Kostenoptimierter und sicherer Bau und Betrieb von Deponien unter ...

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Kostenoptimierter und sicherer Bau und Betrieb von Deponien unter ...

Kostenoptimierter und sicherer

Bau und Betrieb von Deponien

unter besonderer

Berücksichtigung des

Wasserhaushaltes

Dr.- Ing. Bernd Märtner


1. Einleitung

Deponien sind komplizierte und flächenmäßig große Erdbauwerke, die d

aufgrund ihres

gefährlichen Inhaltes viele Jahrzehnte beständig erhalten bleiben n müssen. Die Errichtung, der

Betrieb und die Nachsorge von Deponien sind mit dem Einsatz erheblicher Finanzmittel

verbunden. Nach vollständiger Verfüllung der Deponien ist deren Oberfläche ordnungsgemäß

zu profilieren, abzudichten und zu begrünen. Über alle Phasen des s Deponiebetriebs ist die

Minimierung des Schadstoffaustrages über den Wasserpfad dabei ein n entscheidendes

Kriterium für die dauerhafte Minimierung der Umweltgefährdung. Deshalb D

wird sowohl in der

EU- Richtlinie über Abfalldeponien als auch in der deutschen Deponieverordnung everordnung gefordert,

dass durch geeignete Basis- und Oberflächenabdichtungssysteme der Austritt von

kontaminiertem Deponiesickerwasser in den Untergrund dauerhaft und u

möglichst vollständig

vermieden werden muss. Für die Einhaltung dieser Forderung ist die d

Planung eines

standortangepassten Abdichtungssystems notwendig, so dass insbesondere die

Funktionsfähigkeit der Elemente Abdichtung und Drainage dauerhaft t gewährleistet werden

kann. Neben den umweltschutztechnischen Erfordernissen sind dabei i auch die wirtschaftlichen

Aspekte zu berücksichtigen, um eine angemessene bauliche Lösung sicherstellen und die Bau-

, Betriebs- und Nachsorgekosten in vertretbarem Umfang halten zu können.

• Daraus ableitend sind im Vorfeld umfangreiche Vor- und Planungsarbeiten erforderlich, um die

Funktionalität und wirtschaftliche Angemessenheit der einzubauenden

Oberflächenabdichtungssysteme standortspezifisch gewährleisten zu können. Eine

herausragende Bedeutung kommt dabei der Wasserhaushaltsbetrachtung zu. Mit ihrer Hilfe

kann durch Berechnung der jeweils anfallenden Wassermengen das Dichtungssystem D

und das

Zusammenwirken seiner Komponenten standortspezifisch optimiert werden. w


2. Der Wasserhaushalt einer Deponie

• Der Wasserhaushalt einer Deponie wird durch die folgenden Komponenten charakterisiert:

• N = ETr + Ao + Al + AD + ASW + (R – B)

• N … Niederschlag

• ETr … reale Evapotranspiration

• Ao … Oberflächenabfluss

• Al ... lateraler Abfluss aus der Rekultivierungsschicht

• AD ... Abfluss aus der Drainageschicht

• ASW ... Abfluss aus der Abdichtschicht

• R – B ... Änderung des Wassergehalts im Oberflächenabdichtsystem = Rückhalt – Aufbrauch.

• Der Niederschlag stellt dabei die am verlässlichsten bestimmbare Größe dar. Beachtet werden muss allerdings

die Lage Deponie zur Messstation. Der zu korrigierende Messfehler r kann im Jahresdurchschnitt bis zu 18 %

betragen.

• Praktische Erfahrungen zeigen, dass der laterale Abfluss in der Rekultivierungsschicht nur in Ausnahmefällen

eine Rolle spielt. Dieser Term kann i.d.R. . vernachlässigt werden.

