Verbundvorhaben SAFIRA

Transkript

1 Zentrum für Angewandte Geowissenschaften Lehrstuhl für Angewandte Geologie Verbundvorhaben SAFIRA Teilprojekt C2.1: Erkundung der Schadstofffracht in kontaminierten Aquiferen zur Dimensionierung von in-situ-sanierungsreaktoren Abschlussbericht LAG 23-2 / 29 Projekt: BMBF 2WT9948/ Projektleiter: Bearbeiter: PD Dr.-Ing. habil. T. Ptak Sebastian Bauer Marti Bayer-Raich Eugen Martac Datum:

2 INHALTSVERZEICHNIS VERZEICHNIS DER BILDER UND TABELLEN 1 EINLEITUNG Problemstellung und Zielsetzung INTEGRALES ERKUNDUNGSVERFAHREN Kurzbeschreibung zum Prinzip des integralen Erkundungsverfahrens ARBEITEN IM PROJEKTZEITRAUM Auswahl des Untersuchungsgebiets und numerisches Standortmodell Einleitende Bemerkungen und Auswahl des Untersuchungsgebiets Hydrogeologische Verhältnisse Vorerkundung mittels Flowmetermessungen und Multilevel- Probenahme Numerisches Grundwasserströmungsmodell Dimensionierung der Immissionspumpversuche am zweiten Untersuchungsstandort Kriterien zur Dimensionierung Variantenbetrachtungen Vorgehensweise und Vorstudien Variante 1 (Q = 5 l/s) Variante 2 (Q = 7.5 l/s) Arbeiten am Standort Hinter dem Bahnhof Auswahl des dritten Untersuchungsstandorts, Dimensionierung der Immissionspumpversuche und Bau von neuen Grundwassermessstellen Kriterien zur Dimensionierung Dimensionierung der Immissionspumpversuche und Bau neuer Grundwassermessstellen am dritten Untersuchungsstandort Dimensionierung von Tracerversuchen und Bau von Tracerzugabemessstellen Laborarbeiten Entwässerbare Porosität Tracerstabilität Entwicklung der Pumpbrunnen-Multilevel-Messtechnik Prinzip Bau und erster Test der Pumpbrunnen-Multilevel- Probenahmeeinrichtung Pumpbrunnen-Multilevel-Probenahmeeinrichtung und Messtechnik für den SAFIRA-Standort Weiterentwicklung des integralen Erkundungsverfahrens Dreidimensionales analytisches Auswerteverfahren Numerisches Auswerteverfahren Mathematische Formulierung Numerisches Modellszenario zur Demonstration und Erprobung der dreidimensionalen Erkundung Durchführung der Immissionspumpversuche Absenkungsganglinien und Leitparameter für die Pumpversuche Flowmetermessungen

3 3.8.3 Schadstoffkonzentrationsganglinien Tracertests Auswertung der Tracerversuche Auswertung der Immissionspumpversuche Weiterentwicklung des numerischen Strömungs- und Transportmodells für den untersuchten Standort Numerische Auswertung der Konzentrationsganglinien SCHLUSSFOLGERUNGEN UND ZUSAMMENFASSUNG VORAUSSICHTLICHER NUTZEN FORTSCHRITTE BEI ANDEREN STELLEN VERÖFFENTLICHUNG DER ERGEBNISSE Publikationen Abschlussarbeiten Berichte Vorträge und Poster LITERATURVERZEICHNIS ANHANG

4 ABBILDUNGSVERZEICHNIS Abb. 2.1: Schadstoffverteilung im Grundwasserabstrom eines Schadensherdes (die herkömmliche Erkundung mittels Probenahme in einzelnen Messstellen hat eine hohe Unsicherheit)... 2 Abb. 2.2: Vorgehensweise beim integralen Messansatz zur Bestimmung der Gesamt- Schadstofffracht und der mittleren Immissionskonzentration als Bemessungsparameter zur Dimensionierung von In-Situ-Sanierungsreaktoren im Abstrom eines Schadensherds... 4 Abb : Umriss des Modellgebiets und des zweiten vorgesehenen Untersuchungsraumes6 Abb : Zweiter Untersuchungsstandort zur Durchführung der Immissionspumpversuche im Bereich des Chemieparks... 7 Abb : Prinzipskizze des Flowmeter-Messverfahrens (nach Molz et al., 1989)... 1 Abb : Profil der hydraulischen Durchlässigkeit an der Messstelle SafBit 38/ Abb : Horizontale Modelldiskretisierung und Grundwassergleichen im Bereich der geplanten Immissionspumpversuche Abb : Verteilung der horizontalen Durchlässigkeitsbeiwerte in der Modellschicht 4 im Bereich des Untersuchungsgebiets Abb : Simulation der Einzugsgebiete für die Variante Abb : Simulation der Einzugsgebiete für die Variante Abb : Dritter Untersuchungsstandort Sternstrasse und Lage der neuen Grundwassermessstellen Abb : Berechneter Tracerdurchbruch am Pumpbrunnen (Dimensionierung) Abb : Gemessene Uranin-Konzentration im Bitterfelder Grundwasser als Funktion der Zeit Abb : Separationsverfahren zur Multilevel-Konzentrationsbestimmung in Pumpbrunnen während des Pumpbetriebs Abb : Pumpbrunnen-Multilevel-Probenahmeeinrichtung Abb : Pumpbrunnen-Multilevel-Probenahmeeinrichtung beim Einbau in Bitterfeld Abb : Messanhänger mit faseroptischem Mehrkanal-Fluoreszenzspektrometer, Probenahmeeinrichtung, Durchflussmessung und Leitparametererfassung Abb : Anwendung des integralen Abstrom-Erkundungsverfahrens in drei Dimensionen Abb : Vergleich der mittels der erweiterten analytischen Lösung und des numerischen Auswerteverfahrens (Programm CSTREAM) invers bestimmten Konzentrationsprofile Abb : Vergleich von vorgegeben mit den mittels CSTREAM invers bestimmten Frachten für unterschiedliche mögliche Positionen der Schadstofffahne Abb : Filterstrecken und Probenahmesektionen der Immissionspumpbrunnen am Standort Sternstrasse Abb : Verlauf der Absenkungen beim Pumpversuch an der Messstelle SafBit 41/1. 4 Abb : Zeitlicher Verlauf der Standardparameter während des Immissionspumpversuchs an der Messstelle SafBit 41/ Abb a: Tiefenprofil der hydraulischen Durchlässigkeit an SafBit 38/ Abb b: Tiefenprofil der hydraulischen Durchlässigkeit an SafBit 4/ Abb c: Tiefenprofil der hydraulischen Durchlässigkeit an SafBit 41/ Abb a: Chlorbenzol an der Messstelle SafBit 41/ Abb c: Chlorbenzol an der Messstelle SafBit 38/ Abb d: Benzol an der Messstelle SafBit 41/ Abb e: Benzol an der Messstelle SafBit 4/

