Grundwasserbeschaffenheit und hydrogeochemische Prozesse in rheinischen Braunkohlenabraumkippen und in deren Abstrom:
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|---|---|
| Format: | Thesis Book |
| Language: | German |
| Published: |
Bochum
Inst. für Geologie, Mineralogie und Geophysik
2008
|
| Series: | Bochumer geowissenschaftliche Arbeiten
13 |
| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Item Description: | Zsfassung in engl. Sprache. - Literaturverz. S. 129 - 133 |
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung........................................................................................................................................................1
Abstract..............................................................................................................................................................2
Abbildungsverzeichnis.......................................................................................................................................5
Tabellenverzeichnis............................................................................................................................................9
Danksagung......................................................................................................................................................12
1 Veranlassung und Zielsetzung.....................................................................................................13
2 Beschreibung des Untersuchungsraumes und der Untersuchungsobjekte..............................16
2.1 Lage und Ausdehnung der Untersuchungsstandorte und Ablauf der Untersuchung..............................17
2.2 Geologische und hydrogeologische Situation.........................................................................................20
2.2.1 Tektonische Gliederung und Entwicklungsgeschichte der Niederrheinischen Bucht....................20
2.2.2 Geologische Schichtenfolge im Bereich des Hauptuntersuchungsgebietes (Rur-Scholle)............22
2.2.3 Grundwasserstockwerksbau und Grundwasserfließrichtung.........................................................27
3 Modellvorstellung zur Genese der Grundwasserchemie in Braunkohlenabraum-
kippen und zu hydrogeochemischen Prozessen in deren Umfeld.............................................29
3.1 Genese des Kippengrundwassers durch Pyritoxidation und Folgereaktionen........................................29
3.1.1 Vorkommen und Bildungsbedingungen von Pyrit.........................................................................29
3.1.2 Mechanismen der Pyritoxidation durch Sauerstoff und Eisen(III)................................................30
3.1.3 Hydrogeochemische Folgereaktionen der durch den Braunkohlentagebau ausgelösten
Pyritoxidation................................................................................................................................32
3.2 Hydrogeochemische Reaktionen im Grundwasserabstrom (unverritztes Gebirge) der
Abraumkippen.........................................................................................................................................35
4 Untersuchungsmethoden..............................................................................................................36
4.1 Untersuchungen zur Beschaffenheit der Sedimente................................................................................36
4.1.1 Probengewinnung und -lagerung...................................................................................................36
4.1.2 Extraktionsuntersuchungen in Säulen mit synthetischem Kippengrundwasser.............................37
4.1.2.1 Aufbau und Durchführung der Säulenversuche.................................................................37
4.1.2.2 Tracerversuche...................................................................................................................39
4.1.3 Sequentielle Extraktionsuntersuchungen in Säulen.......................................................................40
4.1.3.1 Problemstellung und Anforderungen an die Extraktionsuntersuchungen..........................40
4.1.3.2 Literaturübersicht sequentieller Extraktionsverfahren zur Bestimmung ausge-
wählter Metallbindungsformen und Durchführung der Extraktionssequenzen.................41
4.1.4 Bestimmung der Bilanz-Säureneutralisationskapazität und der Silikatverwitterung in
Schüttelversuchen..........................................................................................................................44
4.1.5 Bestimmung der potenziellen Kationenaustauschkapazität...........................................................45
4.1.6 Bestimmung von Pyritschwefel- und Kohlenstoffgehalten...........................................................46
4.1.7 Bestimmung des Wasseranteils der Sedimente..............................................................................46
4.2 Wasseranalytik........................................................................................................................................46
5 Hydrogeochemie der Abraumkippen und des unverritzten Gebirges sowie Ermittlung
von Anfangsbedingungen für die 1 D-Stofftransport- und Reaktionsmodellierungen...........48
5.1 Hydrogeochemie der bestehenden Abraumkippen Zukunft/West und Inden I sowie der geplanten
Abraumkippe Inden II.............................................................................................................................48
5.1.1 Geochemie der Abraumkippen.......................................................................................................48
5.1.1.1 Geochemie der Abraumkippe Zukunft/West.....................................................................48
Inhaltsverzeichnis
5.1.1.2 Geochemie der Abraumkippe Inden 1................................................................................51
5.1.1.3 Geochemie der Abraumkippe Inden II...............................................................................53
5.1.1.4 Zusammenfassende Übersicht von versauerungsrelevanten geochemischen Eigen-
schaften der Braunkohlennebengesteine...........................................................................55
5.1.2 Beschaffenheit der Kippengrundwässer.........................................................................................55
5.1.2.1 Grundwasserchemie der Abraumkippe Zukunft/West.......................................................56
5.1.2.2 Grundwasserchemie der Abraumkippe Inden I.................................................................58
5.1.2.3 Prognose der Beschaffenheit des Kippengrundwassers sowie des geplanten Rest-
sees im Bereich des Tagebaues Inden II............................................................................59
5.1.2.4 Chemische Eigenschaften eines für das gesamte Untersuchungsgebiet
charakteristischen Kippengrundwassers............................................................................63
5.1.3 Austragsentwicklung der Braunkohlenabraumkippe durch Uferfiltrat des Blausteinsees.............69
5.2 Hydrogeochemie von Nebengesteinshorizonten im Abstrom der Abraumkippen..................................76
5.2.1 Mittlere Geochemie des Horizontes 8 im Abstrom der Abraumkippen.........................................77
5.2.2 Beschaffenheit des durch Pyritoxidation unbeeinflussten Grundwassers des Horizontes 8..........78
5.3 Bedeutung der silikatischen pH-Pufferkapazität bei der Kippengrundwassergenese auf Basis
von Schüttelversuchen............................................................................................................................80
5.3.1 Nachweis sauerstofffreier Verhältnisse während der Durchführung der Schüttelversuche...........81
5.3.2 Bilanz-Säureneutralisationskapazitäten der untersuchten Abraumsedimente................................82
5.3.3 Ermittlung der unter Tagebaubedingungen reaktiven Silikatgehalte.............................................82
5.3.3.1 Schwefelsäuretitration von Abraumproben bis pH = 2......................................................82
5.3.3.2 Bilanzierung der reaktiven Silikatgehalte..........................................................................84
5.4 Bindungsformen des anorganischen Kohlenstoffes der Abraumsedimente auf Basis von
sequentiellen Extraktionsuntersuchungen in Säulen...............................................................................88
5.4.1 Methodik der Auswertung.............................................................................................................89
5.4.2 Calcit-Siderit-Verhältnis und anorganischer Kohlenstoffgehalt der Abraumsedimente................91
6 Prognose der hydrogeochemischen Entwicklung im Abstrom der Abraumkippen
Inden und Zukunft/West bei Infiltration von Kippengrundwasser.........................................94
6.1 Identifikation der bei den Simulationsrechnungen zum Kippenwasseraustrag zu berück-
sichtigenden Mineralphasen mit Hilfe von Säulenversuchen.................................................................94
6.2 3D-Transportmodellierungen zum Austrag eines konservativen Stoffes aus den Abraumkippen mit
dem Modell Rur-Scholle der bergbautreibenden Gesellschaft..............................................................100
6.2.1 Vorgehensweise bei der Berechnung des physikalischen Stofftransportes................................. 101
6.2.2 Ermittlung der Hauptabstromgebiete und der relevanten Grundwasserleiter............................. 102
6.2.3 Prognose der konservativen Sulfatausbreitung im Bereich der Hauptabstromgebiete................105
6.3 1 D-Stofftransport- und Reaktionsmodellierungen zur räumlich-zeitlichen Ausbreitung von
Pyritoxidationsprodukten im Abstrom der Abraumkippen..................................................................108
6.3.1 Vorgehensweise bei der Berechnung des reaktiven Stofftransportes......................................... 108
6.3.2 Prognose der Kippengrundwasserausbreitung entlang ausgewählter Stromlinien...................... 111
6.3.3 Zusammenfassende Übersicht der Modellergebnisse................................................................. 118