• Im Ergebnis der Wasserhaushaltsberechnung (WHB) im Oberflächenabdichtungssystem wird die

Abflussmenge aus der Abdichtschicht, d.h. diejenige Wassermenge, die in den Abfallkörper nach dessen

Abdichtung eindringt, ermittelt. Das Gefährdungspotential einer Deponie bzw. Altablagerung besteht aber in

der vom Abfallkörper in den Untergrund abgegebenen Sickerwassermenge. enge. Deshalb muss zusätzlich

untersucht werden, ob im Abfallkörper Wasser bei der Umsetzung der d

Organik verbraucht wird und welches

Wasserspeichervermögen der Abfallkörper besitzt. Eine weitere zu beachtende Komponente besteht im

seitlichen Zufluss Z in den Abfallkörper, der auftritt, wenn die Deponie bzw. Altablagerung als

Hanganschüttung bzw. Grubenverfüllung angelegt wurde. Abschließend muss berechnet werden, ob und in

welchem Umfang Sickerwasser durch die Drainage der Deponiebasis abgeführt wird und in welchem Umfang

Deponiesickerwasser eventuell die Deponiebasisabdichtung überwinden sowie in den Untergrund eindringen

kann.

• Die folgende Graphik veranschaulicht die Komponenten einer Wasserhaushaltsberechnung und zeigt, welche

Komponenten von welchen Eingangsparametern abhängen.


Abb. 1:

Komponenten

und Einflussgrößen

des Wasserhaushalts

Die Simulation und Berechnung

des Wasserhaushalts kann,

basierend auf den

meteorologischen Standortdaten,

anhand verschiedener Modelle

erfolgen, welche die Strömungs-

und Verdunstungsprozesse

vereinfacht beschreiben. In

Deutschland werden vor allem

zwei Modelle verwandt, die auch

als Computerprogramme

verfügbar sind – das aus den USA

stammende Programm HELP,

sowie das an der TU Freiberg

entwickelte Programm

BOWAHALD.


3. Grundsätze der Planung und des

Betriebes von Deponien

• Aus der Analyse der Komponenten des Wasserhaushaltes ergibt sich, , dass es für einen

kostengünstigen und sicheren Deponiebetrieb erforderlich ist, möglichst viel Regenwasser im

freien Gefälle abzuleiten, ohne dass es durch Kontakt mit dem Abfallkörper verschmutzt

(kontaminiert) wird. Darüber hinaus ist es notwendig, seitliche Wasserzuflüsse zu vermeiden

und ein Vordringen von kontaminiertem Deponiesickerwasser in den Untergrund möglichst

vollständig zu verhindern.

• Um diese Forderungen dauerhaft gewährleisten zu können, muss die Deponieplanung stets

umfassend erfolgen, d.h. neben dem Bau der Deponiebasis auch den Deponiebetrieb und den

Deponieabschluss incl. den Bau der Deponieoberflächenabdichtung berücksichtigen. Darüber

hinaus sollte die Deponieplanung „rückwärts“, d.h. beginnend mit der Kontur der an der

Oberfläche abgedichteten und rekultivierten Deponie vorgenommen werden.

• Konturierung/ Profilierung einer Deponie

• Die Gestaltung der Oberfläche einer Deponie muss neben einer optimalen Nutzung des Depo-

nievolumens bei Minimierung der abzudichtenden Fläche die Abführung des nicht

kontaminierten Regenwassers im freien Gefälle, d.h. ohne Nutzung von Pumpen ermöglichen.

• Einen großen Einfluss auf die in den Deponiekörper eindringende Wassermenge übt das

hydraulische Gefälle i aus. Je geringer das Gefälle, desto weniger er Wasser kann oberflächlich

abfließen. Ungünstig wirken sich in dieser Hinsicht große Plateauflächen mit einem geringen

Gefälle von < 5 % aus.


• Tab. 2: Auswirkung

des Gefälles auf die

in die

Dichtungsschicht

eindringende

Wassermenge

Drainageschicht

Böschung,

Gefälle 30 %

(Neigung 1 : 3,33)

Plateau,

Gefälle 5 %

• Der Einfluss des

Gefälles auf die in

die Dichtungsschicht

eindringende

Wassermenge ist

demnach umgekehrt

proportional mit dem

Faktor 1, d.h. ein 6 –

fach geringeres

Gefälle führt zu

einer 6 – fachen

Sickerwasser-

menge über der

Dichtungsschicht.