5 Abb f: Benzol an der Messstelle SafBit 38/ Abb : Normierte Tracerdurchbruchskurven an den Immissionspumpbrunnen Abb : Vertikale Diskretisierung im regionalen Modell... 5 Abb : Modellausschnitt für die numerische Inversion der Konzentrationsganglinien. 51 Abb : Modellausschnitt mit verfeinerter vertikaler Diskretisierung (14 Modellschichten) und Position der Pumpbrunnen Abb : Verteilung der hydraulischen Durchlässigkeitsbeiwerte in den 14 Schichten des Modellausschnitts Abb : Beispiel für berechnete und gemessene Absenkungsganglinien an der Grundwassermessstelle SafBit 38/ Abb : Positionen der Multilevel-Probenahmeabschnitte in den untersuchten Messstellen Abb : Numerisch simulierte Isochronen an der Kontrollebene in den Modellschichten 4 bis 1 und Grundwassergleichen für die ungestörte Situation Abb : Mittlere Konzentrationen in den einzelnen Multilevel-Abschnitten entlang der Kontrollebene

6 TABELLENVERZEICHNIS Tab : Geohydraulische Kenndaten für die Brunnen der Variante Tab : Geohydraulische Kenndaten für die Brunnen der Variante Tab : Ergebnisse der Grundwasseranalysen (auszugsweise) Tab : Kenndaten der Brunnen Tab : Hydraulische und Modelldaten an der Messstelle SafBit 38/ Tab : Ergebnis der Dimensionierung Tab : Parametervariation der Aquifermächtigkeit und der Porosität Tab : Pumpbrunnen und Beobachtungsmessstellen... 4 Tab : Tracertestparameter Tab : Mittlere Konzentrationen und Massenflüsse für die untersuchten Kontaminanten Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 2WT9948/ gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor. Die Autoren bedanken sich für die Finanzierung durch das BMBF sowie für die freundliche Unterstützung durch das UFZ Leipzig-Halle GmbH und durch die Firma GFE GmbH. 5

7 1 EINLEITUNG 1.1 Problemstellung und Zielsetzung Die richtige Dimensionierung und Positionierung von In-Situ-Sanierungsreaktoren (bzw. von sog. Reaktiven Wänden ) setzt die Quantifizierung der Schadstofffracht und des räumlichen Ausmaßes der Schadstoffbelastung im Aquifer voraus. Die hierzu erforderliche Erkundung ist problematisch, weil im allgemeinen eine inhomogene Schadstoffverteilung innerhalb des Schadensherdes vorliegt und damit eine räumlich variable Schadstoffverteilung im Grundwasserabstrom zu erwarten ist. Hinzu kommt, dass in heterogenen Aquiferen die räumliche Verteilung der Hydraulik- und Transportparameter eine unregelmäßige Verteilung und Freisetzung der Schadstoffmasse bewirkt. Um die dann in der Regel erforderlichen hohen Erkundungskosten (dichtes Messstellennetz) zu vermeiden, sollte im Rahmen des Forschungsvorhabens eine in ersten Ansätzen zur Verfügung stehende neue Erkundungsmethode weiterentwickelt und eingesetzt werden, die mittels Pumpversuchen und zeitlich aufgelösten Konzentrationsmessungen den gesamten Zustrombereich eines In-Situ-Sanierungsreaktors erfasst und so eine Quantifizierung der gesamten vom Reaktor zu eliminierenden Schadstofffracht sowie eine Bestimmung der räumlichen Verteilung der Schadstoffkonzentration entlang eines Kontrollquerschnitts im Zustrombereich erlaubt. Mit dem neuen, erweiterten Erkundungsverfahren soll ein Standard- Werkzeug zur Verfügung gestellt werden, das einerseits die optimale Dimensionierung eines In- Situ-Sanierungsreaktors, als auch, eingesetzt im Abstrom, die Erfolgskontrolle der Sanierungsmaßnahme ermöglicht. 1

8 2 INTEGRALES ERKUNDUNGSVERFAHREN Bisherige Ansätze zur Erkundung der Schadstoffbelastung im Untergrund basieren auf diskreten, in Grundwassermessstellen gewonnenen Messwerten (Punktwerten), die mit Interpolationsalgorithmen auf den Raum übertragen werden. Eine solche Erkundung liefert in der Regel keine hinreichend sichere Ergebnisse, weil einerseits eine inhomogene Schadstoffverteilung innerhalb der Altlast zu einer räumlich variablen Schadstoffverteilung innerhalb der Abstromfahne beitragen kann. Andererseits führt auch die hydraulische Aquiferheterogenität (bevorzugte Fließwege, geringdurchlässige Aquiferbereiche), die entsprechend den eigenen Voruntersuchungen in Bitterfeld stark ausgeprägt ist (Ptak et al., 1997), zu einer unregelmäßigen räumlichen Verteilung der Schadstoffmasse im Aquifer. Zur Charakterisierung einer solchen Abstromfahne wäre dementsprechend ein sehr dichtes und damit kostenintensives Messnetz erforderlich. Die Erkundungsproblematik ist schematisch in Abbildung 2.1 verdeutlicht. Grundwasserfließrichtung Grundwassermeßstellen Altlastenverdachtsfläche Schadstoffahne Schadstoffquelle (Position i.a. nicht genau bekannt) Abb. 2.1: Schadstoffverteilung im Grundwasserabstrom eines Schadensherdes (die herkömmliche Erkundung mittels Probenahme in einzelnen Messstellen hat eine hohe Unsicherheit) Alternativ sollte daher im Rahmen des Vorhabens eine neue, allerdings bisher nur in ersten Ansätzen zur Verfügung stehende integrale Erkundungsmethode weiterentwickelt und zur Anwendung gebracht werden, die über Pumpversuche und zeitlich aufgelöste Konzentrationsmessungen den gesamten Zustrom eines In-Situ-Sanierungsreaktors sicher erfasst und so eine zuverlässige Quantifizierung der gesamten, vom Reaktor zu eliminierenden Schadstofffracht sowie der mittleren Immissionskonzentration als wichtige Bemessungsparameter im Vorfeld der Abstrom-Sanierungsmaßnahme erlaubt. Zusätzlich bietet die neue Erkundungsmethode die Möglichkeit einer räumlichen Zuordnung von Schadstofffrachten bzw. Konzentrationswerten entlang eines definierten Kontrollquerschnitts im Zustrom eines In-Situ-Reaktors. Damit sollte im Rahmen des SAFIRA-Projektes ein Verfahren entwickelt, erprobt und zur Verfügung gestellt werden, das es später erlaubt, z.b. im Raum Bitterfeld oder auch woanders vor dem Einbau einer Reaktiven Wand routinemäßig alle benötigten Informationen über die Schadstoff- 2

