Das Ziel dieses Antrags ist die Entwicklung eines partikel-basierenden skalenübergreifenden Modells zur Simulation von Strömung und Transport in ungesättigten Klüften und angrenzender poröser Matrix. Die Beschreibung von Strömung- und Transportprozessen in ungesättigten geklüftet-porösen Medien stellt immer noch große Herausforderungen an die Wissenschaft, ist jedoch in vielen Anwendungsbereichen von großer Bedeutung wie z.B. im Zusammenhang mit der Quantifizierung der Infiltration durch mächtige ungesättigte Felsmaterialien (Endlagerforschung), mit der Prognose der Grundwasserneubildung durch geklüftete Festgesteine und Aquifervulnerabilität. Strömungs- und Transportprozesse in ungesättigten geklüfteten Grundwasserleitern werden häufig durch ihre heterogene Geometrie und hohen Kontraste in den hydraulischen Eigenschaften dominiert. Strömungen in ungesättigten Klüften sind aufgrund des komplexen Zusammenspiels von Gravitations-, Trägheitseffekten, Kapillarkräften, Oberflächenspannung, Benetzungsdynamiken und der hochvariablen Kluftgeometrie schwer zu prognostizieren. Laborexperimente und numerische Modelle sind häufig eine der wenigen Möglichkeiten die höchst nichtlinearen Strömungsprozesse und den Effekt der Wechselwirkung an komplexen Mehrphasengrenzflächen innerhalb der Klüfte zu erfassen. Insbesondere starke Deformationen der Grenzflächen können mit grid-basierenden Modellen nur unter hohem Aufwand umgesetzt werden. Eine einfachere Methode zur Simulation bieten jedoch partikel-basierte Methoden. Freie Oberflächen und Phasengrenzen bewegen sich hierbei mit den Partikeln, so dass keine komplexen front-tracking Algorithmen notwendig sind.In der Regel sind Kluftsysteme in eine poröse Matrix eingebettet, die in Modellierungsansätzen explizit erfasst werden muss. Die Kluft-Matrix Grenzfläche bildet somit eine wesentliche Schnittstelle zwischen der porösen Matrix, die als Hauptspeicher wirkt, und den Klüften, welche die dominierende hydraulische Verbindung durch die ungesättigte Zone bilden. Um die Verknüpfung dieser beiden Komponenten auf Prozessebene simulieren zu können sind skalenübergreifende Modellansätze notwendig. Im Rahmen des hier beantragten Vorhabens soll ein skalenübergreifendes Smoothed Particle Hydrodynamics Modell entwickelt werden. Die ungesättigte Strömung und der Transport innerhalb der porösen Matrix soll durch klassische Ansätze (Richards) abgebildet und mit den hochdynamischen Strömungs- und Transportprozessen (z.B. adsorbierte Filme, Tropfen, Rinnsäle) auf den Kluftoberflächen gekoppelt werden. Das Modell wird in ein einzigen numerisches Framework eingebunden, so dass Kopplungsmethoden vereinfacht und unterschiedliche Lösungsalgorithmen vermieden werden. Das Modell wird durch numerische Experimente und Laborexperimente validiert und eingesetzt um Effekte komplexer ungesättigter Kluftströmung auf Befeuchtungs- und Transportdynamiken an der Kluft-Matrix-Grenzfläche quantitativ und physikalisch basiert beschreiben zu können.
Das Messnetz "Bodenwasserhaushalt" dient der kontinuierlichen Erfassung der Interaktion zwischen Witterung, Bewuchs und Bodenwasserhaushalt. Es umfasst 21 wägbare Lysimeter mit natürlichen Ackerböden, 5 wägbare Lysimeter mit Böden von der Kippe der ehemaligen Tagebaue Espenhain und Witznitz sowie 2 nichtwägbare Lysimeter im Forst Naunhof. Desweiteren werden am Standort Brandis unterschiedliche Niederschlagsmesser, eine Klimastation und Bulksammler (zur Messung der Gesamtdeposition) betrieben. Die Datenerfassung sowie -auswertung erfolgt derzeit ausschließlich in der UBG (GB3). Arbeitsschwerpunkte der Auswertung sind: - Transport- und Umsatzprozesse in der ungesättigten Zone - Auswirkung von landwirtschaftlichen Bewirtschaftungsstrategien auf die GW-Beschaffenheit - Klimawandel und Bodenwasserhaushalt - Bereitstellung der Daten für Simulationsmodelle WH-Verfahren.
