DE19729812C2 - Verfahren und Anordnung zur Sicherung von subaquatischen Altablagerungen oder Altlasten, insbesondere in gefluteten Tagebaurestlöchern durch Verminderung des Stoffaustrages oder der Stofffrachten in den Wasserpfad oder Schutzgutgewässer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Sicherung von subaquatischen Altablagerungen oder Altlasten in gefluteten Tagebaurestlöchern durch Verminderung des Stoffaustrages oder der Stoff­ frachten in den Wasserpfad oder Schutzgutgewässer.

Es ist bekannt, Altablagerungen oder Altlasten im Grundwasser entweder mit hohem technischen Aufwand herauszulösen, um die Bestandteile in ober- oder unterirdischen Abfall- und Rest­ stoffentsorgungsanlagen zu deponieren. Darüber hinaus ist es bekannt, derartige Altlasten in chemisch-physikalisch-mikro­ biologischen Sanierungsanlagen aufzubereiten. In beiden be­ schriebenen Fällen ist es erforderlich, zunächst die Altab­ lagerung bzw. die Altlast zu separieren, um sie mit den ge­ wünschten Entsorgungsverfahren entsprechend weiterzubehandeln.

Darüber hinaus gehört es zum Stand der Technik, Altlasten durch Abdichtungen, z. B. Dichtwände oder Dichtfolien, zu sichern, wo­ bei bei derartigen Methoden zum einen erhebliche Kosten anfal­ len und zum anderen ein nachträgliches Abdichten bereits geflu­ teter Tagebau-Restlöcher kaum möglich ist. Einzelheiten zur Entsorgung von Altablagerungen sind in der TA-Abfall bzw. TA- Siedlungsabfall bzw. für Braunkohlenbergbaugebiete und Rest­ stoffverbringung im Rahmen des Bundesberggesetzes geregelt.

Bei subaquatischen Altlasten in Restlöchern des Braunkohlenbergbaus, sind Stoffausträge aufgrund einer Durch­ strömung hin zum oder bedingt durch Grundwässer nicht zu ver­ meiden, wodurch ein erhebliches Gefährdungspotential resul­ tiert. Insbesondere dort, wo aufgrund geologischer oder tekto­ nischer Gegebenheiten mit erheblichen Grundwasserdurch­ strömungen mit entsprechendem Stoffaustrag oder Verlagerung von Stoff­ frachten in den Wasserpfad zu rechnen ist, verbleibt bisher nur das Anwenden der oben kurz beschriebenen Sanierungs- bzw. Si­ cherungsmaßnahmen, z. B. der abfallrechtlich relevanten Ent­ sorgung, des Einbringens von Dicht- oder Spundwänden bei gleichzeitiger Anordnung von Oberflächen-Abdichtungssystemen und so weiter.

In der Zeitschrift "ZEMENT-KALK-GIPS", 42 (1998) Nr. 3, Seiten 142-147, sowie der Zeitschrift "Glückauf", 126 (1990) Nr. 11/12, Seiten 563-566, werden Ablaufschemata für Untersuchun­ gen und Sanierungsarbeiten vorgestellt, wobei es bekannt ist, hydraulische Maßnahmen einzusetzen. Bei den vorgestellten hydraulischen Maßnahmen werden das Errichten von Abwehrbrunnen und Grundwasserbergen, also das Entnehmen und Einleiten von Wässern, um den Stoffaustrag zu vermindern, gezeigt. Desweiteren wird im Stand der Technik auf die Problematik der Grundwasserabsenkung in Tagebauen eingegangen, welche einen spürbaren Eingriff in den Wasserhaushalt darstellen. Hingewie­ sen wird darüber hinaus auf die Problematik der Ablagerung von Abfällen in Deponien, wobei auf Abdichtung und Drainage zum Schutz des Grundwassers aufmerksam gemacht wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zur Sicherung von subaquatischen Altlasten in Restlöchern des Braunkohlenbergbaus anzugeben, wodurch eine Senkung des Gefährdungspotentials insgesamt möglich wird. Weiterhin besteht die Aufgabe der Erfindung darin, mit einfachen Mitteln die Verweildauer von subaquatischen Altlasten in Restlöchern respektive Restseen zu erhöhen, so daß es möglich wird, biologische, chemische und/oder physikalische Behandlungen anzuwenden, um in der Altlast vorhandene Schadstoffe zu binden bzw. eine Überführung in umweltverträgliche Substanzen vorzunehmen und die Emission bzw. die Immission umweltverträglich zu gestalten. Grundlage der Dimensionierung des hydraulischen Sicherungskonzeptes bilden die behördlich angezeigten Sicherungs- und Nutzungsziele sowie die Gewährleistung des Schutzes der bestehenden und geplanten wasserwirtschaftlichen Ordnung.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Gegenstand nach den Merkmalen des Patentanspruches 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, durch Steuerung von Rand- und Liegenddrücken mittels hori­ zontaler und vertikaler Tiefenwasserdrainagen oder eines hierauf abgestellten Systems die subaquatische Altlast quasi hydraulisch einzuschließen und die Durchströmungsmengen zu sen­ ken, so daß zum einen die gewünschten Effekte der Senkung des Gefährungspotentials des Schutzgutgewässers erreicht werden können und zum anderen wasserwirtschaftlich relevante Sanie­ rungsmaßnahmen in Verbindung mit biologischer, chemischer und physikalischer Dekontamination anwendbar sind.