9 belastung im Abstrom eines Schadensherds zuverlässig zu bestimmen und so eine richtige Dimensionierung der Sanierungsmaßnahmen sowie, eingesetzt im Abstrom, die Erfolgskontrolle der Sanierungsmaßnahme zu ermöglichen. 2.1 Kurzbeschreibung zum Prinzip des integralen Erkundungsverfahrens Bei dem neuen Erkundungsverfahren werden an einem definierten Kontrollquerschnitt innerhalb einer Schadstoffahne Pumpmaßnahmen durchgeführt (s. Abb. 2.2), bei denen die Positionen eines oder mehrerer Pumpbrunnen, die Pumpraten und die Pumpzeiten so gewählt werden, dass die Schadstoffahne komplett über ihre gesamte Breite erfasst wird (Immissionspumpversuche). In den Pumpbrunnen werden während der Pumpmaßnahmen für einen oder mehrere Schadstoffe die Konzentrationsganglinien gemessen. Unter Einsatz eines instationären Inversionsalgorithmus und eines numerischen Strömungs- und Transportmodells für den untersuchten Standort lässt sich dann aus den Konzentrationsganglinien die für die Reaktor-Dimensionierung benötigte Gesamt-Schadstofffracht bestimmen. Das Verfahren erlaubt auch die Berechnung der mittleren Immissionskonzentration. Die prinzipielle Vorgehensweise bei dem integralen Erkundungsansatz ist in Abbildung 2.2 dargestellt. Detaillierte Angaben zur Vorgehensweise bei dem neuen integralen Erkundungsansatz und zu der instationären Inversion der Schadstoff-Konzentrationsganglinien sind z.b. in Schwarz et al. (1997a, b), Teutsch et al. (2), Ptak et al. (2b) sowie Schwarz (22) und Bayer-Raich et al. (21a; 22; 23) enthalten. Falls darüber hinaus die räumliche Zuordnung von Schadstofffrachten bzw. Konzentrationswerten entlang eines definierten Kontrollquerschnitts innerhalb der Abstromfahne erforderlich ist, kann das Erkundungsverfahren zu einem differentiellen Verfahren erweitert werden (Ptak et al., 2b). Dabei betreibt man hintereinander mehrere Pumpbrunnen so, dass sich ihre Einzugsgebiete zeitlich variabel überlappen. Die bei einer Überlagerung der Einzugsgebiete in den Pumpbrunnen gemessenen Konzentrationsganglinien enthalten dann Mehrfachinformation, welche über den instationären Inversionsalgorithmus schließlich die räumliche Zuordnung der Frachten bzw. Konzentrationen am Kontrollquerschnitt erlaubt. Eine infolge der Aquiferheterogenität verbleibende Erkundungsunsicherheit kann dabei über geostatistische / stochastische Ansätze quantifiziert werden. 3

10 Pumpversuche mit Messung von Konzentrations-Zeit-Serien Stoffspezifische Konzentrationsganglinie der Pumpversuche Verdachtsfläche Brunnen 1 Kontrollebene Brunnen 1 Brunnen 2 Brunnen 3 C C C Brunnen 2 Isochronen Schadstoffquellen (Exakte Lage i.a. unbekannt) Brunnen 3 t 1 t t 2 2 t t 3 1 t 2 Schadstofffracht und mittlere Konzentration an der Kontrollebene Instationärer Inversionsalgorithmus und verwendung eines numerischen Strömungs- und Transportmodells Abb. 2.2: Vorgehensweise beim integralen Messansatz zur Bestimmung der Gesamt- Schadstofffracht und der mittleren Immissionskonzentration als Bemessungsparameter zur Dimensionierung von In-Situ-Sanierungsreaktoren im Abstrom eines Schadensherds 4

11 3 ARBEITEN IM PROJEKTZEITRAUM Die Arbeiten im Projektzeitraum umfassten insbesondere Vorbereitungs- und Erkundungsarbeiten zur Festlegung der Kontrollquerschnitte, die Weiterentwicklung und das Testen der instationären Inversionsalgorithmen und der Auswerteprogramme, die Entwicklung, den Bau und das Testen der zugehörigen Pumpbrunnen-Multilevel-Messtechnik, die Weiterentwicklung und das Anpassen eines numerischen Strömungs- und Transportmodells für den Untersuchungsbereich, die Dimensionierung und Durchführung von Multilevel- Immissionspumpversuchen und schließlich die Auswertung der gewonnenen Messdaten. 3.1 Auswahl des Untersuchungsgebiets und numerisches Standortmodell Im Rahmen der Arbeiten zur Festlegung der Kontrollquerschnitte und zur Positionierung neuer Messstellen wurden weitere bereits vorliegende sowie neue Unterlagen zum SAFIRA- Standort, insbesondere die numerischen Modellierung betreffend, gesammelt, durchgesehen und vorläufig bewertet. Zwei vorhandene numerische Standortmodelle wurden näher untersucht. Die gewonnene Information (Daten zum Untergrundaufbau und Kontamination, Modellergebnisse) bestätigten die Notwendigkeit der Erweiterung des integralen Erkundungsverfahrens auf drei Dimensionen. Die beiden numerischen Standortmodelle wurden in Tübingen implementiert. Dabei bestand ein intensiver Kontakt zu den Modellentwicklern. Im Hinblick auf die Auswahl der Kontrollquerschnitte und auf die Logistik der geplanten Feldexperimente erfolgte ein intensiver Austausch mit der SAFIRA-Projektleitung. Aus nicht vorhersehbaren SAFIRA-projektorganisatorischen, wasseraufbereitungstechnischen und genehmigungstechnischen Gründen war es notwendig, von dem ursprünglich während der Erstellung des Projektantrags für die Feldexperimente vorgesehenen ersten Standort abzusehen und zweimal einen neuen zu suchen. Aus diesem Grund mussten wesentliche Arbeitsschritte der Datenerhebung und Modellierung in der Anfangsphase des Projekts zweimal von neuem begonnen werden. Die Positionierung und der Bau der endgültigen Messstellen hat sich entsprechend verzögert. Die Arbeiten zu dem aufgegebenen ersten Standort werden hier nicht dargestellt Einleitende Bemerkungen und Auswahl des Untersuchungsgebiets Im Bitterfelder Revier begann der industrielle Braunkohleabbau 1839 mit der Grube Auguste (vgl. Böhme and Falke, 1999). Ende des 19. Jahrhunderts war die kostengünstige Verfügbarkeit von Kohle als Energieträger ein wichtiger Standortfaktor als Grundlage für die Ansiedlung der chemischen Industrie. So entstand im Jahr 191 im Südteil des heutigen Bitterfelder Chemieparks eine Anlage zur Herstellung von Chlorbenzol, die nach Aussagen von Böhme 5

12 und Falke (1999) als wesentliche Schadstoffquelle für die Chlorbenzolbelastungen im Bereich des Chemieparks, unterstrom des Chemieparks sowie am Mikro-Standort zu betrachten ist. An den Grundwassermessstellen SafBit 2/97, 19/97 und 15/97 bis zum Mikro-Standort wurden Konzentrationen bis z.t. > 1 mg/l nachgewiesen. Für das großräumige Untersuchungsgebiet Bitterfeld liegen regionale hydrogeologische Untersuchungen sowie ein darauf basierendes numerisches Grundwasserströmungsmodell vor (Borkert, 1999a, b). Der Modellumriss ist in Abbildung dargestellt. Basierend auf dem regionalen Grundwasserströmungsmodell wurde für den Bereich des Mikro-Standorts ein numerisches Detailmodell erstellt (Knab und Wenske, 1999) Abb. 1: Umriß des Modellgebietes und des Untersuchungsraumes N M O D E L L G E B I E T W E S U N T E R S U C H U N G S R A U M Chemiepark#Y Vorgesehener Bereich für die Immissionspumpversuche #Y SAFIRA Mikrostandort LEGENDE Straße Bahnlinie Meters Abb : Umriss des Modellgebiets und des zweiten vorgesehenen Untersuchungsraumes Der in Zusammenarbeit mit der SAFIRA-Projektleitung ausgewählte zweite Untersuchungsstandort Hinter dem Bahnhof" zur Durchführung der Immissionspumpversuche im Bereich des Chemieparks ist in Abbildung und Abbildung dargestellt. Ziel der darauffolgend durchzuführenden Modellierung war es, im Abstrom des Chemieparks Immissionspumpversuche so zu dimensionieren, dass ein ausgewählter Kontrollquerschnitt im quartären Grundwasserleiter mit den Einzugsbereichen der Pumpversuche erfasst und nach anschließender Auswertung der Ergebnisse die Schadstofffracht und die mittlere Konzentration über den Kontrollquerschnitt tiefendifferenziert ermittelt werden kann. 6

