Ausgabe März 2013

MAGPlan Sauberes Grundwasser für Stuttgart MAGPlan zielt auf eine nachhaltige Verbesserung der Grundwasserqualität und auf den dauerhaften Schutz des Stuttgarter Mineralwassers. Zur Halbzeit des Projekts informiert dieser Newsletter über die Hintergründe, die bisherigen Ergebnisse und das weitere Vorgehen.

Seite 2 – 3 Überblick über Anlass, Inhalte und Ziele des Projekts Seite 4 – 5 Das Untersuchungsgebiet in der Übersicht Seite 6 – 7 Kurzabriss der angewandten Modelle und Methoden Seite 8 Die nächsten Schritte des Projekts

Die Landeshauptstadt Stuttgart führt zusammen mit der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz in Karlsruhe (LUBW) das Projekt MAGPlan durch. Die Abkürzung steht für „Managementplan zur Sicherstellung eines guten chemischen Grundwasserzustandes durch Vermeidung von Schadstoffeinträgen aus Altlasten“. Das Vorhaben wird von 2010 bis 2014 im Rahmen des EU-Programms LIFE+ 2008 Environment gefördert.

Übersicht über die Arbeitspakete von MAGPlan

Arbeitspakete und Zeitraum

Wer verbirgt sich hinter MAGPlan?

2010–2011 Charakterisierung Grundwasserströmung • Datenerfassung • Fortschreibung Grundwasserdatenbank • Aufbau konzeptionelles Systemmodell • Bohrungen und Grundwasseranalytik

2011–2012 Schadstoffbelastung und -transport • Aufbau und Kalibrierung numerisches Grundwasserströmungsmodell • Immissionspumpversuche und Felduntersuchungen • Aufbau konzeptionelles Stoffmodell • Aufbau und Kalibrierung numerisches Transportmodell • Anwendung forensischer Untersuchungsmethoden

2012–2013

Wozu MAGPlan? Ziele von MAGPlan sind eine langfristige Verbesserung der Grundwasserqualität in Stuttgart und ein dauerhafter Schutz des Mineralwassers. Die 26 Quadratkilometer große Projektfläche umfasst den Stuttgarter Talkessel mit der Innenstadt, die im direkten Zustrom auf die Mineral- und Heilquellen liegt. Hintergrund des Projekts ist der langjährige und weitverbreitete Einsatz leichtflüchtiger Chlorkohlenwasserstoffe (LCKW) im Stadtgebiet. Er hat zu einer erheblichen Verunreinigung mehrerer Grundwasserstockwerke im Keuper geführt. Betroffen ist auch der Karstgrundwasserleiter des Oberen Muschelkalks, dem die Bad Cannstatter und Berger Heil- und Mineralquellen mit einer Schüttung von rund 250 Litern pro Sekunde entspringen. Weitere rund 250 Liter Mineralwasser pro Sekunde treten in den Neckar aus.

Schadstoffabbau- und Retentionsprozesse • Bohrungen und Grundwasseranalytik • Mikrobielle Abbauversuche • Erweiterung und Aktualisierung des konzeptionellen Stoffmodells • Entwicklung des reaktiven numerischen Transportmodells • Methodische Verifizierung Isotopen Fingerprinting

2013–2014 Sanierungskonzepte • Ergänzende Felduntersuchungen • Sanierungsuntersuchungen • Entwicklung des Grundwassermanagementplans

2012–2014 Handlungsempfehlungen • Leitfaden Handlungsempfehlungen zur Vorbereitung der Verhältnismäßigkeitsprüfung von lang laufenden Pump-and-Treat-Maßnahmen • Leitfaden zur integralen Altlastenuntersuchung und -sanierung

