Raummodelle als Grundlage gekoppelter Modellierung

16 Raummodelle als Grundlage gekoppelter Modellierung
Geologische 3D-Modellierung in der Hydro- und Umweltgeologie
Quelle: AG Hydro- und Umweltgeologie, Martin-Luther-Universität Halle. 2007
3.1. Komplexe Ausgangslage und
dynamische Umwelt
Die 3D-Bearbeitung von geologischen
Raummodellen in heterogenen
Aquiferen ist bis heute bezüglich
der modell-technischen Handhabung
nach wie vor schwierig und
sehr aufwendig. Vor dem Hintergrund
der regionalen Schadstoffbelastung
der Grundwasserleiter im
Raum Bitterfeld-Wolfen durch die
ehemalige chemische Industrie und
die komplexen hydraulischen Verhältnisse
aufgrund des eingestellten
Braunkohlebergbaus, wachsen
jedoch die Ansprüche an die Aussagegenauigkeit
und Verfügbarkeit
von 3D-Modellen. Integriert in eine
GIS-Umgebung ermöglichen sie
Plausibilitätsprüfungen von Punktund
Flächendaten, Analysen komplexer
hydrostratigraphischer und
umweltchemischer Verhältnisse sowie
Prognosen zur ortskonkreten
Situation des tieferen Untergrundes
und Strömungs- und Transportverhaltes
im Grundwasserleiter. Auf
der Grundlage dieser Raummodelle
können weiterführende Aussagen
zum Thema fate and pathway, risk
assessment, Expositionsabschätzung
und Landnutzungsmanagment GISbasiert
durchgeführt werden.
Die integrative räumliche Analyse
umfasst die folgenden Punkte:
• 3D-Modellierung der komplexen
geologisch-hydrogeologischen
Struktureinheiten,
• Regionalisierung der Restkontaminationen
und räumliche statistische
Betrachtung,
• Expositionsanalyse auf der Basis
der regionalen Grundwasserströmung
und betroffener Schutzgüter.
3.1a. 3D-Raummodelle erlauben die integrierte
Darstellung der Erdoberfläche mit dem
geologischen Untergrund. Dabei lässt die
thematische Bearbeitung der Landnutzung
wie auch der geologischen Schichten unterschiedliche
Kombinationen von Informationen
zu. Das Beispiel zeigt einen Ausschnitt der
Region Bitterfeld mit Luftbild und hydraulischen
Fenstern im oberen Grundwasserleiter
auf 4 x 4 km. Der geflutete Tagebaurestsee
Goitzsche ist im Vordergrund zu erkennen.

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Geologische 3D-Modellierung in der Hydro- und Umweltgeologie
Ziel war es dabei, stoffspezifische
und ortskonkrete Aussagen im Untersuchungsgebiet
zu Konzentrationen
von Schadstoffen und deren
Austragspfaden zu erhalten und
mittels weiterführender Analysen
mögliche Handlungs- und Planungsoptionen
aus umwelt- und
ökotoxikologischer Sicht abzuleiten.
Ausgehend von einer Unterbrechung
des Schadstoffpfades durch
die quellnahen hydraulischen Sicherungsmaßnahmen
sind die Auswirkungen
der abreißenden und verbleibenden
Fahnenteile im Sinne von
„Schadstoffwolken“ zu untersuchen.
Dazu muss die schadstoffspezifische
Speicherfunktion der verschiedenen
geologischen Einheiten des
Untergrundes abgeschätzt werden.
Das in den SAFIRA-Projekten
erarbeitete großräumige digitale
geologische Raummodell stellt für
die Arbeiten eine detaillierte und
notwendige Grundlage dar, um die
lithologischen und strukturellen
Heterogenitäten abzubilden. Eine
der Hauptaufgaben des SAFIRA II-
Projekts bestand in der nördlichen
Erweiterung des Raummodells, um
den nördlichen Referenzraum des
Untersuchungsgebietes mit dem
Zustrom zur Mulde ebenfalls zu erfassen.
Ausgehend von der hydraulischen
Situation und der jeweiligen Grundwasserbelastung
sind für Stoffgruppen
bzw. Einzelstoffe Schutzgutbetrachtungen
anzustellen, die
sowohl die Transmissionspfade als
3.1b. Modellausschnitt des Bereichs
Bitterfeld-Süd mit den tief eingreifenden Kippenfüllungen
und der z.T. noch verbliebenen
Braunkohle. Die Abbildung gibt einen guten
Einblick in die Komplexität der Schichtfolge
und die Einwirkungen des Bergbaus.

