungsgericht Kassel beauftragt, der Frage nachzugehen, inwieweit die Trinkwasserqualität im Werra Kali Gebiet im Allgemeinen und im Raum Gerstungen im Speziellen, durch die Versenkabwässer beeinträchtigt wurden, bzw. werden. Dabei soll zu folgenden konkreten Fragen Stellung genommen werden: 1. War am die Trinkwasserversorgung der Klägerin, durch die bis dahin erfolgte Versenkung von Salzabwässern durch die Beigeladene in der Form beeinträchtigt, als eine Verunreinigung des Trinkwassers durch die Salzabwässer vorlag? 2. Ist aktuell (Stand Jan. 2015) die Trinkwasserversorgung der Klägerin durch die (weitere) Versenkung von Salzabwässern durch die Beigeladene in der Form beeinträchtigt, als eine Verunreinigung des Trinkwassers durch die Salzabwässer vorliegt? 3. Wie wirkt sich die (weitere) Versenkung auf der Basis der Erlaubnis vom auf das Grundwasser des Plattendolomits aus? 4. Ist es durch die (weitere) Versenkung auf der Basis der Erlaubnis vom der Salzabwässer zu einem Eintritt dieser Abwässer in den Buntsandstein gekommen? 5. War es wissenschaftlich auf der Basis der damaligen Erkenntnisse vertretbar, bei der Erteilung der Erlaubnis vom davon auszugehen, dass durch die Reduzierung der Versenkungsmengen eine weitere Ausdehnung der Salzabwässer (im Bescheid wird dies als Vergrößerung des Verdrängungs und Entlastungsareals bezeichnet) nicht zu befürchten sei? 6. War es wissenschaftlich auf der Basis der damaligen Erkenntnisse vertretbar, bei der Erteilung der Erlaubnis vom davon auszugehen, dass eine nachteilige Veränderung der Wasserbeschaffenheit im Erlaubniszeitraum (4 Jahre) unter Beachtung der Vorgaben aus der Erlaubnis nicht zu besorgen war? 7. War es wissenschaftlich auf der Basis der damaligen Erkenntnisse vertretbar, bei der Erteilung der Erlaubnis vom davon auszugehen, dass eine nachteilige Veränderung der Wasserbeschaffenheit hinsichtlich der Trinkwasserversorgung der Klägerin, durch eine zeitlich und mengenmäßig begrenzte Fortführung der Versenkung unter Beachtung der Vorgaben aus der Erlaubnis, nicht zu besorgen war? 8. War es wissenschaftlich auf der Basis der damaligen Erkenntnisse vertretbar, bei der Erteilung der Erlaubnis vom davon auszugehen, dass eine Fortführung der Versenkung im Rahmen der Vorgaben der Erlaubnis, keine Erhöhung der diffusen Salzeinträge in die Oberflächengewässer zur Folge haben wird? Insgesamt lässt sich die Problematik mit der folgenden übergeordneten Fragestellung zusammenfassen:

10 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 10 Können aufgrund der hydrogeologischen Gegebenheiten Im Raum Eichhorst / Bodesruh versenkte Wässer die in der Gerstunger Wasserfassung geförderten Grundwässer in ihrer Qualität beeinträchtigen und ist eine mögliche Kontamination nachweisbar? In dieser Stellungnahme beschäftigen wir uns deshalb zunächst mit der Erarbeitung der grundlegenden hydrogeologischen Zusammenhänge, auf deren Basis eine Beurteilung bzgl. der beiden Fragestellungen erfolgen kann: a) inwieweit existieren Transportverbindungen zwischen Eintragsort (Injektionsstandort Eichhorst / Bodesruh) der Versenkabwässer und dem Entnahmestandort (z.b. Trinkwasserfassung Gerstungen) und b) inwieweit sind Salzabwässer, sollten diese Verbindungen existieren, im geförderten Wasser nachweisbar. Im Zusammenhang mit ihrem Gutachten für den Runden Tisch Gewässerschutz Werra/Weser und Kaliproduktion erarbeiteten Sauter & Holzbecher (2010) bereits umfangreiche Grundlagen zur geologischen und hydrogeologischen Situation im Werra Kali Gebiet, die an verschiedenen Stellen in dieses Gutachten Eingang gefunden haben Historie der Versenkung von Salzabwässern im Werra Kaligebiet Seit 1925 wird im tiefen Plattendolomitgrundwasserleiter des Werra Kali Reviers Prozessabwasser aus der Herstellung von Kali Düngemitteln versenkt (Standort Merkers). Bis heute beträgt das versenkte Gesamtvolumen der Salzabwässer ca Mio. m³. Im Jahr 1928 wurde mit der Versenkung in Philippsthal (Werk Werra, Standort Hattorf) und 1929 im Raum Heringen (Werk Werra, Standort Wintershall) begonnen. Die Versenkungen im Thüringer Raum wurden jedoch bereits Ende der Sechziger Jahre wieder eingestellt. Die Zusammensetzung der Versenkwässer wird im Wesentlichen durch die Kationen Natrium und Magnesium und die Anionen Chlorid und Sulfat bestimmt. Der Plattendolomit (Leinekarbonat des Zechstein, geologisches Symbol Ca3 ) wurde in der Vergangenheit, auf Grund seiner spezifischen Eigenschaften als Kluftgrundwasserleiter und aufgrund der Hohlraumerweiterung durch Karbonatlösung als geeigneter Horizont für die Versenkung von Salzabwässern betrachtet. Man geht davon aus, dass der Plattendolomitgrundwasserleiter große Mengen an injizierten Salzabwässern aufnehmen kann. Ein weiterer Aspekt ist, dass der Plattendolomitgrundwasserleiter im Kali Werra Gebiet durch seine Lage in größerer Tiefe unterhalb der Geländeoberfläche und der hohen Salzkonzentration seiner ursprünglichen Formationswässer nicht als Grundwasserleiter genutzt wird (Skowronek et al. 1999; Deubel 1965; Hoppe 1962). Für die Düngemittelproduktion werden verschiedene Salzgesteine (Evaporite) des Zechstein, die geochemisch unterschiedlich zusammengesetzt sind, aufbereitet. Durch den hohen Anteil an Carnallit im Rohsalz sind die Versenkwässer generell durch hohe Mg und K Konzentrationen charakterisiert. Hinzu kommen produktionsbedingte Änderungen in der Abwasserzusammensetzung. So ist z.b. der SO 4 Gehalt der Abwässer durch die Kieserit Aufbereitung stark angestiegen. Vor 1980 wurden vor allem Na Cl reiche Abwässer produziert. In Hessen wurden erst nach Einführung des ESTA Verfahrens ab 1976 (Werk Wintershall) und ab 1981 (Werk Hattorf), auf thüringischer Seite jedoch bereits vor 1968 durch Kieseritwäsche beeinflusste Abwässer mit hohen Mg, K und SO 4 Konzentrationen versenkt (Skowronek et al. 1999). Die Salzabwässer treten an verschiedenen Stellen entweder als verdrängte Formationswässer, bzw. als Mischwässer von Formationswasser / oberflächennahem Grundwasser / Salzabwasser ( diffuser Zustrom) zutage. Die Werra und untergeordnet die Fulda agieren dabei als regionale Vorfluter. Die Hauptaustrittsstelle liegt in der Umgebung des Ortes Heringen.

11 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 11 Aus der Änderung der Zusammensetzung der hochsalinen Wässer an den Austrittstellen leiten Skowronek et al. (1999) mittlere Verweilzeiten von ca. 15 Jahren im tiefen Untergrund ab. Seit Beginn der Versenktätigkeit treten in verschiedenen Bereichen des Kali Werra Gebiets Wässer auf, die eine erhöhte Mineralisation besitzen und insbesondere durch erhöhte Natrium und Chloridkonzentrationen gekennzeichnet sind. Durch die HEM Befliegung (geoelektrische Messung des Gebirgswiderstands) konnten Bereiche im Kali Werra Gebiet, welche erhöhte Salzkonzentrationen im Oberflächen und Grundwasser aufweisen, abgebildet werden. Hierbei handelt es sich im wesentlichem um die Gebiete um Bad Salzungen, die Werratal Auen bei Heringen, Widdershausen, Dankmarshausen und den Bereich der Gerstunger Mulde (Abbildung 1 1). Halbraumwiderstand für die Frequenz 388 Hz fl.m EJ tibär MIO i Bi lin ; M M teer Abbildung 1 1: Hubschrauberelektromagnetikbefliegung (HEM) 1996/1997 im Werratal. (nach Hecht 2000) Es ist davon auszugehen, dass im Bereich von natürlichen Entlastungszonen im Werratal, d.h. entsprechende von Störungen durchsetzte Bereiche, durch Salzwassereintritte in die Buntsandsteinhorizonte gekennzeichnet sind. Seit Mitte der 80er Jahre ist eine deutliche Abnahme in den diffusen Einträgen von Salzwasser in die Werra zu verzeichnen (HLUG 2008). Hier wirken sich offensichtlich die reduzierten hydraulischen Gradienten auf Grund abnehmender Versenkraten auf den Abstrom von Salzabwässern in die Vorfluter aus Stand der Technik Obwohl die Versenkung von industriellen Prozessabwässern in tiefe Grundwasserleiter und Georeservoire seit Anfang des letzten Jahrhunderts in Europa und in den USA systematisch

12 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 12 betrieben wird (insbesondere zur Entsorgung von Wässern, die im Zusammenhang mit der Erdölförderung anfallen), existieren keine einheitlichen Regeln für die Tiefenverpressung von Abwässern. Die Entsorgung dieser Wässer erfolgte in Europa im Einzelfall auf der Grundlage von lokalen geologisch hydrogeologischen Untersuchungen. In den USA erforderte die zunehmende Beanspruchung des tiefen Untergrunds durch Wässer aus der Erdölförderung eine administrativ rechtliche Grundlage. Im Jahr 1974 wurde die Safe Drinking Water Act (SDWA) Verordnung verabschiedet. Diese beinhaltet die Unterscheidung in vormals 5 und heute noch 4 unterschiedliche Kategorien von Versenkungsbrunnen (Abbildung 1 2): a) Class I wells (Versenkung von Fluiden und Sonderabfälle unterhalb von zur Trinkwassergewinnung vorgesehenen Grundwasserleitern), b) Class II wells ( Wässer aus der Erdöl und Erdgasförderung), c) Class III wells (Brunnen aus dem In situ Bergbau, z.b. Solung) und d) Class V wells (alle anderen Brunnen, die nicht in die o.g. Kategorien fallen, z.b. Geothermiebrunnen). Class IV wells werden nicht mehr zugelassen, da sie die Injektion von Abwässern in Horizonte oberhalb von zur Trinkwassergewinnung genutzten Grundwasserleitern betrafen. Die Tiefenversenkung wird heute, neben der Entsorgung von Abwässern (Erdölförderwässer, kommunale Abwässer, Salzabwässer, radioaktive Abwässer in Sibirien) insbesondere auch zur Verpressung von CO 2 und zur Zwischenspeicherung von Hochwasser für die Wasserversorgung (Aquifer Storage and Recovery, ASR) als Maßnahme eingesetzt. Class I Wells Hazardous/Non-Hazardous Class III Wells Fluids fron Mineral Extraction Class V Wells All Other lnjection Wells Modifed alter USEPA, ODW (46021 EPA 513-F , July 1994 Abbildung 1 2: Klassifikation von Installationen zur Tiefenversenkung (Clark et al. 2005) Tsang & Apps (2005) geben einen sehr guten Überblick über den heutigen Stand der Technik und anstehende Probleme und wissenschaftliche Fragestellungen. Für die hier diskutierte Thematik sind vor allem Themen wie die Risikoabschätzung, Hydraulik der Injektionsbrunnen und Charakterisierung des Versenkungsraums, die Hydrogeochemie der Wechselwirkung der injizierten Wasserinhaltsstoffe mit dem Aquifermaterial, sowie die induzierte Seismizität von Relevanz. Der Bereich der Risikoabschätzung beinhaltet hauptsächlich Methoden zur Abschätzung des

13 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 13 Verbleibs der injizierten Lösungen, d.h. der Umgang mit der Unsicherheit, die insbesondere aus einer Parameterunsicherheit der hydraulischen Kenngrößen des Injektionsraumes sowie der hydrogeologischen Randbedingungen resultiert. Es werden Versagensszenarien des Injektionsbauwerks und der isolierenden Deckschichten (Caprock) und die Ausbreitung der Abwässer mit probabilistischen Methoden analysiert (z.b. Rish, 2005). Kapitel 3, in dem von Tsang & Apps (2005) herausgegebenen Werk, widmet sich intensiv brunnenhydraulischen Methoden zur Charakterisierung des Verpressraumes. Die meisten Methoden stammen aus dem Reservoirengineering der Kohlenwasserstoffindustrie. Diese Methoden sind sehr gut entwickelt für die Charakterisierung des Nahbereichs der Bohrung und hydraulische Effekte im Grenzbereich Bohrung / Formation (Skin Effekte durch Korrosion der Verrohrung, Biofilmbildung, Lösung / Ausfällung im Porenraum des angrenzenden Reservoirs, etc.). Sie erlauben auch eine initiale Charakterisierung der Formation. Limitierungen zeigen sich jedoch in der Quantifizierung der Heterogenität der hydraulischen Parameter der Formation im regionalen Maßstab. Park et al. (2005) setzen z.b. geostatistische Verfahren (Markov Ketten) zur Quantifizierung der Unsicherheit und zur Generierung eines Parametersatzes ein. Die genannte Limitierung liegt weniger in den Methoden begründet, als vielmehr in den begrenzt vorliegenden Daten bei aufwendigen Tiefbohrungen. Bezeichnend ist, dass keine Aussagen zur Quantifizierung der durchflusswirksamen Porosität, d.h. des Speicheranteils gemacht werden. Dies liegt hauptsächlich daran, dass diese Größe nur durch aufwendige Markierungsversuche bestimmt werden kann. Deren Erfolg ist jedoch stark abhängig vom Verdünnungsgrad des markierten Fluids mit den Hintergrundwässern, der Heterogenität der Formation und der Anzahl der Probenahmepunkte (Bohrungen), die, wie erwähnt, in tiefen Systemen begrenzt sind. Ferner handelt es sich bei den Versenkungshorizonten um großskalige Systeme, die vielfach lange Transportdistanzen und damit lange Transportzeiten aufweisen. Hydrogeochemische Untersuchungen im Zusammenhang mit Tiefenversenkungen beschränken sich im Wesentlichen auf das unmittelbare Umfeld von Injektionsbohrungen und auf theoretische Modellstudien (z.b. Dyer et al., 2005; Spycher & Larkin, 2005) mit z.b. dem Simulationsmodell TOUGHREACT. Die Untersuchungen berücksichtigen Prozesse wie Adsorption sowie Minerallösung und Fällung. Umfangreiche internationale Erfahrungen mit der Injektion von Salzabwässern existieren hauptsächlich auf der Projektebene, insbesondere aus der Entsorgung von Salzabwässern im Werra Kalirevier seit den Dreißiger Jahren des letzten Jahrhunderts. Systematische Untersuchungen zum Verständnis des Gesamtsystems des Versenkhorizonts erfolgten jedoch erst seit ca. 15 Jahren (z.b. Skowronek et al., 1999).

14 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite Hydrogeologie des Werra Kali Gebietes 2.1. Geologisch hydrogeologischer Überblick Grundlage für eine Beurteilung der Auswirkungen der Salzabwasserversenkungen ist in erster Linie die Kenntnis der hydrogeologischen Verhältnisse, d.h. Informationen über die Geometrie des Versenkungsraumes, der hydraulischen Parameter, sowie deren Variabilität und die hydrodynamische Situation. Das Gebiet gehört großtektonisch zum Werra Fulda Becken, welches in weiten Teilen durch Ablagerungen des Bundsandsteins und Muschelkalks aufgebaut ist. Im Bereich von Senken werden diese überlagert von tertiären und quartären Lockersedimenten. Entlang von Störungszonen treten tertiäre Vulkane sowie Basaltschlote und Basaltgänge auf. Im Norden schließen sich Ablagerungen des Zechstein und des Rotliegenden an. Die Schichten sind überwiegend flach gelagert (<10 Grad) und fallen nach S bis SW ein. Natürliche Salzauslaugung im Untergrund führte über lange geologische Zeiträume zur Ausbildung von pseudotektonischen Subrosionssenken, in denen das Gestein zerrüttet und stark zerklüftet vorliegt. Die starke Zerklüftung kann zu erhöhter Wasserwegsamkeit führen, jedoch in mit pelitischem Material (sog. Subrosionsbrekzie) verfüllten Bereichen auch als hydraulische Barriere wirken und eingeschränkte Wasserwegsamkeiten bewirken (Skowronek et al. 1999). Durch die Auslaugungsvorgänge im Untergrund und die damit verbundenen Auflockerungsvorgänge werden Wegsamkeiten und Bedingungen geschaffen, die diffuse Einträge von Salzabwässern ins Werratal (Werra Auen) und im Bereich des Salzhangs begünstigen. Der Plattendolomit erreicht im Bereich des Salzhangs nur geringe Tiefenlagen. In Senken wie der Gerstunger und Horschlitter Mulde sowie der Hersfelder Senke liegt die Obergrenze des Plattendolomits bei 300 m unter NN, während in der Eiterfelder Mulde Tiefen von 600 m unter NN und größer erreicht werden (Skowronek et al. 1999). Die hydrogeologische Situation ist umfassend in Skowronek et al. (1999) zusammengefasst, wobei der Schwerpunkt dieser Synthese auf der Beurteilung der hydrogeochemischen Verhältnisse liegt. Diese, am Hessischen Landesamt für Umwelt und Geologie (HLUG) entstandene Arbeit fasst auch frühere Arbeiten (Deubel, 1954; Käbel, 1984; Hecht, 2000) zusammen. Plümacher (2008) bereitet diese Arbeiten für die Erstellung eines zweidimensionalen Grundwasserströmungs und Transportmodells auf. Ein weiterer Bericht zur hydrogeologischen Situation im Werra Kaligebiet wurde von der K+S AG (Plümacher et al., 2008) erarbeitet. Dieser Bericht konzentriert sich im wesentlichen auf die hydrogeochemische Situation, insbesondere auf die Dynamik der Entwicklung der Zusammensetzung der, von der Versenkung beeinflussten, Grundwässer. Im Zusammenhang mit der Genehmigung der weiteren Einleitung von Salzabwässern in den Plattendolomit durch das Regierungspräsidium Kassel im Jahre 2011 wurde als Auflage die Erstellung eines hydrogeologischen Modells gefordert, das die Eingangsdaten für ein mathematisch numerisches 3D Strömungs und Transportmodell zur Prognose der Ausbreitung der Salzabwässer im Plattendolomit und Deckgebirge liefert (IHU, 2011).

15 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite (?,....rb..,1 411., I iprkfddler Souk.. in" elsi li...1 1:111(1.9.W,r W. L.,41,c Fnudknr:11r _ f:ir!in 0-sg - 1, nre 1 leich e,:rru. ',Kor nahm:a.1. X ,..111 illiose.mmoin M si., E\F ri 115:v5- -'7-7- 5f 1- *,.. 1 ''A '..4, 11! P- ü , \ 1 wrill-,.e., CL 1.1K g -1.1,... Adehang, imbro o : Cddid 11,!A / dh, ti: i :.% '',I.'' IN /1 - ' kedli ,1131 lumerur s.d w :iIIr indxi. Il 11011H ,1114K - CI.1011.J npy ' ,1141,1 131 I ilenfe11101, i ,1.«11112 %rin. benetzt 81,11nIIIR Abbildung 2 1: Typisches Geologisches Profil durch den Untersuchungsraum (Skowronek et al. 1999) Dieses hydrogeologische Modell wurde im Dialog mit den Fachbehörden und dem Hydrogeologischen Büro HG, Gießen, im Detail diskutiert und optimiert (siehe diverse Berichte von HG). Dies betrifft insbesondere die Bereiche um Gerstungen, Eiterfeld und Reckrod. Die wesentlichen geologischen und hydrogeologischen Elemente des Systems sind in Abbildung 2 1 und Abbildung 2 2 dargestellt. Im Bereich der Versenkräume und in Tallagen der regionalen Vorfluter ist die Datengrundlage, in Bezug auf die hydraulischen Parameter und die Zusammensetzung der Grundwässer, gut. In den Höhenlagen außerhalb der Täler ist die hydrogeologische Charakterisierung auf Grund der geringen Zahl an Aufschlussbohrungen schwierig, obwohl in den letzten 5 Jahren ca. 30 neue Bohrungen abgeteuft wurden (HG, 2012). In den diversen Modellen wird davon ausgegangen, dass dieser talferne Bereich von der Versenkung stark beansprucht wird und aus diesem Grund ist die hydrogeologische Information als sehr relevant einzuschätzen. Der Versenkhorizont ist im Werra Kalirevier der Grundwasserleiter Plattendolomit, eine Karbonatabfolge des oberen Zechsteins (geologisches Symbol Ca3 ), häufig auch als Leinekarbonat bezeichnet. Der Plattendolomit weist eine durchschnittliche Mächtigkeit von ca. 15 m auf, wobei diese zwischen deutlich weniger als 10 m bis über 40 m variieren kann. Er streicht im Bereich des Richelsdorfer Gebirges und des Thüringer Waldes aus. Diese, durch Salzauslaugung im Bereich des Salzhangs charakterisierten Ausstrichgebiete, sind wesentlich für die Grundwasserneubildung im Plattendolomitgrundwasserleiter und damit für die Gesamtwasserbilanz. Die Durchlässigkeiten im Plattendolomitgrundwasserleiter variierten sehr stark zwischen 10 3 m/s im Bereich des Werratals bis zu m/s im Bereich der Plateau (Höhen ) lagen. Es ist davon auszugehen, dass im Werratalbereich die erhöhten Durchlässigkeiten auf bruchtektonische Versätze und Verkarstungsprozesse zurückzuführen sind, da die Werra in diesem Raum der Hauptvorfluter ist und die dort gemessenen Durchlässigkeiten nicht notwendigerweise repräsentativ für einen größeren Raum sind.

16 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 16 Stockwerk Gruppe Folge Schichten GWL! GWGL GWNL Mächtigkeit in Meter Suprasalinar Quartar GWL bis 90 Tertiär GWL bis 20 Mittlerer GWL bis 250 Buntsandstein Unterer Buntsandstein Bernburg-Folge GWGL GWL bis 350 Calvörde-Folge GWL Salinar Zechstein Fulda-Folge Fulda-Ton GWNL bis 30 Friesland-Folge Oberer Leine-Ton GWNL bis 25 Ohre-Folge Aller-Folge Leine-Folge bis Friesland-Ton,Obere Lette«Leine-Karbonat (Plattendolomit) GWL bis 40 Staßfurt-Folge Werra-Folge Oberer Werra-Ton (Braunroter Salzton) bis Unterer-Leine-Ton,Untere Lette«Werra-Steinsalz mit den Kaliflözen Unterer Werra- Anhydrit GWNL bis 50 GWNL bis 260 GWNL bis 25 Werra-Karbonat GWL! GWGL > 100 Subsalinar Rotliegend Oberrotliegend bis Werra-Karbonat Abbildung 2 2: Schematisches hydrogeologisches Profil (Geletneky 2013) Der Plattendolomitgrundwasserleiter wird überlagert von den bis ca. 25 m mächtigen, gering durchlässigen Gesteinen des Oberen Leine Tons und Bröckelschiefers. Auf Grund der Präsenz dieses Geringleiters ( caprock ) wurde der Plattendolomitgrundwasserleiter als geeigneter Versenkhorizont für Salzabwässer betrachtet. Die Abfolge im Hangenden des Zechstein wird vom Buntsandstein gebildet, einer geklüftetporösen Sandsteinabfolge. In Abhängigkeit von der topographischen Lage kann die Mächtigkeit um mehrere 100 m variieren. Einen schematischen Überblick der Struktur des Aquifersystems und der individuellen Mächtigkeiten der Grundwasserleiter verschafft Abbildung Strömungsverhältnisse im Werra Kaligebiet Die Strömung innerhalb des Plattendolomits wird bestimmt durch die Grundwasserneubildung / Vertikalströmung aus dem überlagernden Buntsandstein, durch den Zufluss an den hydraulischen Rändern und Ausstrichflächen am Richelsdorfer Gebirge und Thüringer Wald und durch das Potential in den Entlastungsgebieten Werra und Fuldatal. Die hydraulische Bedeutung des Entlastungsgebiets der Werra wird durch die Daten aus der elektromagnetischen Erkundung über Hubschrauberbefliegungen (Siemon et al., 2008; Abbildung 1 1) eindrucksvoll dokumentiert. Die auf Grund des Abstroms von Plattendolomitformationswasser bzw. Salzabwässer mit hohen Salinitäten deutlich verringerten scheinbaren Widerstände des Gebirges im Werratalbereich zeigen die Rolle der Werra und der Werratalaue als Abstromgebiet für die tiefen, salinaren Grundwasserleiter (Abbildung 1 1). Entlastungs und Aufstiegszonen für gespannte Festgesteinsgrundwasserleiter sind in der Regel an das Vorhandensein von Störungszonen geknüpft. Diese umfassen im Werra Kali Gebiet sowohl großregional angelegte Störungszonen sowie die durch Salzlaugung entstandenen lokalen Zerrüttungszonen entlang des Salzhangs. Durch die geringe Tiefenlage des Plattendolomits im Bereich des Salzhangs sind hydraulische Kontakte zu überlagernden Gesteinsformationen und damit der Aufstieg von salinaren Grundwässern generell als begünstigt einzuschätzen. Käbel (2006) beschreibt mit seinem Potentiallinienplan die dominierende Rolle der Werra als Vorfluter (Abbildung 2 3).

17 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite (01) 320(62) _280 'sopotentiale rnnn Generelle Strömungsrichtung Druckniveau, mnn. Klammer: Meßjähr 19.. Artesischer Oberlauf, (Beobachtungsjahr) 19._ Schätzwerte (z.b. Quellen, Talauen) Prattendolomit AUSI3 iß, vereinfacht Abbildung 2 3: Potentialverteilung im Plattendolomit vor der Versenkung von Salzabwässern (Käbel, 2006) Die beschriebene Rolle der Werra als regionale Vorflut kommt auch in Abbildung 2 4 (Plümacher 2008) zum Ausdruck. Diese Abbildung stellt natürliche, historische (vor der Versenkung von Salzabwasser) Salzwasseraustritte, die in Salzquellen und entsprechenden Flurnamen dokumentiert sind, zusammen. Dokumentierte Salzquellen befinden sich fast ausschließlich in der Werratalaue. Aus dem Süden, d.h. der Kuppenrhön wird von Plümacher (2008) und auch in den neueren Modellvorstellungen (IHU 2011; K+S 2013) auf der Basis von Einzelmessungen des hydraulischen Potentials ein Zustrom nach Norden angenommen, obwohl dort der Plattendolomitgrundwasserleiter unter hoher Überdeckung, und damit der Zustrom von neugebildetem

18 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 18 Grundwasser eingeschränkt ist. Abbildung 2 5 aus Plümacher (2008) und Abbildung 2 3 stellen, gemessen an der Datenlage, die hydraulische Situation im Plattendolomitgrundwasserleiter plausibel dar. Wonratal härm Campaliat BMeadere* 113nachltegsschaNaga.drate) Sefliche Ekairflusecrai im Plaramalornit atme Vamerlian OL. ob Set.P15,01, CCnlyren 1929 Lee roy1c1 Seq.wien 1.er Gersitngen mwseung ex $a za uale Kele Z go Ore Gelltngen rnel CI Saltquollv Oar shaisar Erwähnung: 1738 SaltI1Arne Queen gapoisl aus Cm El umsande ahn Dadaredrahdd Skand.eer Rondaean 193a et5.1 rr.9 C mann alzacker Herdgen Sauct ei e an de, Eandihnt.11..4t42> Schenklenpareld Qual a Kren* 197e 1CP.00 i I CI uppenrhän 1 I ="I1aza I Wien Otei.o nen'. '11:+8 nar1re ra 146:1 8 3COO LMQ t.) 1 C1 ue 1.7a re /na > 924: 752 tief SIrn -277Nbe j-,, luejle :r lielerrrl ti 501Q/dir 1..., :. y. 1.9.Ah67-71,: Erw _1;642 AGfirmleo:1 Slareell led.) %.1 NirCI Sa=1" Elild EMmade 775? Bad Salzalgen Abbildung 2 4: Strömungsregime im Plattendolomit und natürliche, historisch belegte Salzaustritte (Plümacher 2008) Es kann zusammenfassend festgestellt werden: Der Plattendolomit ist ein stark heterogener Kluftgrundwasserleiter (geklüftet poröses Gestein). Er besitzt eine sehr variable Geometrie mit starken faziellen Änderungen, bedingt durch Riff und Schwellenstrukturen während der Ablagerungen. Diese räumliche Variabilität wurde durch Karbonatlösung im Bereich des Werratales und des Salzhanges sowie im Bereich von Subrosionssenken noch verstärkt (siehe Kapitel 2.1.3). Die von Käbel (2006) und Plümacher (2008) angenommenen effektiven Porositäten (Kluft, Matrix) sind für ein Kluftgestein (wahrscheinlich nur im Bereich des Werratales und des Salzhanges) sehr hoch (7 8%) und weisen eine hohe Variabilität auf (siehe auch Kapitel: 3.2.1). Im Bereich der Hochflächen dürfte das durchflusswirksame Porenvolumen eher in dem für Festgesteine üblichen Prozentbereich von ca. 1 3% liegen. Insgesamt sind jedoch sämtliche der angenommenen effektiven Porositäten mit hohen Unsicherheiten behaftet, da nach Information der Gutachter keine großskaligen Markierungsversuche durchgeführt wurden, aus denen die Gebirgsporosität größerer repräsentativer Aquifervolumina hätte bestimmt werden können. Dieser Kennwert ist entscheidend für die Speicherfähigkeit des Plattendolomitgrundwasserleiters. Die hydraulischen Leitfähigkeiten variieren ebenfalls sehr stark über mehr als 7 Größenordnungen. Diese hohen Variabilitäten in der Geometrie und in den hydraulischen Parametern sind primär ein Erkundungsproblem mit der Folge, dass die Prognose der Ausbreitung des Salzabwassers mit hohen Unsicherheiten behaftet ist Bedeutung von Störungszonen für Strömung und Stofftransport In der gutachterlichen Auseinandersetzung um die Frage, inwieweit eine Transportverbindung zwischen den Versenkstandorten Eichhorst / Bodesruh nach Norden in Richtung Trinkwasserbrunnen der Gemeinde Gerstungen über den Salzhang hinweg existiert, konzentrier

19 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 19 ten sich die Diskussionen vielfach um die Präsenz von Störungszonen und deren Rolle beim Transport von Salzabwässern. Aufgrund der komplexen Entstehungsgeschichte und des komplexen internen Aufbaus können Störungszonen einerseits als Barrieren und andererseits als Wegsamkeiten erhöhter Durchlässigkeit agieren Eisenach Bad Hersfeld Legende Plattendolom it- Messstelle Grundwassergleiche Plattendolomit- Ausbiss Strömungsrichtung Grundwasserscheide FULDA Entlastungsgebiet ea Abbildung 2 5: Hydrogeologische Modellvorstellungen im Werra Kalirevier (Plümacher 2008). Die geometrische Detektion von Störungszonen erfolgt i.d.r. über geologische Feldkartierungen, seismische Aufnahmen und fernerkundliche Methoden. Aus der Orientierung, Erstreckung und der Dimension des mechanischen Einflussbereichs der Zerklüftung in der Umgebung einer Störungszone lässt sich deren potentielle hydraulische Bedeutung ableiten. Indizien für die grundwasserhydraulische Effektivität, d.h. für die Frage, inwieweit eine Störungszone hydraulisch leitfähig ist oder nicht, lassen sich nur bedingt indirekt aus der Analyse des tektonischen Spannungsfeldes ableiten. Büchel et al. (2012) stellen eine Neukartierung der Störungszonen im Werra Kali Gebiet vor (Abbildung 2 6), wobei die Untertageinformation der K+S und die Ergebnisse der 2D und 3D Seismik nicht einbezogen wurden. Die Kartierung weist eine Reihe von Lineamenten aus, die sowohl N S als auch NW SE (herzynische Richtung) streichen, wobei die Autoren zum Schluss kommen, dass aufgrund des Entstehungsmechanismus der Lineamente (Dehnungsstrukturen) und der weiteren geologischen Historie Störungen in herzynischer Richtung eher bevorzugte Wasserwegsamkeiten bilden. Diese Schlussfolgerung erscheint plausibel. Jedoch ist bei der Analyse der Störungsstrukturen zu beachten, dass die Störungszonen im Bereich des Werratals, welche nach den TEM Messungen der zentrale Aufstiegsbereich für die ver

20 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 20 drängten Formationswässer und die Salzabwässer bilden, durch die quartäre Talfüllungen verdeckt sind und deshalb nicht kartiert werden konnten. Bei der Beurteilung der Relevanz von Störungszonen für das Ausbreitungsverhalten von Salzabwässern im Plattendolomit ist vor allem die hydraulische Leitfähigkeit der Störungszone, d.h. die hydraulische Effektivität von großer Bedeutung. Wie aus dem Anhang 7 hervorgeht, ist diese schwer abzuschätzen und selbst bei guter Datenlage und einfachen geometrischen Verhältnissen nur mit großer Unsicherheit zu bestimmen. Maßgeblich in diesem Zusammenhang ist der Betrag und die Richtung des hydraulischen Gradienten, wobei zu beachten ist, dass die aus Beobachtungsmessstellen gewonnenen Potentialmessungen i.d.r. das Potential in der Matrix und nicht notwendigerweise das Potential in der Störungszone widerspiegeln. Dies liegt v.a. darin begründet, dass die Wahrscheinlichkeit mit der Beobachtungsbohrung eine Störungszone anzutreffen gering ist. Der Volumenanteil von Störungszonen liegt meist bei << 1% des Gesamtaquifervolumens. Abbildung 2 6: Geologische Analyse des Verlaufs von Störungszonen im oberen Werratal, Blatt Berka (aus Büchel et al. 2012; blau kartiert, grün Störungszonen aus der Luftbildanalyse, rot Brüche aus dem Luftbild, schwarz Störungszonen im 3D Modell Werra). Im Anhang sind weitere Ausführungen zur Charakterisierung von Störungszonen und der generellen Problematik der quantitativen Erfassung der hydraulischen Bedeutung dieser potentiellen Wegsamkeiten zusammengestellt. In diesem Kontext ist auch der Einfluss des Subrosionsvorganges auf die Durchlässigkeitsverteilung (Kap ) und die Überprägung des Effekts der Störungszonen auf die Verteilung der hydraulischen Leitfähigkeit im Raum zu sehen. Die Lösung von Evaporiten im Untergrund erzeugt Dehnungsstrukturen und erhöht weiter die Durchlässigkeit der bereits vorhandenen Aufstiegswege.

