Projekt 15339/01

Prognose geochemischer Auswirkungen der Nachnutzung stillgelegter Bergbau-Stollnsysteme

Projektträger

Technische Universität Bergakademie FreibergInstitut für Mineralogie
Brennhausgasse 14
09596 Freiberg
Telefon: 03731/39-2665

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Eine umweltverträgliche Nachnutzung von Bergbau-Stollensystemen setzt exaktes Wissen um die aktuellen geochemischen Mobilisierungs-, Transport- und Fixierungsprozesse und ihr Verhalten bei Veränderung der hydrologischen Bedingungen voraus. Mit diesem Forschungsvorhaben sollen verallgemeinerbare methodische Grundlagen für die Beurteilung derartiger Stollensysteme und entsprechende Prognosen erarbeitet werden. Den praktischen Hintergrund für das beantragte Forschungsvorhaben bildet die angedachte Wiederinbetriebnahme des Kavernenkraftwerkes im Drei-Brüder-Schacht Zug bei Freiberg.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenMit Hilfe eines geochemischen Jahresmonitorrings im Wochenabstand, kombiniert mit einer Online-Erfassung des Durchflusses und der Summe gelöster Stoffe im Stollenwasser, wird der Ist-Zustand des Stoffaustrages aus den Grubenbauen, die das potentielle Speicherreservoir des Kavernenkraftwerkes bilden, erfasst und dokumentiert. Dazu wird eine spezielle, untertagetaugliche autonome Langzeitmessmethodik entwickelt und angewandt. Die geochemische Untersuchung des Stollenwassers konzentriert sich neben der Erfassung und qualitativ/quantitativen Charakterisierung des gelösten Stoffaustrages auch auf die Erfassung und Charakterisierung des partikulären Austrages sowie eines möglichen und durchflussabhängigen Schadstoffrückhaltevermögens des Stollensystems. Weiterhin werden durch Langzeitbeobachtungen und geochemische Untersuchungen an einem Modellanstau Aussagen zur Entwicklung des geochemischen Milieus im untertägigen Staureservoir gewonnen. Über die Zusammenhänge von Konzentration und Abflussmengen sollen mögliche Entwicklungen des Schadstoffaustrages bei Nutzung des Stollensystems prognostiziert werden. Möglichkeiten für eine Einflussnahme zur Verbesse-rung der Wasserqualität der Vorflut durch Steuerung des Abflussgeschehens mittels Stauhaltung sollen konzipiert werden.


