3D - Untergrundmodelle als Unterstützung für die Auswahl des Bauverfahrens

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1 454 II.B.5 Innovative Ansätze zur Berücksichtigung der Boden verhältnisse 3D - Untergrundmodelle als Unterstützung für die Auswahl des Bauverfahrens Von Reinhard Hövel und Malko Bischke 1 Einleitung und Veranlassung Der Oldenburgisch-Ostfriesische Wasserverband (OOWV) ist seit 2001 für die Abwasserentsorgung in der Stadt Oldenburg zuständig. Bei einem Kanalnetz von etwa 860 Kilometern Länge werden jährlich große Mengen an Schmutz- und Regenwasser durch das Netz geleitet. Die Netzstruktur erfordert aufgrund von Alterungsprozessen und zunehmenden Abwassermengen eine ständige Anpassung in Form von konventionellen und innovativen Kanalbaumaßnahmen. Zur Auswahl der hierbei in Frage kommenden Bauverfahren sind möglichst detaillierte Informationen über den Untergrund von großem Vorteil. Weiterhin müssen die bereits vorhandenen Entwässerungssysteme entlastet werden. Aufgrund der zunehmenden Flächenversiegelung des innerstädtischen Raums sowie der klimabedingten Zunahme von Starkregenereignissen kann für die Stadt Oldenburg vor allem die oberflächennahe Regenwasserversickerung ein Thema sein. Auch hierfür sind detaillierte Kenntnisse über den Untergrund unerlässlich. Aus den genannten Gründen hat der OOWV gemeinsam mit seiner Tochtergesellschaft Niedersachsen Wasser GmbH, Oldenburg, die das nötige geologische Knowhow mitbringt, in den Jahren 2016 und 2017 ein 3D-Untergrundmodell nach dem neuesten Stand der Technik aufgestellt. Ziel dieser Modellierung sollte es sein, die Verbreitungen, Tiefenlagen und Mächtigkeiten der einzelnen geologischen Sedimentkörper in größtmöglicher Auflösung dreidimensional zu kartieren. Dabei waren die oberflächennahen geologischen Einheiten im Hinblick auf potentielle Versickerungsmöglichkeiten besonders genau herauszuarbeiten. Alle zum Zeitpunkt der Modellerstellung zugänglichen Untergrund- und Oberflächeninformationen sollten einheitlich interpretiert in die Untergrundmodellerstellung einfließen. Zudem waren die in diesem Zuge erkundeten grundwasserleitenden und grundwasserhemmenden Einheiten unter Berücksichtigung ihres geologischen Alters in die Hydrostratigrafische Gliederung Niedersachsens (LBEG, 2011) einzuordnen. Diese geologischen 3D-Informationen sollen zukünftig vor allem die Auswahl möglicher Kanalbauverfahren erleichtern und Maßnahmen der Oberflächenwasserversickerung möglichst effektiv unterstützen. Des Weiteren soll das 3D-Modell als digitales Datenarchiv dienen, um bei zukünftigen Projekten im Stadtgebiet schnell und effizient die vorherrschende Datenlage zu erfassen. 2 Lage und Ausdehnung des Untersuchungsgebiets Das vorgestellte 3D-Untergrundmodell liegt im nordwestlichen Teil von Niedersachsen, im Norddeutschen Tiefland. Es deckt das amtliche Stadtgebiet Oldenburg (103,17 km²) ab.

2 II.B.5 Innovative Ansätze zur Berücksichtigung der Boden verhältnisse 455 Landschaftlich teilt sich das Untersuchungsgebiet in mehrere Teilräume auf. Der Süden des Modellgebietes bildet die Östliche Hunte-Leda-Moorniederung. Im nördlichen Bereich des Modellgebiets finden sich die südlichsten Ausläufer der Oldenburger Geest und damit auch die höchsten geographischen Erhebungen. Am Ostrand des Untersuchungsgebiets beginnt die Wesermarsch mit ausgedehnten Moor- und Marschablagerungen. Abbildung 1: Lage des Untersuchungsgebiets der Modellierung mit Geländehöhen