13 N Abb. 2: Übersichtslageplan zur Dimensionierung der Immissionspumpversuche LEGENDE Straße Bahnlinie W E S Chemiepark Hinter dem Bahnhof #Y Am Kraftwerk #Y Vorgesehener Bereich für die Immissionspumpversuche SAFIRA Mikrostandort Meters Abb : Zweiter Untersuchungsstandort zur Durchführung der Immissionspumpversuche im Bereich des Chemieparks Hydrogeologische Verhältnisse Der zentrale Untersuchungsraum umfasst den südlichen Bereich des Bitterfelder Chemieparks sowie den südöstlich gelegenen Bereich des SAFIRA Mikro-Standorts (s. Abb ). Eine ausführliche Beschreibung der hydrogeologischen Gegebenheiten ist in Böhme und Falke (1999) gegeben. Das Untersuchungsgebiet befindet sich im Bereich der Muldeniederung ca. 4 m vom ehemaligen südwestlichen Uferrand als Verbreitungsgrenze der Niederterrasse entfernt. Die ursprünglich sedimentierten früh- und mittelpleistozänen Ablagerungen sind in diesem Bereich vollständig erodiert und durch weichselkaltzeitliche Niederterrassenschotter der Mulde sowie jüngere Terrassenschotter einer Lokalfazies und holozäne Flusssedimente ersetzt und bilden einen eigenständigen, hochdurchlässigen Grundwasserleiter (GWL 11). An den Verbreitungsrändern tangiert der Schotterkörper jeweils ältere, pleistozäne Sedimentfolgen (Schmelzwasserkiessande mit Geschiebemergeleinlagerungen), im Westen eine tertiäre Glimmersandrückenstruktur sowie Abraummassen ehemaliger Braunkohlentagebaue. Zum Liegenden wird der quartäre Grundwasserleiter 11 am Mikro-Standort durch das Bitterfel- 7

14 der Flöz mit Restmächtigkeiten zwischen 6 bis 8 m sowie im nordwestlichen Anstrom und im Bereich des Chemieparks direkt von den Bitterfelder Glimmersanden (GWL 5) unterlagert. Die Basis der Bitterfelder Glimmersande bildet der flächenhaft verbreitete grundwasserstauende Komplex Glaukonitschluff und Rupelton. Generell ist von einem regionalen hydraulischen Zusammenhang und einer geochemischen Verwandtschaft der erkundeten Grundwasserleiter 11 und 5 auszugehen. Das hydraulische Potential liegt im GWL 11 (weichselkaltzeitliche Niederterrassenschotter) ca..2 m über dem Potential des GWL 5 (Bitterfelder Glimmersande). Das Grundwassergefälle im GWL 11 betrug im bisherigen Untersuchungszeitraum von 1996 bis 1999 im großräumigen Bereich des Mikro-Standorts zwischen.2 und.8 und war dabei von Westen nach Osten ausgerichtet. Bei durchschnittlichen Durchlässigkeitsbeiwerten von 5.E-4 1.E-3 m/s ergeben sich Abstandsgeschwindigkeiten zwischen.4 und.28 m/d, wobei jedoch Differenzierungen sowohl in vertikaler als auch horizontaler Richtung aufgrund von unterschiedlichen Durchlässigkeiten vorhanden sind. Die Grundwasserströmungsrichtung im GWL 5 ist ebenfalls nach Osten ausgerichtet und beträgt im Bereich des Untersuchungsgebietes bis zu 3. Aufgrund der geringen Durchlässigkeiten der Bitterfelder Glimmersande sind die Abstandsgeschwindigkeiten 1 bis 2 Größenordnungen geringer als im GWL 11. Somit ist im GWL 5 trotz einer wesentlich größeren wassererfüllten Mächtigkeit mit geringeren Volumenströmen als im GWL 11 zu rechnen. Die Aufzeichnungen der Grundwasserstände im o.g. Zeitraum weisen für beide Grundwasserleiter Grundwasserspiegelschwankungen von max..7.8 m auf. Mit den Flutungsmaßnahmen des Tagebaurestlochkomplexes Goitsche ist ein regionaler Grundwasseranstieg zu erwarten, der auch die Grundwasserstände am Standort SAFIRA beeinflussen wird Vorerkundung mittels Flowmetermessungen und Multilevel-Probenahme Flowmetermessungen stellen eine effiziente Methode zur Bestimmung von vertikalen k f -Profilen in einer Grundwassermessstelle dar. Bei der Flowmetermessung wird durch Abpumpen von Grundwasser eine Strömung in der Messstelle induziert und mit einer Flowmetersonde die Strömungsgeschwindigkeit als Funktion der Tiefe gemessen. Aus dem Vertikalprofil der Strömungsgeschwindigkeit lässt sich dann der Grundwasserzufluss in die Messstelle als Funktion der Tiefe berechnen. Unter Verwendung entsprechender Auswerteansätze kann aus diesen Flowmeterprofilen anschließend die vertikale Verteilung der hydraulischen Durchlässigkeit im Bereich der Messstelle ermittelt werden. Abbildung zeigt eine Prinzipskizze des Flowmeter-Messverfahrens. 8

15 Voraussetzung für die Auswertung ist je nach Auswerteansatz die Kenntnis der Transmissivität (bzw. des mittleren Durchlässigkeitsbeiwerts) an der Messstelle oder der lokalen Absenkung an einzelnen Tiefenstufen der Messstelle während des Pumpvorgangs. Bei bekanntem tiefengemittelten k f -Wert des Aquifers lässt sich für den praxisorientierten Fall der Annahme einer horizontalen Schichtung im Bereich der Messstelle der folgende Zusammenhang zwischen dem differentiellen Zufluss in einer bestimmten Tiefe ªQ(z) und dem lokalen hydraulischen Durchlässigkeitsbeiwert k f (z) aufstellen (z.b. Molz et al., 1989): k k fi fges = Q i/ zi Q /m ges (3.1) mit: k fi [m/s] k fges [m/s] = hydraulischer Durchlässigkeitsbeiwert im Tiefenintervall i = hydraulischer Durchlässigkeitsbeiwert des Gesamtaquifers (z. B. aus Pumpversuch) ªQ i [m 3 /s] = differenzieller Zufluss im Tiefenintervall i ªz i [m] = Mächtigkeit des Tiefenintervalls i Q ges [m 3 /s] = Pumprate = 3ªQ i. Flowmetermessungen lassen sich prinzipiell auf zwei Arten durchführen. Bei der stationären Messung wird die Strömungsgeschwindigkeit in der Grundwassermessstelle in verschiedenen Tiefen nacheinander bei unbewegter Flowmetersonde gemessen. Messungen können erst ab einer Strömungsgeschwindigkeit, die größer ist als die Ansprechgeschwindigkeit der Sonde, durchgeführt werden. Bei der weniger zeitaufwendigen dynamischen Messung wird die Flowmetersonde dagegen mit einer konstanten Geschwindigkeit, die größer als die Ansprechgeschwindigkeit der Flowmetersonde ist, entgegengesetzt der in der Messstelle induzierten Strömung bewegt. Somit können Messungen über den gesamten Aquiferbereich erhalten werden. Die dynamische Messung setzt eine absolut konstante Pumprate voraus. Bei der stationären Messung kann dagegen den Schwankungen der Pumprate mittels einer Integration über einen von der Frequenz der Schwankungen abhängigen Zeitraum begegnet werden. Anhand der erhaltenen vertikalen Durchlässigkeitsprofile lassen sich z.b. Zonen hoher Durchlässigkeit (bevorzugte Fliesswege) detektieren, die Heterogenität des Aquifers beurteilen und geostatistische Strukturparameter (Korrelationslängen in vertikaler und ggf., je nach Messstellendichte, auch in horizontaler Richtung) ableiten. Diese Ergebnisse der Flowmetermessungen sind wichtig zur Modellierung der Strömung und des Transports im Grundwasser, wie sie beispielsweise im Rahmen der Dimensionierung der Reaktionswände durchgeführt werden muss. 9

