Die Bewirtschaftung des Grundwassers

Grundwasser ist weit mehr als nur eine einfache Ressource für den Bergbau und die Steinbrüche ; es stellt auch ein entscheidendes Element der architektonischen Schönheit bestehender Bauwerke dar. In der unterirdischen Welt der Minen und Steinbrüche, wo Ingenieurwesen auf Natur trifft, bietet das Grundwasser eine spektakuläre und oft unvorhersehbare Kulisse. Von unterirdischen Seen bis hin zu Aquädukten schafft das Grundwasser erhabene Landschaften, die die Vorstellungskraft übersteigen.

Herkunft des Grundwassers

Die Wasserbewirtschaftung

Das Grundwasser in Minen und Steinbrüchen kann sowohl ein Hindernis als auch eine Chance darstellen, je nachdem, wie es bewirtschaftet wird. Anfänglich kann dieses Wasser als großes Hindernis für den Bergbau und den Abbau in Steinbrüchen wahrgenommen werden. Das ständige Eindringen von Wasser kann die Stabilität der Wände gefährden, das Einsturzrisiko erhöhen und die Arbeitsbedingungen für Bergleute und Steinbrucharbeiter gefährlich machen. Zudem kann das Vorhandensein von Grundwasser die Kosten für das Pumpen und Entwässern erhöhen, die erforderlich sind, um eine trockene und sichere Arbeitsumgebung aufrechtzuerhalten.

Eine effektive Grundwasserbewirtschaftung kann dieses Hindernis jedoch in eine Stärke verwandeln. Durch die Umsetzung von Strategien zur Grundwasserbewirtschaftung wie Pumpen, Entwässerung, Abdichtung der Wände und Wiederverwendung des Wassers ist es möglich, den Wasserstand effektiv zu kontrollieren und die Risiken für die Sicherheit und Stabilität des Bergbaus und des Steinbruchbetriebs zu minimieren. Darüber hinaus kann durch die Rückgewinnung und Nutzung des Grundwassers für industrielle Zwecke oder zur Bewässerung die Abhängigkeit von externen Wasserressourcen verringert und zur ökologischen Nachhaltigkeit des Betriebs beigetragen werden.

Becken

Hauptsächlich durch Regenwasser aus Versickerung oder Schächten (Oberflächenschacht oder Wasserschacht) gespeist, haben die Becken, insbesondere im Steinbruch, verschiedene wesentliche Verwendungszwecke. 

Die Kalkbecken

Diese Becken, die sehr oft in den Werkstätten der Steinbrecher vorhanden waren, ermöglichten das Löschen von Branntkalk, um:

• Mörtel für das Mauerwerk der Sicherungen des Steinbruchs herzustellen;
• in Pilzzuchten die Wände mit Kalk zu bestreichen, um den Raum zu desinfizieren und die Vermehrung von Bakterien zu verhindern, die die Kulturen kontaminieren könnten; 
• die Luftfeuchtigkeit aufzunehmen, was dazu beitragen kann, optimale Trockenheitsbedingungen aufrechtzuerhalten und Kondensation sowie Schimmelbildung in den Steinbrüchen zu vermeiden;
• Wände und Strukturen zu verstärken, da sie vor eindringendem Wasser schützt;
• unerwünschte Gerüche zu kontrollieren, da sie muffige Gerüche, Feuchtigkeit und anderes reduziert, wodurch die Arbeitsbedingungen (für Pilzzüchter) oder die Lebensbedingungen im Falle eines unterirdischen Unterschlupfs der Bevölkerung verbessert werden. 

Der Löschvorgang lief wie folgt ab. Das obere Becken mit einer Tiefe von etwa 60 cm wurde gleichzeitig mit Kalk und Wasser gefüllt. Beim Mischen nahm der Kalk bis zum 3,5-fachen seines Eigengewichts an Wasser auf. Sobald die Mischung hergestellt war, wurde sie über mehrere Tage hinweg mehrmals kräftig mit einer Kalkhaue durchgearbeitet. Die Mischung floss dann auf natürliche Weise in das zweite Becken ab. Nach einer mehrtägigen Abkühlung des so gelöschten Kalks war er gebrauchsfertig.

