Modellierung des Sulfattransportes in der Spree

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G.E.O.S.

Ingenieurgesellschaft mbH

09633 Halsbrücke

Gewerbepark „Schwarze Kiefern“

09581 Freiberg, Postfach 1162 Telefon: +49(0)3731 369-0 Telefax: +49(0)3731 369-200 E-Mail: info@geosfreiberg.de www.geosfreiberg.de

Geschäftsführer:

Jan Richter

Beiratsvorsitzender:

Dr. Horst Richter

HRB 1035 Amtsgericht Registergericht Chemnitz

Sparkasse Mittelsachsen Konto 3115019148 BLZ 870 520 00

Deutsche Bank AG Freiberg Konto 2201069 BLZ 870 700 00 USt.-IdNr. DE811132746

Berichtsversion für das

Landesamt für Umwelt, Gesundheit und Ver- braucherschutz Brandenburg

Projekt-Nr. 301 000 51

Titelfoto: Spree unterhalb Neundorfer See (Alt Schadow)

Auftraggeber: Landesamt für Umwelt, Gesundheit und Ver- braucherschutz Brandenburg

Von-Schön-Str. 7 03050 Cottbus

Halsbrücke, den 30.11.2010

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Datum: Seite:

30.11.2010 2/74

D:\Janneck\ProjektevonLwO\30100060-SenatsverwaltungBerlin\01Texte\011NacharbeitfürBerlin\2011-01-21Bericht-BB-EV4.doc

Auftraggeber: Landesamt für Umwelt, Gesundheit und Ver- braucherschutz Brandenburg

Von-Schön-Str. 7 03050 Cottbus Projekt-Nr. G.E.O.S.: 301 000 51

Bearbeitungszeitraum: 01.04.2010 bis 09.11.2010 Bearbeiter: Dr. Eberhard Janneck (Projektleiter)

Dipl.-Chem. Mirko Martin, Dipl.-Geoinf. Susan Renker, Dr. Renè Kahnt

Seitenanzahl Text: 74

Anzahl der Anlagen: 3

Dateiversion 2011-01-21_Bericht-BB-EV4.doc

Halsbrücke, den 30.11.2010

i. A.

Jan Richter Dr. Eberhard Janneck

Geschäftsführer FBL Verfahrensentwicklung/

Biotechnologie

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Datum: Seite:

30.11.2010 3/74

INHALTSVERZEICHNIS

Seite

1 Zusammenfassung ...8

2 Einleitung...11

3 Aufgabenstellung...13

3.1 Arbeitspaket Berlin ... 13

3.2 Arbeitspaket Brandenburg... 14

4 Wasserwirtschaftliche Maßnahmen im sächsischen Einzugsgebiet zur Minderung der Sulfatfrachten in der Spree ...16

5 Darstellung von methodischen und inhaltlichen Aspekten der Modellierung des Sulfattransportes ...21

5.1 Generelle Herangehensweise und notwendige Abstraktionen... 21

5.2 Prüfung der Möglichkeiten zur Berücksichtigung von Klimaänderungen ... 24

5.3 Begründung und Erläuterung der modellierten Szenarien ... 27

6 Modellierungsergebnisse ...30

6.1 Hinweise zur Ergebnisdarstellung ... 30

6.2 Modellierungsergebnisse an ausgewählten Bilanzprofilen... 31

6.3 Ergebnisse zur Modellierung des Sulfataustrages aus den Restseen ... 37

6.4 Darstellung und Zusammenfassung der Sulfatquellen... 39

7 Wirkung der Sulfatausträge aus dem Spreewald auf die Berliner Gewässer ...41

7.1 Datengrundlage ... 41

7.2 Fließwege von Spree und Dahme ... 41

7.2.1 Übersicht... 41

7.2.1.1 Spree ...44

7.2.1.2 Dahme ...45

7.3 Sulfatbelastung in den Berliner Gewässern – kurzer Überblick ... 46

7.4 Wirkungsweise des Spreewaldes auf den Sulfattransport ... 49

7.4.1 Zusammenfassung bisheriger Ergebnisse ... 49

7.4.2 Einfluss der Verdunstung im Spreewald... 51

7.4.2.1 Grundlagen und Modelle ...51

7.4.2.2 Verdunstung im Spreewald ...54

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7.4.2.3 Verdunstung und Verhalten des Sulfats im Spreewald ...56

7.5 Auswertung von (sommerlichen) Hochwasserereignissen... 62

7.5.1 Grundlagen und Datenlage... 62

7.5.2 Zusammenhang sommerliches Hochwasser - Sulfattransport... 64

7.6 Schlussfolgerungen zum Sulfataustrag aus dem Spreewald und zu den Auswirkungen in der Unteren Spree... 70

8 Literatur und Quellennachweis...72

TABELLENVERZEICHNIS

Seite Tabelle 1: Geplante Maßnahmen zur Verminderung der Sulfatfrachten in der Spree... 18

Tabelle 2: Variantenmatrix zur Steuerung der Sulfatkonzentration in der Spree... 28

Tabelle 3: Erreichbare Minderung der Sulfatkonzentration bei den Varianten A-1, B-1 und C-1 gegenüber Referenzvariante A-0 (durchschnittlicher Verminderungsbetrag im Zeitraum 2015 bis 2020)... 35

Tabelle 4: Wichtige hydrografische Elemente im Flusslauf der Spree und der Dahme... 41

Tabelle 5: Statistische Auswertung der Sulfatkonzentration der Gewässer des Spreegebietes im Raum Berlin (Zeitraum 2000 – 2009)... 47

Tabelle 6: Mittlere Sulfatfrachten von Fließgewässern im Raum Berlin ... 48

Tabelle 7: Mittlere Werte (MW) des Niederschlags, der potenziellen Verdunstung (Grasreferenzverdunstung) und der resultierenden klimatischen Wasserbilanz der realen Klimareihe (real) und des Klimawandelszenarios (KW) für Sommer- und Winterhalbjahr sowie das Gesamtjahr (aus [25]) ... 54

Tabelle 8: Übersicht der in die Berechnung einbezogenen Zu- und Abflüsse des Spreewaldes ... 56

Tabelle 9: Über Sommer- und Winterhalbjahr kumulierte Differenzen der Durchflüsse und Sulfatfrachten (jeweils Gesamtabfluss – Gesamtzufluss) für den Spreewald im Zeitraum 2000 - 2007... 58

Tabelle 10: Gewässerkundliche Hauptzahlen für den Abfluss (aus [22]) ... 63

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ABBILDUNGSVERZEICHNIS

Seite Abbildung 1: Wasserwirtschaftliche Situation im Umfeld des Tagebaus Nochten mit

den geplanten Maßnahmen zur Minderung der Sulfatfracht in der Spree ... 17 Abbildung 2: Spreeabschnitt zwischen Sprey und Neustadt mit Bereich der

Folienabdichtung und den Altarmen der Spree... 20 Abbildung 3: Grundsätzliche Struktur des entwickelten Flussgebietsmodelles zur