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Geologische 3D-Modellierung in der Hydro- und Umweltgeologie
3.1c. Volumenmodell der verbliebenen
Rest-Braunkohle mit Abbaukanten, Straßenpfeilern
und Auffahrrampen im Bereich des
Gebietes Bitterfeld-Süd.
auch unterschiedliche Expositionsaspekte
für spezifische Schutz- und
Sachgüter deutlich machen. Dies
muss unter besonderer Berücksichtigung
der langfristigen Grenzflurabstände
bzw. Mindestflurabstände
für die unterschiedlichen Nutzungsbereiche
je nach Schutzgut und
Empfindlichkeit betrachtet werden.
Die raumorientierten Empfindlichkeitsanalysen
sind dabei sowohl
auf die spezifischen Sachgüter und
Landnutzungs-/Flächennutzungsaspekte
wie auch auf die differenzierten
ökologischen Inhalte der
Oberflächengewässer umzusetzen.
Die GIS-gestützte, flächendifferenzierte
Bearbeitung erfolgt durch
georeferenzierte Flächendaten, u.a.
durch digitale Luftbilder, CIR-Daten,
Biotopkataster, ATKIS und Flächennutzungspläne.
Die Grundwasserbelastungen
wurden in den unterbrochenen Abstromfahnen
nach Grundwasserleitern
regionalisiert und stoff- sowie
gruppenspezifisch ermittelt. Auf der
Basis der Zustandsbeschreibung des
erarbeiteten Raummodells Bitterfeld
und seiner nördlichen Erweiterung
werden die notwendigen detaillierten
und ortskonkreten Informationen
für beispielhafte Referenzräume
(Süd und Nord) bereitgestellt, analysiert,
bewertet und thematisch in
einem Geoinformationssystem verschnitten.

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Geologische 3D-Modellierung in der Hydro- und Umweltgeologie
3.2. Hochauflösende
3D-Raummodelle
3.2a. Virtuelle vernetzte vertikale Profilschnitte
im Modell Bitterfeld-Süd.
Die Schichtenfolge des Tertiärs einschließlich
Braunkohle, des Quartärs und der Kippenfüllungen
zeichnen sich deutlich ab.
Im Rahmen der SAFIRA-Projekte
wurde im Raum Bitterfeld-Wolfen
auf einer Fläche von ca. 65 km²
ein hochauflösendes geologisches
Raummodell entwickelt und mit
Hilfe der 3D-Modellierungssoftware
GSI3D und GeoObject 2 in ein
digitales Raummodell überführt.
Das digitale geologische Raummodell
ist ein Teil des „Raummodells
Bitterfeld“, eines GIS-gestützten,
flächennutzungsbezogenen, geologisch/hydrogeologischen
Rauminformationssystems,
das standortabhängige
Informationen zur Situationsbewertung
und für planungsrelevante
Fragestellungen beinhaltet.
Das Ziel der Modellierung war
vor dem Hintergrund der komplexen
geologischen Verhältnisse,
die zusätzlich durch anthropogene
Eingriffe tiefgreifend gestört wurden,
die optimale Erfassung der
heterogenen Aquifere. Zusätzlich
wurde die Umsetzung der realen
geologischen Verhältnisse in das
geologische Raummodell durch die
anthropogenen Schichtkörper der
Bergbaukippen und Industrie- und
Siedlungsauffüllungen erschwert.
Bei dem digitalen geologischen
Raummodell Bitterfeld wurde auf
der Basis von 32 Einzelschichten bis
zur Rupelton-Oberkante ein Gebiet
von 65 km² modelliert. Im Gegensatz
zu einer reinen Visualisierung
von geologischen Körpern steht hinter
dem gerechneten 3D-Modell eine
rasterzellenbasierte Datenbank, der
in Übereinstimmung mit dem digitalen
Höhenmodell eine 10x10 m
Zelle zugrunde gelegt wurde. Bei
einer höher auflösenden Ausgangsdatenlage
und entsprechender Rechenkapazität
lassen sich die Rasterzellen
bei Bedarf durchaus noch
weiter verfeinern. Als Input-Informationen
liegen dem Modell 350
Bohrungen und 60 Profilschnitte in
einer vernetzten Struktur zugrunde.
Im Gegensatz zu nur räumlichen
Visualisierungen oder 2,5D-Darstellungen
kann dieses 3D-Modell als
Analyse- und Prognosewerkzeug
interaktiv eingesetzt werden.