7 Zusammenfassung.......................................................................................................................120
8 Literaturverzeichnis....................................................................................................................129
Anlagen
Verzeichnis der Abbildungen
Verzeichnis der Abbildungen
Abb. 2.1: Lage des Untersuchungsgebietes (mit Rahmen im rechten Bild) im rheinischen Braun-
kohlenrevier westlich von Köln (verändert nach BOEHM VON SCHWARZENBERG 2000).......16
Abb. 2.2: Lage der drei Untersuchungsstandorte Zukunft/West, Inden I und Inden II sowie des ge-
planten Tagebaurestsees Inden II und der Profillinien zur Konstruktion geologischer
Querprofile (nächste Seite)..........................................................................................................18
Abb. 2.3: Tektonische Übersicht der Niederrheinischen Bucht und Lage des Untersuchungsgebietes
im Bereich der südlichen Rur-Scholle (verändert nach Abraham 1994)...................................20
Abb. 2.4: Geologisches Nordwest-Südost-Profil durch den ehemaligen Tagebau Zukunft/West mit
Lage des im Rahmen von Rekultivierungsmaßnahmen angelegten Blausteinsees. Die La-
ge der Profillinie ist Abbildung 2.2 zu entnehmen......................................................................23
Abb. 2.5: Geologisches Nordost-Südwest-Profil durch den Tagebau Inden I mit Lage der Endbö-
schungen für die Jahre 2005 (räumlicher Teilabschnitt I) und 2012 (räumlicher Teilab-
schnitt II). Die Lage der Profillinie ist Abbildung 2.2 zu entnehmen..........................................24
Abb. 2.6: Geologisches Nordost-Südwest-Profil durch den Tagebau Inden II mit Lage der Endbö-
schungen für das Jahr 2024 sowie des geplanten Seebodens. Die Lage der Profillinie ist
Abbildung 2.2 zu entnehmen.......................................................................................................25
Abb. 3.1: Schematischer Profilschnitt mit den Stadien der Braunkohlengewinnung und der im Ta-
gebau Inden I/II typischen Horizontabfolge im Bereich der Abbauseite (Bezeichnung der
Schichten in Anlehnung an Schneider Thiele 1965)...........................................................30
Abb. 4.1: Gewinnung (links) und Begasung (rechts) nicht oxidierter Abraumsedimente im Bereich
der Abbauseite des Tagebaues Inden...........................................................................................36
Abb. 4.2: Schematischer Aufbau der Säulenversuche (verändert nach CREMER 2002)..............................38
Abb. 4.3: Untersuchte operationeil definierte Bindungsformen und die zu ihrer Erhebung einge-
setzte Extraktionssequenz (verändert nach LENK 2001)..............................................................43
Abb. 5.1: Hydrochemische Situation im Bereich der Abraumkippe Zukunft/West und dessen über-
wiegend noch unbeeinflussten Abstrom (Bezeichnung der Schichten in Anlehnung an
Schneider Thiele 1965).......................................................................................................49
Abb. 5.2: Lage der Bohransatzpunkte und der Thiessen-Polygone zur Berechnung der mittleren
Geochemie im Bereich des Braunkohlentagebaues Inden II.......................................................53
Abb. 5.3: Schematisches Profil der im Tagebau Inden II zukünftig aufzufahrenden Braunkohlen-
deckschichten und deren mittlere anorganische Kohlenstoff- und Pyritschwefelgehalte............54
Abb. 5.4: Mittlere chemische Beschaffenheit eines für das gesamte Untersuchungsgebiet charakteri-
stischen Kippengrundwassers als Kreisdiagramm (Angaben in mmol(eq) %)............................64
Abb. 5.5: Berechnete Sättigungsindizes der Mineralphase Calcit von Grundwasserproben der Ab-
raumkippen Zukunft/West und Inden I in Abhängigkeit vom pH-Wert (n = 44; 10
Grundwassermessstellen).............................................................................................................65
Abb. 5.6: Eisengesamtkonzentrationen von Grundwasserproben der Abraumkippen Zukunft/West
und Inden I in Abhängigkeit vom pH-Wert (n = 91; 14 Grundwassermessstellen).....................66
Abb. 5.7: Konzentrationsverhältnisse von Eisen und Sulfat in Grundwasserproben der Abraumkip-
pen Zukunft/West und Inden I (n = 91; 14 Grundwassermessstellen).........................................67
Abb. 5.8: Berechnete Sättigungsindizes der Mineralphase Siderit von Grundwasserproben der Ab-
raumkippen Zukunft/West und Inden I in Abhängigkeit vom pH-Wert (n = 44; 10
Grundwassermessstellen).............................................................................................................67
Abb. 5.9: Gemessene Sulfatkonzentrationen von Grundwasserproben der Abraumkippen Zu-
kunft/West und Inden I in Abhängigkeit vom pH-Wert (n = 91; 14 Grundwassermess-
stellen)..........................................................................................................................................68
Verzeichnis der Abbildungen
Abb. 5.10: Berechnete Särtigungsindizes der sekundären Mineralphase Gips von Grundwasserproben
der Abraumkippen Zukunft/West und Inden I in Abhängigkeit vom pH-Wert (n = 44; 10
Grundwassermessstellen).............................................................................................................68
Abb. 5.11: Grundwassergleichenplan für die Abraumkippe Zukunft/West (Situation Mitte des Jahres
2006)............................................................................................................................................70
Abb. 5.12: Geologisches Südsüdwest-Nordnordost-Profil durch die Abraumkippe Zukunft/West mit
Lage des Blausteinsees und der Grundwassermessstelle 868211. Daneben ist schematisch
die Lage einer Einheitsstromröhre mit Angaben der hydraulischen Rahmenbedingungen
dargestellt, die den Fließweg von Uferfiltrat des Blausteinsees zur Grundwassermessstelle
868211 schematisch nachzeichnet...............................................................................................71
Abb. 5.13: Entwicklung der Wasserspiegelhöhe des Blausteinsees sowie der Standrohrspiegelhöhe
der Grundwassermessstelle 868211 und damit verbundene Entwicklung des Standrohr-
spiegelhöhenunterschiedes und der Grundwasserabstandsgeschwindigkeit für den Zeit-
raum 1994 bis 2004.....................................................................................................................72
Abb. 5.14: Verlauf der elektrischen Leitfähigkeit und des pH-Wertes im Grundwasser der durch
Uferfiltrat des Blausteinsees beeinflussten Grundwassermessstelle 868211...............................73
Abb. 5.15: Verlauf der Sulfat- und Eisenkonzentration im Grundwasser der durch Uferfiltrat des
Blausteinsees beeinflussten Grundwassermessstelle 868211......................................................73
Abb. 5.16: Verlauf von Sättigungsindizes der sekundären Mineralphase Gips im Grundwasser der
durch Uferfiltrat des Blausteinsees beeinflussten Grundwassermessstelle 868211.....................74
Abb. 5.17: Verlauf der molaren Sulfat- und Chloridkonzentration im Grundwasser der durch Ufer-
filtrat des Blausteinsees beeinflussten Grundwassermessstelle 868211......................................75
Abb. 5.18: Vergleich des gemessenen und des mit PHREEQC modellierten Konzentrationsverlaufes
von Sulfat bei der Elution von Kippensedimenten durch gering mineralisiertes Uferfiltrat
des Blausteinsees.........................................................................................................................75
Abb. 5.19: Verlauf der (extrapolierten) Sulfatkonzentration im Grundwasser der durch Uferfiltrat des
Blausteinsees beeinflussten Grundwassermessstelle 868211 sowie aus der Einheitsstrom-
röhre (vgl. Abb. 5.19) ausgetragene, relative Sulfatfracht in Abhängigkeit vom ausge-
tauschten Porenvolumen..............................................................................................................76
Abb. 5.20: Mediane der Sulfatkonzentrationen von im Horizont 8 verfilterten Grundwassermessstel-
len sowie Lage des 84,1. Perzentil (entspricht der festgelegten Grenze zwischen vom Ta-
gebau beeinflussten Konzentrationen und dem geogenen „Normalbereich ).............................79
Abb. 5.21: Entwicklung des pH-Wertes während ausgewählter Schüttelversuche ohne Säurezugabe
(Referenzversuche)......................................................................................................................81
Abb. 5.22: Tiefenverteilung der im Tagebau Garzweiler ermittelten Bilanz-Säureneutralisations-
kapazitäten (pH = 7; nach WlSOTZKY LENK (2007a)).............................................................82
Abb. 5.23: Entwicklung des pH-Wertes während ausgewählter Schüttelversuche in Abhängigkeit der
Säurezugabe und der Versuchsdauer in logarithmischer Darstellung..........................................83
Abb. 5.24: Entwicklung des pH-Wertes während eines Schüttelversuches mit Saarfeldspat in Abhän-
gigkeit der Säurezugabe und der Versuchsdauer in logarithmischer Darstellung.......................84
Abb. 5.25: Berechnete Sättigungsindizes der Mineralphasen amorphes SiO2und Quarz in den Elua-
ten der durchgeführten Schüttelversuche (Pfeile verbinden Referenz- und Realproben)............85
Abb. 5.26: Siliziumkonzentrationen in den Eluaten der Schüttelversuche....................................................86
Abb. 5.27: In Schüttelversuchen durch verdünnte Schwefelsäure (pH = 2) umgesetzte Mengen an
Silikatphasen ausgedrückt als SiO2..............................................................................................86
Abb. 5.28: Tiefenverteilung der im Tagebau Garzweiler mit Hilfe von Schüttelversuchen ermittelten
silikatischen Säureneutralisationskapazität bei pH = 2................................................................88
Verzeichnis der Abbildungen
Abb. 5.29: Verlauf der elektrischen Leitfähigkeit im Extrakt des Säulenversuches S-l (Frimmersdor-
fer Sand); die senkrechten Hilfslinien dienen einer Abgrenzung der einzelnen Bindungs-