Simulation von Sulfatkonzentrationen und Frachten sowie

Zusammenwirken mit externen Modellkomponenten... 24 Abbildung 4: Menü Steuerparameter1 aus dem Playerfile zur Auswahl der Varianten

und zur Auswahl der WBalMo-Datenbasis... 29 Abbildung 5: Modellierte Sulfatkonzentrationen am Bilanzprofil Spremberg

Wilhelmsthal für die Varianten A-0 und A-1 im gesamten

Simulationszeitraum 2003 bis 2053 ... 33 Abbildung 6: Modellierte Sulfatkonzentrationen am Bilanzprofil Spremberg

Wilhelmsthal für die Varianten A-0 und A-1 im Zeitraum 2015 bis 2025... 34 Abbildung 7: Modellierte Sulfatkonzentrationen am Bilanzprofil Große Tränke für die

Varianten A-0, A-1 und B-1 im gesamten Simulationszeitraum 2003 bis

2053 ... 34 Abbildung 8: Modellierte Sulfatkonzentrationen am Bilanzprofil Große Tränke für die

Varianten A-0, A-1 und B-1 im Zeitraum 2015 bis 2025 ... 35 Abbildung 9: Schwankungsbreite der der Modellierungsergebnisse infolge

Parameterunsicherheiten am Beispiel des Bilanzprofiles Spremberg Wilhelmsthal (Minimal- und Maximalwerte bei der Berechnung von 10

Realisierungen, Variante A-0, WBalMo-Datenbasis: MW)... 36 Abbildung 10: Schwankungsbreite der Modellierungsergebnisse infolge

Parameterunsicherheiten am Beispiel des Bilanzprofiles Große Tränke (Minimal- und Maximalwerte bei der Berechnung von 10 Realisierungen, Variante A-0, WBalMo-Datenbasis: MW)... 37 Abbildung 11: Sulfateintrag in die Vorfluter aus den Schlabendorfer und Seeser

Feldern ... 38 Abbildung 12: Zusammenfassende Darstellung der bergbaulichen Sulfatquellen in

Sachsen und in Brandenburg... 40 Abbildung 13: Wasserverteilung zwischen Spree und Dahme-Umflut-Kanal in Leibsch ... 45 Abbildung 14: Klimatische Wasserbilanz der realen Klimareihe und des

Klimawandelszenarios (KW) für Sommer- und Winterhalbjahr (aus [25])... 55

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Abbildung 15: Frachtbilanzen für den Spreewald (Abflussfracht – Zuflussfracht) auf

Basis der täglichen Frachten (aus [19]) ... 57 Abbildung 16: Kumulierte Sulfatfrachtdifferenz in Abhängigkeit von der

Durchflussdifferenz für die Sommerhalbjahre 2000 – 2007 ... 59 Abbildung 17: Kumulierte Sulfatfrachtdifferenz in Abhängigkeit von der

Durchflussdifferenz für die Winterhalbjahre 2000 – 2007 ... 59 Abbildung 18: Korrelation der kumulierten Sulfatfrachtdifferenzen der Sommerhalbjahre

mit der des jeweils folgenden Winterhalbjahres... 60 Abbildung 20: Sulfatkonzentration und –fracht am Pegel Leibsch... 67 Abbildung 21: Korrelation zwischen Gesamtdurchfluss (Summe aus Hauptspree,

Dahme-Umflut-Kanal und Pretschener Spree) und Sulfatgehalt am

Pegel Leibsch 1995 – 2007... 68 Abbildung 22: Korrelation zwischen Gesamtabfluss (Hauptspree, Dahme-Umflut-Kanal,

Pretschener Spree) und Sulfatgehalt am Pegel Leibsch der

Sommerhalbjahre (Mai – Oktober) 1995 – 2007... 69

ANLAGENVERZEICHNIS

Anlage 1: Struktur des GoldSim-Modells Anlage 2: Modellbeschreibung

Anlage 3: Diagramme zu den Simulationsergebnissen

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Verwendete Symbole und Abkürzungen

ArcView^® ArcView ist eine GIS-Software der Firma ESRI, mit der sich Geodaten erzeugen, bearbeiten, analysieren und darstellen lassen. Im Text wird die Bezeichnung ArcView verwendet.

DUK Dahme-Umflut-Kanal

GD gleitender Durchschnitt

GoldSim GoldSim is dynamic, probabilistic simulation software developed by GoldSim Technology Group

GWRA Grubenwasserreinigungsanlage KW Klimawandel

KWO Klarwasserableiter Ost (im Tgb. Nochten geplanter Wasserableiter von der GWRA Tzschelln zu den Ökowassereinleitstellen am Nord-, Rothwasser- und Floßgraben)

LUGV Landesamt für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz Brandenburg MW Mittelwert

NA natural attenuation

oh oberhalb Perz Perzentil uh unterhalb

ÜW Überschreitungswahrscheinlichkeit

WBalMo^® WBalMo^® ist ein eingetragenes Warenzeichen der DHI-WASY GmbH. Im Text wird die Bezeichnung WBalMo verwendet.

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1 Zusammenfassung

In dieser Studie wurde das Modell für die Simulation von Sulfatkonzentrationen und Frachten in der Spree auf die südöstlichen Zuflüsse nach Berlin erweitert. Für den diffusen Eintrag von Sul- fat aus den Kippen der stillgelegten Tagebaue in Brandenburg wurde ein separater Modellbau- stein „diffuser Sulfateintrag Brandenburg“ entwickelt und gleichzeitig das Modell für die Auslei- tungen aus den Tagebaurestseen der Schlabendorfer und Seeser Felder mit neuen Daten aus den Gütegutachten der BTU Cottbus aktualisiert.

Mit dem aktualisierten GoldSim-Modell kann die Simulation der Sulfatkonzentrationen und Frachten in der Spree für folgende Bewirtschaftungsvarianten (Wasserüberleitungen und frachtmindernde Maßnahmen in Sachsen) und deren Kombinationen durchgeführt werden:

• Variante A: Referenzvariante (keine gezielten Maßnahmen zur Beeinflussung der Sulfatkonzentration).

• Variante B: Oder-Überleitung (Überleitung von Oderwasser über den Spree-Oder- Kanal in die Berliner Gewässer).

• Variante C: Erhöhte Überleitung von Spreewasser in die Dahme über den Dahme- Umflut-Kanal.

Maßnahmen in Sachsen:

(0) Referenzvariante: keine der o.g. drei Maßnahmen wird durchgeführt

(1) Alle drei Maßnahmen werden durchgeführt (Maßnahmebeginn entsprechend Tabelle 1, S. 18)

(2) Nur Maßnahme 1. (Flutung Hermannsdorfer See) (3) Nur Maßnahme 2. (Revitalisierung Altarme Spree)

(4) Nur Maßnahme 3. (Überleitung KWO und Speisung Floß- und Rothwassergraben)

Bei der Referenzvariante A-0 werden keine Maßnahmen zur Sulfatfrachtsteuerung ergriffen. Die Immissionszielwerte hier sind periodisch bei allen ausgewählten Bilanzprofilen (außer Dahme oh. Mündung in die Spree) überschritten. Durch die Maßnahmen zur Sulfatfrachtminderung in Sachsen (Variante A-1) gelingt es in der unteren Spree und in der Dahme weitgehend den Im- missionszielwert von 250 mg/L einzuhalten. Am Profil große Tränke wird der Immissionszielwert allerdings nur knapp unterschritten. Die Sulfatkonzentrationen liegen hier im Zeitraum von 2010 bis 2030 periodisch im Bereich zwischen 200 und 250 mg/l und reichen somit immer wieder bis

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dicht an den Zielwert heran. Bei der Variante B1 (Kombination der frachtmindernden Maßnah- men in Sachsen mit einer Oderwasserüberleitung von 1m³/s) wird die Sicherheit zur Einhaltung des Immissionszielwertes für die südöstlichen Zuflüsse nach Berlin erhöht.