Im Rahmen des Teilprojekts Modellierung des Forschungsverbundvorhabens 'Nachhaltige Altlastenbewältigung unter Einbeziehung des natürlichen Reinigungsvermögens' wird ein Prognoseinstrument entwickelt, das die Ausbreitung und den Abbau von Schadstoffen in der (un-)gesättigten Bodenzone in Form einer numerischen Simulation abbildet. Dazu musste in der ersten Projektphase ein existierendes Simulationswerkzeug (Richy1D) insbesondere um die Beschreibung von natürlichen Abbauvorgängen erweitert werden. Die nötigen Arbeiten auf dem Gebiet der Modellentwicklung resultierten zunächst in Implementierungen von Abbaumechanismen 0. und 1. Ordnung, die bereits lineare, irreversible Reaktionsnetzwerke mit beliebigen Reaktionspartnern abbildbar machen. Derartige Abbauketten sind etwa zur vereinfachten Beschreibung des LHKW-Abbaus weit verbreitet. Die Abhängigkeit der Reaktionsraten von Vorhandensein und Aktivität lebender Organismen, die diese Abbauvorgänge katalysieren, wird vom Monod-Modell widergespiegelt. Dieses wurde formuliert und implementiert für Umsetzungen mit beteiligter Biomasse und zwei Reaktionspartnern, dem Elektronendonator und einem Elektronenakzeptor (sog. 3-Komponentenmodell). Die Berücksichtigung des Konzepts der Redoxzonen, in welchen unterschiedliche Mikrobenspezies agieren und verschieden Abbauwege möglich sind, mündet in der Formulierung eines allgemeinen Monod-Modells mit einer beliebigen Anzahl von unterschiedlichen Biomassenspezies, Abbauwegen, Reaktionspartnern und Hemmstoffen. Um schließlich allgemeinste chemische Reaktionsgleichgewichte oder Kinetiken berücksichtigen zu können, wird derzeit an der Realisation eines allgemeinen Mehrkomponentenmodelles gearbeitet. Die Nutzung komplexer Simulationsmodelle für reale Fallstudien stellt hohe Anforderungen an die Datenlage der Standorte. Ein Hilfsmittel zur Gewinnung von Modellparametern stellt die Identifizierung dieser mittels inverser Simulation geeigneter (Säulen-) Experimente dar. Die am Lehrstuhl entwickelte Software wurde hier entsprechend den Anforderungen eines Teilprojekts einem speziellen Experimentdesign, dem sog. Kreislaufexperiment, angepasst. Desweiteren wurde eine neue Parametrisierungsmöglichkeit für die zu identifizierenden Funktionen geschaffen, welche zu verbesserter numerischer Stabiliät führt. Die Funktionen sind nun durch monotone, stückweise kubische Splines darstellbar. Die Identifizierungssoftware ist auch auf die Parameter des 3-Komponenten-Monod-Modells erweitert. Zur Erstellung einer räumlich dreidimensionalen, instationären Wasserhaushalts- und Stofftransportsimulation Richy3D wurden zunächst zweidimensionale Vorarbeiten auf die aktuellste Version des Programmbaukastens ug portiert, was sowohl die Verfolgung adaptiver Rechenkonzepte (variable Steuerung numerischer Parameter wie Zeitschrittweite und Feinheit des räumlichen Gitters) ermöglicht, als auch einen übergang zu parallelen Datenstrukturen bietet. Dazu wurde in weiten Teilen die Diskretisierung ...
Grundwasser ist weltweit die wichtigste Trinkwasserressource. Seine Menge und Qualität werden u.a. durch nicht nachhaltige Nutzung, diffuse Schadstoffeinträge und Veränderungen der biogeochemischen Verhältnisse beeinträchtigt. Grundwasserschutz erfordert die Betrachtung des gekoppelten terrestrischen Hydrosystems mit Atmosphären- und Landoberflächenprozessen, Oberflächengewässern, der ungesättigten Bodenzone und den Grundwasserleitern im Einzugsgebietsmaßstab. Die zugehörige Prozessbeschreibung ist unsicher, wird durch Heterogenität beeinflusst und unterliegt permanentem Wandel. Für die nachhaltige Bewirtschaftung von Grundwasserressourcen unter Klima- und Landnutzungswandel sind Modelle erforder-lich, die alle relevanten hydrologischen und (bio)geochemischen Prozesse als gekoppeltes, wechselwirken-des System simulieren. Solche physikalisch-basierten Modelle finden allmählich ersten Eingang in die Wassermengenwirtschaft. Erweiterungen in Bezug auf Wasserqualität stehen jedoch am Anfang und sind mit Schwierigkeiten auf der konzeptionellen Ebene sowie im Upscaling auf die Einzugsgebietsskala konfrontiert. Die Hauptziele des Internationalen Graduiertenkollegs liegen darin (a) Spezialisten aller relevanten Unterdisziplinen für die integrierte Bewertung und Modellierung gekoppelter Hydrosysteme von den Universitäten Tübingen, Waterloo (Kanada), Hohenheim und Stuttgart zusammenzubringen, (b) Doktoranden in den zugrundeliegenden hydrologischen und (bio)geochemischen Prozessen sowie ihrer Modellierung auf der Einzugsgebietsskala gemeinsam auszubilden und (c) Modellwerkzeuge weiterzuentwickeln, um die Prozesse, welche die Wasserqualität auf der Einzugsgebietsskala bestimmen, unter Berücksichtigung der internen Heterogenität und veränderter Antriebe besser zu verstehen. Das Forschungsprogramm ist in vier Themenbereiche gegliedert: A: Flüsse an der Landoberfläche, B: Biogeochemische Reaktionen in Einzugsgebieten, C: Unsicherheitsbewertung großskaliger Modelle und D: Natürliche Entwicklung von Einzugsgebieten. Das Qualifizierungsprogramm umfasst (i) eine Institutionen übergreifende Betreuung, (ii) obligatorische Forschungs- und Ausbildungsaufenthalte an der Partnerinstitution, (iii) gemeinsame Frühjahrs/Herbstschulen, (iv) die Teilnahme an einem strukturierten Doktorandenprogramm und (v) die Förderung von Schlüsselqualifikationen zur Erhöhung der Arbeitsmarktfähigkeit nach dem Abschluss. Das Qualitätsmanagement beruht auf dem plan-do-check-act Prinzip.