21 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite Vorstellungen zur hydrogeologischen Rolle des Salzhangs Ein weiteres Element in der Hydrogeologie der Tiefen Grundwasserleiter Plattendolomit und Buntsandstein ist der Salzhang (HLUG 2010). Im Zusammenhang mit der Definition von hydrogeologischen Grenzen des Plattendolomitgrundwasserleiters, der Definition von Randbedingungen für das 3D Grundwassermodell Werra, sowie der Diskussion inwieweit ein Abstrom von Salzabwässern aus Bereichen erhöhten hydraulischen Potentials im Raum Eichhorst / Bodesruh in Richtung Gerstungen erfolgt, wird von verschiedenen Autoren und Gutachtern auf die hydraulische Rolle des Salzhanges verwiesen. Es geht dabei insbesondere um die Frage ob der Salzhang als hydraulisch dicht (K+S 2011) oder eher durchlässig (z.b. Krupp, diverse Gutachten) ist. Der Salzhang ist der Raum der natürlichen aktiven Salzlösung zwischen Bereichen mit voller Salzmächtigkeit (ca. 300 m) und ausgelaugtem Gebirge. Während dieses Salzauslaugungsprozesses entstehen im überlagernden nachbrechenden Deckgebirge Dehnungsstrukturen, die neue Wasserwegsamkeiten erzeugen, über die die Grundwasserzirkulation verstärkt und die Salzauslaugung gefördert wird. Die Wasserwegsamkeiten (Kluftstrukturen, Staffelbrüche) sind im wesentlichen parallel zum Verlauf des Salzhanges ausgerichtet und bewirken eine starke Richtungsabhängigkeit (Anisotropie) in der Durchlässigkeit der neu erzeugten Wegsamkeiten. Die Grundwasserzirkulation erfordert, neben entsprechender Grundwasserneubildung entsprechende Vorfluter, in die die Wässer abströmen. Im vorliegenden Fall sind dies die Fließgewässer Fulda und Werra. Es ist davon auszugehen, dass bereits in historisch geologischen Zeiten die Grundwasserzirkulation im karbonatischen Grundwasserleiter Plattendolomit vorhandene Klüfte durch Karbonatlösung zu Karströhren erweiterte und die bereits durch den Deckgebirgsverbruch erzeugte starke Anisotropie der hydraulischen Leitfähigkeit noch weiter verstärkte. Ein weiterer Effekt der parallel zum Salzhang gestaffelten Bruchstrukturen ist ein Versatz der hangenden und liegenden, jeweils ca. 50 m mächtigen Tonsteinabfolgen des Bröckelschiefers gegen den ca. 20 m mächtigen Plattendolomit. Dieser Vorgang reduziert die horizontale Transmissivität des Plattendolomitgrundwasserleiters. Sollte der relative Versatz dieser Staffelbrüche größer als die Mächtigkeit des hangenden Bröckelschiefers (50 m) sein, können solche Versätze direkte Verbindungen zwischen Plattendolomit und Buntsandsteingrundwasserleitern schaffen. Schließlich bewirken die zirkulierenden Grundwässer eine Verwitterung und Plastifizierung der, relativ zum Plattendolomit, liegenden und hangenden Tonsteine und haben damit abdichtende Wirkung. Grundsätzlich kann davon ausgegangen werden, dass parallel zur Orientierung des Salzhangs durch die Verbruchbewegungen erhöhte hydraulische Leitfähigkeiten erzeugt werden, die durch die Grundwasserzirkulation und Verkarstung eine weitere verstärkte Richtungsabhängigkeit erfahren. Die vorherrschende Hauptrichtung des Tensors der hydraulischen Leitfähigkeit im Raum Eichhorst / Bodesruh Gerstungen ist dabei W E, bzw. NW SE, die die Grundwasserströmung stark dominieren dürfte, zumal der hydraulische Gradient eine E SE Richtung aufweist. Aus den o.g. Gründen ist von einem deutlich reduzierten Volumenstrom in NE E Richtung, d.h. senkrecht zum Verlauf des Salzhangs auszugehen. Dies impliziert ferner, dass, aus hydraulischen Überlegungen heraus, eine Transportverbindung von Eichhorst, direkt nach Norden, bzw. NE, in Richtung Gerstungen eher unwahrscheinlich ist. Einschränkend muss jedoch gesagt werden, dass die Detektion des hydraulischen Einflusses von diskreten Elementen, wie Karströhren, Störungszonen, Klüfte über den hydraulischen Gradienten extrem erschwert ist. Dies liegt zum einen an dem erwähnten relativ geringen Anteil der hochdurchlässigen diskreten Wegsamkeiten am Gesamtaquifervolumen (<< 1%) und damit an der geringen Detektionswahrscheinlichkeit und am räumlich mittelnden Einfluss der Festgesteinsmatrix. Zusammengefasst bedeutet dies, dass die Potentiallinienpläne eher das Potential der Aquifermatrix und nicht das der dominierenden Wegsamkeiten wi

22 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 22 dergeben. Eine Lösung für dieses Problem kann eine Messung der hydraulischen Diffusivität aus Daten der Reaktion auf die Versenkaktivitäten sein. Die hydraulische Diffusivität akzentuiert den Effekt der diskreten Wegsamkeiten in Festgesteinsgrundwasserleitern (Brauchler et al. 2011) Räumliche Verbreitung und Verbleib der versenkten Salzabwässer Eine zentrale Frage bei der Beurteilung der Grundwassergefährdung durch die Salzabwässer in Wasserfassungen ist die Quantifizierung der räumlich zeitlichen Ausbreitung der Salzabwässer und die Klärung des Verbleibs der versenkten Abwässer. Wiederholt kam die Frage auf, inwieweit der Plattendolomitgrundwasserleiter als geschlossener Bewirtschaftungsbzw. Speicherraum betrachtet werden kann, d.h. existieren Kontrollmöglichkeiten für den Abstrom an Salzabwässern? Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass bei der Injektion von Wasser in einen Grundwasserleiter bereits vorhandenes Wasser aus dem gesättigten Porenraum verdrängt wird. Geologisch hydrogeologisch gibt es so gut wie keine geschlossenen Systeme ( Dilemma der Endlagerforschung ). Bei erhöhten Porenwasserdrucken, die durch Injektion erzeugt werden, kann der Porenraum auf Grund der Elastizität des Grundwasserleiters leicht vergrößert werden. Dieser zusätzliche Speicher liegt jedoch im Bereich von Bruchteilen von Promille des Aquifervolumens. Das im Plattendolomitgrundwasserleiter vorhandene sogenannte Formationswasser tritt deshalb, je nach Potentialverteilung bevorzugt an den bereits existierenden Entlastungsarealen, d.h. Werra, Fulda, und Ulstertal wieder zu Tage. Dies wurde auch historisch durch das Entstehen neuer Quellen, bzw. die Zunahme der Schüttung existierender Quellen in den Vorfluterbereichen dokumentiert (Plümacher 2008). Die Abnahme der Versenkmengen konnte auch im Quellschüttungsverhalten beobachtet werden. Heute ist davon auszugehen, dass der Hauptabstrom in die Täler diffus, d.h. in diesem Zusammenhang nicht genau lokalisierbar in die Talkiese erfolgt. Dieser Abstrom von Salzabwasser im Bereich der Entlastungsregionen ist dokumentiert durch die charakteristische chemische Zusammensetzung der abströmenden Wässer (Skowronek et al. 1999) sowie durch die in den Quellen und Grundwassermessstellen registrierten hydraulischen Reaktionen auf die variablen Injektionsraten. Dies bedeutet, dass der Abstrom aus dem Plattendolomitgrundwasserleiter in die Werra über vorgegebene Wegsamkeiten im mehrere hundert Meter mächtigen Buntsandsteingrundwasserleiter erfolgen muss, wobei die Verbindung nach Übertage im Wesentlichen über die durchlässigen Bereiche des Buntsandsteins des Werratals entlang von Störungszonen erfolgen dürfte. Diese Verbindung existierte jedoch bereits in der geologischen Vergangenheit, d.h. vor der Einleitung von Salzabwässern im Zusammenhang mit dem Salzbergbau (Abbildung 2 4). Durch die in Folge der Versenkung erhöhten hydraulischen Potentialdifferenzen zwischen Plattendolomit und Buntsandsteingrundwasserleiter wird dieser Effekt verstärkt und auch bisher unbeeinflusste Volumina in höherdurchlässigen Bereichen des Buntsandsteins dürften vom Salzabwasseraufstieg inzwischen betroffen sein. Im Hinblick auf die über Jahrzehnte dauernde Praxis der Versenkung von Salzabwasser, wurden Plattendolomitgrundwasserleiter und Werratal Buntsandsteingrundwasserleiter de facto als Speicherraum betrieben. Eine 3D Ansicht dieses Bewirtschaftungs bzw. Speicherraums nach derzeitigem Kenntnisstand ist in Abbildung 2 7 und Abbildung 2 8 dargestellt. Die Fluidbilanz ergibt weitere Aufschlüsse über den Verbleib der versenkten Salzabwässer. Der hessische Anteil des Plattendolomits hat nach Plümacher (2008) einen Porenraum von ca. 1 Mrd. m 3, wobei hier eine Porosität von ca. 10% angenommen wurde. Eine realistischere Schätzung der effektiven Porosität (s.o.) und unter Berücksichtigung, dass nicht das gesamte

23 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 23 Porenvolumen des Plattendolomits auf Grund der speziellen Geometrie und Potentialverteilung für einen Fluidaustausch Formationswasser Salzabwasser zugänglich ist, dürfte sich das effektive Speichervolumen auf wenige 100 Mio. m³ reduzieren. Die Ausbreitung der Salzabwässer im Plattendolomitgrundwasserleiter wird in Abbildung 2 7 gezeigt. Obwohl es neuere Modellsimulationen zur Ausbreitung des versenkten Salzabwassers im Plattendolomitgrundwasserleiter gibt, so wurde doch die Darstellung von Plümacher (2008) gewählt, da sie anschaulich die zeitliche Entwicklung der Versenkungsaktivitäten und deren räumliche Verbreitung nachvollzieht. Abbildung 2 7: Legende Salzkanzerdretion in grl g , Ausbreitung von Salzabwässern im Plattendolomitgrundwasserleiter (nach Grundwassermodell Werra 2008) von 1940 bis 2003 (Plümacher 2008) Aus der Chlorid Bilanz des HLUG und der K+S AG ergibt sich je nach Ansatz (siehe Kapitel 2.4) für den historischen diffusen Abstrom zwischen 1925 und 2007 in die Werra ein Salzwasservolumen von Mio. m³, d.h. bei einem Gesamtversenkvolumen von ca. 960 Mio. m³ (HLUG, 2008) muss der Verbleib von ca Mio. m³ erklärt werden. Hierbei ist zu beachten, dass, wie in Kapitel 2.4 dargestellt, diese Abschätzungen auf sehr vielen Annahmen beruhen und deshalb mit Unsicherheiten behaftet sind. Der von Störungen, d.h. möglichen Aufstiegszonen, durchsetzte Bereich des Buntsandstein im Bereich des Werratales, weist ein Volumen von 12.3 Mrd. m 3 auf (Abbildung 2 8). Je nach den Annahmen zur Porosität (1 5%) ergeben sich dann Speichervolumina zwischen 123 Mio. m 3 und 615 Mio. m 3 (Plümacher et al., 2008). Dies bedeutet, dass der Werratal Buntsand

24 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 24 steingrundwasserleiter in den Bewirtschaftungs und Speicherraum mit einbezogen werden muss. Die Ergebnisse der aerogeophysikalischen Messungen von Siemon et al. (2008), die die Verbreitung der Salzabwässer im oberflächennahen Untergrund anzeigen, liefern ebenfalls deutliche Hinweise für diese Einschätzung. Die dort eingesetzten elektromagnetischen Methoden liefern eindeutige Indikationen für erhöhte Salzwasserkonzentrationen im oberflächennahen Buntsandstein, bevorzugt in der Nähe der Vorfluter. Es ist davon auszugehen, dass im Unteren Buntsandstein lokal Störungen existieren, die die erkennbaren Bereiche mit erhöhten Salzkonzentrationen im oberflächennahen Grundwasser mit dem Plattendolomitgrundwasserleiter verbinden. Hier findet offensichtlich Salzwasseraufstieg statt. Abbildung 2 8: Strukturkarte Plattendolomitgrundwasserleiter (2D) und Aufstiegszone (lila) aus dem gestörten Plattendolomitgrundwasserleiter (3D) (K+S, 2009) Eine Eingrenzung des Bewirtschaftungs und Speicherraums auf Teile des Buntsandsteins, nämlich die Störungszonen im Untergrund der Flussauen und deren näheren Umgebung erlauben die Grundwasseranalysen aus den oberflächennahen Messstellen. Zusammenfassend können in Bezug auf die Ausbreitung der versenkten Salzabwässer erste Aussagen gemacht werden: Der Plattendolomitgrundwasserleiter kann nicht als geschlossener Raum betrachtet werden, Plattendolomitgrundwasserleiter und Werratal Buntsandsteingrundwasserleiter wurden bereits jahrzehntelang de facto als Speicherraum betrieben, Eine Verbindung über die durchlässigen Bereiche des Buntsandsteingrundwasserleiters mit der Werra war schon vor Salzbergbau und Einleitung gegeben, Es ist davon auszugehen, dass auch außerhalb der genannten Aufstiegszonen Verbindungen zwischen Plattendolomitgrundwasserleiter und den liegenden Bereichen des Unteren Buntsandsteins existieren Modellsimulationen und Fluidbilanz Zum besseren Verständnis der hydrogeologischen Situation im Plattendolomit, insbesondere zur Quantifizierung des Ausbreitungsverhaltens der Salzabwässer wurden im Auftrag der K+S AG Grundwassermodelle erstellt. Der zugehörige Bericht wurde unter der Bezeichnung ' Grundwassermodell Werra 2008' im Juli 2008 präsentiert (Plümacher et al. 2008). Dieses Modell ist ein horizontal orientiertes 2D Modell, d.h. es ist nicht in der Lage die Vertikalströmung, z.b. die Strömung und den Austausch zwischen Plattendolomit und Buntsand

25 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 25 steingrundwasserleiter, zu simulieren. Es unterstützt jedoch die Analyse der Strömung im Plattendolomit, der Ausbreitung der Salzabwässer im Plattendolomitgrundwasserleiter und erlaubt die grundsätzliche vereinfachte Prüfung der Wasser und Stoffbilanz. Das Modellgebiet umfasst den Plattendolomitgrundwasserleiter vom Richelsdorfer Gebirge im Norden, den Ausläufern von Vorder und Kuppenrhön im Süden, dem Thüringer Wald im Osten und der Hochfläche zur Fulda im Westen. Das Modell ist instationär, d.h. es berücksichtigt die zeitliche Variabilität (Dynamik des Systems) von Strömung und Stofftransport. Simuliert wurde der gesamte Zeitraum der Versenkung von 1925 bis Zur Bestimmung des Anfangszustands, der die natürlichen Verhältnisse, d.h. ohne Beeinflussung durch die Versenkung, repräsentiert, wurde ein stationärer Modelllauf vorgeschaltet. Das Modell wurde mit dem Programmpaket FEFLOW erstellt. FEFLOW (FEFLOW 2010) ist ein etabliertes kommerzielles Software Produkt, das von der Firma DHI WASY vertrieben wird. Es ist nach der Methode der Finiten Elemente implementiert. Wie bei Grundwassermodellierprogrammen üblich, liegt der Strömungsmodellierung eine Differentialgleichung zugrunde, die sich aus dem Darcy Gesetz sowie dem Prinzip der Massenerhaltung für das Fluid ableitet. Die Transport Modellierung beruht auf dem Prinzip der Massenerhaltung für die transportierte chemische Komponente und dem Dispersionsansatz nach Bear Scheidegger (Diersch, 1996). Im Werra Modell wurden als Randbedingung Festpotential Bedingungen an den Zustromrändern im Norden (Richelsdorfer Gebirge), im Süden (Vorder /Kuppenrhön) sowie im Osten (Thüringer Wald) angenommen. Im Westen wurde eine Wasserscheide zur Fulda, d.h. eine hydraulisch dichte Grenze angenommen. Eine spezielle Randbedingung (3. Art) wurde in einem kleineren Bereich verwendet, an dem der Modellrand mit einem Oberflächengewässer zusammenfällt. Die Ergebnisse eines Grundwassermodells sind zumeist sehr sensitiv bzgl. der Randbedingungen. Das gilt auch für das vorliegende Modell. Was die Lage der Ränder betrifft, so ist die Position der Wasserscheide zur Fulda als Modellrand im Westen nur unzureichend bekannt, und stellt daher eine Unsicherheit dar. Auch die Ausdehnung des Plattendolomits nach Südwesten ist nicht gesichert. Aus Gründen der Kalibrierung bzgl. der Wasserbilanz wurden in einigen Teilbereichen des Modellgebiets sog. Leakage Werte (vertikale hydraulische Widerstände ) angesetzt, die nicht auf Messwerten basieren, z.b. im Bereich der Flussauen der Ulster. Dies führt zu erheblichen Abweichungen zwischen modellierten und gemessenen Piezometerhöhen (siehe z.b. Messstelle 702). Im Zusammenhang mit den Auflagen aus der Genehmigung zur weiteren Salzabwasserversenkung wurde vom Regierungspräsidium der Aufbau eines 3D Modells gefordert, das neben dem dreidimensionalen Aufbau des Aquifersystems die dichtegetriebene Strömung berücksichtigt. Aufgrund der hohen Salinität der eingespeisten Wässer spielen Dichteeffekte im betrachteten Gebiet möglicherweise eine gewisse Rolle. Wie hoch die relative Bedeutung des advektiven im Vergleich zum dichtegetriebenen Transport ist muss mit dem entsprechend geeigneten Modell geprüft werden. Das 3D Grundwassermodell ist ferner in der Lage, den Austausch zwischen verschiedenen Aquiferstockwerken (Buntsandstein und Plattendolomit) und die effektive Grundwasserneubildung realistischer nachzubilden, als dies im 2D Modell erfolgte. Die in Tabelle 2 1 zusammengestellte Wasserbilanz des 3D Modells ist plausibel, wobei Abflüsse, die Grundwasserneubildung, sowie die Versenkungsraten unabhängig über Messungen bestimmt werden können.

26 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 26 Tabelle 2 1: Wasserbilanz im Modellgebiet [m 3 /d]; (K+S, 2013) 1. Art Festpotentialrandbe dingung 3. Art Randbedingung (Gewässer) Entnahme, bzw. Versenkung über Brunnen Grundwasserneubildung Gesamt Zustrom Abstrom Summe mm/a Die Hauptkomponente der Wasserbilanz ist die regionale Grundwasserneubildung. Das Modell zeigt die beobachtete dominierende Rolle der regionalen Vorfluter Werra und Fulda, sowie der Randbedingungen im Osten (Thüringer Wald), Norden (Richelsdorfer Gebirge) und Süden (Kuppenrhön). 120 Uwe co-coremen Kati13, Dichte, Juni ; Abbildung 2 9: Simulierte Konzentrationsverteilung im Plattendolomit, Stand 06/2013 (DHI WASY 2013) Von den zentralen Hochbereichen erfolgt die Grundwasserströmung im nördlichen Teil des Plattendolomitgrundwasserleiters E W in Richtung Fulda, bzw. W E in Richtung Werra. Im südlichen und nordöstlichen Teil ist die Strömung Richtung Norden zur Werra ausgerichtet. Damit kann das Modell die von Plümacher (2008), Abbildung 2 5, und Käbel (2006), Abbildung 2 3, erstellten Strömungskonfigurationen plausibel nachvollziehen. Abbildung 2 9 zeigt die Ausdehnung der Verbreitung von Salzabwässern im Plattendolomit bis zum Juni Der dargestellte Zeitschnitt ist vergleichbar mit dem jüngsten verwendeten des 2D Modells aus dem Jahr 2003, wobei hier die Versenkungen im Raum Gerstungen noch nicht abgeschlossen waren. Die Konzentrationsverteilung des 3D Modells (Abbildung 2 9) ist jedoch geprägt von weniger akzentuierten Konzentrationsgradienten an den Rändern der Salzabwasserfront. Dies dürfte mehrere Ursachen haben. Zum einen ist im Vergleich zum 2D Modell die Parameterverteilung heterogen, die Dichteabhängigkeit wurde als weiterer Ausbreitungsprozess integriert

27 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 27 und die 3D Darstellung trägt zu weiterer Dispersion bei. Inwieweit die numerische Dispersion (ein Modellierartefakt) bei der Simulation eine Rolle spielt kann aus den vorliegenden Daten und Informationen nicht erschlossen werden. Abbildung 2 10 zeigt den zeitlichen Verlauf der Chloridfracht und damit den Austrag aus dem Versenkungsraum. Die grüne Kurve beschreibt die zeitliche Änderung der gemessenen Chloridfracht und die blaue bzw. violette Kurve, das modellierte Ergebnis zweier Modellvarianten. Die zeitliche Änderung der Chloridfracht ist eine wichtige Kalibriergröße für das mathematische Modell und damit eine essentielle Grundlage für die Prognosefähigkeit des Modells. Im Prinzip kann das Modell den Chloridaustrag nachbilden, d.h. die zeitlich integrierten Gesamtmassen stimmen überein (siehe auch Tabelle 2 2) sowie die Zeit des Austragsmaximums, das beeinflusst wird durch die Variabilität der Versenkungsraten und die Transportgeschwindigkeiten im modellierten Raum. Das Modell kann jedoch weder die Frachten der frühen Zeiten ( ) und der späten Zeiten ( ), noch die um das Maximum befriedigend nachbilden. Die Diskrepanzen der frühen Zeiten können durch eine Unterschätzung des Austrags (Kapitel 2.4) in der Werra erklärt werden, nicht jedoch die der mittleren und späten Zeiten. Es liegt die Vermutung nahe, dass hier die typischen Eigenschaften von Einkontinuummodellen bei der Simulation von geklüftet porösen Grundwasserleitern zum Tragen kommen und die entsprechenden Artefakte aufgrund des ausgeprägten Speichereffekts in Einkontinuummodellen generieren o Diffuse CI [kgis], Kor2013 D) CI Austrag, Kali13- Zonierung 1, Dichte 8-- CI Austrag, Kali11e+HG-V2, Dichte IE rn -4- CD cu 0 03 N CD CD N 03 CD a) N N CD 0 I I Cr) N N CD 0) C7/ N ol. cdzeitc' N N O cu o 0 Abbildung 2 10: Zeitlicher Verlauf der Chloridfracht in der Werra: Vergleich Modellrechnung (DHI WASY 2013) Messungen des diffusen Austrags (HLUG 2008) Die modellierte Durchbruchskurve aus Abbildung 2 10 lässt vermuten, dass das mathematische 3D Modell die Rolle der ausgeprägten Wasserwegsamkeiten (Klüfte, Störungszonen, Karströhren) unterschätzt und nicht in der erforderlichen Notwendigkeit nachbildet und die Rolle des Speichereffekts der Gesteins und Gebirgsmatrix im Plattendolomit systematisch überschätzt. Diese Analyse könnte die Diskrepanzen im Frachtmaximum und im Tailingbereich gut erklären, d.h. den generellen Dämpfungseffekt. Diese Analyse beinhaltet die Schlussfolgerung, dass deutlich geringere Volumina an Salzabwasser, als über das Modell berechnet, im Plattendolomitgrundwasserleiter gespeichert sind. Gleichzeitig bedeutet dies, dass deutlich höhere Frachten, als gemessen und berechnet, aufgrund der hohen Durchlässigkeiten der o.g. Wegsamkeiten auf dem direkten Weg entlang des höchsten Gradienten und parallel der Hauptachse der Anisotropieellipse der Durchlässigkeit (d.h. die

28 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 28 Hauptrichtung des Durchlässigkeitstensors im Raum Eichhorst Heringen ist stark, durch die Entstehung des Salzhangs, E W orientiert; siehe Rolle des Salzhanges und Störungszonen, Kapitel und Kapitel 2.1.2) in Richtung Werra abgeflossen sein dürften. Weitere Details, sowie deren Relevanz bzgl. der Situation im Raum Gerstungen Eichhorst werden in Kapitel 3.3 und 3.2 vorgestellt und geprüft. An dieser Stelle soll lediglich ein Überblick zu eingesetzten Methoden und der generellen Situation im Gesamtraum Werra Kali gegeben werden. Der Prozess der Matrixdiffusion dürfte jedoch, neben den rein hydraulischen Prozessen ebenfalls einen Einfluss auf die zeitliche Verteilung der Salzkonzentration der aufsteigenden Wässer haben, d.h. die genannte Erholung der Wasserqualität damit noch deutlich verzögern. Ausgehend von einer fast ausschließlichen Kluftströmung innerhalb des Buntsandsteins (Matrixdurchlässigkeit i.d.r. sehr gering) findet ein Massenaustauschprozess zwischen den in den Klüften zirkulierenden Salzlösungen und den gering konzentrierten Matrixporenwässern statt. Triebkraft ist die Brown sche Molekularbewegung, die über den Konzentrationsunterschied zwischen gering konzentrierten Matrixwässern und hochkonzentrierten aufsteigenden Wässern in den Buntsandsteinklüften dargestellt werden kann. Die Folge ist eine Abnahme der Salzkonzentration im Kluftwasser. Abbildung 2 11: Prinzipskizze zur Matrix Diffusion Dieser Prozess ist so lange aktiv bis der Konzentrationsunterschied ausgeglichen ist. Abbildung 2 11 illustriert den beschriebenen Prozess. Sollten zu einem späteren Zeitpunkt geringer konzentrierte Kluftwässer nachströmen, setzt der Prozess der Rückdiffusion ein und bewirkt damit eine Konzentrationserhöhung im Kluftwasser. Der resultierende Effekt der Matrixdiffusion ist damit eine zeitliche und räumliche Dämpfung des Salzwasserdurchbruchs. Schließlich dürfte sich auch ein Artefakt aus der numerischen Simulation, die numerische Dispersion auf die modellierte Konzentrationsverteilung in Raum und Zeit auswirken. Zur relativen Bedeutung der numerischen Dispersion wurde in den vorgelegten Gutachten keine Stellung genommen. Dieser Umstand wurde auch in den jüngsten Stellungnahmen durch den Behördengutachter deltah (2015) angesprochen Chloridbilanz Zur Klärung des Verbleibs der versenkten Salzabwässer wurde von der K+S AG und der HLUG nach unterschiedlichen Ansätzen der historische Austrag von Salzabwässern in die Werra

29 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 29 ermittelt (Abbildung 2 12). Zum einen können die Bilanzen über Modellrechnungen (Plümacher 2008; DHI WASY 2013) ermittelt, zum anderen auf der Basis von Geländeuntersuchungen, Konzentrations und Abflussmessungen und Annahmen zur Speicherfähigkeit der Gesteinsformationen (HLUG 2008) errechnet werden. Für beide Methoden ist bei der Beurteilung der verschiedenen Aussagen, die entsprechende Unsicherheit, aufgrund unbekannter Größen, der natürlichen räumlichen Variabilität der Kennwerte und Annahmen, zu berücksichtigen. Versenkrnengen [Mio mla] und diffuser Chlorideintrag [kgis] Abbildung 2 12: Chloridaustrag in die Werra ( diffuser Eintrag ) und Versenkungshistorie (HLUG 2011) Das HLUG gibt aus eigenen Berechnungen, die auf Abflussbilanzen und Verdünnungsrechnungen beruhen, Prozentzahlen an (HLUG 2008). Nach dem Referenzmodell von Plümacher (2008) (S.41) ergibt sich für den Gesamteintrag von Chlorid in den Plattendolomitgrundwasserleiter über Versenkungen im Zeitraum von eine Chloridmasse von 155 Mio. t. Dem steht ein Gesamtaustrag aus dem Plattendolomitgrundwasserleiter an Leakageknoten in Buntsandstein und Vorfluter in Höhe von 93 Mio. t gegenüber. Dies bedeutet eine Speicherung im Plattendolomitgrundwasserleiter im Umfang von 62 Mio. t. Die Werte sind in der 2. Spalte Tabelle 2 2 nochmals zusammengestellt. In der 2. Spalte finden sich die neueren Ergebnisse des Werra Kali 3D Modells (DHI WASY 2013) für den Chlorideintrag in die Werra. Aus den vorliegenden Daten und dem Modellbericht lassen sich leider die weiteren Komponenten der Aufstellung nicht ermitteln. Die Zahlenwerte in den beiden mittleren Spalten sind den zitierten Berichten über das Grundwassermodell Werra von 2008 und 2013 entnommen. Dabei wurde von den Modellen der Gesamtaustrag aus dem Plattendolomitgrundwasserleiter (Tabelle 2 2) berechnet. Wenn man davon den Wert von 46 Mio. t (Ursprung der Annahme aus unseren Unterlagen nicht nachprüfbar) als Austrag in die Werra subtrahiert, wie es im Modellbericht gemacht wird, verbleibt als Restgröße der Bilanz die Speicherung in den Aufstiegszonen des Buntsandsteins. Tabelle 2 2: Bilanzierung der im Zeitraum versenkten Salzabwässer auf der Basis der Chloridkonzentration (in Mio. t Cl ); in Klammern (Mio. t gelöstes Salz gesamt)

30 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 30 Bilanzierung der versenkten Salzabwässer auf der Basis der Chloridkonzentration Plümacher, 2008; 2D Modell Masse Cl, Mio. t DHI WASY 2013, 3D Modell Masse Cl und (Salz), Mio. t HLUG 2008; nach K+S 2013; Masse Chlorid gemessen Eintrag [Mio. t] 155 (292) 155 Austrag aus Plattendolomit [Mio. t] 93 (183) 88 Speicherung Plattendolomit [Mio. t] 62 (107) 67 Speicherung Werra Buntsandstein [Mio. t] 47 (63) 57 Diffuser Austrag Werra [Mio. t] (120) 55 Ein Vergleich der von K+S AG ermittelten Schätzung mit internen Ergebnissen des HLUG wurde in einem Vortrag des HLUG im November 2008 erstmals vorgestellt (HLUG 2008). Der Gesamtaustrag aus dem Plattendolomit, als Summe der Speicherung im Buntsandstein und des diffusen Austrags in die Werra wurde hinzugefügt. Es ist zu beachten, dass es sich beim Grundwassermodell Werra um eine Chloridbilanz handelt während die entsprechende Tabelle des HLUG mit Verbleib der versenkten Salzabwässer überschrieben ist. Um lediglich die Größenordnung der Prozentzahlen abschätzen zu können, ist die unterschiedliche chemische Charakterisierung sicherlich nicht entscheidend, da Chlorid als repräsentativer Inhaltsstoff zur Bilanzierung herangezogen werden kann. Der wesentliche Unterschied zwischen HLUG und den Modellberechnungen besteht in der Abschätzung des diffusen Abstroms in die Werra, woraus sich die Unterschiede bzgl. der Speicherung im Buntsandstein als resultierende Größen ergeben. Die Massenbilanz aus der 3D Modellierung basiert auf dem Kurzbericht 2013 zum 3D Modell (DHI WASY 2013). Die Massenbilanz beinhaltet Werte zum Salzmassenaustrag (Salzfrachten) im Zeitraum Die Umrechnung von Gesamtsalzfrachten in Chloridfrachten kann nur über Volumenströme der Versenkungen und des Werraabflusses erfolgen, weshalb an dieser Stelle keine Chloridmassen / frachten aufgeführt wurden. Aus den Werten kann jedoch abgeschätzt werden, dass die relativen Verhältnisse zwischen den einzelnen Positionen vergleichbar und gemessen an den unterschiedlichen Annahmen, nachvollziehbar sind. Wie mehrfach darauf hingewiesen, sind diese Abschätzungen mit großen Unsicherheiten behaftet. Die relevantesten Unsicherheitsfaktoren sind: a) die Annahme, dass der Austrag aus dem Plattendolomit in die Werra aus Konzentrationsmessungen des Werraabflusses korrekt bestimmt werden kann. Wie Abbildung 2 12, Abbildung 3 18 und Abbildung 3 19 zeigen, variieren die Salzkonzentrationen in der Werra deutlich. Diese Variationen sind eine Folge der Variabilität im Abfluss, der Variabilität in der direkten Salzabwassereinleitung und der Variabilität im Eintrag aus dem Plattendolomit. Ferner ist nicht davon auszugehen, dass sich Salzabwässer homogen mit dem Werra Hintergrundabfluss mischen. Auch in turbulenten Oberflächengewässern sinken die dichteren Salzabwässer auf die Basis des Gewässers. Die Konsequenz ist, dass die i.d.r. nahe der Oberfläche genommenen Wasserproben geringere als die effektiven gemittelten Konzentrationen aufweisen und demzufolge die Chloridfracht systematisch unterschätzt wird. Es ist den Gutachtern nicht bekannt, ob heute repräsentative Probennahmen durchgeführt werden. Sicherlich kann davon ausgegangen werden, dass dies über einen größeren Teil des in Abbildung 2 12 dargestellten Zeitraums nicht erfolgt ist. Insgesamt kann wahrscheinlich davon ausgegangen werden, dass damit im Bilanzzeitraum die Chloridfracht der Werra systematisch unterschätzt wurde. In den vorgelegten Unterlagen wurde auf diese Thematik nicht eingegangen. b) die Annahme einer räumlich konstanten effektiven Porosität, die für die Berechnung

31 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 31 der Transportgeschwindigkeit und Speicherkapazität von Plattendolomit und Buntsandstein von Bedeutung sind. Es ist davon auszugehen, dass die räumliche Verteilung der effektiven Porosität stark variiert. Die Bilanz und Modellergebnisse und damit die Prognosefähigkeit werden deshalb stark von den effektiven Werten betroffen sein. Zusammengefasst, die Ermittlung der Chloridfracht ist aufgrund der diversen Annahmen mit entsprechender Unsicherheit behaftet. Es ist davon auszugehen, dass die ermittelte Gesamtfracht unterschätzt wird, d.h. dass ein deutlich höherer Chloridaustrag über die Zeit erfolgte mit entsprechenden Konsequenzen für die Bilanzierung und die Beurteilung des Verbleibs der versenkten Salzabwässer. Die Bilanzierung durch das HLUG (2008) kann nur als erste überschlägige Abschätzung betrachtet werden. Eine neue, systematische Herangehensweise wäre deshalb angebracht.