Die im Jahr 1984 begonnenen Untersuchungen im Einzugsgebiet der Heil- und Mineralquellen belegen, dass die Herkunft der Verunreinigungen im Talkessel zu suchen ist. In der Innenstadt sind 186 mögliche LCKW-Eintragsstellen bekannt, die zu rund 50 Prozent untersucht und teilweise auch saniert wurden. Mittlerweile sind aus der gesättigten und ungesättigten Zone mehr als 25 Tonnen LCKW entnommen worden. Trotzdem verändern sich die LCKW-Konzentrationen in den Quellen nur unwesentlich. Dies zeigt, dass Eintragsbereiche noch nicht erkannt und/oder die Mechanismen der Stoffausbreitung und die Entstehung des Schadensbilds im Detail noch nicht verstanden sind. Bei 25 Flächen (den sogenannten „Steckbrief-Fällen“) werden derzeit noch erhebliche Schadstoffeinträge vermutet. Die zahlreichen Baugrund- und standortbezogenen Altlastenuntersuchungen, die während der letzten Jahrzehnte in Stuttgart durchgeführt wurden, haben für MAGPlan eine ausgezeichnete Datenbasis geliefert. Besonders das Projekt Stuttgart 21 hat mit seinen mehreren Hundert Bohrungen den geologischen und hydrogeologischen Kenntnisstand bereichert. Auf dieser Grundlage können die Schadstofftransport- und die Entfrachtungsvorgänge in den tieferen Grundwasserstockwerken untersucht werden. 2

MAGPlan-„Fieberkurve“: LCKW im Stuttgarter Mineralwasser, Beispiel Auquelle. Der Auquelle entspringt niederkonzentriertes Mineralwasser, in einigen hochkonzentrierten Mineralwässern sind LCKW in Spuren enthalten.

Geologischer Schnitt durch das Nesenbachtal, Stuttgarter Talkessel

Wie sieht die Geologie im Stuttgarter Untergrund aus? Im Stuttgarter Talkessel werden durchschnittlich 90 Liter Grundwasser pro Sekunde aus dem Niederschlag neu gebildet. Dieses verlagert sich auf seinem Fließweg sukzessive in tiefere Stockwerke, bis der größte Teil davon im Oberen Muschelkalk ankommt und von dort aus nach unterschiedlicher Aufenthaltszeit über die Mineralquellen oder den Neckar das System wieder verlässt. Auf dem beschriebenen Weg gelangen auch die leichtflüchtigen Chlorkohlenwasserstoffe (LCKW) in das Mineralwasser. Wo das kontaminierte Grundwasser aber in die Tiefe gelangt, welchen Fließweg es im Einzelnen nimmt, welche Schadensbereiche für die Kontamination der Quellen verantwortlich sind und welche Prozesse in den tieferen Stockwerken wesentlich sind, die zu einer deutlichen Minderung der Stoffflüsse führen, ist im Einzelnen unbekannt. Im MAGPlan-Projektgebiet wird die Geologie überwiegend durch die Schichtenfolge des Keupers bestimmt, der im gesamten Stuttgarter Talkessel den Mineralwasseraquifer überlagert. Aus den unterschiedlichen Abfolgen von Tonstein, Dolomitstein und Sulfatgesteinen, die örtlich aktuell der Auslaugung (Subrosion) unterliegen, resultiert im Keuper eine hydrogeologische Stockwerksgliederung mit sechs Festgesteinsgrundwasserleitern. Eine wichtige Rolle für die Geometrie dieser Einheiten und deren hydrogeologische Funktion spielen die Gipsauslaugung und der örtlich erreichte Auslaugungsgrad. Nicht ausgelaugte Bereiche treten unter größerer Überdeckung nur in den tieferen Hangbereichen auf. Sie sind nicht Grundwasser führend und bilden gegenüber dem Grundwasser eine Barriere. Vollständig ausgelaugt ist der Gipskeuper im Bereich