Folgende Quellen der Sulfatbelastung im Flusssystem der Spree wurden in dem Modell berück- sichtigt:

• Punktförmige Einleitungen aus Grubenwasserreinigungsanlagen des aktiven und des Sanierungsbergbaus. Diese Daten wurden als Zeitreihen mit Sulfatkonzentration und prognostizierten Einleitungsmengen im Wesentlichen von den Anlagenbetreibern zur Verfügung gestellt.

• Ausleitungen aus gefluteten Bergbauseen und Speichern. Hierfür wurden Mengendaten aus WBalMo genutzt sowie Prognosen der Wasserqualität für die Seen.

• Diffuse Einträge aus Kippenbereichen stillgelegter Tagebaue. Für den Sulfateintrag aus diesen Quellen wurden separate Teilmodelle entwickelt und in das Prognosemodell für die Spree integriert.

• Vom Braunkohlenbergbau in der Lausitz unbeeinflusste Sulfatquellen (z. B. Spreezu- flüsse im Berliner Raum) wurden auf Basis des WBalMo-Mengengerüstes und der seit dem Jahre 2000 gemessenen Sulfatkonzentrationen mit bestimmter Schwankungsbreite (Normalverteilung) berücksichtigt.

Die Sulfatemissionen aus den Grubenwasserreinigungsanlagen haben in den Jahren 2010 bis 2018 einen Höchststand, sinken dann bis zum Jahre 2025 allmählich ab und bleiben dann bis zum Ende des Prognosezeitraumes auf einem Niveau zwischen 150.000 t/a bis 130.000 t/a mit geringfügig sinkender Tendenz.

Der Sulfataustrag, der aus der Mobilisierung von Verwitterungsprodukten aus dem gesamten Grundwasserabsenkungstrichter außerhalb der ehemaligen Tagebaugebiete resultiert, konnte nicht berücksichtigt werden, weil bisher hierzu keine ausreichende Datenbasis weder zur Ab- grenzung kritischer Bereiche noch zu Grundwasserqualitäten noch zum vorhandenen Sulfatbil- dungspotenzial vorhanden ist.

Die hohe Verdunstung in den Sommermonaten im Spreewald ist ein treibender Faktor für die saisonale Speicherung von Sulfat im Spreewald. Dafür ist der kapillare Aufstieg von sulfathalti- gem Grundwasser in die oberen Bodenschichten verantwortlich. Höhere Niederschlags- und Abflussmengen behindern die Anreicherung von Sulfat nach diesem Mechanismus. Bei sommerlichen Hochwasserereignissen, die selten auftreten, nimmt die Sulfatkonzentration in der Spree ab, weil die Auswaschung des gespeicherten Sulfates im Vergleich zu dem abfließenden

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Hochwasser langsam erfolgt. Die begrenzte Wasserleitfähigkeit der Böden stellt demnach einen Widerstand gegen den Sulfataustrag dar, der den Wiedereintrag des Sulfats in das Wasser der Spree verzögert.

An den Spreewaldabflüssen lässt sich eine gegenläufige Tendenz von Abfluss und Sulfatkon- zentration feststellen. Infolge des Abflussrückganges im Sommer steigt die Sulfatkonzentration an, verbunden jedoch mit einem Rückgang der Sulfatfracht. Mit Einsetzen stärkerer Abflüsse, meist ab Oktober, kommt es nach kurzzeitigem Anstieg zu einem Rückgang der Konzentration verbunden mit einer Frachtzunahme. Dies wird durch den Austrag von im Sommer festgelegtem Sulfat aus dem Spreewald verursacht. Die verdünnende Wirkung des stärkeren Abflusses „ü- berkompensiert“ jedoch die erhöhten Austräge und bewirkt einen Rückgang der Konzentration.

Leider gibt es aber im Moment keine Möglichkeit, den Einfluss des Klimawandels bzw. des damit vermutlich verbundenen Dargebotsrückganges auf die Stärke der Sulfatquellen zu beschreiben, da die Quellstärke z. B. der diffusen Quellen mit Hilfe externer Modelle ermittelt wurden, die diese Möglichkeit nicht vorsehen. Dies ist das Hauptproblem bei der angestrebten Mo- dellierung der Klimaveränderungen auf den Sulfattransport. Aus diesen Gründen musste die Möglichkeit der Berücksichtigung von Szenarien mit Klimawandel innerhalb dieser Studie aufgegeben werden.

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2 Einleitung

Die Wasserqualität der Spree im mittleren bis unteren Einzugsgebiet ist durch anthropogene Einflüsse im Zusammenhang mit dem Braunkohlebergbau (aktiver Tagebaubetrieb, Sanie- rungsbergbau) geprägt. Dabei steht unter Nutzungsaspekten insbesondere das Sulfat als Krite- rium der Wasserbeschaffenheit im Zentrum des Interesses.

Das durch die Verwitterung von Sulfiden in den Braunkohlenkippen gebildete Sulfat ist sehr gut wasserlöslich und reaktionsträge. Es wird deshalb in den Kippen kaum zurückgehalten und ge- langt über den natürlichen Wasserkreislauf sowie durch Direkteinleitungen infolge der Tage- bauentwässerung und Ausleitungen aus gefluteten Tagebaurestseen in die Vorfluter. Einmal in den Vorflutern angelangt, wird es vergleichsweise schnell stromabwärts transportiert und kann bei Überschreitung bestimmter Immissionswerte vorhandene Nutzungen nachteilig beeinflussen oder gefährden.

Der aktive Bergbau leitet über die Grubenwasserreinigungsanlagen seine Sümpfungswasser- mengen in die Spree ein und leistet damit einen wesentlichen Beitrag zur Aufrechterhaltung der ökologischen Mindestabflüsse im Mittel- und Unterlauf der Spree. Gleichzeitig gelangen über diesen Weg erhebliche Sulfatmengen in die Spree, die unter Nutzungsaspekten zu kritischen Konzentrationen führen. Mit dem Fortschreiten des Grundwasserwiederanstieges in der Lausitz steigen seit einiger Zeit auch die diffusen Stoffeinträge in die Stand- und Fließgewässer und erhöhen damit ebenfalls die Sulfatbelastung. In diesem Spannungsfeld zwischen Wasserbedarf und Qualitätssicherung werden Instrumentarien zur Einschätzung der prognostischen Entwick- lung der Sulfatbelastung sowie zur Planung und Bewertung von möglichen gegensteuernden Maßnahmen benötigt.

