DE19758492C2

DE19758492C2 - Verfahren zum Schutz der Umgebung eines Tagebaus durch Sicherung von subaquatischen Altlasten

Info

Publication number: DE19758492C2
Application number: DE19758492A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schroeter
Original assignee: IHU GES fur INGENIEUR HYDRO U
Current assignee: IHU GES fur INGENIEUR HYDRO U
Priority date: 1997-06-16
Filing date: 1997-07-11
Publication date: 2000-05-18
Anticipated expiration: 2017-07-12
Also published as: DE19758492A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz der Umgebung eines Tagebaus durch Sicherung von subaquatischen Altlasten in gefluteten Tagebaurestlöchern durch Verminderung des Stoffaustrags oder Frachten in den Wasserpfad oder Schutzgutgewässer. DOLLAR A Erfindungsgemäß erfolgt ein hydraulischer Einlaß oder die langzeitliche Sicherung der Altlasten zur Durchströmungsreduzierung insgesamt, wobei anströmende Liegendwässer aus den Randbereichen der Altlast durch ein Tiefenwasserdrainagesystem aus dem umgebenden Liegenden und/oder verspülten oder unverspülten Kippen mittels gespannter Grundwässer in den Restsee kreislaufbildend zurückgeführt werden. Das Tiefenwasserdrainagesystem ist hydraulisch so ausgerichtet, daß bis zu 90% einer prognostizierten Durchströmungsmenge der subaquatischen Altlast erfaßt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz der Umgebung eines Tagebaus durch Sicherung von subaquatischen Altlasten in gefluteten Tagebaurestlöchern durch Verminderung des Stoffaus trags oder Frachten in den Wasserpfad oder Schutzgutgewässer mittels hydraulischer Maßnahmen.

Es ist bekannt, Altlasten im Grundwasser entweder mit hohem technischen Aufwand herauszulösen, um die Bestandteile auf 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 Altlast zu separieren, um sie mit den gewünschten 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 gefluteter Tagebau-Restlöcher kaum möglich ist. Einzelheiten zur Entsorgung von Altablagerungen sind in der TA-Abfall bzw. TA-Siedlungsabfall bzw. für Braunkohlenbergbaugebiete und Reststoffverbringung im Rahmen des Bundesberggesetzes geregelt.

Bei subaquatischen Altlasten, beispielsweise 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 Grundwasserdurchströ mungen mit entsprechendem Stoffaustrag oder Verlagerung von Frachten in den Wasserpfad zu rechnen ist, verbleibt bisher nur das Anwenden der oben kurz beschriebenen Sanierungs- bzw. Sicherungsmaßnahmen, 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 Unter suchungen 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.

Des weiteren 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 daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Schutz der Umgebung eines Tagebaus durch 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 Sicherungskon zepts bilden die behördlich angezeigten Sicherungs- und Nutzungsziele sowie die Gewährleistung des Schutzes der be stehenden und geplanten wasserwirtschaftlichen Ordnung.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Lehre gemäß dem Patentanspruch.

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, die sich im verfüllten Bereich einer Tagebaurestloch-Kippe befindet und mit Wasser überdeckt ist, quasi hydraulisch einzuschließen und die Durchströmungsmengen zu senken, so daß zum einen die gewünschten Effekte der Senkung des Gefährungspotentials des Schutzgutgewässers erreicht werden können und zum anderen wasserwirtschaftlich relevante Sanierungsmaßnahmen in Verbindung mit biologischer, chemischer und physikalischer Dekontamination anwendbar sind. Die vertikale Tiefenwasserdrainage wird dabei sowohl in den Kippenbereich als auch zum natürlichen Lockergestein geführt.

Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, eine Senkung der Durchströmungsmengen hin zu einer quasi-Nulldurchströmung der Altlasten unter Gewährleistung einer hydraulischen Liegenddruckbarriere zu erreichen. Anströmende Liegendwässer aus den Randbereichen 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 Stoffaustrags in den Wasserpfad und die aufgabengemäße Reduzierung des Gefährdungspotentials der Altlast erreicht werden kann.

Verfahrensseitig 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.

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

Unter Rückgriff auf den erwähnten Grundgedanken der Erfindung wird also eine hydraulische Sicherung der Altlasten mit dem Ziel der Durchströmungsreduzierung vorgenommen, 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 bildet 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 ermöglichen, erfolgt kontinuierlich oder diskontinuierlich das Erfassen von Grundwasserdrücken bzw eine Grundwassermessung sowie die Bestimmung von Restseezu- und -ablaufwassermengen bei gleichzeitiger Bestimmung des Restseewasserspiegels.

Zur Durchführung des Verfahrens wird für den hydraulischen Einschluß oder Sicherung der 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 befindlichen Auslauf geführt. Im Bereich der Vollrohrstrecken oder des Auslaufs ist jeweils eine Strömungsregelungseinrichtung angeordnet, mit deren Hilfe unter Berücksichtigung hydrostatischer Druckhöhen eine Durchströmungsbeeinflussung erfolgen kann.

Die Drainagerohre des Tiefenwasserdrainagesystems sind im Lie genden als Filterbrunnen ausgebildet. Die Vollrohrstrecken können mindestens teilweise durch die Altlast und/oder den Restsee zur Restseeoberfläche geführt werden, wobei mindestens die vertikalen Abschnitte der Vollrohrstrecke im Restsee durch geeignete Einrichtungen verankert sind.