Grundwasser: Mächtigkeit der ungesättigten Bodenzone Die geometrischen Daten sind im Rahmen des Projektes „Grundwasserflurabstand des Hauptgrundwasserleiters Brandenburg“ 2013 erarbeitet worden. Die Mächtigkeit der ungesättigten Bodenzone wird als lotrechter Abstand zwischen der Geländeoberfläche und der Grundwasserdruckfläche definiert. Für die Regionalisierung wurde auf ca. 14.100 Bohrungen und einem Kriging-Interpolationsverfahren zurückgegriffen. Die Auflösung erfolgte im Raster von 10x10 m. Errechnete Flächen von < 25.000 m2 sind in die umhüllende Fläche eingegangen. Seen mit einer Flächen < 25.000 m2 sind nicht berücksichtigt worden und ebenfalls in die umgebende Fläche aufgelöst worden. Tagebauflächen (Stand 2011) wurden ausgeschnitten. Im Ergebnis der Bearbeitung konnten über 37.700 Einzelflächen in 13 Klassen der Mächtigkeit dokumentiert werden. Davon weisen 31 % der Landoberfläche eine ungesättigte Bodenzone von < 2 m und 50 % von < 5 m Mächtigkeit auf. Grundwasser: Mächtigkeit der ungesättigten Bodenzone Die geometrischen Daten sind im Rahmen des Projektes „Grundwasserflurabstand des Hauptgrundwasserleiters Brandenburg“ 2013 erarbeitet worden. Die Mächtigkeit der ungesättigten Bodenzone wird als lotrechter Abstand zwischen der Geländeoberfläche und der Grundwasserdruckfläche definiert. Für die Regionalisierung wurde auf ca. 14.100 Bohrungen und einem Kriging-Interpolationsverfahren zurückgegriffen. Die Auflösung erfolgte im Raster von 10x10 m. Errechnete Flächen von < 25.000 m2 sind in die umhüllende Fläche eingegangen. Seen mit einer Flächen < 25.000 m2 sind nicht berücksichtigt worden und ebenfalls in die umgebende Fläche aufgelöst worden. Tagebauflächen (Stand 2011) wurden ausgeschnitten. Im Ergebnis der Bearbeitung konnten über 37.700 Einzelflächen in 13 Klassen der Mächtigkeit dokumentiert werden. Davon weisen 31 % der Landoberfläche eine ungesättigte Bodenzone von < 2 m und 50 % von < 5 m Mächtigkeit auf.
Der Standort in der Wilhelminenhofstraße wurde im Zeitraum 1894 bis 1945 durch die teerverarbeitende Industrie zur Produktion von Dachpappe, Asphalt und anderen Mineralölprodukten genutzt. Seit 1961 fand die Ansiedlung von Mischgewerbe statt (z.B. Kfz-Werkstätten, Reifenhandel, Malerlager). Nach 1990 wurde das Gelände durch die Karl-Unternehmensgruppe übernommen. Als Folge von Kriegseinwirkungen, Havarien, Leckagen und Handhabungsverlusten ist eine massive Verunreinigung der Umweltkompartimente Boden und Grundwasser durch flüssige Teerphase [polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)] erfolgt. Die Schwerphase ist gravitativ in den 1. unbedeckten Aquifer eingedrungen und hat sich auf der Oberfläche des folgenden Geringleiters (Geschiebemergel) ausgebreitet. Daneben konnte auch eine flächenhafte Verbreitung der Verunreinigung in der ungesättigten Bodenzone ermittelt werden. Bedingt durch die Lage im Anstrom der Fassungen des Wasserwerks Wuhlheide und die damit verbundene Gefährdung der Trinkwassergewinnung wurden seit 1992 erste Erkundungsmaßnahmen umgesetzt (Boden, Bodenluft, Grundwasser). Dabei wurden im Grundwasser bereits früh Belastungen durch PAK, BTEX, NSO-Heterozyklen (ein- oder mehrkernige zyklische Kohlenwasserstoffverbindungen, in denen mindestens ein Kohlenstoff-Ringatom durch Stickstoff, Schwefel oder Sauerstoff ersetzt ist) und Mineralölkohlenwasserstoffe (MKW) nachgewiesen. Zur weiteren Eingrenzung der Schadstoffverbreitung und zur Beurteilung der Gefährdungssituation wurde seit 2002 im Rahmen mehrerer Kampagnen ein Netz aus 15 Messstellengruppen mit insgesamt 22 Einzelpegeln eingerichtet. In den Jahren 2003/2004 wurde anhand einer intensiven historischen Erkundung die Lokalisierung der Lage von Anlagenteilen wie z. B. Teerbecken, Rohrleitungen und Rührwerken vorgenommen. In diesem Zusammenhang ist auch eine Bestandsaufnahme sämtlicher Gebäudeteile einschließlich der Öffnung verschlossener Bauteile erfolgt. In 2011 wurden die Untersuchungen durch die rechnerische Modellierung der Staueroberfläche ergänzt, um Bereiche (Senken) auszukartieren, in denen eine Akkumulation der Schwerphase zu erwarten war. Als sanierungsvorbereitende Arbeiten wurde in 2010 zunächst der gesamte Gebäudebestand (26.300 m³ umbauter Raum) zurückgebaut. In 2011 sind die Rückbauarbeiten mit der Beseitigung der Teerbecken und der Tiefenenttrümmerung des Untergrundes auf dem Gesamtareal fortgesetzt worden. Dabei erfolgte bereits auch der Voraushub für die