32 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite Beurteilung des Einflusses der laufenden Salzabwasserversenkung auf die Wasserqualität von Trinkwasserentnahmen im Raum Gerstungen 3.1. Vorgehensweise und Kriterien für die Beurteilung der Beeinträchtigung von Trinkwasserfassungen durch Salzabwässer Zur Beurteilung des Einflusses der Salzabwasserversenkung durch die K+S auf die Wasserqualität in den angrenzenden Regionen müssen hydrogeologische Methoden eingesetzt werden. Dies beinhaltet die Erstellung eines hydrogeologischen Modells. Im Einzelnen: - die Definition der Geometrie des Strömungs und Transportraumes, - die Analyse, Interpretation und das Verständnis der relevanten Strömungs, Transport und chemischen Reaktionsprozesse, - die Charakterisierung der Prozesskenngrößen (z.b. hydraulische Leitfähigkeit des hydrogeologischen Raumes, die effektive Porosität des porösen Mediums, Reaktionskenngrößen, etc.), - die Identifizierung von strömungs und transportrelevanten dominierenden Wegsamkeiten (z.b. durchlässige Störungszonen, Anisotropie im porösen Medium, Parametervariabilität bedingt durch die Genese der Formation (Sedimentation, Verkarstung)), - die Bestimmung von Zu und Abflüssen, sowie Stoffein und Stoffausträgen. Aus diesen Informationen kann dann ein sogenanntes konsistentes hydrogeologisches Modell abgeleitet werden, wie es z.b. für den Untersuchungsraum durch IHU (2011) für die K+S und durch das Consultingunternehmen HG für die Behörden (HG 2012a; HG 2012b) erstellt und weiter bearbeitet wurde. Dieses hydrogeologische Modell beschreibt (in quantitativer Form) die grundsätzlichen hydrogeologischen Modellvorstellungen zu den relevanten Strömungs und Transportvorgängen und ist die Grundlage für alle weiterführenden Aussagen und Schritte. Die Güte und damit die Aussagekraft der Vorhersage von zukünftigen Entwicklungen des Systems wird durch die Art und die Qualität entsprechender Daten und Informationen bestimmt. Um räumlich zeitliche Zusammenhänge im hydrogeologischen System und damit kausale Beziehungen erkennen und quantitativ fassen zu können, werden i.d.r. mathematische Modelle eingesetzt. Diese mathematischen Modelle können einerseits explizit formulierte Gleichungen (z.b. analytische Lösungen) sein oder auch komplexe, distributive numerische Modelle, die den untersuchten Raum hochaufgelöst abbilden können. Diese Modelle erfordern: - die Annahme von Randbedingungen, die auf Messungen und hydrogeologischen Grundprinzipien basieren, - die Definition von Anfangsbedingungen (geologisch historische Zusammensetzung der Grundwässer, chemische Zusammensetzung der versenkten Wässer, räumlichzeitliche Potentialverteilungen), - die Auswahl geeigneter Prognosewerkzeuge, die die relevanten Prozesse (Potential

33 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 33 strömung, Dichteabhängigkeit, etc.) abbilden. Distributive Modelle können die natürliche räumliche Heterogenität und den Effekt operativer Strategien bei der Salzabwasserversenkung abbilden und so z.b. den Einfluss individueller Wegsamkeiten (z.b. Störungszonen, Salzhang), Randbedingungen (Lage von Entlastungszonen) und Versenkungsmaßnahmen auf Strömung und Stofftransport quantifizieren. In seiner Entscheidung vom 30. Nov legte das Regierungspräsidium großes Gewicht auf die Erstellung eines numerischen 3D Modells als Grundlage für die Abschätzung der nachteiligen Beeinflussung und Gefährdung von potentiellen Grundwasser und Trinkwasserressourcen durch die eingeleiteten Salzabwässer. Entscheidend für die Qualität der resultierenden Aussagen des Modells zur Grundwassergefährdung sind: a) das korrekte hydrogeologische Modell, einschließlich Randbedingungen, das die natürlichen Strömungs und Stofftransportverhältnisse widergibt, b) das passende mathematische Modellkonzept, das die Geometrie des Raumes und die entscheidenden Prozesse in der erforderlichen Genauigkeit abbildet, c) entsprechende Daten in ausreichender Güte zur Parametrisierung und Kalibrierung des Modells. Die Beantwortung der in Kap. 1.1 formulierten zentralen und konkreten Fragen erfordert Nachweise dafür, inwieweit die Trinkwasserversorgung im Fulda Werragebiet im allgemeinen und im Raum Gerstungen im besonderen durch die Salzabwasserversenkungen im Raum Eichhorst und Hattorf beeinträchtigt wurden, bzw. werden könnten. Um diesen Nachweis führen zu können muss geklärt werden: a) inwieweit grundsätzlich eine physikalische Verbindung (z.b. Existenz eines Grundwasserleiters; hydraulische Wegsamkeiten) zwischen Eintrags und Entnahmestandort besteht, b) ob das hydraulische Regime und die hydraulischen Kennwerte (Potentialgradient; entsprechende hydraulische Leitfähigkeiten) eine Strömung zwischen Eintrags und Entnahmestandort nahelegt, und c) ob eine Transportverbindung (effektive Porosität; zwischen Eintrags und Entnahmestandort besteht. Eine hydraulische Verbindung (z.b. Grundwasserleiter; Störungszone) zwischen Eintrags und Entnahmestandort, wie sie z.b. über die hydraulische Reaktion an einer Beobachtungsmessstelle auf eine hydraulische Anregung an einer anderen Bohrung ersichtlich ist, ist eine notwendige aber keine hinreichende Bedingung für den Nachweis einer Transportverbindung. Der eigentliche Nachweis, dass eine aktive Transportverbindung besteht, kann nur über Tracerversuche zwischen Eintrags und Austragsort mit künstlich eingesetzten Markierungsstoffes über eine Durchbruchskurve, bzw. über charakteristische Komponenten im eingetragenen Wasser (Salzabwasser) geführt werden. Die in den versenkten Salzabwässern am stärksten vertretenen chemischen Hauptkomponenten sind in vielen Fällen wenig spezifisch. Eine solche Komponente kann auch z.b. das Ca/Mg Ionenverhältnis darstellen. Für den Nachweis des Einflusses von eingeleiteten Salzabwässern durch die Versenkung auf das Grundwasser wird allgemein ein erhöhtes 1:Ca/Mg Verhältnis von >0.61 angenommen (Skowronek et al. 1999; Eigenbericht 2013 der K+S Kali GmbH). Grundwässer, die kein erhöhtes 1:Ca/Mg Verhältnis, demzufolge einen Wert <0.61 aufweisen, werden als geogene Wässer eingestuft. Dabei spielt der tatsächliche absolute Gehalt an gelöstem Na und Cl im Wasser für die Beurteilung keine Rolle. Jedoch treten auch bei Formationswässern und solchen, die durch Salzlaugung (Auslaugung von Zechsteinsalzen) beeinflusst sind, erhöhte Na und Cl Gehalte auf, die über den maßgeblichen Grenzwerten der Trinkwasserverordnung liegen können. Daher wird an dieser Stelle vorgeschlagen, neben dem Mg/Ca Verhältnis, äquivalent

34 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 34 zum 1:Ca/Mg Verhältnis, auch das Mg/K, Na/K und Na/Cl Verhältnis zu berücksichtigen. In den Versenkwässern sind besonders die Kationen Mg und K angereichert, wohingegen Ca und Na in ihren Konzentrationen zurücktreten. Die genannten Verhältnisse werden insbesondere zur Beurteilung der Na Cl dominierten Grundwässer eingesetzt, da durch Produktionsabwässer beeinflusstes Grundwasser eine Anreicherung dieser Ionen aufweisen sollte. Bei Ca HCO 3 bzw. Ca SO 4 dominierten, niedrig mineralisierten Grundwässern ist davon auszugehen, dass keine Beeinflussung vorliegt. Die Beurteilung, wie - die Trinkwasserversorgung der Gemeinde Gerstungen - der Buntsandsteingrundwasserleiter - die Wasserqualität der Werra durch die Salzabwasserversenkungen am beeinflusst waren und durch die fortgesetzten Einleitungen weiterhin beeinflusst werden, erfolgt deshalb nach unten aufgeführter Vorgehensweise: a) Prüfung potentieller hydraulischer Verbindungen zwischen Eintragsort und Trinkwasserentnahmestandort, b) Beurteilung der relativen Bedeutung der unterschiedlichen potentiellen Verbindungen, c) Analyse der relativen Bedeutung unterschiedlicher Triebkräfte für die Strömung, d) Prüfung von Transportverbindungen durch Analyse der hydrochemischen Daten. Da aufgrund fehlender direkter Nachweise einer Transportverbindung aus Tracerexperimenten sowohl die Interpretation der hydraulischen als auch die der hydrochemischen Informationen von einem Mehrdeutigkeitsproblem, d.h. verschiedene Modelle und Interpretationen führen zu den gleichen Beobachtungen, geprägt sind, werden die Schlussfolgerungen bzgl. der Transportverbindungen auf der Basis des plausibelsten hydrogeologischen Modells gezogen. Nichtsdestotrotz muss auch an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass in jedem Modell eine Restunsicherheit aufgrund der Variabilität in der Ausprägung natürlicher Systeme und der limitierten Erkundungsmöglichkeiten dieser Systeme besteht Hydrogeologische Modellvorstellungen Zur Beantwortung der vom Verwaltungsgericht gestellten Fragen (Kap. 1.1) wird primär die hydrogeologische Situation im Raum Eichhorst / Gerstungen analysiert. Aus den entsprechenden Schlussfolgerungen lassen sich die weiteren, den Raum Werra Kali betreffenden generalisierenden Schlussfolgerungen, und damit die Antworten auf die betreffenden Fragen, ableiten Aquifergeometrie und Parameter Geometrie Grundsätzliche Bemerkungen Die Geometrie eines hydrogeologischen Modells ist einerseits durch die räumliche Lagerung und Verteilung der relevanten geologisch hydrogeologischen Einheiten und Strukturelemente und andererseits durch seine mit definierten Eigenschaften belegten Ränder bestimmt. Auf die Randbedingungen des Modells wird im Abschnitt Randbedingungen unter detailliert eingegangen. Folgende wesentlichen geologischen Elemente im Raum Gerstungen sind sowohl für die Grundwasserströmung als auch den möglichen Transport geogen gebildeter Salzwässer und versenkter Kaliabwässer maßgeblich:

35 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 35 a) die geologischen Einheiten des Plattendolomits als Versenkhorizont, des Unteren und untergeordnet des Mittleren Buntsandsteins, sowie die Lockergesteine des Quartärs vor allem im Werra Tal, b) Muldenstrukturen (z.b. Gerstunger Mulde) und Schwellenstrukturen, c) Störungen, sowie d) der Salzhang. Die letzten drei Elementtypen veränderten über geologische Zeiträume hinweg die ursprüngliche Lagerungsgeometrie der stratigraphischen Einheiten insbesondere durch vertikalen Versatz, Senkenbildung und Gebirgsauflockerung durch Subrosion. Die Wirkung von Störungszonen auf das Grundwasserströmungsfeld und die Potentialverteilung sowie auf den lateralen und vertikalen Transport salzhaltiger Wässer in nutzbare, oberflächennahe Grundwasserleiter wird durch zahlreiche Faktoren bestimmt. Diese Faktoren wirken in der Regel auf unterschiedlichen räumlichen Skalen und können eher interner oder eher externer Natur sein. Zu den internen Faktoren zählt die mechanische Beanspruchung einer Störung und der Typ des Umgebungsgesteins als Ausgangsmaterial. Großräumige mechanische Spannungsfelder während der Anlage von Störungen oder die räumliche Orientierung einer Störung in Bezug auf die Grundwasserpotentialverteilung stellen dagegen externe Faktoren dar. Detaillierter wird sowohl auf grundlegende als auch für das Modellgebiet spezifische Zusammenhänge in den Kapiteln sowie 7 (Anhang 1) eingegangen. Auf die Bedeutung des Salzhanges, einerseits für die Ausbildung und Modifizierung des natürlichen Strömungsfeldes in geologischer Zeit und andererseits für den Transport von natürlichen Salzwässern sowie von Kaliabwässern wird in Kapitel sowie in den Abschnitten Hydraulische Parameter und Potentialfeld und Strömungsdynamik unter Kapitel Bezug genommen. In wird ferner der Zusammenhang der Verbreitung von salzhaltigen Quellen mit der Verbreitung des Salzhanges und damit einhergehender Bruchbildung im überlagernden Gebirge hergestellt. Geometrie hydrogeologisches Modell Eine Analyse der Dokumentation von IHU zur Entwicklung des hydrogeologischen Modells, welches über den Zwischenschritt eines geologischen 3D Strukturmodells (Software SKUA) durch MIRA Geosciences (IHU, 2011, Anlage 12) in ein numerisches Grundwassermodell (Software FEFLOW, 2010) umgesetzt wurde (DHI WASY, 2013), vermittelt eine durchgehend adäquate Herangehensweise basierend auf dem Wissensstand Die definierte Modellgeometrie dient somit auch diesem Gutachten als Arbeitsgrundlage für weiterführende Überlegungen und Schlussfolgerungen. Aufgrund der Modellgröße sind hochauflösende Details für den unmittelbaren Bereich um Gerstungen nicht darstellbar und für den tieferen Untergrund ohne zusätzliche aufwendige Untersuchungen möglicherweise auch nicht ableitbar. Zur Beantwortung der spezifischen Fragen des Verwaltungsgerichts in diesem Gutachten (vgl. Kap. 1.1 und Kap. 4) wurden zur Verdeutlichung der geologischen Verhältnisse im Bereich zwischen den Gemeinden Heringen und Gerstungen sowie dem Versenkgebiet Eichhorst/Bodesruh vier Schnittdarstellungen angefertigt (Abbildung 3 2 bis Abbildung 3 5). Die genauen Schnittverläufe sind Abbildung 3 1 sowie den Karten der Grundwasserpotentialfelder in Plattendolomit und Buntsandstein zu entnehmen (Abbildung 3 10 bis Abbildung 3 12). Abbildung 3 1 zeigt in einer Kartendarstellung den lateralen Verlauf des Salzhangs, welcher aufgrund fortschreitender Subrosionsprozesse als hydraulisch wirksames Element eine stark erhöhte fließ und transportwirksame Porosität erwarten lässt. Sowohl die räumliche Verteilung der hydraulischen Potentiale als auch die Verbreitung des Salzhangs wurden ergänzend in die Schnitte integriert.

36 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 36 L ' Heilen 350g , 1 1- m,--- e //, , _ S_ /./ f, He ri ngen -1 I \-.., f -. I r 1 C, i, ' it\' Phallpetha 1 ' 3 -,-... / --.,..., / Kaliwerk Hattorf i tve... / / 1 X 1 X 1 1,..._ jj 2... r \ 1 r..-z-sz,... X ,,-, J 1/".----J g_ (... \ \ \ 1, \ \ ( "s. f...- \ -",, 1.., , \ -.. ",. 5) C)... r f i N.,,,..7 1_, ---,, ii Al - N y 4.,,...._ s8 : 30re Abbildung 3 1: Modellgebiet mit Randbedingungen (siehe 3.2.1: Randbedingungen ), Störungen (graue Linien) Topografie (farblich angedeutet), Verläufen hydrogeologischer Schnitte (vgl. Abbildung 3 2 bis Abbildung 3 5) sowie der Verbreitung vollständiger, reduzierter und ausgelaugter Zechstein Salzmächtigkeiten (rot gestrichelt: Salzhang Innenrand, blau gestrichelt: Salzhang Außenrand) nach IHU (2011), HG (2011, 2012), DHI WASY (2013). In den hydrogeologischen Schnitten S1 bis S4 (Abbildung 3 2 bis Abbildung 3 5) wurden die wesentlichen geologisch strukturellen und hydrogeologischen Charakteristika des Gebietes herausgearbeitet. Räumliche Grundwasserpotentialverteilung Die Schnitte S1 bis S3 verlaufen W E auf den Höhen von Gerstungen, Dankmarshausen und Heringen, der wohl wichtigsten Entlastungsareale im Werratal. Schnitt S4 verläuft SW NE zwischen dem Versenkgebiet Eichhorst / Bodesruh und dem Entlastungsgebiet Gerstunger Mulde. Anhand der in die einzelnen Schnitte eingezeichneten Potentialverteilungen lassen sich zwei wichtige Zusammenhänge verdeutlichen. Der Potentialgradient im Plattendolomitgrundwasserleiter vor Beginn der Versenkung zeigt in den W E orientierten Schnitten S1 bis S3 von Westen ausgehend immer leicht in Richtung Werra. In Schnitt 4 fällt dagegen ein Potentialhoch, d.h. eine lokale Grundwasserscheide zwischen der Gerstunger Mulde und dem Gebiet Eichhorst / Bodesruh auf. Der natürliche Abstrom südwestlich des Potentialhochs erfolgte daher nach SE bis E in Richtung Werratal. Die in Abbildung 3 11 dargestellte räumliche Verteilung des Grundwasserpotentials zeigt den dominierenden Einfluss des Grundwasserneubildungsgebietes im Bereich der Hochlage des Richelsdorfer Gebirges auf den Grundwassergradienten im Plattendolomitgrundwasserleiter. Dagegen tritt das Gebiet Eichhorst / Bodesruh im Bereich des Salzhangs als markante W E gerichtete Tieflage der Grundwasserpotentialverteilung hervor, was ein deutlicher Hinweis auf die im Bereich des Salzhangs ausgebildete Anisotropie der Transmissivität in Richtung der dominierenden natürlichen Abstromrichtung nach E bis SE aus dem Gebiet Eichhorst / Bodesruh in Richtung Werra ist. Wie anhand der Potentialverteilung im Plattendolomitgrundwasserleiter für 2002 (2005) g 1

37 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 37 nachvollziehbar ist (Abbildung 3 2 bis Abbildung 3 5 sowie Abbildung 3 12), entsteht durch den Versenkbetrieb ein ausgeprägtes Potentialhoch im Gebiet Eichhorst / Bodesruh. Die Vorzugsrichtung des Abstroms nach E bis SE in Richtung Vorfluter Werra bleibt erhalten. Die hohen nach N gerichteten Gradienten sprechen für eine effektive Barrierewirkung des Salzhang und Versatzbereichs nördlich von Eichhorst / Bodesruh. Im südwestlichen Bereich des Schnittes S4 ist ein vertikaler Versatz des Plattendolomits gegen die liegenden dichten Untere Letten, Residualtone der Salzauslaugung bzw. Zechsteinsalze dargestellt, der eine hydraulische Barriere darstellt (siehe auch Kapitel 2.1.3). Trotz dieser plausiblen Befunde sei auch hier auf die generelle Unsicherheit bei der Interpretation geologischer Modelle und die Konsequenz für die Prognose der Fließverhältnisse hingewiesen. Einfluss von Störungszonen auf die Grundwasserströmung Aus den Schnitten S1 und S4 geht hervor, dass bzgl. der hydraulischen Kopplung zwischen Plattendolomit und Buntsandstein aufgrund unterschiedlicher Versatzrichtungen an Störungen zwei gegenläufige Effekte auftreten können. So wird im Raum Gerstungen durch die staffelartigen Brüche der Buntsandstein gegen den Plattendolomit versetzt, wodurch in Abhängigkeit der hydraulischen Wirksamkeit der Störung ein direkter hydraulischer Kontakt zwischen beiden Einheiten potentiell hergestellt wird. Dass die Gerstunger Senke als Entlastungsgebiet für den Plattendolomit wirkt, ist sowohl historisch durch Solequellen (Abbildung 2 3) als auch durch die aktuellen Transienten Elektromagnetik Messungen (TEM) belegt. Der Versatz von Plattendolomit gegen die grundwasserstauenden Einheiten im Liegenden des Plattendolomits dokumentiert in Schnitt 4 für den Bereich nördlich Eichhorst / Bodesruh würde einen hydraulischen Barriereeffekt der betreffenden Störungen erzeugen, wie er sich im nach N gerichteten steilen Grundwassergradienten abbildet (siehe obiger Abschnitt "Räumliche Grundwasserpotentialverteilung"). Unter der Annahme, dass die Versatzbeträge korrekt abgeschätzt sind, wurden unseres Erachtens die hydrogeologischen Verhältnisse im Rahmen der hydrogeologischen Modellbildung durch die Bearbeiter plausibel interpretiert. Daraus ist abzuleiten, dass: a) die Grundwasserentlastung des Versenkgebietes Eichhorst / Bodesruh effektiv nach E bis SE in Richtung der nachgewiesenen Entlastungsgebiete des Werratals insbesondere im Raum Dankmarshausen / Heringen erfolgt (siehe Abschnitt "Räumliche Potentialverteilung") und b) ein direkter Abstrom in Richtung NW bzw. Gerstungen unwahrscheinlich oder aufgrund der reduzierten Wegsamkeit über eine Störungszone mit geringer räumlicher Ausprägung mengenmäßig zu gering ist, um die Trinkwasserqualität der Gemeinde Gerstungen auf absehbare Zeit durch in Eichhorst / Bodesruh versenkte Kali Abwässer zu verunreinigen. Die auf Basis der Wasserstandsmessungen und Dichtekorrekturen konstruierte Verteilung der Grundwasserpotentiale unterstützt diese Interpretation. Auch wenn obige Analyse anhand der verfügbaren Daten und Beobachtungen plausibel und damit realistisch erscheint, kann dieses Gutachten, wie bereits angesprochen, aufgrund der räumlich unterschiedlichen Belegdichte keine absolute Klärung herbeiführen. So ist beispielsweise nördlich Eichhorst / Bodesruh die Informationsdichte durch die geringe Zahl an Bohrungen und Messstellen eingeschränkt. Auch die Interpretation der Geometrie der Störungszonen und daran geknüpfte Versatzbeträge können in unterschiedlichem Maße aufgrund der limitierten Daten und der Heterogenität natürlicher Systeme fehlerbehaftet sein. Deutlich wird dies, wie in Abbildung 3 2 oder Abbildung 3 5 sichtbar, an scheinbar widersprüchlichen Versatzbeträgen im Bereich des Zechsteins und an der Grenze zwischen Unterem und Mittlerem Buntsandstein. Erscheinen also z.b. Versatzbeträge in jüngeren Einheiten höher als in älteren Schichten, so kann dies mehrere Ursachen haben:

38 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite Reine Artefakte: a) Unvollständige und ungenaue Plausibilisierung der zugrundeliegenden Belegdaten (Bohrungen, Aufschlüsse, Karten) und Isolinienkonstruktionen b) Workflow zur Flächeninterpolation nicht ausgereift (Qualitätssicherung) 2. Geologische Gründe: a) nicht erkannte Störungen des geologischen Profils in Bohrungen führen zur scheinbaren Profilverkürzung oder dopplung ( verlängerung) mit daraus resultierenden scheinbaren Abweichungen bzgl. der prognostizierten Mächtigkeiten b) im Detail nicht dokumentierte wesentlich komplexere Störungs und Bruchtektonik mit resultierenden komplexen Störungsmustern und differenzierten Bewegungsvektoren einzelner Blöcke Gerstungen Werra v Rechtswert 1.11 Quarlär I 1 Mittlerer Buntsandstein r 1 Unterer Buntsandstein.r3Ca Obere Letten Brikkelschiefer-F Ige [EI Störung Plattendokunit GkV-5 piegel Buntsandstein GIN-Spiegel z3ca vor LYa Versenkung 1.- Inichtekorrigierte Potential- VerteelUng Z3Ca Hydrogering i sches Modell IHU/FIG2D1-11 WASY Abbildung 3 2: Hydrogeologischer Schnitt S1 durch das Modellgebiet basierend auf IHU (2011) und HG (2012). Der Verlauf des Schnittes ist den Abbildungen Abbildung 3 10 bis Abbildung 3 12 zu entnehmen.

39 Strömung, Transport und Verbleib der Salzabwässer aus dem Versenkungsstandort Eichhorst / Bodesruh der K+S Kali GmbH M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite Eichhorst/Bodesruh Projektion: DHDN GK Z3 E 300- Höhe ü NN r Rechtswert 191 Quarter m GW-Spiegel Buntsandstein Mittlerer Buntsandstein GW-Spiegel z3ca vor - Versenkung Unterer Buntsandstein DiCbtelcOrrigierte Potential-,- verteilung z3ca 2002/ r..27e1 Obere Letten Bräckelschlefer-Folge I I 1 Störung Plattendo it Hydrogeologisches Modell IHU/HG/DHI WAST Abbildung 3 3: Hydrogeologischer Schnitt S2 durch das Modellgebiet basierend auf IHU (2011) und HG (2012). Der Verlauf des Schnittes ist den Abbildungen Abbildung 3 10 bis Abbildung 3 12 zu entnehmen. Die laterale Verbreitung des Salzhangs ist durch die Abschnitte SH gekennzeichnet, Zechsteinsalz mit voller Verbreitung als SV und vollständig ausgelaugte Bereiche als SA.

40 Strömung, Transport und Verbleib der Salzabwässer aus dem Versenkungsstandort Eichhorst / Bodesruh der K+S Kali GmbH M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 40 Eic hhorst/bociesruh Projektion; OHDN GK Z3 SH IV 50IF SV SH 1t SA rn Hechlsweri. I tja Gwsplegel guntsandsteln Quartar Gvr-Splegel zgets vor M ittlerer BUntaanditin ' m Versenkung l Unterer Buntsandstein larv-..toi obere Letten eröckelschlefer-folge IPIarte ndol ornit 2:22Z72roMjg ri-7 Störung Hydrageologisches Modell IHUfFIG10-11 WASY Abbildung 3 4: Hydrogeologischer Schnitt S3 durch das Modellgebiet basierend auf IHU (2011) und HG (2012). Der Verlauf des Schnittes ist den Abbildungen Abbildung 3 10 und Abbildung 3 12 zu entneh men. Die laterale Verbreitung des Salzhangs ist durch die Abschnitte SH gekennzeichnet, Zech steinsalz mit voller Verbreitung als SV und vollständig ausgelaugte Bereiche als SA. SW 500 NE Projektion: DHON GK Z3 Eichhorst/Godesruh SH 4 5A Gerstungen.77 _ Werra 290 z,,, Asmono t5610oo ;19011 m ; /4000 A5. Anno Rechtswert eureeried) I, Quartur Mittlerer Buntsandstein BW-Splegel Buntsandstein Y Gitelmel 23Ca vor w ni g Unterer Buntsandstein Obere Letten ildickelschlefennoige eice Plattendolornit 2===gilli.gögStörung Hydrogeologisches Modell WASY Abbildung 3 5: Hydrogeologischer Schnitt S4 durch das Modellgebiet basierend auf IHU (2011) und HG (2012). Der Verlauf des Schnittes ist den Abbildungen Abbildung 3 10 und Abbildung 3 12 zu entneh men. Die laterale Verbreitung des Salzhangs ist durch die Abschnitte SH gekennzeichnet, Zech steinsalz mit voller Verbreitung als SV und vollständig ausgelaugte Bereiche als SA.