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Geologische 3D-Modellierung in der Hydro- und Umweltgeologie
Die gerechneten Produkte reichen
von Volumen- und Flächenberechnungen,
der Darstellung von
virtuellen Bohrungen, virtuellen
vertikalen und horizontalen 2D-
Profilschnitten, der 3D-Darstellungen
einzelner Sedimentkörper oder
Schichtgruppen bis zu einer ortsund
höhenkonkreten Lagebestimmung
einzelner Punkte aufgrund
der georeferenzierten Bezugsbasis.
Die Überführung der digitalen
Datenbasis in ein Strömungs- und
Transportmodell z.B. Modflow/
MT3D oder Feflow ermöglicht unter
Ergänzung eines Zeitparameters
eine 4D-Modellanwendung. Dabei
können z.B. berechnete Stoffausbreitungen
von nicht-reaktiven Stoffen
(Tracern) in den einzelnen Grundwasserleitern
dargestellt werden.
3.2b. Virtuelle horizontale Schnitte durch den
Modellkörper mit einem vertikalen Abstand
von 5 m. Man beachte die sich deutlich
ändernden Schichtverhältnisse bei kurzen
Distanzen. Diese Art der Prognose ist in der
Form nur in digitalen 3D Modellen möglich.
3.2c. Anwendungsbeispiele von unterschiedlichen
virtuellen Schnitten und Einblendungen
von z.B. Grundwasser-Konturlinien im
Modellgebiet. Die horizontale Auflösung des
digitalen Geologiemodells beträgt 10 x 10 m,
die vertikale Auflösung, je nach Eingabe bis in
den cm-Bereich.

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Geologische 3D-Modellierung in der Hydro- und Umweltgeologie
3.3. Hydrogeologische Situation
3.3a. Abgedecktes geologisches Modell,
entfernt wurden die Kippenfüllungen und Teile
der oberen quartären Schichten. Deutlich
markiert treten die Bereiche der hydraulischen
Fenster hervor, in denen Schadstoffe
von einem Grundwasserleiter in den unterliegenden
eindringen können.
Das Gebiet kann hydrogeologisch
sowohl flächenbezogen als auch
vertikal in mehrere Bereiche gegliedert
werden. Vertikal lassen sich
prinzipiell zwei Grundwasserleiter
(GWL), ein quartärer und ein tertiärer,
unterscheiden. Der quartäre
GWL 110 ist sehr heterogen aufgebaut,
was primär auf die Kleinräumigkeit
der glazialen Ablagerungen
und sekundär auf die anthropogenen
Eingriffe im Zuge des Tagebaus
zurückzuführen ist. Während
die quartären Grundwasserleiter so
häufig an hydrogeologischen Fenstern
der Grundwassergeringleiter
miteinander verbunden sind, dass
sie als ein Grundwasserleiterkomplex
anzusprechen sind, der nur
lokal getrennte Horizonte aufweist,
werden die tertiären Grundwasserleiter
von den quartären durch den
Bitterfelder Decktonkomplex sowie
die streckenweise als Geringleiter
fungierende oligozäne Braunkohle
im unverritzten Gebirge gut getrennt.
Im Bereich der Tagebaue ist
diese Trennung durch die Ausbeutung
der Kohle und anschließende
ungeordnete Verkippung von Material
des Deckgebirges nicht mehr
gegeben. Im Tertiär sorgt der Breitenfelder
Horizont für eine bereichsweise
Trennung zweier sandiger
Grundwasserleiter. Der tertiäre
Grundwasserleiter 500 ist im Untersuchungsgebiet
flächendeckend vom
liegenden GWL 800 durch den oligozänen
Rupelton getrennt. In dem aus
eozänen Sanden bestehenden GWL
800 herrschen nach Braun & Krapp
(1992) gespannte Verhältnisse. Der
Rupelton bildet einen wichtigen
flächendeckenden Grundwassergeringleiter
mit sehr geringer Durchlässigkeit
und daher werden für
umweltrelevante Fragestellungen
tiefer liegende Grundwasserleiter,
wie der GWL 800, nicht betrachtet.
3.3b. Räumliche Darstellung der Grundwasser-Geringleiter
im Modellgebiet. Nicht
abgebildet sind die Grundwasser-Leiter.
Balken zeigen die Konzentrationsverteilung
von Schadstoffen an.
3.3c. Volumetrische Berechnung des durch
den Grundwasseranstieg im Jahr 2002 zusätzlich
gesättigten Bergbau-Kippenbereichs
im Modellgebiet. Volumenmodelle erlauben
exakte Kalkulation zu Massen- und Frachtenberechnung
speziell für hydrochemische und
geochemische Modellaussagen.