Ziel der Anordnung ist es, eine Senkung der Durchströmungsmengen hin zu einer quasi-Nulldurchströmung der Altablagerungen oder Altlasten unter Gewährleistung einer hydraulischen Liegenddruckbarriere zu erreichen. Anströmende Liegendwässer aus den Randbereichen der Altablagerungen werden über das horizontal und vertikal ausgebildete Drainagesystem durch die Altlast in den Restsee abgeleitet. Mittels einer Drucksteuerung wird unter Rückgriff auf geeignete Regeleinrichtungen eine Reduzierung der Durchströmungsmengen erreicht, wodurch insgesamt eine Verminderung des Stoffaus­ trages in den Wasserpfad und die aufgabengemäße Reduzierung des Gefährungspotentials der Altlast erreicht werden kann.

Es gilt, daß die hydraulische Dimensionierung so zu erfolgen hat, daß sich die Tiefenwasserableitung in einem Bereich von ≦90% einer prognostizierten Durchströmungsmenge der subaquatischen Altlast orientiert.

Demnach ist die Bedingung einzuhalten, daß der Druck des Liegendaquifer größer als der Druck der subaquatischen Altlast und dieser wiederum größer als der Druck des Restsees ist.

Unter Rückgriff auf den erwähnten Grundgedanken der Erfindung wird also eine hydraulische Sicherung der Altablagerungen oder der Altlasten mit dem Ziel der Durchströmungsreduzierung vor­ genommen, wobei ausströmende Liegendwässer der Altlasten durch ein Tiefenwasserdrainagesystem aus dem umgebenden Liegenden und/oder verspülten oder unverspülten Kippen mittels gespannter Grundwässer in den Restsee zurückgeführt werden. Hierdurch bil­ det sich ein quasi-Kreislauf aus, wobei durch Regelung der Druckverhältnisse das angestrebte Ziel der Minimierung des Durchströmens erreicht werden kann.

Zur Ableitung von Werten, die die gewünschte Drucksteuerung er­ möglichen, erfolgt kontinuierlich oder diskontinuierlich das Erfassen von Grundwasserdrücken bzw eine Grundwassermessung so­ wie die Bestimmung von Restseezu- und -ablaufwassermengen bei gleichzeitiger Bestimmung des Restseewasserspiegels.

Eine spezielle Verwendung der Anordnung besteht innerhalb eines Systems zur Sanierung und Sicherung von Restlöchern des Bergbaus, wobei das Sanierungssystem auf phytotechnologische Einrichtungen wie Großraum-Pflanzenkläranlagen, Schilfgürtel, Wurzelraumanlagen, LEMNA-(Wasserlinsen)-Gitterfelder und so weiter sowie auf Wasseraufbereitungsanlagen mit Belüftungs-, Nachklär- und Schönungsteich zurückgreift. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, innerhalb des komplexen Systems Frischwasser zu belüften, eine Tiefenwässer-Belüftung vorzunehmen oder in situ-Ammoniumausfällungen zu praktizieren.

Gemäß der Erfindung wird für den hydraulischen Einschluß oder die Sicherung der Altablagerungen oder Altlasten zur Strömungsreduzierung auf ein Tiefenwasserdrainagesystem zurückgegriffen, welches vertikale und horizontale Drainagerohre aufweist, die mit dem Drainabschnitt zum umgebenden Liegenden führen. Die Drainagerohre sind dann über Vollrohrstrecken zu einem oberhalb des Restseespiegels befind­ lichen Auslauf geführt. Im Bereich der Vollrohrstrecken oder des Auslaufes ist jeweils eine Strömungsregelungseinrichtung angeordnet, mit deren Hilfe unter Berücksichtigung hydrostati­ scher Druckhöhen eine Durchströmungsbeeinflussung erfolgen kann.