der Talniederung mit mäßiger Grundwasserführung (Grundwassergeringleiter). Starke Grundwasserführung existiert in den Bereichen aktueller Gipsauslaugung mit karstähnlichen Aquiferbedingungen. Dies ist vielfach im Bereich des Hangfußes der Fall. Während die Grundwasserteilstockwerke im Gipskeuper – von der Auslaugung abhängig – nur im Stuttgarter Talkessel verbreitet sind, gewinnt unterhalb der Basis des Gipskeupers das regional wirksame und weit über den Stuttgarter Talkessel hinausreichende untere Aquifersystem zunehmend an Einfluss. Es besteht aus dem Unterkeuper und dem stark verkarsteten und sehr durchlässigen Oberen Muschelkalk, dem in den Stadtteilen Berg und Bad Cannstatt die Mineralund Heilquellen entspringen.

Was kommt nach MAGPlan? MAGPlan soll die Entwicklung eines umfassenden Grundwasser-Managementplans für Stuttgart vorbereiten. Dieser besteht aus einem Sanierungskonzept zur Entfernung mineralwasserrelevanter LCKW-Eintragsstellen und einer Sanierungszieldefinition. Damit einher geht die Entwicklung eines Monitoring-Konzepts für das gesamte Stadtgebiet. Allgemeine Handlungsempfehlungen und Leitfäden ermöglichen die Entwicklung von Managementplänen in anderen Städten. 3

Projektgebiet

MAGPlan 1. Bohrkampagne



MAGPlan 2. Bohrkampagne

Mineralquellen hochkonzentriert niederkonzentriert LCKW-Fälle Kleinfall (5)

OU-Verdachtsfall (156)



Steckbrieffall (25)

MAG 3 – 7 • Die erste Bohrkampagne wurde in Bereichen mit erheblichen Kenntnisdefiziten über die Hydrogeologie und Schadstoffbelastung im Unterkeuper (Stockwerk über dem Mineralwasserleiter) durchgeführt. • Fünf Bohrungen wurden im Umfeld der Karlshöhe erstellt, um Geologie, Hydraulik, Fließrichtungen und Schadstoffausbreitung in Bezug auf den Standort Klenk zu ermitteln.

Steckbrief Klenk

Steckbrief Klenk • Ehemalige Färberei und Chemische Reinigung Klenk (von 1905 bis 1976). LCKW-haltige Abwässer wurden ab 1941 in den 15 Meter tiefen Betriebsbrunnen eingeleitet. Heute befindet sich dort eine Tiefgarage, darüber eine Kindertagesstätte und Grünflächen. • Schadstoff-Konzentration: bis 92.000 μg/l im Grundwasser (Prüfwert: 10 μg/l). • Verunreinigtes Grundwasser wird bis in 70 Metern Tiefe nachgewiesen. Im Umfeld der Karlshöhe kommt es zu einem Abstrom nach Osten, dabei gehen die LCKW bis in den Oberen Muschelkalk über. Tiefbrunnen in der Tübinger Straße führen seit langer Zeit LCKW im Oberen Muschelkalk. Durchgeführte Kohlenstoff-Isotopenuntersuchungen legen einen Zusammenhang mit Klenk nahe. • Seit November 2010 erfolgt eine Sanierung durch Grundwasserentnahme mit einem LCKW-Austrag von 41 kg (bis 2012).

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Bohrgerät im Rosensteinpark, MAG 11

MAG 9 – 11 • Die zweite Bohrkampagne wurde durchgeführt, um die Schadstoffbelastung und Ausbreitung im Zustrom der niederkonzentrierten Mineralquellen zu untersuchen und das numerische Transportmodell fortzuentwickeln. • In MAG 11 wird ein Markierungsversuch durchgeführt, um die Schadstoffausbreitung zu den Mineralquellen zu simulieren.

Bohrkern aus MAG 2

MAG 1 und 2, MAG 8 und 12 • Mit MAG 1 und 2 konnte nachgewiesen werden, dass entlang des südlichen Talkesselrands im Unterkeuper keine LCKW zu den hochkonzentrierten Mineralquellen strömen. • MAG 8 (Altes Schloss) und MAG 12 (Tübinger Str.) wurden erstellt, um den weiteren Verlauf von Schadstofffahnen im Oberen Muschelkalk zu untersuchen. Bei MAG 8 werden Hinweise auf ein Fahnenende durch mikrobiellen Abbau der Schadstoffe untersucht.

