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Das „Speicher- und Verdunstungskonzept“ alternativer Oberflächenabdeckungen: Messung und Simulation des Wasser- und Gashaushaltes und sein Einsatz bei der Sanierung der Wismut-Altlasten

Dipl.-Geogr. Uwe Hoepfner

Dissertation, 2006, Fakultät für Geowissenschaften, Ruhr-Universität Bochum. 

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hier veröffentlicht:    Elektronische Dissertation Ruhr-Univerität Bochum 

Die Sanierung von Bergbaualtlasten der Wismut in Thüringen und Sachsen erfolgt durch Oberflächenabdeckungen, welche den Sickerwassereintrag und den Gasaustausch reduzieren. Dabei wird mit dem Speicher- und Verdunstungskonzept die hydrologische Wirkung von Waldstandorten für die Abdeckung genutzt. Mittels Feld- und Simulationsmethoden wird der Wasser- und Gashaushalt für Abdeckungen dieses Typs bilanziert, u.a. für Vegetations- und Klimaszenarien. Es zeigt sich, dass die Vegetation zu hohen Feuchteentzügen führt, die sehr niedrige Sickerrate eines Dichtsystems aber nicht erreicht wird. Die Abdeckungen werden, neben hohen Verdunstungsraten, durch Interflow und Staunässe in der Rekultivierungsschicht geprägt. Die Gasdiffusion nimmt durch den tief in das Profil reichenden Feuchteentzug zu. Die Rekultivierungsschicht hat wesentlichen Anteil an der hydrologischen Gesamtwirkung des Abdecksystems. Die potentielle Funktionalität sollte in der Sanierungs- und Deponiepraxis berücksichtigt werden.

Kurzfassung


Einleitung
Methodik
Ergebnisse Feldversuche
Ergebnisse Modellierung
Schlussfolgerungen

links zum Thema

Einleitung und Problemstellung


Der Uranerzbergbau durch die Wismut hat in Sachsen und Thüringen große Umweltprobleme hinterlassen. Nach der politischen Wende in der damaligen DDR und Beendigung des aktiven Bergbaus 1990 begannen an den Standorten der Uranförderung und Produktion die Sanierungsarbeiten des damals weltweit drittgrößten Uranproduzenten.

Einer der Schwerpunkte der Arbeiten ist die Sanierung der Halden, deren Bergemassen mit Restgehalten an Uran und Radium und der damit verbundenen Emission von Radionukliden der Uran-Zerfallsreihe zu erhöhten Werten der Gamma-Strahlung sowie verstärkter Konzentration von Radon und Radonfolgeprodukten in der bodennahen Atmosphäre führt. Die Verwehung von Staub der offen liegenden Halden- bzw. Tagebauflächen sowie austretende Haldensickerwässer verlagern Radionuklide in die direkte Umgebung der Bergbaustandorte. Die Sickerwässer sind durch die Pyritoxidation im Bergematerial stark sauer, lösen das im Gestein enthaltende Schadstoffinventar und belasten den Untergrund und die regionalen Vorfluter mit Radionukliden, Schwermetallen und Salzen (Acid Mine Drainage) – eine typische Begleiterscheinung an Bergbaustandorten.

Das Sanierungskonzept sieht für die Bergehalden und die Rückstandsbecken der Uranaufbereitung im wesentlichen eine in-situ Sanierung vor. Bestandteil ist dabei jeweils eine standortangepaßte mineralische Oberflächenabdeckung, welche sowohl den Sickerwassereintrag in die Bergemassen bzw. Tailings, als auch den Gasaustausch mit der Atmosphäre reduzieren soll.

Der Wasserhaushalt der Abdecksysteme ist hierbei die steuernde Größe des potentiellen Schadstoffaustrags aus dem abzudeckenden Körper. Dabei ist zum einen die Wassersättigung der Abdecksubstrate wichtig, durch welche die Sauerstoffdiffusion aus der Atmosphäre in den Untergrund und damit die Pyritoxidation gesteuert wird, zum anderen sind die Abflußanteile entscheidend für den möglichen Transport von gelösten Schadstoffen.

In der internationalen Praxis bei der Sanierung von Bergbaustandorten werden vor allem mineralische Zweischichtabdeckungen auf den abzudeckenden Körper aufgebracht, um die Bildung von sauren Sickerwässern durch die Pyritoxidation zu reduzieren. Überdeckt von einer unverdichteten, oft geringmächtigen Rekultivierungsschicht, übernimmt eine hoch verdichtete Abdichtungsschicht die wesentliche Funktionalität des Abdecksystems durch die Reduzierung der Sauerstoffdiffusion und der Versickerung.

Im Gegensatz dazu wird für die Oberflächenabdeckung von Deponien im Regelfall eine Dreischichtabdeckung errichtet mit einer Rekultivierungsschicht, einer Drän- sowie einer mineralischen Dichtungsschicht. Nach Berichten über Versagensfällen von solchen Regelabdeckungen mit mineralischer Dichtungsschicht wurde zum einen das Systemverhalten dieser Abdecksysteme, zum anderen alternative Abdeckkonzepte in den letzten Jahren intensiv untersucht.

Eines dieser alternativen Abdeckkonzepte ist das Speicher- und Verdunstungskonzept (auch ET-Cap oder Store-and-Release Cover), bestehend aus einer mineralischen Einschichtabdeckung mit Gras-/Kraut-  oder Gehölzbestockung. Bei diesem Ansatz wird die Funktionalität der Oberflächenabdeckung nicht durch technische Lösungen wie Dichtungs- und Dränelemente, welche das Sickerwasser seitwärts abfließen lassen, sondern durch die Optimierung der Verdunstungsleistung der Vegetationsdecke erreicht. Dieses Konzept versucht damit im Sinne der Bildung von Natural Analogs die hydrologische Wirkungsweise von Vegetationsstandorten nachzubilden, von denen niedrige Versickerungsraten über lange Zeiträume bekannt sind.

Vor diesem Hintergrund wird bei der Sanierung der Wismut-Standorte neben den oben genannten Zweischichtabdeckungen mit mineralischer Dichtungsschicht auch der Einsatz von alternativen Abdeckungen geprüft. Insbesondere die Anwendung des Speicher- und Verdunstungskonzeptes wird als mögliche Oberflächenabdeckung gesehen, da bei der Sanierung der Bergbaualtlasten die langfristige Wirkung der Sanierungstrategie nachzuweisen ist, ohne daß a priori einzelne (konzeptionelle oder technische) Lösungen definiert werden. Zudem werden bei der Betrachtung von Sanierungsoptionen lange Bewertungszeiträume (bis zu 200–1000 a) zu Grunde gelegt, so daß hierdurch Konzepte, welche auf eine langfristige, gleichmäßig hohe oder sogar zunehmende Wirkungsweise angelegt sind, überlegen sein können.

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Methodik


Das Speicher- und Verdunstungskonzept wurde in der vorliegenden Untersuchung mit Feld- und Modellmethoden untersucht, um seine wasser- und gashaushaltliche Wirkungsweise im Vergleich mit Standarddeponieabdeckungen beurteilen zu können.

Auf einem 6–15 % geneigten Versuchshang wurde eine Zweischichtabdeckung (1,5 m Rekultivierungsschicht, 0,4 m Dichtungsschicht) sowie 2 Einschichtabdeckungen (1 und 1,6 m mächtig) über Haldenmaterial errichtet.

Während des Untersuchungszeitraums (7/00–6/04) wurden die Abflußanteile (Lysimeter, Dränagen), die Bodenfeuchte (TDR) und Tension (Druckaufnehmer-, Equitensiometer)  sowie die meteorologischen Verhältnisse erfaßt. Die Sauerstoffgehalte wurden mittels Luftlanzen gemessen. Auf bewaldeten Haldenbereichen wurde die Interzeption und der Stammabfluß bestimmt.