formfraktionen auf Basis der elektrischen Leitfähigkeit..............................................................90
Abb. 5.30: Verlauf des pH-Wertes (links) und der Calciumkonzentration (rechts) im Extrakt des
Säulenversuches S-l (Frimmersdorfer Sand) während der ersten drei Sequenzschritte..............90
Abb. 5.31: Verlauf der Calcium-, Magnesium- und Eisenkonzentrationen in den Extrakten der Säu-
lenversuche S-l (Frimmersdorfer Sand), S-2 (Neurather Sand) und S-3 (Hauptkies-Serie)
währenddes Karbonat-Schrittes der sequentiellen Extraktion....................................................91
Abb. 6.1: Konzentrationsdurchgangskurve des Chloridtracers während des Säulenversuches „U 3
(nicht oxidierter Abraum Hz. 8) zur Bestimmung der hydraulischen Kennwerte.......................95
Abb. 6.2: Modellierung des Chloriddurchgangs für den Säulenversuch U3 im Vergleich zu gemes-
senen Konzentrationswerten. Zusätzlich sind in der Abbildung die mit dem Tracerversuch
bestimmten hydraulischen Parameter dargestellt.........................................................................96
Abb. 6.3a: Vergleich der gemessenen und der mit PHREEQC modellierten Konzentrationsverläufe
von Sulfat und Eisen (1. Modell-Entwicklungsstufe; Säulenversuch U3)...................................97
Abb. 6.3b: Vergleich des gemessenen und des mit PHREEQC modellierten Calciumkonzentrations-
verlaufes sowie des pH-Wertes (1. Modell-Entwicklungsstufe; Säulenversuch U3)..................97
Abb. 6.4a: Vergleich der gemessenen und der mit PHREEQC modellierten Konzentrationsverläufe
von Sulfat und Eisen (2. Modell-Entwicklungsstufe; Säulenversuch U3)...................................98
Abb. 6.4b: Vergleich des gemessenen und des mit PHREEQC modellierten Calciumkonzentrations-
verlaufes sowie des pH-Wertes (2. Modell-Entwicklungsstufe; Säulenversuch U3)..................98
Abb. 6.5a: Vergleich der gemessenen und der mit PHREEQC modellierten Konzentrationsverläufe
von Sulfat und Eisen (3. Modell-Entwicklungsstufe; Säulenversuch U3)...................................98
Abb. 6.5b: Vergleich des gemessenen und des mit PHREEQC modellierten Calciumkonzentrations-
verlaufes sowie des pH-Wertes (3. Modell-Entwicklungsstufe; Säulenversuch U3)..................98
Abb. 6.6a: Vergleich der gemessenen und der mit PHREEQC modellierten Konzentrationsverläufe
von Sulfat und Eisen (4. Modell-Entwicklungsstufe; Säulenversuch U3).................................100
Abb. 6.6b: Vergleich des gemessenen und des mit PHREEQC modellierten Calciumkonzentrations-
verlaufes sowie des pH-Wertes (4. Modell-Entwicklungsstufe; Säulenversuch U3)................100
Abb. 6.6c: Vergleich des gemessenen und des mit PHREEQC modellierten CO2-
Konzentrationsverlaufes (4. Modell-Entwicklungsstufe; Säulenversuch U3)...........................100
Abb. 6.7: Sulfatinhalte der Abraumkippen Zukunft/West und Inden im Modell Rur-Scholle der
RWE Power AG als Grundlage der konservativen Stofftransportmodellierung (Wander-
punktverfahren)..........................................................................................................................101
Abb. 6.8: Mit dem 3D-Modell Rur-Scholle der RWE Power AG simulierte, nicht-reaktive Sul-
fatausbreitung im Horizont 8 (SCHNEIDER THIELE 1965) für das Jahr 2200 sowie Ver-
lauf der Schnittspuren entlang derer die 1 D-Stofftransport- und Reaktionsmodellierungen
erfolgten.....................................................................................................................................103
Abb. 6.9: Mit dem 3D-Modell Rur-Scholle der RWE Power AG simulierte, nicht-reaktive Sul-
fatausbreitung im Horizont 8 (SCHNEIDER THIELE 1965) für das Jahr 2300 sowie Ver-
lauf der Schnittspuren entlang derer die 1 D-Stofftransport- und Reaktionsmodellierungen
erfolgten.....................................................................................................................................104
Abb. 6.10: Mit dem 3D-Modell Rur-Scholle der RWE Power AG simulierte, nicht-reaktive Sul-
fatausbreitung in den einzelnen Grundwasserleitern für die Jahre 2200 und 2300 entlang
der Schnittspur T 2.....................................................................................................................105
Abb. 6.11: Mit dem 3D-Modell Rur-Scholle der RWE Power AG simulierte Sulfatkonzentration
entlang der Schnittspur T 2 im Jahre 2200................................................................................106
Abb. 6.12: Mit dem 3D-Modell Rur-Scholle der RWE Power AG simulierte Sulfatkonzentration
entlang der Schnittspur T 2 im Jahre 2300................................................................................107
Verzeichnis der Abbildungen
Abb. 6.13: Mit dem 3D-Modell Rur-Scholle der RWE Power AG simulierte Sulfatkonzentration
entlang der Schnittspur T 3 im Jahre 2200................................................................................107
Abb. 6.14: Mit dem 3D-Modell Rur-Scholle der RWE Power AG simulierte Sulfatkonzentration
entlang der Schnittspur T 3 im Jahre 2300................................................................................108
Abb. 6.15: Schematische Darstellung der eindimensionalen Stromröhren zur Simulation der reakti-
ven Stoffausbreitung im Grundwasserabstrom des Untersuchungsgebietes..............................109
Abb. 6.16: Anpassung des 1 D-Reaktionsmodells an das hydraulische 3D-Modell anhand der Aus-
tragsfunktion des Sulfates sowie modellierter Eisenaustrag für die Schnittspur T 2 nörd-
lich des Tagebaues Inden I im Jahre 2300 (die Lage der Schnittspur T 2 ist Abb. 6.8 zu
entnehmen)................................................................................................................................112
Abb. 6.17: Modellierte Entwicklungen des pH-Wertes sowie der Calcium- und CO2-
Gesamtkonzentrationen für die Schnittspur T 2 nördlich des Tagebaues Inden I im Jahre
2300 (die Lage der Schnittspur T 2 ist Abb. 6.8 zu entnehmen)...............................................113
Abb. 6.18a: Modellierte Entwicklung des sedimentären Calcitgehaltes im Bereich der Schnittspur T 2
nördlich des Tagebaues Inden I im Jahre 2300 (Karbonatgehalt mit 50 % Calcit u. 50 %
Siderit; die Lage der Schnittspur T 2 ist Abb. 6.8 zu entnehmen).............................................114
Abb. 6.18b: Modellierte Entwicklung des sedimentären Sideritgehaltes im Bereich der Schnittspur T 2
nördlich des Tagebaues Inden I im Jahre 2300 (Karbonatgehalt mit 50 % Calcit u. 50 %
Siderit; die Lage der Schnittspur T 2 ist Abb. 6.8 zu entnehmen).............................................114
Abb. 6.19a: Modellierte Entwicklung des sedimentären Calcitgehaltes im Bereich der Schnittspur T 2
nördlich des Tagebaues Inden I im Jahre 2300 (Karbonatgehalt mit 95 % Calcit u. 5 %
Siderit; die Lage der Schnittspur T 2 ist Abb. 6.8 zu entnehmen).............................................115
Abb. 6.19b: Modellierte Entwicklung des sedimentären Sideritgehaltes im Bereich der Schnittspur T 2
nördlich des Tagebaues Inden I im Jahre 2300 (Karbonatgehalt mit 95 % Calcit u. 5 %
Siderit; die Lage der Schnittspur T 2 ist Abb. 6.8 zu entnehmen).............................................115
Abb. 6.20: Anpassung des 1 D-Reaktionsmodells an das hydraulische 3D-Modell anhand der Aus-
tragsfunktion des Sulfates sowie modellierter Eisenaustrag für die Schnittspur T 3 nörd-
lich des Tagebaues Inden II im Jahre 2300 (die Lage der Schnittspur T 3 ist Abb. 6.8 zu
entnehmen)................................................................................................................................116
Abb. 6.21: Modellierte Entwicklungen des pH-Wertes sowie der Calcium- und CO2-
Gesamtkonzentrationen für die Schnittspur T 3 nördlich des Tagebaues Inden II im Jahre
2300 (die Lage der Schnittspur T 3 ist Abb. 6.9 zu entnehmen)...............................................117
Abb. 6.22a: Modellierte Entwicklung des sedimentären Calcitgehaltes im Bereich der Schnittspur T 3
nördlich des Tagebaues Inden II im Jahre 2300 (Karbonatgehalt mit 50 % Calcit u. 50 %
Siderit; die Lage der Schnittspur T 3 ist Abb. 6.8 zu entnehmen).............................................117
Abb. 6.22b: Modellierte Entwicklung des sedimentären Sideritgehaltes im Bereich der Schnittspur
T 3 nördlich des Tagebaues Inden II im Jahre 2300 (Karbonatgehalt mit 50 % Calcit u. 50
% Siderit; die Lage der Schnittspur T 3 ist Abb. 6.8 zu entnehmen).........................................117
Verzeichnis der Tabellen
Verzeichnis der Tabellen
Tab. 2.1: Zusammenfassende Darstellung des Ablaufs der Untersuchung und der wesentlichen
Untersuchungsobjekte..................................................................................................................19
Tab. 2.2: Schematische Zusammenstellung der an den Untersuchungsstandorten verbreiteten
Schichten sowie deren Kennzeichnung als Grundwasserleiter bzw. Grundwassernichtlei-
ter.................................................................................................................................................27
Tab. 4.1: Lage der Entnahmeorte nicht oxidierter Bodenproben aus dem unverritzten Gebirge (Ho-
rizonte 6B, 6D, 8 und 9B) sowie vor-Ort gemessene Boden-pH-Werte und elektrische
Boden-Leitfähigkeiten (Bezeichnung der Schichten in Anlehnung an SCHNEIDER
Thiele 1965; n.b. = nicht bestimmt)...........................................................................................37
Tab. 4.2: Zusammensetzung des synthetisch hergestellten Kippengrundwassers (Infiltrationswasser
der U-Säulen) im Vergleich zum mittleren Kippengrundwasser der Abraumkippen Zu-
kunft/West und Inden I (s. auch Tab. 5.14).................................................................................39
Tab. 4.3: Maße der Versuchssäulen („U-Säulen mit synthetischem Kippengrundwasser) und Se-
dimentkennwerte (Hz. = Horizont; Bezeichnung der Schichten in Anlehnung an
Schneider Thiele 1965)........................................................................................................39
Tab. 4.4: Etablierte Extraktionsreagenzien zur Bestimmung ausgewählter Bindungsformfraktionen.