Mit den Fortschritten der Sicherungstechniken sind diese Becken unter Paris mittlerweile weitgehend in Vergessenheit geraten, aber im industriellen Maßstab werden diese Techniken weiterhin in großem Umfang angewendet.

Die Absetzbecken 

Die Dekantierung ist ein altes Verfahren zur Gewinnung von klarem Wasser, wurde aber auch in Kreidesteinbrüchen in großem Umfang zur Herstellung von Meudon-Weiß verwendet. Nach dem Mahlen und dem anschließenden Aufschlämmen (Verdünnung der Kreide in einer großen Wassermenge zur Vorbereitung der Dekantierung) wurde die Mischung in eine Reihe von direkt in die Kreide gegrabenen Becken geleitet, die kaskadenförmig hintereinander dem Gefälle folgten. Die teils komplexen Netze erstreckten sich über mehrere Ebenen des Steinbruchs.

Diese Becken waren durch Metall- oder Tonleitungen miteinander verbunden. Der Dekantierungsprozess umfasste mehrere Schritte. Zunächst ermöglichte er die Trennung der Kreide von den schwereren Feuersteinpartikeln, die sich im ersten Becken absetzten. Anschließend wurden die Kreidepartikel nach ihrer Größe sortiert. Die schwersten setzten sich zuerst ab, während sich die leichtesten am Boden des letzten Beckens ansammelten. Die Kreideablagerungen in jedem Becken wurden unterschiedlich verarbeitet, um verschiedene Derivate herzustellen.

Um den Prozess zu beschleunigen, waren einige Becken als „Rinnen“ ausgebildet. Indem man den mit Partikeln beladenen Wasserstrom durch eine Rinne leitete, setzten sich die schwereren Partikel tendenziell schneller am Boden ab, während die leichteren Partikel weiter mitgerissen werden konnten, bevor sie sich absetzten. Diese Konstruktion ermöglichte so eine effizientere Trennung der verschiedenen Partikelfraktionen und erleichterte den Prozess der Kreideaufbereitung in den Absetzbecken. Zudem boten die Rinnen oft eine praktische Lösung, um den Wasserfluss zwischen den Becken zu kanalisieren und so einen reibungslosen Übergang von einem Becken zum nächsten im Absetzsystem zu gewährleisten.

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Reservoirs

Sie sind oft wesentlich größer und haben die Hauptaufgabe, eine große Menge Wasser zu speichern. Dieses gespeicherte Wasser erfüllt zwei Hauptfunktionen: die Wasserversorgung der Bevölkerung und die Landwirtschaft. Darüber hinaus dienen einige zur Bewässerung von unterirdischen Pilz- oder Chicorée-Kulturen.

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Römische Zisterne: das Beispiel der Grotte Berelle

Man findet auch kleinere Reservoirs, die speziell aus der Römerzeit stammen und als römische Zisternen bezeichnet werden. Sie wurden im 5. Jahrhundert n. Chr. genutzt und gerieten danach in Vergessenheit. Sie befanden sich oft unter öffentlichen Gebäuden, Foren, Thermen und sogar unter Privathäusern. Die Zisternen waren so konzipiert, dass sie robust und langlebig waren, mit Tonnengewölben oder Halbtongewölben, um das Gewicht der Erde und der darüber liegenden Strukturen zu tragen. Darüber befand sich ein Schacht, um das Wasser zu schöpfen. 

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Die Aquädukte

Im Laufe der Zeit blieben unterirdische Aquädukte wichtig für die Wasserversorgung, aber ihre Nutzung weitete sich auch auf andere Bereiche aus, wie die landwirtschaftliche Bewässerung, den Bergbau, die Erzeugung von Wasserkraft und sogar die Bewirtschaftung von Regen- und Abwasser.

Das Wasser geht immer von einer Quelle aus und wird dann über Druckleitungen oder im freien Gefälle geleitet. 

Die Druckleitungen

Die Beförderung in Druckleitungen ist eine neuere Methode, die den Kontakt zwischen dem Wasser und der Außenwelt einschränkt, um Verunreinigungen zu reduzieren, insbesondere wenn das Wasser zuvor aufbereitet wurde. Diese Lösung wird auch in Betracht gezogen, wenn die Kontinuität des gemauerten Bauwerks nicht möglich ist (z. B. bei Autobahnunterquerungen).