Der Wasserhaushalt wurde mit HELP, einem schichtorientierten DARCY-Modell, sowie mit dem numerischen RICHARDS-Modell HYDRUS_2D simuliert, die Interzeption mit dem GASH-Interzeptionsmodell, die Verdunstung nach PENMAN-MONTEITH für Gras- und Kiefernbestände bestimmt. Die Gasdiffusion wurde unter Zugrundelegung der instationären Sättigungs- und Diffusionskoeffizienten berechnet. Neben der Prognose für die rezenten Verhältnisse des Einbauzustandes der Abdeckungen wurden langfristige Szenarien der Boden-, Vegetations- und Klimaentwicklung berücksichtigt.
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 Versuchsanlage
Schichtaufbau

Ergebnisse Felduntersuchungen


Die wesentlichen hydrologischen Ergebnisse der Felduntersuchungen können wir folgt zusammengefaßt werden:

Der Witterungsverlauf während des Untersuchungszeitraumes kann insgesamt als wärmer und trockener gegenüber dem langjährigen mittleren Verlauf charakterisiert werden, mit einer um 1,4 Grad Celsius höheren mittleren Lufttemperatur, gegenüber den mittleren Jahresniederschlägen um 135 mm geringeren Niederschlägen, einer um 119 mm  höheren potentiellen Verdunstung und damit einer insgesamt stark negativen klimatischen Wasserbilanz von -172 mm. Mit Beginn des Jahres 2003 an waren fortdauernd trockene Bedingungen vorherrschend. Zeiträume mit deutlich positiver Bilanz waren die ersten zwei Winterhalbjahre und insbesondere das dritte Winterhalbjahr 2002/2003.

Hydrologisch bedeutsame Einzelereignisse waren die Starkniederschläge im August (134 mm) und November 2002 (121 mm), sowie das trockene Sommerhalbjahr 2003 mit einer hoch negativen klimatischen Wasserbilanz von -384 mm.

Die  Interzeptionsbestimmungen ergaben im Fichtenbestand eine Interzeptionshöhe von 44 %, welche im oberen Bereich der für Fichtenarten in der Literatur berichteten Werte liegt. Die Interzeptionsrate nimmt mit zunehmender Niederschlagshöhe leicht ab, mit Werten von ca. 50 % bei Niederschlägen < 10 mm/d und geringeren Raten von ca. 40 % bei Niederschlägen > 10 mmd.

Die Messungen des Stammabflusses im Kiefernbestand zeigen, daß dieser < 1 % des Freilandniederschlages ausmacht und damit vernachlässigbar gering ist.

Wesentliche Aussagen zur Beurteilung der Wirksamkeit der Abdeckkonfigurationen können auf Grundlage der Feuchtebestimmungen getroffen werden: Die Abflußentstehung und Dauer der Sickerung, die Richtung der Bodenwasserbewegung, die Schöpftiefe und Verdunstungsleistung der Vegetation und damit die für das Speicher- und Verdunstungsprinzip wichtige Frage der Speicherleerung sowie die Wuchs- und Standortbedingungen der Vegetation lassen sich hieraus ableiten und quantifizieren. Die wesentlichen Aussagen können dabei auf Grundlage der Tensionsbestimmungen getroffen werden, das TDR-Verfahren ist methodisch kritisch einzuschätzen.

Die Tensionsbestimmungen zeigen den typischen jahreszeitlichen Gang der Bodenfeuchte, mit den tiefengestaffelten sommerlichen Austrocknungsphasen und der Wiederbefeuchtung in den Herbst- und Wintermonaten. Dabei spiegeln sich sowohl die unterschiedlichen Witterungsbedingungen einzelner Sommer- und Winterhalbjahre als auch die Entwicklung der Abdecksubstrate selbst, wie z.B. die zunehmende Durchwurzelung und beginnende Gefügeentwicklung im Oberboden, im Gang der Wassergehalte und Tensionen wieder.

Die Feuchteverhältnisse in den Rekultivierungsschichten sind dabei einerseits geprägt durch sehr nasse Phasen in den Wintermonaten mit anhaltender Staunässe, mit Feuchten zwischen Feldkapazität und voller Sättigung, bedingt durch die geringe Dränkapazität der hoch verdichteten Substrate (Lagerungsdichten 1,7–1,8 g/cm^3, Gesamtporenvolumina 31–34 %, Ks-Werte zwischen 1 x 10^-6 und 9 x 10^-8 m/s), andererseits sehr tiefgreifender Austrocknung bis an die Unterkante der Schicht im Sommer. Im Sommerhalbjahr trocknen die Rekultivierungsschichten schnell und tiefgreifend aus, mit gemessenen Tensionen oberhalb des Welkepunktes in 20 cm Tiefe, und größer 80 kPa an der Unterkante der Schicht. Die Wechsel zwischen den sehr staunassen Verhältnissen und trockenen Bedingungen verlaufen dabei innerhalb weniger Wochen, die herbstliche Wiederbefeuchtung innerhalb weniger Tage bei den ersten Starkniederschlägen zu Beginn des hydrologischen Winterhalbjahres.

Die beiden Rekultivierungsschichten der Einschichtabdeckungen zeigen einen sehr ähnlichen Feuchteverlauf, wobei im VF 2 aufgrund der geringeren Mächtigkeit und zugleich sehr niedriger nutzbaren Feldkapazität der Feuchteentzug im Sommer zu hohen Anteilen aus dem Haldenmaterial erfolgt. In beiden Abdeckungen gibt es starke Indizien für sehr schnellen präferenziellen Sickerwassertransport in Makroporen.

Die Messungen der Bodenfeuchte in der Dichtungsschicht der Zweischichtabdeckung wiesen eine erstaunlich große Dynamik des jahreszeitlichen Wechsels von Austrocknung und Wiederbefeuchtung auf, der in dieser Tiefe nicht erwartet wurde.

In den Sommerhalbjahren 2001 und 2002 wurde ein Feuchteentzug von 3–4 Vol.-% und ein niedriger Anstieg der Tensionen auf max. 10 kPa, im trockenen
Sommer 2003 ein Feuchteentzug von ca. 9 Vol.-% und hohe Tensionen von 60 kPa  an der Oberkante und 20 kPa an der Unterkante beobachtet. Die Tension an der Oberkante der Dichtungsschicht kann im Sommer 2003 noch oberhalb dieser Werte gelegen haben, da hier der Meßbereich der Tensiometer überschritten war. Die gemessene Wassergehaltsschwankung in den drei Sommerhalbjahren sowie die Tension im Sommer 2003 lag damit in bzw. oberhalb der Bereiche, bei dem in bindigen Substraten, mit allerdings höheren Tongehalten als im Dichtschichtsubstrat der hier untersuchten Schicht, von einer beginnenden
Rißbildung berichtet wird.

Die Feuchteverhältnisse im Haldenmaterial unterscheiden sich stark zwischen der Zweischicht- und den beiden Einschichtabdeckungen. Im Zweischichtsystem bleibt das Haldenmaterial durch die hohe Überdeckung und die trennende Dichtungsschicht dauerhaft naß. In den beiden Einschichtabdeckungen reicht die sommerliche Austrocknung dagegen weit in das Haldenmaterial hinein, so daß die Bodenwasserscheide zeitweise tiefer als die unterste Meßebene (2,6 m) lag. In den Sommern 2001 und 2002 wurden auf der geringmächtigen Einschichtabdeckung dabei maximale Tensionen von 20–60 kPa, im Sommer 2003 von > 80 kPa  im oberen Meter des Haldenmaterials aufgezeichnet.

Der gemessene Oberflächenabfluß ist auf den Versuchsfeldern insgesamt gering und liegt zwischen 1,2 % (VF 3) und 6,8 % (VF 2). Größere Abflußereignisse traten vor allem zu Beginn des Untersuchungszeitraumes auf, in der zweiten Hälfte des Untersuchungszeitraumes sind selbst bei Starkniederschlägen nur sehr geringe Abflußraten zu beobachten

Die Dynamik der Frost-, Austrocknungs- und Wiederbefeuchtungswechsel führt zum einen zu einer beginnenden Entwicklung eines Aggregatgefüges in dem beim Einbau hoch verdichteten, kohärenten Rekultivierungsschichtsubstrat, zum anderen können sich zusätzlich punktuell oder linear Makroporen ausbilden. Resultierend daraus erhöht sich während des Untersuchungszeitraumes die Infiltrationskapazität, der Oberflächenabfluß nimmt stark ab; gleichzeitig verschiebt sich das Verhältnis von Oberflächenabfluß zu Interflow.

Aus methodischen Gründen problematisch sind die Messungen auf dem VF 2, da hier der oberflächennahe Interflow am Unterhang zu diffusen Vernässungen führt und als Return-Flow teilweise wiederaustritt. Nach einer durchgeführten Korrektur der Messungen ergibt sich ein gesamter Oberflächenabfluß von 6,8 %, welcher damit um den Faktor 4–6 über den niedrigen Abflüssen der Felder 1 und 3 liegt.