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Hydrogeologisches Modell – Entwicklung des System- und Prozessverständnisses Eine wichtige Grundlage des Managementplans ist das Hy­ drogeologische Modell – ein Werkzeug, mit dem die geologischen und hydrogeologischen Zusammenhänge im Projektgebiet qualitativ beschrieben werden. Das Hydrogeologische Modell besteht aus zwei Bausteinen: dem konzeptionellen Systemmodell und dem konzeptionellen Stoffmodell. Mit Ersterem werden zunächst die geologischen und hydrogeologischen Gegebenheiten umfassend beschrieben. Kernelemente sind Darstellungen des geologischen Schichtaufbaus und der Schichtlagerung, der hydrogeologischen Stockwerksgliederung, der auf der Auswertung von Pumpversuchen beruhenden Durchlässigkeitsverteilung für die einzelnen Grundwasserleiter, der regionalen Grundwasserströmung und möglicher vertikaler Interaktionen zwischen den Stockwerken. Kernelemente des konzeptionellen Stoffmodells sind die sogenannten Steckbriefe, forensische Untersuchungsmethoden und die Untersuchung natürlicher Rückhalte- und Abbauprozesse. Mit dem konzeptionellen Stoffmodell werden der Status quo der Schadstoffverteilung und die grundlegenden Prozesse beschrieben, welche die Schadstoffausbreitung in den beteiligten Grundwasserhorizonten des Projektgebietes steuern. Hierzu gehören neben der Charakterisierung des Redoxmilieus und natürlicher LCKW-Abbauprozesse auch Altersdatierungen des Grundwassers und forensische Betrachtungen zur Schadstoffherkunft.

Mit dem Steckbrief werden die hydrogeologische Stockwerksgliederung und die Schadstoffausbreitung an einzelnen Altstandorten dargestellt.

Steckbriefe Zur Charakterisierung bekannter Eintragsstellen von LCKW (Standorte mit Schadensherden) wurden sogenannte „Steckbriefe“ angefertigt, die für jeden Standort die wichtigsten Informationen zur Schadenshistorie, zum Schadstoffpotenzial, zu den beteiligten LCKW-Einzelstoffen, zur zeitlichen Schadstoffentwicklung und räumlichen Schadstoffausbreitung, zu Abbauprozessen und zum Redoxmilieu komprimiert zusammenstellen. Die Steckbriefe verschaffen trotz komplexer Altlastensituation und schwieriger hydrogeologischer Verhältnisse im Stadtgebiet einen sehr guten Überblick über die jeweilige Schadenssituation und unterstützen den Datentransfer in das numerische Modell. Insgesamt sind 20 solcher Steckbriefe erstellt worden.

Forensische Untersuchungsmethoden Zur Charakterisierung des Systemverhaltens, des Stofftransports und der ablaufenden Prozesse werden in Stuttgart zunächst konventionelle Methoden der Untersuchung wie Bohrungen, Pumpversuche, Stichtagsmessungen und Markierungsversuche angewandt. Daneben werden auch innovative Wege beschritten. Hierzu gehören insbesondere Methoden der Forensik mit Stoffspeziesuntersuchungen und der Bestimmung radioaktiver und stabiler Isotope des Wassers, an gelösten Stoffen (Sulfat, Nitrat) wie auch an Schadstoffen. Mit den zusätzlichen Ergebnissen können Unsicherheiten im Modellverständnis oder Freiheitsgrade in der Interpretation von Einzelbefunden deutlich eingeschränkt werden. Für die gegenseitige Abgrenzung von Schadstofffahnen – sofern diese sich in den LCKW-Einzelstoffen nicht unterscheiden – werden Spurenstoffe als Tracer untersucht, die in geringsten Konzentrationen (Bestimmung bis zu Femtogramm, d. h. 10-15 Gramm pro Liter) als „technische Verunreinigung“ den einzelnen Schadensbereichen in unterschiedlicher Zusammensetzung beigemischt sein können. Hierzu eignen sich besonders Frigene. 6

SF6- und FCKW-Spurenstoffsignaturen im Abstrom zweier PCE-Schadensfälle. Die F113-Gehalte verdeutlichen einen extremen FCKW-Kontrast der beiden Fälle.