41 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 41 Randbedingungen Randbedingungen stellen definierte hydraulische Zustände an den Rändern des mathematischen bzw. numerischen Modells dar. Sie sind so zu wählen, dass alle relevanten Prozesse im Modellgebiet darstellbar und die zugehörigen Gleichungssysteme lösbar sind. Sie sind ferner hydraulisch und in Bezug auf die entsprechenden Stoffflüsse so zu definieren, dass sie gemäß den numerischen Modellanforderungen kontrollierbar und realistisch sind. Generell werden drei grundsätzliche Arten von Randbedingungen unterschieden, die sich sowohl in Bezug auf die Grundwasserströmung als auch den Stofftransport definieren lassen: Randbedingung 1. Art (auch Dirichlet Bedingung): o o Bezüglich der Grundwasserströmung ist das hydraulische Potential zu jeder Zeit vorgegeben und wird durch Anpassung des über den Rand anfallenden Volumenstroms eingestellt. Bezüglich des Stofftransports wird eine Konzentration am Rand vorgegeben und durch Anpassung des Stoffflusses über diesen eingestellt. Randbedingung 2. Art (auch Neumann Randbedingung): o o Bezüglich der Grundwasserströmung ist bei variablem hydraulischen Potential der Volumenstrom über den Rand zu jeder Zeit vorgegeben (Spezialfall No Flow mit Volumenstrom = 0). Bezüglich des Stofftransports ist ein Stofffluss senkrecht über den Rand zu jeder Zeit vorgegeben. Randbedingung 3. Art (auch Cauchy Randbedingung): o o Bezüglich der Grundwasserströmung stellt sie eine Kombination aus 1. und 2. Art dar und ermöglicht einen Volumenstrom in Abhängigkeit der vorhandenen Potentialdifferenz am Rand (Simulation eines Strömungswiderstandes). Diese Randbedingung wird in der Regel für die Kopplung zwischen Oberflächengewässer und Modellgebiet verwendet, wobei der oben genannte Strömungswiderstand eine Funktion der Durchlässigkeit und Mächtigkeit der Grenzschicht ist. Vereinfachend wird dann häufig von Transferrandbedingung gesprochen. Bezüglich des Stofftransports stellt sie eine Kombination aus 1. und 2. Art dar und bewirkt einen vorgegebenen Stofffluss über den Rand in Abhängigkeit der vorgegebenen Konzentration am Rand und der Konzentrationsänderung auf der Modellseite. Auch für die zahlreichen Brunnen innerhalb des Modellgebietes wurden durch IHU (2011) bzw. DHI WASY (2013) Randbedingungen gemäß der dokumentierten Förderung oder Einspeisung implementiert. Für die Außengrenzen des im Auftrag der K+S durch die Firma IHU (2011) erstellten und nachfolgend durch DHI WASY (2013)weitergeführten hydrogeologischen Modells wurden spezifische Randbereiche ausgehalten und durch die entsprechenden Randbedingungen charakterisiert. Neben den nachfolgend ausgeführten Beschreibungen ist die Verteilung der Randbedingungen auch visuell in Abbildung 3 10 und Abbildung 3 12 dargestellt: Westen: Fuldatal/Fulda o regionaler Vorfluter für ca3 und s mit orographischen Höhen zwischen 180 und 200 m NN (vgl. Abbildung 3 10 und Abbildung 3 12: grüner Randverlauf an westlicher Modellgrenze) o Transferrandbedingung (Randbedingung 3. Art) Norden: Richelsdorfer Gebirge

42 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 42 o o Grundwasserneubildungsgebiet für ca3 aufgrund seines Ausstreichens mit orographischen Höhen um 450 m NN. Das Gebiet fällt mit der nördlichen Verbreitungsgrenze des Bundsandsteins zusammen (vgl. Abbildung 3 10 und Abbildung 3 12: gelber Randverlauf an nördlicher Modellgrenze). No Flow Randbedingung (Randbedingung 2. Art) Nordosten: Werra o o regionaler Vorfluter für ca3 und s mit orographischen Höhen um 200 m NN (vgl. Abbildung 3 10 und Abbildung 3 12: gelber Randverlauf an nördlicher Modellgrenze) Transferrandbedingung (Randbedingung 3. Art) Osten: Thüringer Wald o o Grundwasserneubildungsgebiet für ca3 aufgrund seines Ausstreichens mit orographischen Höhen zwischen 600 und 700 m NN. Das Gebiet fällt mit der östlichen Verbreitungsgrenze des Bundsandsteins zusammen (vgl. Abbildung 3 10 und Abbildung 3 12: roter Randverlauf an östlicher Modellgrenze) Hydraulisches Festpotential (Randbedingung 1. Art) Süden: Die Vorder und Kuppenröhn o o Abstrom (Leakage) in den ca3 aus höheren Grundwasserstockwerken, Grundwasserströmung generell in Richtung Werra und Nebenflüsse (vgl. Abbildung 3 10 und Abbildung 3 12: gelber Randverlauf an südlicher Modellgrenze). Orographische Höhen zwischen 600 und 700 m NN. No Flow Randbedingung (Randbedingung 2. Art) Alle anderen Gewässerrandbedingungen: o Transferrandbedingung (Randbedingung 3. Art, vgl. grüne Verläufe auf oberem Modellrand in Abbildung 3 6). 67 Entnahmebrunnen: o Randbedingung 2. Art Die Außenränder des hydrogeologischen Modells sind nach Analyse der Dokumentation von IHU und DHI WASY plausibel und geeignet gewählt, um die wesentlichen Prozesse im betrachteten Gebiet zwischen Eichhorst / Bodesruh, Werra und Gerstungen abzubilden. Hydraulische Parameter Die Stoffausbreitung im Untergrund wird neben der Triebkraft, dem Betrag und der Richtung des hydraulischen Potentialgradienten, im Wesentlichen durch die hydraulischen Eigenschaften des Grundwasserleiters, d.h. die Parameter gesteuert. Die Erhebung dieser hydraulischen Kennwerte erfolgt über hydraulische Bohrlochtests wie, sie im Bericht von HG (2012b) dokumentiert sind sowie über Pump und Injektionsversuche in den verschiedenen Bohrlöchern. Die Injektionen von Salzabwässern erfolgten über Bohrlöcher, die hauptsächlich im Einflussbereich des Salzhanges und Subrosionszonen sowie im Bereich von Störungszonen angelegt sind, d.h. in Zonen höherer Gebirgsdurchlässigkeit. So konnten die Wässer effektiv versenkt werden. Außerhalb dieser Bereiche höherer Durchlässigkeit existieren nur wenige Beobachtungs und Injektionsbohrungen, sodass die Ergebnisse der hydraulischen Tests im Wesentlichen die Durchlässigkeit der höher durchlässigen Bereiche reflektieren. Außerhalb dieser Bereiche existieren nur wenige hydraulische Experimente, was die räumlich verteilte Parametrisierung erschwert. Die Kartendarstellung von Abbildung 3 7 zeigt präferentiell die höheren Durchlässigkeiten im Bereich von Störungszonen und Subrosionsbereichen. Die sicherlich deutlich geringeren Durchlässigkeiten in den Bereichen fernab

43 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 43 des Werratals und der Subrosionszonen sind daher deutlich unterrepräsentiert. Obwohl die Bildung des geometrischen Mittels eine gängige Methode zur Bestimmung der Durchlässigkeit in heterogenen Systemen ist, so überschätzt u. a. der von Plümacher (2008) ermittelte Wert von 2*10 5 m/s als Wert für das Gesamtsystem Plattendolomitgrundwasserleiter die repräsentative hydraulische Leitfähigkeit, da die hohen Werte im Raum der Störungszonen des Werratals, eines Gebiets mit relativ geringem Flächenanteil, den Mittelwert dominieren. Der auf diese Weise abgeleitete Wert genügt wegen der beschriebenen großräumigen Zonierung der Werte Verteilung nicht den geostatistischen Anforderungen. Abbildung 3 6: Verteilung der Gewässerrandbedingungen im Modellgebiet nach IHU (2011), DHI WASY (2013) In den Jahren wurden in größerem Umfang neue Beobachtungsbohrungen abgeteuft. Neben der Einrichtung von Beobachtungsmessstellen für die Messung der Wasserzusammensetzung stand vor allem auch die Durchführung eines umfangreichen Charakterisierungsprogramms zur Ermittlung der hydraulischen Kenngrößen im Vordergrund. In neun Bohrungen wurden WD Tests und Packerversuche im Plattendolomit durchgeführt. Die Durchlässigkeiten variierten zwischen m/s bis 3*10 3 m/s, d.h. um fast 10 Größenordnungen (Abbildung 3 8). Die arithmetisch gemittelte hydraulische Leitfähigkeit variiert immer noch zwischen 3*10 3 und 3*10 7 m/s (Annahme Horizontalströmung, gleiche Testintervalle arithmetische Mittelung). Diese enorme Bandbreite ist charakteristisch für geklüftetporöse und verkarstete Festgesteine und gibt die hydraulischen Eigenschaften der relativ dichten Gesteinsmatrix und der hochdurchlässigen Klüfte bzw. verkarsteten Wegsamkeiten wider. Diese hohe räumliche Variabilität erschwert die Ermittlung von repräsentativen hydraulischen Leitfähigkeiten und bewirkt, dass damit auch die Prognose von Strömung und Stofftransport in Raum und Zeit mit hohen Unsicherheiten behaftet ist. Obwohl seitens K+S sehr viele neue Bohrlöcher abgeteuft und sehr viele hydraulische Versuche durchgeführt wurden wird sich diese systeminhärente Unsicherheit nicht deutlich verringern lassen. Die in Abbildung 3 8 gezeigten Häufigkeitsverteilungen basieren auf Einzelmessungen, die die Grundlage für ein räumlich verteiltes Parameterfeld der hydraulischen Leitfähigkeit sind. Es ist die Aufgabe von Hydrogeologen, die Punktmessungen in entsprechende Flächendaten umzusetzen, was beispielsweise in Abbildung 3 9 dargestellt ist. Informationen über die Genese des Salzhangs und der damit verbundenen Verkarstung des Plattendolomits (vgl ) tragen dazu bei, die Punktinformation zu regionalisieren. Deutlich tritt die erhöhte Durchlässigkeit im Bereich des Salzhangs (siehe Kap ), der Subrosionsbereiche in den

44 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 44 Tälern der Ulster und Werra im Parameterfeld des Plattendolomits hervor (Abbildung 3 9). Die Transportgeschwindigkeit wird neben dem Betrag des hydraulischen Gradienten und der hydraulischen Leitfähigkeit insbesondere auch durch die effektive (durchflusswirksame) Porosität bestimmt. Die effektive Porosität ist die zentrale Größe zur Abschätzung der Speicherkapazität des Plattendolomits für die verpressten Salzabwässer. Die Bestimmung dieser Kenngröße erfolgt in der Regel über sog. Markierungsversuche, mit denen die Transportgeschwindigkeiten gemessen und invers die effektive Porosität bestimmt werden kann. Abbildung 3 7: Hydraulische Parametrisierung des Plattendolomits (K+S, 2011). Die rot markierten Punkte sind die Lokationen von Bohrlochversuchen mit der gemessenen hydraulischen Leitfähigkeit in m/s. In der Literatur (zitiert in Plümacher, 2008) variieren die Porositäten für den Plattendolomitgrundwasserleiter zwischen < 3% und > 15%. Von den verschiedenen Autoren werden durchflusswirksame (effektive) Porositäten von ca. 10% angenommen, die hauptsächlich auf Laborbestimmungen an kleinskaligen Gesteinsproben, sowie aus Feldexperimenten im Bereich des Salzhanges beruhen. Wie oben erwähnt, dominieren auch hier die Messstellen im Vorfluterbereich. Markierungsversuche, die eine bessere Abschätzung dieser wichtigen Kenngröße erlauben, existieren zu unserer Kenntnis nicht. Es ist davon auszugehen, dass die hohen Porositätswerte nur für die Umgebung von Störungen, im Salzhang und Vorfluterbereich gelten, an den Orten an denen jüngere Verkarstung in Aufstiegsbereichen stattfinden konnte. Erhöhte Löslichkeit durch den Ionenstärkeeffekt dürfte hier zu einer verstärkten Verkarstung beigetragen haben. Gängige Erfahrungswerte für effektive Kluftporositäten für tiefe Festgesteine bewegen sich im Bereich < 3%. Für eine zuverlässige Prognose der Grundwasserströumung und des Stofftransports ist die Ermittlung hydraulischer Parameter im flächenmäßig dominierenden Bereich der Höhenlagen dringend erforderlich. Um möglichst repräsentative Aussagen über den Transport von Salzabwässern im Werra Kali Gebiet machen zu können, ist es erforderlich Feldexperimente durchzuführen. Da groß

45 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 45 skalige Bohrlochzirkulationsversuche wegen der schwierigen technischen Durchführung (große Teufen) und langer Transportzeiten, sowie des unsicheren Erfolgs der Experimente (hohe Verdünnung der Tracersubstanzen) sehr selten sind, muss man die entsprechenden Informationen aus Laborexperimenten bestimmen. Die kleinskaligen Laborversuche sind jedoch lediglich Punktmessungen und aus diesem Grund hoher Variabilität und damit Unsicherheit unterworfen (Maßstabseffekt). 1E-12 1E-11 1E-10 1,E-09 1E-08 1E-07 1E-06 1E-05 1E-04 1E-03 1E-02 Hydraulische Leitfähigkeit (m/s) Abbildung 3 8: Hydraulische Parametrisierung des Plattendolomits (K+S, 2011). Ergebnisse von WD Tests aus Bohrlochversuchen (Datenquelle: HG, 2012b). Alternativ können chemische Inhaltsstoffe im injizierten versenkten Salzabwasser, z.b. beim Aufbereitungsprozess zugesetzte Additive, als Markierungsstoffe dienen. Voraussetzung dabei ist, dass die betreffenden Stoffe keine oder nur geringe Hintergrundkonzentrationen im geförderten Wasser aufweisen und dass diese Stoffe im Abstrom und an den relevanten Austrittspunkten gemessen werden. Es ist den Autoren nicht bekannt inwieweit derartige Informationen vorliegen. Von den Bearbeitern des Grundwassermodells Werra Kali 2013 wurden für die effektive Porosität des Plattendolomitgrundwasserleiters, bis auf den Bereich südlich Eichhorst / Bodesruh, 5% und homogene Bedingungen angenommen. Aufgrund der faziellen räumlichen Änderungen und der Überprägung durch tektonische und Verkarstungsprozesse ist jedoch von heterogenen Verhältnissen auszugehen, die jedoch bedingt durch fehlende Daten nicht darstellbar sind. Wie bereits ausgeführt, ist die Datenlage nur bedingt belastbar, da keine systematische Untersuchung und Unsicherheitsbetrachtung vorliegt. Die räumlich gemittelte effektive Porosität von geklüfteten / verkarsteten Festgesteinen (Karbonat) beträgt im Mittel ca. 2% wobei diese Porosität von der Porosität der Gesteinsmatrix dominiert wird. Verkarstete Bereiche erhöhen in solch tiefen Aquifersystemen die Gesamtporosität nur unwesentlich, wohl aber die hydraulische Leitfähigkeit. Transportgeschwindigkeiten variieren nach Skowronek (1999) zwischen 0,3 und 1 km/a, be

46 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 46 rechnet auf der Basis von Ankunftszeiten in Grundwassermessstellen (Annahme radial divergenter Konfiguration der Tracerausbreitung). Nach Kenntnisstand der Autoren wurde nicht versucht, aus diesen Auswertungen eine räumlich gemittelte effektive Porosität zu ermitteln. Abbildung 3 9: Parameterfeld der hydraulischen Leitfähigkeit im Plattendolomit (K+S, 2013; Werra Modell) Potentialfeld und Strömungsdynamik Bei der Beurteilung der Ausbreitung von Salzabwässern im Untergrund kommt der Potentialverteilung besondere Bedeutung zu. Über den Vektor des Potentialgefälles lassen sich Betrag und Richtung der Triebkraft für die Grundwasserströmung und damit, zusammen mit weiteren Größen, die Fließgeschwindigkeit und Strömungsrichtung bestimmen. Das hydraulische Potential wird gesteuert durch die Bilanz der mechanischen Energie in einem Einheitsvolumen Wasser, den Grundwasserfließgesetzen (z.b. Darcy, Darcy Weisbach, Hagen Poiseuille, etc.), der Intensität und der räumlichen Verteilung der Quell und Senkenterme (Grundwasserneubildung, Entnahme und Injektion über Brunnen, etc.) und den hydraulischen Randbedingungen. Die hydraulischen Randbedingungen und deren Bedeutung im betrachteten Raum werden in Kapitel vorgestellt. Abbildung 3 10, Abbildung 3 11 und Abbildung 3 12 zeigen die räumliche Potentialverteilung im Buntsandstein und Plattendolomitgrundwasserleiter. Abbildung 3 12 berücksichtigt die aufgrund der hohen Salzgehalte dichtekorrigierten Potentiale. Während Abbildung 3 10 die räumliche Potentialverteilung im Buntsandsteingrundwasserleiter darstellt, zeigen Abbildung 3 11 und Abbildung 3 12 die Verhältnisse im Plattendolomitgrundwasserleiter für die Zeit vor der Versenkung (Abbildung 3 11) sowie unter Berücksichtigung der Dichtekorrektur für das Jahr 2002 (Abbildung 3 12). Die Zahl der Grundwassermessstellen in Plattendolomit und Buntsandsteingrundwasserleitern ist unterschiedlich dicht belegt mit entsprechenden Auswirkungen auf die Aussagekraft der Potentiallinienpläne. In der Regel werden für die Erstellung solcher Potentiallinienpläne

47 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 47 Stichtagsmessungen verwendet. Nach Kenntnisstand der Gutachter wurden jedoch für die genannten Potentiallinienpläne Mittelwerte verwendet, was aufgrund der starken Schwankungen im Umfeld der Versenkungsstandorte als problematisch zu bezeichnen ist. Seit ca. 5 Jahren liegen kontinuierliche Messungen über Drucksonden, z.t. aus Sohldruckmessungen vor, die bereits die Dichteabhängigkeit des hydraulischen Potentials berücksichtigen. Daraus können entsprechende Stichtagsmessungen erstellt werden, mit der Einschränkung, dass die Messstellendichte zuverlässig ausgebauter Messstellen gering und damit die Belastbarkeit der resultierenden Potentiallinienpläne reduziert ist. Abbildung 3 10: Grundwasserpotentialverteilung im Buntsandsteingrundwasserleiter und äußere Randbedingungen des Modellgebietes nach IHU (2011)/HG (2012)/DHI WASY (2013). Die Linien S1 bis S4 verweisen auf die hydrogeologischen Schnittdarstellungen in Abbildung 3 2 bis Abbildung 3 5 (3.2.1). Die unterschiedlichen Arten der Randbedingungen (RB) sind farblich markiert: gelb no flow RB (RB 2. Art), grün Transfer bzw. Gewässer RB (RB 3. Art), rot Festpotential im östlichen Ausstrichbereich des Plattendolomits (RB 1. Art). Die Potentiallinienpläne für die Zeit vor dem Beginn der Versenkungsaktivität (Abbildung 3 10 und Abbildung 3 11) berücksichtigen nicht die dichtegetriebene Strömung der hochsalinen Salzabwässer. Obwohl die Dichteströmung in einigen Fällen großen Einfluss auf die Ausbreitung von hochsalinen Wässern haben kann, stellt sich immer noch die Frage, inwieweit diese neben der advektiven (potentialgetriebenen) Stoffausbreitung von dominanter Bedeutung sein kann. Diese Frage kann in dem hier vorliegenden Fall mit komplexer Aquifergeometrie nur mit numerischen Methoden beantwortet werden. Trotz dieser Einschränkungen erlauben die vorliegenden Potentiallinienpläne von Buntsandstein und Plattendolomitgrundwasserleitern einige grundsätzlichen Aussagen, insbesondere die aus dem Jahr 2002, in dem der Betrieb der Versenkung im Bereich der Gerstunger Mulde noch aktiv war, und im Raum Eichhorst / Bodesruh noch mit höheren Verpressraten versenkt wurde. Die entsprechenden hydraulischen Gradienten werden dadurch akzentuierter und Strömungs und Transportrichtungen lassen sich verlässlicher für Bedingungen der anthropogenen Beeinflussung durch Salzabwässer ableiten. Die Potentialverteilung im Buntsandstein ist geprägt durch die Grundwasserneubildung und

48 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 48 die Abstrom /Entlastungsbereiche Werra und Fulda und bildet die Topographie und damit das kleinskalige Gewässernetz nach. In den zentralen Hochbereichen werden die höchsten Potentiale gemessen, die in Richtung der Vorfluter Fulda und Werra abnehmen. Abbildung 3 11: Grundwasserpotentialverteilung im Plattendolomit und äußere Randbedingungen im Modellgebietes nach IHU (2011)/HG (2012)/DHI WASY (2013). Die Linien S1 bis S4 verweisen auf die hydrogeologischen Schnittdarstellungen in Abbildung 3 2 bis Abbildung 3 5 (3.2.1). Die unterschiedlichen Arten der Randbedingungen (RB) sind farblich markiert: gelb no flow RB (RB 2. Art), grün Transfer bzw. Gewässer RB (RB 3. Art), rot Festpotential im östlichen Ausstrichbereich des Plattendolomits (RB 1. Art). Abbildung 3 11 skizziert die Potentialverteilung im Plattendolomitgrundwasserleiter vor der Beeinflussung durch die Versenkungsaktivitäten ohne die Berücksichtigung der Dichtekorrektur. Abbildung 3 12 zeigt die dichtekorrigierte Potentialverteilung im Plattendolomitgrundwasserleiter. Die Zahl der Messstützpunkte ist deutlich geringer als die der Beobachtungsmessstellen im Buntsandsteingrundwasserleiter und der Potentiallinienplan des Plattendolomits ist deshalb deutlich weniger differenziert. Nichtsdestotrotz erlaubt er die Identifizierung der grundsätzlichen Strömungs und Transportkonfiguration, die durch die Versenkung der Salzabwässer erzeugt wurde. Basierend auf dem hydraulischen Potentialfeld breiten sich die Salzabwasserlösungen, ausgehend von den Versenkungsstandorten Eichhorst / Bodesruh, Hattorf, Philippsthal und Gerstungen in direkter Richtung zum zentralen Vorfluter Werra und Fulda und weiterer Fließgewässer und Quellen entlang der steilsten Gradienten aus. Diese grundsätzlichen Schlussfolgerungen decken sich mit denen aus den Berichten von Skowronek (1999) und Käbel (2006) und den Kommentaren und Diskussionen aus den diversen Berichten des HG Büro für Hydrogeologie und Umwelt GmbH. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass dabei die Dichteabhängigkeit nicht berücksichtigt wurde und das Potentialfeld das möglicherweise deutlich abweichende Potential aufgrund des Ef

49 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 49 fekts hochdurchlässiger Wegsamkeiten nicht widerspiegelt (siehe auch Kapitel 2.1.3). Fieritipss PhIllipsth 1 Abbildung 3 12: Dichtekorrigierte Grundwasserpotentialverteilung im Plattendolomit (Stand 2002, ergänzt 2005) und äußere Randbedingungen im Modellgebietes nach IHU (2011)/HG (2012)/DHI WASY (2013). Die Linien S1 bis S4 verweisen auf die hydrogeologischen Schnittdarstellungen in Abbildung 3 2 bis Abbildung 3 5 (3.2.1). Die unterschiedlichen Arten der Randbedingungen (RB) sind farblich markiert: gelb no flow RB (RB 2. Art), grün Transfer bzw. Gewässer RB (RB 3. Art), rot Festpotential im östlichen Ausstrichbereich des Plattendolomits (RB 1. Art). Es ist ferner zu beachten, dass nur wenige Informationen zur Potentialverteilung nördlich des Versenkungsgebietes Eichhorst / Bodesruh vorliegen und deshalb die Aussagen zu Abstrombedingungen in diesem Raum rein auf der Basis von Potentialverteilungen wenig belastbar sind. Zusammen mit weiteren Überlegungen zur Durchlässigkeitsverteilung und Informationen aus der hydrogeochemischen Zusammensetzung der austretenden Grundwässer lassen sich jedoch einige grundsätzlichen Schlussfolgerungen zu den Strömungsverhältnissen ziehen. Für den genannten Stand 2002 der dichtekorrigierten Potentialverteilung wird eine Ergänzung für 2005 angegeben (IHU, 2011). Inwieweit die durch IHU (2011) und HG (2012) erarbeiteten Potentialverteilungen insbesondere im Plattendolomitgrundwasserleiter realistisch sind, kann nicht eindeutig eingeschätzt werden, da aufgrund der unterschiedlichen Datendichte in Plattendolomit und Buntsandsteingrundwasserleitern die Belegdichte unterschiedlich und somit mit lokalen Unsicherheiten behaftet ist. Es darf jedoch vorausgesetzt werden, dass entsprechendes Expertenwissen bei der Konstruktion der Hydroisohypsenpläne durch die beteiligten Unternehmen einging und die präsentierte Modellvorstellung als realistisch eingestuft werden kann. Eindeutig nachvollziehen lässt sich die verwendete Herangehensweise anhand der verfügbaren Dokumentationen (IHU, 2011 und HG, 2012) jedoch nicht. Dies betrifft a) sowohl die Ermittlung des Zustandes vor der Versenkung als auch b) den dichtekorrigierten Stand 2002.

50 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 50 Sutroslarnsenten Hoegaelelikiniage A1i51Üäs liainenthakirni En tiniung mogcblal yexuardeaelneussz Endaelungszablel Epe[IEFri biminiasst '33 1 *ha 1 Abbildung 3 13: Strömungsdynamik im Plattendolomit (IHU, 2011) In der bisherigen gutachterlichen Diskussion (HLUG, 2007; div Gutachten Dr. Krupp, HG 2012a und 2012b) wird immer wieder angeführt, dass Beobachtungsbohrungen (z.b. Messstellen 3570 (Obersuhl 5/2011), 883 (Bad Hersfeld 1), 725 (Herda 4/79)) auf die, aufgrund von Versenkoperationen erhöhten und zeitlich variablen, Verpressdrucke in den verschiedenen Versenklokationen reagieren. Eine hydraulische Reaktion auf die Variabilität in den Versenkdrucken zeigt nicht notwendigerweise eine Transportverbindung an. Auf der anderen Seite schließt eine fehlende hydraulische Reaktion nicht notwendigerweise eine Transportverbindung aus. Die Druckreaktion (Amplitude und zeitliche Verzögerung) wird gesteuert durch die hydraulischen Parameter hydraulische Leitfähigkeit und den Speicherkoeffizienten, d.h. die hydraulische Diffusivität, die durch den Quotienten K/S dargestellt wird. Die Grundwasserpotentiale in den Festgesteinsgrundwasserleitern reagieren mit einer ausgeprägten Dynamik auf die Versenkungsaktivitäten in den verschiedenen Standorten. Dies bedeutet, dass in einer höheren Zahl von Beobachtungsmessstellen die Potentiale mit einem Anstieg auf gesteigerte Verpressraten und einem schnellen Abklingen der erhöhten Potentiale auf abnehmende Verpressraten reagieren. Diese Reaktion lässt auf hohe hydraulische Diffusivitäten schließen, die sehr charakteristisch für das hydraulische Verhalten diskreter, hochdurchlässiger Wegsamkeiten sind. Die hohen hydraulischen Diffusivitäten von Festgesteinsgrundwasserleitern sind die Ursache für die unmittelbare und weitreichenden Reaktionen in den verschiedenen Beobachtungsmessstellen besonders im Plattendolomitgrundwasserleiter. Im Zusammenhang mit der großskaligen Parametrisierung der hydraulischen Parameter im Plattendolomit können die hydraulischen Reaktionen in Beobachtungsmessstellen auf Po

51 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 51 tentialerhöhungen in den Verpressbohrungen gut verwendet werden für die großskalige (km Maßstab) Bestimmung der hydraulischen Diffusivität und bei Annahme des Speicherkoeffizienten könnten daraus die räumlich gemittelten hydraulischen Leitfähigkeiten abgeleitet werden (Jimenez et al., 2014; Brauchler et al., 2011). Entscheidend für die Beurteilung der Transportrichtung sind jedoch nicht die hydraulischen Reaktionen sondern primär der hydraulische Gradient und die Anisotropie (Richtungsabhängigkeit) der hydraulischen Leitfähigkeit. Im Raum des Versenkstandorts Eichhorst / Bodesruh ist der steilste hydraulische Gradient W E in Richtung Werratal orientiert. Es ist ferner davon auszugehen, dass das Anisotropie Ellipsoid der hydraulischen Leitfähigkeit und damit auch die Richtung der höchsten Durchlässigkeit aufgrund der Verkarstungsvorgänge im Plattendolomit im Bereich des nördlichen Salzhanges ebenfalls W E gerichtet ist. Aus diesen Gründen ist eine W E gerichtete Transportrichtung, ausgehend vom Injektionsstandort Eichhorst / Bodesruh in Richtung Dankmarshausen, parallel der Orientierung der vermuteten Wegsamkeiten im Bereich des Salzhangs gut belegt. Diese Schlussfolgerung schließt jedoch nicht weitere potentielle Transportrichtungen aus, z.b. ausgehend von Eichhorst / Bodesruh E W in Richtung Breitzbachs Mühle und NW SE in Richtung Heringen. Eine weitere Diskussion zur Transportrichtung erfolgt unter Kapitel 3.2.2, wobei hier weitere Kriterien, wie die lokalen Potentialverteilungen und Messungen des geoelektrischen Widerstands als Indikator für erhöhte Salinitäten in den Porenwässern herangezogen werden. Die Analyse auf der Basis hydraulischer Überlegungen (räumliche Potentialverteilung, räumliche Verteilung der hydraulischen Kenngrößen, ohne hydrogeochemische Informationen) lässt deshalb eine erste Schlussfolgerung zu, dass die in Abbildung 3 13 vorgestellte Strömung und Transportkonfiguration mit den Austrittstellen, plausibel die natürlichen Vorort Verhältnisse widergibt. Dies betrifft insbesondere die Position der Hauptentlastungstellen im Werratal Hydrogeologisches Detailmodell im Raum Berka Gerstungen auf der Basis von Messungen des Gesteinswiderstands und hydrodynamischer Überlegungen Wichtige Hinweise über die Präsenz von Salzwässern kann die geophysikalische Messung des Widerstands des Untergrunds mit elektromagnetischen (EM) Methoden liefern. Der Spezifische Widerstand des Gesteinsmaterials wird nach dem Archie Gesetz im Wesentlichen, neben dem Gesteinsmatrixwiderstand, vor allem durch das Porenfluid bestimmt. Geringe Widerstände sind charakteristisch für Gesteine mit hochkonzentrierten Porenfluidlösungen und der, besonders Tonsteinmaterialien kennzeichnenden Oberflächenladungen. Bereits in Abbildung 1 1 wurde gezeigt, inwieweit aus geoelektrischen TEM Messungen aufgrund der geringen Widerstände der Salzabwässer, auf den Werratal Raum als Abstrom (Entlastungs ) gebiet für Versenkwässer geschlossen werden konnte. Ein inhärentes Problem von geoelektrischen Widerstandsmessungen ist das Problem der Mehrdeutigkeit in der Interpretation, d.h. es ist ohne weitere begleitende Untersuchungen nicht möglich zu unterscheiden, inwieweit der Widerstandseffekt durch das Porenfluid oder die Gesteinsmatrix bestimmt wird. So können Gebiete, die von Tonsteinen dominiert werden ebenfalls geringe Widerstände aufweisen. Ein weiteres Problem ist die limitierte Eindringtiefe der Messtechnik, d.h. in weiten Bereichen kann die Methode nicht die Horizonte des Unteren Buntsandstein noch die des Plattendolomitgrundwasserleiters erreichen. Ferner ist zu beachten, dass die Messung eine Mittelung des Effekts der Geometrie und der jeweiligen Spezifischen Widerstände des überlagernden Deckgebirges darstellt, was wiederum zur Mehrdeutigkeit in der Interpretation beiträgt. Zusammen mit weiteren Informationen zur Geometrie der Grundwasserleiter und des Deckgebirges kann diese Mehrdeutigkeit deutlich reduziert werden.