Die Messungen des Interflow (hypodermischen Schichtabflusses), beginnend in der zweiten Hälfte des Untersuchungszeitraumes, liefern wesentliche Ergebnisse zum Verständnis der Hydraulik der Ein- und Zweischichtabdeckungen. Entgegen der Arbeitshypothese – der Annahme eines nur in der Abdeckung mit Dichtungsschicht bedeutsamen Interflow – wurde aus den Ergebnissen der Tensionsmessungen frühzeitig deutlich, daß auch in den Einschichtsystemen über lange Zeiträume Stauwasserspiegel auftreten, welche auf den geneigten Versuchshängen zu entsprechenden Abflüssen führen können. Dieses konnte mit Beginn der Abflußmessungen im Winterhalbjahr 2002/2003 für die Abdeckungen ohne eigentliche Dichtungsschicht bestätigt werden.

Im Einzelnen sind folgende wichtige Ergebnisse der Messungen des hypodermischen Schichtabflusses zu nennen:
Eine tiefe, vertikale Sickerung in die im Haldenmaterial eingebauten Lysimeter wurde im VF 1 in den ersten drei Winterhalbjahren, im VF 2 in allen vier Winterhalbjahren und im VF 3 nur im zweiten und dritten Winterhalbjahr des Untersuchungszeitraumes gemessen. Die Abflüsse waren vor allem auf den Versuchsfeldern 2 und 3 sehr dynamisch, mit nur kurzer Verzögerung zum hypodermischen Abfluß, da beide Sickerströme in enger räumlicher Nähe im Grenzbereich Abdeckung-Haldenmaterial auftreten bzw. gemessen wurden.

Bezieht man die Abflußmengen des gesamten oder längerer Teilzeiträume des Untersuchungszeitraumes auf eine Einzugsgebietsgröße entsprechend der Lysimeterfläche, so wird deutlich, daß die erfaßten Abflüsse nicht alleine aus dem Einzugsgebiet der Lysimeter stammen können, da sie sowohl plausible Größenordnungen einer Tiefensickerung als auch die kumulativen Niederschlagsmengen übersteigen. Die Lysimetermessungen zeigen damit, zumindest im VF 2 und 3, keine plausiblen Werte der vertikalen Sickerung in das Haldenmaterial an, und auch für das VF 1 können unplausible Werte nicht ausgeschlossen werden.

Zwei Erklärungen sind für dieses Ergebnis anzuführen: 

I. Variabilität der Sickerrate auf dem Versuchshang. Die Stauwasserspiegel in der Abdeckung bauen sich vor allem am Mittel- und Unterhang auf, so daß hier von höheren Sickerraten in das Haldenmaterial auszugehen ist. 

II. Divergierende hydraulische Eigenschaften des Haldenmaterials von Versuchsfeld und Lysimeter. Im Bereich der Lysimeter ist die Stauwasserspiegeloberfläche abgesenkt, bedingt durch eine höhere Sickerung in das Haldenmaterial im Lysimeter.

Auch wenn damit ein Teil der ursprünglichen Versuchskonzeption, die Bestimmung der Sickerung in das Haldenmaterial, damit nicht befriedigend gelöst ist, so liegen doch eine Vielzahl von Meßergebnissen zum Wasserhaushalt der Abdeckungen vor, so daß mit Hilfe von Simulationsmethoden eine vollständige validierte Bilanzierung des Wasserhaushaltes der Abdeckungen vorgenommen werden kann.

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Ergebnisse Modellierung    

GASH-Interzeptionsmodell    HELP-Modell    HYDRUS_2D    Gasdiffusion 

Das GASH-Interzeptionsmodell wurde für die Fichtenschonung erfolgreich für eine jeweils zehn Monate dauernde Periode kalibriert und validiert (Gesamtfehler des modellierten Kronendurchlasses von -5 % bzw. +12 % im Kalibrierungs- und Validierungszeitraum, mittlere Abweichung < 0,1 mm/d, Korrelationskoeffizient > 0,85).

Das validierte Interzeptionsmodell wurde zur Prognose der Interzeption eines Kiefernbestandes angewendet. Es wurden Interzeptionsraten von 31 % für den Untersuchungszeitraum, 25 % für den langjährigen Modellzeitraum von 1970 bis 1999 und 22 % für den Modellzeitraum der Klimaprognose zwischen 2016 und 2055 prognostiziert. Die Interzeptionsrate liegt damit unter den für die Fichtenschonung ermittelten Werten, aufgrund der abweichenden Bestandsparameter. Die Interzeptionsraten weisen dabei einen deutlichen Jahresgang sowie Unterschiede zwischen Naß- und Trockenjahren auf, bedingt durch die sinkenden relativen Verluste mit steigender Niederschlagshöhe.
Das HELP-Modell wurde erfolgreich an den Daten der geringmächtigen Einschichtabdeckung kalibriert und validiert. Der hypodermische Abfluß konnte mit hoher Übereinstimmung zu den Meßwerten nachgebildet werden, mit einer absoluten Abweichung des Abflusses von insgesamt -12 mm  und mittleren Tagesabweichung von 0,90 mm/d bzw. 0,14 mm/d und einem Korrelationskoeffizienten zwischen simulierten und gemessenen Tagesabfluß von 0,47 bzw. 0,87 (Kalibrierung bzw. Validierung).

Für das Help-Modell wurden umfangreiche Sensitivitätsuntersuchungen durchgeführt, um wichtige Steuer- und Regelparameter des Wasserhaushaltes der Abdeckungen zu quantifizieren.

Auch für die Einschichtabdeckungen wurde das HELP-Modell mit einer Dichtungs- sowie Dränschicht parametrisiert. Sensitivitätsuntersuchungen zeigten, daß diese Modellannahme zu unveränderten Gesamtabflüssen, aber zu einer deutlichen Verschiebung der Abflußanteile führt. Vor dem Hintergrund der Ergebnisse der Feldversuche ist das Ergebnis der Anpassung des Dreischichtansatzes an die Felddaten der Einschichtabdeckung plausibel. Die Validierung des HELP-Modells wurde für alle drei Versuchsfelder getestet; es zeigte sich jedoch, daß eine befriedigende Simulation nur für das relativ einfach aufgebaute Einschichtsystem VF 2 möglich ist.

Für das validierte HELP-Modell einer geringmächtigen Einschichtabdeckung des Typs Speicher- und Verdunstungsprinzip wurde der Wasserhaushalt unter den rezenten Einbaubedingungen prognostiziert. Im langjährigen Mittel wird für diese Abdeckung eine aktuelle Verdunstung von 405 mm  bzw. 55 % prognostiziert, bei einem mittleren Jahresniederschlag von 739 mm  und einer mittleren potentiellen Verdunstung von 658 mm. Der mittlere Oberflächenabfluß beträgt 46 mm  bzw. 6 %, der hypodermische Abfluß 180 mm  bzw. 24 % und die Sickerung in das Haldenmaterial 108 mm  bzw. 15 %.

Der Wasserhaushalt der simulierten Einschichtabdeckung wird durch die stauende Wirkung des Haldenmaterials bestimmt. Mit einem kalibrierten
Ks-Wert von 5,4 x 10^-9 m/s, also einer Substrateigenschaft einer Dichtungsschicht, wird der im Feld beobachtete hypodermischer Abfluß im HELP-Modell erzwungen. Dieser Ks-Wert liegt um den Faktor 125 unter dem Median der in-situ Ks-Werte, die mittels Guelph-Permeameter bestimmt wurden, jedoch genau im Bereich der Ergebnisse der laborativen Messungen an Stechzylinderproben mit Haldenmaterial, welche auf Verhältnisse verdichtet wurden, wie sie durch die
großtechnische Tagebauverfüllung erreicht werden.

Eine Standarddeponieabdeckung des Typs mineralische Dreischichtabdeckung (Deponieklasse I) würde in das Haldenmaterial eine Sickerung von 33 mm  oder 5 % (Untersuchungszeitraum) bzw. von 44 mm oder 6 % (langjähriges Mittel) zulassen und damit die Sickerung gegenüber der HELP-Prognose der Einschichtabdeckung um den Faktor 2,5 reduzieren. Nahezu vollständig ausgeschlossen mit mittleren und maximalen Sickerraten < 0,1 mm  wird die Zusickerung in das Haldenmaterial durch die Kombinationsdichtung aus einer Kunststoffdichtungsbahn über einer mineralischen Dichtungsschicht
(Deponieklasse II).