3 456 II.B.5 Innovative Ansätze zur Berücksichtigung der Boden verhältnisse Aufgrund der starken Bebauung sind die Landschaftsformen jedoch nur bedingt erkennbar. Anthropogene Einflüsse wie z.b. die Autobahnen A28 und A29 oder die Mülldeponie sind im digitalen Geländemodell gut sichtbar von der eigentlichen Geländeoberfläche zu unterscheiden. Die Geländehöhen variieren von 1,1 m NN in der Wesermarsch bis 29 m NN im nördlichen Geestbereich. Höchste Geländeerhebungen sind zwischen Oferndiek und Etzhorn bzw. in Ohmstede zu finden. Die geringsten Geländehöhen befinden sich zumeist in der Wesermarsch sowie in den Niederungen der Hunte und kleinerer Vorfluter wie z.b. der Haaren. Der Geestrand der Oldenburger Geest weist am Ostrand Richtung Wesermarsch das steilste Gefälle auf, wohingegen der Südrand eher einen mäßigen Rückgang der Geländehöhen zeigt. 3 Eingangsdaten und Methodik der 3D-Modellierung Eine Vielzahl von Eingangsdaten liegt der Modellierung zu Grunde. Der Großteil der geologischen Informationen stammt aus 5492 Bohrungsdaten aus den Archiven des OOWV, der Stadt Oldenburg, der Energieversorgung Weser-Ems AG (EWE) sowie des Landesamts für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG). Die Bohrungen wurden zu verschiedenen Verwendungszwecken abgeteuft geologische, hydrologische und ingenieurwissenschaftliche Bohrungen. Die unterschiedlichen Verwendungszwecke stehen zu dem auch für eine unterschiedliche Aussagefähigkeit (Güte) der Bohrungsbeschreibungen. Neben den physikalischen Bohrpunkten konnten auch 105 geoelektrische Messpunkte im Bereich des Untersuchungsgebiets berücksichtigt werden. Zudem existierten bereits einige konstruierte geologische Profilschnitte, welche in das Profilschnittnetz integriert wurden. Zusätzlich zu diesen zumeist punktbezogenen Daten wurden verschiedene Karten wie etwa die GK50 (Geologische Karte 1:50.000) oder die Quartärbasis Karte von Niedersachsen als Interpretationsgrundlage genutzt. Die Modellerstellung erfolgte mit der 3D-Kartierungssoftware SubsurfaceViewer MX, die es erlaubt, alle verfügbaren Geoinformationen in adäquater Form mit in die räumliche Untergrundkartierung einfließen zu lassen. Für die Erstellung eines geologischen Untergrundmodells mit SubsurfaceViewer MX waren vor diesem Hintergrund die folgenden grundlegenden Bearbeitungsschritte durchzuführen: Konstruktion eines engmaschigen Netzes aus geologischen Profilschnitten, in denen die Schichtuntergrenzen für alle Modelleinheiten im Detail festgelegt werden. Konstruktion von Schichtverbreitungsgrenzen für jede der Modelleinheiten, die in den Profilschnitten angelegt wurden. Bei der Erstellung dieses Profilschnittnetzes wurden nahezu alle der zur Verfügung stehenden relevanten Bohrungen direkt mit berücksichtigt. Die Profilschnittkonstruktionen erfolgten dabei unter ständigem Abgleich und Plausibilitätskontrollen den oben beschriebenen Eingangsda-

4 II.B.5 Innovative Ansätze zur Berücksichtigung der Boden verhältnisse 457 ten. In den Stadtteilen Bloherfelde, Eversten, Osternburg und Bümmerstede wurde bei Erstellung des Schnittnetzes außerdem auf Informationen der Bauleitplanung der Stadt Oldenburg zurückgegriffen, um potentielle Wohnbauflächen zu identifizieren. Für diese Flächen stehen bei Neugründung direkt Informationen über Versickerungsmöglichkeiten bereit. Unter Miteinbeziehung des DGM (horizontale Auflösung 12,5 x 12,5 m) als Höhenreferenz, den Informationen der konstruierten geologischen Profilschnitte sowie der Schichtverbreitungspolygone wurden abschließend mit der SubsurfaceViewer -Softwaremethode für jede Modelleinheit geologische Volumenkörper errechnet. Jeder Volumenkörper wird hiernach von triangulierten Flächen (TIN) räumlich begrenzt. Abbildung 2: 3D-Modell in der Modellierungssoftware: 1) Eingangsbohrungen im 3D-Raum; 2) Konstruiertes Profilschnittnetz; 3) Gerechnete Volumenkörper; 4) Quärtarbasisfläche im Bereich des Untersuchungsgebiets