52 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 52 Die jüngste geoelektrische Befliegung des Werra Gebiets (SkyTEM Messungen), interpretiert von K+S (2012) und kommentiert von HG (2013), zeigt das Auftreten markanter Anomalien niedriger spezifischer Widerstände (Abbildung 3 14, Abbildung 3 15). Abbildung 3 14 zeigt die TEM Kartierung im oberflächennahen Bereich (5 10 m u. GOK), d.h. erschließt im Wesentlichen die Horizonte des seichten Buntsandsteingrundwasserleiters und der jungen quartären Ablagerungen, und Abbildung 3 15 zeigt den gemittelten Effekt der Widerstandsanomalien zwischen 0 und ca. 280 m u. GOK. Diese Anomalien wurden von K+S (2012) folgenden potentiellen Ursachen zugeordnet: Anomalie 1: Versenkung Kleinensee im Zeitraum bzw. höher mineralisierte natürliche Subrosionsgrundwässer und / oder tonige Horizonte im Liegenden des Buntsandsteins im Bereich des Salzhangs, Anomalie 2: Höher mineralisierter Abfluss aus Rückstandshalden Wintershall und evtl. Einflüsse von Salzabwasserversenkungen aus dem Raum Eichhorst / Bodesruh im Gebiet Kleinensee, Anomalie 3: Aufstieg von Salzwässern und versenkten Salzabwässern aus der Versenkung im Raum Eichhorst / Bodesruh und früheren Salzabwasserversenkungen, Anomalie 4: Hoch mineralisierte natürliche Subrosionsgrundwässer aus dem Buntsandstein der Gerstunger Mulde und Beeinflussung durch die ehemalige Versenkung in der Gerstunger Mulde (Bohrung Hy Gerstungen 1/2008), Anomalien 5 und 6: Im Bereich des Zusammentreffens einer regionaler Störungszone und des Werratals streichen die bzgl. des Plattendolomits liegenden und hangenden tonigen Horizonte aus. Ferner können hochmineralisierte Formationswässer aus dem Plattendolomit zu verringerten elektrischen Widerständen führen. Diese Interpretationen erscheinen plausibel und sind konform mit der Analyse der kleinräumigen Potentialverteilung im Raum Gerstungen Dankmarshausen Heringen, wie sie in Abbildung 3 14 und Abbildung 3 15 dargestellt sind und der daraus abgeleiteten Strömungsrichtungen. Im Untersuchungsgebiet (Raum Gerstunger Mulde) stammt die Grundwasserneubildung aus den höher gelegenen Buntsandsteingebieten (u. a. Skowronek et al. 1999). Das im Buntsandstein gespeicherte, generell niedrig mineralisierte Grundwasser wird teilweise für die Trinkwassergewinnung genutzt. Topographische Höhen erreichen im Untersuchungsgebiet etwa 300 bis 400 m NN, während sich das Werratal auf ca. 200 m ü NN befindet (Pegel Gerstungen: 203 m ü NN). Durch Subrosion beeinflusste und strukturell tiefer liegende Bereiche in der Gerstunger Mulde sind durch das Vorkommen natürlicher Salzwässer (z.b. Quelle Salzrasen, Quelle Kratzeroda) gekennzeichnet. Die Salzwasser Süßwassergrenze schwankt in der Regel zwischen 200 und 175 m ü NN (K29 der Gerichtsakte, Stellungnahme HLUG v ). Die Dankmarshausener Werraschleife und der an die Werra angekoppelte Bereich der Bilstein Sallmannshausen Lauchrödener Störungszone agieren dabei vermutlich als wichtigste Entlastungsgebiete für die tiefen Plattendolomit und Buntsandsteingrundwasserleiter.

53 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 53 1 Lt 5 t! 9 e E z E z Abbildung 3 14: Grundwasserpotentialverteilung im Buntsandstein und Verteilung der spezifischen Widerstände im Buntsandsteingrundwasserleiter. Grundlage sind die scheinbaren Widerstände in einem Tiefenintervall zwischen 5 und 10 m unter Gelände. Die in Abbildung 3 14 und Abbildung 3 15 dargestellte Grundwasserströmung im Plattendolomit Buntsandsteingrundwasserleitersystem unterstützt die bereits in Kapitel ausschließlich auf der Basis der Grundwasserhydraulik formulierte Modellvorstellung des Abstroms der Salzabwässer aus dem Plattendolomit im Raum Eichhorst / Bodesruh in Richtung Werraschleife Dankmarshausen.

54 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 54 m -5! T,..7. -A' e_ 3 e!2 1 g,? ị. e 2 y- p_ u 2 1 Z. 2 4 äi a g il. 0.11; it ee!g' g.z' j -' 72 P.-", ' C ö 13 p_ r ge, 7. e'.,-2 f;.1-2 & 2. 2' 1 I? e2 2 2 Z 6 e A e 5' 1 e el 2 il' 2 :iä e 2 2 " e,. f i, E / 4 2 E ; -- i' 4'; ie - zi Ive i '-' 1.1:i e - e 31 L.. t 2 ;: E 2 1 uj - ä r '63 eit Z2 4.). 0;N1P ägelp.,..g e gi t11113 I w!a g.51 2 ä tem te i8.1,9-e 1 ge- 2 W e o 2 ie 75 w,.. r o. _, I] mi 1 j 0 0, 3-9: n c...x...2 v _.. Lu z M4N !t r i, 1,, t 2 Y.- e, f, i.: -, J.. Z 5 z'ä e rjr3, z'ä K.5 AkiiengaseKschafl 0 T,r>0 -,r o,r N, 0 00 (S) e e 0, th 00 0 rg.net,5 Abbildung 3 15: Grundwasserpotentialverteilung im Plattendolomit und Verteilung der spezifischen Widerstände im Plattendolomitgrundwasserleiter. Grundlage sind die scheinbaren Widerstände in einem Tiefenintervall bis 280 m unter Gelände. Dabei spielt nach Einschätzung der Gutachter neben dem Potentialgradienten besonders die Richtungsabhängigkeit der hydraulischen Leitfähigkeit, die aufgrund der vertikalen Versätze und Verkarstungseffekte parallel zum Salzhang in W E Richtung im Vergleich zur S N Richtung deutlich höher sein dürfte. Wie bei allen natürlichen Systemen sind auch hier die Aussagen, aufgrund der geringen Zahl an Grundwassermessstellen mit entsprechender Unsicherheit behaftet. Hierzu wird in Kapitel näher Stellung genommen.

55 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite Modelle und Daten kritische Beurteilung der Methoden zur Prognose der Salzabwasserausbreitung Bei der Beurteilung der Beeinflussung von Trinkwasserressourcen durch die Versenkung von hochsalinen Salzabwässern nehmen mathematische Prognosemodelle eine wichtige Rolle ein. Mathematische Modelle erlauben die prozessbasierte Konsistenzprüfung verschiedener Beobachtungen und die Simulation komplexer Vorgänge in einem heterogenen Parameterfeld, sie setzen qualitative und halbquantitative Einschätzungen in quantitative Aussagen um und sie erlauben unter Annahme verschiedener Randbedingungen und Entwicklungen die Prognose zukünftiger Zustände des Systems im vorliegenden Fall die Konzentrationsentwicklung der Salzabwässer in Raum und Zeit. Nicht umsonst wurde seitens der Genehmigungsbehörden großen Wert auf die Entwicklung eines belastbaren Prognosemodells als Grundlage für Genehmigungen zur weiteren Versenkung von Salzabwasser durch die K+S gelegt. Dabei ist zu bedenken, dass ein mathematisches Modell nur eine Realisation eines extrem vereinfachten Abbildes des natürlichen Systems darstellt. Demzufolge sind die Aussagen aus einem Modell mit einer Reihe von Unsicherheiten behaftet. Diese umfassen: a) Die Modellunsicherheit, d.h. das Modell muss die wesentlichen Charakteristika und die für die gewünschte Fragestellung erforderlichen Prozesse nachbilden können, b) die Prozessunsicherheit, d.h. die wesentlichen Prozesse müssen identifiziert und in ihrer relativen Bedeutung eingeordnet werden können, c) die Unsicherheit im hydrogeologischen Modell, d.h. die grundlegenden geometrischen Verhältnisse und die Strömungskonfiguration im Grundwasserfließsystem müssen à priori verstanden sein, d) die Unsicherheit in den hydraulischen und Transport Parametern, d.h. die natürliche Variabilität in den Kenngrößen des Systems, müssen in ihrer Bandbreite und damit in ihrem Einfluss auf die Unsicherheit quantifizierbar sein. Als Konsequenz aus diesen Unsicherheits Komponenten in ihrer Gesamtheit ergibt sich, dass sämtliche Aussagen, die auf Ergebnissen aus den Modellsimulationen natürlicher Systeme resultieren, keine absoluten Schlussfolgerungen zulassen. Im Folgenden soll auf diese Unsicherheiten in Bezug auf Modell und Modelldaten im Detail eingegangen werden und die resultierenden Auswirkungen auf die abschließenden Schlussfolgerungen beurteilt werden. Hydrogeologisches Modell Limitierungen Wie bei allen natürlichen Systemen, bleibt bei deren Beurteilung in Bezug auf deren zukünftiges Verhalten, eine Restunsicherheit. Unsicherheiten über die genauen Verhältnisse am Standort bleiben auch nach intensiven Voruntersuchungen bestehen. Die Unsicherheiten im Hydrogeologischen Modell bestehen im Wesentlichen im Grundverständnis ungeklärter Strömungs und Transportverhältnisse, die durch die geometrischen Verhältnisse des Aufbaus des Grundwasserleitersystems, bestehend aus Grundwasserleitern und Geringleitern, den hydraulischen Eigenschaften (Kennwerte, Parameter), relevante Strömungs und Transportprozesse und schließlich durch die Verteilung des hydraulischen Potentials in Raum und Zeit bestimmt werden. Im folgenden soll auf einige dieser Unsicherheiten im Einzelnen eingegangen werden: - Unsicherheit in der hydrogeologischen Modellvorstellung Vor der Erstellung eines mathematischen Grundwassermodells ist es erforderlich, die grundsätzlichen Strömungs und Transportverhältnisse im Grundwasserleitersystem zu verstehen,

56 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 56 d.h. eine hydrogeologische Modellvorstellung zu entwickeln. Ein hydrogeologisches Modell integriert die qualitativen und halbquantitativen Informationen in einer konsistenten Modellvorstellung, die die verschiedenen Beobachtungen im wesentlichen erklärt. Ein fehlerhaftes hydrogeologisches Modell stellt den größten Unsicherheitsfaktor bei der Prognose der Salzwasserausbreitung im Plattendolomit Buntsandsteingrundwasserleitersystem dar. Im vorliegenden Fall betrifft dies konkret die Diskussion, inwieweit Störungszonen zwischen dem Versenkungsstandort Eichhorst / Bodesruh und evtl. erhöhte Durchlässigkeiten des Plattendolomitgrundwasserleiters im Bereich des Salzhanges eine direkte Verbindung in Richtung Trinkwasserversorgung darstellen. - Prozessunsicherheit: Strömungsprozesse, Hydrochemische Prozesse Im Zusammenhang mit der Ausbreitung von Salzabwasser entzündet sich häufig die Diskussion daran, inwieweit die Dichteströmung, neben stark advektiv dominierter Strömung von Relevanz ist. Diese Frage kann nur durch zusätzliche Informationen bzgl. der Grundwasserfließgeschwindigkeit, ein Ergebnis eines Grundwasserströmungsmodells, beantwortet werden. Das mathematische Modell liefert die räumliche Verteilung der Grundwasserfließgeschwindigkeit und damit Informationen zur relativen Bedeutung dieser beiden Prozesse für die Stoffausbreitung. Auch die hydrochemischen Verhältnisse im Grundwasserleiter können Einfluss auf das Ausbreitungsverhalten der Salzabwässer haben. Dabei können prinzipiell alle Typen von Reaktionen, chemischen, biochemischen, geochemischen und elektrochemischen, zwischen der Vielzahl der vorhandenen Komponenten im Fluid der Klüfte und der Matrix sowie im Festgestein selbst relevant sein. Da das hydrochemische Milieu im Grundwasserleiter nur annähernd bekannt ist bleibt auch hier eine Restunsicherheit. Auch für hydrochemische Prozesse sind die bestimmenden Parameter im relevanten Maßstab in der Regel nicht bekannt. Üblicherweise besteht eine starke Abhängigkeit der Parameter nicht nur vom umgebenden Milieu sondern auch von Druck und Temperatur. - Parameterunsicherheit: Hydraulische Kennwerte und Transportparameter Die Kennwerte, die das Fließverhalten im Grundwasserleiter bestimmen, sind in der Regel nur unzureichend bekannt. Insbesondere handelt es sich dabei um die Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeit, der (effektiven) Porosität, sowie des Speicherkoeffizienten. Testverfahren, wie Pumpversuche, liefern punktuelle Informationen, die jedoch nur für einen gewissen Maßstabsbereich gültig sind. Die Messwertdichte ist in der Regel, auch bei gut untersuchten Systemen, zu klein. Hohe Variabilität und hohe Kontraste der Parameter bedingen eine nie ganz auszuschließende Prognose und Planungsunsicherheit. Mit Stofftransport werden die Prozesse zusammengefasst, die die zeitlich räumliche Verteilung eines Inhaltsstoffs, also i.d.r. einer chemischen Komponente, bestimmen. Neben dem Strömungsfeld, das oben bereits behandelt wurde, sind das die Prozesse der Advektion, Diffusion und Dispersion. Die zugehörigen Parameter (effektive Porosität, longitudinale und transversale Dispersivität, molekulare Diffusion) sind in der Regel nur mittels einer Testauswertung oder einer inversen Modellierung zu bestimmen. Beide erfordern nicht unerheblichen Messaufwand, um zu einigermaßen gesicherten Ergebnissen zu gelangen. Markierungsversuche, aus denen die effektive Porosität bestimmt werden könnte existieren bis dato nicht. In einem Kluftgrundwasserleiter, wie dem Plattendolomit, ist auf jeden Fall die Matrix Diffusion zu berücksichtigen. Porosität und Matrixdiffusion bestimmen maßgeblich die zeitliche Dynamik des Transports. Ein Hauptproblem bei der Ermittlung der verschiedenen Kennwerte ist deren Skalenabhängigkeit, d.h. die Kennwerte variieren mit dem Untersuchungsmaßstab. In der Regel werden

57 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 57 hydraulische Parameter experimentell im Labor und in Bohrlöchern über hydraulische Tests bestimmt, deren Reichweite und damit Aussagekraft sich meist nur über wenige Zehnermeter erstreckt. Die entsprechenden Aussagen im Modell erfolgen jedoch über Dimensionen von Kilometern und mehreren Kilometern, Räume, in denen hochdurchlässige Strukturen das Strömungsfeld dominieren können. Die Detektion und damit die Charakterisierung dieser Strukturen und Wegsamkeiten ist jedoch aufgrund deren geringem prozentualen Anteil am Gesamtaquifervolumen extrem schwierig. Meist werden damit die entsprechenden Parameter in deren Magnitude unterschätzt. Weitere Ausführungen zum Thema hydraulische Parameter finden sich in Kapitel Unsicherheit im Strömungsfeld und in der Definition der Randbedingungen Die Triebkraft für die Stoffausbreitung ist das hydraulische Potential und im Falle von Fluiden mit hoher Dichte, auch stark gravitativ gesteuerte Fluidbewegung als Folge unterschiedlicher Dichte. Das hydraulische Potentialfeld wird bestimmt durch die räumliche Verteilung der Grundwasserneubildung und des hydraulischen Parameterfeldes, die hydraulischen Randbedingungen (z.b. Anbindung an Oberflächengewässer) und Quell bzw. Senkenterme (z.b. Injektionen, Entnahmen, Grundwasserneubildung). Das hydraulische Potential wird über Beobachtungsmessstellen ermittelt, d.h. die Güte des Potentialfeldes und damit die Prognosefähigkeit der Aussagen zur Salzwasserausbreitung ist direkt gekoppelt an die Zahl der Messstellen, die limitiert sind, und den Beobachtungszeitraum der Messungen. - Datenerhebung, Fehler und Einschränkungen Voraussetzung für die Erstellung eines hydrogeologischen Modells und eines mathematischen Modells ist belastbares Datenmaterial. Fehler bei der Datenerhebung resultieren aus Messfehlern (z.b. analytischer Fehler, Ablesefehler, etc.) und Probenahmefehlern im weiteren Sinne. Es ist davon auszugehen, dass die hydraulischen Potentialmessungen fast ausschließlich das Potential in der Gesteinsmatrix und nicht das in den hochdurchlässigen und damit dominierenden Wegsamkeiten (Störungszonen, Karströhren) widergeben. Bei stationären Verhältnissen spielt diese Problematik eher eine untergeordnete Rolle, sie ist jedoch wesentlich unter stark dynamischen Verhältnissen. Da das hydraulische Potential stark dichteabhängig ist, ist die Dichtekorrektur eine absolute Voraussetzung für die Bestimmung des Potentials. Die Dichtekorrektur erfordert Information über die vertikale Variabilität der Dichte im Bohrloch, die in zahlreichen Bohrlöchern nicht differenziert vorliegt und in der Vergangenheit sicherlich nicht konsequent bestimmt wurde. Heute gibt es eine Reihe von Grundwassermessstellen die auf Forderungen der Fachbehörden mit Sohldruckmesseinrichtungen ausgestattet wurden, die die Potentialbestimmung direkt ermöglichen. Schließlich bestimmt der Bohrlochausbau, d.h. die hydraulische Trennung zwischen verschiedenen Grundwasserleitern eine entscheidende Rolle für verlässliche horizontspezifische Potentialmessungen. Besonders bei tiefen Bohrlöchern ist die korrekte Horizonttrennung mit erheblichem Aufwand verbunden und schwierig sicherzustellen. Eine korrekte Analytik der hydrochemischen Zusammensetzung der Grundwässer ist essentiell bei der Beurteilung, inwieweit oberflächennahe Grundwasserleiter von den Salzabwässern beeinträchtigt werden oder möglicherweise werden können (Kapitel 3.3). Es ist davon auszugehen, dass sich die analytischen Möglichkeiten und damit die Qualität der Analytik über die fast 100 Jahre Einleitungsgeschichte deutlich verbessert hat. Wichtiger als die Messung des hydrochemischen Grundwasserzusammensetzung ist, dass die Analyse die hydrochemischen Verhältnisse widerspiegelt die sie vorgibt zu repräsentieren, d.h. der Zustand der Messstellen und die Probenahme müssen geeignet sein, entsprechende Wasserproben

58 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 58 zu gewinnen, die die Vorortverhältnisse abbilden können. Bishop et al. (1992) zeigen welcher Aufwand betrieben werden muss, um repräsentative Proben gewinnen zu können. Nur einige Problemsituationen sollen hier aufgeführt werden: - Kurzschlussverbindungen über den Messstellenringraum bei fehlerhaften Messstellen und nicht fachmännischem Bohrlochausbau resultierende nichtrepräsentative Mischwasserproben - Open hole Ausbau resultierende nicht repräsentative Mischwasserproben - Potentialausgleich über das Bohrloch resultierende nicht repräsentative Mischwasserproben - Abhängigkeit der Konzentration der Wasserprobe von der Pumprate, Position der Probennahme im Bohrloch und dem geförderten Volumen variable Konzentration aufgrund unterschiedlicher Position der Probennahme relativ zur Salz Süßwassergrenze und Pumpbedingungen - Abhängigkeit der Konzentration der Wasserprobe von der Position der Probennahme im Fließgewässer (z.b. Werra); Einfluss von Dichteunterschieden und nicht homogener Durchmischung systematische Unterschätzung der ausgetragenen Salzfracht (siehe auch Kapitel 2.3 und 2.4). - Sekundäre Reaktionen im Grundwasserleiter und erhöhte Reaktions(lösungs)raten aufgrund höherer Ionenstärke Änderung der Probenzusammensetzung Unabhängig von den Schwierigkeiten, repräsentative Wasserproben zu gewinnen, ist die Verteilung von originärem Grundwasser und versenktem Salzabwasser in vielen Situationen nicht eindeutig zu interpretieren, da die gemessenen Wasserinhaltsstoffe nicht spezifisch für die jeweilige Komponente sind, d.h. es wurden keine spezifischen Spurenelemente für die Interpretation herangezogen oder sie wurden nicht gemessen (Kapitel 3.2.3, Mathematisches Modell Limitierungen). Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass für ein belastbares hydrogeologisches Modell erheblicher Erkundungsaufwand betrieben werden muss, um verlässliche Prognosen bzgl. des Ausbreitungsverhaltens der Salzabwässer machen zu können. Dieser Erkundungsaufwand besteht in der Regel aus einem umfangreichen Bohr und Testprogramm, das über die letzten 5 Jahre umgesetzt wurde. Es muss jedoch darauf hingewiesen werden, dass natürliche Systeme immer unterbestimmt sein werden und Aussagen immer mit entsprechender Unsicherheit behaftet sind. Mathematisches Modell Limitierungen Mathematische Modelle erlauben die prozessbasierte Konsistenzprüfung verschiedener Beobachtungen und die Simulation komplexer Vorgänge (inverses Modell) in einem heterogenen Parameterfeld sowie die Prognose zukünftiger Systemzustände (Vorwärtsmodell). Voraussetzung für belastbare mathematische Modelle sind: a) eine plausible hydrogeologische Modellvorstellung (Geometrie, Randbedingungen und Parameterverteilung), b) ein fundiertes Prozessverständnis der wesentlichen und relevanten (gekoppelten) Prozesse, c) ein schlüssiges Modellkonzept, d.h. das vereinfachte mathematische Modell muss die dominierenden und relevanten Prozesse nachbilden können, d) eine Berücksichtigung der Prognoseuntersicherheit, resultierend aus der Unterbestimmtheit im Parameterfeld natürlicher Systeme (Kap ), e) eine Möglichkeit der Prüfung der Modellergebnisse über z.b. Massenbilanzen, Potential und Konzentrationsverteilungen in Raum und Zeit,

59 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 59 Ferner ist anzumerken, dass auch Modelle, die beobachtete Daten sehr gut nachbilden, in ihren Aussagen uneindeutig sein können, da es viele Modelle gibt, die durch unterschiedliche Modellansätze, Parameterkombinationen, etc. vergleichbare Simulationsergebnisse erzeugen können. Dieses Mehrdeutigkeitsproblem wurde von Klemes (1986) in seiner Schlussfolgerung: For a good mathematical model it is not enough to work well. It must work well for the right reasons. It must reflect, even only in a simplified form, the essential features of the physical prototype... zusammengefasst. Ein mathematisches Prognosemodell, wie es am durch die Fachbehörden als Voraussetzung für die weitere Genehmigung zur Einleitung der Salzabwässer gefordert wurde kann nur die Erwartungen erfüllen, sofern die o.a. Voraussetzungen gegeben sind. Bezogen auf das Werra Kali Modell ist hervorzuheben, dass trotz des vereinfachenden Einkontinuummodellansatzes, ein erstaunlich hoher Grad der Anpassung der Simulationen an gemessene Potentiale und Konzentrationen erreicht werden konnte. Realistischerweise ist anzunehmen, dass ein so, bzgl. Geometrie, Prozessen, Parametervariabilität komplexes mathematisches Modell die gesteckten Erwartungen nur bedingt erfüllen kann. Das Modell dürfte in der Lage sein, großskalige Trends im Ausbreitungsverhalten der Salzabwässer nachzubilden. Es sollte nicht versucht werden, auf lokaler, Bohrlochebene, die Ausbreitung der Salzabwässer zu prognostizieren. Seitens der Modellbearbeiter sollte insbesondere auch der Einfluss der numerischen Dispersion quantifiziert werden (deltah 2015) sowie die relative Bedeutung der dichteabhängigen Strömung neben dem, aufgrund der Injektionen hohen hydraulischen Gradienten stark advektiv getriebenen Stofftransport. Trotz der angesprochenen Limitierungen erlauben mathematische Modelle ein hohes Maß an quantitativen Aussagen, solange die entsprechenden Unsicherheiten adressiert und bei der Beantwortung der Fragestellung mitberücksichtigt werden Hydrogeochemische Verhältnisse im Raum Gerstungen Die Darstellung der hydrogeochemischen Verhältnisse im betroffenen Raum Gerstungen hat hier eine besondere Bedeutung, da nur über sogenannte Transportinformationen, d.h. Informationen, die die Verbindung eines Salzabwasserinjektionsstandortes zu einem potentiellen Austrittsort anzeigen, der Nachweis über kausale Zusammenhänge zwischen erhöhter Salinität in der Trinkwasserfassung Gerstungen und der Salzwasserinjektion hergestellt werden kann. Grundwasserhydraulische Zusammenhänge (hydraulische Gradienten, Durchlässigkeitsverteilung, Aquifergeometrie) können Hinweise liefern, nicht jedoch einen eindeutigen Nachweis. Aus diesem Grund wird diesem Thema, das eigentlich integraler Bestandteil des hydrogeologischen Modells ist, ein eigenes Überkapitel gewidmet. Dabei ist zu beachten, dass eindeutige Verbindungen zwischen Eintrags und Austragsort nur dann nachgewiesen werden können, wenn ein gelöster Stoff am Eintragsort eingegeben wird, der am Austragsort auf diesen spezifischen Eintrag eindeutig zurückgeführt werden kann. Dies erfordert, dass die Hintergrundkonzentrationen dieses Stoffes im Grundwasser gering sind und trotz der zu erwartenden starken Verdünnung eindeutig am Austragsort nachgewiesen werden kann. Ein solches Experiment ist nach Kenntnis der Autoren bisher nicht durchgeführt worden. Dies liegt nach Einschätzung der Autoren möglicherweise an den zu hohen experimentellen Risiken (zu erwartende lange Transportzeiten im Bereich von Jahren; an Nachweisproblemen am Austragsort aufgrund der zu erwartenden starken Verdünnung; hydraulische Heterogenität des Grundwasserleiters). Schließlich kann die chemische Zusammensetzung des Salzabwassers selbst charakteristische Informationen über die Anwesenheit von Salzabwasser in Beobachtungsmessstellen, bzw. im

60 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 60 Gerstunger Trinkwasser liefern. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die eingetragenen chemischen Komponenten nicht spezifisch, im Vergleich zu Hintergrundzusammensetzungen der bereits natürlich vorhandenen Formationswässern oder jungen meteorischen Süßwässern sind. Aus diesem Grund werden Ionenverhältnisse, die eher die Spezifizität liefern können, als charakteristische Informationen verwendet. Bei dieser Vorgehensweise muss zunächst differenziert werden, welche Konzentrationserhöhungen auf natürliche Vorgänge, welche auf anthropogene Einflüsse (z.b. Mobilisierung von tiefen salzhaltigen Grundwässern durch Pumpvorgänge; Versenkung im Pufferspeicher Gerstunger Mulde; Versenkung am Standort Eichhorst / Bodesruh) zurückzuführen sind, da unterschiedliche Aktionen vergleichbare Effekte bewirken können. Diese Problematik wird unter dem Stichwort der Mehrdeutigkeit von Modellvorstellungen zusammengefasst. Die Vorgehensweise beinhaltet deshalb die Identifizierung von historischen (Prä Versenkung) Salzwasseraustritten und deren Zusammensetzung, die Charakterisierung von natürlichen geogenen Formationswässern und der versenkten Salzabwässer, um so die Herkunft der Salzabwässer in den Gerstunger Trinkwasserbohrungen differenzieren zu können Quellen mit natürlichen Salzwasseraustritten Im Gebiet um Gerstungen, ebenso wie in anderen Bereichen des Salzhangs, treten an einigen Stellen Salzwässer über natürliche Quellen an der Erdoberfläche aus (Abbildung 2 5). Die Quellwässer sind durch hohe Na und Cl Gehalte gekennzeichnet, welche aus der natürlichen Salzauslaugung der Zechsteinformation im Untergrund stammen. Solequellen, die als artesische Verwerfungsquellen angesehen werden, waren bereits lange vor Beginn der Versenktätigkeit in der Region bekannt und werden unter anderem zu Heilzwecken genutzt. Beispiele für natürliche Salzwasserzutritte in Gerstungen sind die Quelle Salzrasen (Salzrain), sowie die Quelle Kratzeroda. Weitere genutzte Solequellen im Kali Werra Gebiet sind z.b. Bad Hersfeld (Lullusquelle, 1904) und Bad Salzungen (Salzquelle genutzt seit dem Mittelalter, 775 in einer Schenkungsurkunde von Karl dem Großen erwähnt). Quellaustritte von natürlichen salzhaltigen Wässern aus der Tiefe sind i.d.r. Anzeiger für Störungszonen, an denen bedeutendere Wasserwegsamkeiten durch die Zerrüttung des Gesteinsverbandes infolge großräumiger geologisch tektonischer Prozesse, als auch lokaler Bruchtektonik infolge Salzauslaugung des Untergrundes, vorliegen. Durch oberirdische Quellaustritte von salinaren Grundwässern können zum einen geologisch hydrogeologisch aktive Schwächezonen, die bei der Beurteilung von potentiellen Austrittsorten von Versenkwässern aus dem Plattendolomit eine Rolle spielen können, erkannt werden. Zum anderen entstehen Abflüsse von salzhaltigen Wässern in die Oberflächengewässer, welche einen natürlichen und seit geologischen Zeiten bestehenden Beitrag zur Salzfracht der Fließgewässer in der Region sowie der Werra leisten Hydrochemische Zusammensetzung von geogenen Wässern im Kali Werra Gebiet Grundsätzlich können im Untersuchungsgebiet unter den geogenen Wässern zwei hydrogeochemische Typen unterschieden werden. Zum einen treten Ca HCO 3 dominierte und zu einem geringeren Teil Ca SO 4 dominierte, gering mineralisierte Grundwässer auf, die durch die Lösung von Calciumcarbonat und Gips geprägt sind. Zum anderen handelt es sich um moderat bis hoch mineralisierte Na Cl dominierte Grundwässer, die durch Lösung und Subrosion von Zechsteinsalzen beeinflusst sind. Der Grad der Mineralisierung bei den verschiedenen Grundwassertypen ist abhängig sowohl von der Verweilzeit des Grundwassers im Grundwasserleiter, als auch vom Grad der Durchmischung mit niedrig mineralisierten Oberflächenwässern und oberflächennahen Grundwässern. Letztere unterliegen ferner der saisonalen Beeinflussung durch die jährlichen Niederschläge.

