Historische Bergbauinfrastruktur als Chance für die regionale Wasser- und Energieversorgung: Das Wasserspeicher Harz 2050-Projekt

Hohe Niederschlagsmengen, Talsperren und Wasserwerke machen den Harz zu einem bedeutenden Süßwasserlieferanten. Durch den Klimawandel und Extremwetterereignisse entstehen jedoch Herausforderungen. Bei einer Integration des Altbergbaus in die Wasserwirtschaft kann er diese unterstützen. Eine erfolgreiche Planung und Einbindung erfordert ein ganzheitliches Verständnis des regionalen Wasserkreislaufs, der aktuellen Situ­ation der Grubengebäude und der Wechselwirkungen. Mit der Entwicklung eines hydroanalytischen Wassermanagementtools wird eine Verbindung zur Analyse der Grubennutzung hergestellt, die ein adaptives Wassermanagement ermöglicht. Mit Hilfe eines hybriden Modellansatzes wird die Entwicklung der regionalen Wasserqualität mittels KI-Systemen simuliert und prognostiziert, um die Entscheidungsfindung für zusätzliche Maßnahmen zu unterstützen und Möglichkeiten zur Anpassung an den Klimawandel aufzuzeigen.

Einführung

Immer mehr Regionen müssen sich im Zuge des Klimawandels auf extreme Wetterereignisse einstellen. Plötzliche Starkniederschläge oder lang anhaltende starke Landniederschläge mit anschließenden Überschwemmungen oder zunehmenden Trockenperioden sind für viele Regionen eine Herausforderung. Gebirgsregionen sind für den Wasserhaushalt besonders wichtig (1), da die durchschnittlichen Niederschlagsmengen aufgrund der Morphologie oft bis zu 1.600 mm/a oder mehr betragen. Regionen im Regenschatten der Gebirge weisen oft nur mittlere Jahresniederschläge im Bereich von 500 mm oder sogar weniger auf. Gleichzeitig besteht im Umland die Gefahr von Überschwemmungen (2). Klimatisch gehört der Harz mit einer Jahresniederschlagsmenge von 1.326 mm auf der Clausthaler Hochfläche zu den niederschlagsreichsten Gebieten in Deutschland. Darüber hinaus versorgt die Speicherkapazität auf der Basis von sechs Talsperren im Westharz und vier Grundwasserwerken aus dem Verbundsystem der Harzwasserwerke GmbH (HWW) täglich rd. 2 Mio. Menschen und zahlreiche bedeutende Industriebetriebe vom Harz bis Bremen mit Trinkwasser (3). Das Mittelgebirge nimmt nicht nur durch das UNESCO-Welterbe „Oberharzer Wasserregal“ einen besonderen Stellenwert ein – auch die Wasserqualität hebt sich im Vergleich zu vielen anderen Gebieten in Norddeutschland ab (4) und ist daher sowohl für Regionen im Regenschatten des Harzes mit einem Jahresmittel von nur 481 mm Niederschlag über 50 Jahre (3) als auch für Gebiete mit nitratbelasteten Grundwasserleitern von besonderer wasserwirtschaftlicher Relevanz. Wird das derzeitige Versorgungssystem nicht ausgebaut, besteht nach Prognosen der HWW die Gefahr, dass infolge des Klimawandels und des gleichzeitig steigenden Bedarfs der Nutzerregion mittel- und langfristig die Versorgung und Qualität des Wassers eingeschränkt wird und Hochwasserereignisse wie im Jahr 2017 in Goslar zunehmen werden. Der Bedarf an Menge und Qualität betrifft nicht nur die (Trink-)Wasserversorgung, sondern auch die Bereitstellung von ausreichend (Kühl-)Wasser für die Industrie, wie z. B. die Chemiewerke in Langelsheim, die Kläranlagenleitungen und die landwirtschaftlichen Betriebe im Vorland. Für die regionale Wasserwirtschaft sind neben der Menge vor allem die Temperaturentwicklung, mikrobiologische Parameter, der pH-Wert und potentiell toxische Elemente von Interesse. Aufgrund der hohen Jahresniederschlagsmenge und der durch die jahrhundertelange Bergbaugeschichte bereits vorhandenen unterirdischen Hohlräume soll deren Potential als Wasserspeicher untersucht werden, um sie aktiv in das bestehende Wasserversorgungsnetz zu integrieren. Die Technische Universität Clausthal (TUC), die HWW und die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) haben sich daher zum Ziel gesetzt, das wasser- und energiewirtschaftliche Potential des Harzes ganzheitlich und digital zu erschließen und damit eine Grundlage für die weitere Erforschung der Wasser- und Energiespeicherung in den über- und unterirdischen Räumen der Region zu schaffen.

