Bestimmung von Wasserhaushaltsgrößen auf unbewachsenen Tagebaukippen der Bergbaufolgelandschaft der Lausitz

D. Biemelt & U. Grünewald, BTU Cottbus, Lehrstuhl Hydrologie und Wasserwirtschaft

Landschaft und Wasserhaushalt der Lausitz sind durch den jahrzehntelangen großflächigen Braunkohleabbau geprägt.

Gegenwärtig stellen auf Grund der Defizite von Rekultivierungsmaßnahmen in den letzten Jahren des Bestehens der DDR nahezu unbewachsene, nicht rekultivierte, nach Beendigung der bergbaulichen Tätigkeit sich selbst überlassene Kippenbereiche (Offenland) einen bedeutsamen Flächenanteil in der Bergbaufolgelandschaft dar. Offenlandbereiche werden in der Lausitz auf Grund ihrer ökologischen Bedeutung für schützenswert gehalten und können z.T. wegen der Gefahr großräumigen Setzungsfließens nur nach hohen Aufwendungen anderweitig nutzbar gemacht werden. Zudem ist eine Einstellung von derzeitigen Sanierungsarbeiten auf Grund ökonomischer Zwänge oder veränderter gesellschaftlicher Leitbilder nicht auszuschließen. Im globalen Blickwinkel stellen Offenlandbereiche eine zunehmend bedeutendere Form der “Landnutzung” nach massiven Störungen wie Waldbränden, -rodungen, Versteppungen usw. dar.

Über die Wasserhaushaltskomponenten von Offenlandbereichen existieren erhebliche Unsicherheiten. z.B.-wurden für die Grundwasserneubildung (GWNB) von Kippen der Lausitz ohne Vegetation in früheren Arbeiten Werte zwischen 28 mm a-1 und 440 mm a-1 ermittelt. Die Vergleichbarkeit ist zudem durch unterschiedliche Untersuchungszeiträume und -standorte stark eingeschränkt.

Ziel der nachfolgend beschriebenen Untersuchungen ist deshalb eine verbesserte räumliche und zeitliche Quantifizierung der Wasserhaushaltskomponenten von Offenlandbereichen.

Auf Grund des besonders in den Sommermonaten hohen Benetzungswiderstandes der tertiären Substrate entsteht schon bei vergleichsweise geringen Niederschlagsintensitäten Oberflächenabfluss. Damit verbunden ist eine starke Veränderung der Geländeoberfläche durch Erosion, in deren Folge sich charakteristische Geländestrukturen herausbilden. Diese werden als bewachsene und unbewachsene Kuppen, Erosionsrinnen und Mulden bezeichnet. Unter den Mulden werden zeitweise mit Wasser gefüllte Geländesenken verstanden.

Untersuchungsgebiet

Das Niederlausitzer Braunkohlerevier wird klimatisch zum stärker kontinental beeinflussten Binnenland gerechnet und zählt zu den niederschlagsärmsten Regionen Deutschlands. Die mittlere jährliche Niederschlagshöhe in Cottbus der Reihe 1961 bis 1990 beträgt 563 mm a-1. Dem gegenüber erreicht die potentielle Evapotranspiration Spitzenwerte für Deutschland. Gleichzeitig ist das über die Hauptvorfluter Schwarze Elster und Spree natürlich zugeführte Wasserdargebot im Vergleich zu anderen deutschen Mittelgebirgseinzugsgebieten recht gering. Zusätzlich verschärfend auf die Dargebotssituation wirken sich die hohen Verdunstungsverluste der zahlreichen neu entstehenden Tagebauseen aus.

Das Untersuchungsgebiet befindet sich etwa in der Mitte zwischen Dresden und Berlin auf der Kippe des ehemaligen Tagebaus Schlabendorf Nord. Es liegt am westlichen Ufer des Lichtenauer Sees (Restloch F). Ein ca. 8 km langer und zwischen 200 und 800 m breiter Kippenbereich entlang des zukünftigen Tagebausees wurde wegen der noch notwendigen Sicherungsmaßnahmen gegen die Gefahr des Setzungsfließens bei allmählich ansteigendem Grundwasser bisher nicht rekultiviert und seit Ende der Abbautätigkeit im Jahre 1977 einer eigenständigen Sukzession überlassen. Derzeit ist eine Nutzung als Naturschutzgebiet vorgesehen.

