Madline Vollrodt, Heike Büttcher, Dr. Holger Mansel Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH

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1 Geologische Strukturmodellierung als Grundlage für das Grundwasserströmungsmodell des ehemaligen Braunkohlenreviers Helmstedt / Wulfersdorf Masterarbeit an der MLU Halle-Wittenberg Madline Vollrodt, Heike Büttcher, Dr. Holger Mansel Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH Tagung Geologische 3D-Modellierung, Geozentrum Hannover, IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 1/ 31

2 Gliederung 1. Einführung 2. Methodik 3. Visualisierung der Ergebnisse 4. Vom geologischen Strukturmodell zum GW-Strömungsmodell 5. Schlussfolgerungen IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 2/ 31

3 1. Einführung Thema: Aufbau eines geologischen Strukturmodells für das ehemalige Braunkohlenrevier Helmstedt / Wulfersdorf auf der Basis des Modellwerkzeugs GMS Betreuung an der Universität: Dr. habil. W. Gossel Fachliche Unterstützung durch Prof. Ritzkowski (Uni Göttingen) Ziel: räumliche Abbildung der geologischen Schichtenfolgen mit Fokus auf den hydrogeologisch relevanten Einheiten Veranlassung: Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH betreibt hydrogeologisches Großraummodell für das Untersuchungsgebiet Aufarbeitung der geologischen Datenbasis mit einem modernen Werkzeug IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 3/ 31

4 Geographische Lage zwischen Lappwald und Elm Niedersachen/ Sachsen-Anhalt ehemalige Braunkohletagebaue Helmstedt und Wulfersdorf IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 4/ 31

5 Allgemeine Beschreibung des Untersuchungsgebietes nördlichen Harzvorland (Subherzyn) halokinetische Prozesse (Salzakkumulation im Untereozän) NNW-SSE gestreckte Helmstedt-Staßfurt-Antikline östliche/westliche Randsenke Quelle: verändert nach LOOK (1986) IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 5/ 31

6 Bergbauliche Entwicklung Mitte des 19. Jh.: Abbau in Braunkohletiefbaugruben : Abbau im Tagebau Wulfersdorf (West) Bis 1989: Abbau im Tagebau Wulfersdorf (Ost) : Kohleabbau im Tagebau Helmstedt IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 6/ 31

7 Datengrundlage Gesamtanzahl an Bohrungen: 1651 Erkundungsbohrungen Pegelbohrungen Bohrungen für GWM Anzahl der verwendeten Bohrungen: 568 IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 7/ 31

8 Modellrelevante Einheiten IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 8/ 31

9 2. Methodik IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 9/ 31

10 Datenaufbereitung & -Überführung Datenüberführung mittels Text-Editor (*.txt - oder *.csv Format) Identifizierung über (hydro-) geologische Eigenschaften: HGU-ID (Modellschlüssel) Horizon-ID Modelleinheit HGU-ID Horizon-ID Quartär (bindig) Quartär (rollig) Marine Deckschichten 2 11 H1-, H2-Sbfm Zwischenmittel zwischen H1-, H2-Sbfm. und H3- Sbfm H3-Sbfm Hauptmittel zwischen H3-Sbfm. und H4-, H5-, H6-Sbfm. 4 7 H4-, H5-, H6-Sbfm Liegendton der H4-, H5-, H6-Sbfm Heidberg-Kiessand-Formation 6 4 Emmerstedt-Formation 7 3 Prätertiär 9 1 Visualisierung der Daten als Bohrstäbchen im GMS IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 10/ 31

11 Profilschnittgenerierung IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 11/ 31

12 Modellansatz im GMS Contoured Modelling: Verschnitt generierter Schichtkörper miteinander nur Schichtoberkanten werden berücksichtigt Beruht auf der vergebenden Horzion-ID Begrenzung erfolgt durch Primary Triangulated Irregular Network`s (TIN) Interpolationsmethode: Inverse Distance Weighted (IDW) Hilfsmittel: Profilschnittgenerierung Horizon Conceptual Models Dummy Points Schematische Darstellung des Modellierungsansatzes (Quelle: Aquaveo, LLC: XMS, 2007) IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 12/ 31