Geschwindigkeit des

lateralen Abflusses von

Perkolationswasser:

va = kf*i/ne

durchschnittliche

Verweildauer des

Abflusswassers

(l ... Länge bis zur

hydraulischen Entlastung)

Dichtungsschicht

i = 0,30

tBöschung

= 0,5 * l / vaBöschung

i = 0,05

tPlateau

= 0,5 * l / vaPlateau

= 0,5 * l / ( vaBöschung/6)

= 6 * tBöschung

Sickerwassermenge

Q = vz *A * t

QBöschung

= vz *A * tBöschung

QPlateau

= vz *A * 5 * tBöschung

= 6 * QBöschung


3- D- Zeichnung einer Deponieendkontur


Zeichnung einer

Oberflächenwasserableitung


Foto einer fertigen Deponie mit Oberflächenwassergräben

u. Regenrückhaltebecken


• Oberflächenabdichtung

• Das entscheidende Kriterium für die Qualität eines Oberflächenabdichtungssystems

besteht im Vermögen, den Austritt von Sickerwasser aus dem Deponiekörper über lange

Zeiträume hinweg zu verhindern. Die zu erwartende jährliche

Sickerwasseraustrittsmenge stellt deshalb die zentrale Zielgröße dar. Da das

Wasserspeichervermögen im Abfallkörper ebenso wie der Wasserverbrauch rauch durch die

Umsetzung der Organik praktisch nicht beeinflusst werden kann und seitliche Zuflüsse

entsprechend den technischen Möglichkeiten auf jeden Fall unterbunden unden werden

sollten, konzentriert sich das Problem auf die Minimierung des Abflusses A

aus der

Dichtungsschicht ASW.

• Die Konzeption für eine an den jeweiligen Standort optimal angepasste

asste

Oberflächenabdichtung hängt von folgenden Randbedingungen ab:

• Klimatische Bedingungen (insbesondere klimatische Wasserbilanz) unter Einbeziehung

von langjährigen Mittelwerten, Nass- und Trockenjahren

• Lage und Geometrie der vorhandenen Deponie bzw. Altablagerung

• Vorgabe der Restdurchsickerungsrate, aufgrund des Schadstoffpotentials oder der

umliegenden Schutzgüter

• Verfügbarkeit, Qualität und Preis mineralischer Materialien

• Aufgrund der komplexen und oft stark differierenden Randbedingungen gen existiert keine

auf alle Fälle anwendbare „Optimalabdichtung“. Es können aber aus s den bisherigen

Ergebnissen von Wasserhaushaltsberechnungen Prinzipien für die Gestaltung G

einer

optimierten Oberflächenabdichtung abgeleitet werden.


Parameter der Drainage- und Dichtungsschicht

• Die in die Dichtungsschicht eindringende Wassermenge hängt vor allem a

davon ab, welcher kf – Wertunterschied zwischen der Dichtungsschicht

und der darüberliegenden Schicht (i.d.R(

i.d.R. . Drainage) besteht. Je größer der

Unterschied, desto mehr Perkolationswasser aus der

Rekultivierungsschicht wird über die Drainageschicht abgeführt. Als

Überschlagsgröße kann anhand von Erfahrungswerten davon

ausgegangen werden, dass der kf – Wert der Drainageschicht um

mindestens 5 Zehnerpotenzen über dem kf – Wert der Dichtungsschicht

liegen muss, damit ein bedeutsamer Teil des Perkolationswassers über

die Drainage abgeführt wird.

• Dichtungen mit einer Durchlässigkeit von weniger als 1 * 10-9 9 m/s erfüllen

selbst bei ganzjährigem Wasseraufstau und der daraus folgenden

Sickermenge von weniger als 31,5 mm alle Zielvorgaben. Es ist allerdings

lerdings

sicherzustellen, dass die Ableitkapazität der Drainageschicht ausreicht,

die gesamte aus der Rekultivierungsschicht abgegebene Drainspende

abzuführen, um durch Stauwasser verursachte Standsicherheits- sowie

evtl. Erosionsprobleme zu vermeiden.