Seit Juni 2009 liegt die von G.E.O.S. im Auftrag des Landesumweltamtes erarbeitete „Sulfat- studie Brandenburg“ vor [3]. In der Studie wurden die diffusen und die Punkteinträge von Sulfat in die Spree ermittelt, sowie die Funktion des Spreewaldes hinsichtlich seines Einflusses auf den Sulfattransport untersucht. Auf der Basis der recherchierten Daten und der Untersuchungs- ergebnisse zum Spreewald erfolgte eine Modellierung des Sulfattransportes in der Spree mit dem Ziel, Möglichkeiten der Bewirtschaftung zur Minimierung der Sulfatgehalte in der unteren Spree zu untersuchen und zu bewerten. Hierbei wurden 4 Varianten (0-Variante und 3 Bewirt- schaftungsvarianten) geprüft. Die Ergebnisse der Studie lassen befürchten, dass die kritische Schwelle der Sulfatkonzentration im Zulauf nach Berlin in wenigen Jahren zumindest zeitweilig überschritten werden könnte.

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Die Aussagen der Studie sind aber in Teilen für strategische und technische Entscheidungen noch nicht ausreichend belastbar. Deshalb müssen einige Aspekte im Gutachten für eine Ver- besserung der Prognosen präzisiert, erweitert und aktualisiert werden. In Abstimmung zwischen dem Land Brandenburg und Berlin soll deshalb eine Erweiterung der o. g. Studie erfolgen. Da- zu sind jeweils entsprechend der spezifischen Interessenslage der Länder zwei Arbeitspakete vereinbart worden, die inhaltlich und methodisch ineinander greifen. Der vorliegende Bericht umfasst die Ergebnisse beider Arbeitspakete (Berlin und Brandenburg).

Die Ergebnisse der durchgeführten Modellergänzungen, der Nachtragsmodellierung und der zusätzlichen Betrachtungen zum Transportverhalten des Sulfates in der Unteren Spree sollen die Aussagen in der Sulfatstudie Brandenburg ergänzen und mit ihr gemeinsam eine umfas- sendere Grundlage für Entscheidungen zur künftigen Bewirtschaftung der Spree bilden. Im Fo- cus steht dabei die Prüfung der Möglichkeiten zur Minimierung der Sulfatgehalte zur Gewähr- leistung von Nutzungszielen insbesondere in der Unteren Spree.

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3 Aufgabenstellung 3.1 Arbeitspaket Berlin

• Erweiterung der Prognoserechnung bis Berlin

Das Bearbeitungsgebiet der Sulfatstudie Brandenburg [3] von 2009 endet am Pegel Gro- ße Tränke und beschränkt sich hinsichtlich der Zulauffrachten nach Berlin auf die Spree.

Die Prognoserechnungen sollen nunmehr bis zum Pegel Rahnsdorf erweitert werden. Ins- gesamt soll eine Modellierung der Sulfatgehalte in den südöstlichen Zuflüssen nach Berlin erfolgen. Dies betrifft die maßgeblichen Zulaufpegel nach Berlin Große Tränke, Wernsdorf und Neue Mühle. Für ausgewählte Bewirtschaftungsszenarien soll die Sulfat- Zulaufqualität nach Berlin dargestellt werden.

• Weiterführende Diskussion der Sulfatausträge des Spreewaldes einschließlich der Wirkungen auf Berlin

In der Sulfatstudie Brandenburg wurde der Einfluss des Spreewaldes auf den Sulfattrans- port untersucht. Dabei zeigte sich, dass das Transportverhalten des Sulfates stark durch jahreszeitliche Einflüsse und durch die saisonale Stauhaltung im Spreewald bestimmt wird. Während der Vegetationsperiode von Frühjahr bis Herbst überwiegen die sulfat- verbrauchenden Prozesse, so dass der Spreewald in dieser Zeit als Senke fungiert. Über- lagert wird dies durch eine hohe Verdunstung im Sommer, so dass zusätzlich ein Spei- chereffekt auftritt. Nach Beginn des Wintereinstaus schlägt die Situation aber um und es finden Prozesse der Sulfatfreisetzung statt, die dazu führen, dass der Spreewald sich sai- sonal in eine Sulfatquelle verwandelt.

Diese Eigenschaften des Spreewaldes beeinflussen die Sulfatkonzentrationen in der Spree unterhalb des Spreewaldes bis Berlin erheblich. Es ist deshalb eine vertiefte Analy- se des Transportverhaltens von Sulfat in der Unteren Spree durchzuführen, wobei schwerpunktmäßig folgende Aufgaben zu bearbeiten sind:

o Herausarbeiten der Bedeutung von Starkniederschlägen im Sommer oder eines sommerlichen Hochwassers auf die Sulfatausträge des Spreewaldes durch Interpretation von historischen Ereignissen

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o Diskussion des Einflusses der Verdunstung im Spreewald und des Abflussrückganges auf die Konzentrations- und Frachtentwicklung anhand historischer Ereignisse (Tro- ckenjahre)

3.2 Arbeitspaket Brandenburg

Im Arbeitspaket „Brandenburg“ sollen die folgenden Punkte bearbeitet werden.

• Weiterentwicklung methodischer Aspekte der Sulfatmodellierung

o Erläuterung und Dokumentation des von WBalMo zur Verfügung gestellten Mengenge- rüstes

o Diskussion möglicher Schwankungsbreiten und Modellunsicherheiten

o Präzisierung des Sulfateintrages über den Pfad Kippengrundwasser → Tagebaurest- see → Vorfluter

• Differenzierung der Sulfateinträge aus den Speicherbecken Bärwalde und dem Speichersystem Lohsa II

Auf der Basis der zur Verfügung gestellten WBalMo-Daten, den prognostizierten Seewas- serqualitäten und den diffusen Einträgen über den Pfad Kippengrundwasser → Restsee sollen die resultierenden Sulfatausleitungen aus den Speichern Bärwalde und Lohsa diffe- renziert dargestellt werden.

• Aktualisierung der Randbedingungen für die Modellierung

Es erfolgt eine Recherche der notwendigen Details der von VEM vorgeschlagenen Maß- nahmen zur Sulfatfrachtreduzierung unter Berücksichtigung des Zeitpunktes des Wirk- samwerdens der Maßnahmen.

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• Einbeziehung der von Vattenfall geplanten Maßnahmen zur Sulfatfrachtminderung Die von Vattenfall geplanten Maßnahmen zur Sulfatfrachtreduzierung werden in das Mo- dell als Bewirtschaftungsvariante integriert. Dazu gehören folgende Maßnahmen:

o Revitalisierung alter Spreearme,

o Einleiten von sulfatreichem Wasser aus der GWRA Tzschelln in den Rothwasser- und Floßgraben,

o schnellstmögliches Einleiten von Wasser aus der GWRA Tzschelln in den geplanten Hermannsdorfer See.

Dazu ist eine Anpassung der Modellstruktur erforderlich. Die Durchführung der Modellrechnung erfolgt dann unter Berücksichtigung folgender Randbedingungen:

• Realisierung aller von Vattenfall vorgeschlagenen Maßnahmen zum schnellstmöglichen Zeitpunkt.