Die hervorgehobenen Lösemittel wurden in den Säulenversuchen eingesetzt (WlSOTZKY
Lenk 2007a)............................................................................................................................42
Tab. 4.5: Maße der Versuchssäulen („S-Säulen mit Durchführung einer Extraktionssequenz) und
Sedimentkennwerte (Hz. = Horizont; Bezeichnung der Schichten in Anlehnung an
Schneider Thiele 1965)........................................................................................................43
Tab. 4.6: Eingesetzte Mess- und Analyseverfahren der physikalisch-chemischen und hydrochemi-
schen Parameter sowie deren Nachweisgrenzen (NWG).............................................................47
Tab. 5.1: Mineral- und Gasphasen sowie Kationenaustauscher des inversen hydrogeochemischen
Modells (X = negativ geladener Austauscher, s = solid, g = gaseous) zur Bestimmung der
Gehalte reaktiver Mineralphasen in Zukunft/West......................................................................49
Tab. 5.2: Gemessene (Minima, Maxima) und mit PHREEQC berechnete (Mittelwerte) Zusammen-
setzung des Grundwassers der Abraumkippe Zukunft/West sowie des Mischgrundwassers
der Horizonte 8, 7A und 6D als Grundlage der inversen hydrogeochemischen Modellie-
rung [Angaben in mg/1]................................................................................................................50
Tab. 5.3: Invers modellierte Stoffumsätze bei der Bildung des heutigen Grundwassers der Braun-
kohlenabraumkippe Zukunft/West (StV = Standardvolumen mit 4.145 g Feststoff u. II
Grundwasser)...............................................................................................................................51
Tab. 5.4: Mittlere Sedimentchemie (volumengewichtet) der im Bereich des Tagebaues Inden I ver-
kippten, nicht-bindigen Nebengesteine für den Zeitraum 1992 bis 2010 (Bezeichnung der
Schichten in Anlehnung an SCHNEIDER THIELE 1965; * Daten aus OBERMANN ET AI..
1993)............................................................................................................................................52
Tab. 5.5: Invers modellierte Stoffumsätze bei der Bildung des heutigen Grundwassers der Braun-
kohlenabraumkippe Inden I (StV = Standardvolumen mit 4.145 g Feststoff u. 11 Grund-
wasser) .........................................................................................................................................52
Tab. 5.6: Mittlere Sedimentchemie (volumengewichtet) und Mächtigkeiten der Nebengesteine des
Tagebaues Inden II (kippenrelevanter Abraum = Horizonte 16/14, 10, 11, 9A-9C, 8, 7;
Bezeichnung der Schichten in Anlehnung an Schneider Thiele 1965)...............................54
Tab. 5.7: Zusammenfassende Übersicht der Pyritschwefel- und CanOrg-Gehalte von nicht bindigen
Braunkohlennebengesteinen der Abraumkippen Zukunft/West, Inden I und Inden II sowie
Vergleich mit den Untersuchungsergebnissen von Obermann et al. (1993)...........................55
Verzeichnis der Tabellen_________________________________________________________________10_
Tab. 5.8: Deskriptive Statistik (n = 40) der im Grundwasser der Abraumkippe Zukunft/West ge-
messenen physikalisch-chemischen Parameter, Sl-Werte ausgewählter Mineralphasen
und Vergleich mit Untersuchungsbefunden von OBERMANN ET AL. (1998)...............................57
Tab. 5.9: Deskriptive Statistik (n = 51) der im Grundwasser der Abraumkippe Inden I gemessenen
physikalisch-chemischen Parameter, SI-Werte ausgewählter Mineralphasen und Ver-
gleich mit Untersuchungsbefunden von Obermann etal. (1993)............................................58
Tab. 5.10: Anfangsbedingungen der hydrogeochemischen Vorwärtsmodelle zur Bestimmung der im
Tagebau Inden II zu erwartenden Beschaffenheit des Kippengrundwassers (Bezeichnung
der Schichten in Anlehnung an Schneider Thiele 1965).....................................................60
Tab. 5.11: Beschaffenheit des in die Abraumkippe Inden II aus dem unverritzten Gebirge einströ-
menden Grundwassers und Prognose der mittleren Kippengrundwasserqualität (Hz. = Ho-
rizont)...........................................................................................................................................61
Tab. 5.12: Modellierte Kippengrundwasserchemie für die Abraumkippe Inden I auf Grundlage der
Sedimentchemie und unterschiedlichen Gehalten anorganischen Kohlenstoffes sowie
Vergleich mit realen Messwerten................................................................................................62
Tab. 5.13: Modellierte hydrochemische Entwicklung des Kippengrundwassers beim Übertritt in den
Restsee Inden II...........................................................................................................................63
Tab. 5.14: Mittlere chemische Beschaffenheit eines für das gesamte Untersuchungsgebiet charakteri-
stischen Kippengrundwassers sowie SI-Werte ausgewählter Mineralphasen (Grundlage
für die reaktive 1 D-Transportmodellierung)................................................................................64
Tab. 5.15: Ausgewählte physikalisch-chemische Parameter des für die Befüllung des Blausteinsees
verwendeten Sümpfungswassers (Mittelwerte 01/1995-04/2005)............................................71
Tab. 5.16: Mittlere Geochemie des Hz. 8 im Abstrom der Kippen, die in das Stofftransport- und Re-
aktionsmodell eingegeben wurde.................................................................................................77
Tab. 5.17: Mittlere Beschaffenheit des von Pyritoxidation unbeeinflussten Grundwassers des Hori-
zontes 8 für den Zeitraum 1999-2004..........................................................................................80
Tab. 5.18: Chemische und mineralogische Zusammensetzung des in Schüttelversuchen eingesetzten
Kalifeldspates (Produkt der Saarfeldspatwerke Huppert, nördliches Saarland)..........................84
Tab. 5.19: Extrahierte Calcium-, Magnesium- und Eisenfrachten während der Karbonat-Schritte der
Säulenversuche (sequentielle Extraktion)....................................................................................92
Tab. 5.20: Während der sequentiellen Extraktion gelöste Mengen karbonatischer Mineralphasen und
daraus berechnete Gehalte anorganischen Kohlenstoffes der in die Säulen eingebauten
Abraumsedimente........................................................................................................................92
Tab. 6.1: Geometrische, hydraulische und geochemische Kennwerte der eindimensionalen Strom-
röhren zur Simulation der reaktiven Stoffausbreitung im Grundwasserabstrom des Unter-
suchungsgebietes (die Karbonatgehalte beziehen sich auf einen Calcitanteil von 50 bzw.