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Geologische 3D-Modellierung in der Hydro- und Umweltgeologie
3.4. Hydrogeologische
Modellnutzung
Die Generierung eines numerischen
Grundwassermodells aus den
Daten des geologischen Modells
scheint zunächst naheliegend. Das
Strukturmodell kann tatsächlich
bei ausreichenden Import- und Exportmöglichkeiten
des geologischen
Modellsystems auf der einen und
des numerischen Grundwassermodellierungssystems
auf der anderen
Seite relativ leicht generiert werden.
Hierbei gilt es jedoch, einige Rahmenbedingungen
zu beachten:
• Die Abmessungen des geologischen
Modells können in gewissen
Grenzen beliebig gewählt
werden, ein numerisches Grundwassermodell
sollte sich unbedingt
an sinnvollen Randbedingungen
orientieren.
• In einem geologischen Modell
werden alle stratigraphischen Einheiten
ausgehalten, in einem numerischen
Grundwassermodell sollten
Grundwasserleiter und -geringleiter
implementiert werden, wobei
durchaus mehrere stratigraphische
Einheiten zusammengefasst
werden können.
• In einem numerischen Grundwassermodell
müssen alle „Schichten“
(„layer“, „slices“) für das gesamte
Modellgebiet definiert werden, in
einem geologischen Modell gibt es
die Möglichkeit, Schichten auskeilen
zu lassen oder sie nur in
linsenartigen Strukturen zu definieren.
3.4a. Fragen der Aussagesicherheit von Modelldaten
können wie in der Abbildung durch
die Abweichung in der Z-Achse dargestellt
werden, z.B. hier die Oberfläche des Bitterfelder
Glimmersandes.

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Geologische 3D-Modellierung in der Hydro- und Umweltgeologie
3.4b. Geologische Raummodelle erlauben
unterschiedliche Prognosen für wichtige Parameter.
Das Beispiel zeigt, die im Rahmen
einer Animation durch das Modellgebiet
laufenden Profilschnitte mit einer farblichen
Kennzeichnung der hydraulischen Leitfähigkeit
der Sedimente und deren räumlicher
Verteilung.
Die Parametrisierung des numerischen
Grundwassermodells kann
sich zwar in einem ersten Schritt an
der lithologischen Beschreibung der
stratigraphischen Einheiten orientieren,
jedoch wird dies spätestens
bei der Kalibrierung verbessert werden
müssen.
Im vorliegenden Fall wurde ein
durch sinnvolle hydrogeologische
Randbedingungen definierter Ausschnitt
des geologischen Modells
als Grundlage für die Erstellung
des Strukturmodells für das numerische
Grundwassermodell genutzt.
Die 32 geologischen Einheiten
wurden jedoch auf 13 numerische
„Layer“ reduziert. Die Parametrisierung
wurde zunächst auf der
Grundlage der lithologischen Beschreibung
der einzelnen Einheiten
vorgenommen, musste jedoch unter
Zuhilfenahme von Bohrdaten im
Verlauf der Kalibrierung verfeinert
werden.
3.4c. Integration der räumlichen Verteilung
von Stoffdaten in 3D Modelle der einzelnen
Grundwasserleiter, hier ein unterer und ein
oberer, durch ein Luftposter getrennt.