Das Beispiel des Aquädukts von Medici

Das Aquädukt von Medici wurde zu Beginn des 17. Jahrhunderts erbaut, um mehrere wichtige Bedürfnisse der Stadt Paris zu erfüllen, insbesondere die Trinkwasserversorgung. Es besteht aus einem unterirdischen, gewölbten Stollen, dessen Höhe zwischen 2 m und 80 cm variiert. Dieser ist mit unbehauenen Mühlsteinen gemauert. In der Mitte des Stollens befindet sich eine „Cunette“ (Rinne), in der das Wasser fließt. Diese Rinne wird von zwei Gehwegen flankiert, die als „Banquettes“ bezeichnet werden. Das Ganze ruht auf einer Betonplatte, der sogenannten Sohle („Radier“). In einigen Abschnitten fließt das Wasser direkt auf der Sohle.

Zugänge und Bauwerke des Aquädukts von Medici

Der Verlauf dieser Stollen ist von Schlammfängen und Kontrollschächten gesäumt. Der Schlammfang (oder Lichtschacht) is ein Schacht, der den Zugang zum Aquädukt durch die Oberseite des Gewölbes ermöglicht. Wenn das Aquädukt tief liegt, nimmt der Schlammfang die Form eines kleinen, gemauerten, trapezförmigen Schachts an. Um hinabsteigen zu können, sind die Wände mit Trittstufen versehen. An der Oberfläche sind die Schächte mit einer Steinplatte verschlossen. Später, im 19. Jahrhundert, wurden einige mit Beton oder Gusseisenplatten verschlossen.

Sie sind weitaus zahlreicher als die Kontrollschächte, da es sich um viel bescheidenere Bauwerke handelt. Ihre Aufgaben sind vielfältig, denn sie ermöglichen:

— Den Zugang zum Aquädukt für dessen Wartung.
— Die Belüftung des Stollens zu fördern, insbesondere während des Baus des Aquädukts.
— Den Abtransport des Aushubs während des Baus zu ermöglichen. Zudem findet man Kerben in den Gewölben, die durch das Hochziehen der Blöcke im Schacht mit Seilen entstanden sind.

Die Kontrollschächte wiederum sind kleine Gebäude, die einen exklusiven Zugang zum unterirdischen Stollen über eine Treppe ermöglichen. Auf ihrer Ebene fließt das Wasser durch ein Becken, dessen Zweck es ist, die Sauerstoffanreicherung des Wassers und das Absetzen von Verunreinigungen zu fördern. 

Fassade des Zugangsschachts zum Aquädukt:

Inneres der Kontrollschächte des Aquädukts:

Virtueller Rundgang verfügbar

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Drainagen 

Im Unterschied zu einem Aquädukt, das dazu dient, Wasser über weite Strecken von einer Wasserquelle in Gebiete zu transportieren, in denen es benötigt wird, dient eine Drainage dazu, überschüssiges Wasser abzuleiten oder Böden zu entwässern. 

In vielen Regionen ist die Anlage von Entwässerungsstollen oft notwendig, um die Stabilität von Felsmassiven zu gewährleisten. Diese Notwendigkeit ergibt sich aus mehreren geologischen und geotechnischen Faktoren.

Geologisch komplexe Regionen, die durch das Vorhandensein von verwittertem oder zerklüftetem Gestein gekennzeichnet sind, machen Felsmassive anfällig für das Eindringen von Wasser, was zu einer Sättigung von Böden und Gesteinen führen kann. Das einsickernde Wasser kann zudem Druck auf die Felswände ausüben, was das Risiko von Erdrutschen oder Felsstürzen erhöht. Wenn diese Gesteine zudem von mehreren Wasserläufen und Flüssen durchquert werden, trägt dies dazu bei, das Potenzial für das Eindringen von Wasser in die umliegenden Felsmassive zu erhöhen. Zeiten starker Niederschläge können zu einem plötzlichen Anstieg des Durchflusses von Wasserläufen führen, was die Probleme des Eindringens und der Sättigung der Böden verschlimmert.