Parameter der

Rekultivierungsschicht

• Die Bedeutung der Rekultivierungsschicht ist in der Vergangenheit t unterschätzt worden.

So enthielten die Verwaltungsvorschriften, Anordnungen und Mitteilungen, ilungen, die sich mit

der Abdichtung von Deponien und Altablagerungen befassten außer der Forderung nach

einer Mächtigkeit von mindestens 1 m, Kulturfähigkeit, Frost- und

Durchwurzelungsschutz i.d.R. . keine weiteren Vorgaben.

• Die Hauptaufgabe der Rekultivierungsschicht besteht im langfristigen igen Schutz der

Dichtungsschicht sowie in einer optimalen Regulierung des Wasserhaushalts

– d.h.

einer maximalen Reduzierung des in die Drainageschicht abgegebenen

en

Perkolationswassers. . Die Eignung der Rekultivierungsschicht für diese Aufgaben hängt

vor allem von der Speicherkapazität ab, welche aus dem Produkt von v

nutzbarer

Feldkapazität und Mächtigkeit gebildet wird.

• Anhand von Parameterstudien mit den Programmen HELP oder BOWAHALD D muss

untersucht werden, ob der Wassergehalt der Rekultivierungsschicht t über längere

Zeiträume auf den permanenten Welkepunkt absinkt. Als Folge würde dann bei

mineralischen Dichtungen Rissbildung auftreten. Aber auch andere Abdichtsysteme

wären gefährdet, da die Wurzeln der im Trockenstress befindlichen n Pflanzen bis in die

Abdichtung vordringen. Es müssen deshalb die Parameter Mächtigkeit it und nutzbare

Feldkapazität so erhöht werden, dass auch in Trockenjahren eine Austrocknung der

Rekultivierungsschicht über ausreichend lange Zeiträume verhindert rt wird.


• Neben dem Aspekt der Sickerwasserminimierung bei der Optimierung der

Oberflächenabdichtung kommt vor allem der wirtschaftlichen Optimierung ierung eine

herausragende Bedeutung zu, da die Oberflächenabdichtung sonst u.U. . nicht errichtet

werden kann und im Planungsstadium verbleibt, was eindeutig die ökologisch

ungünstigste Variante darstellt. Der bedeutendste Faktor ist dabei die Kenntnis über

regionale Verfügbarkeit und Qualität mineralischer Materialien. Durch gezielte Nutzung

billiger, in ausreichender Menge und gleichmäßiger Qualität örtlich verfügbarer Böden

unter Beachtung der durch die Vorgabe maximaler Durchsickerungsraten und einer

Langzeitbeständigkeit bestehenden Restriktionen kann bereits im Planungsstadium die

Grundlage für ein kostengünstiges und trotzdem voll funktionsfähiges iges Abdichtsystem

gelegt werden.

• An den folgenden Beispielen soll die Wahl eines Oberflächenabdichtungssystems htungssystems unter

Berücksichtigung der standortspezifischen Besonderheiten erläutert rt werden.


Deponie

Ansprung:

Abb. 2:

Regelaufbau der

Oberflächenabdichtung für die

Deponie Ansprung

Standortfaktoren:

-hohe

Frosttiefe

-hoher

Jahresniederschlag

-großer Plateaubereich mit

geringem Gefälle

-starke

Setzungen

-bindiger

Boden nur mit hohem

Steinanteil regional verfügbar

-ungünstige

deponiebautechnische

Bedingungen


Deponie Dresden,

Magdeburger Straße

Abb. 3:

Regelaufbau der

Oberflächenabdichtung für die

Deponie Dresden, Magdeburger

Straße

Standortfaktoren:

-geringer Niederschlag

-sehr kleiner Plateaubereich, über-

wiegend 1 : 3 geneigte Böschungen

-gute Verfügbarkeit bindiger Böden

-enge Platzverhältnisse am

Deponiefuß

-geringes Schadstoffpotenzial,

überwiegend Bauschutt


Deponie Grießbach

Abb. 4:

Regelaufbau der

Oberflächenabdichtung für die

Deponie Grießbach

Standortfaktoren:

-hoher Jahresniederschlag

-mittlerer Plateaubereich mit

geringem Gefälle

-Setzungen abgeklungen

-bindiger Boden regional

verfügbar

-gute deponiebautechnische

Bedingungen

-erhöhtes Gefahrenpotenzial

durch größere

Industriemüllmengen


Deponiebetrieb

Für den

Deponiebetrieb ist ein

Operating Plan zu

erstellen, der den

endkonturnahen und

abschnittsweisen

Aufbau des geplanten

Deponiekörpers

ermöglicht.

Dabei sind auch, unter

Beachtung der

Standsicherheit der

Deponieböschungen,

gezielte der

Überhöhungen der

Deponiekontur

entsprechend den zu

erwartenden

Setzungen

vorzunehmen.

Zeichnung Schütt und

Einbaukonzept:


Bild: gezielte Konturüberhöhung entsprechend Setzungsprognose


Bild: relevante Stabilitäts- und Verformungsgefälle des Deponiekörpers


Um bereits während des Deponiebetriebes stabile Böschungen zu errichten richten und die

Menge des in den Deponiekörper eindringenden Sickerwassers zu verringern, ist der

Böschungsbau als schrittweiser Aufbau von Randwällen aus mineralischem

Material zu realisieren, gegen deren Innenseiten der Abfall verdichtet eingebracht

werden kann. Das anfallende, nicht kontaminierte Regenwasser ist gesondert

abzuleiten.

Bild: Absteckung Randdamm


Zeichnung: getrenntes

Oberflächenwasserfassungs-

und

Sickerwasserfassungssystem


Foto: Randdammbau


Deponiebasisabdichtung

Die Deponiebasis muss sich in jedem Fall mindestens 1m über dem

höchsten zu erwartenden Grundwasserspiegel befinden und die

Wasserableitung im freien Gefälle ermöglichen (ohne Einsatz von Pumpen).

Die Deponiebasis ist über dem Niveau des umgebenden Geländes zu

errichten, sie darf nicht in einer Grube sein! Zur dauerhaft sichern

Ableitung des Deponiesickerwassers ist die Deponiebasis dachartig g zu

profilieren und mit einem allseitigen Gefälle zu versehen. Schächte hte sind

grundsätzlich außerhalb des Deponiekörpers zu errichten.


Bild: Schematische

Darstellung

Deponiebasis-

entwässerungs-

system


Bild: Beispiel für Deponiebasisabdichtung (Schema)


Einbau der mineralischen Basisabdichtung Deponie Niederdorf


Einbau Drainageschicht,

Kies 16/32

Basisabdichtung Deponie

Niederdorf


Einbau der Kunststoffdichtungsbahn

Basisabdichtung Deponie Niederdorf


4. Schlussbetrachtung

• Der kostengünstige und sichere Bau und Betrieb von Deponien setzt t ein

ganzheitliches und langfristiges Planen voraus. Im Mittelpunkt der d

Bemühungen sollte dabei stets die Reduzierung der in den

Deponiekörper eindringenden Wassermenge stehen. Um die

Funktionalität der Abdichtungssysteme langfristig zu gewährleisten, en, ist

eine realitätsnahe Simulation des Wasserhaushalts unter

Berücksichtigung von Nass- und Trockenperioden erforderlich. Über die

Variation der die Dichtungs-, , Drainage- und Rekultivierungsschicht

charakterisierenden Parameter – auch unter Berücksichtigung des

Kostenaspekts – kann die standortoptimale Abdichtung entwickelt

werden. Durch Erstellung und Umsetzung eines Operating Plan ist der

endkonturnahe Aufbau des Deponiekörpers zu gewährleisten. Dies setzt s

eine kontinuierliche ingenieurtechnische Überwachung des

Deponiebetriebes voraus und führt bei konsequenter Umsetzung zu einer

kostengünstigen sowie ökologisch sicheren Abfallendlagerung.