Geologie und hydrogeologische Merkmale des Untersuchungsgebiets

Mit einer Länge von ca. 90 km in NW-SE-Richtung und einer Breite von ca. 30 km in NE-SW-Richtung ist der Harz das nördlichste Mittelgebirge in Deutschland. Er besteht im Wesentlichen aus Gesteinen des Paläozoikums (Devon und Karbon) und ist gegenüber dem umgebenden Vorland um mehrere 100 m angehoben (Bild 1).

Markante Randklüfte trennen ihn vom Harzvorland, das durch die Germanische Trias geprägt ist. So verläuft beispielsweise die Harznordrand-Störung von NW nach SE. Hier fällt der Harzblock plötzlich von Höhen um 600 m auf 200 bis 400 m am Harzrand ab. Insgesamt kann der Harz in vier geographische Einheiten unterteilt werden. Die vorliegende geologische Beschreibung konzen­triert sich auf den nordwestlichen Oberharz, da in diesem Gebiet die wirtschaftlich bedeutendsten Bergbaureviere mit ihren Entwässerungssystemen liegen. In den hydrothermalen Gängen wurden vor allem silberhaltige Bleiglanz- und Kupferkiesminerale abgebaut. Der Oberharz gehört zur geologischen Einheit der Clausthaler-Kulmfaltenzone, einem Plateau aus gefalteten unterkarbonischen Kiesel- und Tonschiefern mit mächtigen Grauwacken (Turbiditen) in ca. 600 m Seehöhe (5). Diese Einheit nimmt den größten Teil des Oberharzes ein (6). Da diese Formationen eine geringe Durchlässigkeit aufweisen, trägt nur ein kleiner Teil des Niederschlags zur Grundwasserneubildung bei. Ein großer Teil wird als Oberflächenabfluss in die umliegenden Vorfluter und Gräben, Tagesöffnungen, Entwässerungsstollen, Seen und Talsperren abgeleitet (Bild 2).

Die Wasserbewegung erfolgt hauptsächlich entlang hercynischer (SE-NW) Kluft- und Verwerfungssysteme in Tiefen von mehreren zehn Metern. Der oberflächennahe Grundwasserleiter wird hauptsächlich aus dem anfallenden Niederschlagswasser gespeist. Dies führt zu schnellen Wasseraustauschprozessen und damit zu kurzen Verweilzeiten des Wassers im paläozoischen Grundgebirge, was zu einer geringeren Mineralisierung des Harzer Wassers führt (7). Der versickernde Teil des Niederschlagswassers bewegt sich als Unterlauf innerhalb der Verwitterungszone und kann aufgrund der teilweise steilen morphologischen Verhältnisse als Infiltrationswasser austreten und den Vorflutern zufließen. Die oberflächennahe Grundwasserfließrichtung orientiert sich an den morphologischen Verhältnissen. Der Abfluss erfolgt vom Hochland zu den Vorflutern im Tiefland. Der Abfluss wird durch zwei große Einzugsgebiete im Harz gesteuert. Eine Wasserscheide verläuft von NNE nach SSW quer durch den Hochharz zwischen Wernigerode und Braunlage und trennt die Einzugsgebiete von Weser und Elbe. Eine weitere Wasserscheide verläuft parallel dazu und trennt die Abflüsse nach S bzw. nach N (6).