Der angrenzende Lichtenauer See kennzeichnet mit seinem Wasserstand die Höhe der gegenwärtigen Grundwasseroberfläche am Standort. Aufgrund der Höhendifferenz von derzeit rund 10 m zwischen Wasser- und Geländeoberfläche ist der Standort als grundwasserfern einzustufen. An der Kippenoberfläche ist ein Relief mit Höhenunterschieden von einigen Metern bei horizontalen Ausdehnungen von einigen 100 Metern entstanden. Teilweise entwickelt sich auf den weniger wuchsfeindlichen Substraten horst- und streifenförmig eine spärliche Pioniervegetation.

Modell und Messkonzept

Die Identifizierung und in ihrer Detailliertheit ausgewogene Nachbildung der relevanten Teilprozesse bei der Aufteilung des Niederschlagswassers erfolgte auf der Grundlage eines iterativen Zusammenwirkens zwischen Messungen und Modellrechnungen.
Aus den Geländemessungen zeigte sich, dass für die Offenlandbereiche die Berücksichtigung der lateralen Flüsse besonders bedeutsam ist, um von punktbezogenen zu flächenhaften Aussagen zu gelangen. Die Einzugsgebiete der für Offenlandbereiche auf Tagebaukippen typischen, temporär mit Wasser gefüllten Geländesenken stellen dabei kleine abgeschlossene Bilanzräume dar.

Die Abbildung gibt einen Überblick des untersuchten Einzugsgebietes der Geländesenke (Mulde). Die Einzugsgebietsgrenzen, Rinnenstrukturen und die Wasserstands-Flächen- Volumenbeziehung der Geländesenke konnten mit dem Geographischen Informationssystem (GIS) ARC - INFO® unter Nutzung des durch Befliegungsdaten verfeinerten Geländehöhenmodells lagegetreu ermittelt und durch Geländebegehungen bestätigt werden.
Messungen:

•zeitlich kontinuierliche Geländemessungen: Niederschlag, Temperatur, Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit, Strahlungsbilanz; Bodenfeuchten und Saugspannungen unter bewachsenen Kuppen, unbewachsenen Kuppen, Erosionsrinnen; Sickerwassermengen unter unbewachsenen Kuppen und Erosionsrinnen; Wasserstände und Wassertemperatur in einer Geländesenke.

•in situ Messkampagnen: Abflussexperiment, Messungen von Leitfähigkeitsfunktionen mit einem Doppelring- Tensions- Infiltrometer.

•Laboruntersuchungen: Retentionsfunktionen

• Fernerkundung: Höhenmodell, Größe und Verteilung der Geländestrukturen Modell:
Die Bestimmung der Wasserhaushaltskomponenten für das Untersuchungsgebiet erfolgt schrittweise für die Geländestrukturen bewachsene Kuppen, unbewachsene Kuppen, Erosionsrinnen und Mulde. Die von den Kuppen abfließenden Wassermengen stellen ein zusätzliches Wasserdargebot und somit eine entscheidende Eingangsgröße für die Erosionsrinnen bzw. die Mulde dar.

•Infiltration: pfropfenförmige Feuchtefront nach PESCHKE (∆t = 10 Minuten) oder alternativ Kapazitätsansatz (∆t = 1 Tag);

•Bodenwasserbewegung: nichtlineare Speicherkaskade nach GLUGLA (∆t = 1 Tag);

•Potentielle Evapotranspiration: Gras- Referenzverdunstung nach WENDLING (∆t = 1 Tag);

•Tatsächliche Evapotranspiration: Reduktion der potentiellen Evapotranspiration in Abhängigkeit von Bodenfeuchte, Bewuchseigenschaften und potentieller Evapotranspiration (∆t = 1 Tag).

Messungen

An den Tensionsregistrierungen werden die charakteristischen Unterschiede des Bodenwasserhaushaltes der Geländestrukturen bewachsene Kuppe, unbewachsene Kuppe und Erosionsrinne deutlich aufgezeigt. Die Tensiometer unter der Erosionsrinne reagieren deutlich auf nahezu jedes Niederschlagsereignis, zeigen durch die Abnahme der Tensionen eine Befeuchtung des Substrates an und weisen gleichzeitig auf hohe Sickerraten hin. Unter den unbewachsenen Kuppen sind die Tensionsverläufe kaum und unter den bewachsenen Kuppen teilweise mit dem Niederschlagsgeschehen gekoppelt. Dies liegt in der Entstehung von Oberflächenabfluss begründet, welche durch die hydrophoben Eigenschaften der Substrate begünstigt wird. Diese Befunde wurden durch in situ Messungen der hydraulischen Leitfähigkeit bestätigt.