16 Q P to Data-Logger Land Surface Pump Well Casing Cap Rock Well Screen Data Borehole Flowmeter Z Rubber Seal Q Abb : Prinzipskizze des Flowmeter-Messverfahrens (nach Molz et al., 1989) Im Rahmen der Vorerkundung in Bitterfeld wurde ein erstes Flowmeterprofil an der Messstelle SafBit 38/98 (S Randbereich Chemiepark) gemessen. Weil die in Bitterfeld bereitgestellte Benzinmotorpumpe Schwankungen der Pumprate aufwies, wurde für die Flowmetermessung der stationäre Messansatz gewählt. Das Flowmeterprofil wurde mit einer Impellersonde (Sondendurchmesser 9 mm, 76.5 mm Impeller) ermittelt. Für die Abstände der einzelnen Flowmeterprofil-Messpunkte wurden 5 cm gewählt. Dies entspricht bei der dann resultierenden verfilterten und wassererfüllten Mächtigkeit des Grundwasserleiters von 4.1 m an der Messstelle SafBit 38/98 einer Auflösung von 1.25%. Das aus den Flowmetermessungen und der Auswertung mittels Formel 3.1 resultierende vertikale Profil der hydraulischen Durchlässigkeit ist in Abbildung dargestellt. 1

17 Flowmetermessungen[kf in m/s] ,E-5 1,E-4 1,E-3 1,E-2 Abb : Profil der hydraulischen Durchlässigkeit an der Messstelle SafBit 38/98 Anhand der Flowmetermessungen lässt sich somit eine deutliche vertikale Differenzierung der hydraulischen Durchlässigkeit nachweisen und die Notwendigkeit der Erweiterung des integralen Erkundungsverfahrens auf drei Dimensionen bestätigen. Die Grundwassermessstelle SafBit 38/98 wurde anschließend mit einem Multilevel- Probenahmesystem (s. Ptak et al. 2a) ausgestattet. Durch die Einrichtung dieser Multilevel- Messstelle konnten die in diesem Bereich direkt übereinanderliegenden GWL 11 und 5 über 12 Horizonte bis zur Basis des GWL 5 beprobt werden. Nach einer Erstbeprobung konnten insbesondere Monochlorbenzol und Benzol über beide Grundwasserleiter nachgewiesen werden, wobei die höchsten Werte an der Quartärbasis (GWL 11) und im höher durchlässigen oberen Bereich der Bitterfelder Glimmersande (GWL 5) ermittelt wurden. Die Kontamination war über das gesamte Vertikalprofil nachweisbar, wobei Werte zwischen ca. 1 und mehr als 1 mg/l gemessen wurden. 11

18 3.1.3 Numerisches Grundwasserströmungsmodell Wie eingangs bereits erläutert wurde im Rahmen des SAFIRA-Projekts ein regionales Grundwasserströmungsmodell erstellt (Borkert, 1998, 1999a und 1999b), welches eine Fläche von 39 km 2 (6 km x 6.5 km) umfasst. Basierend auf diesem Grundwasserströmungsmodell wurde für Untersuchungen am Mikro-Standort ein Ausschnittsmodell abgeleitet, das eine Fläche von ca..56 km 2 (.75 x.75 km) abbildet (Knab und Wenske, 1999). Bei den Untersuchungen zur Dimensionierung der Immissionspumpversuche wurde auf das Regionalmodell zurückgegriffen (Borkert, 1999b), da der Modellumgriff des Ausschnittsmodells in zu geringer Entfernung zu den geplanten Immissionspumpversuchen lag und somit eine Beeinflussung der Pumpversuche durch die nahegelegenen Modellränder nicht auszuschließen war. Der Aufbau und die Fortschreibung des Regionalmodells ist in Borkert (1998, 1999a und 1999b) dokumentiert. Im folgenden werden die wesentlichen Charakteristika des Regionalmodells kurz erläutert: Das dreidimensionale Modell wurde für den numerischen Finite-Differenzen- Programmcode MODFLOW (McDonald und Harbaugh, 1988) erstellt. Das Modellgebiet erstreckt sich zwischen den Koordinaten 4519 und 4525 in West-Ost Richtung sowie 5724 bis in Nord-Süd Richtung und umfasst somit eine Fläche von 39 km 2. Das Finite-Differenzen-Gitter weist in der Ebene großräumig eine Rasterweite zwischen 25 m und 2 m auf. Die vertikale Diskretisierung umfasst 8 Schichten. Dabei bilden die Schichten 1-4 den quartären Grundwasserleiter 11 ab. Die Schichten 5-8 stellen, falls vorhanden, die stauenden Kohleschichten, ansonsten den tertiären Grundwasserleiter 5 dar. Die Verteilungen der geohydraulischen Parameter für die einzelnen Schichten und die Belegung der Randbedingungen sind den o.g. Modelldokumentationen zu entnehmen. Die durchschnittliche Grundwasserneubildung beträgt rund 3.1 l/s/km 2. Die stationäre Eichung erfolgte anhand einer Stichtagsmessung für den Mai 1999 für den quartären Grundwasserleiter 11 (Modellschicht 4) für ungespannte Grundwasserströmungsverhältnisse. Für den Untersuchungsraum wurden mittlere Gradienten von.1 ermittelt (s. Abb ). Für die Dimensionierung der Immissionspumpversuche waren weitere Modelländerungen notwendig, die u.a. eine geeignete Anpassung der horizontalen Diskretisierung im Bereich der Immissionspumpversuche beinhalteten. So wurde im direkten Bereich der Pumpbrunnen eine Netzverfeinerung bis auf eine Elementgröße von 1 x 1 m vorgenommen (s. Abb ). 12

