Mitteillungen
Deutsche Bodenkundliche Gesellschaft, 2007, Vol.
110, 355–356. pdf
(130 kb)
Poster
Jahrestagung Deutsche Bodenkundliche Gesellschaft, Dresden
2007. pdf
(1,3 MB)
Problemstellung
Zur Sanierung der
Wismut-Altlasten werden mineralische Oberflächenabdeckungen auf
Standorten mit
Bergemassen und Schlämmen der Uranerzaufbereitung aufgebracht.
Ziel ist sowohl die Reduzierung der
Zusickerung von Niederschlagswasser, als auch den Gasaustausch mit der
Atmosphäre zu vermindern. Neben der
Radonexhalation aus den radioaktiven Altlasten ist dabei die
Sauerstoffdiffusion durch die Abdeckungen von
Bedeutung, da durch den atmosphärischen Sauerstoff die
Pyritoxidation und damit die Bildung saurer
Sickerwässer im abgedeckten Substrat gesteuert wird (Abb. 1).
In der internationalen Praxis der Sanierung von Bergbau-Altlasten
werden hierzu vor allem Zweischichtabdeckungen
verwendet, mit einer hoch verdichteten tonigen Dichtungsschicht, welche
die Gasdiffusion effektiv behindert. Zur
Abdeckung des ehemaligen Tagebaus Lichtenberg im Ronneburger Revier
wurden neben solchen
Zweischichtsystemen auch einfache Einschichtabdeckungen untersucht, die
den relativ niedrigen hydraulischen
Anforderungen (Sickerraten 10–20 % des
Niederschlags) genügen. Ob auch die Sauerstoffdiffusion durch
solche
geringmächtige Abdeckungen ohne Dichtungsschicht ausreichend
behindert wird, war Untersuchungsziel einer
mehrjährigen Meßkampagne.
Methodik
Auf einem verfüllten
Bereich des ehemaligen Tagebaus Lichtenberg wurden im Jahr 2000 drei
50 x 60 m große
Versuchsabdeckungen errichtet (Zweischichtabdeckung: 1,5 m
Rekultivierungsschicht, 0,4 m Dichtungsschicht;
zwei Einschichtabdeckungen: 1 und 1,6 m mächtig)
sowie auf einer Fläche das Haldenmaterial unabgedeckt
belassen. Die Bodenhydrologie (Wassergehalt, Tension) und die
Abflüsse wurden in den Abdecksubstraten und
im Haldenmaterial kontinuierlich aufgezeichnet. Wöchentlich
wurden Sauerstoffkonzentrationen in der Bodenluft
an der Ober- und Unterkante der Abdeckung sowie im Haldenmaterial
gemessen. Hierzu wurde Bodenluft aus
fest installierten Lanzen an die Oberfläche gezogen und die
Konzentration mittels eines mobilen
Abgas-Analysegeräts (TESTO) bestimmt (Abb. 2). Auf
Grundlage der gemessenen Feuchteverhältnisse wurden die
Gasdiffusionskoeffizienten (u.a. nach ELBERLING
berechnet. Der Sauerstofffluß in das Haldenmaterial wurde
mittels eines stationären Ansatzes auf Basis der effektiven
Diffusionskonstanten der Abdeckung
berechnet.
Ergebnisse
Die Feldversuche
bestätigen die bekannte Wirkungsweise einer
Gasdiffusionsbarriere: Die tonige
Dichtungsschicht der Zweischichtabdeckung war über den
gesamten Untersuchungszeitraum ausreichend
feucht, um niedrige Diffusionskonstanten zu gewährleisten.
Sauerstoffgehalte unter dieser Schicht
waren in der Bodenluft dauerhaft nicht nachweisbar. Der trockene Sommer
2003, welcher zu einer
Austrocknung der Abdeckung bis in den Winter 2003/2004 führte,
hat den Sauerstofffluß nur geringfügig
erhöht, da die Sättigung der Dichtungsschicht auch
für diese Zeit bei ca. 0,9 lag. Die effektiven
Gasdiffusionskonstanten der gesamten Abdeckung lagen für
diesen Zeitraum bei maximal 3,5 x10-9
m2
s-1.
Für die
geringmächtige Abdeckung zeigt das bodenhydrologische
Monitoring eine tiefreichende Austrocknung
bis in das Haldenmaterial in den Sommermonaten. Die
Diffusionskonstanten im Haldenmaterial
unter der Abdeckung erreichen hohe Werte von
> 1 x10-9 m2
s-1 in
den
Sommermonaten – die Diffusionskoeffizienten unter
der Zweischichtabdeckung an der
Haldenoberkante liegen dagegen um den Faktor
100 niedriger.
Während nasser
Witterungsphasen im Winterhalbjahr sind die Einschichtabdeckungen
hingegen durch große
Staunässe geprägt. Zu diesen Zeiten ist die
Gasdiffusion in das Haldenmaterial wirksam behindert, mit effektiven
Diffusionskonstanten der gesamten Abdeckung <10-9 m2
s-1.
Insgesamt resultieren daraus
für die Einschichtabdeckungen sehr stark jahreszeitlich
schwankende
Diffusionsverhältnisse. Die mittleren effektiven
Diffusionskoeffizienten in beiden Einschichtsystemen liegen bei
2 x10-10 m2
s-1
im
Untersuchungszeitraum und damit etwa bei den Werten der
Zweischichtabdeckung (jeweils
Oberkante Haldenmaterial); die maximalen Werte an der Unterkante der
jeweiligen Abdeckung jedoch bei
Werten von 4–8 x10-7 m2
s-1, und damit um den Faktor 100
über dem entsprechenden Wert der
Zweischichtabdeckung. In jeweils 3 m Tiefe, an der
Oberkante des Haldenmaterials, liegen die maximalen
effektiven Diffusionskoeffizienten noch um den Faktor 4–8
über den Werten der Zweischichtabdeckung. Die
gemessenen Sauerstoffkonzentrationen zeigen für diese
Zeiträume Konzentrationen > 200 g m-3 im
abgedeckten
Haldenmaterial (Abb. 3).
Der kumulative
Sauerstoffeintrag der beiden
Einschichtabdeckungen schwankt deshalb
sehr stark, mit hohen Einträgen in den trockenen
Zeiträumen, jedoch sehr niedrigen Raten in Zeiten mit
Stauwasserbildung (Abb. 4).
Die Ergebnisse zeigen, daß für die Zielstellung
„Reduzierung der Gasdiffusion“ einfache
und geringmächtige
Einschichtabdeckungen den Zweischichtsystemen in Zeiträumen
großer Trockenheit deutlich unterlegen sind. Eine
weitere Abnahme ihrer Wirksamkeit ist durch die beginnende
Gefügebildung im Oberboden sowie
die zunehmende Verdunstungsleistung der aufwachsenden Vegetation zu
erwarten, inbesondere bei
Gehölzbestockung. Die weitere Entwicklung der Wirksamkeit
dieser Abdeckungen wird im Rahmen des
Langzeitmonitorings untersucht und zu bewerten sein.