anschließende Bodensanierung. Ab 2012 wurden dann die Arbeiten für den Bodenaustausch bis ca. 11 m unter Geländeoberkante aufgenommen. In dem zentralen Grundstücksbereich wurde der belastete Boden an 256 Bohransatzpunkten im Wabenverfahren entnommen und durch sauberen Füllboden (LAGA Z0) ersetzt. Zum Schutz der Nachbarbebauung mussten die Bohrungen im randlichen Sanierungsbereich als Großlochbohrungen ausgeführt werden. Neben dem Bodenaustausch im hochbelasteten Bereich erfolgte über die unmittelbare Gefahrenabwehr hinaus auch auf dem restlichen Grundstück auf Initiative und Kosten des Grundstückseigentümers die komplette Tiefenenttrümmerung (Abbruch der unterirdischen Bauten) und ein Austausch der oberen Bodenschicht. Bei der Beseitigung des Teerbeckens, der Tiefenenttrümmerung und des Voraushubs wurden 5.600 t gefährliche Abfälle (>LAGA Z2) entsorgt (zusätzlich 200 t Teere). Durch den anschließenden Bodenaustausch mit dem Wabenverfahren und den Großlochbohrungen wurden weitere 28.700 t an kontaminiertem Material aus dem Untergrund entfernt. Zur Erfassung der im Grundwasser gelösten Schadstoffe und Verhinderung eines Abstroms in Richtung der Wasserfassungen des Wasserwerks Wuhlheide wurde in 2012 eine hydraulische Sicherungs-/ Sanierungsmaßnahme mit Förderung von Grundwasser aus 2 Brunnen aufgenommen. Dadurch sollte auch die Schadstofffracht ausgetragen werden, die durch den Einfluss der Bodensanierung (Energieeintrag durch Erschütterungen) mobilisiert wurde. Gleichzeitig diente die GWRA während der Bodensanierung der Reinigung des Auflastwassers sowie des Wassers aus den Entwässerungscontainern. Die hydraulische Sicherungs-/ Sanierungsmaßnahme (Grundwasserförderung) wurde bis Ende April 2016 fortgeführt. Weiterhin wird die Grundwasserbeschaffenheit durch ein Grundwassermonitoring als Nachsorgemaßnahme mit halbjährlichen Beprobungskampagnen überprüft. Die Gesamtkosten der Sanierung belaufen sich bis Ende 2018 auf 4,2 Mio. €, wobei der weit überwiegende Anteil der Aufwendungen durch die Maßnahmen zur Bodensanierung verursacht wurde. Im Jahr 2013 ist die Neubebauung der sanierten Fläche abgeschlossen worden. Seitdem wird das Grundstück wieder gewerblich genutzt (u. a. Futterhandel, Kfz-Werkstatt).
Die hydrogeologische Profiltypenkarte der ungesättigten Zone ist in digitaler Form vorhanden. Untersucht wurde die ungesättigte Zone (Sickerwasserpassage) bis zum Hauptgrundwasserleiter. Ein Schema definiert 10 charakteristische Profiltypen, die in ihrer flächenhaften Verbreitung dargestellt sind. Es wird zwischen Grundwasserleiter (Sand, Kies) und Grundwassergeringleiter (Geschiebelehm, Geschiebemergel, Beckenton usw.) unterschieden. Als Grundwasserniveau dienten die niedrigen Wasserstände aus dem Trockenjahr 1996.
Der Standort unterliegt seit ca. 100 Jahren einer intensiven industriellen Nutzung. In den Jahren 1910 bis 1945 produzierten die Albatroswerke auf dem Standort Flugzeugteile. Nach dem zweiten Weltkrieg wurde bis zum Jahr 1990 die Fläche als Entwicklungs- und Produktionsstandort von medizinischen Geräten genutzt. Hierbei wurden erhebliche Mengen an leichtflüchtigen chlorierten Kohlenwasserstoffen (LCKW) – insbesondere Perchloretylen (PCE) – als Entfettungsmittel eingesetzt. Besonders durch Handhabungsverluste sind die LCKW-Verbindungen in den Untergrund gelangt. Diese führten dann zur Verunreinigung von Boden, Bodenluft und Grundwasser. Seit 1990 hatten sich auf dem Grundstück diverse Kleingewerbe angesiedelt. Im Jahr 2010 übernahm der Entwicklungsträger, die Adlershof Projekt GmbH als Treuhänder des Landes Berlin, einen Großteil des ehemaligen Grundstückes. Die in den Jahren 1992 bis 1994 durchgeführten Erkundungen belegten für die zwei nachweislichen Eintragsbereiche auf dem Standort (ehemalige PER-Anlage und Lösemittellager) massive Belastungen der Bodenluft mit Maximalgehalten von 8.400 mg/m³ sowie des Grundwassers, dessen maximale LCKW-Gehalte im Jahr 1995 etwa 81.000 µg/l betrugen. Dies führte zur Ausbildung einer Schadstofffahne, die das Grundstück in nordwestlicher Strömungsrichtung verließ und auf die ca. 900 m entfernte Fassung des Wasserwerks Johannisthal gerichtet war. Die LCKW-Schadstofffahne weist zusätzlich eine Breite von 100 m und eine vertikale Ausdehnung bis 35 m unter Geländeoberkante (uGOK) auf. 1994 wurde für den Standort zur Abwehr der hieraus resultierenden Gefahren ein Sanierungskonzept erstellt, das als erste Gefahrenabwehrmaßnahmen die Sanierung