• Die Sinnfälligkeit einer Variante „Realisierung aller von VEM geplanten Maßnahmen unter ungünstigen zeitlichen Voraussetzungen“ ist zu prüfen.

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4 Wasserwirtschaftliche Maßnahmen im sächsischen Einzugsgebiet zur Minderung der Sulfatfrachten in der Spree

Die Sulfatstudie für Brandenburg aus dem Jahr 2009 [3] kam zu dem Ergebnis, dass die prognostischen Sulfatkonzentrationen im Unterlauf der Spree (Pegel Große Tränke) bis nahe an den Immissionszielwert von 250 mg/l heranreichen und besonders im Zeitraum von 2010 bis 2020 diesen auch zeitweilig überschreiten werden. Die in [3] untersuchten wasserwirtschaftlichen Maßnahmen

• Überleitung zusätzlicher Wassermengen zur Dahme (Variante 1) und

• Oderwasserüberleitung (3 m³/s) (Variante 2)

brachten keine grundsätzliche Verbesserung der Situation. Obwohl bei der Variante 2 (Oder- wasserüberleitung) eine bessere Wirksamkeit hinsichtlich der Senkung der Sulfatgehalte zu verzeichnen war, reichte die erzielte Wirksamkeit nicht aus, um am Pegel Große Tränke sicher den Immissionszielwert zu unterschreiten. Erst die Kombination beider Maßnahmen brachte am Pegel Große Tränke eine dauerhafte und sichere Unterschreitung des Immissionszielwertes von 250 mg/L.

Mit diesem Ergebnis war aber noch nicht sichergestellt, dass auch für Berlin der Immissions- zielwert für den südöstlichen Zulauf über die Dahme (Schleuse Neue Mühle) unterschritten werden kann, weil bei Variante 1 nur eine Umleitung der Sulfatfracht über die Dahme erfolgt und somit lediglich eine Verschiebung von Sulfatfracht von der Schleuse Wernsdorf zur Schleu- se Neue Mühle erfolgt. Auf die Sulfatbelastung im Langen See bis zur Mündung der Dahme in die Spree hat die Variante 1 (außer geringfügigen zeitlichen Verschiebungen) keinen positiven Einfluss. Das Gebiet zwischen Langem See und Müggelsee ist aber auf Grund der dort vorhandenen Förderbrunnen für die Trinkwassergewinnung relevant.

Bezüglich der Oderwasserüberleitung konnte in der Sulfatstudie von 2009 keine endgültige Empfehlung gegeben werden, weil zu den Auswirkungen der Überleitung auf die Wasserbe- schaffenheit der Berliner Gewässer keine aktuelle Bewertung vorlag. In einer neuen, aber noch nicht abschließenden Untersuchung [12] der Bundesanstalt für Gewässerkunde zu Möglichkei- ten und Grenzen einer Oderwasserüberleitung werden verschiedene Mischungsverhältnisse von Spreewasser zu Oderwasser auf der Grundlage der aktuellen Beschaffenheitssituation und der Rechtslage diskutiert. Eine abschließende Bewertung konnte bis dato noch nicht vorgenommen werden. Als maßgebliche Restriktion hat sich die derzeit technisch sowie dargebots-

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seitig begrenzte Überleitungsmöglichkeit über den Oder-Spree-Kanal herausgestellt. Es konnte daher lediglich eine mögliche mittlere Überleitungsmenge von etwa 1 m³/s im Gutachten be- rücksichtigt werden. Deshalb wurde diese Wassermenge in Szenario B (Oderwasserüberlei- tung) angesetzt (siehe Kapitel 5.3 Szenarienauswahl).

Aus diesen Gründen hatten die Aussagen der Sulfatstudie von 2009 [3] einen in bestimmten Teilen vorläufigen Charakter, weil nicht alle möglichen Maßnahmen und Auswirkungen bis zum Ende hin verfolgt werden konnten. Außerdem wurden nach Fertigstellung der Sulfatstudie Maß- nahmen aus dem sächsischen Einzugsgebiet bekannt, die zu einer merklichen Reduzierung der Sulfatfrachten führen würden. Diese Gründe führten dazu, dass einerseits eine Modellerweite- rung bis zu den südöstlichen Zulaufpegeln von Berlin (Rahnsdorf sowie Schleusen Wernsdorf und Neue Mühle) erfolgen sollte und andererseits die Auswirkungen der geplanten Maßnahmen in Sachsen zur Minderung der Sulfatfrachten untersucht werden sollten.

R estsee + 128 m NHN

+ 1 28,5 m NHN

Tagebaurestgewässer (geplant)

Klarwasserableiter Ost (KWO)

Bereich Altarm e Spree

c e

d

c Flutung Hermannsdorfer See über KWO

Revitalisierung der Altarme der Spree

dRevitalisierung der Altarme der Spree

d

eSpeisung Floßgraben

Abbildung 1: Wasserwirtschaftliche Situation im Umfeld des Tagebaus Nochten mit den geplanten Maßnahmen zur Minderung der Sulfatfracht in der Spree

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Tabelle 1: Geplante Maßnahmen zur Verminderung der Sulfatfrachten in der Spree

Nr. Maßnahme Beginn der

Wirksamkeit

Wassermenge

c Flutung Hermannsdorfer See Frühester geplanter Flutungsbeginn: 2013

10 m³/min d Revitalisierung Altarme Spree 1.Quartal 2012 5 m³/min e Überleitung zum Floßgraben /

Rothwassergraben

1. Quartal 2012 5 m³/min

Die von Vattenfall vorgeschlagenen wasserwirtschaftlichen Maßnahmen beinhalten die Ver- wendung von sulfatreichem Wasser der GWRA Tzschelln für Flutungs- und Ökowassereinspei- sungen außerhalb des Einzugsgebietes der Spree. Die GWRA in Tzschelln wurde von Vatten- fall ausgewählt, weil hier hohe Sulfatkonzentrationen im gereinigten Grubenwasser vorliegen und daher durch diese Maßnahmen eine vergleichsweise hohe Reduzierung der Frachten mög- lich ist.

Im Einzelnen sind folgende Maßnahmen vorgesehen (siehe auch Tabelle 1):

1. Verwendung von gereinigtem Sümpfungswasser des Tagebaus Nochten für die Flutung des Hermannsdorfer Sees.

2. Revitalisierung der Altarme der Spree mit Versickerung von gereinigtem Sümpfungs- wasser der GWRA Tzschelln in den Altarmen.

3. Überleitung von gereinigtem Sümpfungswasser der GWRA Tzschelln zur Speisung von Floß- und Rothwassergraben nahe Weißwasser.

Die wasserwirtschaftliche Situation im Umfeld des Tagebaus Nochten mit diesen genannten Maßnahmen ist in Abbildung 1 dargestellt.