61 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 61 Skowronek et al. (1999) gibt eine Übersicht zu den geogenen Grundwässern im Werra Kali Gebiet. Die Gesamtlösungsinhalte von Grundwässern aus quartären Lockersedimenten liegen generell unter 0.4 mg/l und sind typischerweise durch die Ionen Ca 2+ und HCO 3 dominiert. Ebenso handelt es sich bei den geogenen Grundwässern des mittleren Buntsandsteins im wesentlichen um niedrig mineralisierte Ca HCO 3 Wässer mit Lösungsinhalten von überwiegend <1 g/l. Durch Gipslösung können jedoch Gesamtkonzentrationen im Grundwasser bis 2.5 g/l erreicht werden. Im Bereich des Unteren Buntsandsteins treten an einigen Stellen höher mineralisierte Salzwässer, sog. Solen auf (z.b. GWM 523 am Salzhanginnenrand bei Bad Hersfeld), die Gesamtlösungsinhalte von >2.5 g/l aufweisen. Na/K Verhältnisse der von Skowronek et al. (1999) beschriebenen geogenen Grundwässer liegen bei ca. 3 bis 7, während Mg/Ca Verhältnisse bei 0.2 bis 0.4 liegen. Typische Mg und Ca Konzentrationen in Grundwässern aus dem Buntsandstein, und Quartär liegen bei 8 20 mg/l für Mg und mg/l für Ca (Skowronek et al. 1999). Ähnliche Konzentrationen für unbeeinflusste natürliche Grundwässer aus dem Buntsandstein, sowie den tertiären und quartären Lockersedimenten ergeben sich aus archivierten Wasseranalysedaten der K+S für verschiedene Bohrungen und Grundwassermessstellen im Raum Gerstungen. Niedrig mineralisierte geogene, Ca HCO 3 dominierte Grundwässer zeigen im Mittel eine Ca Konzentration von 52±21 mg/l sowie mittlere Mg Konzentrationen von 18±4 mg/l. Die Na/K Verhältnisse der Ca HCO 3 dominierten Grundwässer aus dem Mittleren Buntsandstein liegen zwischen Werten von 3 bis 8, während die Mg/Ca Verhältnisse zwischen Werten von 0.1 bis 0.6 variieren. Im Gegensatz hierzu zeigen Na Cl dominierte Grundwässer aus dem Unteren Buntsandstein im Raum Gerstungen bei gleichzeitig niedrigem Mg/Ca Verhältnis von <0.6 ein deutlich höheres Na/K Verhältnisse von >9. Es ist davon auszugehen, dass es sich bei diesen z.t. hochsalinaren Grundwässern um überwiegend geogene Formationswässer handelt. Formationswässer sind hochmineralisierte, meist Na Cl dominierte Tiefenwässer, die in der Regel nicht mit kurzfristigen oberflächennahen hydrologischen Prozessen in Verbindung stehen, also sich nicht mit oberflächennahen Grundwässern austauschen (Ausnahme bilden natürliche Quellaustritte von Salzwässern an der Erdoberfläche). Bei diesen Grundwässern handelt es sich generell um alte Wässer, die durch hohe Verweilzeiten im Untergrund gekennzeichnet sind. Die Na Cl Dominanz der hochsalinaren Wässer ist im Kali Werra Gebiet weitestgehend durch natürliche Salzlaugung (im wesentlichen Lösung von Steinsalz aus dem Zechstein) entstanden. Geogene Grundwässer aus dem Plattendolomit, welche nicht durch Salzlaugung beeinflusst sind, sind durch den Ca HCO 3 Typ charakterisiert (vergl. GWM 648, 2183). Ca HCO 3 Wässer aus dem Plattendolomit können im Vergleich zu den niedrig mineralisierten Ca HCO 3 dominierten Grundwässern des Buntsandstein um 15 fach höhere Ca und 5 fach höhere Mg Konzentrationen aufweisen. Im Falle von Einflüssen aus natürlichen Salzlaugungsprozessen im Bereich des Salzhangs, weisen die geogenen Grundwässer des Plattendolomits eine Dominanz der Ionen Na und Cl auf. Einflüsse von Versenkwässern aus der Düngemittelproduktion sind durch deutlich höhere Mg und K Gehalte der Grundwässer im Plattendolomit bzw. Buntsandstein charakterisiert. Abbildung 2 4 (K+S 2008) gibt einen Überblick über natürliche, d.h. nicht versenkbeeinflusste Salzwasseraustritte an Quellen, die vielfach auch historisch dokumentiert und durch eindeutige Flurnamen belegt sind Hydrogeochemische Zusammensetzung der Versenkwässer Für die Begutachtung wurden von der K+S hydrochemische Analysen der Produktionsabwässer für die Standorte Hattorf und Wintershall für den Zeitraum 1971 bis 2014 (Jahreswerte) zur Verfügung gestellt. Veränderungen der Produktionsbedingungen bei der Rohsalzaufbe

62 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 62 reitung haben seit Anfang der 1980er Jahre zu Veränderungen im Chemismus der Produktionsabwässer geführt. Änderungen in der chemischen Zusammensetzung der Versenkwässer sind für die Standorte Wintershall und Hattorf in Abbildung 3 16 und Abbildung 3 17 graphisch dargestellt. Ab ca zeigen sich an beiden Produktionsstandorten starke Anstiege der Ionenkonzentrationen K, Mg und SO 4, bei gleichzeitiger Verringerung der Na Gehalte. Die mittleren Gesamtkonzentrationen der einzelnen Ionen liegen für den Produktionsstandort Wintershall im Zeitraum 1987 bis 2014 bei 56.8±6.1 g/l Natrium, 30.2±4.6 g/l Kalium, 35.6±4.5 g/l Magnesium und 184.8±5.8 g/l Chlorid. Zwischen 1971 und 1985 sinkt das Na/K Verhältnis infolge des Anstiegs der K Konzentrationen von einem Wert um 21 auf einen Wert um 1. Gleichzeitig ändert sich das Na/Cl Verhältnis, welches in den 1970er Jahren bei Werten um ±0.5 lag und bis 1985 infolge relativ höherer Cl Gehalte stark abfällt, um sich dann bei einem Wert von ca. 0.3 einzupendeln. Das Mg/K Verhältnis der Versenkwässer liegt zwischen 1 und Hydrochemie der Werra am Pegel Gerstungen Hydrochemische Daten für die Werra, Messpunkt Pegel Gerstungen wurden für den Zeitraum ausgewertet. Leitfähigkeitsmessungen liegen bei einem mittleren Wert von 6.7±1.4 ms/cm ( ). Niedrigste Leitfähigkeitswerte liegen bei <0.5 ms/cm (Anfang Jan. 2003), Spitzenwerte bei bis zu 12.9 ms/cm (am ). Die nachfolgenden Abbildungen zeigen den zeitlichen Verlauf der Leitfähigkeitsmessungen in der Werra von 1999 bis 2014 am Pegel Gerstungen (Abbildung 3 18 und Abbildung 3 19). Es ist davon auszugehen, dass die Salzfracht der Werra im Wesentlichen durch die Einleitung von Salzabwässern aus der Düngemittelproduktion sowie durch diffuse Einträge von Salzabwasserückfluss aus dem Plattendolomit beeinflusst ist. Hohe Leitfähigkeitswerte werden wahrscheinlich durch die direkte Einleitung von Produktionsabwässern in die Werra erzeugt. Niedrige Hintergrundwerte der Leitfähigkeitsmessungen von <1.0 ms/cm sind über den gesamten betrachteten Zeitraum nur an wenigen Tagen (insgesamt 14 Tage) beobachtet worden. Chloridgehalte der Werra am Pegel Gerstungen liegen im Zeitraum 1999 bis 2014 bei einem Mittelwert von 2.0±0.5 g/l und schwanken zwischen 4.4 g/l und <0.1 g/l. Chlorid Konzentrationen von <250 mg/l werden an 11 Tagen im Betrachtungszeitraum erreicht, während Chlorid Konzentrationen von >2.6 g/l an 100 Tagen im Betrachtungszeitraum erreicht werden. Mg Gehalte übersteigen die Ca Gehalte um einen Faktor von ca. 2.7 (das mittlere Mg/Ca Verhältnis liegt bei 2.71±0.97 im Betrachtungszeitraum Okt Okt. 2013). Für den Zeitraum 2004 bis 2013 liegen die Ionenkonzentrationen bei Magnesium im Mittel bei 247±54 mg/l, die Gehalte für Ca liegen im Mittel bei 98±27 mg/l. Für Kalium wurden im Mittel 159±33 mg/l im Zeitraum 2004 bis 2015 analysiert. Natrium Konzentrationen betragen 812±240 mg/l. Mg/K Verhältnisse liegen bei Werten von 1.6±0.2 und decken sich mit den Werten der Versenkwässer. Ebenso zeigen sich nahezu konstant niedrige Na/Cl Verhältnisse von 0.42±0.08 sowie mittlere Na/K Verhältnisse von 5.1±1.6. Alle Ionenverhältnisse weisen auf eine starke Prägung des Werraabflusses durch die hydrochemische Signatur der Produktionsabwässer hin und werden folglich von diesen mit großer Wahrscheinlichkeit dominiert. Im Vergleich zur hydrochemischen Zusammensetzung der Werrawässer liegen typische geogene Ca HCO 3 dominierte Grundwässer aus dem Buntsandstein sowie aus Messstellen, die in tertiären und quartären Lockergesteinsgrundwasserleitern verfiltert sind, bei 8 20 mg Mg/L und mg Ca/L. Sie weisen ein deutlich niedrigeres Mg/Ca Verhältnis (<0.61) und ein deutlich höheres Mg/K Verhältnis >2.

63 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite , k.:- 1 :.1e1_ R ; P R '=' ;.'; 9 9 g P., 1 g e.- h g ei Q i g e. a i 5 N 2 " > 9! e 1!-'4-.12 s:eeeetleee :-. :7;,. 7,.: '. y: " temmligth 7 rekci g...,..v - 2 i,.,...,,..,, Q eiaeklelee,? tilgedureh %leo Tos e,- e ä I, 4; ( R e, z e g g dö* enea m eahaett e. - ',-; g p :97.' :z; j N e e.. e. - P., - 3, 1 "2 3.. la' -.5. E \ -5 N 1 e a M E. 7 q. m.,e i 3 ; - > a o o > &' ;tt 5...e g 5 eu 8 tu..2u -. 5 N brereme eli e 2.e i _ 51 _ V e I :5', : '.1k..he 7 5., 515 y.2 ;im-,:,,.': - KI ei g.' :- :2 ul (lilaei.m. we f1 92N Abbildung 3 16: Chemische Zusammensetzung der Versenkwässer (Standort Wintershall).

64 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 64 1!7. 0 ", >4 *PH» ; z i d vmmerie O r e, P Cpine0 Wem Abbildung 3 17: Chemische Zusammensetzung der Versenkwässer (Standort Hattorf).

65 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 65 Leitfähigkeitsmessungen - VVerra (Regel Gerslungen) 1 ggg-2gell 12):. I 6))..1 10):. 2): Ve. dhz *, :of v..e i. e... A i )..4,,,u_ %. Z X ) 41)) L (0) ) ( :01 24; DJ.1 12)) 2111:11-X102 10)).1.. s es e * i.1):. '0: it 1. 1P.» 31t, I 4t f b i t 4 J 3 Je 1P J I 4,3 t i ), cw.01 2CD L (61 OS.11 2( E EC : _3X :03 1: ):. 10):. I liṃ 9 I. i....i. IN 111r7 ri Ute # ii - : i. j ): { : ) e.102cce X X X D MIM" ffl KW t. i TO :.- dit 1'... # 4 z I : et fg s >fl e I. I 7 r.. w is V * 8A. Ole : * t..# 4 6 J J... : to t ))52X _4X.S ):42( r200E XE 16.0t2.X.T X.7 1:141/1 Abbildung 3 18: Leitfähigkeitsmessungen am Pegel Gerstungen (Zeitraum )

66 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 66 Leitfähigkeitsmessungen - Werra (Pegel Gerslungen) 20{17-2{ To ao I ao ;. t i 1 N 14.4: % s / e ),. e s e i ne te 1 P 16.1o2a:5 in E..X2CErf : D7 72( :E1.2Xs2 Mim P. 4 :. i a2: :E2:li 210(# O de.4.4. * * 4. Ä. 1P *,4 ttl ie... leileirr4 r A t ih...4.,, W i: e e : : Didlffl. 4* *Ale y m x so so 1 70 GO so io.. *** liefe t 1 lt.. eiee b. e % g ti..e )11 0E...:5.2)11 144:52)11.122: ;31'2012 Mime + e. % I, O * * tee ike 1 ileifi ; # e , & pliiirs.a. # * e 4 V e* : e * # t.... bi E..05.3) ) :E.2414 Dailiwn. # Ce Abbildung 3 19: Leitfähigkeitsmessungen am Pegel Gerstungen (Zeitraum ).

67 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 67 Basierend auf den hohen Cl, Mg und K Gehalten sowie hohen Mg/Ca und niedrigen Mg/K Verhältnissen der Werra am Pegel Gerstungen kann eine kontinuierliche und damit Langzeitbelastung durch Produktionsabwässer aus der Düngemittelerzeugung festgestellt werden. Die Ionenkonzentrationen in der Werra entsprechen ca. 1% der ursprünglichen Ionenkonzentrationen der Produktionsabwässer. Sollten die eingetragenen Wässer aus der Versenkung von Salzabwässern im Plattendolomit stammen und über den natürlichen Aufstieg an Störungszonen in die Werra gelangen, dann wäre parallel hierzu ebenfalls von einem Zustrom natürlicher Formationswässer auszugehen. Je nach Mischungsverhältnis zwischen Formationswässern und Produktionsabwässern (diffuse Einträge + direkte Einleitung) sollten die Ionenverhältnisse im Werrawasser variieren. Der nahezu gleich bleibende Chemismus und die weitestgehend konstanten Ionenverhältnisse deuten jedoch auf eine kontinuierliche Dominanz von Produktionsabwässern im Werrawasser am Pegel Gerstungen hin und eventuelle Zutritte von Formationswässern spielen, basierend auf den gegebenen hydrochemischen Kriterien, wenn überhaupt, nur eine untergeordnete Rolle. Daher ist es bisher ungeklärt, ob die dem Werrawasser zugemischten Produktionsabwässer aus dem aufsteigenden diffusen Zustrom von, im Plattendolomit versenkten, Abwässern stammen oder von den diversen direkten Einleitungen an oder nahe der Erdoberfläche herrühren. Dies bleibt zu prüfen, ebenso wie die genauen Orte des Zustroms Hydrochemische Charakterisierung der Wässer im Raum Gerstungen Für das vorliegende Gutachten wurden die in Abbildung 3 20 dargestellten Trinkwasserentnahmebrunnen, Grundwassermessstellen und Tiefbohrungen im Raum Gerstungen in die Auswertung der hydrogeologisch hydrochemischen Verhältnisse einbezogen. Es handelt sich dabei um 5 Messstellen im Quartär, 2 Messstellen im Tertiär, 22 Messstellen im Buntsandstein, wobei sich die überwiegende Mehrheit im Unteren Buntsandstein befindet, 15 Messstellen im Plattendolomit (einige wurden als Versenkbohrungen genutzt), sowie 1 Messstelle in den Schichten des Rotliegenden. Die nachfolgende Einteilung und Beurteilung der Grundwässer entsprechend gegebener hydrochemischer Parameter basiert auf dem von der K+S für die Begutachtung zur Verfügung gestelltem Originaldatenmaterial (hydrochemische Analysen der Hauptkationen und Hauptanionen). Grundwässer in quartären und tertiären Ablagerungen Grundwässer aus quartären und tertiären Ablagerungen sind entweder durch Bohrungen erschlossen oder treten über natürliche Quellen aus. Bei den im Untersuchungsgebiet auftretenden Grundwässern aus den Lockergesteinsgrundwasserleitern treten Ca HCO 3 dominierte und Na Cl dominierte Wässer auf. Zu den Ca HCO 3 führenden Grundwässern gehören die Messstellen Brunnen Obersuhl (667), Hy Gerstungen 101/91 (1518/1521) und Quelle Neustädt (Auenquelle) (2943), welche teilweise zur Trinkwasserversorgung genutzt werden. Insgesamt zeigen die Ca HCO 3 dominierten Grundwässer niedrige elektrische Leitfähigkeitswerte <500 µs/cm und sie sind hydrochemisch weitgehend ähnlich zusammengesetzt wie die niedrig mineralisierten Grundwässer des Mittleren Buntsandsteins. Na Cl dominierte Grundwässer aus den quartären und tertiären Lockergesteinsablagerungen umfassen die oberflächlich austretenden Quellen Salzrasen (Salzrain) (2942) und Kratzeroda (3257) sowie die Grundwasser Messstellen Hy Berka 2/2012 (4715) und Hy Berka 4/2012 (4717). Die beiden Quellen weisen mittlere elektrische Leitfähigkeiten von ca und 3000 µs/cm auf, wohingegen die Grundwässer aus den beiden Bohrungen Hy Berka 2/2012 und Hy Berka 4/2012 höhere elektrische Leitfähigkeiten von ca und µs/cm zeigen.

68 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 68 e 3 - Abbildung 3 20: Kartenausschnitt nördlich von Heringen mit ausgewerteten Grundwassermessstellen. Die niedrigen Leitfähigkeitswerte der beiden Quellen ergeben sich vermutlich aus der Mi

69 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 69 schung von aufsteigenden Salzwässern und oberflächennahen niedrig mineralisierten Grundwässern. Ein kontinuierlicher Anstieg der Leitfähigkeitswerte zusammen mit den Kationen Na, Ca und Mg sowie den Anionen Cl und HCO 3 bei konstantem Mg/Ca Verhältnis von 0.34±0.05 ist für die Quelle Salzrasen (Salzrain) (2942) im Betrachtungszeitraum ( ) gegeben. Bei der Quelle Kratzeroda (3257) wurden erhöhte Ionenkonzentrationen im Zeitraum 2001 bis 2009 bei stabilen Mg/Ca Verhältnissen von 0.32±0.05 beobachtet. Seit 2010 bewegen sich die Ionenkonzentrationen in dieser Quelle wieder auf dem Niveau von vor 2001 und sie stagnieren. Die beiden flachen Messstellen Hy Berka 2/2012 und Hy Berka 4/2012 dokumentieren den hohen Salzgehalt oberflächennaher Grundwässer im Werratal, welche allerdings, basierend auf den Konzentrationsverhältnissen, keine bzw. keine signifikante Beeinflussung durch Versenkwässer aufweisen. Die Grundwassermessstelle Hy Berka 4/2012 (4717) zeigte im Februar 2015 eine Änderung in der hydrochemischen Zusammensetzung, welche möglicherweise auf einen Einfluss von Salzabwässern hindeutet. Grundwässer des Mittleren Buntsandstein Bei den Grundwässern aus dem Mittleren Buntsandstein (der Grundwasserleiter ist vorwiegend aus Sandstein aufgebaut) handelt es sich überwiegend um gering bis moderat mineralisierte Wässer vom Ca HCO 3 Typ und untergeordnet Ca SO 4 Typ mit mittleren Leitfähigkeitswerten von <850 µs/cm. Diese Grundwässer schließen die derzeit von der Stadt Gerstungen genutzten Trinkwasserentnahmebrunnen mit ein. Hierbei handelt es sich um die Messstellen Hy Gerstungen 102/91 (1519), Hy Gerstungen 103/91 (1520), Hy Neustädt 1/62, Hy Gerstungen 1/33 (Kohlbach I). Bei den genannten Trinkwasser Entnahmebrunnen liegen die Ionenkonzentrationen im Bereich der für geogene Wässer, die nicht von Produktionsabwässern der K+S beeinflusst sind, typischen Werte. Auffällig sind jedoch die sehr hohen Nitratbelastungen des Grundwassers mit Konzentrationen zwischen ca. 150 und 200 mg/l NO 3, welche den gültigen Grenzwert der Trinkwasserverordnung (50 mg/l NO 3 ) deutlich übersteigen. Der Brunnen Hy Gerstungen 1/35 (Kohlbach II) (810) führt Na Cl dominiertes Grundwasser, welches seit den 1980er Jahren in der Gesamtionenkonzentration kontinuierlich ansteigt. Basierend auf den Ionenverhältnissen Mg/K, Na/Cl, Na/K und Mg/K ist in dieser Messstelle kein direkter Einfluss von Versenkwässern nachweisbar. Ansteigende Na/K und Mg/K Verhältnisse deuten hier eher auf einen zunehmenden Zutritt von geogenen Formationswässern im Brunnen Kohlbach II (810) hin. Der Brunnen wurde wegen "Versalzung" 1993 vom Versorgungsnetz genommen. Im Gegensatz zum Brunnen Kohlbach II, welcher im Bereich m ü NN verfiltert ist und bis in den Unteren Buntsandstein reicht, liegen die weiteren Grundwasserentnahmestellen des Mittleren Buntsandstein, die von der Stadt Gerstungen genutzt werden, bei maximalen Teufen von 152 m ü NN und sind damit deutlich flacher ausgelegt. Grundwässer des Unteren Buntsandstein In den geologischen Schichten des Unteren Buntsandsteins (Grundwasserleiter weitgehend aus Feinsandsteinen und Tonsteinen aufgebaut) treten neben Wässern vom Ca SO 4 Typ und Ca HCO 3 Typ auch Na Cl dominierte Grundwässer mit höheren Salzgehalten auf. Typische Ca HCO 3 dominierte Grundwässer mit elektrischen Leitfähigkeiten zwischen 400 und 3000 µs/cm sind z. B. an den Messstellen Brunnen Bosserode (652), Obersuhl 3A/2010 (924), Hy Neustädt 5/99 (1064), Obersuhl 4/2011 (3569) und Hy Herda 57/2013 (5431) anzutreffen. Bei den niedrig mineralisierten Grundwässern handelt es sich um typische Buntsandsteingrundwässer, wohingegen ein höherer Mineralisierungsgrad durch hohe Ca und HCO 3 Gehalte auf karbonatisches Material, wahrscheinlich auf einen Einfluss von Grundwässern aus

70 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 70 Zechsteinkarbonaten hindeutet (z.b. Obersuhl 3A/2010). Na Cl dominierte Grundwässer aus dem Unteren Buntsandstein weisen hohe elektrische Leitfähigkeitswerte von >2000 µs/cm bis zu 165 ms/cm auf. Trotz hoher Mineralisation der Grundwässer, zeigen die Messstellen Hy Herda 55/80 (771), Hy Herda 56/80 (772), Hy Gerstungen 2/2009 (893) und Hy Gerstungen 4/2010 (925) keine direkte Beeinflussung durch Versenkwässer und es ist davon auszugehen, dass es sich um Formationswässer handelt. Abweichungen im Chemismus der Grundwässer des Unteren Buntsandstein treten bei den nordöstlich der Stadt Gerstungen gelegenen Messstellen Hy Herda 53/79 (769) und Hy Sallmannshausen 1/94 (786) sowie bei den Grundwassermessstellen im Plattendolomit: Lauchröden 3/99 (858) und Lauchröden 1 (787) und der im Rotliegenden verfilterten Messstelle Lauchröden 2/99 (857) auf. Alle Messstellen sind durch etwa gleich hohe K und Mg Konzentrationen (Mg/K ~ 1) gekennzeichnet. Obwohl ein Mg/K Verhältnis von 1 bis 2 ebenfalls typisch für die Produktionsabwässer ist, zeigen Konzentrationsverhältnisse der anderen Ionen dieser Grundwässer keine Hinweise auf Versenkeinflüsse und es ist wahrscheinlich davon auszugehen, dass es sich hier um lokale Formationswässer handelt, deren Chemismus von den geogenen Salzwässern im Unteren Buntsandstein bzw. des Brunnens Kohlbach II (sm/su) der Stadt Gerstungen deutlich abweicht. Im Gegensatz hierzu lässt das erhöhte Mg/Ca Verhältnis der Messstelle Hy Gerstungen 1/2008 (911) auf einen lokalen Einfluss von Versenkwässern im Grundwasserleiter des Unteren Buntsandstein schließen. Hydrochemische Daten von 2009 bis 2015 zeigen einen kontinuierlichen Rückgang der Ionenkonzentrationen sowie beim Mg/Ca Verhältnis an der Messstelle 911. Seit Ende des Jahres 2013 liegen die Konzentrationsverhältnisse an der Messstelle Hy Gerstungen 1/2008 wieder im Bereich von Na Cl dominierten Formationswässern. Ob die Beeinflussung der Grundwässer im Unteren Buntsandstein im Bereich der Messstelle Hy Gerstungen 1/2008 (911) im Zusammenhang mit der Versenktätigkeit im Pufferspeicher der Gerstunger Mulde im Zeitraum 1999 bis 2007 steht oder auf Versenktätigkeiten in der ehemaligen DDR zurückgeht, lässt sich nicht mit Sicherheit ermitteln, da hydrochemische Daten für die Messstelle 911 erst ab 2009 zur Verfügung stehen. Grundwässer des Plattendolomit Im Plattendolomit treten höher mineralisierte, Ca HCO 3 dominierte Grundwässer, Na Cldominierte Grundwässer und im Bereich der Versenkbohrungen anthropogene Produktionsabwässer auf. Ca HCO 3 dominierte Grundwässer sind in den Messstellen Gerstungen 3/68 (648) und Obersuhl 5/2011 (3570) anzutreffen. Die elektrischen Leitfähigkeiten liegen bei diesen Wässern zwischen 1000 und 5000 µs/cm. Für die Na Cl dominierten Grundwässer werden höhere elektrische Leitfähigkeiten von bis zu 195 ms/cm angetroffen. Ebenso wie bei den o.g. Messstellen Lauchröden 1 (787), Lauchröden 2/99 (857) und Lauchröden 3/99 (858) liegen die Mg/K Verhältnisse der Grundwassermessstellen Herda 4/79 (725), Herda 13 (728) und Herda 8/87 (729) im Plattendolomit zwischen Gerstungen und Untersuhl bei niedrigen Werten zwischen 1 und 3 und sind damit wahrscheinlich typisch für tiefe Grundwässer aus dem Plattendolomit. Gleichzeitig hohe Na/K (55 289) und Na/Cl (>0.59) Verhältnisse und niedrige Mg/Ca Verhältnisse von <0.39, deuten auf einen geogenen Ursprung der Grundwässer hin. Eine Beeinflussung durch Versenkwässer liegt in den Bohrungen Herda 2 (714), Herda 5 (715), Herda 10 (717), Herda 9 (723), Herda 11 (724) und Herda 1/80 (726) vor. Alle beeinflussten Messstellen im Plattendolomit zeigen hohe Mg/Ca Verhältnisse zwischen 3 und 149, niedrige Na/Cl Verhältnisse zwischen 0.1 und 0.3, niedrige Na/K Verhältnisse zwischen 0.5 und 3 sowie Mg/K Verhältnisse zwischen 2 und 4. Herda 1/80 (726) zeigt ein erhöhtes Mg/Ca Verhältnis von 2.4, liegt jedoch bei den anderen Konzentrationsverhältnissen im Bereich der Formationswässer, was auf eine Mischung geringer Anteile von Versenkwässern

71 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 71 mit Formationswässern hindeuten könnte. Herda 5, Herda 10 und Herda 11 dienten zwischen 1999 und 2007 im Rahmen der "Bergerprobung des Pufferspeichers Gerstunger Mulde" der Versenkung von Produktionsabwässern durch die K+S. Die höchsten mittleren Leitfähigkeiten von ms/cm zeigen sich bei den Bohrungen Herda 2, Herda 5, Herda 9 und Herda 10. Herda 11 (40 ms/cm) hingegen ist durch eine 3 bis 4 fach geringere mittlere Leitfähigkeit und damit deutlich niedrigere Ionenkonzentration als in den anderen beiden Versenkbohrungen gekennzeichnet. Insgesamt zeigen die tiefer liegenden Versenkbohrungen im Bereich der Gerstunger Mulde meist höhere Gesamtionenkonzentrationen als die flacheren Bohrungen im Plattendolomit, was auf das Absinken und die Akkumulation der stark salzhaltigen Produktionsabwässer in tieferen Bereichen des Plattendolomitgrundwasserleiters hindeutet Zusammenfassende Beurteilung Grundsätzlich ergeben sich für die Beurteilung der Grundwässer im Untersuchungsgebiet folgende Zusammenhänge basierend auf den hydrochemischen Daten. Ca HCO 3 und Ca SO 4 dominierte Grundwässer aus dem Buntsandstein sowie den quartären und tertiären Lockergesteinsgrundwasserleitern sind in der Regel niedrig mineralisiert und eine Verunreinigung durch die Produktionsabwässer der K+S ist nicht nachweisbar. Im Untersuchungsgebiet treten neben diesen Grundwassertypen salzhaltige Na Cl dominierte Grundwässer auf, die ebenfalls entweder durch Bohrungen erschlossen oder durch natürliche Quellaustritte zugänglich sind. Die natürlichen Salzwasseraustritte in der Region sind Anzeiger für weitreichende Störungssysteme, welche durch Gebirgsbildungsphasen und Salztektonik im Verlaufe geologischer Zeiträume angelegt wurden. Natürliche Salzwässer sind die Folge der Salzlaugung im Untergrund. Im Bereich von Störungszonen kann es zum Aufstieg von Na Cl dominierten Wässern und Vermischung mit oberflächennahem niedrig mineralisiertem Grundwasser kommen, was zu einer Verringerung des ursprünglichen Salzgehalts durch Verdünnung führen kann. Ob die über Störungszonen aufsteigenden Salzwässer aus dem Plattendolomit oder anderen geologischen Horizonten stammen, ist nicht geklärt. Unterschiede in der hydrochemischen Zusammensetzung zwischen unbeeinflussten Na Cl dominierten Grundwässern aus Bohrungen im Rotliegenden, Plattendolomit und im Übergangsbereich zum Unteren Buntsandstein (z.b. nordwestlich und südöstlich von Gerstungen gelegene Grundwassermessstellen) und der Zusammensetzung natürlicher Salzwasserquellen (z.b. Quelle Salzrain, Quelle Kratzeroda) lassen nicht darauf schließen, dass diese Quellen Wasser aus dem Plattendolomit fördern. Im Zuge der Einleitung von Salzabwässern aus der Düngemittelproduktion in die Werra seit nahezu hundert Jahren sind große Mengen an Salzfracht generiert worden. Diese Salzfracht ist zwar bereits zu einem großen Teil über die Oberflächengewässer Richtung Nordsee abgeflossen, jedoch ist davon auszugehen, dass auch ein nicht unerheblicher Anteil der Salzfracht in die oberflächennahen Grundwasserleiter eingedrungen ist. Dies betrifft in erster Linie den Buntsandsteingrundwasserleiter im Bereich des Werratals, der nachweislich von Produktionsabwässern betroffen ist. Aus den Ergebnissen der TEM Befliegung (Kapitel 3.2.2) und der hydrogeochemischen Zusammensetzung der Grundwässer ist ersichtlich, dass der Buntsandsteingrundwasserleiter des Werratals stark von der Einleitung von Salzabwässern beeinflusst ist. Oberflächennahe Grundwasserleiter auf dem Höhenniveau der Werra bestehen aus zum Teil sehr gut leitenden fluviatilen Kiesen und Sanden des Tertiärs und Quartärs. Es ist deshalb davon auszugehen, dass oberflächennahe Grundwässer, die sich auf dem Höhenniveau der Werra befinden, sowohl durch natürliche Salzwasseraustritte über lange geologische Zeiträume an Störungszonen als auch durch die Einleitung von Salzabwässern aus der Düngemittelproduktion während influenten Gewässer Grundwasser Bedingungen beeinflusst wur

72 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 72 den. Die Auswertung der hydrochemischen Daten exemplarisch am Pegel Gerstungen erfolgte vor dem Hintergrund, dass oberflächennahe Lockergesteinsgrundwasserleiter des Quartär und Tertiär im Bereich der Werratalauen durch verschiedene Prozesse wie Versickerung durch das Werra Flussbett, Uferfiltration sowie durch Diffusion und Austausch von Oberflächenwässern und oberflächennahen Grundwässern möglicherweise durch Produktionsabwässer beeinflusst sein könnten. Die insgesamt hohen Ionenkonzentrationen der Werra mit entsprechender hydrochemischer Signatur der Produktionsabwässer sollten sich in den niedrig mineralisierten Grundwässern aus oberflächennahen Aquiferen, sofern gegeben, deutlich abzeichnen. Für die Grundwassermessstelle Hy Berka 4/2012 (4717) war im Februar 2015 ein solcher Einfluss zu beobachten. Weitere Beeinflussungen, falls gegeben, sind im Raum Gerstungen aktuell nicht über Messstellen erfasst. Für den Plattendolomit wurden bei einigen Bohrungen und Messstellen im Raum Gerstungen Beeinflussungen durch Versenkwässer festgestellt. Es handelt sich dabei um die Bohrungen Herda 2 (714), Herda 5 (715), Herda 10 (717), Herda 9 (723), Herda 11 (724), Herda 1/80 (726), Herda 3 (727), und Herda 13 (728). Innerhalb des Unteren Buntsandsteins sind die Messstellen Lehnberg (158) und Hy Gerstungen 1/2008 (911) durch Versenkwässer beeinflusst. Durch Versenkwässer beeinflusste Bohrungen sind in Tabelle 1 jeweils seit dem Jahr des ersten Nachweises einer Beeinflussung dargestellt. Einige Bohrungen im Plattendolomit der Gerstunger Mulde (Herda 3, 5, 10, 11 sowie Herda 1/80) zeigen eine Beeinflussung durch Versenkwässer bereits im Jahr 1992, also vor der "Bergerprobung des Pufferspeichers". Die Bohrungen liegen auf ehemaligem DDR Gebiet. Bei den meisten Bohrungen klafft in den Datenreihen eine Lücke zw. (1980 bzw. 1986) und Für 1992 ist der Versenkeinfluss dann deutlich. Für Herda 2, 9 und 13 sind Versenkwassereinflüsse erst in 2003, 2005 und 2014 dokumentiert. Da nicht für alle Messstellen, je nach Datum der Einrichtung und Verfügbarkeit hydrochemischer Daten, kontinuierliche Datenprofile vorliegen, kann auf mögliche frühere Versenkeinflüsse vor dieser Zeit nicht eingegangen werden. Die Bohrung Lehnberg diente früher als Versenkbohrung. Bereits 1971 belegen hydrochemische Daten den Versenkeinfluss. Die tiefe Messstelle Hy Gerstungen 1/2008 (Filteroberkante 232 m NN) zeigt eine Beeinflussung durch Produktionsabwässer erstmalig im Jahr 2009 (hydrochemische Daten liegen erst seit 2009 vor). Seit 2014 sind die Salzkonzentrationen in dieser Messstelle zurückgegangen. Ein Zusammenhang mit der Versenkung von Produktionsabwässern in der Gerstunger Mulde zwischen 1999 und 2007 ist zwar denkbar, kann aber nicht mit Sicherheit geklärt werden. In den von der K+S zur Verfügung gestellten Daten sind nahezu in allen Messstellen hohe Nitratgehalte unabhängig von der Tiefe der Bohrung und der Formation dokumentiert. Generell werden hohe Nitratbelastungen des Grundwassers mit intensiver landwirtschaftlicher Nutzung in Verbindung gebracht. Tiefe Grundwässer und sog. Formationswässer sollten in der Regel nicht durch oberflächennahe Grundwässer beeinflusst sein, also wenig bis kein Nitrat enthalten. Zudem sind solche Wässer in der Regel sauerstoffarm bis sauerstofffrei, was zu einem Abbau des Nitrats durch anaerobe Bakterien im Grundwasserleiter führt. Die hohen Konzentrationen beim Nitrat in den Grundwassermessstellen im Raum Gerstungen deuten darauf hin, dass der Aquifer großräumig sauerstoffgesättigt ist.