Der methodische Ansatz des HELP-Modelles schränkt seine Anwendung bei der Prognose des Wasserhaushaltes des Speicher- und Verdunstungsansatzes stark ein. Weder sind die Interzeptions- und Verdunstungsverhältnisse höherer Vegetationsbestände simulierbar, noch der im Feld beobachtete Wechsel von Phasen tiefgreifender Austrocknung bis in das Haldenmaterial und Phasen großer Staunässe mit hypodermischen Sickerwasserbewegungen in der Rekultivierungsschicht. Kritisch ist vor allem die erzwungene Trennung in verdunstungswirksame und dränende Schichttypen bzw. Lagen der Rekultivierungsschicht. Eine vertiefende Diskussion des Speicher- und Verdunstungsansatzes muß deshalb mit dem kombinierten Ansatz des HYDRUS_2D-Modells erfolgen.

Das HYDRUS_2D-Modell konnte erfolgreich an die Daten aller drei Versuchsabdeckungen kalibriert und validiert werden. Für die jeweils dreimonatige Kalibrierungs- bzw. Validierungsperiode konnte so der Abfluß mit hoher Übereinstimmung zur gemessenen Abflußganglinie nachgebildet werden, mit absoluten Abweichungen des Gesamtabflusses von -3,2 mm  im VF 1, +12,6 mm  im VF 2 und -0,2 mm  im VF 3 in der Kalibrierungsperiode, und von -3,4 mm  im VF 1, -12,5 mm  im VF 2 und +0,5 mm  im VF 3 in der Validierungsperiode. Die absoluten Fehler für das Versuchsfeld 2 liegen damit in einer Größenordnung, wie sie auch durch die Kalibrierung des HELP-Modells erreicht wurden, jedoch sind die mittleren Abweichungen der HYDRUS_2D-Simulation der Tagesabflüsse wesentlich geringer, mit einem mittleren absoluten Fehler von 0,44 mm/d (Kalibrierung) bzw. 0,16 mm/d (Validierung). Für das Versuchsfeld 1 und 3 ist die Statistik der Kalibrierung und Validierung etwas günstiger, hier liegt die mittlere Abweichung bei 0,20 mm/d (VF 1) und 0,48 mm/d (VF 3) in der Kalibrierungs- und bei 0,13 mm/d (VF 1) und 0,03 mm/d (VF 3) in der Validierungsphase. Die Korrelationskoeffizienten sind mit 0,72–0,89 (Kalibrierung) bzw. 0,84–0,97 (Validierung) für alle drei Abdeckungen hoch.

Die in der Kalibrierung ermittelte hydraulische Durchlässigkeit des Haldenmaterials liegt auf allen drei Versuchsfeldern im stark undurchlässigen Bereich bei 1,4–3,5 x 10^-9 m/s. Die getroffenen Aussagen zur hydraulischen Wirkung des Haldenmaterials als stauende Grenzschicht unter der Abdeckung werden durch die HYDRUS_2D-Kalibrierung damit bestätigt und gestützt. Für die Dichtungsschicht des Versuchsfeldes 1 wurde ein Ks-Wert von 1,0 x 10^-9 m/s kalibriert. Die in der Kalibrierung bestimmten Ks-Werte der Rekultivierungsschichten weichen in hohem Maße von den Feld- und Laborbestimmungen ab. Insbesondere für die obersten Dezimeter der Rekultivierungsschicht mußten um den Faktor 2–200 höhere Durchlässigkeiten angenommen werden, als die Laborbestimmungen aus dem Jahr 2000 zeigten. Die bereits oben getroffenen Aussagen zur Auflockerung des Oberbodens werden damit durch die HYDRUS_2D-Kalibrierung bestätigt. Zudem mußte auf allen drei Versuchsfeldern eine anisotrope Verteilung der Ks-Werte in der Rekultivierungsschicht angesetzt werden, mit um den Faktor 1,5–100 höheren horizontalen, parallel zum Hang geneigten hydraulischen Durchlässigkeiten gegenüber den vertikalen, senkrecht zur Hangneigung gerichteten. Für das Rekultivierungsschichtsubstrat wurden zudem etwas steilere pF-Funktionen ermittelt.

Mittels der validierten HYDRUS_2D-Modellansätze der Ein- und Zweischichtabdeckungen des Typs Speicher- und Verdunstungsprinzip der Versuchsanlage Lichtenberg wurde die vollständige Wasserbilanz im Untersuchungszeitraum sowie für die langjährige meteorologische Reihe (1970–1999) berechnet.

Im langjährigen Mittel beträgt für alle drei Abdeckungen die aktuelle Verdunstung 532–539 mm  bzw. 72,0–72,9 %, bei einem mittleren Jahresniederschlag von 739 mm  und einer mittleren potentiellen Verdunstung von 658 mm  (PET nach PENMAN-MONTEITH, Grasvegetation). Die Gesamtabflüsse sind folglich auf allen drei Versuchsfeldern ähnlich hoch, und liegen bei 196–250 mm. Deutlich differenziert sind jedoch die Fließverhältnisse in den Abdeckungen aufgrund der unterschiedlichen Substrateigenschaften und der Schichtabfolge, resultierend in differenzierten Abflußanteilen des Oberflächenabflusses sowie vor allem des Verhältnisses von hypodermischen Abfluß zur vertikalen Tiefensickerung.

Der Oberflächenabfluß erreicht in der langjährigen Prognose nur in der geringmächtigen Abdeckung des Versuchsfeldes 2 höhere Werte von 69 mm  bzw. 9 %; für die Abdeckungen im VF 1 und 3 werden um den Faktor 2–3 geringere Abflüsse von 25 mm  bzw. 3 % und 18 mm  bzw. 2 % prognostiziert. Maximal wird auf dem VF 2 ein Abfluß von 276 mm  bzw. 23 % im Jahr 1981 ausgewiesen; in diesem Jahr tritt auch der maximale Tagesabfluß von 109 mm  bei einem Tagesniederschlag von 127 mm  auf.

Der hypodermische Abfluß in der Rekultivierungsschicht beträgt in den Abdeckungen der Versuchsfelder 1 und 3 jeweils ca. 43–53 % (95–103 mm) des Gesamtabflusses im langjährigen Mittel. In dem Trockenjahr 1991 werden hier nur < 20 mm Interflow prognostiziert, im Naßjahr 1981 steigt der Interflow dagegen auf Werte > 300 mm  an. Die Sickerung durch die Dichtungsschicht bzw. in das Haldenmaterial liegt etwa in der gleichen Größenordnung, mit 102 mm  für das VF 1 und 76 mm  für das VF 3. Ein höherer hypodermischer Abfluß wurde für die Abdeckung des Versuchsfeldes 2 ausgewiesen, mit 155 mm  im langjährigen Mittel bzw. 21 %, minimalen Abflüssen im Trockenjahr von 41 mm  und maximalen Abflüssen im Naßjahr 1981 von 433 mm. Entsprechend niedrig ist hier die vertikale Tiefensickerung in das Haldenmaterial; mit 26 mm  liegt sie bei nur 3,5 % des jährlichen mittleren Niederschlages und damit um den Faktor 3–4 niedriger als die Sickerung der Abdeckungen der Versuchsfelder 1 und 3. Auch die maximale Sickerung im Jahr 1981 mit 37 mm liegt unter den mittleren und minimalen \au-Raten im VF 1 und 3.

Steuernder Regelparameter des tiefen Abflusses in den Ein-und Zweischichtabdeckungen ist das Verhältnis der Ks-Werte von dränender und dichtender Schicht bzw. entsprechender Schichtlagen. Prüft man die Sensitivität beider Durchlässigkeiten im Bereich der kalibrierten Ks-Werte, so zeigt sich, daß die Dränkapazität der Rekultivierungsschichten der Abdeckungen im VF 1 und 3 so gering ist, daß selbst bei niedrigen Durchlässigkeiten der dichtenden Schicht von 1,0 x 10^-9 (VF 1) bzw. 3,5 x 10^-9 m/s (VF 3) die Sickerung hoch bleibt – um den Faktor 2 höher als eine Dreischichtabdeckung mit einer Dränschicht mit ausreichender Dränkapazität. Erst mit höheren Durchlässigkeiten im Bereich von 1,2 x 10^-6 m/s des Rekultivierungsschichtsubstrates der Abdeckung im Versuchsfeld 2 steigt der hypodermische Abfluß deutlich an, so daß die unteren Lagen der Rekultivierungsschicht schneller entwässern, der auf der dichtenden Schicht lastende Gradient sinkt und die Sickerung in das Haldenmaterial spürbar abnimmt.