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Geologische 3D-Modellierung in der Hydro- und Umweltgeologie
3.5. Auswirkungen der
Jahrhundertflut August 2002
Vor dem Hochflutereignis vom
August 2002 war die hydraulische
Situation im Untersuchungsraum
durch einen Grundwasserabstrom
nach Osten, in Richtung des Tagebaurestloches
Goitzsche, gekennzeichnet.
Durch die schnelle, hochwasserinduzierte,
unkontrollierte
Flutung des Tagebaus und die damit
verbundene Behinderung des
Abstromes kam es durch die Flut im
betrachteten Gebiet zum großflächigen
Anstieg des Grundwasserspiegels.
Es ist aber festzustellen, dass
dieser beobachtete Effekt nicht ausschließlich
auf das Hochwasserereignis
vom August 2002 zurückzuführen
ist, sondern in Verbindung
mit Niederschlagsereignissen zu
sehen ist. Dem überdurchschnittlich
starken Grundwasseranstieg im
August 2002 ging ein Starkregenereignis
mit mehr als 100 mm/m²
voraus, so dass es zu einer Überlagerung
des durch den Niederschlag
hervorgerufenen Effektes mit dem
durch einen verringerten Abstromgradienten
in Richtung Goitzsche bedingten
Aufstau im Grundwasserkörper
kam.
Durch den seit dem Hochwasser
behinderten Abstrom des Grundwassers
in Richtung Goitzsche
änderte sich die Abstromrichtung
nach NE in Richtung Mulde. Es ist
davon auszugehen, dass sich die
Abstromverhältnisse langfristig in
dieser Ausrichtung stabilisieren.
Für kleinräumigere Betrachtungen
bzw. längerfristige Aussagen zum
hydraulischen Gesamtsystem bezüglich
der Entwicklung der Grundwasserflurabstände
und der Grundwasserfließrichtung
sind allerdings
noch weitere Daten und ein regionaler
Modellansatz erforderlich.

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Raummodelle als Grundlage gekoppelter Modellierung
Geologische 3D-Modellierung in der Hydro- und Umweltgeologie
3.5a. Arbeitsschema und Verknüpfung
einzelner Datengrundlagen mit gekoppelten
Software-Werkzeugen der Grundwasser- und
Transportmodellierung und die Einbindung
in das Arbeitsumfeld von Geo-Informations-
Systemen.
3.5b. Beispiel für die Datenübernahme aus
dem digitalen 3D Strukturmodell in die Transportmodellierung
mit nicht reaktiven Tracern.
Dargestellt ist das Flächennetz zwischen dem
unteren und oberen Grundwasser-Leiter des
Modellgebietes. Deutlich treten die Abbaukanten
des ehemaligen Braunkohle-Abbaus
hervor.

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Geologische 3D-Modellierung in der Hydro- und Umweltgeologie
3.5c. Integrierte Darstellung von Modellergebnissen
aus der 3D Geologiemodellierung,
(Abraum abgedeckt) mit berechneten
Ausbreitungskonzentrationen über 30 Jahre
eines nicht reaktiven Tracers in Kombination
mit den Grundwassergleichen des Jahres
2000. Von besonderer Bedeutung ist die
Ausweitung der Schadstofffahne im Bereich
der quartären Rinne.
3.5d. Kombinierte Darstellung von 3D Oberflächen
mit der dominanten Rinne-Struktur
im Untergrund und der Verlauf von Strömungslinien.
Die hydraulische Auswirkung
auf die Grundwasser-Strömung wird hier
besonders deutlich.