der Bodenluft und die Verhinderung der Schadstoffausbreitung im Grundwasserleiter vorsah. Die Bodenluftsanierung erfolgte mittels 4 Absauganlagen von Januar 1995 bis Mai 1997. Mit der Grundwassersicherung und -sanierung wurde ebenfalls 1995 begonnen. Über einen Sicherungsbrunnen im Bereich der nordwestlichen Grundstücksgrenze wurde das weitere Abströmen von belastetem Grundwasser in Richtung Wasserwerk Johannisthal wirksam verhindert. Der Hauptbelastungs-bereich im Abstrom der ehemaligen PER-Anlage konnte über einen Sanierungsbrunnen saniert werden. Die Reinigung des gehobenen mit LCKW kontaminierten Wassers erfolgt über eine doppelstufige Desorptionsanlage (Luftstrippung) mit nachgeschaltetem Aktivkohlefilter zur Reinigung der Prozessluft. Die Maßnahme wurde durch ein halbjährliches Grundwassermonitoring kontinuierlich überwacht. Im Ergebnis hierbei festgestellter Veränderungen des Schadensbildes (insbesondere in seiner vertikalen Ausbreitung) wurde die Grundwassersanierungsmaßnahme mehrfach optimiert und dabei immer dem aktuellen Belastungsprofil angepasst. Trotzdem war im Jahr 2003 als Fazit der achtjährigen Grundwassersanierung festzustellen, dass trotz deutlich gesunkener Schadstoffgehalte im Sanierungsbrunnen (diese lagen zum damaligen Zeitpunkt bei LCKW-Gehalten von 500-700 µg/l) in den umliegenden Messstellen nach anfänglich rapidem Rückgang der LCKW-Konzentrationen diese jedoch seit geraumer Zeit auf deutlich höherem Niveau (bei LCKW-Gehalten von 2.000-4.000 µg/l) stagnierten. Aus diesem Grund wurden im Jahr 2004 die Lage und der Ausbau der Entnahmebrunnen erneut modifiziert und weitere Erkundungen sowie eine Verdichtung des Messnetzes vorgenommen. Im Ergebnis dieser Untersuchungen zeichnete sich jedoch ab, dass im Untergrund lokal hochbelastete Bereiche vorhanden sind, die aufgrund ihres Feinkornanteils sowie ihres Anteils an organischen Beimengung (Kohlepartikel) hydraulisch nicht effektiv sanierbar sind. Aus diesem Grund wurden im Zeitraum 2005/2006 weitere Untersuchungen zur Ausgrenzung der schadstoffakkumulierten Feinsandbereiche mittels Lineruntersuchungen durchgeführt. Nach Vorlage der Ergebnisse wurde mit dem Bund abgestimmt, die Schadstoffquelle mittels eines innovativen Air-Sparging-Verfahrens zu sanieren. Das Projekt wurde über einen Zeitraum von 12 Monaten als Pilotversuch beauftragt. Bei Nachhaltigkeit sollte der Einsatz des Verfahrens verlängert werden. Das gesteuerte Air-Sparging-Verfahren konnte jedoch nicht den gewünschten Sanierungserfolg in den Jahren 2007/2008 erreichen. Grundsätzlich muss man einschätzen, dass stark am Bodengefüge akkumulierte Schadstoffanteile in der Quelle sich weniger effektiv mit in-situ Methoden sanieren lassen. Noch im Jahr 2011 wurden im Quellbereich im oberen Teil des Hauptgrundwasserleiters LCKW-Konzentrationen von knapp 20.000 µg/l gemessen. Nach 16 Jahren aktiver hydraulischer Grundwassersanierung, gekoppelt mit Bodenluftabsaugungsmaßnahmen in der ungesättigten Bodenzone und einem innovativen Air-Sparging-Verfahren zur Dekontamination der grundwassergesättigten Bodenzone musste bilanziert werden, dass einzig eine aktive Herausnahme der LCKW-Bodenkontamination durch ein off-site-Verfahren mittels Bodenaushub und der Entsorgung der Bodenkontaminanten in einer dafür zugelassenen Bodenreinigungsanlage das Sanierungsziel einer nachhaltigen Schadstoffbeseitigung gewährleisten kann. Im Rahmen der Flächenentwicklung des neuen Eigentümers, der Adlershof Projekt GmbH, wurden in den Jahren 2011 und 2012 neue Randbedingungen für die Quellensanierung geschaffen. Nach dem geplanten Abriss der gesamten Gebäudesubstanz, einschließlich einer flächenhaften Tiefenenttrümmerung, bot sich nunmehr die Chance einer gezielten Quellensanierung mittels Bodenaushub. Zur konkreten Quellenausweisung und Festlegung des Sanierungszieles wurden im 2. Halbjahr 2010 abschließende sanierungsvorbereitende Bodenuntersuchungen durch Linerbohrungen durchgeführt. Im Rahmen der dann anschließenden Vorplanung durch ein Gutachterbüro im Auftrag der Senatsverwaltung und der Bundesanstalt für vereinigungsbedingte Sonderaufgaben (BvS) wurden die Grundlagen für die Bodensanierung geschaffen. Nach Abstimmung mit allen Beteiligten über den Sanierungsumfang (Grundstückseigentümer, BvS und Senat) konnte im 1. Halbjahr 2011 die Anordnung zur Bodensanierung durch die zuständige Bodenschutzbehörde erlassen werden. Die dann im 2. Halbjahr 2011 realisierte Sanierungsplanung