Hochwasserschutz Stadt Lauenburg. Ergebnisse der hydrogeologischen Untersuchungen. Bürgerinformation. Stadt Lauenburg,

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Rudolf Möller
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1 BN1 GeoC GmbH Contor für Geologie und Umweltplanung Hochwasserschutz Stadt Lauenburg Ergebnisse der hydrogeologischen Untersuchungen Bürgerinformation Stadt Lauenburg, Referent: Hanjo Hamer

2 Zielsetzung der hydrogeologischen Untersuchungen Klärung der hydrogeologischen Grundlagen für die Planung von Hochwasserschutz-Maßnahmen, insbesondere: Stehen eventuelle Bodenbewegungen im Geesthang in Zusammenhang mit Grundwasserstandsänderungen, die durch Elbe-Hochwasser induziert sind? In welcher Größenordnung finden Grundwasserbewegungen im Elbe-Uferbereich bei Hochwasserereignissen statt? In welchen Tiefen und Schichten strömt Grundwasser vom Geesthang auf die Elbe zu? In welcher Größenordnung erfolgt diese Strömung? 3

3 Hydrogeologisches Erkundungsprogramm Bauüberwachung Auswertung der Bohrungsdaten Auswertung der Grundwasserstandsdaten Anfertigen von 4 (hydro-) geologischen Profilschnitten Erarbeiten eines hydrogeologischen Modells Erstellen von vertikalen, 2-dimensionalen Grundwasserströmungsmodellen 4

4 BN3 GeoC GmbH Contor für Geologie und Umweltplanung Untersuchungsgebiet Kartenausschnitt: Topografische Karte 1:25.000, LVermGeo SH 5

5 BN45 GeoC GmbH Contor für Geologie und Umweltplanung Lage der Grundwassermessstellen und Profilschnitte Legende: Profilschnittlinien A, B, C, E C.4 Grundwassermessstelle mit Bezeichnung Kartengrundlagen : Topografische Karten 1:5.000, LVermGeo SH 6

6 Profilschnitt A B 7

7 Profilschnitt B 8

8 Wesentliche Ergebnisse der hydrogeologischen Erkundung Heterogener Schichtaufbau mit durchlässigen und gering durchlässigen Schichten, kleinräumig wechselnd Verbreitet bindige Schichten im Bereich der Grundwasserdruckfläche (bei Elbe-Normalniveau ) dadurch (halb)gespannte Grundwasserverhältnisse im Hauptgrundwasserleiter im Bereich des Geesthangs wurde partiell oberhalb des Hauptgrundwasserleiters dauerhaft vorhandenes, ungespanntes Grundwasser angetroffen (Profil B ) Staunässe örtlich möglich und jahreszeitlich begrenzt Das Grundwasser oberhalb des Hauptgrundwasserleiters ist für die Hochwasser-Problematik nicht relevant, da es nur lokal vorhanden ist. 9

Grundwassergleichenplan für den Hauptgrundwasserleiter

Kartengrundlagen: Topografische Karten 1:5.

3 4,28 Messstelle mit Bezeichnung und Grundwasserstand

9 Grundwassergleichenplan für den Hauptgrundwasserleiter Profile A und B Elbe-Wasserstand: 4,23 mnn Kartengrundlagen: Topografische Karten 1:5.000, LVermGeo SH Legende: A.3 4,28 Messstelle mit Bezeichnung und Grundwasserstand am 08./ ,5 Grundwassergleiche mit Angabe der Druckspiegelhöhe 6,89 Messwert nicht berücksichtigt 10

10 BN5 GeoC GmbH Contor für Geologie und Umweltplanung Wasserstands-Zeitreihen für die Elbe und das Grundwasser Rückstau durch Sturmflut Hochwasser-Ereignis 12/