Leistungsprofil

‣ Altlastenerkundungen und Baugrunduntersuchungen;

‣ Akkreditierte Probenahmen und Analytik von Abfall-, , Baustoff-, , Boden-, , Gas-, , Kompost-, , Schlamm-, , Glas-, , Keramik-, , und Wasserproben;

‣ Erstellung nachnutzungsbezogener Gefahrenabwehr- und Sanierungskonzepte/ Sanierungskostenberechnung, Wertgutachten;

en;

‣ Schadstoffausbreitungs- und -migrationsberechnungen;

‣ Fachtechnische Begleitung von Rückbau-, , Sicherungs- und Sanierungsmaßnahmen;

‣ Altlasten- und Deponieüberwachung (Monitoring(

Monitoring)

‣ Erstellung von Sicherheits- und Gesundheitsschutzplänen, Baustellenbetreuung als SiGe- Koordinator und in Strahlenschutzkontrollbereichen zusätzlich auch a

als

Strahlenschutzbeauftragter;

‣ Planung von Abdeck- und Abdichtungssystemen für Deponien;

‣ Ingenieurtechnische Begleitung und Überwachung von Deponienbaumaßnahmen, , Erstellung von Einbau- und Schüttkonzepten;

‣ Setzungsmessungen, -berechnungen,

-prognosen;

‣ Wasserhaushaltsberechnungen und hydraulische Berechnungen;

‣ Planung und -überwachung von Wasserfassungs-, -ableitungs-, -rückhaltungs- und -versickerungssystemen;

‣ Planung und Überwachung von Deponiegasfassung-, -ableitungs- und -verwertungssystemen,

‣ Deponiegasmessung und -prognose;

‣ Planung und Überwachung von Abfallverwertungs-, , Kompostier- und Entsorgungsanlagen;

‣ Wirtschaftlichkeitsberechnungen für wasser- und abfallwirtschaftliche Projekte;

‣ Standsicherheitsuntersuchungen, -berechnungen und -gutachten;

‣ Beweissicherungsverfahren, Schadensaufnahme und -bewertung bei Erd- und Tiefbauarbeiten, bei Sanierungs- und Abbruchmaßnahmen sowie bei

Wasserbauprojekten;

Baugrund- und Gründungsberatung, geotechnische Gutachten;

‣ Verdichtungskontrolle im Straßen und Erdbau;

‣ Geotechnische Labor- und Vorortuntersuchungen, labortechnische Sonderprüfung von Bentonitmatten;

‣ Umweltverträglichkeitsuntersuchungen und -gutachten;

‣ Ingenieurfachliche Vorbereitung und Begleitung von Genehmigungsverfahren;

erfahren;

‣ Abbruchplanung, -überwachung und -dokumentation, Erstellung von Verwertungs- und Entsorgungskonzeptionen;

‣ Ingenieurtechnische- und Bauvermessung, Digitalisierung von Zeichnungs- und Planungsdaten; Absteckung und Vermarkung von Planungspunkten im Gelände;

‣ Dreidimensionale CAD- Planungen für abfallwirtschaftliche Projekte und Wasserbauwerke, , für Projekte des Grund-, , Erd- und Bergbaus sowie für militärisch genutzte

Liegenschaften;

‣ Planung Ortsentwässerungen für Freispiegel- als auch Druck- bzw. Unterdrucksysteme;

‣ Planung von Klär- und Abscheideanlagen, , Pumpstationen einschließlich Druckleitungen;

‣ Erschließungsplanungen für Gewerbe- und Industriegebiete;

‣ Planung von Hochwasserschutzanlagen, Regenspeicher;

Bauwerks- und Kanalsanierungsplanung;

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