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Geologische 3D-Modellierung in der Hydro- und Umweltgeologie
3.6. Ergebnisse der 3D-hydraulischen
Modellierung
3.6a. Die Abb. zeigt die Mächtigkeitskarte
der Rest-Braunkohle mit dem Verlauf der
quartären Rinne und den Strömungslinien der
Grundwasser-Modellierung 2000 und nach
dem Jahrhunderthochwasser August 2002.
Aufgrund der veränderten Grundwassersituation
verlaufen künftige Stoffausträge
nach Norden, die hydraulische Wirksamkeit
der Rinne wird aber auch in dieser Situation
deutlich.
Die Grundlagen zur Erstellung
eines dreidimensionalen numerischen
Grundwassermodells wurden
bereits im Rahmen des Forschungsprojekts
SAFIRA geschaffen. Diese
Prinzipstudien zur Strömungs- und
Transportmodellierung wurden
durch Bilanzierungen ergänzt. Die
Modellierung dient einerseits dem
besseren Prozessverständnis, andererseits
zu prognostischen Berechnungen
der sich neu ausbildenden
hydraulischen Bedingungen. Hierbei
ist zu berücksichtigen, dass
sich aus diesen Prinzipstudien Tendenzen
abschätzen lassen, die für
die erforderlichen Detailmodelle
eine wesentliche Grundlage bilden.
Definitive Werte, die sich auch unter
Berücksichtigung weiterer Prozesse
(Sorption von Schadstoffen,
NA-Prozesse) ergeben, können erst
durch Detailmodelle künftig berechnet
werden.
Aussagen des Particle tracking
und Transport eines idealen Tracers
machen beim Vergleich der beiden
Modelle für den Zustand vor und
nach dem Hochwasserereignis zweierlei
deutlich:
• Die Kontaminanten werden unter
den neuen Strömungsbedingungen
sehr stark in nördlicher Richtung
verdriftet und durch den differenzierten
Aquiferaufbau beeinflusst.
• Die Kontaminationen im tertiären
Grundwasserleiter werden wesentlich
langsamer als im quartären
Grundwasserleiter verdünnt und
aus dem betrachteten Grundwasserkörper
ausgetragen.
Dieses Systemverhalten wird auch
in den berechneten Konzentrationsganglinien
für einige hypothetische
Grundwassermessstellen deutlich.
Demnach dürften die Stoffkonzentrationen
im Strömungszustand vor
dem Hochwasser im Anstrom zur
Goitzsche noch längere Zeit ansteigen,
während sich für die Situation
nach dem Hochwasser bereits nach
5 bis 10 Jahren eine Reduktion der
Stoffkonzentrationen abzeichnet.

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Raummodelle als Grundlage gekoppelter Modellierung
Geologische 3D-Modellierung in der Hydro- und Umweltgeologie
3.6b. Beispiel für regionalisierte Stoffverteilung
in heterogenen Grundwasser-Leitern in
Kombination mit Strömungslinien auf einem
Luftbild.
3.6c. Erweiterte Realität – Die Mächtigkeit
der Rest-Braunkohle wird mit einem Luftbild
überlagert und mit der 3D Morphologie der
Rinnenstruktur und den darin enthaltenen
Beobachtungsbrunnen kombiniert. Der
Konzentrationsanstieg von Kontaminanten
nach dem Hochwasser 2002 wird in Rot oder
deren Abfall in Grün angezeigt.
Der Austrag (aus quartären und
tertiären Grundwasserleitern) ist vor
dem Hochwasserereignis 2002 nach
Osten, zur Goitzsche hin gerichtet,
seit dem Hochwasser hingegen nach
NE. Die Fließzeiten sind jedoch in
den tertiären Grundwasserleitern
wegen der gegenüber den quartären
Grundwasserleitern stark reduzierten
Grundwasserneubildung
vergleichsweise wesentlich länger.
Die berechneten Bahnlinien der
Prinzipmodellierung geben einen
ersten Hinweis auf die langjährige
Abstromsituation vor dem Hochwasser
und damit auf die potenzielle
Verbreitung von Residualkontaminationen,
wobei die Bahnlinien
nach dem Hochwasser die künftige
Austragssituation kennzeichnen.
Der Einfluss der quartären Rinne
als Dränageelement wird hier besonders
deutlich.
Für den gesamten Grundwasserleiterkomplex
zeichnet sich ein
Übergang der Stoffe im weiteren
Fließverlauf zu einem Teil wieder in
den quartären Grundwasserleiter ab.
Die Fließzeiten liegen bei mehreren
Jahrzehnten. Für den Strömungszustand
nach dem Hochwasserereignis
sind die Grundwasserfließgeschwindigkeiten
geringer und
damit die Verweilzeit der Stoffe im
Grundwasser höher. Der Stoffaustrag
wird aufgrund der veränderten
Fließverhältnisse und geringeren
Fließgeschwindigkeiten verzögert.