durch ein externes Ingenieurbüro sieht den Aushub der LCKW-Bodenkontamination in der grundwassergesättigten Bodenzone bis max. 7 m u.GOK mittels einer kleinräumigen Aushubtechnologie (Hexagonalrohraustauschverfahren bzw. Wabe) mit paralleler Grundwassersanierung vor. Aufgrund der stark flüchtigen toxischen Schadstoffe wurden während des Aushubprozesses emissionsmindernde Maßnahmen durch die zuständige Immissionsschutzbehörde der Senatsverwaltung gefordert (u.a. Direktabsaugung an der Wabe, am Container, zusätzliche Verwendung eines Paravents, temporäre Folienabdeckung beim Befüllprozess). Die Bodensanierung umfasst in der ungesättigten Bodenzone ein Aushubvolumen von ca. 3.300 m³ und in der gesättigten Bodenzone von ca. 4.000 m³. Die Durchführung der Sanierungsarbeiten, auf einer Fläche von ca. 1.100 m², erfolgte im Zeitraum März bis Juli 2012. Es wurden bei dieser Maßnahme ca. 7.3000 m³ (ca. 11.000 t) verunreinigter Boden/Bauschutt ausgehoben und entsorgt. Die nachfolgenden Abbildungen und Fotos dokumentieren den Wabenaushubplan mit maximaler Aushubtiefe uGOK, den Baugrubenquerschnitt mit den Phasen 1: geböschter Voraushub (ungesättigte Bodenzone) und 2: Einsatz der Hexagonalrohraushubtechnologie in der gesättigten Bodenzone sowie von den Sanierungsarbeiten am Standort. Nach Abschluss der Quellensanierung wurde ein neu errichtetes Grundwassermessnetz zur Dokumentation des Sanierungserfolges installiert. Durch eine 2 Jahre andauernde nachlaufende hydraulische Abstromsicherung konnten mobilisierte Restschadstoffmengen entfernt und am Verlassen des Grundstückes gehindert werden. Ein externes Ingenieurbüro erhielt den Auftrag, die Tolerierbarkeit der verbliebenen Restbelastungen auf dem Grundstück mit Hilfe eines bestehenden Schadstofftransportmodells hinsichtlich einer potentiellen Gefährdung des Wasserwerkes Johannisthal zu beurteilen. Nachdem durch Grundwassermessungen über einen längeren Zeitraum stagnierende Schadstoffgehalte auf dem Niveau der tolerierbaren Restbelastungen nachgewiesen werden konnten, wurde die hydraulische Maßnahme Mitte 2014 beendet. Die Grundwasserreinigungsanlage, die dazugehörigen technischen Leitungssysteme sowie die Sanierungs- und Sicherungsbrunnen wurden fachgerecht zurückgebaut. Ende 2014/Anfang 2015 wurden alle auf dem Grundstück noch vorhandenen Grundwassermessstellen ordnungsgemäß durch ein Fachunternehmen zurückgebaut. Anfang 2015 wurde außerhalb des Grundstücks in Richtung des Wasserwerkes Johannisthal eine Messstellengruppe zur Abstromüberwachung des Grundstückes errichtet und in das standortübergreifende Monitoring des Ökologischen Großprojektes integriert. Die ersten Grundwasseranalysen von Oktober 2015 mit Kontrolle der Grundwasserbeschaffenheitsverhältnisse bis in 15 m uGOK bestätigten die Nachhaltigkeit der kombinierten Boden- und Grundwassersanierung. Im Zeitraum 2016-2022 wurden 14 weitere Messkampagnen am Standort durchgeführt. Die Messungen bestätigen weiterhin den Sanierungserfolg. Dabei bewegte sich die Summe an LCKW im Grundwasserleiterabschnitt bis 10 m uGOK um 220 µg/l und im Abschnitt zwischen 10–15 m uGOK Ziel der WISTA.Plan GmbH (ehemals Adlershof Projekt GmbH) war es, die gewerbliche Weiternutzung des Standortes nach dem umfassenden Abbruch der Altgebäude, der Tiefenenttrümmerung und der erfolgten LCKW-Boden-, Bodenluft- und Grundwassersanierung für private Investoren zu organisieren und somit die Schaffung neuer Arbeitsplätze zu sichern. Die Neubebauung des Areals wurde im Zeitraum 2017 bis 2020 realisiert. Seither erfolgt eine gewerbliche Nutzung durch Firmen unterschiedlicher Branchen. Insgesamt wurden ca. 4.400 kg LCKW über die Boden-, Bodenluft- und Grundwassersanierung aus dem Untergrund entfernt. Dabei wurden ca. 4 Mio. m³ LCKW – belastetes Grundwasser gefördert und in einer Grundwasserreinigungsanlage gereinigt. Außerdem konnten etwa 300 kg LCKW über die Bodenluftsanierung der ungesättigten Bodenzone entzogen werden. Der Austragsanteil der In-situ Sanierung durch das Air-Sparging-Verfahren betrug ca. 100 kg LCKW. Mit der Bodensanierung konnte eine Schadstoffmenge von ca. 1.200 kg LCKW beseitigt werden. Die im Rahmen der Gefahrenabwehr aufgewendeten Kosten belaufen sich für den Zeitraum 1992 bis 2022 abschließend auf rd. 3,5 Mio. €. Dabei wurden für die die komplette Bodensanierung (Planung- und Bauüberwachung, Bau- und Entsorgungsleistung, Fremdüberwachung) Kosten von etwa 1,3 Mio. € in Ansatz gebracht.