Ergebnisse und Diskussion

Die im Projekt entwickelte Messmethodik sowie die Konzeption für das geochemische Monitorring haben sich bewährt. Dadurch konnten mit ausreichender Genauigkeit und im notwendigen Umfang die Daten für die geforderten Aussagen gewonnen werden.Es konnte eine Korrelation zwischen dem Abfluss und den Stoffkonzentrationen nachgewiesen werden, die sich mit Potenzfunktionen beschreiben lässt. Hochwasserereignisse treten für gewöhnlich nach einer raschen Schneeschmelze im Frühjahr auf, wobei die relativ rasche Reaktion des Grubengebäudes auf einen anderen hydraulischen Mechanismus als die Versickerung schließen lässt. Am Beginn des Wasserstandsanstieges wird eine kurzzeitige Leitfähigkeits- und Temperaturerhöhung registriert. Nach ca. 8 Stunden sinken Leitfähigkeit und Temperatur infolge des Verdünnungseffektes stark ab. Mit dem Absinken des Wasserstandes verringert sich der Verdünnungseffekt und es wird wieder eine Leitfähigkeits- und Temperaturanstieg registriert. Die gelösten Stoffkonzentrationen spiegeln diesen Trend wider. Die registrierten Schwankungen in der Gesamtkonzentration werden durch die verstärkte Schwebführung bei Hochwasser verursacht, wobei nicht zwischen resuspendierten und frisch gebildeten Schwebstoffen un-terschieden werden kann. Eine Sedimentresuspension erfolgte bei ca. 800 l/s Abfluss im Frühjahr 1999. Im Frühjahr 2000 konnte keine Trübung des Wassers durch resuspendiertes Sedimentmaterial bei max. 1.100 l/s beobachtet wer-den. Da die Wassermenge 1999 etwa einem 10-Jahresereignis entspricht, ist also von einer regelmäßigen natürlichen Stollenspülung auszugehen, welche die Sedimente der letzten 10 Jahre ausräumt. In den Folgejahren steht kein loses Sediment mehr an. Ein Trockenfallen der Sedimente bei Kraftwerksbetrieb sollte vermieden werden. Anderseits könnten durch Krustenbildung bei längerem Trockenfallen die bereits im Stollen lagernden Sedimente besser fixiert werden. Hier besteht noch Forschungsbedarf.
Die Vorflut Triebisch erfüllt bereits vor dem Zulauf des Stollenwassers für die Elemente Zn und Cd nicht die Zielvorgaben (BLAK QZ) für aquatische Lebensgemeinschaften (Faktor 3 bzw. 7). Nach dem Zulauf werden auch die Zielvorgaben für Cu und Ni nicht erfüllt und die Faktoren für Zn (173) und Cd (209) steigen dramatisch an. Die gelösten Konzentrationen Al, As, Pb und Fe werden durch den Zufluss des Stollenwassers in der Triebisch verringert. Die Pflanzenverfügbarkeit v.a. von As und Pb wird dadurch deut-lich eingeschränkt. Die Gesamtkonzentrationen an Schwermetallen werden allerdings stark erhöht. Insgesamt übergibt der Stollen beispielsweise ca. 80 t Zn und 500 kg Cd im Jahr in die Vorflut.
Eine Verbesserung der Wasserqualität kann durch die Zufuhr von sauberem Wasser aus dem Kunstgrabensystem der Landes-Talsperren-Verwaltung erreicht werden. Dies konnte in einem Versuch nachgewiesen werden und wird als Maßnahme zur Verringerung der Konzentrationen empfohlen.Der Modellstauversuch ergab keine Indizien für Redox oder Temperaturschichtung im Stauraum. Auch eine mechanische Mobilisierung der im Stauraum lagernden Sedimente kann weitestgehend ausgeschlossen werden. Konzentrationserhöhungen durch die Lösung von Sulfidoxidationsprodukten konnten nicht festgestellt werden, da das Stauraumvolumen nur ca. einem 20.000-stel des späteren entspricht kann allerdings eine Konzentrationserhöhung für den späteren Staubetrieb nicht sicher ausgeschlossen werden. Nach den bisherigen Erfahrungen und den Entwicklungen bei Hochwasser wird aber von einer zeitlich auf die Anfangsphase des Anstaus begrenzten Konzentrationserhöhung ausgegangen. Diese könnte durch Frischwasserzufuhr gemildert werden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Überregional wurde in der Sächsischen Zeitung am 15.03.2000 auf der Wissenschaftsseite ein vierspaltiger Bericht mit dem Titel Studium in ewiger Nacht und Stille veröffentlicht. Am 13.04.2000, 17:25 Uhr wurde in der Sendung des Mitteldeutschen Rundfunks (MDR) in der Sendung Hier ab vier ein zweieinhalbminütiger Beitrag über die Forschungsarbeiten unter Tage ausgestrahlt. Im Internet wird das Projekt präsentiert unter : http://www.mineral.tu-freiberg.de/geochemie/dbu_kkw/


Fazit

Es konnte eine belastbare Datengrundlage für die Prognose von verschiedenen Nutzungsvarianten geschaffen werden, sowie auf Grund der meteorologischen Bedingungen in der Bearbeitungszeit der Schwankungsbereich für die Schwermetallbelastung des Stollen erfasst werden. Dieser ermöglicht die Einordnung der Veränderungen der Wasserqualität bei einer Nutzung des Stollens.