Zum Vermeiden eines unerwünschten Eintrags von Fremdkörpern in das Drainagesystem besitzen die jeweils oberen Abschlüsse des Auslaufs jeweils ein Fangsieb, ein Fangnetz oder dergleichen. Zur Drucksteuerung respektive Druckbeeinflussung besteht die Möglichkeit, die Höhe der vertikalen Abschnitte der Vollrohr strecke bzw. des Auflaufs bezogen auf den Restseewasserspiegel veränderbar zu gestalten oder die Ausläufe am Seegrund mit entsprechenden Sicherungs- und Steuerungselementen zu instal lieren.

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.

Die horizontale und vertikale Ausdehnung des Tiefenwasser drainagesystems wird 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 Altlast durch Liegendspeisung und Randzuflüsse die Folge ist. Mittels der kontrollierten Liegenddrucksteuerung können also Durchströmungsmengen verringert werden, so daß auch der kon vektive Stoffaustrag aus der Altlast reduzierbar ist. Sekundär folgt daraus eine Senkung negativer Einflüsse auf den Wasser pfad, so daß sich wesentliche umweltökologische und wirt schaftliche Vorteile einstellen.

Die beschriebene Lösung kann bei ökologischen Sanierungspro jekten im Braunkohlenbergbau Anwendung finden. 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 Gefährungen.

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

Wie dargelegt, erfolgt sowohl ein Monitoring, d. h. eine Erfas sung zugeführten Frischwassers als auch des Ablaufes hin zu einem Vorfluter. Vorflutseitig ist eine Wasseraufbereitungs anlage 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 vertikalen Verlauf und Strömungsverhältnisse des Grundwassers im Bereich der Damm- und Bergbaukippe. Hinsichtlich der hydraulischen Sicherung wird auf signifikante Wirkungszu sammenhänge sogenannter artesischer Brunnen, d. h. gespannte Grundwässer zurückgegriffen.

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

Das Verfahren zum Schutz der Umgebung eines Tagebaus durch Sicherung von subaquatischen 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 1 erfolgt nun mit Hilfe eines Tiefenwasserdrainagesystems, umfassend eine horizontale Tiefenwasserdrainage 5 und eine vertikale Tiefenwasserdrainage 6.

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

Bei dem in das umgebende Liegende reichenden Abschnitt der vertikalen Tiefenwasserdrainage 6 sind Filterrohre mit Verkie sung 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 Austrags, beim gezeigten Beispiel durch die subaquatische Altlast 1 und den Restsee hindurch oberhalb zum Restseespiegel gefördert. Mit dem Bezugszeichen 9 versehene Darstellungen verkörpern Einrichtungen zur Regelung der Strömung innerhalb des entsprechendes Teiles der Tiefenwasser drainage.

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 Tiefenwasserdrainagesystem aus dem umgebenden Liegenden aufgenommen und mittels gespannter Grundwässer über die Vollrohrabschnitte dem Restsee wieder zugeführt werden. Unter prinzipieller Minimierung der Strömungsmenge wird ein annä hernder Kreislauf eingestellt.

Das hydraulische System ist gemäß Ausführungsbeispiel so dimensioniert, 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% gesenkte Durchströmungsmenge oder Spüldeponie kann ohne die Tiefen wasserdrainagen 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 der Liegendaquifer größer als der Druck der subaquatischen Altlast und dieser wiederum größer als der Druck des Restsees ist und 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 maximal mögliche Durchströmungsminimierung sicherstellen. Ergänzend kann zur Dimenmsionierung der Drucksteuerung und der Überlaufmengen auf die erwähnten Regeleinrichtungen zurück gegriffen werden, wobei zusätzlich zulauf- und Ablaufmengen des Restsees sowie der Wasserspiegelgang meßtechnisch erfaßt werden.

Claims

Verfahren zum Schutz der Umgebung eines Tagebaus durch Sicherung von subaquatischen Altlasten in gefluteten Tagebaurestlöchern durch Verminderung des Stoffaustrags oder Frachten in den Wasserpfad oder Schutzgutgewässer mittels hydraulischer Maßnahmen, wobei ausströmende Liegendwässer der Altlasten durch ein horizontales und vertikales Tiefenwasserdrainagesystem aus dem umgebenden Liegenden und/oder verspülten oder unverspülten Kippen mittels gespannter Grundwässer in den Restsee einen Kreislauf bildend zurückgeführt werden, wobei die Druckverhältnisse für das hydraulische Tiefenwasserdrainagesystem wie folgt eingestellt werden:
(p^Q _liki) < (p^Q _st) < (p_Gew) mit
p^Q _liki = Druck der Liegendaquifer,
p^Q _st = Druck der subaquatischen Altlast und
p_Gew = Druck des Restsees,
und daß das Restwasser nach mindestens einer der nachstehenden Maßnahmen behandelt wird:
Frischwassertiefenbelüftung, Sauerstoffseebelüftung, phyto technologische Behandlung zur biologischen Klärung, chemisches und/oder physikalische Reinigen oder Ausfällen von Schad stoffen.