95 % am Gesamtgehalt anorganischen Kohlenstoffes)..............................................................110
Tab. 6.2: Charakteristische Spannweiten der modellierten Konzentrationen wichtiger Wasserin-
haltsstoffe im Einflussbereich CSu|fal 250 mg/1 sowie Längen der durch das einströmen-
de Kippengrundwasser entkalkten Zonen im Abstrom der Abraumkippen für das Jahr
2300 (Modellrechnungen mit einem Calcit-Siderit-Verhältnis von 50 : 50).............................119
Tab. 7.1: Zusammenfassende Übersicht der Pyritschwefel- und Canorg-Gehalte von nicht bindigen
Braunkohlennebengesteinen der Abraumkippen Zukunft/West, Inden I und Inden II sowie
Vergleich mit den Untersuchungsergebnissen von OBERMANN ET AL. (1993).........................121
Tab. 7.2: Mittlere chemische Beschaffenheit eines für das gesamte Untersuchungsgebiet charakteri-
stischen Kippengrundwassers sowie SI-Werte ausgewählter Mineralphasen (Grundlage
für die reaktive 1 D-Transportmodellierung)..............................................................................123
Tab. 7.3: Mittlere Geochemie des Hz. 8 im Abstrom der Kippen, die in das Stofftransport- und Re-
Verzeichnis der Tabellen 11
Tab. 7.4: Charakteristische Spannweiten der modellierten Konzentrationen wichtiger Wasserin-
haltsstoffe im Einflussbereich Csuifat 250 mg/1 sowie Längen der durch das einströmen-
de Kippengrundwasser entkalkten Zonen im Abstrom der Abraumkippen für das Jahr
2300 (Modellrechnungen mit einem Calcit-Siderit-Verhältnis von 50 : 50).............................126
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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung.1
Abstract.2
Abbildungsverzeichnis.5
Tabellenverzeichnis.9
Danksagung.12
1 Veranlassung und Zielsetzung.13
2 Beschreibung des Untersuchungsraumes und der Untersuchungsobjekte.16
2.1 Lage und Ausdehnung der Untersuchungsstandorte und Ablauf der Untersuchung.17
2.2 Geologische und hydrogeologische Situation.20
2.2.1 Tektonische Gliederung und Entwicklungsgeschichte der Niederrheinischen Bucht.20
2.2.2 Geologische Schichtenfolge im Bereich des Hauptuntersuchungsgebietes (Rur-Scholle).22
2.2.3 Grundwasserstockwerksbau und Grundwasserfließrichtung.27
3 Modellvorstellung zur Genese der Grundwasserchemie in Braunkohlenabraum-
kippen und zu hydrogeochemischen Prozessen in deren Umfeld.29
3.1 Genese des Kippengrundwassers durch Pyritoxidation und Folgereaktionen.29
3.1.1 Vorkommen und Bildungsbedingungen von Pyrit.29
3.1.2 Mechanismen der Pyritoxidation durch Sauerstoff und Eisen(III).30
3.1.3 Hydrogeochemische Folgereaktionen der durch den Braunkohlentagebau ausgelösten
Pyritoxidation.32
3.2 Hydrogeochemische Reaktionen im Grundwasserabstrom (unverritztes Gebirge) der
Abraumkippen.35
4 Untersuchungsmethoden.36
4.1 Untersuchungen zur Beschaffenheit der Sedimente.36
4.1.1 Probengewinnung und -lagerung.36
4.1.2 Extraktionsuntersuchungen in Säulen mit synthetischem Kippengrundwasser.37
4.1.2.1 Aufbau und Durchführung der Säulenversuche.37
4.1.2.2 Tracerversuche.39
4.1.3 Sequentielle Extraktionsuntersuchungen in Säulen.40
4.1.3.1 Problemstellung und Anforderungen an die Extraktionsuntersuchungen.40
4.1.3.2 Literaturübersicht sequentieller Extraktionsverfahren zur Bestimmung ausge-
wählter Metallbindungsformen und Durchführung der Extraktionssequenzen.41
4.1.4 Bestimmung der Bilanz-Säureneutralisationskapazität und der Silikatverwitterung in
Schüttelversuchen.44
4.1.5 Bestimmung der potenziellen Kationenaustauschkapazität.45
4.1.6 Bestimmung von Pyritschwefel- und Kohlenstoffgehalten.46
4.1.7 Bestimmung des Wasseranteils der Sedimente.46
4.2 Wasseranalytik.46
5 Hydrogeochemie der Abraumkippen und des unverritzten Gebirges sowie Ermittlung
von Anfangsbedingungen für die 1 D-Stofftransport- und Reaktionsmodellierungen.48
5.1 Hydrogeochemie der bestehenden Abraumkippen Zukunft/West und Inden I sowie der geplanten
Abraumkippe Inden II.48
5.1.1 Geochemie der Abraumkippen.48
5.1.1.1 Geochemie der Abraumkippe Zukunft/West.48
Inhaltsverzeichnis
5.1.1.2 Geochemie der Abraumkippe Inden 1.51
5.1.1.3 Geochemie der Abraumkippe Inden II.53
5.1.1.4 Zusammenfassende Übersicht von versauerungsrelevanten geochemischen Eigen-
schaften der Braunkohlennebengesteine.55
5.1.2 Beschaffenheit der Kippengrundwässer.55
5.1.2.1 Grundwasserchemie der Abraumkippe Zukunft/West.56
5.1.2.2 Grundwasserchemie der Abraumkippe Inden I.58
5.1.2.3 Prognose der Beschaffenheit des Kippengrundwassers sowie des geplanten Rest-
sees im Bereich des Tagebaues Inden II.59
5.1.2.4 Chemische Eigenschaften eines für das gesamte Untersuchungsgebiet
charakteristischen Kippengrundwassers.63
5.1.3 Austragsentwicklung der Braunkohlenabraumkippe durch Uferfiltrat des Blausteinsees.69
5.2 Hydrogeochemie von Nebengesteinshorizonten im Abstrom der Abraumkippen.76
5.2.1 Mittlere Geochemie des Horizontes 8 im Abstrom der Abraumkippen.77
5.2.2 Beschaffenheit des durch Pyritoxidation unbeeinflussten Grundwassers des Horizontes 8.78
5.3 Bedeutung der silikatischen pH-Pufferkapazität bei der Kippengrundwassergenese auf Basis
von Schüttelversuchen.80
5.3.1 Nachweis sauerstofffreier Verhältnisse während der Durchführung der Schüttelversuche.81
5.3.2 Bilanz-Säureneutralisationskapazitäten der untersuchten Abraumsedimente.82
5.3.3 Ermittlung der unter Tagebaubedingungen reaktiven Silikatgehalte.82
5.3.3.1 Schwefelsäuretitration von Abraumproben bis pH = 2.82
5.3.3.2 Bilanzierung der reaktiven Silikatgehalte.84
5.4 Bindungsformen des anorganischen Kohlenstoffes der Abraumsedimente auf Basis von
sequentiellen Extraktionsuntersuchungen in Säulen.88
5.4.1 Methodik der Auswertung.89
5.4.2 Calcit-Siderit-Verhältnis und anorganischer Kohlenstoffgehalt der Abraumsedimente.91
6 Prognose der hydrogeochemischen Entwicklung im Abstrom der Abraumkippen
Inden und Zukunft/West bei Infiltration von Kippengrundwasser.94
6.1 Identifikation der bei den Simulationsrechnungen zum Kippenwasseraustrag zu berück-
sichtigenden Mineralphasen mit Hilfe von Säulenversuchen.94
6.2 3D-Transportmodellierungen zum Austrag eines konservativen Stoffes aus den Abraumkippen mit
dem Modell Rur-Scholle der bergbautreibenden Gesellschaft.100
6.2.1 Vorgehensweise bei der Berechnung des physikalischen Stofftransportes. 101
6.2.2 Ermittlung der Hauptabstromgebiete und der relevanten Grundwasserleiter. 102
6.2.3 Prognose der konservativen Sulfatausbreitung im Bereich der Hauptabstromgebiete.105
6.3 1 D-Stofftransport- und Reaktionsmodellierungen zur räumlich-zeitlichen Ausbreitung von
Pyritoxidationsprodukten im Abstrom der Abraumkippen.108
6.3.1 Vorgehensweise bei der Berechnung des reaktiven Stofftransportes. 108
6.3.2 Prognose der Kippengrundwasserausbreitung entlang ausgewählter Stromlinien. 111
6.3.3 Zusammenfassende Übersicht der Modellergebnisse. 118
7 Zusammenfassung.120
8 Literaturverzeichnis.129
Anlagen
Verzeichnis der Abbildungen
Verzeichnis der Abbildungen
Abb. 2.1: Lage des Untersuchungsgebietes (mit Rahmen im rechten Bild) im rheinischen Braun-
kohlenrevier westlich von Köln (verändert nach BOEHM VON SCHWARZENBERG 2000).16
Abb. 2.2: Lage der drei Untersuchungsstandorte Zukunft/West, Inden I und Inden II sowie des ge-
planten Tagebaurestsees Inden II und der Profillinien zur Konstruktion geologischer
Querprofile (nächste Seite).18
