Im Berliner Grunewald, der Teil des Einzugsgebiets der Wasserwerke Beelitzhof und Tiefwerder ist, betragen die Sulfatkonzentrationen im ersten und zweiten Grundwasserleiter bis zu 1000 mg/L und überschreiten damit vielerorts den Schwellenwert für das Grundwasser von 250 mg/L gemäß Grundwasserverordnung (GrwV 2010). Die lokal hohe Sulfatkonzentration im Grundwasser kann nicht ausschließlich auf die im nördlichen Untersuchungsgebiet befindliche Trümmerschuttdeponie Teufelsberg zurückgeführt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Prozesse im Grunewald, die für eine Erhöhung der Sulfatkonzentration verantwortlich sind, zu identifizieren. In Betracht kommen die Emission aus Verbrennungsprozessen vor 1989/1990, die Auswaschung von Bau- und Trümmerschutt sowie die Oxidation von Sulfidmineralen.
Hierfür wurden insgesamt sieben Bohrungen mit einer durchgehenden Sedimententnahme und einem späteren Grundwassermessstellenausbau abgeteuft. Das gewonnene Sediment jedes Standorts wurde eluiert und hinsichtlich Hauptkationen und -anionen analysiert. Die teufenorientierte Sedimentprobennahme ermöglicht die genaue Zuordnung des Sulfatgehalts eines Eluats zu einer bestimmten Tiefe. Zur Bestimmung der Verlagerungsgeschwindigkeit von Sulfat wurden die Retardationsfaktoren für Grunewald-typisches Sediment in Säulenversuchen ermittelt. Für Mittelsand ergibt sich ein Sulfatretardationsfaktor von 1,06 [-], für Feinsand 1,10 [-] und für Schluff von 1,28[-]. Über die Verlagerungsgeschwindigkeit kann ein Rückschluss auf das Alter des Sickerwassers in der Tiefe erfolgen, wodurch eine Verlagerungsprognose des letzten großen atmosphärischen Schwefeleintrags getätigt wird. Unter Berücksichtigung des Bedarfs der Waldvegetation und der Rückführung von Schwefel durch Streufall wird eine maximale Sulfatbelastung des Sickerwassers in Höhe von 48 mg/L ermittelt. Eine Verlagerungsprognose ergibt, dass das Plateau bis zum Jahr 2044 die Grundwasseroberfläche erreicht hat und die Quelle der atmosphärischen Deposition abgeklungen sein wird. Im Sediment aus dem Bereich der Grundwasserschwankung wurde eine weitaus höhere Sulfatkonzentration eluiert als aus dem Sediment der ungesättigten Zone. Zusätzlich zu den Eluaten liegen Grundwasserproben vor, die gemeinsam mit den Ergebnissen der Eluate einen Einfluss von Eisen(di)sulfidoxidation sowie Calciumsulfatlösung als Sulfatquelle ergeben. Säulenversuche zur Eisen(di)sulfidoxidation und Calciumsulfatfällung im Kapillarsaum bestätigen die identifizierten Prozesse. Ein umfangreiches Grundwasser- Monitoring ergab vier Sulfat-Hotspots im Grunewald, die auf die identifizierten Quellen zurückzuführen sind. Außerdem kann die Oszillation der Grundwasseroberfläche, um 1,4 m im Mittel, als Reaktion auf veränderte Förderraten der Wasserwerke als steuernder Faktor für die lokal sehr hohen Sulfatkonzentrationen identifiziert werden. Eine Quantifizierung der auf Eisen(di)sulfidoxidation und Oxidation von Schwefelverbindungen aus organischem Material sowie auf Calciumsulfatlösung zurückzuführende Sulfatbelastung verdeutlicht die Verknüpfung der Prozesse. Ein Grundwasseranstieg über zuvor belüftete Bereiche hinaus verursacht eine Lösung des im Kapillarraum ausgefallenen Calciumsulfats sowie der Eisen(di)sulfid-Oxidationsprodukte. Dabei zeigt sich, dass insbesondere der Prozess der Calciumsulfatlösung einen wesentlichen Einfluss auf die Gesamtsulfatkonzentration hat. Eine große und sich häufig ändernde Grundwasserschwankung steigert die Intensität der identifizierten Prozesse. Demzufolge ist für die Bewirtschaftung der Grundwasserressourcen eine Beibehaltung der aktuellen Grundwasserstände mit einem geringen Schwankungsbetrag zu empfehlen.
In Berlin's Grunewald forest, which is part of the catchment area of the Beelitzhof and Tiefwerder waterworks, the sulphate concentrations in the first and second aquifer are up to 1000 mg/L and thus in many places exceed the prescribed limit of 250 mg/L for sulphate (GrwV 2010). The local occurrence of high sulphate concentration in groundwater cannot be attributed exclusively to the debris deposit Teufelsberg located in the northern part of the study area. Therefore, the aim of this work is to identify the processes in Grunewald that are responsible for the increase in sulphate concentration. The emission from combustion processes before 1989/1990, the leaching of construction and debris deposit as well as the oxidation of sulphide minerals were considered. For this purpose, a total of seven boreholes were drilled with a continuous sediment extraction and a groundwater measuring option. The sediment extracted from each site was eluted and analysed for major cations and anions. The depth-oriented sediment sampling enables the exact assignment of the sulphate content to a certain depth. To determine the transport velocity of sulphate, the retardation factors for Grunewald-typical sediment were determined through column experiments. A sulphate retardation factor of 1.06 [-] is obtained for medium sand, 1.10 [-] for fine sand and 1.28 [-] for silt. The transport velocity can be used to draw conclusions about the age of the leachate at different depth, thus predicting the displacement of the last large atmospheric sulphur input. Taking into account the requirements of the forest vegetation and the return of sulphur by litter, the maximum sulphate load of the leachate is determined as 48 mg/L. A displacement prediction shows that the plateau will have reached the groundwater surface by 2044 and the source of atmospheric deposition will have decreased. A much higher sulphate concentration was eluted from the sediment of the groundwater fluctuation zone than from the sediment of the unsaturated zone. In addition to the eluates, groundwater samples were analysed, which together with the results of the eluates, show an influence of iron(di)sulfide oxidation and calcium sulfate dissolution as sulfate source. Column experiments on iron(di)sulfide oxidation and calcium sulfate precipitation in the capillary fringe confirm the identified processes. Extensive groundwater monitoring revealed four sulphate hotspots in the Grunewald, which can be traced back to the identified sources. On the other hand, the groundwater fluctuation, around 1.4 m on average, can be identified as a controlling factor for the locally very high sulphate concentrations as a reaction to change in the production rates of the waterworks. A quantification of the sulphate load due to iron(di)sulphide oxidation and oxidation of sulphur compounds from organic material and the calcium sulphate dissolution clarifies the link between the processes. A groundwater rise above the previously aerated areas causes a dissolution of the calcium sulfate precipitated in the capillary space and of the iron(di)sulfide oxidation products. The process of calcium sulfate dissolution in particular has a significant influence on the total sulfate concentration. A large and frequently fluctuation groundwater increases the intensity of the identified processes. Therefore, for the management of groundwater resources, it is recommended to maintain the current groundwater levels with a low fluctuation.
