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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:kobv:517-opus-6403
URL: http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2006/640/


Voß, Frank

Integrierte Modellierung von Durchflussdynamik und salinarer Stofftransportprozesse unter Berücksichtigung anthropogener Steuerungen am Beispiel der Unstrut

Integrated modelling of flow discharge and saline solute transport processes under consideration of anthropogenic management strategies in the Unstrut river basin

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Kurzfassung auf Deutsch

Durch die Stilllegung der Kali-Gewinnung und -Produktion zwischen 1990 und 1993 sowie die begonnene Rekultivierung der Kali-Rückstandshalden haben sich die Salzfrachteintragsbedingungen für die Fließgwewässer im "Südharz-Kalirevier" in Thüringen zum Teil deutlich verändert. Aufgrund erheblich geringerer Salzeinträge in die Vorfluter Wipper und Bode ist es möglich geworden, zu einer ökologisch verträglichen Salzfrachtsteuerung überzugehen. Die Komplexität der zugrunde liegenden Stofftransportprozesse im Einzugsgebiet der Wipper macht es jedoch unumgänglich, den Steuerungsvorgang nicht nur durch reine Bilanzierungsvorgänge auf der betrachteten Steuerstrecke zu erfassen (so wie bisher praktiziert), sondern auch die Abflussdynamik im Fließgewässer und den Wasserhaushalt im Gebiet mit einzubeziehen.

Die Ergebnisse dieser Arbeit dienen zum einen einer Vertiefung der Prozessverständnisse und der Interaktion von Wasserhaushalt, Abflussbildung sowie Stofftransport in bergbaubeeinflussten Einzugsgebieten am Beispiel der Unstrut bzw. ihrer relevanten Nebenflüsse. Zum anderen sollen sie zur Analyse und Bewertung eines Bewirtschaftungsplanes für die genannten Fließgewässer herangezogen werden können. Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung eines prognosetauglichen Steuerungsinstrumentes, das für die Bewirtschaftung von Flusseinzugsgebieten unterschiedlicher Größe genutzt und unter den Rahmenbedingungen der bergbaubedingten salinaren Einträge effektiv zur Steuerung der anthropogenen Frachten eingesetzt werden kann.

Die Quellen der anthropogen eingeleiteten Salzfracht sind vor allem die Rückstandshalden der stillgelegten Kaliwerke. Durch Niederschläge entstehen salzhaltige Haldenabwässer, die zum Teil ungesteuert über oberflächennahe Ausbreitungsvorgänge direkt in die Vorfluter gelangen, ein anderer Teil wird über die Speichereinrichtungen gefasst und gezielt abgestoßen. Durch Undichtigkeiten des Laugenstapelbeckens in Wipperdorf gelangen ebenfalls ungesteuerte Frachteinträge in die Wipper. Ein weiterer Eintragspfad ist zudem die geogene Belastung.

Mit Hilfe detaillierter Angaben zu den oben genannten Eintragspfaden konnten Modellrechnungen im Zeitraum von 1992 bis 2003 durchgeführt werden. Durch die Ausarbeitung eines neuartigen Steuerungskonzeptes für das Laugenstapelbecken Wipperdorf, war es nun möglich, die gefasste Haldenlauge entsprechend der aktuellen Abflusssituation gezielt abstoßen zu können. Neben der modelltechnischen Erfassung der aktuellen hydrologischen Situation und der Vorgabe eines Chlorid-Konzentrationssteuerzieles für den Pegel Hachelbich, mussten dabei weitere Randbedingungen (Beckenkapazität, Beckenfüllstand, Mindestfüllstand, Kapazität des Ableitungskanals, usw.) berücksichtigt werden.

Es zeigte sich, dass unter Anwendung des Steuerungskonzeptes die Schwankungsbreite der Chloridkonzentration insgesamt gesehen deutlich verringert werden konnte. Die Überschreitungshäufigkeiten bezüglich eines Grenzwertes von 2 g Chlorid/l am Pegel Hachelbich fielen deutlich, und auch die maximale Dauer einer solchen Periode konnte stark verkürzt werden. Kritische Situationen bei der modelltechnischen Frachtzusteuerung traten nur dann auf, wenn Niedrigwasserverhältnisse durch die Simulationsberechnungen noch unterschätzt wurden. Dies hatte deutliche Überschreitungen der Zielvorgaben für den Pegel Hachelbich zur Folge.