Abb. 2.3: Tektonische Übersicht der Niederrheinischen Bucht und Lage des Untersuchungsgebietes
im Bereich der südlichen Rur-Scholle (verändert nach Abraham 1994).20
Abb. 2.4: Geologisches Nordwest-Südost-Profil durch den ehemaligen Tagebau Zukunft/West mit
Lage des im Rahmen von Rekultivierungsmaßnahmen angelegten Blausteinsees. Die La-
ge der Profillinie ist Abbildung 2.2 zu entnehmen.23
Abb. 2.5: Geologisches Nordost-Südwest-Profil durch den Tagebau Inden I mit Lage der Endbö-
schungen für die Jahre 2005 (räumlicher Teilabschnitt I) und 2012 (räumlicher Teilab-
schnitt II). Die Lage der Profillinie ist Abbildung 2.2 zu entnehmen.24
Abb. 2.6: Geologisches Nordost-Südwest-Profil durch den Tagebau Inden II mit Lage der Endbö-
schungen für das Jahr 2024 sowie des geplanten Seebodens. Die Lage der Profillinie ist
Abbildung 2.2 zu entnehmen.25
Abb. 3.1: Schematischer Profilschnitt mit den Stadien der Braunkohlengewinnung und der im Ta-
gebau Inden I/II typischen Horizontabfolge im Bereich der Abbauseite (Bezeichnung der
Schichten in Anlehnung an Schneider Thiele 1965).30
Abb. 4.1: Gewinnung (links) und Begasung (rechts) nicht oxidierter Abraumsedimente im Bereich
der Abbauseite des Tagebaues Inden.36
Abb. 4.2: Schematischer Aufbau der Säulenversuche (verändert nach CREMER 2002).38
Abb. 4.3: Untersuchte operationeil definierte Bindungsformen und die zu ihrer Erhebung einge-
setzte Extraktionssequenz (verändert nach LENK 2001).43
Abb. 5.1: Hydrochemische Situation im Bereich der Abraumkippe Zukunft/West und dessen über-
wiegend noch unbeeinflussten Abstrom (Bezeichnung der Schichten in Anlehnung an
Schneider Thiele 1965).49
Abb. 5.2: Lage der Bohransatzpunkte und der Thiessen-Polygone zur Berechnung der mittleren
Geochemie im Bereich des Braunkohlentagebaues Inden II.53
Abb. 5.3: Schematisches Profil der im Tagebau Inden II zukünftig aufzufahrenden Braunkohlen-
deckschichten und deren mittlere anorganische Kohlenstoff- und Pyritschwefelgehalte.54
Abb. 5.4: Mittlere chemische Beschaffenheit eines für das gesamte Untersuchungsgebiet charakteri-
stischen Kippengrundwassers als Kreisdiagramm (Angaben in mmol(eq) %).64
Abb. 5.5: Berechnete Sättigungsindizes der Mineralphase Calcit von Grundwasserproben der Ab-
raumkippen Zukunft/West und Inden I in Abhängigkeit vom pH-Wert (n = 44; 10
Grundwassermessstellen).65
Abb. 5.6: Eisengesamtkonzentrationen von Grundwasserproben der Abraumkippen Zukunft/West
und Inden I in Abhängigkeit vom pH-Wert (n = 91; 14 Grundwassermessstellen).66
Abb. 5.7: Konzentrationsverhältnisse von Eisen und Sulfat in Grundwasserproben der Abraumkip-
pen Zukunft/West und Inden I (n = 91; 14 Grundwassermessstellen).67
Abb. 5.8: Berechnete Sättigungsindizes der Mineralphase Siderit von Grundwasserproben der Ab-
raumkippen Zukunft/West und Inden I in Abhängigkeit vom pH-Wert (n = 44; 10
Grundwassermessstellen).67
Abb. 5.9: Gemessene Sulfatkonzentrationen von Grundwasserproben der Abraumkippen Zu-
kunft/West und Inden I in Abhängigkeit vom pH-Wert (n = 91; 14 Grundwassermess-
stellen).68
Verzeichnis der Abbildungen
Abb. 5.10: Berechnete Särtigungsindizes der sekundären Mineralphase Gips von Grundwasserproben
der Abraumkippen Zukunft/West und Inden I in Abhängigkeit vom pH-Wert (n = 44; 10
Grundwassermessstellen).68
Abb. 5.11: Grundwassergleichenplan für die Abraumkippe Zukunft/West (Situation Mitte des Jahres
2006).70
Abb. 5.12: Geologisches Südsüdwest-Nordnordost-Profil durch die Abraumkippe Zukunft/West mit
Lage des Blausteinsees und der Grundwassermessstelle 868211. Daneben ist schematisch
die Lage einer Einheitsstromröhre mit Angaben der hydraulischen Rahmenbedingungen
dargestellt, die den Fließweg von Uferfiltrat des Blausteinsees zur Grundwassermessstelle
868211 schematisch nachzeichnet.71
Abb. 5.13: Entwicklung der Wasserspiegelhöhe des Blausteinsees sowie der Standrohrspiegelhöhe
der Grundwassermessstelle 868211 und damit verbundene Entwicklung des Standrohr-
spiegelhöhenunterschiedes und der Grundwasserabstandsgeschwindigkeit für den Zeit-
raum 1994 bis 2004.72
Abb. 5.14: Verlauf der elektrischen Leitfähigkeit und des pH-Wertes im Grundwasser der durch
Uferfiltrat des Blausteinsees beeinflussten Grundwassermessstelle 868211.73
Abb. 5.15: Verlauf der Sulfat- und Eisenkonzentration im Grundwasser der durch Uferfiltrat des
Blausteinsees beeinflussten Grundwassermessstelle 868211.73
Abb. 5.16: Verlauf von Sättigungsindizes der sekundären Mineralphase Gips im Grundwasser der
durch Uferfiltrat des Blausteinsees beeinflussten Grundwassermessstelle 868211.74
Abb. 5.17: Verlauf der molaren Sulfat- und Chloridkonzentration im Grundwasser der durch Ufer-
filtrat des Blausteinsees beeinflussten Grundwassermessstelle 868211.75
Abb. 5.18: Vergleich des gemessenen und des mit PHREEQC modellierten Konzentrationsverlaufes
von Sulfat bei der Elution von Kippensedimenten durch gering mineralisiertes Uferfiltrat
des Blausteinsees.75
Abb. 5.19: Verlauf der (extrapolierten) Sulfatkonzentration im Grundwasser der durch Uferfiltrat des
Blausteinsees beeinflussten Grundwassermessstelle 868211 sowie aus der Einheitsstrom-
röhre (vgl. Abb. 5.19) ausgetragene, relative Sulfatfracht in Abhängigkeit vom ausge-
tauschten Porenvolumen.76
Abb. 5.20: Mediane der Sulfatkonzentrationen von im Horizont 8 verfilterten Grundwassermessstel-
len sowie Lage des 84,1. Perzentil (entspricht der festgelegten Grenze zwischen vom Ta-
gebau beeinflussten Konzentrationen und dem geogenen „Normalbereich").79
Abb. 5.21: Entwicklung des pH-Wertes während ausgewählter Schüttelversuche ohne Säurezugabe
(Referenzversuche).81
Abb. 5.22: Tiefenverteilung der im Tagebau Garzweiler ermittelten Bilanz-Säureneutralisations-
kapazitäten (pH = 7; nach WlSOTZKY LENK (2007a)).82
Abb. 5.23: Entwicklung des pH-Wertes während ausgewählter Schüttelversuche in Abhängigkeit der
Säurezugabe und der Versuchsdauer in logarithmischer Darstellung.83
Abb. 5.24: Entwicklung des pH-Wertes während eines Schüttelversuches mit Saarfeldspat in Abhän-
gigkeit der Säurezugabe und der Versuchsdauer in logarithmischer Darstellung.84
Abb. 5.25: Berechnete Sättigungsindizes der Mineralphasen amorphes SiO2und Quarz in den Elua-
ten der durchgeführten Schüttelversuche (Pfeile verbinden Referenz- und Realproben).85
Abb. 5.26: Siliziumkonzentrationen in den Eluaten der Schüttelversuche.86
Abb. 5.27: In Schüttelversuchen durch verdünnte Schwefelsäure (pH = 2) umgesetzte Mengen an
Silikatphasen ausgedrückt als SiO2.86
Abb. 5.28: Tiefenverteilung der im Tagebau Garzweiler mit Hilfe von Schüttelversuchen ermittelten
silikatischen Säureneutralisationskapazität bei pH = 2.88
Verzeichnis der Abbildungen
Abb. 5.29: Verlauf der elektrischen Leitfähigkeit im Extrakt des Säulenversuches S-l (Frimmersdor-
fer Sand); die senkrechten Hilfslinien dienen einer Abgrenzung der einzelnen Bindungs-
formfraktionen auf Basis der elektrischen Leitfähigkeit.90
Abb. 5.30: Verlauf des pH-Wertes (links) und der Calciumkonzentration (rechts) im Extrakt des
Säulenversuches S-l (Frimmersdorfer Sand) während der ersten drei Sequenzschritte.90
Abb. 5.31: Verlauf der Calcium-, Magnesium- und Eisenkonzentrationen in den Extrakten der Säu-
lenversuche S-l (Frimmersdorfer Sand), S-2 (Neurather Sand) und S-3 (Hauptkies-Serie)
währenddes Karbonat-Schrittes der sequentiellen Extraktion.91