Dieses Ergebnis der Prognose ist von großer Bedeutung hinsichtlich der Bewertung der Ergebnisse des Versuchsfeldes 1. Die Feldmessungen zeigten Anzeichen größerer Sickerwasserbewegungen unterhalb der Dichtungsschicht, mit die Frage einer möglichen Schädigung der Dichtungsschicht durch eine Erhöhung der hydraulischen Durchlässigkeit. Aus den Ergebnissen der Simulationen und Sensitivitätsprüfungen wird deutlich, daß es dieser (möglicherweise zusätzlich vorhandenen) Schädigung nicht bedarf, sondern daß die beobachteten und simulierten Fließverhältnisse durch den Schichtaufbau des Zweischichtsystems, den Substratparametern der Rekultivierungsschicht sowie durch die geringe Neigung des Versuchshanges immanent bedingt sind.

Auch eine dauerhaft den Einbaukriterien entsprechende Zweischichtabdeckung des Typs VF 1 wird eine mittlere Sickerung an der Unterkante der Abdeckung von ca. 100 mm  und damit > 10 % aufweisen. Nur bei einer höheren Dränkapazität der Rekultivierungsschicht sind Sickerraten < 100 mm  im Zweischichtsystem zu erwarten.

Zur Prognose des Wasserhaushaltes höherer Vegetationsbestände wurde das HYDRUS_2D-Modell mit einem kombinierten Interzeptions-Transpirationsmodell erweitert, bei dem die Verdunstung in Zeiträumen nasser Blattoberflächen mit dem GASH-Interzeptionsmodell, bei trockenen Zeiträumen mit dem für Kiefern parametrisierten PENMAN-MONTEITH-Ansatz berechnet wird.

Die in den Szenarienrechnungen berücksichtigen Prozesse der Alterung der Abdecksysteme, der Vegetationsentwicklung eines Nadelwaldes sowie der zukünftigen Klimaentwicklung, führen einerseits zu veränderten Verdunstungsverhältnissen, andererseits zu veränderten Gesamtabflüssen und Abflußanteilen, mit einer Verschiebung der Oberflächenabfluß–Interflow- und Interflow–Sickerung-Verhältnisse.

Die Vegetationsentwicklung eines Kiefernwaldes führt zu insgesamt geringfügig niedrigeren Gesamtraten der aktuellen Verdunstung von 508–522 mm  bzw. 69–71 % gegenüber dem langjährigen Mittel der mit einer Grasvegetation bewachsenen Abdeckung. Die mittlere Transpiration des Kiefernbestandes liegt zwischen 325 und 340 mm  und macht ca. 65 % der Gesamtverdunstung aus; 35 % bzw. 183 mm der AET werden durch die Interzeption des Bestandes gebildet. Die potentielle Transpiration des Nadelwaldbestandes beträgt 359 mm im Zeitraum 1970–1999; sie liegt damit um fast 300 mm  unter der potentiellen Grasverdunstung aufgrund der höheren Stomatawiderstände.

Der durch die Interzeption erniedrigte Bestandsniederschlag sowie die im Szenario um den Faktor 10 erhöhte hydraulische Durchlässigkeit der Bodenoberfläche führt auf allen drei Abdeckungen zu einem starken Rückgang des Oberflächenabflusses auf Werte von < 2 %. Der Oberflächenabfluß ist auf den bewaldeten Abdeckungen mit zunehmender Gefügebildung im Oberboden, welche zur Verschiebung des Oberflächenabfluß–Interflow-Verhältnisses führt, für den mittleren Wasserhaushalt unbedeutend.

In den Szenarien der Bodenentwicklung mit konstanter Dichtwirkung der Dichtungsschicht der Zweischichtabdeckung bzw. des Haldenmaterials der Einschichtabdeckungen wird eine Zunahme des hypodermischen Abflusses prognostiziert, welcher ungefähr der Größenordnung der Abnahme des Oberflächenabflusses entspricht. Der Interflow steigt damit auf Werte zwischen 127 und 198 mm  bzw. 17–27 %; maximal wird im VF 2 ein Abfluß von 507 mm  und damit 42 % im Naßjahr 1981 prognostiziert.

Ein wichtiges (und unerwartetes) Ergebnis der Prognose der Szenarien der Vegetationsentwicklung eines Kiefernwaldes auf der Abdeckung ist die nahezu unveränderte Sickerrate an der Unterkante aller dreier Abdeckungen, trotz in hohem Maße abweichenden Annahmen zur Verdunstung und Durchwurzelung. Auf dem Zweischichtsystem werden im Mittel 97 mm  und damit 5 mm  weniger Sickerung als im Einbauzustand berechnet, auf dem geringmächtigen Einschichtsystem 26 mm  und damit eine unverändert niedrige Sickerrate, und auf dem höhermächtigen Einschichtsystem 73 mm  und damit eine ebenfalls nur geringfügig, um 3 mm niedrigere Sickerung ausgewiesen. Auch die Minima und Maxima weichen nur unwesentlich von den Werten des Einbauzustandes ab. Ursache für die an der Unterkante der Abdecksysteme unveränderten Fließverhältnisse ist, daß die Gesamtentzüge aus der Abdeckung nahezu gleich sind, auch wenn sich die Verdunstung im Fall des Kiefernwaldes in einen Transpirations- und Interzeptionsanteil aufspaltet. Der Anteil der tiefen Sickerung wird offensichtlich von der Größe der potentiellen Verdunstung und dem PET–AET-Verhältnis, sowie der Abflußanteile untereinander gesteuert.

Die ähnlich hohen Summen der aktuellen Verdunstung zeigen, daß die Gesamthöhe der aktuellen Verdunstung, neben den limitierenden Bodenfaktoren, vor allem eine Funktion der PET, also des Energiedargebots und der Ventilationsbedingungen ist, und nicht durch einen grundsätzlich verschiedenen Energieumsatz von Gras- oder Kiefernvegetation am Standort geprägt ist.

Diese Modellergebnisse stehen im Widerspruch zu den in der Literatur aufgeführten vergleichenden Messungen des Wasserhaushaltes unterschiedlicher Vegetationsdecken, mit einer Vielzahl von Belegen unterschiedlicher Sickerraten. Dieser Widerspruch kann hier nicht abschließend geklärt werden, eine Reihe von methodischen Differenzen zu den Messungen sowie große Standortunterschiede hinsichtlich der meteorologischen Randbedingungen und der Substratparameter sind Anhaltspunkte für mögliche Ursachen dieser Differenzen. So sind alle aufgeführten Messungen der Waldlysimeter typischerweise in sandigen und unverdichteten Böden durchgeführt worden, jedoch liegen keine Messungen vor aus hochverdichteten, zu Staunässe neigenden Böden, wie sie die Abdecksysteme darstellen. Stark nivellierend auf die Verdunstungsraten in Lichtenberg wirkt sich die hohe Verdunstung der Grasvegetation des Einbauzustandes aus, die mit AET-Raten von > 70 % im langjährigen Mittel und fast 90 % im Untersuchungszeitraum wesentlich höher als berichtete Verdunstungswerte z.B. des Großlysimeters St. Arnold ist. Dementsprechend niedrig ist die Sickerwasserbildung des Grasszenarios, so daß in den Szenarien mit höheren Vegetationsbeständen kaum Unterschiede ausgewiesen werden können.

In dem zweiten Szenario der Boden- und Vegetationsentwicklung, mit der Erhöhung der hydraulischen Durchlässigkeit der dichtenden Schicht um den Faktor 10, verschiebt sich das Interflow–Sickerung-Verhältnis deutlich, die Sickerung erhöht sich in der Zweischichtabdeckung um den Faktor 2 auf 192 mm  bzw. 26 %, in den Einschichtabdeckungen um den Faktor 3–6 auf 154–197 mm  bzw. 21–27 %. Die oben genannte Größenordnung der aktuellen Verdunstung bleibt in etwa erhalten, so daß auch die Gesamtabflüsse nahezu unverändert zu den Szenarien mit dichtender Wirkung der liegenden Schichten verbleiben.

Die Prognose des Wasserhaushaltes der drei Abdeckungen unter Zugrundelegung des GLOWA-Klimaszenarios für Ostthüringen bis zum Jahr 2055 zeigt für den ersten Teilzeitraum (I) von 2016–2035 kaum veränderte mittlere Verdunstungsverhältnisse der Grasvegetation, mit einem allerdings deutlich niedrigeren Minimum von ca. 360 mm  im Trockenjahr 2018, bei Niederschlägen von weniger als 400 mm. Im zweiten Teilzeitraum (II) von 2036–2055 sinkt auch die mittlere AET deutlich um ca. 50 mm  gegenüber den rezenten Verhältnissen auf Werte von 480–485 mm  aufgrund der zunehmend negativ verlaufenden
klimatischen Wasserbilanz. Die Gesamtabflüsse sinken im Zeitraum 2016–2035 gegenüber den mittleren Verhältnissen des Zeitraums 1970–1999 um den Faktor 2 auf Werte von 102–125 mm, im Zeitraum 2036–2055 um den Faktor 3 auf Werte von 73–84 mm. Die einzelnen Abflußanteile verschieben sich gegenüber den rezenten Verhältnissen, da der Abflußrückgang des Interflow überproportional hoch ist.