Mit Hilfe des Steuerungsalgorithmus konnten desweiteren auch Szenarienberechnungen durchgeführt werden, um die Auswirkungen zukünftig zu erwartender Salzfrachten näher spezifizieren zu können. Dabei konnte festgestellt werden, dass Abdichtungsmaßnahmen der Haldenkörper sich direkt positiv auf die Entwicklung der Konzentration in Hachelbich auswirkten. Durch zusätzlich durchgeführte Langzeitszenarien konnte darüber hinaus nachgewiesen werden, dass langfristig eine Grenzwertfestlegung auf 1,5 g Chlorid/l in Hachelbich möglich ist, und die Stapelkapazitäten dazu ausreichend bemessen sind.

Kurzfassung auf Englisch

As a consequence of general closure and conversion of potash-industries between the years 1990 and 1993 and due to the beginning of recultivation activities on the potash stockpiles the load of dissolved potassium salt of rivers in the "Südharz-Kalirevier" in the German federal state of Thuringia has considerably changed. The extremely decreased salt inputs into the tributaries of Wipper and Bode were accompanied by a change in salt load management towards a system controlled with respect to river ecology. Due to the high complexity of salt transport processes in the Wipper catchment, the existing operation rules cannot comply with the present requirements, so that a comprehensive knowledge of water balance processes and river flow dynamics have to be included in management strategies.

On the one hand this investigation aims to analyse the processes and the interaction of water balance, runoff generation and solute transport in catchment areas influenced by salt mining activities such as the case in the river Unstrut and its relevant tributaries. On the other hand the results of this study can help to analyse and assess sustainable management plans for the above mentioned river basins. Thus the main objective of this study is to develop an integrated, predictive management tool, that can be applied for catchment areas of different spatial scales and for the effective use of controlled discharge of anthropogenic salt solution taking into account the basic input conditions from salt mining activities.

The most important sources of anthropogenic salt inputs into the river stream are the salt loads from the potash stockpiles near the disused mines. Due to usual precipitation salt solution leaches from the stockpiles, which partly reaches the river streams uncontrolled by lateral interflow processes. Another part is being gathered in reservoirs and than discharged according to special system operation rules. As well dissolved salt loads comes into the Wipper by leakage processes out of the reservoir in Wipperdorf. Furthermore geogenic input is another important emission pathway.

With detailed information about these different emission pathways, model simulations were performed within the period from 1992 to 2003. After the technical implementation of a new management strategy for the reservoir in Wipperdorf, now it was possible to push off the stored lye according to the actual runoff situation in the river stream. Beside a fully modell aided description of the whole actual hydrological situtation and provided control values for chloride concentration at the gauging station in Hachelbich, also other boundary conditions had to be considered for this purpose (such as reservoir capacity, actual fill level, minimum fill level, drain capacity etc.).

It turned out, that the application of the new management strategy led to a clear decreased range in chloride concentration. Frequencies of exceeding a critical value of 2 g chloride/l at gauging station in Hachelbich enormously declined and the maximum duration of such periods could rigorously be shortened. Particluar critical situations in calculating potential lye discharge only occured when measured flow discharge was underestimated through model simulations. In this case control values for the gauging station in Hachelbich could not be achieved.

With this new management tool scenario simulations were executed to analyse the effects of expected amounts of lye in future. These theoretical studies showed the decreasing trend in chloride concentration if restorations measures at the stockpiles would be continued. Longterm scenario runs also showed, that a threshold value of 1,5 g chloride/l in Hachelbich could be achieved and existing storage capacities therefor will be sufficiently dimensioned.

SWD-Schlagwörter: Hydrologie , Modellierung , Wasserhaushalt , Stoffhaushalt
Freie Schlagwörter (deutsch): Durchflussdynamik , Stofftransport , integrierte hydrologische Modellierung , Salzfrachtsteuerung
Freie Schlagwörter (englisch): integrated modelling , flow discharge , solute transport , salt load management
RVK - Regensburger Verbundklassifikation RH 25357
Institut: Institut für Geoökologie
Fakultät: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: a Dissertation
Hauptberichter: Bronstert, Axel (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 21.12.2005
Erstellungsjahr: 2005
Publikationsdatum: 06.02.2006


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