73 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 73 r-.. ar, az. cr. Cr, rs,,- a-, 41 r-.4,i.,--. r -a 4 Ln..) PJ Cr> er Cr, re es cr,.-,-, r7, cr,,-- Os 65 - e Dr, ,-- M1 e 6),-- cr. co er,,- kle e cr,.- x x x x x r'4.-- ci N,-,- sa nr rzs,- Q N /:=1 ZI +Zi N e 4 r,i r-- 8 N so CZ) CD N in D e Cri e to r4 x X x TZ) o 2. Ji CO en.- 2 LT...- e_-3 na N rm N e3 8 CII. Ob..- G CO 6) I- rt: ce.-- M <,.: Z < < < < < < < < OUUQUOUQ C re re re O 1'4 IN!V v ea 2 E cp Q Q er's KI TO,- X 3 '-' '''' n rr "- C}, C2 Ire,- cm -, re cu 22 te re Km en cl.ge 2 2 '..:J CC 97 o CP CP q,.3-1 T. 2=2222=1_1T2 f-- 7- T-- 1- r) EN 1.-- N nel N- rip SNI N- e E r- C.4 N- e-4 e.-,-- EP 8 Of 1- r4 g '.. e r'd =,- IM' 4 E2 e a? 4717 ZNI CI,=, 4 rsi 73 t co n. x X < QUOUZ.J0 < < < < < < < (JU SO 6) t--) CI fl cl CO NiNrqrs4r9NraN r,, os 2 "0 ns 2 II) ZI. m 2 cri ees 2,- cti 2 c] 2-9 C2 rn f2 E E CP II/ 1) II, II, IP I=MTTI 2 _ -4..._ N- r-- kse,_. N- I.- t ) ) csi.4- n 21, 2.!-- I--- I-- r-- I.-- r") 3 3 cr Heida 13 Lehnberg Hy Ge reu ngen i!?q OA s 11-- CP N - 04 < e 2 s, 2 r-- ;--.0- Abbildung 3 21: Durch Versenkwässer beeinflusste Bohrungen und Jahr der erstmalig dokumentierten Beeinflussung basierend auf dem Mg/Ca Verhältnis >0,61. Als Eintragsquellen für das Nitrat können sowohl direkte Verbindungen zu oberflächennahen Grundwasserleitern, Eintrag aus Grundwasserneubildungsgebieten und möglicherweise auch

74 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 74 ein Eintrag durch die Produktionsabwässer diskutiert werden. Ausgedehnte Bereiche infiltrierender Grundwässer, die wahrscheinlich durch intensive landwirtschaftliche Prozesse beeinflusst sind, könnten in den vorherrschenden Grundwasserneubildungsgebieten der, an die Gerstunger Mulde angrenzenden, Hochflächen des Buntsandsteins gegeben sein. Ferner wäre es denkbar, dass sich oberflächennahe durch Nitrat belastete Grundwässer großräumig mit salinaren Formationswässern mischen, also ein Austausch zwischen den verschiedenen Grundwasserleitern besteht. Alternativ ist ein Eintrag durch die Produktionsabwässer zu prüfen, da ebenfalls in den Versenkbohrungen hohe Nitratgehalte im Grundwasser vorherrschen. Zur Klärung und Eingrenzung der Eintragsquellen des Nitrat sowohl im Interesse der Trinkwassernutzung oberflächennaher Grundwasserleiter, als auch der Identifikation großräumiger Mischungsprozesse im Grundwasser, werden dringend weitere Untersuchungen, insbesondere auch die Untersuchung von Isotopenverhältnissen des Nitrat Stickstoffs empfohlen Weitere potentielle Einflussfaktoren auf Hydrodynamik und Hydrochemie Anthropogene Einflüsse Die nun bereits seit mehr als 80 Jahren fortbestehende Versenktätigkeit von Produktionsabwässern in Gesteinsschichten des Plattendolomits und vereinzelt auch in den Unteren Buntsandstein (Beispiel: Lehnberg, GWM 158) gleichzeitig mit der Einleitung dieser Salzabwässer in die Werra, haben das Gebiet weiträumig anthropogen beeinflusst. Die Beeinflussung ist vielschichtig und insbesondere durch die lange Zeit der Versenktätigkeit sowohl auf Thüringer als auch auf Hessischer Seite in ihrem Umfang und Auswirkung auf lokaler und regionaler Seite auch wegen mangelnder Datendichte vor 1999 kaum in ihrem vollständigen Ausmaß zu erfassen bzw. einzelnen Ereignissen zuzuordnen. So kann einerseits davon ausgegangen werden, dass die, durch die Injektionen, im Zusammenhang mit Salzabwasserversenkmaßnahmen, initiierten Grundwasserströmungs und Stofftransportprozesse Verdrängungsvorgänge von hochsalinaren Formationswässern und Salzabwässern verschiedener Generationen hervorrufen, die die chemische Zusammensetzung oberflächennaher Grundwässer beeinflussten. Dadurch kann es zu komplexen Mischungsvorgängen zwischen unterschiedlichen Grundwässern in Bereichen des hydraulischen Kontakts kommen. Zum Beispiel kann die Schüttung an Quellen und der Grundwasseraufstieg an natürlichen Entlastungszonen beeinflusst werden. Dies bedeutet, dass durch die induzierte Bewegung (Druckaufbau und Entlastung) "ruhende" Salzwässer mobilisiert werden können und sich insbesondere im Bereich von Störungszonen mit oberflächennahen gering mineralisierten Grundwässern vermischen und in den oberflächennahen Aquifer eindringen oder über Quellen austreten können. Dabei spielen sowohl der Injektionsdruck als auch das Versenkvolumen eine Rolle. Da die Versenktätigkeit bereits 1925/29 begann, dürfte inzwischen das Werra Kali Gebiet weiträumig beeinflusst sein. Des weiteren ist anzunehmen, dass die Einleitung von Salzabwässern in die Werra ebenfalls zu einer Versalzung des oberflächennahen Grundwassers beiträgt. Es ist davon auszugehen, dass ein nicht unwesentlicher Anteil an höher versalztem Oberflächenwasser aus der Werra je nach hydraulischem Regime (influente Bedingungen z.b. nach Hochwasser) in die oberflächennahen Grundwasserleiter eingedrungen ist. Als mögliche Hinweise auf oberirdisch eingetretene Salzabwässer in oberflächennahe Grundwasserleiter kann die weitreichende Versalzung von Grundwässern im Bereich der Werratalaue angesehen werden. Ferner dürfte über Jahrzehnte hinweg auch eine Beeinflussung der oberflächennahen Grundwasserleiter allein durch die Aufschüttung der Kaliabraumhalden entstanden sein. Es ist denkbar, dass die geomechanische Druckauflast, die zwar hauptsächlich lokal wirkt, zu einer Mobilisierung von hochsalinen Fluiden führt. Hinzu kommen mögliche Einflüsse von

75 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 75 lokalen Erdbeben der Magnituden bis zu 5 6 (Bsp. Widdershausen 1953, Völkerhausen 1989). Grundwasserentnahme zur Trinkwasserversorgung Die Entnahme von Grundwasser für die Trinkwasserversorgung ändert das hydraulische Potential im Bereich des Absenktrichters. Bei einer Schichtung von gering und hochsalinaren Grundwässern kann es dadurch zum Aufstieg und Förderung von höher konzentrierten Wässern aus tieferen Bereichen der Grundwasserleiter und mit kontinuierlicher Förderung zu einem kontinuierlichen Anstieg der Ionenkonzentrationen kommen. Die Trends in der Zusammensetzung der geförderten Grundwässer sind abhängig von der Zusammensetzung und Position der Salz und Süßwässer, dem Absenkungsbetrag, der Förderrate, vom geförderten Gesamtvolumen und der Zeitdauer der Grundwasserentnahme. Ferner beeinflusst der Jahresniederschlag die Grundwasserneubildung und damit das Verhältnis zwischen gering und hochkonzentrierten Wässern. Schließlich beeinflussen die hydraulischen Eigenschaften des Grundwasserleiters, insbesondere die hydraulische Diffusivität, der Quotient aus der hydraulischen Leitfähigkeit und dem Speicherkoeffizienten, die bei Kluftgrundwasserleitern wie dem Buntsandstein besonders hoch sind, die Mobilisierung von tiefen salinen Wässern. Letztendlich bedeuten diese verschiedenen Effekte und Größen, dass die Grundwasserentnahme zur Deckung der Trinkwasserversorgung im Raum Gerstungen selbst einen Anstieg in der Salinität hervorrufen kann. Eine Verschiebung in Richtung höherer Salinitäten des Grundwassers ist insbesondere in Gebieten gegeben, in denen salzreiche Wässer bereits in oberflächennahen Grundwasserleitern, begünstigt durch Störungszonen an der Geländeoberfläche (Bsp. Quelle Salzrasen, Quelle Kratzeroda) zutage treten. Natürliche Prozesse Über geologische Zeiträume hinweg finden im Bereich des Salzhangs aufgrund der Zirkulation meteorischer Wässer natürliche Auslaugungsprozesse statt, die zur Auflösung der Zechsteinsalze und damit zu einer Bildung von Na Cl reichen Solen führen. Bei gegebenen vertikalen Wegsamkeiten (z.b. Störungszonen; tiefreichende Zerrungs und Dehnungsklüfte) können in Bereichen niedrigen hydraulischen Potentials (meist im Bereich von Talauen) an sogenannten Entlastungzonen Mischungen zwischen Süßwasser und den verschiedenen hochmineralisierten Wässern an der Erdoberfläche an natürlichen Quellen austreten. Die Störungszonen sind meist über geologische Zeiträume aktiv und bilden somit einen kontinuierlichen Austritt für höher saline Tiefenwässer an der Geländeoberfläche. Dolomitisierung und Ionenaustausch aufgrund der Einleitung von Salzabwässern Im Zusammenhang mit der Beschreibung des hydrogeochemischen Systems und der Änderung der Mg/Ca Ionenverhältnisses werden die Prozesse der Dolomitisierung und des Ionenaustauschs (Kationen Anionenaustausch) diskutiert. Obwohl Dolomitisierung, d.h. der teilweise Ersatz von Calciumionen im Calcitkristallgitter, in der geologischen Vergangenheit in umfangreicher Weise stattgefunden haben muss, so wird die Dolomitbildung rezent nicht beobachtet (außer in extrem salinen Sabkha Umgebungen). Entsprechend thermodynamischer Berechnungen sollte sich Dolomit als feste Mineralphase bilden. Dies wurde bisher im Labor nicht beobachtet. Eine Reihe verschiedener Erklärungen werden herangezogen, z.b. die Geometrie des Magnesium Ions im hydratisierten Zustand, etc. Verschiedentlich wurde der Prozess des Kationenaustauschs für die Änderung der chemischen Zusammensetzung von Grundwässern, insbesondere in Salzwassermilieu im küstennahen Bereichen in die Diskussion eingebracht. Bei diesem Prozess handelt es sich um einen

76 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 76 Austausch von Kationen auf negativ geladenen Oberflächen, in geologischen Milieus, z.b. Tone und Tongesteine. Tone sind Kationentauscher und könnten sich bei günstigen Konzentrationsverhältnissen im injizierten Wasser auf die Wasserhärte positiv auswirken, d.h. Ionen mit höherer Affinität für den Austauscher (höhere Ladungsdichte der Kationen), verdrängen Kationen mit geringerer Affinität vom Austauscher. So würden sich z.b. mehrwertige Kationen (Mg, Ca) präferentiell auf dem Austauscher anlagern und damit zu einer Aussüßung des Porenwassers führen. Neben der relativen Affinität der Ionen spielt jedoch auch die relative Konzentration der Kationen im zirkulierenden Wasser eine Rolle. Es hängt deshalb davon ab, ob der Austauscher im karbonatischen Milieu des Plattendolomitgrundwasserleiters bereits von 2 wertigen Kationen belegt war, oder ob das geogene Formationswasser entsprechend hohe Natriumgehalte aufwies und damit bevorzugt vom Austauscher aufgenommen wurde. Letztendlich dürften beide Prozesse im vorliegenden Fall quantitativ nur eine untergeordnete Rolle spielen. Tone sind nämlich Grundwassergeringleiter, d.h. die Kontaktfläche zum injizierten Wasser dürfte sehr klein sein, was deren Effektivität für eine Aussüßung reduziert. Insgesamt ist die Kationenaustauschkapazität des Plattendolomitgrundwasserleiters gering (Skowronek, 1999), was die Effektivität für Kationenaustausch weiter reduziert. Die, im hydraulischen Kontakt mit dem zirkulierenden Wasser befindlichen Karbonate selbst sind vorwiegend Anionenaustauscher und spielen damit für das Natrium / Magnesiumverhältnis und das Calcium / Magnesiumverhältnis keine Rolle. In einem umfangreichen fachlichen Gutachten bestätigt Usdowski (2008), als ausgewiesener Experte auf dem Gebiet, diese Sichtweise und schätzt die Bedeutung von Ionenaustausch und Dolomitisierung auf die hydrochemische Zusammensetzung als gering ein. Usdowski (2008) fasst in seinen Schlussfolgerungen zusammen: Man sieht, daß alle Lösungen im Magnesit Feld liegen. Theoretisch sollten sie daher unter Bildung von Magnesit reagieren, wenn sie auf ein Dolomit Gestein treffen. Weiterhin theoretisch, könnten sie auch Dolomit bilden, wenn sie auf einen Kalkstein treffen. Tatsächlich treten diese Reaktionen nicht auf. Die Behauptung, daß sie ablaufen können, widerspricht aller Erfahrung. Die Lösungen sind nicht ausreichend konzentriert, um bei der Temperatur des Untergrunds zu reagieren. Änderungen ihres Ca 2+ /Mg 2+ Verhältnisses sind also in anderen Prozessen zu suchen als in der Bildung von Dolomit und Magnesit. Hierzu gehören die Vermischung von Versenklösungen mit anderen, bereits im Untergrund vorhandenen Wässern, die Auflösung von Kalk oder Dolomitgestein durch Kohlensäure und/oder die Hydrolyse von MgCl 2, die Auflösung von Gips oder Anhydrit im Gesteinsuntergrund oder auch die Fixierung von Ca 2+ als CaSO 4, wenn MgSO 4 haltiges Wasser auf eine Lösung von Ca 2+ trifft. Die Gesamtheit dieser Prozesse dürfte im Verlauf der Zeit zu einem bestimmten Ca 2+ /Mg 2+ Verhältnis der Lösungen im Untergrund führen. Das von Krupp (2007) angeschnittene Kationen Austauschvermögen der Schichtsilikate in den Sedimenten des Unteren Buntsandsteins (S ) und das Abbinden von Zement Mörtel (S.25) sind Marginalien...

77 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite Spezifische Fragen Im folgenden soll auf die spezifischen Fragen, die vom Verwaltungsgericht Kassel an die Gutachter gestellt wurden, eingegangen werden. 1. War am die Trinkwasserversorgung der Klägerin, durch die bis dahin erfolgte Versenkung von Salzabwässern durch die Beigeladene in der Form beeinträchtigt, als eine Verunreinigung des Trinkwassers durch die Salzabwässer vorlag? Nach eingehender Prüfung und Beurteilung der durch die K+S zur Verfügung gestellten hydrochemischen Originaldaten der Trinkwasserentnahmebrunnen der Gemeinde Gerstungen kann aus diesen Daten nicht abgeleitet werden, dass zum Stichtag noch zu einem anderen Zeitpunkt seit der Aufzeichnung von hydrochemischen Daten für die jeweiligen Trinkwasserentnahmebrunnen eine Beeinflussung der Trinkwasserversorgung der Gemeinde Gerstungen durch die Versenkung von Salzabwässern vorlag. Ferner ist in den zur Auswertung zur Verfügung gestellten Unterlagen, weder durch das "Gutachten Krupp" noch durch die "Eigenberichte der K+S Kali GmbH" oder an weiterer Stelle, eine Beeinflussung der aktuell in Produktion befindlichen Trinkwasserentnahmebrunnen der Gemeinde Gerstungen durch eingeleitete Salzabwässer (Versenkung) eindeutig nachweisbar. In den zur Trinkwassergewinnung eingesetzten Brunnen werden ausschließlich geogene niedrig mineralisierte Ca HCO 3 und untergeordnet Ca SO 4 Wässer gefördert. 2. Ist aktuell (Stand Jan. 2015) die Trinkwasserversorgung der Klägerin durch die (weitere) Versenkung von Salzabwässern durch die Beigeladene in der Form beeinträchtigt, als eine Verunreinigung des Trinkwassers durch die Salzabwässer vorliegt? Basierend auf den durch die K+S zur Verfügung gestellten hydrochemischen Originaldaten der Trinkwasserentnahmebrunnen der Gemeinde Gerstungen bestand aktuell (Stand Jan. 2015) ebenfalls keine nachweisbare Beeinflussung der Trinkwasserversorgung der Gemeinde Gerstungen durch die Versenkung von Salzabwässern. Die zur Trinkwassergewinnung geförderten Grundwässer bestehen entsprechend ihrer hydrochemischen Zusammensetzung aus geogenen niedrig mineralisierten Ca HCO 3 und untergeordnet Ca SO 4 Wässern, welche typisch für den Mittleren Buntsandsteingrundwasserleiter sind. 3. Wie wirkt sich die (weitere) Versenkung auf der Basis der Erlaubnis vom auf das Grundwasser des Plattendolomits aus? Es ist generell davon auszugehen, dass die, in den Plattendolomitgrundwasserleiter eingeleiteten Salzabwässer aus der Düngemittelproduktion, lokal (am Versenkstandort) zu einer Aufkonzentration sowie Mischung mit vorhandenem Grundwasser (Formationswasser) im Plattendolomitgrundwasserleiter führen. Gleichzeitig kommt es zu einer Verdrängung von geogenen, hochkonzentrierten Formationswässern im Plattendolomit während der Hochdruckphasen des Einleitungsprozesses. Eine Ausbreitung der mit Formationswässern gemischten Salzabwässer folgt den Gesetzmäßigkeiten der verschiedenen relevanten Prozesse (Potentialströmung, Dichteströmung, Stofftransportprozess), in Abhängigkeit von Prozesspa

78 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 78 rametern (hydraulische Leitfähigkeit, Speicherkoeffizient, etc.) und der Geometrie des Grundwasserleitersystems sowie tektonischen Strukturen (Schichteinfallen, Kluftnetz, Störungen und Versätze, Sattel und Muldenstrukturen). Die Änderung in der hydrochemischen Zusammensetzung der Grundwässer und damit die Auswirkung der Versenkung auf die Wasserqualität im Plattendolomitgrundwasserleiter ist abhängig von der Hintergrundströmung des Grundwasserleiters und der relativen Bedeutung von Kluft und Matrixströmung, den Einleitungskopfdrucken, der Versenkungsrate der Salzabwässer und dem Grad der Anbindung der Einleitungsbohrung an das Kluft / Karströhrennetzwerk. Die quantitative Beantwortung dieser Frage beinhaltet die Prognose der Salzwasserausbreitung im Grundwasserleitersystem Plattendolomit Buntsandstein und erfordert den Einsatz eines prognosefähigen Grundwasserströmungs und stofftransportmodells, wie es als Auflage seitens des Regierungspräsidiums als Grundlage für die weitere Genehmigung der Versenkaktivität gefordert wurde. Die Güte der Prognosefähigkeit des 3D Modells Werra ist nach wie vor Gegenstand von Diskussionen zwischen den Fachbehörden und der K+S. Eine geeignete Abschätzung der Güte kann durch einen Validierungsprozess, d.h. durch eine Vorwärtsmodellierung und eine à posteriori Überprüfung der Simulationen durch Messdaten erreicht werden. Aufgrund der Komplexität des Modells und der in Kapitel beschriebenen Unsicherheiten kann eine eindeutige Validierung und damit eine klare Prüfung der Güte der Prognosefähigkeit des 3D Modells nicht durchgeführt werden. Nichtsdestotrotz können auf der Basis der Informationen zum hydrogeologischen Modell, der Physik der Strömungsund stoffausbreitungsprozesse, der Modellergebnisse, vorhandener Daten und Plausibilitätsüberlegungen einige klare Aussagen zum Ausbreitungsverhalten der Salzabwässer gemacht werden. Bei Annahme eines Einkontinuummodells als Modellansatz, wie im 3D Modell Werra umgesetzt, führt jede weitere Einleitung, auch unter reduzierten Versenkraten, zu einer weiteren, wenn auch verlangsamten Ausbreitung der Salzabwasserfronten im Plattendolomitgrundwasserleiter, vorausgesetzt, der Potentialgradient ist in Richtung Buntsandsteingrundwasserleiter orientiert. Diese grundsätzliche Schlussfolgerung ist nach Ansicht der Gutachter Grundlage für die Schlussfolgerungen der Autoren der jüngeren Stellungnahmen des HLUG (2014). Bei Annahme eines Mehrkontinuummodells als Modellansatz (d.h. die dominierende Rolle der Kluft und Karstwegsamkeiten auf die Grundwasserströmung wird explizit berücksichtigt), wie er nach Ansicht der Gutachter für die Prognose der Salzabwässer erforderlich wäre, und bei direkter Einleitung der Salzabwässer in diese dominierenden Wegsamkeiten im Bereich des Werratals und des Salzhangs (Hattorf, Philippsthal, Eichhorst / Bodesruh), kann eher davon ausgegangen werden, dass die Versenkwässer auf dem direkten Weg, aufgrund des entsprechenden Potentialgradienten und der ausgeprägten hydraulischen Leitfähigkeiten und der Anisotropie, in Richtung Vorfluter (Entlastungsgebiet) abströmen, wo sie an durchlässigen Störungszonen als diffuse Austritte zur Salzfracht der Werra beitragen. Die Konsequenz dieses Modellansatzes ist, dass eher wahrscheinlich keine weitere Ausbreitung der Salzabwässer in die Matrix des Plattendolomitgrundwasserleiters erfolgt. Wie im Zusammenhang mit der Diskussion zur Unsicherheit von Modellvorhersagen in Kapitel erwähnt, ist das System unterbestimmt und die relativen Ausbreitungsraten im Kluft bzw. Matrixsystem sind nicht eindeutig bestimmbar wie bei allen Modellprognosen. Im Untersuchungsgebiet "Raum Gerstungen" konnte für die Messstelle Herda 13 (728) im Plattendolomit, welche sich ca. 3 km in südlicher Richtung von den Trinkwasserbrunnen der Gemeinde Gerstungen entfernt befindet, erstmalig ein, wenn auch geringer, Einfluss von Versenkwässern in 2014 festgestellt werden. Bei allen weiteren Messstellen im Plattendolomitgrundwasserleiter der Gerstunger Mulde liegen die erstmalig dokumentierten Beein

79 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 79 flussungen mit Versenkwässern vor dem Jahr Eine detaillierte Studie und Neubearbeitung von hydrochemischen und hydrogeologischen Parametern aller im Kali Werra Gebiet vorliegenden Daten von Bohrungen und Grundwassermessstellen ist erforderlich, um das exakte Abstromverhalten und den Verbleib der Versenkwässer im Plattendolomit unter Berücksichtigung der oben genannten Parameter zu erforschen. Die Ionenkonzentrationen in durch Versenkwässer beeinflussten Bohrungen zeigen im zeitlichen Verlauf unterschiedliches Verhalten. Bei einem Teil der Bohrungen zeigen sich auch weiterhin (2014/2015) erhöhte Konzentrationen, während bei anderen Bohrungen abfallende Konzentrationen mit der Zeit zu verzeichnen sind. Hierdurch ergibt sich eine komplexe Hydrodynamik, die sich nur über einen Vergleich von Versenkereignissen, der jeweils gegebenen hydrochemischen Zusammensetzung der Versenkwässer und den Ergebnissen von hydrochemischen Grundwasseranalysen mit engem zeitlichen Bezug im näheren und weiteren Umfeld der Versenkbohrungen klären lässt. 4. Ist es durch die (weitere) Versenkung auf der Basis der Erlaubnis vom der Salzabwässer zu einem Eintritt dieser Abwässer in den Buntsandstein gekommen? Im Bereich von Störungs und Subrosionszonen kann es lokal zu Aufstieg und Eintritt von Salzabwasser in andere Grundwasserleiter kommen. Störungszonen sind als komplexe tektonische Strukturen zu betrachten, welche je nach Versatz und Durchlässigkeit der Gesteine, hydraulische Verbindungen zu hangenden oder liegenden Grundwasserleitern ermöglichen. Lokale Einflüsse von aufsteigenden Salzwässern, welche entlang von Störungszonen den Buntsandstein und Quartäre Schichten passieren, sind besonders im Bereich des Werratals im gesamten Werra Kali Gebiet durch das Auftreten natürlicher Salzwasserquellen seit langem bekannt. Dass diese natürlichen hydrogeologischen Wegsamkeiten ebenfalls dem potentiellen Aufstieg von in den Plattendolomit versenkten Salzabwässern dienen, ist unbedingt anzunehmen. Diese Strömungskonfiguration und ein kontinuierlicher Transport und Abfluss von aufsteigenden Versenkwässern über die Werra entspricht den von den Gutachtern dargelegten hydrogeologischen Modellvorstellungen (siehe Kap. 2.1). Die Untersuchung der Herkunft der in einer Buntsandstein Messstelle angetroffenen Versenkwässer, der Zeitraum der Einleitung und der Fließweg der Salzabwässer bedürfen aufgrund der über 80 jährigen Versenkhistorie umfangreicher weiterer wissenschaftlicher Ermittlungen. Lokalitäten, an denen Versenkwässer in den Grundwasserleiter des Buntsandstein übergetreten sind, können nur durch den tatsächlichen Nachweis, z.b. basierend auf eindeutigen hydrochemischen Parametern und Veränderungen in der Zusammensetzung der Grundwässer, bestimmt werden. Bedingt durch die Ähnlichkeit in der Zusammensetzung der Versenkwässer vor und nach 1989, ist es ohne hochauflösende Datengrundlage nicht möglich, zu beurteilen, zu welchem Zeitpunkt in Relation zum Versenkgeschehen eine Beeinflussung erfolgte. Lediglich durch das erstmalige Auftreten von Salzabwässern in einer bis dato unbeeinflussten Messstelle ergibt sich ein zeitlicher Hinweis. Sämtliche im Raum Gerstungen erfolgten Beeinflussungen des Grundwasserleiters "Unterer Buntsandstein" (Messstellen 158, 911) sind auf Maßnahmen aus den Jahren vor 2011 zurückzuführen. Beeinflussungen des Grundwasserleiters "Mittlerer Buntsandstein" sind im Untersuchungsgebiet "Raum Gerstungen" nicht bekannt. Nur eine komplette detaillierte Bestandsaufnahme der geologischen, hydrogeologischen und hydrochemischen Situation im Werra Kali Gebiet könnte die Detailsituation klären. Basierend auf der bisherigen Datenlage ist davon auszugehen, dass sowohl die Darstellung des Störungssystems, als auch die erforderliche Detail Kenntnis über die Eigenschaften der jeweiligen Störungen im Untersuchungsgebiet nur modellhaft vorliegen. Damit fehlt eine aussagekräftige realistische Beurteilung der komplexen tektonischen und hydrogeologischen Situation im Werra Kali Gebiet, einschließlich subrosionsbedingter, tektonischer Bruchstruk

80 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 80 turen in entsprechenden Senken und entlang des Salzhangs sowie ihre Auswirkungen auf die aktuelle und zukünftige Verbreitung der Versenkwässer. 5. War es wissenschaftlich auf der Basis der damaligen Erkenntnisse vertretbar, bei der Erteilung der Erlaubnis vom davon auszugehen, dass durch die Reduzierung der Versenkungsmengen eine weitere Ausdehnung der Salzabwässer (im Bescheid wird dies als Vergrößerung des Verdrängungs und Entlastungsareals bezeichnet) nicht zu befürchten sei? Wie vom HLUG (2014) formuliert und in der Antwort zu Frage 3 ausgeführt, führt bei Annahme eines Einkontinuummodellansatzes für den Plattendolomitgrundwasserleiter jegliche weitere Versenkung zu einer, zwar reduzierten, jedoch weiteren Ausbreitung der Salzabwässer im System und damit zu einer Vergrößerung des Verdrängungs und Entlastungsareals. Auch wenn in den beobachteten Grundwassermessstellen und in geförderten Rohwässern eine Abnahme der Salzkonzentrationen zu verzeichnen ist, bedeutet dies nicht notwendigerweise einen Rückzug der Salzabwasserfront. Unter Annahme eines Doppelkontinuummodellansatzes, d.h. eines Grundwasserleitersystems, das durch die Kopplung eines hochleitfähigen, gering speicherfähigen, verkarsteten Kluft Karströhren Dränagesystems mit einer gering leitfähigen, deutlich höher speicherfähigen Gesteinsmatrix beschrieben werden kann, ist eine eindeutige Aussage deutlich schwieriger zu machen. Unter Annahme eines Plattendolomitgrundwasserleiters, der starke Anisotropien (Richtungsabhängigkeiten) und Verkarstungserscheinungen in seiner Durchlässigkeit parallel zur Orientierung des Salzhangs in Richtung des regionalen Vorfluters Werra aufweist (siehe hydrogeologisches Modell Kapitel 3.2, hydrogeologische Bedeutung der Rolle von Störungszonen und des Salzhangs Kapitel und 2.1.3), ist die weitere Ausbreitung des Salzabwassers abhängig (a) vom relativen Kontrast zwischen den hydraulischen Parametern (hydraulische Leitfähigkeiten; effektive Porositäten) des Dränagesystems (durch Lösungsvorgänge zu Röhren erweiterte Klüfte) und des Matrixsystems, (b) von der Höhe der Injektionsrate, relativ zur hydraulischen Leitfähigkeit des Dränagesystems und (c) vom Volumenstrom der Hintergrundströmung im Grundwasserleitersystem. Quantitativ kann diese Frage aufgrund der Überlagerung verschiedener Effekte und der komplexen Geometrie des Systems nur mit einem numerischen Grundwasserströmungsmodell beantwortet werden, das die Röhren Matrix Charakteristik berücksichtigt. Die bisher vorgelegten Modelle des Versenkungsraumes berücksichtigen diesen Modellansatz nicht. Der entsprechende Effekt des gewählten Einkontinuummodellansatzes auf den simulierten diffusen Salzabwasseraustrag zeigt sich in den Problemen des Modells, die zeitliche Variabilität der diffusen Salzausträge in die Werra nachbilden zu können, eine Charakteristik eines Einkontinuummodellansatzes mit stark ausgeprägtem Speicher und damit Dämpfungseffekt (siehe auch Kapitel 2.3 und 2.4). Zusammengefasst gehen die Gutachter auf der Basis der verschiedenen Beobachtungen davon aus, dass die Salzabwässer aufgrund der Verteilung des hydraulischen Potentials, der Position der Versenkstandorte in hochdurchlässigen Bereichen der Störungszonen im Gebiet des Werratals (Hattorf und Philippsthal) und des Salzhangs (Eichhorst / Bodesruh) sowie aufgrund der Vorzugsorientierung der hochdurchlässigen Wegsamkeiten ausgehend vom Versenkstandort Eichhorst / Bodesruh im wesentlichen auf dem direkten Weg in Richtung Werra (Dankmarshausen) abströmen. Als Konsequenz ist deshalb davon auszugehen, dass das Verdrängungs und Entlastungsareal wahrscheinlich nicht vergrößert wird. Quantitativ lässt sich jedoch erst mit einem Doppelkontinuummodell und nach Quantifizierung der individuellen Fließkomponenten (Grundwasserneubildung, Hintergrundströmung im Buntsand