Um diesen geotechnischen Risiken vorzubeugen und die Felsmassive zu stabilisieren, wird häufig die Anlage von Entwässerungsstollen in Betracht gezogen. Diese Stollen sind so konzipiert, dass sie das in die Gesteine eingedrungene Wasser sammeln und ableiten, wodurch der auf die Felswände ausgeübte hydrostatische Druck verringert wird. Durch die Beseitigung des überschüssigen Wassers tragen die Entwässerungsstollen dazu bei, die Stabilität der Felsmassive zu erhalten und Erdrutsche sowie Felsstürze zu verhindern.

Dies wurde insbesondere in der Stadt Lyon so umgesetzt. 

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Regenüberlauf

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Pumpen

Eines der Hauptziele des Pumpens, wenn die Mine oder der Steinbruch noch in Betrieb is, besteht darin, einen optimalen Wasserstand aufrechtzuerhalten, um die Fortsetzung des Bergbaus oder des Materialabbaus ohne Unterbrechung durch Wasseransammlungen zu ermöglichen. Dies bedeutet, den Wasserstand unter einem bestimmten Schwellenwert zu halten, in der Regel unter dem Arbeitsniveau der Bergleute oder unter den Abbaugeräten.

Nach dem Ende des Abbaus ist es manchmal immer noch notwendig zu pumpen, um:

Überschwemmungen vorzubeugen: Verlassene Ausgrabungen können sich auf natürliche Weise mit Wasser aus Niederschlägen oder unterirdischen Quellen füllen. Das Pumpen ist dann notwendig, um dieses Wasser abzuleiten und Überschwemmungen zu verhindern, die die umliegende Infrastruktur beschädigen oder Sicherheitsrisiken verursachen können.

Die Stabilität zu erhalten: Verlassene Ausgrabungen können instabil werden, wenn sie sich mit Wasser füllen, was zu Einstürzen oder Erdrutschen führen kann. Das Pumpen ermöglicht es, den Wasserstand auf einem kontrollierbaren Niveau zu halten, um die Stabilität der unterirdischen Strukturen und des umliegenden Geländes nicht zu gefährden.

Die Umwelt zu schützen: Das Pumpen nach dem Abbau kann auch erforderlich sein, um eine Verunreinigung des Grundwassers oder benachbarter Wasserläufe durch giftige Substanzen oder verbleibende Chemikalien aus dem Bergbau oder Abbau zu verhindern. Dieses Wasser durchläuft daher in der Regel Aufbereitungsanlagen, bevor es in die Natur abgegeben wird. 

Um dieses Wasser nicht irgendwo und irgendwie abzuleiten, hat der Mensch im Laufe der Geschichte oft Einfallsreichtum bewiesen, um das Wasser bestmöglich als Energiequelle zu nutzen. Wir können dafür zwei Beispiele finden.

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Wassernutzung im Bergbaukontext

Hydrogeologen haben ein System erfunden, um die Förderung des Erzes unter Ausnutzung des natürlichen Wasserlaufs zu erleichtern.

Toutes ces structures sont liées dans le but de maintenir le cycle de l’eau et d’améliorer la gestion de la ressource hydrique.

Wasserhaltung im Bergbau

Die Wasserhaltung ist ein Begriff, der hauptsächlich im Bergbau und in der Hydrologie verwendet wird. Er bezeichnet alle Techniken und Verfahren zur Ableitung des Grundwassers, das in die Stollen und Grubenbaue eindringt, um die Fortsetzung der Bergbauarbeiten zu ermöglichen.