Die Sickerung an der Unterkante der Dichtungsschicht bzw. in das Haldenmaterial sinkt im GLOWA-Betrachtungszeitraum auf Werte von 63 bzw. 52 mm  im VF 1, 18 bzw. 14 mm  im VF 2 und 45 bzw. 35 mm im VF 3 (jeweils Szenario I und II). {\slshape{Diese Werte stellen zugleich die untere Grenze der prognostizierten Sickerraten für das Speicher- und Verdunstungskonzept dar

Aus der Kombination der Szenarien der Boden- und Vegetationsentwicklung sowie der Prognose der zukünftigen Klimaentwicklung (hier unter Zugrundelegung des Zeitraumes 2036–2055) läßt sich das wahrscheinliche langfristige Systemverhalten der Ein- und Zweischichtabdeckungen prognostizieren. Hierbei überlagern sich die Effekte der Verschiebung der Oberflächenabfluß–Interflow- und Interflow–Tiefensickerung-Verhältnisse, resultierend aus der Bodenentwicklung, und die Wirkung der zunehmend trockenen klimatischen Bedingungen, resultierend insgesamt in sinkenden Gesamtabflüssen.

In den Szenarien mit Erhalt der dichtenden Funktion der Dichtungsschicht bzw. des Haldenmaterials wird deshalb eine Abnahme des hypodermischen Abflusses prognostiziert, welche jedoch geringer ausfällt als im Klimaszenario II aufgrund der Zunahme der Dränkapazität der Rekultivierungsschichten. Die Sickerraten an der Unterkante der jeweiligen Abdeckung liegen zwischen den Werten der beiden Einzelszenarien der Kombination, mit Werten von 78 mm  im VF 1, 20 mm  im VF 2 und 54 mm  im VF 3, und damit jeweils ca. 6–22 mm unterhalb der Sickerraten für den Einbauzustand unter rezenten klimatischen Bedingungen unter einer Grasvegetation. In Perioden mit positiver klimatischer Wasserbilanz steigt die Sickerung in der Zweischichtabdeckung auf > 100 mm. Erhöht sich die Durchlässigkeit der Dichtungsschicht bzw. des Haldenmaterials um den Faktor 10, so erhöhen sich, wie oben beschrieben, die Sickerraten, jedoch in geringerem Ausmaß als im Szenario ohne die hydraulische Wirkung des Klimawandels. Für das VF 1 wird eine Sickerung von 124 mm  bzw. 19 %, für das VF 2 von 114 mm  bzw. 18 % und für das VF 3 von 131 mm  bzw. 21 % berechnet. Die maximalen Sickermengen liegen zwischen 164 und 233 mm.
Für die drei Versuchsabdeckungen wurde auf Basis der gemessenen Tensionsprofile im Untersuchungszeitraum sowie der berechneten Feuchteverhältnisse in den HYDRUS_2D-Szenarien die Sauerstoffdiffusion in das Haldenmaterial prognostiziert.

Unter den rezenten klimatischen Verhältnissen und den bodenphysikalischen Eigenschaften des Einbauzustandes werden für die drei Abdeckungen nahezu gleich niedrige Sauerstoffeinträge von ca. 0,9–1,0 g/m^2 a im dreißigjährigen Mittel ausgewiesen.

Der kumulative Sauerstoffeintrag in der Zweischichtabdeckung verläuft aufgrund der dauerhaft feuchten Dichtungsschicht sehr gleichmäßig, mit nur gering höheren Raten im Sommer, und vergleichsweise hohen Einträgen in den Wintermonaten aufgrund der schneller abtrocknenden sandigeren Rekultivierungsschicht.
Die bindigen Substrate der Rekultivierungsschicht der Einschichtabdeckungen trocken im Sommer zwar sehr stark aus, die Sättigungen  der flacher verlaufenden pF-Funktion liegen jedoch höher als in der Zweischichtabdeckung. Im Winter, mit langen Phasen ausgeprägter Staunässe, ist die Sättigung im gesamten Profil der Einschichtabdeckungen nahe 1, resultierend in sehr niedrigen Diffusionskoeffizienten. Sehr großen Einfluß auf die Gasdiffusion in den beiden Einschichtabdeckungen hat die tiefgreifende Austrocknung in das Haldenmaterial hinein. Hieraus resultieren wesentlich stärker jahreszeitlich schwankende Diffusionskoeffizienten, der kumulative Sauerstoffeintrag nimmt in den Einschichtabdeckungen in den trockenen Zeiträumen stark zu. Die Mächtigkeit der Abdeckung hat damit großen Einfluß auf die Gasdiffusion, da die höhermächtige Überdeckung die Oberkante des Haldenmaterials stärker vor der Austrocknung schützt.

Im Gegensatz zu den gleichwertigen mittleren Sauerstoffeinträgen unter rezenten Bedingungen werden für die Szenarien der Boden- und Vegetationsentwicklung sowie des Klimawandels zwischen den Abdeckungen deutlich differenzierte Verhältnisse prognostiziert, mit grundsätzlich höheren Sauerstoffeinträgen – wobei das Ausmaß der Erhöhung wiederum von der prognostizierten Feuchteänderung im Abdeckprofil und im Haldenmaterial abhängig ist.

Die prognostizierte Klimaänderung erhöht die Sauerstoffdiffusion um den Faktor 2–4. Höher sensitiv auf die klimatisch trockenen Bedingungen sind die Einschichtabdeckungen; der nach wie vor ausgeglichene Feuchtehaushalt der Dichtungsschicht in der Zweischichtabdeckung führt dagegen nur zu einer geringen Erhöhung der Diffusionskoeffizienten.

Noch stärker als die Effekte der klimatischen Änderung wirken sich die Boden- und Vegetationsentwicklungsszenarien auf die Sauerstoffdiffusion aus. Sowohl die Abnahme der Infiltration durch den verminderten Bestandsniederschlag, als auch die Abnahme der Zeiten mit ausgeprägten Stauwasserspiegel in
den Abdeckungen wirken stark diffusionserhöhend, wobei diese Effekte wiederum vor allem in den Einschichtabdeckungen ausgeprägt sind. Steigt die hydraulische Durchlässigkeit des Haldenmaterials in den Einschichtsystemen bzw. in der Dichtungsschicht im Zweischichtsystem, so steigen die Sauerstoffeinträge um den Faktor 1,3–30 über die Werte des Einbauzustandes, und erreichen im Zweischichtsystem mittlere Werte von 1,3 g/m^2 a, und 9–29 g/m^2 a auf den Einschichtabdeckungen.

Der wahrscheinliche Fall der kombinierten Klima- und Boden- sowie Vegetationsentwicklung zeigt die große Zunahme des Sauerstoffflusses in allen Szenarien. Eine vergleichsweise geringe Zunahme weist dabei die Zweischichtabdeckung auf. Die Zunahme für die Einschichtabdeckungen ist hoch, mit einer Erhöhung um den Faktor 1,7–2,6 bei Erhalt der dichtenden Funktion des Haldenmaterials, und um den Faktor 23–70 bei Zunahme der Ks-Werte im Haldenmaterial. In den Trockenjahren steigen die effektiven Diffusionskonstanten in den Einschichtabdeckungen auch in 3 m Tiefe stark an, so daß der Sauerstoffeintrag in diesen Zeiträumen sehr hoch ist (Maxima VF 2: 77, VF 3: 325 g/m^2 a).

Die Ergebnisse der Sauerstoffdiffusion sind hoch sensitiv hinsichtlich des verwendeten Ansatzes zur Beschreibung der Diffusionskoeffizienten. Eine Verifizierung der Ansätze für die besonderen bodenphysikalischen Eigenschaften der Abdecksysteme steht aus, so daß die Prognose des Gashaushaltes mit einer höheren Unsicherheit belastet ist. Davon unbenommen sind jedoch die qualitativen Aussagen und die Größenordnung der Zunahme des Sauerstoffeintrages in den Szenarienrechnungen der Boden-, Vegetations- und Klimaentwicklung. Auch die beiden alternativ geprüften Ansätze zur Berechnung der Diffusionskoeffizienten führen in der Modellierung zu einer vergleichbarer Größenordnung der Zunahme des Sauerstoffstromes – wobei wiederum die Einschichtabdeckungen von der großen Zunahme betroffen sind, die Zweischichtabdeckung eine nur moderate Zunahme erfährt.