Abb. 6.1: Konzentrationsdurchgangskurve des Chloridtracers während des Säulenversuches „U 3"
(nicht oxidierter Abraum Hz. 8) zur Bestimmung der hydraulischen Kennwerte.95
Abb. 6.2: Modellierung des Chloriddurchgangs für den Säulenversuch U3 im Vergleich zu gemes-
senen Konzentrationswerten. Zusätzlich sind in der Abbildung die mit dem Tracerversuch
bestimmten hydraulischen Parameter dargestellt.96
Abb. 6.3a: Vergleich der gemessenen und der mit PHREEQC modellierten Konzentrationsverläufe
von Sulfat und Eisen (1. Modell-Entwicklungsstufe; Säulenversuch U3).97
Abb. 6.3b: Vergleich des gemessenen und des mit PHREEQC modellierten Calciumkonzentrations-
verlaufes sowie des pH-Wertes (1. Modell-Entwicklungsstufe; Säulenversuch U3).97
Abb. 6.4a: Vergleich der gemessenen und der mit PHREEQC modellierten Konzentrationsverläufe
von Sulfat und Eisen (2. Modell-Entwicklungsstufe; Säulenversuch U3).98
Abb. 6.4b: Vergleich des gemessenen und des mit PHREEQC modellierten Calciumkonzentrations-
verlaufes sowie des pH-Wertes (2. Modell-Entwicklungsstufe; Säulenversuch U3).98
Abb. 6.5a: Vergleich der gemessenen und der mit PHREEQC modellierten Konzentrationsverläufe
von Sulfat und Eisen (3. Modell-Entwicklungsstufe; Säulenversuch U3).98
Abb. 6.5b: Vergleich des gemessenen und des mit PHREEQC modellierten Calciumkonzentrations-
verlaufes sowie des pH-Wertes (3. Modell-Entwicklungsstufe; Säulenversuch U3).98
Abb. 6.6a: Vergleich der gemessenen und der mit PHREEQC modellierten Konzentrationsverläufe
von Sulfat und Eisen (4. Modell-Entwicklungsstufe; Säulenversuch U3).100
Abb. 6.6b: Vergleich des gemessenen und des mit PHREEQC modellierten Calciumkonzentrations-
verlaufes sowie des pH-Wertes (4. Modell-Entwicklungsstufe; Säulenversuch U3).100
Abb. 6.6c: Vergleich des gemessenen und des mit PHREEQC modellierten CO2-
Konzentrationsverlaufes (4. Modell-Entwicklungsstufe; Säulenversuch U3).100
Abb. 6.7: Sulfatinhalte der Abraumkippen Zukunft/West und Inden im Modell Rur-Scholle der
RWE Power AG als Grundlage der konservativen Stofftransportmodellierung (Wander-
punktverfahren).101
Abb. 6.8: Mit dem 3D-Modell Rur-Scholle der RWE Power AG simulierte, nicht-reaktive Sul-
fatausbreitung im Horizont 8 (SCHNEIDER THIELE 1965) für das Jahr 2200 sowie Ver-
lauf der Schnittspuren entlang derer die 1 D-Stofftransport- und Reaktionsmodellierungen
erfolgten.103
Abb. 6.9: Mit dem 3D-Modell Rur-Scholle der RWE Power AG simulierte, nicht-reaktive Sul-
fatausbreitung im Horizont 8 (SCHNEIDER THIELE 1965) für das Jahr 2300 sowie Ver-
lauf der Schnittspuren entlang derer die 1 D-Stofftransport- und Reaktionsmodellierungen
erfolgten.104
Abb. 6.10: Mit dem 3D-Modell Rur-Scholle der RWE Power AG simulierte, nicht-reaktive Sul-
fatausbreitung in den einzelnen Grundwasserleitern für die Jahre 2200 und 2300 entlang
der Schnittspur T 2.105
Abb. 6.11: Mit dem 3D-Modell Rur-Scholle der RWE Power AG simulierte Sulfatkonzentration
entlang der Schnittspur T 2 im Jahre 2200.106
Abb. 6.12: Mit dem 3D-Modell Rur-Scholle der RWE Power AG simulierte Sulfatkonzentration
entlang der Schnittspur T 2 im Jahre 2300.107
Verzeichnis der Abbildungen
Abb. 6.13: Mit dem 3D-Modell Rur-Scholle der RWE Power AG simulierte Sulfatkonzentration
entlang der Schnittspur T 3 im Jahre 2200.107
Abb. 6.14: Mit dem 3D-Modell Rur-Scholle der RWE Power AG simulierte Sulfatkonzentration
entlang der Schnittspur T 3 im Jahre 2300.108
Abb. 6.15: Schematische Darstellung der eindimensionalen Stromröhren zur Simulation der reakti-
ven Stoffausbreitung im Grundwasserabstrom des Untersuchungsgebietes.109
Abb. 6.16: Anpassung des 1 D-Reaktionsmodells an das hydraulische 3D-Modell anhand der Aus-
tragsfunktion des Sulfates sowie modellierter Eisenaustrag für die Schnittspur T 2 nörd-
lich des Tagebaues Inden I im Jahre 2300 (die Lage der Schnittspur T 2 ist Abb. 6.8 zu
entnehmen).112
Abb. 6.17: Modellierte Entwicklungen des pH-Wertes sowie der Calcium- und CO2-
Gesamtkonzentrationen für die Schnittspur T 2 nördlich des Tagebaues Inden I im Jahre
2300 (die Lage der Schnittspur T 2 ist Abb. 6.8 zu entnehmen).113
Abb. 6.18a: Modellierte Entwicklung des sedimentären Calcitgehaltes im Bereich der Schnittspur T 2
nördlich des Tagebaues Inden I im Jahre 2300 (Karbonatgehalt mit 50 % Calcit u. 50 %
Siderit; die Lage der Schnittspur T 2 ist Abb. 6.8 zu entnehmen).114
Abb. 6.18b: Modellierte Entwicklung des sedimentären Sideritgehaltes im Bereich der Schnittspur T 2
nördlich des Tagebaues Inden I im Jahre 2300 (Karbonatgehalt mit 50 % Calcit u. 50 %
Siderit; die Lage der Schnittspur T 2 ist Abb. 6.8 zu entnehmen).114
Abb. 6.19a: Modellierte Entwicklung des sedimentären Calcitgehaltes im Bereich der Schnittspur T 2
nördlich des Tagebaues Inden I im Jahre 2300 (Karbonatgehalt mit 95 % Calcit u. 5 %
Siderit; die Lage der Schnittspur T 2 ist Abb. 6.8 zu entnehmen).115
Abb. 6.19b: Modellierte Entwicklung des sedimentären Sideritgehaltes im Bereich der Schnittspur T 2
nördlich des Tagebaues Inden I im Jahre 2300 (Karbonatgehalt mit 95 % Calcit u. 5 %
Siderit; die Lage der Schnittspur T 2 ist Abb. 6.8 zu entnehmen).115
Abb. 6.20: Anpassung des 1 D-Reaktionsmodells an das hydraulische 3D-Modell anhand der Aus-
tragsfunktion des Sulfates sowie modellierter Eisenaustrag für die Schnittspur T 3 nörd-
lich des Tagebaues Inden II im Jahre 2300 (die Lage der Schnittspur T 3 ist Abb. 6.8 zu
entnehmen).116
Abb. 6.21: Modellierte Entwicklungen des pH-Wertes sowie der Calcium- und CO2-
Gesamtkonzentrationen für die Schnittspur T 3 nördlich des Tagebaues Inden II im Jahre
2300 (die Lage der Schnittspur T 3 ist Abb. 6.9 zu entnehmen).117
Abb. 6.22a: Modellierte Entwicklung des sedimentären Calcitgehaltes im Bereich der Schnittspur T 3
nördlich des Tagebaues Inden II im Jahre 2300 (Karbonatgehalt mit 50 % Calcit u. 50 %
Siderit; die Lage der Schnittspur T 3 ist Abb. 6.8 zu entnehmen).117
Abb. 6.22b: Modellierte Entwicklung des sedimentären Sideritgehaltes im Bereich der Schnittspur
T 3 nördlich des Tagebaues Inden II im Jahre 2300 (Karbonatgehalt mit 50 % Calcit u. 50
% Siderit; die Lage der Schnittspur T 3 ist Abb. 6.8 zu entnehmen).117
Verzeichnis der Tabellen
Verzeichnis der Tabellen
Tab. 2.1: Zusammenfassende Darstellung des Ablaufs der Untersuchung und der wesentlichen
Untersuchungsobjekte.19
Tab. 2.2: Schematische Zusammenstellung der an den Untersuchungsstandorten verbreiteten
Schichten sowie deren Kennzeichnung als Grundwasserleiter bzw. Grundwassernichtlei-
ter.27
Tab. 4.1: Lage der Entnahmeorte nicht oxidierter Bodenproben aus dem unverritzten Gebirge (Ho-
rizonte 6B, 6D, 8 und 9B) sowie vor-Ort gemessene Boden-pH-Werte und elektrische
Boden-Leitfähigkeiten (Bezeichnung der Schichten in Anlehnung an SCHNEIDER
Thiele 1965; n.b. = nicht bestimmt).37
Tab. 4.2: Zusammensetzung des synthetisch hergestellten Kippengrundwassers (Infiltrationswasser
der U-Säulen) im Vergleich zum mittleren Kippengrundwasser der Abraumkippen Zu-
kunft/West und Inden I (s. auch Tab. 5.14).39
Tab. 4.3: Maße der Versuchssäulen („U-Säulen" mit synthetischem Kippengrundwasser) und Se-
dimentkennwerte (Hz. = Horizont; Bezeichnung der Schichten in Anlehnung an
Schneider Thiele 1965).39
Tab. 4.4: Etablierte Extraktionsreagenzien zur Bestimmung ausgewählter Bindungsformfraktionen.