Gegenwärtig erfolgt bei Vattenfall die Schaffung der rechtlichen und technischen Vorausset- zungen für die Realisierung der Maßnahmen. Dazu gehören die Planung und das Genehmi- gungsverfahren eines Überleiters von der GWRA Tzschelln zu den Ökowassereinleitungsstellen am Nord-, Rothwasser- und Floßgraben (Klarwasserableiter Ost, KWO). Mit dem Bau dieses Ableiters sind die Errichtung einer Pumpstation und der Bau eines Klarwasserzwischenspei- chers verbunden.

Das Genehmigungsverfahren für die Revitalisierung der Spree-Altarme mit Versickerung von gereinigtem Sümpfungswasser aus der GWRA Tzschelln ist ebenfalls eingeleitet. Gegenwärtig

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werden von Vattenfall der aktuelle Stand des Grundwasserwiederanstieges im Bereich der Spree-Altarme überprüft und die Ergebnisse der aktualisierten Grundwassermodellierung ausgewertet. Für die Machbarkeit der Versickerungsvariante sind ein ausreichender Abstand des Grundwasserspiegels zum Wasserstand in der Spree und die Funktionsfähigkeit der Sohldich- tung der Spree ausschlaggebend. Diese Sohldichtung wurde bei der Umverlegung der Spree an den Rand des Tagebaus Nochten als Schutz gegen Versickerungsverluste angelegt. Sie erstreckt sich unterhalb der Ortslage Sprey auf einer Länge von 3,2 km (siehe Abbildung 2) und schließt den Bereich der Spreealtarme mit ein. Im Zuge des Grundwasserwiederanstieges ist ein teilweiser oder gänzlicher Rückbau der Foliendichtung erforderlich, weil diese sonst durch das aufsteigende Grundwasser angehoben werden könnte, was zu geotechnischen Instabilitä- ten in den Uferböschungen führen würde.

Von Seiten der LMBV wird deshalb geprüft, in welchen Bereichen der Spree die Entfernung der Dichtungsfolie erforderlich ist. Dies hängt wiederum vom Flutungsfortschritt im Speicher Loh- sa II ab und von der endgültigen maximalen Einstauhöhe. Gegenwärtig liegen zu diesem gesamten Maßnahmenkomplex keine aktuellen belastbaren Aussagen, Planungen oder Auswer- tungen von Grundwassermodellierungen vor. Die Klärung dieser Situation ist jedoch eine wichtige Voraussetzung, um die Maßnahme zur Versickerung von gereinigtem Wasser aus der GWRA Tzschelln in den Altarmen der Spree realisieren zu können.

Nach dem Stand der reinen technischen Vorbereitung des Vorhabens zur Versickerung in den Altarmen, könnte die Maßnahme im ersten Quartal 2012 beginnen. Dies setzt jedoch voraus, dass die genannten offenen Probleme im Zusammenhang mit dem Grundwasserwiederanstieg in Abstimmung zwischen Vattenfall, der LMBV und den Genehmigungsbehörden bis dahin ge- klärt werden können. Ein Scheitern der Maßnahme auf Grund sich einstellender Grundwasser- spiegellagen kann beim gegenwärtigen Kenntnisstand nicht ausgeschlossen werden. Für die Modellierung der Sulfatkonzentration in der Spree wurde deshalb im erstellten Playerfile (siehe Anlage 2) im Menü „Steuerparameter 1“ eine Auswahlmöglichkeit der realisierbaren Maßnah- men vorgesehen. Damit kann die Maßnahme „Versickerung Altarme Spree“ ein- bzw. ausge- schaltet werden. Darüber hinaus lässt sich im Menüpunkt „Steuerparameter 2“ der Zeitpunkt der Wirksamkeit einstellen. Mit diesen Auswahlmöglichkeiten wurde im Modell die notwendige Fle- xibilität geschaffen, um auf die aktuelle Situation reagieren zu können.

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Spreeabschnitt mit Foliendichtung

Abbildung 2: Spreeabschnitt zwischen Sprey und Neustadt mit Bereich der Folienabdichtung und den Altarmen der Spree

(Kartengrundlage: Studie Hochwasserschutzkonzeption Spree, Staatliches Um- weltfachamt Bautzen, 2004)

Altarme Spree

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5 Darstellung von methodischen und inhaltlichen Aspekten der Mo- dellierung des Sulfattransportes

Bei dem für die Prognose der Sulfatkonzentration verwendeten Modellkonzept handelt es sich um ein sogenanntes Systemmodell. Das bedeutet, dass eine Reihe von Prozessen nicht innerhalb des Modells selbst berechnet werden, sondern auf Ergebnisse detaillierter komplexer Mo- dellierungen zurückgegriffen wird, indem diese in geeigneter Weise einbezogen werden. Bei- spiele dafür sind die Verwendung eines in WBalMo erzeugten Mengengerüstes und die Ver- wendung der Ergebnisse komplexer Grundwassermodellierungen. In Abbildung 3 ist dies schematisch dargestellt. Um die Darstellung der fachlichen Aufgabenstellung und die Diskus- sion der Ergebnisse aus der Modellierung nicht durch Details zum Modellaufbau und zu dessen Funktionsweise zu überfrachten, wurden diese Ausführungen in den Anlagen 1 und 2 zusam- mengefasst. In Anlage 1 ist die Modellstruktur dargestellt und Anlage 2 enthält eine ausführliche Modellbeschreibung, in der wichtige Aussagen zum konzeptionellen Ansatz, zu den modell- technische Grundlagen sowie zu den verwendeten Teilmodellen enthalten sind und in der auch zur Prognosesicherheit Stellung genommen wird.

5.1 Generelle Herangehensweise und notwendige Abstraktionen

Bei der Entwicklung des Flussgebietsmodelles für die Spree zur Prognose der Sulfatkonzentra- tionen und Frachten musste ein Kompromiss zwischen Aufwand zur Modellentwicklung und Prognosegenauigkeit gefunden werden.

Dieser Kompromiss wurde dadurch erreicht, dass einerseits bereits vorhandene und ausgereifte Modelle benutzt wurden, um wichtige Ausgangsdaten für die Modellierung des Sulfattransportes zur generieren. Bei diesen Modellen handelt es sich einerseits um das Flussgebietsbewirtschaf- tungsmodell WBalMo sowie um hydrologische und hydrogeologische Großraummodelle der LMBV für die ehemaligen Tagebaubereiche und Kippen.

Andererseits erfolgte eine Konzentration auf die wichtigsten Sulfatquellen, die sich wie folgt zu- sammensetzen:

• Einleitungen aus Grubenwasserreinigungsanlagen. Hier wurden aus den Angaben der Bergbaubetriebe Vattenfall und LMBV Zeitreihen für Einleitungsmengen und Sulfatfrach- ten aufgestellt, die sich aus den betrieblichen Prognosen der Bergbauplanung ergeben.

Diese Zeitreihen sind bereits in den vorangegangenen Sulfatstudien für Sachsen [2] und für Brandenburg [3] enthalten.

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• Erstellung von Teilmodellen für den diffusen Eintrag von Sulfat in die Spree unter Ver- wendung der o. g. externen Modelle sowie Festlegung einzelner Abstrombereiche von den Kippen, für die die zeitliche Entwicklung der Sulfatfreisetzung und des Transportes zum Vorfluter unter Berücksichtigung der hydrogeologischen Verhältnisse ermittelt wird.