Die Drainagerohre des Tiefenwasserdrainagesystems sind im Lie­ genden als Filterbrunnen ausgebildet. Die Vollrohrstrecken kön­ nen mindestens teilweise durch die Altlast und/oder den Restsee zur Restseeoberfläche geführt werden, wobei mindestens die ver­ tikalen Abschnitte der Vollrohrstrecke im Restsee durch ge­ eignete Einrichtungen verankert sind.

Zum Vermeiden eines unerwünschten Eintrages von Fremdkörpern in das Drainagesystem besitzen die jeweils oberen Abschlüsse des Auslaufes jeweils ein Fangsieb, ein Fangnetz oder dergleichen. Zur Drucksteuerung respektive Druckbeeinflussung besteht die Möglichkeit, die Höhe der vertikalen Abschnitte der Vollrohr­ strecke bzw. des Auflaufes bezogen auf den Restseewasserspiegel veränderbar zu gestalten oder die Ausläufe am Seegrund mit ent­ sprechenden Sicherungs- und Steuerungselementen zu installie­ ren.

Die horizontalen Bereiche des Tiefenwasserdrainagesystems sind im wesentlichen außenumfangsseitig und die vertikalen Bereiche des Systems sind im wesentlichen unterhalb der subaquatischen Altlast hin zum Liegenden gerichtet angeordnet.

Beim Aufbau der Anordnung wird die horizontale und vertikale Ausdehnung des Tiefenwasserdrainagesystems in Abhängigkeit vom historischen Zustand vor Ort und Lage der Altlast, dem Grundwasserzufluß und der geologisch oder wasserseitig relevanten Umgebung einschließlich momentaner und erwarteter Restwasserspiegel festgelegt.

Mittels der Erfindung gelingt es, geringere Durchströmungen subaquatischer Altlasten zu erreichen, wodurch eine Reduzierung der Verdrängung der wässrigen Phase aus der subaquatischen Ab­ lagerung durch Liegendspeisung und Randzuflüsse die Folge ist. Mittels der kontrollierten Liegenddrucksteuerung können also Durchströmungsmengen verringert werden, so daß auch der konvek­ tive Stoffaustrag aus der Altlast reduzierbar ist. Sekundär folgt daraus eine Senkung negativer Einflüsse auf den Wasser­ pfad, so daß sich wesentliche umweltökologische und wirtschaft­ liche Vorteile einstellen.

Die beschriebene Lösung findet bei ökologischen Sa­ nierungsprojekten im Braunkohlenbergbau und bei Chemiestand­ orten Anwendung. Dies gilt insbesondere in Verbindung mit einem komplexen Sanierungssystem, das sowohl auf phytotechnologische, wasserwirtschaftliche als auch geotechnische Methoden in Verbindung mit der beschriebenen Tiefenwasserdrainage zum hydraulischen Einschluß der Altlast zurückgreift.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen

Fig. 1 einen Prinzipschnitt zum Stoffauslaugungsgrad und der Konzentrationsverteilung umweltrelevanter Stoffe einer subaquatischen Altlast in einem Restloch des Braun­ kohlenbergbaus,

Fig. 2 eine Darstellung der Transfer- und Belastungspfade einer subaquatischen Altlast in einem Restloch des Braunkohlenbergbaus,

Fig. 3 eine Darstellung des hydraulischen Steuerungsprinzips der Rand- und Liegendwasserdrücke mittels horizontaler und vertikaler Tiefenwasserdrainage gemäß Ausführungs­ beispiel als Bestandteil eines komplexen Sicherungs­ systems von subaquatischen Altlasten in Restlöchern des Braunkohlenbergbaus in Form eines Prinzipschnittbildes,

Fig. 4 eine Übersichtsskizze in Form einer Draufsicht zum komplexen Sicherungssystem nach Fig. 3 und

Fig. 5 eine prinzipielle Darstellung eines Querschnitts einer in einem Restsee vorhandenen subaquatischen Altlast mit horizontaler und vertikaler Tiefenwasserdrainage.