19 Abb. 3: Horizontale Modelldiskretisierung im Bereich der Immissionspumpversuche für die Variante 1 N W E 75.7 S V1_Br4 #Y #Y V1_Br LEGENDE #Y V1_Br1 Brunnenstandort mit Bezeichnung 75.8 #Y V1_Br Druckhöhen in mnn aus der Modelleichung (Modellschicht 4) Modelldiskretisierung Straße Bahnlinie #Y V1_Br Meters 75.6 Abb : Horizontale Modelldiskretisierung und Grundwassergleichen im Bereich der geplanten Immissionspumpversuche Abbildung zeigt als Beispiel die Verteilung der hydraulischen Durchlässigkeit in der Modellschicht 4. 13

20 Abb. 5: Verteilung der horizontalen Durchlässigkeitsbeiwerte (Modellschicht 4) im Bereich des Untersuchungsgebietes N W E S LEGENDE Kf-Werte (m/s) x x x x x V1_Br4 Chemiepark #Y #Y V1_Br3 #Y #Y V1_Br V1_Br #Y V1_Br1 Brunnenstandort mit Bezeichnung Modelldiskretisierung Straße Bahnlinie Meters Abb : Verteilung der horizontalen Durchlässigkeitsbeiwerte in der Modellschicht 4 im Bereich des Untersuchungsgebiets 3.2 Dimensionierung der Immissionspumpversuche am zweiten Untersuchungsstandort Kriterien zur Dimensionierung Die wichtigsten Kriterien zur Dimensionierung der Immissionspumpversuche, d.h. zur Festlegung der Brunnenpositionen, der Pumpraten und der Pumpzeiten, sind nachfolgend zusammengefasst: Im bepumpten Abstromquerschnitt sollte sichergestellt sein, dass Schadstoffbelastungen vorliegen, die deutlich oberhalb der Nachweisgrenzen liegen. Der Abstromquerschnitt sollte unterstromig des Chemie-Parks liegen und nach Möglichkeit senkrecht zur Abstromrichtung positioniert werden, um durch die Pumpversuche eine optimale Querschnittlänge zu erfassen. Im Abstromquerschnitt sollte möglichst ein vollständiges Querprofil im quartären Grundwasserleiter (GWL 11) erfasst werden. Das bedeutet für die Dimensionierung der Immissionspumpversuche, dass sich die jeweiligen Isochronen nach der maximalen Pumpdauer (Pumpversuchsende) jedes separat durchzuführenden Pumpversuches tangieren bzw. überlappen sollten. 14

21 Die Wahl eines geeigneten Abstromquerschnitts war durch die lokalen Gegebenheiten auf den unmittelbaren Bereich Hinter dem Bahnhof und dort auf den Abschnitt zwischen den Bohrungen BVV 34, GWM 19/91 und BVV 124 beschränkt. Die Festlegung dieses Bereiches erfolgte nach telefonischer Absprache mit dem Standortbüro GFE GmbH. Weiterhin sollte die Anzahl der zu erstellenden Pumpbrunnen, die Pumpdauer je Pumpbrunnen und die Entnahmerate unter der Vorgabe eines maximal erreichbaren / bepumpbaren Abstromquerschnitts so dimensioniert werden, dass sichergestellt wird, dass ein vorgegebenes finanzielles Volumen nicht überschritten wird. Bei der Kostenkalkulation sind die folgenden Positionen zu berücksichtigen: Standortgenehmigung, Brunnenausbau mit Kurzpumpversuch, Bohrlochgeophysik vor und nach Brunnenausbau, Einmessung (Bohransatzpunkt und nach Brunnenerstellung), geologische Profilaufnahme, Siebanalytik, Entsorgungsleitungen, Durchführung Immissionspumpversuch, Abwasserentsorgung, Pumpversuchsauswertung, Schadstoffanalytik. Als weitere Vorgabe durften die maximalem Grundwasserabsenkungen im sich östlich anschließenden Gleisbereich.1 m nicht überschreiten, um die Gefährdung durch Setzungsschäden an den Gleisanlagen so gering wie möglich zu halten Variantenbetrachtungen Vorgehensweise und Vorstudien Da die durch die Pumpversuche bedingte Grundwasserabsenkung im sich östlich anschließenden Gleisbereich nicht mehr als.1 m im quartären Grundwasserleiter betragen sollte, war zu Beginn der Dimensionierung eine maximale Pumprate zu ermitteln, bei welcher nach rund 5 bis 1 Tagen Pumpdauer dieses Kriterium eingehalten wird. Bei Entnahmeraten von 1 l/s lagen die ermittelten Grundwasserabsenkungen bei mehr als.1 m und waren somit nicht tolerierbar. Erst eine Verminderung der Pumpraten auf 7.5 l/s stellte geringere Absenkungen als.1 m im Bereich der Bahntrasse sicher. Auf Grund dessen war die maximale Pumprate somit als limitierender Faktor vorgegeben. Weiterhin sollte während der Pumpversuche ein möglichst großes Einzugsgebiet bepumpt werden, so dass die untere Grenze für die Entnahmerate mit 5 l/s ermittelt wurde. Wären deutlich geringere Entnahmeraten gewählt worden, so hätte sich auch die Breite der bepumpten Einzugsgebiete verringert, so dass entsprechend mehr Bohrungen / Pumpbrunnen notwendig gewesen wären um eine vorgegebene Abstrombreite zu erfassen. Hinsichtlich der zu wählenden Pumpdauer ergab sich unter den vorliegenden hydrogeologischen und hydraulischen Verhältnissen folgender Sachverhalt: Der größte Anteil an der Gesamtbreite beim Bepumpen der Einzugsgebiete stellt sich nach den ersten 4 bis 5 Tagen Pumpbetrieb ein. Anschließend ist noch weitere 2 bis 3 Tage mit akzeptablen Zuwächsen hinsichtlich der Einzugsgebietsgrößen zu rechnen. Ab ca. 1 Woche Pumpdauer ist das Ver- 15

22 hältnis von Entnahmevolumen zu Breitenzuwachs deutlich abnehmend, so dass weiteres und somit länger andauerndes Pumpen nicht mehr als effektiv angesehen werden kann (Förderkosten, Abwasser, Reinigung etc.). Möchte man einen größeren Radius mit der Pumpmaßnahme erzielen, so sind größere Pumpraten zu wählen. In der vorliegenden Studie waren größere Entnahmemengen aus den o.g. Gründen jedoch nicht möglich. Auf Basis der Ergebnisse der Vorstudie ergaben sich zwei Optimierungsvarianten mit Entnahmeraten von 5 und 7.5 l/s Variante 1 (Q = 5 l/s) In der ersten Variante wurde die Optimierung der Brunnenstandorte für eine 7-tägige Pumpdauer und eine konstante Entnahmerate von 5 l/s durchgeführt. Modelltechnisch wurde die gesamte Entnahmemenge in Modellschicht 4 bei gleichzeitiger Erhöhung der vertikalen k f - Werte der quartären Schichten im Bereich der Brunnen-Filterstrecken angesetzt, so dass sich eine automatische Verteilung der Entnahmemengen - anteilig den Transmissivitäten der quartären Modellschichten - auf die Modellschichten 2, 3 und 4 ergab. Die Entnahmeraten der einzelnen Schichten sind in Tabelle dargestellt. Weiterhin sind in der Tabelle die hydrogeologischen Kenndaten am jeweiligen Brunnenstandort sowie die genauen Lagekoordinaten eingetragen. Unter Berücksichtigung des zur Verfügung stehenden Budgets wurde die Optimierung für 4 neu zu erstellende Brunnen durchgeführt. Bei 4 Brunnenstandorten und den o.g. Randbedingungen ergibt sich für die Variante 1 ein berechneter Abstromquerschnitt von ca. 2 m, der mit den Immissionspumpversuchen erfasst werden kann (vgl. Abb ). Tab : Geohydraulische Kenndaten für die Brunnen der Variante 1 Layer K f -Werte (m/s) S n e V1_Br1 V1_Br2 V1_Br3 K x K y K z (1/m) ( - ) M Q M Q M Q (m) (l/s) (m) (l/s) (m) (l/s) V1_Br4 M Q (m) (l/s) 1 1E-5 1E-5 1E-6 3E E-4 3E-4 4E-5 3E E-4 7E-4 7E-5 3E E-3 2E-3 5E-5 3E E-4 3E-4 4E-5 3E E-4 3E-4 4E-5 3E E-4 3E-4 4E-5 3E E-5 7E-5 9E-6 3E Lagekoordinaten der Brunnen (Gauss-Krüger) Hochwert Rechtswert