Diese Teilmodelle berücksichtigen den Sulfateintrag in die Spree aus den Kippenberei- chen der stillgelegten Tagebaue.

Der Sulfataustrag, der aus der Mobilisierung von Verwitterungsprodukten aus dem gesamten Grundwasserabsenkungstrichter außerhalb der ehemaligen Tagebauge- biete resultiert, konnte nicht berücksichtigt werden, weil bisher hierzu keine ausreichende Datenbasis weder zur Abgrenzung kritischer Bereiche noch zu Grundwasser- qualitäten noch zum vorhandenen Sulfatbildungspotenzial vorhanden ist. Nach Auskunft der LMBV [27] wurden kürzlich Arbeiten beauftragt, die sich mit der Quantifizierung dieser Sulfat- und Eisenquellen befassen. Mit belastbaren Ergebnissen ist nicht vor Ende 2011 zu rechnen.

• Ermittlung der Sulfatausleitungen aus den Tagebaurestseen und Speichern in Überein- stimmung mit den Flutungsprognosen der LMBV. Hierbei wurden jeweils die in den Gü- tegutachten enthaltenen Qualitätsdaten und die Angaben zur Wasserstandsentwicklung berücksichtigt. Die Prognose der Sulfatkonzentrationen und Ausleitfrachten wurde dann über die Wasserbilanzdaten und den sulfatbelasteten Grundwasserzustrom zu den Restseen ermittelt.

• Für sulfathaltige Fremdzuflüsse zur Spree, die in keinem Zusammenhang mit bergbaulichen Aktivitäten stehen, wurden aus der Gewässerüberwachung der Länder Sachsen, Brandenburg und Berlin Monitoringdaten verwendet. Für diese Daten wurden die Moni- toringdaten mindestens seit dem Jahre 2000 ausgewertet und der langjährige Median- wert mit der ermittelten Standardabweichung als Schwankungsbreite der Sulfatkonzent- ration für die Prognoserechnungen in Ansatz gebracht.

Hinsichtlich des Transportverhaltens des Sulfates in den Kippen und dann im Flusssystem wurden folgende Modellelemente berücksichtigt:

In den Teilmodellen für den diffusen Austrag von Sulfat aus den Braunkohlenkippen wurden geochemische Vorgänge in sehr vereinfachter Form berücksichtigt. Es wird das Gesamtinventar des in der Kippe mobilisierbaren Sulfates einschließlich der Nachlieferung aus der ungesättig- ten Zone sowie die Auswaschung und Verdünnung durch die Prozesse der Grundwasserneu- bildung berücksichtigt. Details zu den Modellgrundlagen werden in [2] dargestellt. Prozesse der

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Stoffwandlung des Sulfates zum Beispiel durch reduktive Prozesse (Sulfidbildung) werden in dem Modell nicht berücksichtigt. NA-Prozesse mit mikrobieller Sulfatreduktion wurden in neus- ten Forschungsprojekten [14] zwar nachgewiesen, deren Ausmaß ist aber von der Verfügbar- keit einer geeigneten Kohlenstoffquelle abhängig. Gegenüber der Auswaschung von Sulfat sind dies jedoch extrem langsame Prozesse, so dass eine Vernachlässigung der Stoffwandlung des Sulfates in erster Näherung richtig ist und als konservative Modellannahme gerechtfertigt werden kann. Auch im Spreewald konnte keine dauerhafte Festlegung von Sulfat durch mikrobielle Sulfatreduktion nachgewiesen werden [3].

Die benötigten Abflussdaten wurden mit Hilfe des Flussgebietsbewirtschaftungsmodelles WBalMo für den Prognosezeitraum bis 2052 durch das LUGV Brandenburg generiert. Für die benötigten Bilanzknoten des Flussgebietes wurden einmal monatliche Mittelwerte des Ab- flusses zur Verfügung gestellt, sowie Abflusswerte mit 50%iger und 80%iger Überschreitungs- wahrscheinlichkeit.

Die monatlichen Mittelwerte konnten mit WBalMo getrennt für die Einzeljahre des gesamten Simulationszeitraumes (2003 bis 2052) berechnet werden. Die Abflusswerte für bestimmte Ü- berschreitungswahrscheinlichkeiten lassen sich mit Hilfe von WBalMo allerdings nur für feste 5- Jahres-Zeiträume, beginnend ab 2003 berechnen. Innerhalb dieser 5-Jahres-Perioden hat dann jeder Januar, Februar usw. immer den gleichen Abflusswert. Mit diesem „Mengengerüst“ erfolgte dann die Simulation der Sulfatkonzentrationen an den Bilanzpunkten des Flusssystems, indem die aus den verschiedenen Quellen stammenden Sulfatfrachten in der korrekten zeitlichen Abfolge von einem Bilanzknoten zum nächsten „weitergereicht“ werden. Bei den großen Spei- chern und Seen innerhalb des Flusssystems kommen noch unter Beachtung der mittleren Ver- weilzeit Mischungseffekte hinzu, die zur Abflachung von Konzentrationsschwankungen führen.

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GoldSim-Modell

Zuflussfrachten Sulfat aus GRWR und anderen

Punkteinleitern (Zeitreihen mit jährlicher

Diskretisierung)

Teilmodell diffuser Sulfataustrag Sachsen

- Festlegung separater Abstrom- bereiche Kippe → Vorfluter - Kippenflächen - Ausw aschungsfaktor - mittlere Sulfatkonz. im GW - Strömungsquerschnitte - Zeitp. Beginn Abstrom Numerische

Großraummodelle LMBV

N-A-Modelle der DHI-Wasy GmbH Schlabendorf/Seese &

Gutachten BTU

Boxmodell mit unterschiedlichen WK

- Netzw erk von Bilanzknoten und Wasserkörpern mit unterschiedlicher Struktur

- Flussabschnitte - Tagebaurestseen - Speicherbecken - GWRA

Teilmodell diffuser Sulfataustrag Brandeburg

- Festlegung separater Abstrom- bereiche Kippe → Vorfluter - Kippenflächen - Ausw aschungsfaktor - mittlere Sulfatkonz. im GW - Strömungsquerschnitte - Zeitp. Beginn Abstrom

Modulation täglicher Abflussdaten - gemessene Abflussverteilung

WBalMo Mengengerüst - monatliche Mittelw erte - Überschreitungs- w ahrscheinlichkeiten

Modellstruktur und Daten

Simulation & Ergebnisse - Monte-Carlo-Simulation - Zufallsparameter - Realisierungen

- Diagramme, Wahrscheinlichkeits- verteilungen

GoldSim-Player

- Hauptmenü - einstellbare Parameter - Simulation durchführen - graphische und tabellarische

Auswertung - Modell browsen

Modulation der Sulfatkonzentration - Zeitreihen der Punktquellen - Mittelw erte der nicht-bergbaulichen Einträge

- Berücksichtigung der Unschärfe durch Normalverteilung

Abbildung 3: Grundsätzliche Struktur des entwickelten Flussgebietsmodelles zur Simulation von Sulfatkonzentrationen und Frachten sowie Zusammenwirken mit externen Modellkomponenten

Die Ergebnisausgabe und –visualisierung erfolgt mit Hilfe des GoldSim-Modells. Aufbau und Funktion des GoldSim-Modelles sind in Anlage 2 beschrieben. Im dem AG zur Verfügung gestellten Playerfile lassen sich bestimmte Ausgangsparameter variieren und an Hand einer Mat- rix die zu berechnende Variante auswählen. Damit ist die Berechnung aller Modellvarianten möglich, deren Ergebnisse nicht komplett in diesem Bericht dargestellt und diskutiert werden können.