Anhand der Fig. 1 wird prinzipiell deutlich, welche Konzentra­ tionsverteilungen bzw. Konzentrationszustände von umweltrele­ vanten Stoffen einer subaquatischen Altlast in einem Restloch insbesondere des Braunkohlenbergbaus vorliegen. Nach der Flu­ tung des Restloches befindet sich die Altlast unterhalb der Wasserspiegelhöhe des Restsees. Bedingt durch die Strömungs­ verhältnisse, wie sie mit Hilfe der Fig. 2 dargestellt sind, findet ein unerwünschter Austrag von Stoffen durch Um- und Durchströmung der Altlast statt. Ebenso besteht die Gefahr, daß bei entsprechenden Strömungsverhältnissen ein Stoffaustrag von der Altlast hinein in das Grundwasser stattfindet mit all den daraus bekannten Gefährdungen.

Die im nachfolgenden Ausführungsbeispiel noch erläuterte hydraulische Lösung kann, wie in der Fig. 3 prinzipiell darge­ legt ist, Bestandteil eines komplexen Sicherungssystems umfassend eben die hydraulische als auch eine geotechnische, wasser­ wirtschaftliche und phytotechnologische Komponente sein.

Wie dargelegt ist, erfolgt ein Monitoring, d. h. eine Erfas­ sung sowohl des zugeführten Frischwassers als auch des Ablaufes hin zu einem Vorfluter. Vorflutseitig ist eine Wasseraufberei­ tungsanlage, z. B. eine Pflanzenkläranlage oder dergleichen, vor­ gesehen. Eine Belüftung des Tiefenwassers erfolgt durch ge­ eignete Pumpen, wobei zur Elektroenergieerzeugung Windkraft oder Solaranlagen denkbar sind. Meßstellen bestimmen den verti­ kalen Verlauf und Strömungsverhältnisse des Grundwassers im Be­ reich der Damm- und Bergbaukippe. Hinsichtlich der hydrauli­ schen Sicherung wird auf signifikante Wirkungszusammenhänge so­ genannter artesischer Brunnen, d. h. gespannte Grundwässer, zu­ rückgegriffen.

Fig. 4 dient der weiteren Erläuterung des hydraulischen Siche­ rungssystems nach Fig. 3, hier jedoch in Draufsicht ausgeführt.

Die Anordnung zur Sicherung von subaquatischen Altablagerungen oder Altlasten in gefluteten Tagebaurestlöchern durch hydraulischen Einschluß soll im Zusammenhang mit der Fig. 5 näher erläutert werden. Die mit dem Bezugszeichen 1 versehene subaquatische Altlast befindet sich eingeschlossen von dem Liegenden 2 unterhalb des Restseespiegels 3. Grundwasserströmungen sind mit Pfeildarstellungen 4 symbolisiert.

Der gewünschte hydraulische Einschluß bzw. die langzeitliche Sicherung der Altlast bzw. Altablagerung 1 erfolgt nun mit Hilfe eines Tiefenwasserdrainagesystems, umfassend eine hori­ zontale Tiefenwasserdrainage 5 und eine vertikale Tiefenwas­ serdrainage 6.

Sowohl die vertikale als auch die horizontale Tiefenwasser­ drainage 6, 5 sind mit einem Abdecknetz im oberen Bereich eines Auslaufes 7 versehen.

Bei dem in das umgebende Liegende reichenden Abschnitt der ver­ tikalen Tiefenwasserdrainage 6 sind Filterrohre mit Verkiesung 8 vorgesehen. Dergleichen Filterrohre mit Verkiesung, einen Filterbrunnen bildend, sind in entsprechenden Abschnitten der horizontalen Tiefenwasserdrainage 5 im Liegenden, z. B. einer Bergbaukippe, angeordnet.

Über Vollrohrstrecken werden entsprechend den Druckverhält­ nissen oder den hydrostatischen Druckhöhen unter Berücksich­ tigung des Grundwasserspiegels Wässer unter Mitnahme uner­ wünschten Austrages, beim gezeigten Beispiel durch die subaqua­ tische Altlast 1 und den Restsee hindurch oberhalb zum Restsee­ spiegel gefördert. Mit dem Bezugszeichen 9 versehene Darstel­ lungen verkörpern Einrichtungen zur Regelung der Strömung in­ nerhalb des entsprechendes Teiles der Tiefenwasserdrainage.

Die horizontale 5 und vertikale Tiefenwasserdrainage 6 ist mit einem Verankerungssystem 10 im Restsee fixiert. Der aufgrund der hydraulischen Druckverhältnisse vorhandene Überlauf der Wässer in den Restsee ist mit Pfeildarstellungen 11 symboli­ siert.