Methodik und bisherige Forschung

Der Ansatz des Wasserspeicher Harz 2050-Projekts (WSH 2050) ist es, die Speicherkapazität des Harzes optimal zu nutzen und ggf. zu erweitern, um plötzliche Niederschläge gezielt zu puffern und für den späteren Bedarf zu speichern. Da der Wasserhaushalt einer Region in Wechselwirkung mit geologischen, morphologischen, klimatischen und bodenkundlichen Faktoren steht, müssen diese gemeinsam analysiert werden. Hinzu kommen die zahlreichen Bergwerke und Entwässerungsstollen aus der Bergbaugeschichte sowie die Auswirkungen des biotischen und abiotischen Waldsterbens im Harz, die in die Betrachtungen einbezogen werden müssen. Informationen zu den einzelnen Komponenten liegen zwar vor, aber es fehlen derzeit digitale Werkzeuge, die eine Verknüpfung und Interaktion aller Parameter für ein ganzheitliches Wassermanagement der Region ermöglichen. Das Projekt wurde initial vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur (MWK) gefördert, um innerhalb eines Jahres ein Konzept zu entwickeln, die technische Machbarkeit zu prüfen, Herausforderungen und Grenzen des Projekts zu identifizieren, geeignete Technologien auszuwählen und weitere Projektpartner einzubinden. Ein stark interdisziplinäres Konsortium arbeitet zusammen, um alle relevanten Faktoren in einer Datenbank zusammenzuführen (single source of truth). Das Konsortium besteht derzeit aus sechs interdisziplinären Instituten der TUC, dem Leichtweiß-Institut (LWI) der TU Braunschweig, der Nordwestdeutschen Forstlichen Versuchsanstalt, der Abteilung Bergbauarchäologie des Niedersächsischen Landesamts für Denkmalpflege, der BGR und der HWW. Im Rahmen des Vorgängerprojekts „Energie- und Wasserspeicher Harz“ (EWAZ) hat die Abteilung Hydrogeologie und Flussgebietsmanagement (HYWAG) des LWI bereits ein räumlich hochaufgelöstes hydrologisches Wasserhaushaltsmodell mit einem Modell für den Betrieb einzelner Talsperren bzw. Verbundspeichersysteme im Westharz mit Klimamodellen zur Simulation der Systemdienstleistungen kombiniert: Hochwasserschutz, Niedrigwasseraufhöhung, Trinkwasserversorgung sowie Energieversorgung durch Energiespeicher zu simulieren. Für die hydrogeologische Modellierung wurde die an der HYWAG entwickelte Planungsversion der hydrologischen Software PANTA RHEI verwendet. Dabei handelt es sich um ein deterministisches semi-distributives Modell, bei dem das Gesamteinzugsgebiet in hochaufgelöste Teilgebiete unterteilt wird. Diese Teilgebiete sind wiederum in kleinste hydrologische Berechnungseinheiten (Hydrotropen) nach Landnutzung, Bodeneigenschaften und Topographie unterteilt. Obwohl der Blattflächenindex hier in den Jahreszyklus und die Fruchtfolge der Langfristwirtschaft einfließt, müssen aktuelle Veränderungen des Waldbestands durch den Borkenkäfer und die letzten trockenen Sommer und Stürme hinzugefügt werden. Das verknüpfte Speicherbetriebsmodell IGOmod basiert auf der Software Gecko und dient der Modellierung beliebiger y-vernetzter Systeme und Betriebsregeln für Mehrzweckspeicher. PANTA RHEI liefert die natürlichen Zuflüsse der Speicher, während IGOmod für die Simulation des Wassermengenbetriebs der einzelnen Speicher und der Verbundspeicher sowie deren Transfers verwendet wird. Die im kombinierten Modell berücksichtigten Parameter sind meteorologische Zeitreihen, aufbereitet als räumliche Datenfelder aus Daten der Wasserwirtschaftsämter, der HWW und Ergebnissen des Projekts Klimafolgen für die niedersächsische Binnenwasserwirtschaft (KliBiW) (9). Darüber hinaus werden im Speichermodell einzelne Bereiche von untertägigen Bergbauhohlräumen berücksichtigt. Im Projekt WSH 2050 soll dieses bereits bestehende Verbundmodell auf das gesamte untertägige System erweitert werden. Dieses erweiterte Modell dient als Managementinstrument, das gezielte Prognosen über ein ganzheitliches, adaptives Wassermanagement der Region ermöglicht und gleichzeitig Nutzungskonflikte reduziert, indem es für verschiedene Fragestellungen verschiedene Handlungsoptionen generiert und deren Einfluss auf die Wasserqualität und -quantität simuliert und vergleicht, sodass der aktuelle Wasserbedarf des Harzes auch in Zukunft gesichert werden kann (Bild 3).

Neben dem bereits erwähnten Wasserhaushaltsmodell trägt das Projekt EWAZ weitere Möglichkeiten zur Verbesserung der Wasserhaushaltssituation bei. Insgesamt werden im Projekt fünf konstruktive und betriebliche Varianten der Wasser- und Energiewirtschaft (Neubauten, Erweiterungen, Verlegungen) betrachtet, um mögliche Auswirkungen auf den Wasserhaushalt der Region für die vier zuvor genannten und teilweise konkurrierenden Zielgrößen zu untersuchen. Als Zwischenergebnis konnte gezeigt werden, dass bereits ein multifunktionaler (Pump-)Speicher in Verbindung mit einer bestehenden Talsperre die Hochwasserleistung in Zukunft deutlich verbessern würde, zusätzlich zu den Verbesserungen der anderen genannten Systemleistungen. Daher bietet die Verbindung von unterirdischen Speichersystemen einen erheblichen Mehrwert für die Region, insbesondere im Hinblick auf die Anpassungsstrategie an den Klimawandel (9). Die Nutzung der bereits vorhandenen montanhistorischen Infrastruktur als Wasserspeicher wird jedoch durch folgende Anforderungen eingeschränkt:

1. Die Aufbereitung der eingespeicherten Wässer ist wirtschaftlich tragbar.
2. Das Gesamtsystem der Stollen und Gruben ist ausreichend bekannt, um das Systemverhalten bei dynamischer Belastung (Ein- und Ausspeicherung) vorherzusagen.
3. Die Größenordnung der Speicherkapazität und der Umsetzung ist wirtschaftlich tragbar.
4. Die einzigartige Denkmallandschaft des Weltkulturerbes bleibt erhalten.

Derzeit existieren für das System der Wasserlösungsstollen im Oberharz durch die erschwerte Zugänglichkeit und die aufwendigen Probenahmebedingungen nur vereinzelt Daten zur Wasserqualität (8). Informationen zur Geometrie der Stollen und Grubensysteme liegen in Form von teilweise digitalisierten Risswerken vor, jedoch ist der aktuelle Zustand der Hohlräume nicht ausreichend bekannt, um Aussagen über das tatsächliche Speichervolumen, den hydraulischen Anschluss der Stollen und Gruben untereinander zu treffen oder um die Auswirkungen von wasserbautechnischen Maßnahmen auf das Gesamtsystem und dessen Stabilität zu untersuchen. Diesen Herausforderungen muss mit Hilfe von modernster Sensorik begegnet werden, welche an die schwierigen Umgebungsbedingungen unter Tage angepasst ist. In weiterführenden Projekten sollen künftig die beiden größten Entwässerungsstollen des Oberharzes (Ernst-August- und Tiefer-Georg-Stollen) sowie das oberirdische Einzugsgebiet des Dammgrabens, der sein Wasser aus dem Gebiet von sechs Harzer Flüssen erhält, untersucht werden. Eine Projektskizze zur Weiterentwicklung der Sensorik zur räumlichen und qualitativen Erkundung der Stollensysteme wurde im Europäischen Fonds für regionale Entwicklung eingereicht. Ein weiteres Teilprojekt zur Erkundung der gefluteten Grubenbereiche wurde auf europäischer Ebene beantragt. Die Bewertungen stehen noch aus. Neben der schwierigen Zugänglichkeit der untertägigen Systeme stellen die Zusammenführung heterogener Datenquellen und deren nachhaltiges Management sowie die Tatsache, dass nicht alle Themenbereiche auf dem gleichen Stand der Digitalisierung sind, eine weitere Herausforderung dar.

Schlussfolgerungen und Ausblick

Der Harz ist aufgrund seiner geographischen Lage von besonderer wasserwirtschaftlicher Bedeutung für Niedersachsen und Norddeutschland. Um ein effizientes Wassermanagement für die Region zu gestalten, müssen alle relevanten Einflussfaktoren des regionalen Wasserhaushalts gemeinsam betrachtet werden. Derzeit gibt es noch keine Technologie, die eine ganzheitliche Betrachtung ermöglicht. In der ersten Phase des Projekts ergaben sich folgende Herausforderungen:

1. Entwicklung eines einheitlichen Datenmanagements für eine Vielzahl von heterogenen Daten,
2. eingeschränkte digitale Verfügbarkeit von Daten,
3. unzureichende Datendichte für die Wasserqualität, sodass langfristig ein Messdatennetz erforderlich ist und
4. Form und Aktualität der geometrischen Daten von unterirdischen Systemen.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, müssen verschiedene moderne Technologien und Sensortechniken in einem Modell kombiniert werden. Derzeit werden am Institut für Bergbau der TUC verschiedene Arbeiten durchgeführt, um ein digitales Modell des unterirdischen Systems zu erstellen und dies mit verschiedenen Technologien zu unterstützen. Das hybride Modell soll später Maßnahmen zur Bewältigung verschiedener regionaler, nationaler und globaler Herausforderungen im Wassermanagement unterstützen. Die entwickelte Methodik soll letztlich auf andere Regionen übertragen werden können.

Danksagung

Das Projekt WSH 2050 wurde zunächst durch das Niedersächsische Ministerium für Wissenschaft und Kultur (MWK) gefördert. Besonderer Dank gilt dem Konsortium des WSH 2050-Projekts und den weiteren Teamkolleginnen (Apollo, Nowosad, Thomas).