1. Pumpen des Grundwassers: Das Wasser kann aus dem Grundwasserleiter, aus unterirdischen Flüssen oder aus dem Einsickern von Oberflächenwasser stammen. Leistungsstarke Pumpen und Entwässerungssysteme werden eingesetzt, um dieses Wasser aus der Mine abzuleiten.
2. Sicherheit und Effizienz: Die Wasserhaltung ist unerlässlich, um die Sicherheit der Bergleute und die Effizienz des Bergbaubetriebs zu gewährleisten. Eine Überschwemmung in einer Mine kann nicht nur das Leben der Arbeiter gefährden, sondern auch die Infrastruktur und die Ausrüstung der Mine beschädigen.
3. Arten von Wasserhaltungssystemen: Die Systeme können temporär oder permanent sein und umfassen Pumpschächte, Entwässerungsstollen und Rohrleitungsnetze. Die Wahl des Systems hängt von der Geologie des Standorts und der abzuführenden Wassermenge ab.
4. Kosten und Umweltauswirkungen: Die Wasserhaltung kann erhebliche Kosten für den Bergbaubetrieb verursachen. Zudem ist die Aufbereitung des abgeführten Wassers von entscheidender Bedeutung, um eine Verschmutzung der umliegenden Ökosysteme zu vermeiden.

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Die Wasserverschmutzung

Das aus der Wasserhaltung stammende Wasser kann in mehrfacher Hinsicht umweltschädlich sein, insbesondere aufgrund der Beschaffenheit der Substanzen, die es nach dem Kontakt mit den Bergbauwerkstoffen und -prozessen enthalten kann. Hier sind einige spezifische Beispiele für Wasserverschmutzung im Bergbaukontext:

1. Schwermetalle: Das Entwässerungswasser aus Minen kann Schwermetalle wie Blei, Quecksilber, Cadmium und Arsen enthalten. Diese Metalle können sich im Wasser lösen und Trinkwasserquellen, Böden und aquatische Ökosysteme kontaminieren.
2. Säuregehalt: Eines der Hauptprobleme im Zusammenhang mit Grubenwasser ist die saure Grubenentwässerung (SGE). Dies geschieht, wenn sulfidische Mineralien wie Pyrit mit Wasser und Sauerstoff reagieren und Schwefelsäure bilden. Dieses saure Wasser kann weitere giftige Metalle lösen und die Verschmutzung verschlimmern.
3. In Bergbauprozessen verwendete Chemikalien: Bei der Erzaufbereitung werden häufig Chemikalien wie Cyanid (bei der Goldgewinnung) oder Flotationsreagenzien verwendet. Wenn diese Substanzen das Wasser der Wasserhaltung verunreinigen, können sie erhebliche Risiken für die Umwelt und die menschliche Gesundheit darstellen.
4. Sedimente: Bergbauaktivitäten können die Bodenerosion verstärken und zu übermäßigen Sedimentmengen in den Wasserläufen führen. Diese Sedimente können aquatische Lebensräume verstopfen, die Wasserqualität beeinträchtigen und Wasserorganismen schädigen.
5. Organische Substanzen: Einige Minen, insbesondere solche, die Ressourcen wie Kohle abbauen, können Wasser erzeugen, das giftige organische Verbindungen enthält. Diese Substanzen können aus Rückständen von Verarbeitungsprozessen oder aus dem Abbau organischer Stoffe stammen, die natürlicherweise in den Erzlagerstätten vorkommen.

Umwelt- und gesundheitliche Auswirkungen:

• Aquatische Ökosysteme: Die Verunreinigung des Wassers kann zum Absterben der aquatischen Fauna führen, Nahrungsketten stören und natürliche Lebensräume verändern.
• Menschliche Gesundheit: Lokale Bevölkerungen, die auf diese Wasserquellen zum Trinken, Waschen oder zur Bewässerung ihrer Kulturen angewiesen sind, können schwerwiegenden gesundheitlichen Risiken ausgesetzt sein, einschließlich chronischer und akuter Krankheiten sowie Krebs.
• Boden und Vegetation: Die Wasserverschmutzung kann auch die Böden kontaminieren, was das Pflanzenwachstum und in der Folge die von diesen Pflanzen abhängige Tierwelt beeinträchtigt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das aus dem Bergbau stammende Wasser verunreinigt werden kann, wenn es mit giftigen Substanzen oder Chemikalien in Kontakt kommt, die bei den Abbau- und Aufbereitungsprozessen verwendet werden. Eine ordnungsgemäße Bewirtschaftung und Behandlung des Wassers aus der Wasserhaltung ist daher unerlässlich, um die Auswirkungen auf Umwelt und Gesundheit zu minimieren.