Die Grundwasserstände in einem Ballungsgebiet wie Berlin unterliegen nicht nur naturbedingten Abhängigkeiten, wie Niederschlägen, Verdunstungen, unterirdischen Abflüssen, sondern sie werden auch durch menschliche Einwirkungen – Grundwasserentnahmen, Bebauung, Versiegelung der Oberfläche, Entwässerungsanlagen und Wiedereinleitungen – stark beeinflusst. Hauptfaktoren bei der Entnahme sind die Grundwasserförderungen der öffentlichen Wasserversorgung, private Gewinnungsanlagen und Grundwasserförderungen bei Baumaßnahmen. Zur Grundwasserneubildung tragen hauptsächlich Niederschläge (vgl. Karte 02.17 ), Uferfiltrat, künstliche Grundwasseranreicherungen mit Oberflächenwasser und Wiedereinleitungen in das Grundwasser im Zusammenhang mit Baumaßnahmen bei. In Berlin sind zwei Grundwasserstockwerke ausgebildet: Das tiefere führt Salzwasser und ist durch eine etwa 80 Meter mächtige Tonschicht von dem oberen süßwasserführenden Grundwasserstockwerk hydraulisch – mit Ausnahme lokaler Fehlstellen der Tonschicht – getrennt. Dieses etwa 150 Meter mächtige Süßwasserstockwerk, das für die Berliner Trink- und Brauchwasserversorgung genutzt wird, besteht aus einer wechselnden Abfolge von rolligen und bindigen Lockersedimenten: Sande und Kiese (rollige Schichten) bilden die Grundwasserleiter, während Tone, Schluffe, Geschiebemergel und Mudden (bindige Schichten) Grundwasserhemmer darstellen (SenGUV 2007). Die Oberfläche des Grundwassers wird in Abhängigkeit von dem (meist geringen) Grundwassergefälle und der Geländemorphologie in unterschiedlichen Tiefen angetroffen (Abb. 1). Der Grundwasserflurabstand wird als lotrechter Höhenunterschied zwischen der Geländeoberkante und der Grundwasseroberfläche definiert (DIN 4049-3). Wird der Grundwasserleiter von schlecht durchlässigen, bindigen Schichten (Grundwasserhemmern, wie z. B. Geschiebemergel) so überlagert, dass das Grundwasser nicht so hoch ansteigen kann, wie es seinem hydrostatischen Druck entspricht, liegt gespanntes Grundwasser vor. In diesem Fall ist der Flurabstand als der lotrechte Höhenunterschied zwischen der Geländeoberkante und der Grundwasseroberfläche definiert, die von der Unterkante des grundwasserhemmenden Geschiebemergels bzw. von der Oberkante des unterlagernden Grundwasserleiters gebildet wird (Abb. 1). Die Flurabstandskarte gibt einen Überblick über die räumliche Verteilung von Gebieten gleicher Flurabstandsklassen. Sie wurde auf Grundlage der Daten aus dem Zeitraum Mai 2020 berechnet, die niedrige Grundwasserstände repräsentieren, und hat für den jeweils oberflächennahen Grundwasserleiter mit dauerhafter Wasserführung Gültigkeit. Dies ist zumeist der in Berlin wasserwirtschaftlich genutzte Hauptgrundwasserleiter, GWL 2 nach der Gliederung von Limberg & Thierbach 2002, der im Urstromtal unbedeckt, auf den Hochflächen jedoch mit bindigen Sedimentschichten bedeckt ist. Im Bereich des Panketals bezieht sich der Flurabstand auf den Grundwasserstand des GWL 1, da dieser den obersten, flächenhaft ausgebildeten Grundwasserleiter repräsentiert. Dieser Panketalgrundwasserleiter liegt über dem Hauptgrundwasserleiter. Von besonderer Bedeutung sind vor allem Flächen mit geringem Flurabstand (bis etwa vier Meter). In Abhängigkeit von der Beschaffenheit der Deckschichten über dem Grundwasser können dort Bodenverunreinigungen besonders schnell zu Beeinträchtigungen des Grundwassers führen. Die Flurabstandskarte ist eine wesentliche Grundlage für die Erarbeitung einer Karte zur Schutzfunktion der Grundwasserüberdeckung und geht als Parameter für die Mächtigkeit der Grundwasserüberdeckung in die Karte der Verweilzeit des Sickerwassers in der ungesättigten Zone ein (s. Karte 02.16 ). Die räumliche Überlagerung der Flurabstände mit der Beschaffenheit der geologischen Deckschichten ermöglicht die Abgrenzung von Gebieten unterschiedlicher Schutzfunktionen der Grundwasserüberdeckung. Die Kenntnis der Flurabstände ermöglicht des Weiteren eine Einschätzung, an welchen Standorten Grundwasser Einfluss auf die Vegetation hat. Der Einfluss des Grundwassers auf die Vegetation hängt von der Durchwurzelungstiefe der einzelnen Pflanze und, je nach Bodenart, vom kapillaren Aufstiegsvermögen des Grundwassers ab. Der Flurabstand, bei dem Grundwasser bis zu einem gewissen Grad für Bäume nutzbar sein kann, wird für Berliner Verhältnisse im Allgemeinen mit vier Metern angegeben. Die Vegetation der Feuchtgebiete ist in ihrem Wasserbedarf meist auf das Grundwasser angewiesen und benötigt einen Flurabstand von weniger als 50 Zentimetern. Im Vergleich zu der hier dargestellten Flurabstandskarte 2020, die niedrige Grundwasserstände repräsentiert, beschreibt die Flurabstandskarte 2009 mittlere Grundwasserstände. Die Grundwasserstände sind im Stadtgebiet in vielfältiger Weise künstlich beeinflusst . Die ersten Grundwasserabsenkungen und damit das Trockenlegen von Feuchtgebieten im Berliner Raum sind auf die Entwässerung von Sumpfgebieten wie z.B. dem Hopfenbruch in Wilmersdorf im 18. Jahrhundert zurückzuführen. Im 19. und 20. Jahrhundert wurden durch den Ausbau von Kanälen weitere Gebiete entwässert. Das Grundwasser wurde dann durch die verstärkte Nutzung als Trink- und Brauchwasser, durch Wasserhaltungen bei Baumaßnahmen sowie durch Einschränkungen der Grundwasserneubildungsraten infolge der Versiegelung des Bodens weiter abgesenkt bzw. starken periodischen Schwankungen mit Amplituden