Natürliche Rückhalte- und Abbauprozesse (Natural Attenuation) Mögliche Sorptions- und Abbauprozesse bei der Ausbreitung der Schadstofffahnen werden im Rahmen der Modellierung sowohl quantitativ als auch qualitativ berücksichtigt. Als Indikator für Schadstoff-Sorptionsprozesse werden erhöhte Gehalte an organischem Kohlenstoff untersucht, der sich insbesondere in den bindig-tonigen Zwischenlagen der Grundwasserleiter findet. Aus den Schadensfall-Steckbriefen ergeben sich für verschiedene Bereiche Hinweise auf natürliche biologische

Abbauvorgänge. Zu deren Verifizierung werden mikrobielle Tests sowie Abbauversuche an Grundwasserproben im Labor durchgeführt. Eine weitere, wichtige Methode zur Bewertung biologischer Abbauvorgänge ist die Anwendung von Isotopenmethoden. Insbesondere die Kohlenstoff-Isotopenmethode kann durch den Nachweis der Isotopenfraktionierung zeigen, ob und in welcher Größenordnung biologischer Abbau stattgefunden hat bzw. stattfindet. Weiterhin kann abgeleitet werden, welche Art des Abbaus (aerob/oxidativ oder anaerob/reduktiv) dem Schadstoffverteilungsmuster zugrunde liegt.

Numerische Modellierung Die beiden konzeptionellen Modelle liefern die erforderlichen Kennwerte, Messgrößen und Randbedingungen, um ein numerisches Grundwasserströmungs- und Transportmodell aufzubauen. Damit entsteht ein dezidiertes Bild der Schadstoffausbreitung, der Abbauvorgänge und der Stoffflüsse im Projektgebiet. Es ist wichtig, dass mit dem Projektfortschritt das Hydrogeologische Modell, das Strömungsmodell und das Transportmodell in einem gegenseitigen dynamischen Optimierungsprozess stehen, um Unstimmigkeiten, Widersprüche und Defizite erkennen und bereinigen zu können. Das auf dem Strömungsmodell aufbauende Transportmodell dient zur Nachbildung der LCKW-Ausbreitung im Projektgebiet. Bei der Modellierung wurde zunächst die aus 750 Grundwassermessstellen bekannte Summe aller LCKW-Einzelkomponenten betrachtet und als PER-Äquivalente hochgerechnet, wie sie sich aus den stöchiometrischen Verhältnissen der beteiligten LCKW-Komponenten ergeben. Ziel dieser Simulation war es, die maßgeblichen Eintragsstellen von LCKWKontaminationen zu identifizieren und das Schadensmuster mit den lagemäßig bekannten Schadensfällen zu vergleichen. Zur Nachbildung der zeitlichen Entwicklung im Bereich von Schadenszentren und Fahnen wurden LCKW-Konzentrationsganglinien aus 108 Grundwassermessstellen hinzugezogen. In einem weiteren Modellierschritt werden die LCKW-Einzelstoffe sowie mögliche Abbauprozesse im reaktiven MultiSpezies-Modell mitberücksichtigt.