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Schlußfolgerungen

Das sogenannte Speicher- und Verdunstungskonzept alternativer Abdeckungen wurde in der vorliegenden Untersuchung mittels Feld- und Simulationsmethoden auf seine Wirksamkeit hinsichtlich der Reduzierung der Tiefensickerung sowie der Sauerstoffdiffusion in den abzudeckenden Körper geprüft. Zusätzlich zu den bereits oben getroffenen Bewertungen soll hier eine Diskussion der Wirksamkeit zum einen an den (standortbezogenen) Anforderungen zur Sanierung der Halden des Ronneburger Reviers erfolgen, zum anderen (standortübergreifend) im Vergleich mit Standardabdeckungen, wie sie in der Bergbausanierung und Deponietechnik angewendet werden. 

Dieses Konzept, welches vor dem Hintergrund anhaltender Diskussionen zum unsicheren Langzeitverhalten von Dichtelementen als eine Alternative zu herkömmlichen Abdeckungen gesehen wird, beruht auf der Wechselwirkung der hydrometeorologischen Verhältnisse mit den Bodeneigenschaften (vgl. ausführliche Diskussion in Langfassung). Es wird damit im wesentlichen von den Steuerungsgrößen aktuelle und potentielle Evapotranspiration sowie den hydraulischen Durchlässigkeiten und den Porenverhältnissen der Abdecksubstrate bzw. des abzudeckenden Körpers bestimmt. 

Eine ideale Abdeckung dieses Typs würde zu Zeiten mit positiver klimatischer Wasserbilanz den Infiltrationsüberschuß im Porenraum der Abdeckung aufnehmen, sowie in Phasen negativer klimatischer Wasserbilanz den Porenraum durch die Verdunstungsleistung der Vegetation wieder leeren. Reicht der verfügbare Porenraum zum Zeitpunkt des auftretenden Niederschlages zur Aufnahme des Infiltrationsüberschusses nicht aus, oder ist der gefüllte Porenraum für die Verdunstung nicht verfügbar, so ist mit einer Abflußbildung bzw. einer Sickerwasserbildung an der Unterkante der Abdeckung zu rechnen. 

Dieser charakteristische jahreszeitliche Wechsel von Speicherleerung und Wiederauffüllung sowie die Sickerwasserbildung ist für die drei untersuchten mineralischen Abdeckungen des Versuchshanges in den nebenstehenden 2 Abbildungen gezeigt. Die Schwankung des Bodenwasservorrates der obersten 200 cm der Systeme zeigt anschaulich dieses Prinzip der Speicher- und Verdunstungsleistung. Die absolute Höhe des Bodenwasservorrates ist dabei eine Funktion des Gesamtporenvolumens und der nutzbaren Feldkapazität der Substrate, der minimale Bodenwasservorrat zeigt die maximale Speicherleerung durch die Evapotranspiration im Sommer an.

In den beiden Winterhalbjahren 2001/2002 und 2002/2003 erreichte der Bodenwasservorrat über längere Zeiträume konstant diese maximalen Werte der Speicherauffüllung, so daß es in allen drei Abdeckungen zur langanhaltender Sickerwasserbildung an der Unterkante der Abdeckungen kam. Diese Zeiträume ausgeprägter Staunässe und Abflußbildung wurden mit den Felduntersuchungen umfassend und anschaulich dokumentiert. Insbesondere auf den Einschichtabdeckungen zeigten die Messungen in diesen Zeiträumen dauerhaft Tensionen kleiner Feldkapazität. Hier erfolgte die Speicherauffüllung der Rekultivierungsschicht schon früh in den Herbstmonaten, so daß schon die ersten größeren Winterniederschläge zur unmittelbaren Abflußbildung führten. In den Sommermonaten war dagegen die Speicherwirkung ausreichend, um auch sehr große Infiltrationsmengen (wie im August 2002) aufzunehmen, ohne daß es bei solchen Starkniederschlägen zur tiefen Sickerwasserbildung kam.
 Bodenwasser

 Bodenwasser

Daß die Abflußbildung in den Wintermonaten an der Unterkante der Abdeckung nur teilweise in das abzudeckende Substrat einsickert, wie auf dem Versuchshang beobachtet, beruht auf dem zusätzlichen Dichtungseffekt hoch verdichteter Lagen der Rekultivierungsschicht, des Haldenmaterials bzw. auf der Funktionsfähigkeit der Dichtungsschicht in der Zweischichtabdeckung. Eine nur auf der Wirkung des Speicher- und Verdunstungskonzeptes basierende Abdeckung würde zu wesentlich höheren Sickerraten in das Haldenmaterial führen, wie die Simulationsergebnisse zeigen. Für die drei untersuchten Abdeckungen liegen deshalb die Sickerraten des Speicher- und Verdunstungskonzeptes bei ca. 150–190 mm/a bzw. bei 21–26 % des Niederschlages – und damit deutlich oberhalb der Modellergebnisse für den Versuchshang. Auch unter den trockenen Bedingungen des prognostizierten Klimawandels bleiben die Sickerraten des reinen Speicher- und Verdunstungskonzeptes mit > 100 mm/a hoch.

Als Fazit muß deshalb konstatiert werden, daß weder unter den derzeitigen, noch unter den prognostizierten hydrometeorologischen Bedingungen für Ostthüringen dieser Ansatz Sickerraten erwarten läßt, die in der Größenordnung einer Standarddeponieabdeckung (Dreischichtsystem) liegen. Wird auf dichtende Elemente verzichtet, so liegt die Sickerung in das Haldenmaterial um den Faktor 3–4 oberhalb der Werte einer Standarddichtung des Typs Deponieklasse I. Nur eine gealterte mineralische Deponiedichtung zeigt eine Sickerung in vergleichbarer Größenordnung.
Die standortbezogene hydraulische Anforderung, mit einer zulässigen Sickerung in das Haldenmaterial von 10–20 % des Niederschlages, wird durch alle drei im Feld untersuchten Abdeckungen unter rezenten Verhältnissen des Einbauzustandes erreicht. In dem wahrscheinlichsten Szenario der langfristigen Entwicklung der Abdeckung, mit einer Kombination der Einflüsse der Abflußzunahme durch die Erhöhung der hydraulischen Durchlässigkeiten, sowie der abflußmindernden Wirkung durch den prognostizierten Klimawandel, werden Sickerraten vorhergesagt, welche mit 18–21 % im oberen Bereich dieser zulässigen Sickerung liegen.

Wie für die Beobachtungen zu den Einschichtabdeckungen, gilt für die als Standardkonzept zur Abdeckung von säuregenerierenden Bergemassen geltende Zweischichtabdeckung, daß die hydraulische Wirkung in hohem Maße von der seitlichen Wegführung des Sickerwassers an der Unterkante der Rekultivierungsschicht abhängt. Hier zeigte sich, daß die Verhältnisse auf dem Versuchshang – mit einer geringen Dränkapazität der Rekultivierungsschicht – trotz niedriger hydraulischer Durchlässigkeit der Dichtungsschicht zu einer hohen Durchsickerung dieser Schicht führen. Nur eine höhere Dränkapazität würde die Sickerung reduzieren, so daß dann Sickerraten < 100 mm/a erreicht werden können. 

Daß der verbreitete Einsatz der Zweischichtabdeckung in der Praxis der Sanierung von Bergbaualtlasten ursprünglich aus der Fragestellung der Verringerung der Gasdiffusion abgeleitet ist, ist aus den Feldergebnissen und den Simulationen des Sauerstoffeintrages in das Haldenmaterial ersichtlich. Diese zeigen, daß durch die mächtigere, mit einer bindigen, kompakten und dauerhaft feuchten Dichtungsschicht versehenen Zweischichtabdeckung die Diffusion in das Haldenmaterial effektiv verringert werden kann. In den Einschichtabdeckungen, mit der in den Feldversuchen dokumentierten tiefgründigen Austrocknung bis weit in das Haldenmaterial hinein, treten dagegen einzelne Schübe mit hoher Diffusion auf, die – insbesondere bei der Annahme der trockeneren Bodenverhältnisse der Szenarien der Boden-, Vegetations- und Klimaentwicklung – zu wesentlich höheren Prognosen des Sauerstoffeintrages führen. 