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Raummodelle als Grundlage gekoppelter Modellierung
Geologische 3D-Modellierung in der Hydro- und Umweltgeologie
3.7. 2D- und 3D-Regionalisierung
ausgewählter Stoffe
3.7a. Räumliche Gliederung einer ehemaligen
Industrie- und Bergbaufolge-Landschaft.
Die Verwendung (geostatistischer)
probabilistischer wie auch
deterministischer Interpolationsverfahren,
also z.B. Kriging und
IDW, zur Abschätzung anthropogen
verursachter flächenhafter Kontamination,
wird durch eine komplexe
Ausgangssituation charakterisiert.
Insbesondere alte und
flächenhafte Einträge erschweren
die Unterscheidung von Bereichen
erhöhter Messwerte von punktuell
erhöhten Messwerten. Kommt, wie
im vorliegenden Fall, eine räumlich
oder zeitlich spezifisch orientierte
Beprobung hinzu, wirkt sich
dies zusätzlich erschwerend für die
Interpretation der Interpolationsergebnisse
aus. Die Aussagesicherheit
der räumlichen Verteilung von
Stoffen ist jedoch für expositionsorientierte
Betrachtungen von Schutzgütern
und Landnutzungsaspekten
von Bedeutung. Durch die Anwendung
der genannten Verfahren der
explorativen Datenanalyse und lokaler
Indikatoren räumlicher Assoziation
lassen sich die räumlichen
Zusammenhänge zwischen einzelnen
punktuellen Einträgen besser
verstehen.

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Raummodelle als Grundlage gekoppelter Modellierung
Geologische 3D-Modellierung in der Hydro- und Umweltgeologie
3.7b. GIS-basierte Datenanalyse mit räumlicher
Interpolation von Parametern
(z.B. Stoffe, Temperatur, Leitfähigkeit), in
Kombination mit der regionalen Verbreitung
der Strömungslinien aus dem Grundwasser-
Strömungsmodell vor 2002.
Aufgrund des langjährigen Stoffeintrags und
den langen Verweilzeiten im Grundwasser ergeben
sich hier konsistente und sehr plausible
Strukturen der Umwelt- und Grundwasserverhältnisse.
Die Analysen zu den Interpolationen
und die Interpolationen für
ausgewählte Stoffe selbst wurden
mittels spezieller Software (GeoDA)
zur räumlichen explorativen Datenanalyse
und Datenregionalisierung
(2D-Kriging in ESRI ArcMap, 3D-
Kriging in ctech MVS) durchgeführt.
Die vorangegangenen Analysen
verbessern durch das verbesserte
Verständnis der räumlichen Verteilung
bestimmter Werte letztendlich
im Ergebnis die Regionalisierung
der Schadstoffverteilung durch eine
bessere Aussagesicherheit. Mit MVS
wurden dreidimensional Schadstoffverteilungen
in den einzelnen
Grundwasserkörpern gerechnet
und die Überschreitung vorgegebener
Werte in 2D-Projektionen im
Kartenbild für die Untersuchungsgebiete
dargestellt. Zur Interpretation
der Ergebnisse lassen sich zum
einen die Überschreitungswahrscheinlichkeiten
für bestimmte
Schwellen- oder Gefährdungswerte
mittels Kriging errechnen oder, wie
gezeigt, Karten der ein- oder vielfachen
Überschreitung darstellen.
Geht es nur darum, zu schätzen, ob
auf bestimmten Flächen ein vorher
festgelegter Wert überschritten wird
oder nicht, eignet sich das Verfahren
des Indikator-Kriging.