bis zu 10 Meter am Standort unterworfen. Bis zum Ende des neunzehnten Jahrhunderts unterlag der Grundwasserstand weitgehend nur den durch die Niederschläge hervorgerufenen natürlichen jahreszeitlichen Schwankungen. Ab 1890 bis zum Zweiten Weltkrieg prägten dann der steigende Wassergebrauch der rasch wachsenden Stadt sowie Grundwasserhaltungen das Grundwassergeschehen. Große Grundwasserhaltungen für den U- und S-Bahnbau (z. B. Alexanderplatz, Friedrichstraße) sowie andere Großbauten senkten das Grundwasser in der Innenstadt flächenhaft über längere Zeiträume um bis zu acht Meter ab. Infolge des Zusammenbruchs der Wasserversorgung am Ende des Krieges erreichte das Grundwasser fast wieder die natürlichen Verhältnisse (Abb. 2). In den Wassergewinnungsgebieten haben sich im Einzugsbereich der Brunnen der Wasserwerke dauerhafte, weitgespannte und tiefe Absenkungstrichter ausgebildet. Dort sind zudem, analog zu den innerhalb des Jahres schwankenden Fördermengen der meisten Wasserwerke, zum Teil erhebliche Schwankungen der Grundwasserstände zu beobachten. Schon zu Beginn des letzten Jahrhunderts fielen im Grunewald der Riemeistersee und der Nikolassee durch die Wasserentnahmen des Wasserwerkes Beelitzhof trocken. Der Spiegel des Schlachtensees fiel um 2 Meter, der Spiegel der Krummen Lanke um 1 Meter. Zum Ausgleich wird unter Umkehrung der natürlichen Fließrichtung seit 1913 Havelwasser in die Grunewaldseen gepumpt. Die Feuchtgebiete Hundekehlefenn, Langes Luch, Riemeisterfenn sowie die Uferbereiche der Seen konnten nur durch diese Maßnahme erhalten werden. Die Absenktrichter der Brunnengalerien an der Havel wirken sich bis weit in den Grunewald aus. So sank der Grundwasserstand am Postfenn zwischen 1954 und 1974 um 3,5 m, am Pechsee im Grunewald zwischen 1955 und 1975 um 4,5 m. Durch die Entnahme der Brunnengalerien am Havelufer kommt es selbst in unmittelbarer Nähe der Havel zu starker Austrocknung im Wurzelraum der Pflanzen. Um die negativen Auswirkungen der Grundwasserabsenkungen zu mildern, werden einige Feuchtgebiete und Moore durch Überstauung und Versickerung von Oberflächenwasser wieder vernässt. Beispiele sind die Naturschutzgebiete Großer Rohrpfuhl und Teufelsbruch im Spandauer Forst, das Teufelsfenn im Grunewald sowie die Lietzengrabenniederung mit der Bogenseekette in Pankow. Großflächige Absenkungen ergaben sich ebenso im Bereich des Spandauer Forstes, bedingt durch die seit den 1970er Jahren erheblich angestiegene Grundwasserförderung des Wasserwerkes Spandau. Mit Hilfe einer 1983 in Betrieb genommenen Grundwasseranreicherungsanlage wurde durch die Versickerung von aufbereitetem Havelwasser der Grundwasserstand allmählich wieder angehoben. Bis Mai 1987 konnte der Grundwasserstand im Spandauer Forst im Durchschnitt zwischen 0,5 und 2,5 m angehoben werden. Wegen der Vernässung von Kellern angrenzender Wohngebiete wurde die Grundwasseranreicherung in diesem Gebiet teilweise wieder beschränkt. Mit der gleichzeitigen Steigerung der Fördermengen des Wasserwerks Spandau sank der Grundwasserstand bis 1990 wieder ab. Durch eine weitere Reduzierung der Fördermengen kam es in der Folgezeit zu einem erneuten Anstieg des Grundwassers (Abb. 3). Generell ist im Westteil Berlins bereits seit Ende der 1980er Jahre ein Wiederanstieg der Grundwasserstände zu beobachten. Ursache dafür waren in erster Linie drei gegensteuernde Maßnahmen wider den sinkenden Grundwassertrend: Die Erhöhung der künstlichen Grundwasseranreicherung durch gereinigtes Oberflächenwasser in wasserwerksnahen Gebieten (Spandau, Tegel und Jungfernheide) führte zu geringeren Absenkungsbeträgen. Die Wiedereinleitpflicht bei Grundwasserhaltungsmaßnahmen für große Baumaßnahmen führte zu einer geringeren Belastung des Grundwasserhaushalts. Die Einführung des Grundwasserentnahmeentgelts bewirkte einen sparsameren Umgang mit der Ressource Grundwasser. In den östlichen Bereichen wirkte sich die aufgrund des rückläufigen Wassergebrauchs verringerte Rohwasserförderung der Berliner Wasserbetriebe seit der politischen Wende 1989 deutlich aus. Fünf kleinere Berliner Wasserwerke stellten ihre Produktion in den Jahren von 1991 bis 1997 völlig ein: Altglienicke, Friedrichsfelde, Köpenick, Riemeisterfenn und Buch. Dadurch stiegen die Grundwasserstände stadtweit bis in die Mitte der 1990er Jahre wieder an. Es kam in diesem Zeitraum gebietsweise durch den Grundwasserwiederanstieg bei nicht fachgerecht abgedichteten Kellern zu zahlreichen Vernässungsschäden. In zwei Gebieten waren die Schäden so umfangreich, dass grundwasserregulierende Maßnahmen durchgeführt wurden (Rudow, Kaulsdorf). Im September 2001 wurde zusätzlich die Trinkwasserproduktion der beiden Wasserwerke Johannisthal und Jungfernheide vorübergehend eingestellt; bei letzterem auch die künstliche Grundwasseranreicherung. Im Rahmen des Grundwassermanagements wird am Standort Johannisthal jedoch weiterhin Grundwasser gefördert, um laufende lokale Altlastensanierungen und Baumaßnahmen nicht zu gefährden. Am Standort Jungfernheide wird seit Januar 2006 die Grundwasserhaltung von einer Firma zum Schutz ihrer Gebäude betrieben. Die Gesamtförderung der Wasserwerke zu Trinkwasserzwecken hat sich innerhalb von 30 Jahren in Berlin um über ca. 40 % verringert: 1989 wurden 378 Millionen m³, im Jahr 2020 dagegen nur 234 Millionen m³ gefördert.
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