5.2 Prüfung der Möglichkeiten zur Berücksichtigung von Klimaänderungen

Im Rahmen der Überarbeitung des GoldSim-Modells zur Simulation der Sulfatkonzentrationen in der Spree sollte geprüft werden, ob zusätzlich zu den bereits vorgestellten Änderungen ein

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Szenario „Klimawandel“ eingeführt werden kann, um die Auswirkungen des Klimawandels auf die Wassermengen und damit einhergehend auf die Sulfatfrachten und -konzentrationen abbil- den zu können.

Derzeit läuft bis Ende des Jahres 2010 das Forschungsprojekt GLOWA-Elbe, dessen Ziel es ist,

„den globalen Wandel und seine Wirkungen auf den Wasserkreislauf für ausgewählte Flussge- biete zu analysieren und geeignete Strategien zur Verhinderung bzw. Minderung schädlicher Auswirkungen und zur Sicherung einer nachhaltigen Entwicklung zu identifizieren“ [7]. Für diesen Zweck wurde im Projekt GLOWA-Elbe ein Modellverbund für das gesamte Einzugsgebiet der Elbe entwickelt mit dessen Hilfe die Eingangsdaten für die Modellierung der Langfristbewirt- schaftung bereitstellt werden sollen. Ein wesentlicher Punkt des Projektes GLOWA-Elbe ist es, die klimabedingte Verminderung des Wasserdargebotes in die Modellierung der Langfristbe- wirtschaftung einzubeziehen.

Die Simulation des natürlichen Wasserdargebotes wird extern vorgenommen (d. h. außerhalb von WBalMo). Im WBalMo GLOWA-Elbe wird hierzu das öko-hydrologische Modell SWIM (Soil and Water Integrated Model) genutzt. Um den Einfluss von Klimaänderungen auf das Wasser- dargebot zu erfassen, wird im GLOWA-Elbe das Klimamodell STAR (STAtistisches Regional- modell) verwendet, um damit Klimadaten wie Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Nie- derschlag aus täglichen meteorologischen Parametern auszuwerten und daraus Zukunftssze- narien zu bestimmen. Die mit STAR bzw. SWIM erzeugten Daten (Tageswerte) werden für das Langfristbewirtschaftungsmodell zu Monatswerten aggregiert. Zwischen dem Modellen SWIM und WBalMo wurde durch die DHI-WASY eine Schnittstelle erstellt, um schließlich Klimaszena- rien in die WBalMo-Simulationen einbeziehen zu können (siehe [5] bis [7]).

Neben den genannten Klimamodellen, die sich im Wesentlichen auf die Elbe und die sie umge- benden Gebiete beziehen wird außerdem das Klimamodell WEREX entwickelt, welchen für das Bundesland Sachsen verwendet wird [8]. Dieses Modell sagt für die nächsten 50 Jahre einen Niederschlagsrückgang in Nord- und Ostsachsen um mehr als 30% voraus, wobei sich im Win- ter die Niederschlagsmenge nur unwesentlich ändern wird.

Die vorgestellte Modellkette (STAR→SWIM→WBalMo), wie sie derzeit für durch die DHI-WASY GmbH erarbeitet wird, kann in GoldSim nicht eingebunden werden, da zum einen die beiden Modelle STAR und SWIM beim Auftragnehmer (G.E.O.S.) nicht vorliegen, zum anderen die Programmierung einer Schnittstelle zwischen den Modellen für das vorliegende Projekt nicht vorgesehen ist.

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Eine andere Möglichkeit, ein sinkendes Wasserdargebot zu simulieren, ist die Verwendung von Abflussüberschreitungswahrscheinlichkeiten > 50 %, die sich bereits mit der gegenwärtigen WBalMo-Variante erzeugen lassen. Dabei entsprechen:

• 50%-Abfluss-Überschreitungswahrscheinlichkeit - normalen Verhältnissen,

• 80%-Abfluss-Überschreitungswahrscheinlichkeit - moderat trockenen Verhältnissen und

• 95%-Abfluss-Überschreitungswahrscheinlichkeit - sehr trockenen Verhältnissen.

Obwohl die zu erwartenden Klimaänderungen mit einem Rückgang der Niederschläge auch zu verringerten Abflüssen führen werden, kann durch die Verwendung von Überschreitungswahr- scheinlichkeiten > 50 % kein direkter (kausaler) Zusammenhang zu Klimaveränderungen her- gestellt werden.

In Anlage 2 (Abbildungen 2 und 3) sind beispielhaft die Abflussdaten für das Bilanzprofil 200_Spremberg mit 50, 80 und 95%iger Überschreitungswahrscheinlichkeit dargestellt. Gegen- über den Monatsmittelwerten ergibt sich zum Beispiel bei 80% Überschreitungswahrscheinlich- keit ein Abflussrückgang von bis zu 40 %. Dies bedeutet, dass bei Beibehaltung der Quellstär- ken für die Sulfatquellen, die Konzentrationen um einen adäquaten Betrag ansteigen würden.

Mit einem Rückgang des Wasserdargebotes ist aber auch immer eine Rückwirkung auf die Sul- fatquellen verbunden, weil die Sulfatfrachten sehr stark an die Abflussmengen gekoppelt sind.

Daher ist es nicht plausibel, die Simulation der Sulfatkonzentrationen in der Spree mit stark vermindertem Wasserdargebot bei Beibehaltung der Quellstärken (diffuse Quellen und Punkt- einleitungen) durchzuführen. Leider gibt es aber im Moment keine Möglichkeit, den Einfluss des Dargebotsrückganges auf die Stärke der Sulfatquellen zu beschreiben, da die Quellstärke z. B.

der diffusen Quellen mit Hilfe externer Modelle ermittelt wurden, die diese Möglichkeit nicht vorsehen. Dies ist das Hauptproblem bei der angestrebten Modellierung der Klimaveränderungen auf den Sulfattransport. Aus diesen Gründen musste die Möglichkeit der Berücksichtigung von Szenarien mit Klimawandel innerhalb dieser Studie aufgegeben werden. Eine modellgestützte Prognose der Sulfatkonzentrationen unter Berücksichtigung von Klimaänderungen kann erst erfolgen, wenn die entsprechenden WBalMo-Daten zur Verfügung stehen und wenn der Ein- fluss des Dargebotsrückganges auf die Sulfatquellen beschrieben werden kann. Da es sich hierbei aber um eine Stofftransportmodellierung handelt, ist diese vergleichsweise schwieriger als die Modellierung der reinen Wassermengen.