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Raummodelle als Grundlage gekoppelter Modellierung
Geologische 3D-Modellierung in der Hydro- und Umweltgeologie
3.8. Ergebnis der Untersuchungen
zum August-Hochwasser 2002
Die anthropogen verursachte,
komplexe und großräumige Grundwasserbelastung
im Raum Bitterfeld/Wolfen
umfasst eine Vielzahl
von organischen Einzelsubstanzen,
die aus unterschiedlichen Quellbereichen
emittiert wurden und im
Untersuchungsgebiet in sehr heterogener
Stoff- und Konzentrationsverteilung
vorliegen.
Das Augusthochwasser 2002
führte durch die spontane Flutung
der Goitzsche zu einem grundlegenden
Wandel des hydraulischen
Systems im Modellraum. Neben einem
großflächigen Grundwasseranstieg
kam es zu einer wesentlichen
Richtungsänderung des Grundwasserabstroms
und damit zu einer
Veränderung der bisherigen Austragsbahnen.
Dies zeigen Prinzipmodellierungen
für das Gebiet
Bitterfeld-Süd, die unter Annahme
nicht-reaktiver Tracer für die hydraulische
Situation im Herbst 2002
durchgeführt wurden.
Entgegen den ursprünglichen Erwartungen
zeigen die hochwasserinduzierten
Konzentrationsveränderungen
nicht nur Anstiege, sondern
weisen ein sehr differenziertes Bild
der Konzentrationserhöhung sowie
Verringerung auf. Die flutbedingten
Konzentrationsänderungen in ausgewählten
Messstellen zeigen ein
sowohl räumliches, wie auch stofflich
heterogenes Bild. Dies ist zum
einen mit stofflichen Eigenschaften
und zum anderen mit den heterogenen
hydraulischen Bedingungen
in Verbindung mit differenzierten
Sorptions-/ Desorptionsvorgängen
im Grundwasserleiter zu erklären.
Diese Prozesse könnten durch
räumlich und zeitlich erweiterte
Datenbestände genauer abgebildet
werden. Ein Effekt der allgemeinen
Schadstoffverlagerung in die Oberflächengewässer
lässt sich bei einzelnen
Stoffen in den Vorflutern
Spittelwasser und Mulde in einem
bisher noch nicht näher untersuchten,
dynamischen Zusammenhang
beobachten.
Es ist zu erwarten, dass sich das
neu eingestellte hydraulische System
in der im Text dargestellten Weise
stabilisiert und damit ein Stoffaustrag
nach NE, z.T. in Abhängigkeit
von geologischen Untergrundstrukturen,
in Richtung Mulde stattfindet.
Die sich neu einstellenden
Austragsbahnen sind in künftigen
Situationsbeurteilungen der Konzentrationsverteilungen
und deren
Regionalisierung zu beachten.
Im Hinblick auf zukünftige Hochflutereignisse
ist davon auszugehen,
dass sich verstärkt eine Mobilisierung
und Verlagerung von Stoffen
einstellen wird, die den sich neu
eingestellten Austragsbahnen folgen
und die Austragsdynamik verstärken
wird. Die durchgeführte Klassifizierung
der Landnutzungs-Sensitivitäten
stellt dabei eine Grundlage
für weitergehende, flächenbezogene
Beurteilungen, wie z.B. der Betrachtung
von sich verändernden Grenzflurabständen
dar.

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Raummodelle als Grundlage gekoppelter Modellierung
Geologische 3D-Modellierung in der Hydro- und Umweltgeologie
3.9. Publikationen zum Thema
Wycisk, P., Hubert, T., Gossel, W., Neumann, Ch. (2007 online,
2008 printed): High-resolution 3D spatial modelling of complex geological
structures for an environmental risk assessment of abundant mining and
industrial mega sites.- Computer and Geosciences, 16 p.
Wycisk, P., Hubert, T., Steinmetz, T., Gossel, W. (2007 in press): 3D
Modelling of complex geological structures and its relevance for numerical
groundwater models – a case study. - REPOSAFE Intern. Endlagerkongress,
Braunschweig 11/2007, 13 S. Proceedings.
Wycisk, P., Gossel, W., Schlesier, D, Neumann, Ch. (2007 in
press): Integrated 3D modelling of subsurface geology and hydrogeology
for urban groundwater management. – Int. Congress on New Directions in
Urban Water Management, Unesco Paris, 09/2007, 8 p.
Wycisk, P., Steinmetz, T., Neumann, Ch., Gossel, W. & Weiss,
H. (2006): Exposure Route Assessment of Groundwater Pollutants from
Multi-Source Contaminated Mega Sites – a Case Study.- In: C. Thomsen
& G. Becher (eds.): Organohalogen Compounds Vol 68, 26th International
Symposium on Halogenated Persistent Organic Pollutants (CD-ROM),
Oslo, Norway, 890 – 894.
Wycisk, P., Gossel, W. & H. Fabritius (2005): Geologische 3D-Modellierung
und ihre Anwendungsmöglichkeiten in Bergbau- und Industriefolgelandschaften.-
Freiberger Wissenschaftliche Mitteilungen, 28, S. 163-170.
Wycisk, P., Neumann, Ch. & Gossel, W. (2005): Flooding induced
Effects from the Mining Lake Goitzsche on Groundwater and Land-use in
the Bitterfeld Area.- Acta hydrochimica et hydrobiologica 33 (5), S. 507-518.
Wycisk, P., Fabritius, H., Gossel, W., Neumann, Ch., Ruske, R. &
Weiss, H. (2005): 3D Modelling of complex geological structures and its
relevance for a risk based management and remediation approach – Case
Study: Bitterfeld / Wolfen mega site, Germany.- Computers & Geosciences
(in press/online)
Heidrich, S., Schirmer, M., WeiSS, H., Wycisk, P. GroSSmann, J.
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