Die hervorgehobenen Lösemittel wurden in den Säulenversuchen eingesetzt (WlSOTZKY
Lenk 2007a).42
Tab. 4.5: Maße der Versuchssäulen („S-Säulen" mit Durchführung einer Extraktionssequenz) und
Sedimentkennwerte (Hz. = Horizont; Bezeichnung der Schichten in Anlehnung an
Schneider Thiele 1965).43
Tab. 4.6: Eingesetzte Mess- und Analyseverfahren der physikalisch-chemischen und hydrochemi-
schen Parameter sowie deren Nachweisgrenzen (NWG).47
Tab. 5.1: Mineral- und Gasphasen sowie Kationenaustauscher des inversen hydrogeochemischen
Modells (X = negativ geladener Austauscher, s = solid, g = gaseous) zur Bestimmung der
Gehalte reaktiver Mineralphasen in Zukunft/West.49
Tab. 5.2: Gemessene (Minima, Maxima) und mit PHREEQC berechnete (Mittelwerte) Zusammen-
setzung des Grundwassers der Abraumkippe Zukunft/West sowie des Mischgrundwassers
der Horizonte 8, 7A und 6D als Grundlage der inversen hydrogeochemischen Modellie-
rung [Angaben in mg/1].50
Tab. 5.3: Invers modellierte Stoffumsätze bei der Bildung des heutigen Grundwassers der Braun-
kohlenabraumkippe Zukunft/West (StV = Standardvolumen mit 4.145 g Feststoff u. II
Grundwasser).51
Tab. 5.4: Mittlere Sedimentchemie (volumengewichtet) der im Bereich des Tagebaues Inden I ver-
kippten, nicht-bindigen Nebengesteine für den Zeitraum 1992 bis 2010 (Bezeichnung der
Schichten in Anlehnung an SCHNEIDER THIELE 1965; * Daten aus OBERMANN ET AI.
1993).52
Tab. 5.5: Invers modellierte Stoffumsätze bei der Bildung des heutigen Grundwassers der Braun-
kohlenabraumkippe Inden I (StV = Standardvolumen mit 4.145 g Feststoff u. 11 Grund-
wasser) .52
Tab. 5.6: Mittlere Sedimentchemie (volumengewichtet) und Mächtigkeiten der Nebengesteine des
Tagebaues Inden II (kippenrelevanter Abraum = Horizonte 16/14, 10, 11, 9A-9C, 8, 7;
Bezeichnung der Schichten in Anlehnung an Schneider Thiele 1965).54
Tab. 5.7: Zusammenfassende Übersicht der Pyritschwefel- und CanOrg-Gehalte von nicht bindigen
Braunkohlennebengesteinen der Abraumkippen Zukunft/West, Inden I und Inden II sowie
Vergleich mit den Untersuchungsergebnissen von Obermann et al. (1993).55
Verzeichnis der Tabellen_10_
Tab. 5.8: Deskriptive Statistik (n = 40) der im Grundwasser der Abraumkippe Zukunft/West ge-
messenen physikalisch-chemischen Parameter, Sl-Werte ausgewählter Mineralphasen
und Vergleich mit Untersuchungsbefunden von OBERMANN ET AL. (1998).57
Tab. 5.9: Deskriptive Statistik (n = 51) der im Grundwasser der Abraumkippe Inden I gemessenen
physikalisch-chemischen Parameter, SI-Werte ausgewählter Mineralphasen und Ver-
gleich mit Untersuchungsbefunden von Obermann etal. (1993).58
Tab. 5.10: Anfangsbedingungen der hydrogeochemischen Vorwärtsmodelle zur Bestimmung der im
Tagebau Inden II zu erwartenden Beschaffenheit des Kippengrundwassers (Bezeichnung
der Schichten in Anlehnung an Schneider Thiele 1965).60
Tab. 5.11: Beschaffenheit des in die Abraumkippe Inden II aus dem unverritzten Gebirge einströ-
menden Grundwassers und Prognose der mittleren Kippengrundwasserqualität (Hz. = Ho-
rizont).61
Tab. 5.12: Modellierte Kippengrundwasserchemie für die Abraumkippe Inden I auf Grundlage der
Sedimentchemie und unterschiedlichen Gehalten anorganischen Kohlenstoffes sowie
Vergleich mit realen Messwerten.62
Tab. 5.13: Modellierte hydrochemische Entwicklung des Kippengrundwassers beim Übertritt in den
Restsee Inden II.63
Tab. 5.14: Mittlere chemische Beschaffenheit eines für das gesamte Untersuchungsgebiet charakteri-
stischen Kippengrundwassers sowie SI-Werte ausgewählter Mineralphasen (Grundlage
für die reaktive 1 D-Transportmodellierung).64
Tab. 5.15: Ausgewählte physikalisch-chemische Parameter des für die Befüllung des Blausteinsees
verwendeten Sümpfungswassers (Mittelwerte 01/1995-04/2005).71
Tab. 5.16: Mittlere Geochemie des Hz. 8 im Abstrom der Kippen, die in das Stofftransport- und Re-
aktionsmodell eingegeben wurde.77
Tab. 5.17: Mittlere Beschaffenheit des von Pyritoxidation unbeeinflussten Grundwassers des Hori-
zontes 8 für den Zeitraum 1999-2004.80
Tab. 5.18: Chemische und mineralogische Zusammensetzung des in Schüttelversuchen eingesetzten
Kalifeldspates (Produkt der Saarfeldspatwerke Huppert, nördliches Saarland).84
Tab. 5.19: Extrahierte Calcium-, Magnesium- und Eisenfrachten während der Karbonat-Schritte der
Säulenversuche (sequentielle Extraktion).92
Tab. 5.20: Während der sequentiellen Extraktion gelöste Mengen karbonatischer Mineralphasen und
daraus berechnete Gehalte anorganischen Kohlenstoffes der in die Säulen eingebauten
Abraumsedimente.92
Tab. 6.1: Geometrische, hydraulische und geochemische Kennwerte der eindimensionalen Strom-
röhren zur Simulation der reaktiven Stoffausbreitung im Grundwasserabstrom des Unter-
suchungsgebietes (die Karbonatgehalte beziehen sich auf einen Calcitanteil von 50 bzw.
95 % am Gesamtgehalt anorganischen Kohlenstoffes).110
Tab. 6.2: Charakteristische Spannweiten der modellierten Konzentrationen wichtiger Wasserin-
haltsstoffe im Einflussbereich CSu|fal 250 mg/1 sowie Längen der durch das einströmen-
de Kippengrundwasser entkalkten Zonen im Abstrom der Abraumkippen für das Jahr
2300 (Modellrechnungen mit einem Calcit-Siderit-Verhältnis von 50 : 50).119
Tab. 7.1: Zusammenfassende Übersicht der Pyritschwefel- und Canorg-Gehalte von nicht bindigen
Braunkohlennebengesteinen der Abraumkippen Zukunft/West, Inden I und Inden II sowie
Vergleich mit den Untersuchungsergebnissen von OBERMANN ET AL. (1993).121
Tab. 7.2: Mittlere chemische Beschaffenheit eines für das gesamte Untersuchungsgebiet charakteri-
stischen Kippengrundwassers sowie SI-Werte ausgewählter Mineralphasen (Grundlage
für die reaktive 1 D-Transportmodellierung).123
Tab. 7.3: Mittlere Geochemie des Hz. 8 im Abstrom der Kippen, die in das Stofftransport- und Re-
Verzeichnis der Tabellen 11
Tab. 7.4: Charakteristische Spannweiten der modellierten Konzentrationen wichtiger Wasserin-
haltsstoffe im Einflussbereich Csuifat 250 mg/1 sowie Längen der durch das einströmen-
de Kippengrundwasser entkalkten Zonen im Abstrom der Abraumkippen für das Jahr
2300 (Modellrechnungen mit einem Calcit-Siderit-Verhältnis von 50 : 50).126 |
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| spelling | Lenk, Stephan Verfasser aut Grundwasserbeschaffenheit und hydrogeochemische Prozesse in rheinischen Braunkohlenabraumkippen und in deren Abstrom Stephan Lenk Bochum Inst. für Geologie, Mineralogie und Geophysik 2008 133 S. Ill., graph. Darst., Kt. txt rdacontent n rdamedia nc rdacarrier Bochumer geowissenschaftliche Arbeiten 13 Zsfassung in engl. Sprache. - Literaturverz. S. 129 - 133 Zugl.: Bochum, Univ., Diss., 2008 Hydrogeochemie (DE-588)4225478-4 gnd rswk-swf Abraumkippe (DE-588)4358840-2 gnd rswk-swf Grundwasser (DE-588)4022369-3 gnd rswk-swf Abraumhalde (DE-588)4272750-9 gnd rswk-swf Rheinisches Braunkohlenrevier (DE-588)4049776-8 gnd rswk-swf (DE-588)4113937-9 Hochschulschrift gnd-content Rheinisches Braunkohlenrevier (DE-588)4049776-8 g Abraumhalde (DE-588)4272750-9 s Grundwasser (DE-588)4022369-3 s Hydrogeochemie (DE-588)4225478-4 s DE-604 Abraumkippe (DE-588)4358840-2 s DE-188 Bochumer geowissenschaftliche Arbeiten 13 (DE-604)BV014391359 13 HBZ Datenaustausch application/pdf http://bvbr.bib-bvb.de:8991/F?func=service&doc_library=BVB01&local_base=BVB01&doc_number=016317784&sequence=000002&line_number=0001&func_code=DB_RECORDS&service_type=MEDIA Inhaltsverzeichnis |
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