23 Abb. 6: Berechnete Einzugsgebiete für die Variante V1_Br4 Chemiepark #Y #Y #Y #Y V1_Br3 V1_Br2 LEGENDE V1_Br V1_Br1 #Y Brunnenstandort mit Bezeichnung Einzugsgebiete r N Straße W E Bahnlinie S Meters Abb : Simulation der Einzugsgebiete für die Variante Variante 2 (Q = 7.5 l/s) Die Variante 2 basiert auf einer Optimierung mit einer konstanten Entnahmerate von 7.5 l/s über den Zeitraum von einer Woche. Die geohydraulischen Parameter an den einzelnen Brunnenstandorten sowie die Lagekoordinaten sind in Tabelle eingetragen. Die Optimierung wurde unter Berücksichtigung des verfügbaren Budgets ebenfalls für 4 Brunnenstandorte durchgeführt. Unter den o.g. Randbedingungen ergibt sich ein Abstromquerschnitt von rund 24 Metern Länge in Modellschicht 4, der mit den Immissionspumpversuchen der Variante 2 erfasst werden kann (vgl. Abb ). 17

24 Tab : Geohydraulische Kenndaten für die Brunnen der Variante 2 Layer K f -Werte (m/s) K x K y K z S (1/m) n e ( - ) V2_Br1 M Q (m) (l/s) V2_Br2 M Q (m) (l/s) V2_Br3 M Q (m) (l/s) V2_Br4 M Q (m) (l/s) 1 1E-5 1E-5 1E-6 3E E-4 3E-4 4E-5 3E E-4 7E-4 7E-5 3E E-3 2E-3 5E-5 3E E-4 3E-4 4E-5 3E E-4 3E-4 4E-5 3E E-4 3E-4 4E-5 3E E-5 7E-5 9E-6 3E Lagekoordinaten der Brunnen (Gauss-Krüger) Hochwert Rechtswert Abb. 7: Berechnete Einzugsgebiete für die Variante V2_Br Chemiepark #Y #Y #Y #Y V2_Br3 V2_Br2 LEGENDE V2_Br V2_Br1 #Y Brunnenstandort mit Bezeichnung Einzugsgebiete r N Straße W E Bahnlinie S Meters Abb : Simulation der Einzugsgebiete für die Variante 2 18

25 3.3 Arbeiten am Standort Hinter dem Bahnhof Die Auswahl des Bereichs Hinter dem Bahnhof, der als zweiter Standort für die geplanten Feldversuche in Bitterfeld vorgesehen war, ist zusammen mit den hydrogeologischen Verhältnissen am SAFIRA-Standort sowie mit der Modellierung und Dimensionierung der Immissionspumpversuche oben detailliert beschrieben. Im Jahr 21 wurde mit den Bohrarbeiten im Bereich Hinter dem Bahnhof begonnen und zunächst die Bohrungen SafBit 39/1 und SafBit 39z/1 (2"-Ausbau zur Tracerzugabe) an der für die Immissionspumpversuche vorgesehenen Stelle abgeteuft und ausgebaut (s. Projekt- Zwischenbericht für das Jahr 21, Bauer et al., 22). Anschließend wurden Siebproben analysiert (k f -Werte m/s bis m/s), ein Pumpversuch mit 1.7 l/s und einer Pumpdauer von 7 min durchgeführt und ausgewertet (k f = m/s, Speicherkoeffizient ), und es wurden Grundwasserproben genommen und analysiert. Die Analyse der Grundwasserproben ergab eine sehr hohe Belastung (Tab ). Der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) und die absorbierbaren organisch gebundenen Halogene (AOX) lagen weit über den zulässigen Grenzwerten für die zunächst vorgesehene Einleitung des gepumpten Grundwassers in das Reinabwassernetz. Auch die LHKW-Konzentrationen waren sehr hoch, ebenso wie die Phosphor-Konzentrationen (bis 252 mg/l). Tab : Ergebnisse der Grundwasseranalysen (auszugsweise) Grenzwert Einleitung Reinabwasser Anfang PV Anfang PV Mitte PV Ende PV CSB (mg/l) AOX (mg/l) Summe LHKW (mg/l) Auch ist zu erwähnen, dass unerwartet sehr hohe Pestizidkonzentrationen im Grundwasser festgestellt wurden, die eine Aufbereitung in der Kläranlage unmöglich machten. Der vorgesehene Versuchsstandort Hinter dem Bahnhof musste unter Berücksichtigung der zur Verfügung stehenden Projektmittel daher aufgegeben und ein neuer, dritter gesucht werden. 19

26 3.4 Auswahl des dritten Untersuchungsstandorts, Dimensionierung der Immissionspumpversuche und Bau von neuen Grundwassermessstellen Kriterien zur Dimensionierung Zur Definition des neuen, dritten Untersuchungsgebiets und zur Dimensionierung der Immissionspumpversuche wurden folgende Kriterien festgelegt: Im bepumpten Abstromquerschnitt sollte sichergestellt sein, dass Schadstoffbelastungen vorliegen, die deutlich oberhalb der Nachweisgrenzen liegen. Der Abstromquerschnitt sollte unterstrom des Chemie-Parks liegen und nach Möglichkeit senkrecht zur Abstromrichtung positioniert werden, um durch die Pumpversuche eine optimale Querschnittlänge zu erfassen. Im Abstromquerschnitt sollte möglichst ein vollständiges Querprofil im quartären Grundwasserleiter (GWL 11) erfasst werden. Das bedeutet für die Dimensionierung der Immissionspumpversuche, dass sich die jeweiligen Isochronen nach der maximalen Pumpdauer (Pumpversuchsende) jedes separat durchzuführenden Pumpversuches tangieren bzw. überlappen sollten. Die Wahl eines geeigneten Abstromquerschnitts war durch die lokalen Gegebenheiten auf den unmittelbaren Bereich Sternstrasse (s. Abb ) in der Umgebung der Messstelle SafBit 38/98 beschränkt. Die Festlegung dieses Bereiches erfolgte nach Absprache mit der Firma GFE GmbH. Als weitere Vorgabe durften die maximalem Grundwasserabsenkungen im sich östlich anschließenden Gleisbereich.1 m nicht überschreiten, um die Gefährdung durch eventuelle Setzungsschäden an den Gleisanlagen so gering wie möglich zu halten Dimensionierung der Immissionspumpversuche und Bau neuer Grundwassermessstellen am dritten Untersuchungsstandort Am dritten Untersuchungsstandort im Bereich Sternstrasse (Abb ) war es war erforderlich, neue Grundwassermessstellen für die Durchführung der Immissionspumpversuche zu erstellen, da in der Sternstrasse nur die Messstelle SafBit 38/98 zur Verfügung stand. 2