11 Hydrogeologisches Modell: Vom hydrogeologischen Systemverständnis zur numerischen Modellierung Wesentliche Ergebnisse aus der hydrogeologischen Erkundung: Die Elbe ist hydraulisch unmittelbar mit dem Hauptgrundwasserleiter verbunden Das Elbe-Hochwasser erzeugt im Uferbereich einen Druckanstieg im Hauptgrundwasserleiter, Grundwasser dringt in die oberflächennahen sandigen Ablagerungen ein Folge: Grundwasseranstieg im Bereich der Altstadt, jedoch vernachlässigbarer Rückstau durch den landseitigen Grundwasserzufluss Anhand der gemessenen Wasserstandsdatenlassen sich zwei Situationen abbilden, die als Ausgangspunkt für die Modellbildung und -kalibrierunggeeignet sind: 1) Normalwassersituation: Grundwasserabstrom in die Elbe 2) Hochwassersituation: Infiltration von Elbe-Wasser in den Grundwasserleiter 12

12 Hydrogeologisches Modell: Vom hydrogeologischen Systemverständnis zur numerischen Modellierung Zweck der numerischen Beschreibung der Grundwasserbewegung: Vereinfachung und Festlegung der maßgeblichen hydrogeologischen Prozesse Physikalisch begründete Interpolation und Interpretation von gemessenen Wasserständen entlang der Profilschnitte im 2-dimensionalen Modell Simulation der Auswirkungen von Wasserstandsänderungen und Bilanzierung von Wasserflüssen Verbesserung des Systemverständnisses Entscheidungshilfe zur Planung von Hochwasserschutzmaßnahmen BN21 13

13 BN38 GeoC GmbH Contor für Geologie und Umweltplanung Hydrogeologisches Modell : Vom hydrogeologischen Systemverständnis zur numerischen Modellierung Aufgabenstellung Datenerhebung und Auswertung Hydrogeologisches Modell qualitativ Hydrogeologisches Modell: Abstraktion und Schematisierung der natürlichen Komplexität des Grundwassersystems Definition der für das Systemverständnis maßgeblichen Prozesse und Parameter Numerisches Modell Bewertung der Ergebnisse, Prognosen quantitativ Verifizierung Überprüfung der Modellannahmen mit gesondertem Datensatz, z.b. Hochwasserdurchgang 14

Grundwasserströmungssystem, schematisch,

14 Hydrogeologisches Modell: Vom hydrogeologischen Systemverständnis zur numerischen Modellierung Grundwasserströmungssystem, schematisch, modellhaft angenommene Rand des numerischen Modells 15

15 BN22 GeoC GmbH Contor für Geologie und Umweltplanung Numerisches Modell: Durchgeführte Berechnungen Stationäres Modell: Niedrigwasser 10/2015 InstationäresModell 1: Elbe-Wasserstand Nov./Dez InstationäresModell 2: Extremhochwasser (+10 mnhn, 2013) BN23

Kalibriertes stationäres Modell (Zeitpunkt 08. / 09.10.

16 Kalibriertes stationäres Modell (Zeitpunkt 08. / ): Beispiele für die Anpassung der gemessenen / berechneten GW-Stände A.2 ist nicht dargestellt, da diese vom Hauptgrundwasserleiter hydraulisch weitestgehend abgekoppelt ist 17

17 Kalibriertes instationäres Modell 1 Beispiele für die Anpassung der gemessenen / berechneten GW-Stände 5,5 Instationäres Modell : M essstelle A1 W asserstand gemessen W asser stand berechnet W asserstand [m] 5,0 4,5 4, Zeit [h]

18 BN42 GeoC GmbH Contor für Geologie und Umweltplanung Numerisches Modell: Instationäres Modell 2: Hochwasserwelle 2013 im Grundwasser der Altstadt 19

19 Ergebnisse Stehen eventuelle Bodenbewegungen im Geesthang in Zusammenhang mit Grundwasserstandsänderungen, die durch Elbe-Hochwasser induziert sind? NEIN, Durch Elbe-Hochwasser induzierte Grundwasserstandsänderungenund dadurch eventuell hervorgerufene Bodenbewegungen können nur in Bereichen bis max. 100 m Elbe-Entfernung und mit geringen Grundwasser-Flurabständen auftreten Die Grundwasserflurabstände im Bereich des Geesthanges betragen >mehr als 8 m und mehr als >35 m im Bereich der Geesthochfläche, bei Aufstau des Grundwassers für die Dauer eines Elbehochwassers sind keine Untergrundvernässungenim Bereich von Gebäuden und auch keine Veränderungen der Hangstabilität zu erwarten Im Falle eines Hochwassers kann es zu Druckerhöhungen und kurzzeitigem Einstau von Grundbzw. Elbwasser in das Grundwasserleitersystem kommen. 20