13 Anwendung des Horizon Conceptual Models bei der Darstellung des Prätertiär Name Ansatzhöhe [m NHN] 101_ ,4 99_ ,5 98_ ,7 97_ ,3 499_ ,2 1120_ ,5 1111_ ,4 1109_ ,0 1113_ ,8 19_ ,3 S_2251_ ,3 S_2250_ ,9 S_2252_ ,1 S_2253_ ,0 IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 13/ 31

14 Ausschnitt aus Bohrpunktkarte: Für Modell verwendete Bohrungen grüne Bohrpunkte stellen Dummy Points dar IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 14/ 31

15 Problematik der quartären Rinnenstruktur Dummy Points IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 15/ 31

16 3. Visualisierung der Ergebnisse IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 16/ 31

17 Visualisierung der Ergebnisse im GMS Modellschichten des vorbergbaulichen Modells IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 17/ 31

18 Schnittgenerierung nach abgeschlossener Interpolation IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 18/ 31

19 W-E- & N-S-Schnitt im vorbergbaulichen Modell W-E-Schnitt A-A` im Bereich des Tgb. Wulfersdorf (Ost) N-S-Schnitt B-B` durch das gesamte Modellgebiet IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 19/ 31

20 Profilschnittgenerierung Liegendverbreitungskarte der bindigen quartären Schichten Liegendverbreitungskarte der Heidberg-Kiessand- Subformation IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 20/ 31

21 Generierung des Kippenmodells Datengrundlage: Geologische Karten von 1927 und 1963 Tagebaurisswerke Digitales Geländemodell Methodik: Grundannahme: Vollständige Auskohlung bis zur UK des entsprechenden Flözes (H2-Sbfm./ H6-Sbfm.) Vernachlässigung der exakten Böschungsgeometrie Erstellung des Umrisses der Auskohlungshohlform mittels ArcGis -> Import als Shape Verschnitt mit dem 3-dimensionalen Kippenkörper IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 21/ 31

22 Umriss der Auskohlungshohlform Draufsicht auf nachbergbauliches Modell IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 22/ 31

23 Animierte Darstellung des Kippenmodells im GMS nbb.avi IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 23/ 31

24 Visualisierung des Kippenmodells NNW-SSE gestrecktes Restloch der Tagebaue Helmstedt und Wulfersdorf (Ost) IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 24/ 31

25 Schnitte im Kippenmodell nach der Interpolation Schnitt C-C` (Im Bereich der Hohlform im Tgb. Helmstedt) Unterscheidung in verschieden Auskohlungsbereiche Schnitt D-D` (Im Bereich der Hochkippe im Tgb. Wulfersdorf (Ost) Füllung mit Kippenmaterial IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 25/ 31

26 4. Vom geologischen Strukturmodell zum GW-Strömungsmodell IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 26/ 31

27 Konvertierung für Implementierung in GW-Strömungsmodell benötigte Daten: o Ober- und Unterkante einer Modellschicht o Mächtigkeit o Verbreitungsgrenzen o Kopplungsgebiete IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 27/ 31

28 GW-Strömungsmodell Programmsystem PcGeofim Modell umfasst gesamte östliche Senke von Helmstedt bis Oschersleben Grundraster: 500 m, Netzverfeinerungen bis 30 m 7 Modellgrundwasserleiter: Hydraulische Durchlässigkeit Grundwasserneubildung Randbedingungen Standgewässer, Fließgewässer, Fremdflutung Prognose: GW-Standsentwicklung, Seeflutung IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 28/ 31

29 5. Schlussfolgerungen IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 29/ 31

30 Vor- und Nachteile der Modellierung im GMS Vorteile: o Schnelle und einfache Berechnung großer Datensätze o Gute Visualisierungsmöglichkeiten o Nutzbarkeit verschiedenster Formate (Shapes, ) Nachteile: o Geringe Auswahlmöglichkeit zwischen Interpolationsmethoden o Aufwendige Vorbearbeitung bei inhomogene Datensätzen (Dummy Points) IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 30/ 31

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! IBGW Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig, Nonnenstraße 9, Tel.: 0341/ , Fax: 0341 / , info@ibgw-leipzig.de, 31/ 31

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