Aus der Simulation der räumlichen und zeitlichen Schadstoffverbreitung ergeben sich Hinweise auf Schadensschwerpunkte im Modell. Der Vergleich mit den aus der Altlastenbearbeitung bekannten Schadensbereichen zeigt, ob zur Nachbildung des Grundwasserschadensbilds weitere, bislang unbekannte Eintragsbereiche einzubeziehen sind. Beim Vergleich zwischen gemessenen und berechneten LCKW-Konzentrationen lässt sich erkennen, ob die wesentlichen Transportvorgänge mit dem vorliegenden Modell erfasst werden.

Numerische Modellierung am Beispiel Standort „Klenk“ 7

Die nächsten Schritte • Laboruntersuchungen an Bohrkernen zur Bestimmung des Gehalts an organischem Kohlenstoff (Kenngröße zur Abschätzung des Schadstoffrückhalts) sowie zur Bestimmung der Permeabilität und Porosität im Trigonodusdolomit (Kenndaten für das Transportmodell). • Immissionspumpversuche in den fünf Grundwassermessstellen MAG 8 bis 12 und Stichtagsmessung der Grundwasserstände im Oberen Muschelkalk, Unterkeuper und Grenzdolomit (Erweiterung der hydraulischen Kenntnisse). • Beurteilung des mikrobiologischen Abbaupotenzials, Laborversuche zum Nachweis des mikrobiellen Anteils an der Konzentrationsminderung in ausgewählten LCKW-Fahnen, vertiefte Auswertung von Kohlenstoffisotopen-Messungen am LCKW-Molekül. • Kombinierter Markierungsversuch im Oberen Muschelkalk im unmittelbaren Anstrom auf die niederkonzentrierten Mineralquellen, Beseitigung von Unsicherheiten bei der Grundwasserströmung im Muschelkalk, Aufschluss über Transportprozesse und Transportparameter (Kenndaten für Transportmodell). • Erweiterung der Transportsimulation zu einem reaktiven Multi-Spezies-Modell des Schadstofftransports, um die LCKW-Herkunft im Stuttgarter Talkessel sowie die LCKW-Ausbreitung zu den Heil- und Mineralquellen differenziert nachzuvollziehen. • Überprüfung der Ergebnisse der Transportmodellierung an für das Mineralwasser relevanten Schadstoffeintragsstellen. • Erarbeitung eines Sanierungs- und Monitoringkonzeptes als Managementplan. • Erstellung eines Leitfadens zur integralen Altlastenuntersuchung und Sanierung.

Projektbeteiligte Amt für Umweltschutz, Landeshauptstadt Stuttgart | Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg | et environment and technology – Dr. Thomas Ertel | Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner GmbH | Steinbeis GmbH & Co. KG für Technologietransfer | BoSS Consult GmbH | Drees & Sommer AG | HPC AG | Burkhardt GmbH & Co. KG | ARCADIS Deutschland GmbH | CDM Smith Consult GmbH | Klinger und Partner GmbH | IBL-Hagelauer Consult GmbH | GeoConcept-Systeme | Terrasond GmbH & Co. KG | Geo-Bohrtechnik GmbH | geon Planungsgesellschaft für Wasser und Boden GmbH | Dr. Stupp Consulting GmbH, jetzt TAUW GmbH | U-Tec Schade | Hydroisotop GmbH | Spurenstofflabor Dr. Harald Oster | Isodetect Umweltmonitoring GmbH | SES Zentrallabor der Landeshauptstadt Stuttgart | Technologiezentrum Wasser (TZW) | Karlsruher Institut für Technologie (KIT) | Geozentrum Nordbayern | SCHAWA Media GmbH

Impressum: Landeshauptstadt Stuttgart Amt für Umweltschutz Gaisburgstraße 4 70182 Stuttgart

Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg Griesbachstraße 1 76185 Karlsruhe

Telefon +49 711 216 88 725 Fax +49 711 216 88 620 [email protected]

Telefon +49 721 5600-0 Fax +49 721 5600-14 56 [email protected]

Weitere Informationen finden Sie unter www.sauberes-grundwasser-stuttgart.de

Bildnachweise: fotolia © Yaroslav Pavlov fotolia © Adam Borkowski

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