20 Ergebnisse Welche Grundwasser-Bewegungen finden im Elbe-Uferbereich bei Hochwasserereignissen statt? Im Elbuferbereich bis zu 100 m von der Elbe entfernt reagiert der Grundwasserdruckspiegel fast ohne Zeitverzögerung auf den Elbwasserstand sowohl bei Anstieg als auch beim Absinken Die Hochwasserwelle bildet sich quasi 1:1 im Grundwasserkörper ab Ein Anstieg des Grundwasserstandes findet dort statt, wo a) keine Deckschichten auf dem Hauptgrundwasserleiter liegen bzw. der Hauptgrundwasserleiter in direktem hydraulischen Kontakt mit der Elbe steht oder wo BN26 b) Elbwasser im Ufer-bzw. Überschwemmungsbereich in oberflächennahe grundwasserleitende Schichten einsickert. Hier kann es zu einem kurzzeitigem Einstau von Grund- bzw. Elbwasser in den Untergrund kommen. 21

21 BN48 GeoC GmbH Contor für Geologie und Umweltplanung Profilschnitt C 22

22 Ergebnisse In welchen Tiefen und Schichten strömt Grundwasser vom Geesthang auf die Elbe zu? Das Grundwasser fließt von der Geest mit einem flachen Gefälle in N-S-Richtung auf die Elbe zu Der wassererfüllte Bereich reicht von der Basis des Hauptgrundwasserleiters bis ca. +4 mnn Ein Zustrom aus tieferen Grundwasserleitern (Braunkohlensande) wird nicht angenommen Die oberflächennahen Sande sind partiell wenige cm bis dm Grundwasser-erfüllt 23

23 Ergebnisse In welcher Größenordnung erfolgt diese Strömung? Folgende Grundwasser-Bewegungen wurden mit dem Grundwassermodell berechnet: Bei Normal-und Niedrigwasser strömen etwa 0,6 bis 0,8 m³/h Grundwasser in die Elbe (bezogen auf einen Abstromquerschnittvon 100 m). Im Hochwasserfall dürfte der Grundwasserstrom im oberen Wasserleiter abhängig von Dauer und Höhe der Hochwasserwelle etwa dem 20-bis 40-fachen der Niedrigwassermengen entsprechen. Der Austausch von Grund-und Elbe-Wasser erfolgt ausschließlich Elbe-nah (< 100 m). Der Zustrom aus dem nördlich gelegenen Einzugsgebiet ist gering Ein Grundwasser-Rückstau ist im Verhältnis zu den Elbe-nah zu-und abströmenden Wassermengen zu vernachlässigen. 24

24 Wir danken für Ihre Aufmerksamkeit! 25

25 Numerisches Modell: Randbedingungen für stationäre Berechnungen Niedrigwassersituation (Oktober2015) Festpotenzial Definierter BN32 Randzufluss über die angenommene Wasserscheide

26 BN33 GeoC GmbH Contor für Geologie und Umweltplanung Numerisches Modell: Randbedingungen für instationäre Berechnungen Hochwassersituation Nov./Dez Zeitlich veränderbares Festpotenzial entsprechend dem Durchgang der Welle 5,2 mnhn Einstrom von Elbe-Wasser in den Grundwasserleiter, zeitweise Umkehr der Strömungsrichtung, Wasseranstieg in die zuvor ungesättigte Zone Veränderlicher Zu/Abfluss, abhängig vom Wasserstand

27 BN39 GeoC GmbH Contor für Geologie und Umweltplanung 5,5 Instationäres Modell : Messstelle A3 W asserstand gemessen W asserstand berechnet W asserstand [m] 5,0 4,5 5,5 W asserstand gemessen W asserstand berechnet Instationäres Modell : Messstelle A4 4,0 5,5 W asserstand [m] Zeit [h] 5,0 4,5 Instationäres Modell : Messstelle A5 W asserstand gemessen W asserstand berechnet 4,0 W asserstand [m] 5, Zeit [h] 4, Zeit [h] 29

28 Instationäresnumerisches Modell: Wasserbilanz bei Extremhochwasser (10 mnn)

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