27 Abb : Dritter Untersuchungsstandort Sternstrasse und Lage der neuen Grundwassermessstellen Da die durch die Pumpversuche bedingte Grundwasserabsenkung im sich östlich anschließenden Gleisbereich nicht mehr als.1 m im quartären Grundwasserleiter betragen sollte, war zu Beginn der Dimensionierung eine maximale Pumprate zu ermitteln, bei welcher nach rund 5 bis 1 Tagen Pumpdauer dieses Kriterium eingehalten wurde. 21

28 Für die Dimensionierung und Simulation der Immissionspumpversuche stand das oben in Kapitel beschriebene numerische Standortmodell zur Verfügung, das aufgrund des weiteren Standortwechsels nochmals modifiziert werden musste. Bei Entnahmeraten von 1 l/s lagen die ermittelten Grundwasserabsenkungen bei mehr als.1 m und waren somit nicht tolerierbar. Erst eine Verminderung der Pumpraten auf 7.5 l/s stellte geringere Absenkungen als.1 m im Bereich der Bahntrasse sicher. Auf Grund dessen war die maximale Pumprate somit als limitierender Faktor vorgegeben. Werden deutlich geringere Entnahmeraten gewählt (z.b. 5. l/s), so verringert sich auch die Breite der bepumpten Einzugsgebiete deutlich, so dass entsprechend mehr Bohrungen bzw. Pumpbrunnen notwendig sind, um eine vorgegebene Abstrombreite zu erfassen. Hinsichtlich der zu wählenden Pumpdauer ergab sich unter den vorliegenden hydrogeologischen und hydraulischen Verhältnissen folgender Sachverhalt: Der Großteil an der Gesamtbreite des bepumpten Einzugsgebiets stellt sich nach den ersten 4 bis 5 Tagen Pumpbetrieb ein. Anschließend kann noch weitere 2 bis 3 Tage mit akzeptablen Zuwächsen hinsichtlich der Einzugsgebietsgrößen gerechnet werden. Ab ca. 1 Woche Pumpdauer ist das Verhältnis von Entnahmevolumen zu Breitenzuwachs deutlich abnehmend, so dass weiteres und somit länger andauerndes Pumpen nicht mehr effektiv ist (Förderkosten, Abwasser, Reinigung etc.). Größere Einzugsgebietsbreiten wären nur durch höhere Pumpraten zu erreichen, was in der vorliegenden Situation aus den o.g. Gründen jedoch nicht möglich war. Die resultierenden erforderlichen Messstellen- bzw. Pumpbrunnenabstände sind in Abbildung dargestellt. Der Ausbau der neuen Messstellen und die geologischen Profile sind im Projekt- Zwischenbericht für das Jahr 21, Bauer et al. (22), enthalten. Die Berechnungen und Optimierungen wurden für eine bis zu 7-tägige Pumpdauer und eine konstante Entnahmerate von 7.5 l/s durchgeführt. Modelltechnisch wurde die gesamte Entnahmemenge in Modellschicht 4 bei gleichzeitiger Erhöhung der k f -Werte in den Brunnenzellen der quartären Schichten angesetzt, so dass sich eine automatische Verteilung der Entnahmemengen - anteilig den Transmissivitäten der quartären Modellschichten - auf die Modellschichten 2, 3 und 4 ergab. Die Kenndaten der verwendeten Pumpbrunnen sind in Tabelle zu finden. Die endgültigen Pumpzeiten wurden aufgrund der tatsächlichen (nach dem Bau der neuen Messstellen ermittelten) Abstände der Messstellen untereinander sowie der an der Messstelle SafBit 38/98 ermittelten Werte für die hydraulische Durchlässigkeit und die Porosität (vgl. Tab ) festgelegt. Dabei galt es, an den Brunnen die jeweils minimale Pumpzeit bei vorgegebener Überlappung der Einzugsbreiten zu erhalten. Die Abstände der Messstellen wurden auf die Strömungsrichtung projiziert, die ungefähr einen Winkel von 35 mit der Sternstrasse bildet, so dass die zu überdeckenden Abstände geringer sind. Die Ergebnisse der Dimensionierung sind in Tabelle dargestellt. Die insgesamt erfasste Breite beträgt 134 m. Die 22

29 Festlegung von Versuchsdauer, Probenahmeintervallen und der Reihenfolge der Versuche erfolgte unter Verwendung einer vereinfachten analytischen Lösung, die den Einfluss der Grundströmung vernachlässigt. Der gewählte Probenahmezyklus orientiert sich dabei an der Entwicklung der Entnahmebreite des jeweiligen Pumpversuchs. Erforderlich ist eine Beprobung in räumlich äquidistanten Schritten bezogen auf die Vergrößerung der Einzugsgebietes. Von besonderem Einfluss ist hierbei die Porosität und die Aquifermächtigkeit, die die zu erreichende Entnahmebreite wesentlich beeinflussen. Da a priori weder die genaue Mächtigkeit des GWL 11 noch die Porosität bekannt war, wurde die Pumpdauer zum Erreichen der notwenigen Entnahmebreite in Abhängigkeit dieser Parameter für mehrere Parameterwerte errechnet. Das Ergebnis, dargestellt in Tabelle 3.4.4, zeigt, dass bei hoher Porosität und Aquifermächtigkeit bis zu zwei Wochen gepumpt werden müsste, um einen Querschnitt von 5 m zu beproben. Eine genauere Bestimmung der erfassten Entnahmebreite war nur nach der Durchführung der Pumpversuche möglich, nachdem die hydraulischen Verhältnisse genauer quantifiziert werden konnten. Zwischen den einzelnen Immissionspumpversuchen wurde eine mindestens 48-stündige Pause eingeplant, in der der Wiederanstieg des Wasserspiegels gemessen werden konnte. Tab : Kenndaten der Brunnen GWMS kurz Rechtswert Hochwert ROK mnn Gelände mnn SafBit 2/97 2/ SafBit 38/98 38/ Saf Bit 4/1 4/ Saf Bit 41/1 41/ Saf Bit 42/1 42/ Saf Bit 43/1 43/ Saf Bit 44/1 44/ Saf Bit 45/1 45/ Tab : Hydraulische und Modelldaten an der Messstelle SafBit 38/98 Layer KFx [m/s] KFy [m/s] KFz [m/s] S [1/m] ne [-] m [m] 1 1.E-5 1.E-5 1.E-6 3.E E-4 3.E-4 4.E-5 3.E E-4 7.E-4 7.E-5 3.E E-3 2.E-3 5.E-5 3.E E-4 3.E-4 4.E-5 3.E E-4 3.E-4 4.E-5 3.E E-4 3.E-4 4.E-5 3.E E-5 7.E-5 9.E-6 3.E