81 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 81 stein und Plattendolomitgrundwasserleiter, Versenkraten) hierzu eine Aussage machen. 6. War es wissenschaftlich auf der Basis der damaligen Erkenntnisse vertretbar, bei der Erteilung der Erlaubnis vom davon auszugehen, dass eine nachteilige Veränderung der Wasserbeschaffenheit im Erlaubniszeitraum (4 Jahre) unter Beachtung der Vorgaben aus der Erlaubnis nicht zu besorgen war? Grundsätzlich ist die Problematik um den Aufstieg von Versenkwässern entlang der bekannten Entlastungszonen seit langem bekannt. Daher ist davon auszugehen, dass jede weitere Einleitung auch mit geringerer Einleitungsrate eine weitere Beeinflussung des Grundwassers im Werra Kali Gebiet und der Oberflächengewässer in den Werratalauen mit sich bringt. Wo und wie genau der Abstrom der Versenkwässer auch zukünftig vonstatten geht, ist im Detail insbesondere auch mit hydrochemischen Methoden, ggf. unter Verwendung von Isotopentracern, zu prüfen. Die Wasserqualitätsänderung im Buntsandsteingrundwasserleiter (außerhalb des bereits stark von Salzabwässern betroffenen Werratal Areals) und in den angrenzenden Lockergesteinsgrundwasserleitern ist eng gekoppelt an die in Frage 5 diskutierte Vergrößerung des Verdrängungs und Entlastungsareals. Wie auch die Ausbreitung der Salzabwässer im Plattendolomitgrundwasserleiter und in den angrenzenden Buntsandstein und Lockergesteinsgrundwasserleitern ist eine potentielle nachteilige Veränderung der Wasserbeschaffenheit im Erlaubniszeitraum (4 Jahre) abhängig vom relativen Beitrag der Hintergrundströmung im Grundwasserleiter inklusive der zeitlichen Schwankungen in der Wasserhaushaltsbilanz und der relativen Bedeutung von Kluft und Matrixströmung, den Einleitungskopfdrucken, der Versenkungsrate der Salzabwässer, und dem Grad der hydraulischen Anbindung der Einleitungsstelle an das Kluft / Karströhrennetzwerk. Eine quantitative Aussage hierzu ist letztendlich nur mit einem entsprechenden Doppel(Mehr )kontinuummodell zu erreichen, wobei auch hier die Unsicherheit in der Aussage und die Mehrdeutigkeit des Modells zu berücksichtigen sind. Die Erstellung eines prognosefähigen Modells war deshalb die berechtigte Forderung seitens der Fachbehörden. Grundsätzlich stehen verschiedene wissenschaftliche Verfahren zur Verfügung, die eine bessere Einschätzung der komplexen hydrogeologischen Situation und der Problematik der Veränderung der Grundwasserbeschaffenheit im Kali Werra Gebiet ermöglichen. Diese analytischen Verfahren beinhalten neue hydrochemische Methoden wie der Einsatz von Isotopentracern, die als natürliche Markierungsstoffe im Wasser vorkommen sowie den Einsatz von künstlichen Tracerverfahren, als auch oben diskutierte erweiterte Modellansätze. Da diese Verfahren zum Teil schon seit langem in verschiedenen wissenschaftlichen Studien international erfolgreich eingesetzt werden und zuverlässige Ergebnisse liefern, hätten solche Untersuchungen im Vorfeld durchgeführt werden können und damit für die Erteilung der Versenkerlaubnis wichtige weitere Informationen liefern können. 7. War es wissenschaftlich auf der Basis der damaligen Erkenntnisse vertretbar, bei der Erteilung der Erlaubnis vom davon auszugehen, dass eine nachteilige Veränderung der Wasserbeschaffenheit hinsichtlich der Trinkwasserversorgung der Klägerin, durch eine zeitlich und mengenmäßig begrenzte Fortführung der Versenkung unter Beachtung der Vorgaben aus der Erlaubnis, nicht zu besorgen war? Eine nachteilige Veränderung in der Wasserbeschaffenheit der, von der Gemeinde Gerstungen zur Zeit genutzten, Trinkwasserentnahmebrunnen, die auf eine Beeinflussung von Versenkwässern zurückzuführen wäre, konnte bis zum heutigen Tag nicht nachgewiesen werden. Wie in den Kapiteln 2.1.2, 2.1.3, 3.2.1, und ausgeführt, ist mit großer Wahrschein

82 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 82 lichkeit davon auszugehen, dass die Salzabwässer aus dem Raum Eichhorst / Bodesruh auf dem direkten Weg, parallel zur Orientierung des Salzhangs und des hydraulischen Gradienten in Richtung Osten bzw. Südosten in Richtung Entlastungsareal Werratal (z.b. Dankmarshausen) abströmen. Eine direkte Verbindung zwischen Versenkungsstandort Eichhorst / Bodesruh und den Trinkwasserbrunnen Gerstungen ist nach unserer Einschätzung eher unwahrscheinlich. Jedoch könnten die unter Frage 6 aufgelisteten wissenschaftlichen Methoden hier wertvolle weitere Hinweise liefern. Auf Basis der damaligen Erkenntnisse, wobei jedoch nicht alle derzeit zur Verfügung stehenden etablierten und neuen wissenschaftlichen Methoden ausgeschöpft wurden, war davon auszugehen, dass eine nachteilige Veränderung der Wasserbeschaffenheit hinsichtlich der Trinkwasserversorgung der Klägerin, durch eine zeitlich und mengenmäßig begrenzte Fortführung der Versenkung unter Beachtung der Vorgaben aus der Erlaubnis, nicht eintreten würde. Entscheidend für diese Beurteilung sind die eindeutigen Langzeitergebnisse der hydrochemischen Grundwasseranalysen in den Trinkwasserentnahmebrunnen sowie in den Bohrungen der K+S im näheren und weiteren Umfeld der Trinkwassergewinnungsanlagen der Gemeinde Gerstungen. Für die aktuell in Betrieb befindlichen Trinkwasserentnahmebrunnen der Gemeinde Gerstungen konnte keine Beeinflussung durch Versenkwässer nachgewiesen werden. Diese Ergebnisse werden durch die oben dargelegten Modellvorstellungen zur Hydrodynamik im Umfeld der Entlastungszonen im Werratal unterstützt. Zu diesem Schluss kommen auch die Bearbeiter aus den Fachbehörden und dem HG Büro für Hydrogeologie und Umwelt GmbH in ihren diversen Stellungnahmen. 8. War es wissenschaftlich auf der Basis der damaligen Erkenntnisse vertretbar, bei der Erteilung der Erlaubnis vom davon auszugehen, dass eine Fortführung der Versenkung im Rahmen der Vorgaben der Erlaubnis, keine Erhöhung der diffusen Salzeinträge in die Oberflächengewässer zur Folge haben wird? Es ist unserer Einschätzung nach davon auszugehen, dass die, aus der weiteren (auch reduzierten) Versenkung, injizierten Salzabwässer zum größten Anteil wieder auf dem direkten Weg als diffuser Salzwasseraustrag in die Oberflächengewässer (Werra) zu Tage treten. Aufgrund der speziellen Strömungsverhältnisse, d.h. des angenommenen Piston Flow Effekts (in Krupp (2013) als Verdrängungsketten Mechanismus bezeichnet), werden die ab 2011 versenkten Wässer bei weiterer Versenkungsaktivität, verzögert aufgrund der Transportstrecke, in die Werra eintreten. Aufgrund der reduzierten Versenkraten dürfte, bei gleichbleibender Zusammensetzung der Salzabwässer, keine weitere Erhöhung der diffusen Salzeinträge zu erwarten sein. Auswirkungen der weiteren Versenkungsaktivität auf die Wasserqualität in der Werra Eine zentrale Frage des Verwaltungsgerichts Kassel an die Gutachter konzentriert sich darauf, wie sich die diffusen Salzausträge aus dem Plattendolomit, über den Buntsandstein in die Werra entwickeln werden. Die diffusen Salzeinträge in die Werra werden sich voraussichtlich reduzieren, durch: - Verringerung der Fluidmenge, aufgrund der Abnahme des Potentialgradienten und damit des Grundwasserflusses, - die reduzierten Einträge aus dem Plattendolomitgrundwasserleiter in den Buntsandsteingrundwasserleiter, - die höhere Verdünnung durch unbelastete junge meteorische Wässer in den oberflächennahen Bereichen des Buntsandsteingrundwasserleiters,

83 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 83 - eine stärkere Verzögerung ("time lag") und zeitliche Streckung ("tailing") des Austragssignals aufgrund des Einflusses der Dispersion und Matrixdiffusion entlang der Transportstrecke und aufgrund der veränderten Eintragsbedingungen. Langfristig wird sich jedoch auf Grund von Matrixdiffusionseffekten ein Tailing, d.h. nur langsames Abklingen der Konzentration zeigen.

84 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite Zusammenfassende Beurteilung Im hier vorgelegten Gutachten geht es im Wesentlichen um die Beurteilung, inwieweit die natürlichen Grundwässer im Werra Kali Gebiet und speziell im Bereich der Gemeinde Gerstungen durch die Salzabwasserversenkung der K+S in ihrer Qualität beeinträchtigt sind, am beeinträchtigt waren, und nach dem im Zeitraum von 5 Jahren (nach dem Stand vom ) beeinträchtigt werden könnten. Konkret waren dabei die folgenden zentralen Fragen zu beantworten: a) Wie ist der Zustand der Grundwässer nach der ca. 80 Jahre andauernden Einleitung von Salzabwässern aus der Kaliproduktion zum Zeitpunkt , b) Wird sich die Grundwasserqualität der natürlichen Grundwasserleiter durch eine weitere Einleitung bei geringer Versenkrate nach dem nachteilig verändern, c) Wird sich die Trinkwasserqualität der Gemeinde Gerstungen im Speziellen nachteilig verändern, d) Wird sich die Wasserqualität der Werra und der weiteren Vorfluter bei weiterer Einleitung nach dem nachteilig verändern? Hydrogeologisch gesehen ist dabei zu beurteilen: a) Wie wird sich die Salzabwasserfront in den verschiedenen Grundwasserleitern weiter ausbreiten, b) Wie kann eine Beeinträchtigung der Wasserqualität durch die Salzabwassereinleitung nachgewiesen werden. Bei der Beurteilung der nachteiligen Veränderung der Wasserqualität muss grundsätzlich unterschieden werden, an welcher Stelle die Beobachtung der Wasserqualität erfolgt. Diese kann einerseits am Austragsort (Oberflächengewässer, Trinkwasserbrunnen) oder an der Grenze Salzabwässer natürliche Grundwässer (Formationswässer, Süßwässer) erfolgen. Ein Rückgang in der Salzkonzentration in der Rohwasserförderung bzw. in einer Grundwassermessstelle bedeutet nicht notwendigerweise einen Rückzug der von der Salzabwasserversenkung erzeugten Salzwasserfront. Insofern wird sinnvollerweise in den Fragen des Gerichts zwischen einer nachteiligen Veränderung der Wasserqualitätsänderung in der Trinkwasserförderung der Klägerin und einer nachteiligen Veränderung im Grundwasserleitersystem (Vergrößerung des Verdrängungsareals ) unterschieden. Unterschiedliche Trends an den verschiedenen Beobachtungspunkten lassen sich durch die unterschiedliche Volumenströmung der im Grundwasserleitersystem relevanten Fließkomponenten (Hintergrundströmung, Versenkraten, Entnahmeraten, lokale Grundwasserneubildung, relativer Beitrag der Kluft Matrix Strömung, etc.) erklären. Die Dichteströmung ist bei diesen Überlegungen noch nicht berücksichtigt. Grundsätzlich lässt sich feststellen, dass jede weitere Einleitung von Salzabwasser zu einer weiteren Vergrößerung des von Salzabwasser im Plattendolomit Buntsandstein Quartär Grundwasserleitersystem eingenommen Speicherraumes führt. Diese Feststellung geht von der Annahme aus, dass der Speicherraum keine allzu hohen Kontraste in den hydraulischen Parametern aufweist und mit einem Einkontinuumsystem beschrieben werden kann. Der

85 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 85 Grad der Ausbreitung und die Auswirkung der weiteren Salzabwasserversenkungen auf die Wasserqualität in Raum und Zeit kann mit einem mathematischen Modell berechnet werden, wie es von der K+S erstellt wurde (Werra Kali; die neueste Version liegt den Gutachtern nicht vor). Das Modellkonzept für das Werra Kali Modell ist ein klassisches Einkontinuummodell, wie es für die meisten ingenieurtechnischen Anwendungen im Grundwasserbereich eingesetzt wird, wobei es zusätzlich den Effekt der dichteabhängigen Strömung berücksichtigt. Gemessen an der Komplexität der hydrogeologischen Verhältnisse (Geometrie, Parametervariabilität, Dichteströmung, Historie der Versenkungstätigkeit) und der geringen räumlichen und zeitlichen Datendichte, konnten die Bearbeiter die gemessenen historischen Daten der Potentialverteilung, Konzentrationsänderungen, des Abflusses und der Salzfrachten mit einem einfachen Modellansatz erstaunlich gut nachbilden (DHI WASY 2013). Dieses Modell zeigt die wesentlichen hydrogeologischen Charakteristika des Werra Kali Gebiets und ist in der Lage großräumig die Ausbreitung des Salzabwassers im Plattendolomit und in den angrenzenden Grundwasserleitern zu simulieren. Dies zeigt sich an der stimmigen Wasser und Massenbilanz, der Nachbildung der zeitlichen Änderung der ausgetragenen Salzfracht in die Werra, sowie die plausible Modellierung der zeitlichen und räumlichen Verteilung der Zustandsvariablen Potential und Salzkonzentration. Die Gutachter sind trotz dieser relativ guten Kalibrierung der Ansicht, dass das Werra Kali Modell einer grundsätzlichen Prüfung bedarf. Dies betrifft insbesondere das Modellkonzept. Das Modell kann zwar grob den Durchbruch der Salzfracht in die Werra nachbilden, nicht jedoch die zeitliche Variabilität. Ferner gibt es systematische Diskrepanzen zwischen gemessenen und modellierten Austragsdaten besonders für frühe und späte Zeiten (Weitere Details in Kapitel 2.3, Kapitel 2.4). Dies legt den Schluss nahe, dass das Modell nicht in der Lage ist lokale Aussagen zum Ausbreitungsverhalten zu machen. Dies liegt nicht nur am Modell selbst und dessen Umsetzung sondern vielmehr auch an den Eingangsdaten und deren Interpretation (Kapitel 2.4). Nach Einschätzung der Gutachter erfordert insbesondere die Bestimmung der ausgetragenen Fracht (Kapitel 2.4, diffuser Austrag in die Werra) einer umfangreichen Neubearbeitung, da sie die wesentlichste Kalibriergröße (Zielfunktion) darstellt und präjudiziert, welcher Anteil Salzabwasser im Grundwasserleitersystem verbleibt. Es besteht Grund zur Annahme, dass deutlich weniger Salzabwasser im Plattendolomitgrundwasserleiter und im Buntsandsteingrundwasserleiter im Bereich des Werratales gespeichert ist als in der Analyse durch das HLUG (2008) abgeleitet wird (Unterschätzung des Austrags; Kapitel 2.4). Die Konsequenz ist, dass Salzabwasser direkt über hochdurchlässige Wegsamkeiten im Bereich des Salzhangs und der Störungszonen im Bereich des Werratals in die Vorfluter bereits während der Jahrzehnte der Versenkung ausgetragen wurde. Diese Annahme wird dadurch unterstützt, dass effektive Versenkbohrungen fast ausschließlich an die o.g. Wegsamkeiten anbinden. Die Modellierung eines Grundwasserleitersystems mit den beschriebenen Charakteristiken impliziert die Diskretisierung der Wegsamkeiten, bzw. den Wechsel zu einem z.b. Doppelkontinuumansatz. Dieser Ansatz würde einen relativ geringen Charakterisierungsaufwand für die Wegsamkeiten bedeuten. Nach Einschätzung der Gutachter werden seitens der Modellbearbeiter und der Fachbehörden zu hohe Erwartungen an das Modell in Bezug auf seine Prognosefähigkeit besonders auf der Ebene des lokalen Maßstabs gestellt. Dies liegt insbesondere an den multiplen Unsicherheiten und deren kumulativen Effekten begründet (Kapitel 3.2.3). Die Konsequenz dieser individuellen Unsicherheitskomponente ist eine entsprechende Unsicherheit in den Modellprognosen. Trotz der genannten Unsicherheiten in den Modellprognosen kann das Modell wertvolle prinzipielle Informationen liefern (a) zum Verständnis der diversen Mechanismen im Grundwasserleitersystem, (b) zur relativen Bedeutung unterschiedlicher Charakteristiken des Ge

86 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 86 samtsystems und der diversen Fließkomponenten, sowie (c) zur relativen Effektivität verschiedener Bewirtschaftungs und Sanierungsmaßnahmen. Basierend auf den Konzentrationen von Hauptkationen und anionen sowie deren Verhältnisse im Grundwasser können zwar generell Unterschiede in der Herkunft der Wässer erkannt werden, jedoch ist es meist schwierig, Mischwässer, die sich aus verschiedenen Quellen zusammensetzen, eindeutig zu interpretieren. Insbesondere dann, wenn sich nur geringe Mengen von Salzabwässern mit natürlichen geogenen Süß oder Salzwässern mischen, sind Aussagen alleine über den Hauptelementchemismus schwierig. Zudem sind durch die weite Verbreitung unterschiedlich zusammengesetzter hochsalinarer Formationswässer in den einzelnen tiefen Formationen des Unteren Buntsandstein und des Plattendolomitgrundwasserleiters, die sich durch natürliche Salzlaugung sowie Wechselwirkung mit dem umgebenden Gestein gebildet haben, Einflüsse von Salzabwässern über Ionenverhältnisse teilweise nicht eindeutig identifizierbar. Zur besseren Abschätzung des Einflusses von Salzabwässern auf die Region Werra Fulda wird die Untersuchung von natürlichen und ggf. künstlichen Tracerverfahren (z.b. natürliche Spurenstoffe, produktionsbedingte Spurenstoffe, natürliche Isotopenverhältnisse) empfohlen, welche als Indikatoren für die Herkunft der Grundwässer notwendige Hinweise liefern können. Empfehlungen Die Güte des mathematischen Modells und damit die der Prognosemodellierung hängt entscheidend ab vom Verständnis des Gesamtsystems. Eine Verbesserung der Prognosefähigkeit des Modells kann nach Einschätzung der Gutachter erreicht werden, indem: a) die Ableitung der zentralen Zielfunktion, d.h. der diffuse Austrag der Salzabwässer in die Vorfluter kritisch geprüft wird, b) die Option geprüft wird, inwieweit jenseits der Hauptelemente / Ionenverhältnisse eher eindeutige Indikatoren (charakteristische Isotopenverhältnisse; Spurenstoffe in den Injektionswässern z.b. aus der Salzaufbereitung) für Salzabwasser identifiziert werden können, c) das hydrogeologische Modell bzgl. der Bedeutung hochdurchlässiger Wegsamkeiten geprüft wird, d) die Parametrisierung des Modells im Prognose (km Maßstab) z.b. über Interferenztests, Auswertung der hydraulischen Signale der Versenkaktivitäten, und nicht nur im Bohrlochmaßstab durchgeführt wird, e) die Fähigkeit des Modells, hochdurchlässige Wegsamkeiten nachzubilden, verbessert wird (Doppelkontinuummodellansatz, Einbindung von diskreten Elementen), f) die Kalibrierung des Modells auf der Basis von dichtekorrigierten Stichtagsmessungen des hydraulischen Potentials durchgeführt wird, g) die numerische Dispersion und numerische Artefakte bei der Simulation der dichteabhängigen Strömung quantifiziert werden, h) eine quantitative Unsicherheitsbetrachtung durchgeführt wird. Nach Einschätzung der Gutachter erfordert dies eine umfangreiche, systematische Studie, die sicherlich einen zeitlichen Umfang von 4 5 Personenjahren erfordert.

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90 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 90 Krupp R.E. (2007) Gutachten zur Versalzung der Gerstunger Trinkwasser Brunnen infolge der Versenkung von Kaliabwässern. Im Auftrag der Gemeinde Gerstungen / Werra (Thüringen). 48S. Lewis, H. & Couples, G. D. (Eds.) (2007): The Relationship Between Damage and Localization. Geological Society, London, Special Publications, 289: 254 p. Liu, E., Chapman, M., Hudson, J. A., Tod, S. R., Maultzsch, S. & Li, X. Y. (2005): Quantitative determination of hydraulic properties of fractured rock using seismic techniques. Geological Society Special Publication, 249: Losh, S. & Haney, M. (2006): Episodic fluid flow in an aseismic overpressured growth fault, northern Gulf of Mexico. In Abercrombie, r., McGarr, A., Di Toro, G. & H. Kanamori (eds.) Eartquakes: Radiated Energy and the Physics of Faulting. American Geophysical Union, Geophysical Monograph Series, 170: Lonergan, L., Jolly, R. J. H. & Rawnsley, K. (Eds.) (2007): Fractured reservoirs. Geological Society, London, Special Publications, 270: 285 p. Lunn, R.J., Willson, J.P., Shipton, Z.K. & Moir, H. (2008): Simulating brittle fault growth from linkage of preexisting structures. Journal of Geophysical Research Solid Earth, 113 (B7). Lunn, R.J., Zoe, K. Shipton, K. & Bright, A.M. (2008): How can we improve estimates of bulk fault zone hydraulic properties?. In: Wibberley, C. A. J., Kurz, W., Imber, J., Holdsworth, R. E. & Colletin, C. (eds): The Internal Structure of Fault Zones: Implications for Mechanical and Fluid Flow Properties. 299: DOI: /SP Manzocchi, T., Walsh, J.J., Nell, P. & Yielding, G. (1999): Fault transmissibility multipliers for flow simulation models. Petroleum Geoscience, 5: Matthai, S.K. & Belayneh, M. (2004): Fluid flow partitioning between fractures and a permeable rock matrix. Geophysical Research Letters, 31 (7). Möller, H. (1985): Petrographie und Fazies des Plattendolomits (Leine Karbonat, Ca3) im hessischen Zechstein Becke, Bochumer Geologische und Geotechnische Arbeiten, 20, Sept. Odling, N., Harris, S. & Knipe, R. (2004): Permeability scaling properties of fault damage zones in siliclastic rocks. Journal of Structural Geology, 26: Park, E., Elfeki, A. & Dekking, M. (2005): Characterisation of subsurface heterogeneity: Integration of soft and hard information using multidimensional coupled Markov Chain approach. In: Tsang, C. F. & J.A. Apps, 2005, Underground Injection Science and Technology. Developments in Water Science Bd 52, Elsevier Plümacher, J. (2008): Grundwassermodell Werra 2008, K+S, Kassel Plümacher, J., Beer, W. W., Kluge, S. & Becker, F. (2008): Hydrogeologische Aus arbeitung zur Buntsandsteinbeeinflussung im Werra Kaligebiet. K+S KALI GmbH und K+S Aktiengesellschaft. Rawnsley, K., de Keijzer, M., Wei, L., Bettembourg, S., Asyee, W., Massaferro, J. L., Swaby, P., Drysdale, D. & Boettcher, D. (2007): Characterizing fracture and matrix heterogeneities in folded Devonian carbonate thrust sheets, Waterton tight gas fields, Western Canada. The Geological Society, London, Special Publications, 270: Regierungspräsidium Kassel (2011): Erlaubnisbescheid v , Aktenzeichen 31.1/Hef 79f /001. Reitinger (2012): Klagebegründung Gemeinde Gerstungen./. RP Kassel II (2011) Klage Aktenzeichen: 4 K 1594/11.KS

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92 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite Anhang Anhang 1: Hydraulische Rolle von Störungszonen (Quelle: Sauter et al. 2012) Störungszonen wird eine bedeutende Rolle als potentielle Wegsamkeiten für die Migration von Fluiden und den Stofftransport durch Barrieregesteine der oberen Kruste zugeschrieben. Sie wurden vor allem im Zusammenhang mit der Erschließung und Förderung von Kohlenwasserstofflagerstätten (z. B. MANZOCCHI et al., 1999; LOSH & HANEY, 2006) aber auch im Zusammenhang mit der Suche nach geeigneten Endlagerstandorten insbesondere für Reststoffe bzw. Abfälle aus dem Betrieb nuklearer Anlagen untersucht. Hydrothermale Quellen (COX et al., 2001) sowie hydrothermal gebildete Erzlagerstätten (SIBSON, 2001) sind häufig an permeable Störungszonen gebunden. Die Kenntnis der Lage lokaler Störungszonen und ihrer hydraulischen Eigenschaften ist insbesondere auch ein Schlüsselkriterium für eine Vielzahl möglicher Nutzungsarten von unterschiedlichen Reservoiren. Dazu zählen die dauerhafte Einlagerung von überkritischem CO 2 in tiefen, salinaren Aquiferen (DOCKRILL & SHIP TON, 2010), wo die Dichtheit des Deckgebirges und der Barrieregesteine (caprock integrity) sichergestellt sein muss, die Bereitstellung geothermischer Energie aus tiefen Reservoiren (FAIRLEY, 2009) sowie die potentielle Einleitung von Sonderabfällen in den tiefen Untergrund (DOUGLAS et al., 2000). Zahlreiche neuere Special Publications der Geological Society, London (z. B. JONES et al., 1998; SHAW, 2005; LEWIS & COUPLES G. D., 2007; LONERGAN et al. 2007; JOLLEY et al. 2007; WIBBERLEY et al., 2008) oder Review Artikel (FAULKNER et al., 2010) betonen die Bedeutung von Störungszonen für die regionale Tiefenströmung von Kohlenwasserstoffen und Thermalwässern. Im Zusammenhang mit der Suche nach Endlagerungsstandorten für radioaktive Abfälle wurden die Salzablagerungen in Norddeutschland als potentielle Wirtsgesteine detailliert untersucht. Insbesondere die Bereiche um die Salzstöcke in Gorleben und Morsleben wurden in Betracht gezogen und umfassend felsmechanisch untersucht. Das Hauptproblem bei der Charakterisierung der integralen, hydraulischen Eigenschaften von Störungszonen liegt in ihrer diskreten Ausprägung und in ihrem komplexen, internen Aufbau begründet (z. B. CAINE et al., 1996, Abbildung 7 1). Er umfasst im einfachsten Fall eine eher gering permeable, stark gestörte Kernzone und eine noch immer gestörte und häufig höher permeable Übergangszone. Die jeweilige Ausprägung variiert jedoch stark mit der lokalen tektonischen Beanspruchung. FAULKNER et al. (2010) geben einen umfassenden Überblick über die Entwicklung von Störungssystemen und deren Geometrie (Abbildung 7 2). Die hydraulische Leitfähigkeit parallel zur Störungsfläche ist in der Regel höher, als senkrecht dazu.

93 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 93 Störungszone architektonische Komponenten Störungskern Gouge Kataklasit Mylonit Störungszone kleine Verwerfungen Brüche Gänge Falten Umgebungsgestein regionale Strukturen Abbildung 7 1: kmax kmin nach Caine et al., 1996 Schema einer typischen Störungszone mit geometrischer und hydraulischer Parameterverteilung, Quelle: CAINE et al. (1996). Obwohl Störungszonen häufig leicht erkennbar sind, lassen sich, wie bereits diskutiert, ihre effektiven hydraulischen Eigenschaften aufgrund ihrer diskreten Ausprägung und räumlichen Heterogenität und damit ihre möglicherweise weitreichende Drainagewirkung nur sehr schwer bestimmen. Die Herausforderung besteht daher darin, den Channeling Effekt zu detektieren. Dies liegt, wie bereits diskutiert, darin begründet, dass Störungszonen diskrete Strukturen mit hoher räumlicher Heterogenität in den hydraulischen Parametern darstellen. Sie weisen je nach Charakterisierungsmethodik und gemessenen physikalischen Parametern ein Expositionsprofil auf, das sowohl auf eine bestimmte Dimensionalität als auch Beobachtungsskala beschränkt ist (TADOKORO et al., 2000, ODLING et al. 2004, LIU et al. 2005). Trotz der beschriebenen Einschränkungen zeigten einige Autoren, dass es möglich ist, numerische Fließmodelle (Vorwärtsmodelle) für Störungszonen zu entwickeln (z.b. ODLING et al. 2004, MATTHAI & BELAYNEH, 2004, RAWNSLEY et al., 2007; LUNN et al., 2008; TALWANI et al., 2007; TADOKORO et al., 2000). Die ermittelten hydraulischen Leitfähigkeiten variieren zwischen 10 8 m/s und 10 9 m/s in den beiden letztgenannten Studien. Allerdings weichen sowohl die geologischen und tektonischen Settings (aktive Scherzonen) als auch die Gesteinstypen (kristalline Gesteine) von den in dieser Studie untersuchten deutlich ab. BRACE (1980) vergleicht Permeabilitäten von einzelnen Klüften, geklüfteten Gesteinen sowie großskaligen Strukturen in kristallinen Gesteinen und Tonsteinen auf verschiedenen Skalen und für verschiedene Tiefen. Seine Studie ergibt, dass in tonmineral dominierten, typischen sedimentären Barrieregesteinen des Deckgebirges keine Permeabilitäten von größer m 2 auftraten.

94 M. Sauter, T. Lange & B. Wiegand Seite 94 Damage zone width (m) Range of data from Savage and Brodsky (2009) Displacement (m) Abbildung 7 2: Mächtigkeit der gestörten Zone in Relation zum Versatzbetrag (FAULKNER et al., 2010) Eine weitere, umfassende Studie von JOLLEY et al. (2007), welche auch andere Arbeiten berücksichtigt, zeigt weiterhin, dass in größeren Tiefen und mit relevanten Anteilen tonmineralähnlicher Bestandteile im Ursprungsgestein von > 20 % effektive Permeabilitäten von nicht mehr als m 2 gemessen werden. Bei einem Anteil tonmineral ähnlicher Bestandteile von 50 % erfolgt eine Reduktion der Permeabilitäten um etwa zwei Größenordnungen. Auf Basis der ihnen zur Verfügung stehenden Daten parametrisierten sie die für das Brent Field Reservoir (Nordsee) spezifische Permeabilitäten für Störungszonen mit einer empirischen Gleichung über den sog. Shale Gouge Ratio Index (SGR, YIELDING et al., 1997). Der SGR basiert auf Korngrößenverteilungen und Mächtigkeiten durch Störungszonen räumlich gegeneinander versetzter Einheiten (Gl. 1). Die Parameter in Gl. 1 sind: Vol i, Ton, [%] der Volumenanteil von Ton in Schicht i im Ausgangsgestein, t i [L] die Mächtigkeit der Schicht i, sowie z [L] der vertikale Störungsversatz. SGR = N i Vol i, Ton z t i 100% (Gl. 1) Die empirische Gleichung zur Berechnung der Störungspermeabilität nach MANZOCCHI et al. (1999) (Gl. 2) beruht auf Datensätzen mehrerer Standorte. Die Publikation diskutiert auch die funktionale Abhängigkeit der Mächtigkeit der Störungszone vom Gesamtvertikalversatz z (vgl. auch FAULKNER et al., 2010). log( K) 0,4 4 SGR 0,25log( z)(1 SGR) Für das Brent Field Reservoir fanden JOLLEY et al. (2007) eine vereinfachte Potenzbeziehung (Gl. 3), in der die Parameter a und b die Lage und Krümmungskoeffizienten darstellen. K [L²] in Gleichung 2 und 3 entspricht Permeabilität. K = a 5 (Gl. 2) b SGR (Gl. 3) Eine Übertragung der beschriebenen Methodik auf die gewählten Settings in dieser Studie