Entwicklung eines Werkzeuges zur großräumigen dreidimensionalen Modellierung des reaktiven Stofftransports im Grundwasser des Braunkohlenbergbaus als Planungsinstrument für die Sanierung

Kai Zimmermann1, Wilfried Uhlmann1, Thomas Claus1
1 Institut für Wasser und Boden Dr. Uhlmann

O 12.9 in Reaktiver Stofftransport in heterogenen Grundwasserleitern

24.03.2018, 11:30-11:45, 3

Im Lausitzer Braunkohlenrevier ist das Grundwasser großflächig und nachhaltig von der Pyritverwitterung beeinflusst. Das Grundwasser ist in vielen Fällen sauer sowie eisen- und sulfatreich. Der Grundwasserwiederanstieg führt zu diffusen Übertritten des Grundwassers in die Fließgewässer und Bergbaufolgeseen, wodurch die Wasserbeschaffenheit, die Gewässerökologie und die Wassernutzungen nachhaltig beeinträchtigt werden.

Die Sümpfung im Gewinnungsbergbau und der Grundwasserwiederanstieg im Sanierungsbergbau werden seit Jahrzehnten in der Ingenieurpraxis mit anwendungs­bezogen entwickelten 2D und 3D regionalen Grundwasserströmungsmodellen begleitet. Zunehmend rücken hydrochemische Fragen, wie die Versauerung von Bergbaufolgeseen, der Stoffaustrag aus Halden und Kippen sowie der diffuse Stoffeintrag in die Fließgewässer in den Fokus. Sie können nur durch reaktive Stofftransportmodellierung im Sinne einer hydrogeochemischen Modellierung beantwortet werden. Die Nutzung verfügbarer gekoppelter geohydraulischer und hydrogeochemischer Modellsoftware, wie z. B. PHAST, erfordert eine aufwendige Migration des kompletten regionalen Grundwasserströmungsmodells. Das ist auf­grund spezifischer innerer und äußerer Randbedingungen der anwendungsbezogen entwickelten Grundwasserströmungsmodelle häufig nicht möglich. Deshalb soll das etablierte hydrogeochemische Modell PHREEQC mit seiner gesamten inhaltlichen Funktionalität auf ein bestehendes geohydraulisches Modell aufgesetzt werden.

Das Modell PHREEQC wurde mit dem im Lausitzer Braunkohlenrevier verbreiteten Grundwasserströmungsmodell PCGEOFIM® offline gekoppelt. Die Trennung von Grundwasserströmung und reaktivem Stofftransport vernachlässigt Rückwirkungen der geochemischen Prozesse auf die Strömung sowie die Wirkung der hydro­dynamischen Dispersion auf den Stofftransport. Beide Prozesse sind für den regionalen Stofftransport nicht relevant.

Die PHREEQC-Berechnungen erfolgen sequentiell. Bei mehreren zehntausend Modellzellen und langfristigen Prognosen über hundert Jahre führt das zu einer immensen Rechenzeit. Deshalb wurde ein Ansatz zur Parallelisierung der PHREEQC-Berechnungen in einem Computercluster entworfen.

Mit dem entwickelten reaktiven Mehrkomponenten-Stofftransportmodell erfolgte ein erster Test für ein reales Problem im Braunkohlenbergbau. Dabei stellten sich die Fragen, ob überhaupt, dann zu welchem Zeitpunkt und in welchem Ausmaß die Trinkwassergewinnung aus einer Grundwasserfassung durch den Abstrom aus einer Tagebauinnenkippe beeinträchtigt wird. Das orthogonal diskretisierte Modell besteht aus rund 100.000 Modellzellen und berücksichtigt sieben Grundwasserleiter. Der Prognosehorizont beträgt 100 Jahre. Der Modelllauf von PHREEQC wurde unter Berücksichtigung von 20 Komponenten, Gleichgewichtsprozessen für die Lösung und Fällung von vier Mineralen sowie für den Kationenaustausch durch­geführt. Er nahm unter Nutzung von 64 Prozessorkernen handelsüblicher Personal­computer etwa 60 Tage in Anspruch.



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