Damit zeigt sich insgesamt, daß eine Reihe von Faktoren der zwei wesentlichen Aspekte des Speicher- und Verdunstungskonzeptes, nämlich 

stark limitierend auf das Ziel der Verdunstungsmaximierung bzw. der Minimierung der Sickerung wirken können.

So läßt sich eine niedrige nutzbare Feldkapazität des Substrates nur in Grenzen durch eine Erhöhung der Profiltiefe ausgleichen. Zwar ist aus Untersuchungen zu Schöpftiefen von Waldstandorten bekannt, daß sowohl Laub- als auch Nadelbaumarten aus Profiltiefen von bis zu 1,5–2 m ihren Feuchtebedarf decken, also unter diesen Vegetationsstandorten das Bodenprofil sehr tiefreichend im Sommer austrocknen kann. Auch von tiefwurzelnden Agrarpflanzen und der Krautschicht sind Schöpftiefen bis 2 m in tiefgründigen Lößböden dokumentiert bei klimatischem Trockenstreß. Auch die hier vorgestellten Felduntersuchungen zeigen diese hohe Schöpftiefe der Vegetation. Da aber der nutzbare Porenraum der Rekultivierungssubstrate mit typischen Werten der nFK von < 10 bis 15 % recht gering ist, kommt es vergleichsweise schnell zu einer Sickerwasserbildung, wie hier gezeigt wurde. 

Den hohen Anforderungen an eine wasserhaushaltlich wirksame Rekultivierungsschicht steht damit eine gegenteilige Praxis gegenüber, in der technologische Randbedingungen und die Verfügbarkeit von Substrat zum Bau der Rekultivierungsschicht die Eigenschaften dieser Schicht bestimmen. Aus vielen Untersuchungen zu "Rekultivierungsböden", sowohl aus der bergbaulichen Rekultivierung als auch aus dem Deponiebau, ist bekannt, das diese oft wesentlich schlechtere Eigenschaften aufweisen als oben zur Umsetzung des Speicher- und Verdunstungskonzeptes gefordert. Hohe Verdichtungsgrade, hohe Steingehalte und geringe Gehalte an organischer Substanz lassen zwar eine Begrünung zu, reduzieren jedoch die im Anforderungsprofil genannte wasserhaushaltliche Speicherwirkung ganz wesentlich. So weisen z.B. die typischen Rekultivierungsböden in den rheinischen und mitteldeutschen Braunkohlerevieren zwar hohe Schluffanteile auf, sind jedoch oft hoch verdichtet mit geringem Grobporenvolumen und haben damit (vor allem aufgrund der
geringen Anteile an engen Grobporen im Bereich von pF 1,8 bis 2,5) relativ niedrige nutzbare Feldkapazitäten gegenüber vergleichbaren Lößboden der Region. 

Eine zweiter limitierender Faktor ist der Makroporenfluß in der Rekultivierungsschicht, der zum schnellen und tiefen Transport von Sickerwasser führen kann. Die Sickerwasserbewegung und -speicherung in der Rekultivierungsschicht geht im konzeptionellen Ansatz des Speicher- und Verdunstungskonzeptes von einem unimodalen Porensystem aus. Als möglicher Versagensfall wird die Überschreitung des auffüllbaren Porenraumes im hydrologischen Winterhalbjahr oder bei Starkniederschlagsereignissen gesehen. Dieses Konzept geht damit insgesamt von einem homogenen Matrixfluß des Sickerwassers in der speichernden Rekultivierungsschicht aus. Porensysteme in natürlichen oder in anthropogenen Böden sind jedoch häufig bimodal mit einen Anteil von Makroporen, in dem eine schnelle Sickerwasserbewegung erfolgen kann, ohne den Porenraum der Bodenmatrix vollständig auffüllen zu müssen (preferential flow). So kann eine Sickerwasserbildung an der Unterkante der Rekultivierungsschicht nicht nur bei Überschreiten der Speicherkapazität des Porenraumes, sondern auch bei Sickerereignissen mit tiefreichendem präferenziellen Fluß auftreten. Die Ergebnisse der Felduntersuchungen haben die Relevanz der schnellen Fließereignisse auch in großen Profiltiefen gezeigt. 

Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen weiterhin, daß für die Wirkung der Vegetationsdecke die wesentliche Limitation das Energiedargebot ist, ausgedrückt als potentielle Evapotranspiration. Die klimatische Wasserbilanz einer Nadelwaldvegetation in Ostthüringen wurde mit +198 mm/a bestimmt, die klimatische Wasserbilanz einer Grasvegetation ist mit +81 mm/a etwas günstiger – beide Werte lassen jedoch eine deutliche Sickerwasserbildung erwarten. Die klimatische Wasserbilanz ist damit am Standort weit ungünstiger, als in viele vorliegende Untersuchungen zum Speicher- und Verdunstungskonzept, welche vor allem in Gebieten mit deutlich negativ verlaufender klimatischer Wasserbilanz durchgeführt wurden. 

Auch wenn sich die mittlere Sickerwassermenge durch die Maximierung der Verdunstungsleistung einer Abdeckung reduzieren läßt, so wird zumindest kurzzeitig bei ungünstigen hydrologischen Verhältnissen mit höheren Versickerungsraten zu rechnen sein, wenn die Sickerwasserrate alleine durch die hydraulischen Durchlässigkeiten des Substrates, z.B. bei Starkniederschlagsereignissen mit präferenziellen Fluß in Makroporen bestimmt wird.
Selbst unter semiariden oder ariden Verhältnissen kann eine signifikante Sickerung durch eine Oberflächenabdeckung auftreten, wenn die oben genannten Prozesse bedeutsam sind, wie Ergebnisse anderer Versuchsanlagen zeigen (z.B. Hanford, Los Alamos). Bei schlecht entwickelter Vegetation mit nur flacher Durchwurzelung sowie hohen hydraulischen Durchlässigkeiten im Oberboden oder Ausprägung eines Makroporensystems führen einzelne Starkregenereignisse zu schnellem, tiefen Sickerwassertransport. Für einen natürlichen, ariden Standort mit Grasvegetation bei Hanford, USA (Niederschlag 160 mm/a) wurden so, bedingt durch vereinzelt auftretende Winterniederschläge, Versickerungsraten von bis zu > 30 % in einer dreijährigen Versuchsdauer gemessen. Als Fazit dieser Untersuchungen nennen GEE etal 2005 die Annahme, daß semiaride oder aride Verhältnisse per se eine Sickerung ausschließen, einen Mythos.

Eine Oberflächenabdeckung, nur basierend auf dem Speicher- und Verdunstungskonzept, kann also auch unter sehr günstigen Bedingungen einzelne Sickerwasserschübe nicht verhindern, auch wenn die mittleren Sickerraten sehr gering sein können. Sollen diese Einzelereignisse für einen Standort vermieden werden, so sind zusätzliche funktionale Elemente eines Abdecksystems zu integrieren. Die in den USA am Standort Hanford als Vorzugsvariante vorgesehene Endabdeckung mit (sehr hohen) Anforderungen an die Lebensdauer von 1000 Jahren und einer Sickerwasserrate nahe Null ist deshalb redundant als Verdunstungs- und Dichtschichtsystem ausgelegt, so daß auch bei Ausfall der hydraulischen Funktionalität eines der zwei Systeme eine Versickerung in den Untergrund vermieden werden kann. Auch in der Deponiepraxis kann die Rekultivierungsschicht als zweites Element, z.B. neben einem Dicht- oder Kapillarsperrenelement, einen wesentlichen Anteil an der Gesamtfunktionalität des Abdecksystems einnehmen, wenn die dargestellten Aspekte des Speicher- und Verdunstungskonzeptes umgesetzt werden. 

Unabdingbar ist jedoch hierfür eine entsprechende Wahrnehmung der potentiellen Funktionalität dieser Schicht in der Sanierungs- und Deponiepraxis, sowie der Aufnahme wichtiger, hier diskutierter Substrateigenschaften der Rekultivierungsschicht in die entsprechenden Regelwerke. 

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Links zum Thema

Wismut GmbH
DeponieOnline Site von K. Stief, viele Infos/Dokumente zu Oberflächenabdeckungen
HYDRUS-Modell
HELP-Modell
Alternative Covers Assessment Program Untersuchungsprogramm in USA, Abdeckungen Typ Speicher- und Verdunstungskonzept
Ruhr Uni Bochum, Physische Geographie Lehrstuhl Prof. Zepp




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