Wie aus der Fig. 5 ersichtlich, wird durch die Anordnung er­ reicht, daß ausströmende Wässer der Altlasten durch das Tiefen­ wasserdrainagesystem aus dem umgebenden Liegenden aufgenommen und mittels gespannter Grundwässer über die Vollrohrabschnitte dem Restsee wieder zugeführt werden. Unter prinzipieller Mini­ mierung der Strömungsmenge wird ein annähernder Kreislauf ein­ gestellt.

Das hydraulische System ist gemäß Ausführungsbeispiel so dimen­ sioniert, daß mittels der Tiefenwasserableitung ca. 90% der prognostizierten Durchströmungsmenge der subaquatischen Altlast erfaßt werden können.

Beispielsweise sind diese gemäß einem Referenzobjekt, nämlich der Spüldeponie im Tagebaurestloch Großkayna, für den Ausgangs­ zustand mit einem Restseespiegel von +66 m NN ca. 1300 cm³/d und für den Endzustand des gleichen Restsees mit einem Seespiegel von +97 m NN ca. 300 bis 400 cm³/d. Die im Stadium des Restsees Großkayna (+97 m NN Seespiegel) bereits um 70 bis 80% ge­ senkte Durchströmungsmenge oder Spüldeponie kann ohne die Tie­ fenwasserdrainagen nochmals deutlich verringert werden. Durch dieses Verfahren wird eine Senkung der Durchströmungsmenge von bis zu 90% angestrebt. Eine Umkehrströmung vom Restsee in die Liegendkippe, d. h. zum Grundwasser hin, wird durch die Steuerung der aquatischen Druckverhältnisse ausgeschlossen.

Allgemein gilt, daß der Druck des Liegendaquifer größer als der Druck der subaquatischen Altlast und dieser wiederum größer als der Druck des Restsees ist und daß die Altlast subaquatisch lagert.

Durch Variation von Anzahl und Durchmesser der Filter- und Vollrohrbereiche sowie entsprechende Ausführung und Absicherung der oberen und unteren Abschlüsse können den jeweiligen Gege­ benheiten entsprechend Lösungen gefunden werden, die eine maxi­ mal mögliche Durchströmungsminimierung sicherstellen. Ergänzend kann zur Dimenmsionierung der Drucksteuerung und der Überlauf­ mengen auf die erwähnten Regeleinrichtungen zurückgegriffen werden, wobei zusätzlich Zulauf- und Ablaufmengen des Restsees sowie der Wasserspiegelgang meßtechnisch erfaßt werden.

Claims (5)

1. Anordnung zur Sicherung von subaquatischen Altablagerungen oder Altlasten in gefluteten Tagebaurestlöchern durch Verminderung des Stoffaustrages oder der Stofffrachten in den Wasserpfad oder Schutzgutgewässer, dadurch gekennzeichnet,
daß ein hydraulischer Einschluß der Altablagerungen oder Altlasten (1) zur Durchströmungsreduzierung dieser mittels eines Tiefenwasserdrainagesystems erfolgt, welches vertikale (6) und horizontale (5) Drainagerohre aufweist, die mit einem jeweiligen Drainabschnitt (8) hin zum umgebenden Liegenden (4) führen,
weiterhin die Drainagerohre (5, 6) über Vollrohrstrecken zu einem oberhalb des Restseespiegels (3) befindlichen Auslauf (7) führen und im Bereich der Vollrohrstrecken oder des Auslaufs (7) je eine Strömungsregelungseinrichtung (9) angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drainagerohre im Bereich des Liegenden als Filter­ brunnen und Filterrohr mit Verkiesung ausgebildet sind und die Vollrohrstrecken mindestens teilweise durch die Altlast (1) und/oder den Restsee zur Restseeoberfläche (3) führen, wobei mindestens die vertikalen Abschnitte (6) der Vollrohrstrecke im Restsee durch eine Verankerungseinrichtung (10) befestigt sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Abschluß des Auslaufes (7) jeweils ein Fangsieb oder Fangnetz zur Verhinderung von unerwünschtem Eintrag in das Drainagesystem aufweist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontalen (5) Bereiche des Tiefenwasserdrainage­ systems im wesentlichen außenumfangsseitig und die vertikalen (6) Bereiche des Systems im wesentlichen unterhalb der sub­ aquatischen Altlast (1) hin zum umgebenden Liegenden (4) angeordnet sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontalen und vertikalen Ausdehnungen des Tiefen­ wasserdrainagesystems in Anhängigkeit vom historischen Zustand und der Lage der Altlast, dem Grundwasserzufluß und der geolo­ gisch relevanten Umgebung sowie der gegebenen und erwarteten Restseewasserspiegel festlegbar sind.