Die Abbildung zeigt die Wasserstände in einer abflusslosen Geländesenke im Ergebnis von Oberflächenabfluss bei Niederschlägen. Es wird zwar bereits bei häufig auftretenden geringen Niederschlagsintensitäten Oberflächenabfluss beobachtet, aber im Allgemeinen erreicht nur eine vergleichsweise geringe Wassermenge die Gelände-senke. Beachtet man gleichzeitig die wasserabweisenden Eigenschaften der größtenteils hydrophoben Kuppen, so müssen erhebliche Wassermengen in den Erosions-rinnen versickern. Von den insgesamt in der Geländesenke registrierten Wassermengen sind im Mittel 90% versickert und 10% verdunstet.
Der Vergleich von Niederschlags- und Wasserstandsregistrierungen im Untersuchungsgebiet zeigte, dass nur geringe Anteile des Gebietsniederschlages durch Oberflächenabfluss bis in die Geländesenken gelangen. Der Mittelwert der Abflussbeiwerte aller 21 registrierten Ereignisse mit Wasserfüllung der Geländesenke beträgt 0,08. Dies stellt gemeinsam mit den Tensionsregistrierungen, den gemessenen hydraulischen Leitfähigkeiten und den gemessenen Sickerwassermengen das entscheidende Indiz für die hohe Versickerungsleistung in den Erosionsrinnen dar. Daraus erwächst die Chance, den offensichtlich nicht gleichförmig über das Gebiet verteilten Infiltrations- bzw. rundwasserneubildungsprozess in seiner linien- bzw. flächenhaften Verteilung zu bestimmen.

Modellrechnung

Die Kalibrierung bzw. Überprüfung des entwickelten Modells an Hand gemessener Saugspannungen und Wasserstände in der Geländesenke lässt erkennen, dass die verwendeten Module bzw. die eigenständigen Modellbildungen die Zusammenhänge weitestgehend richtig wiedergeben.

Insgesamt wird im Einzugsgebiet der Niederschlag im vieljährigen Mittel (Normalperiode 1961 bis 1990) etwa zu gleichen Teilen in Grundwasserneubildung (48 %) und Evapotranspiration (52 %) aufgeteilt.

Durch die Berücksichtigung des Oberflächenabflusses ergibt sich im vieljährigen Mittel eine um ca. 30 mm erhöhte
Grundwasserneubildung und eine um ca. 30 mm verminderte Evapotranspiration gegenüber einer Berechnung mit Vernachlässigung dieses Prozesses. Dieses Ergebnis ist verständlich, da beim Witterungsverlauf der meisten Jahre und auch im 30-jährigen Berechnungszeitraum eine erhebliche Wassermenge (24%) im Bereich der Erosionsrinnen (33% der Fläche) versickert.

An den in der Abbildung dargestellten Jahressummen der Grundwasserneubildung wird die starke
Abhängigkeit der Wasserhaushaltskomponenten von der Witterung deutlich. Mit Modellen auf
Basis langjähriger Mittelwerte können zu diesen Sachverhalten keine Aussagen getroffen werden.

Schlussfolgerungen

Eine wirksame Kontrolle des Oberflächenabflusses und damit der Erosion auf Offenlandbereichen der Bergbaufolgelandschaft, die mit Einträgen säurebildender Materialien in Gewässer verbunden ist, kann durch die Überwindung der Hydrophobie der relevanten Substrate erreicht werden. Darüber hinaus ist zu bedenken, dass die an bestimmtem Stellen der Offenlandbereiche bevorzugte Versickerung wegen überproportionaler Auswaschung der säurebildenden Minerale dort eher zu pH-neutralen Sickerwässern führen wird als in weniger oft durchströmten Bereichen. Aufgrund der speziellen chemischen und physikalischen Besonderheiten dieser Kippenmassive ist die Berücksichtigung der hier vorgestellten Ergebnisse für die Berechnung von Stoffausträgen bzw. stofflichen Belastungen des Grundwassers außerordentlich bedeutsam.

Die Grundlagen für eine physikalisch basierte mesoskalige Modellierung hydrologischer Prozesse sind noch unzureichend. Daraus ergeben sich im Gegensatz zum Ideal einer uneingeschränkten Übertragbarkeit von Modellvorstellungen meist an den konkreten Zielen orientierte Prozessbeschreibungen und Modellstrukturen. Die Kombination von Gelände- und Modellexperimenten dient dabei der Vermeidung von Fehleinschätzungen, die sich aus formalen Modellübertragungen ergeben können. Eine Verallgemeinerung bezüglich des statistischen Schwankungsverhaltens der Witterungsbedingungen und eine Vereinfachung der Vergleichbarkeit verschiedener Untersuchungen wird durch die Anwendung von Modellvorstellungen auf längere Beobachtungsreihen wie z.B. klimatologische Normalperioden erreicht.