5 458 II.B.5 Innovative Ansätze zur Berücksichtigung der Boden verhältnisse 4 Modellergebnisse Das hier vorgestellte geologische 3D-Modell Oldenburg stellt eine erstmalige Zusammenführung der wesentlichen Untergrund- und Oberflächeninformationen, die in den letzten Jahrzehnten für unterschiedlichste Fragestellungen erhoben worden sind, dar. Insgesamt konnten 183 geologische Profilschnitte in einem dichten Netz im Untersuchungsgebiet erstellt werden. Innerhalb der Profile wird dabei zwischen 20 geologischen Modelleinheiten unterschieden. Die Basis des Modells bildet die fiktive Einheit Basement mit einer festen Untergrenze von 160 m NN, die die Ablagerungen des Miozäns, welche aufgrund der vorherrschenden Datenlage nicht detailliert auskartiert wurden, beinhaltet. Bis zu 3,6 Millionen Jahre alte pliozäne Sande bilden die unterste geologische Einheit des Modells, die durch Tiefbohrungen flächendeckend erschlossen werden konnte. Abbildung 3: Geologische Modellschichten unterhalb von Oldenburg im Exploded View

6 II.B.5 Innovative Ansätze zur Berücksichtigung der Boden verhältnisse 459 Die älteste Modelleinheit des quartären Zeitalters sind die elsterzeitlichen Schmelzwassersande. Im südlichen Modellgebiet folgen die Ablagerungen der Lauenburger-Ton-Fazies diese mächtigen Ablagerungen reichen stellenweise bis an die Geländeoberfläche. Abgelagert wurde der Lauenburger Ton am Ende der Elster-Eiszeit vor etwa Jahren in vorher vom Eis geschaffene Hohlformen. Aufgrund der geringeren Sinkgeschwindigkeit der Tonpartikel, sedimentierten diese nach den sandigen Anteilen im Schmelzwasser, welches beim Abschmelzen der Eismassen frei wurde. Während der Saale-Eiszeit (ca v. Chr.) wurden im Drenthe-Stadium ebenfalls Schmelzwassersande im gesamten Untersuchungsraum sedimentiert. Die ebenfalls der Drenthe zugeordneten Geschiebelehmablagerungen (Lehme, Kiese, Gesteinsbruchstücke etc.) sind im Bereich der Geestfläche im Norden der Stadt Oldenburg vorhanden und sind dort auch an der Geländeoberkante anzutreffen. Der letzte Gletschervorstoß, die Weichsel-Eiszeit, endete in Norddeutschland vor etwa Jahren und kam nicht weiter als bis zur heutigen Elbe. Im Stadtgebiet wurden aus dieser Zeit verschiedene Fluss- und Flugsandablagerungen nachgewiesen, welche zumeist in den obersten 15 m des Modells anstehen. Die oberflächennahen Ablagerungen im Modellgebiet stammen aus dem Holozän. Es kommen zahlreiche verschiedene Sedimente vor, die sich in ihrer Entstehung deutlich unterscheiden. Im Stadtteil Eversten sind überwiegend Torfe abgelagert, weitere Moorbildungen sind im Bereich der Marsch im Osten der Stadt zu beobachten. In den Niederungen der vorhandenen Vorfluter wie Hunte, Haaren, Hausbäke, Beverbäke etc. sind neben Torfen auch Klei und Marschsedimente anzutreffen. In weiten Teilen der Stadt bestehen die obersten Bodenschichten aus teilweise schluffigen Feinsanden mit geringem bis mittlerem Humusanteil. Durch die starke Bebauung sind besonders in flachen Bohrungen Kiese und weitere anthropogene Materialien wie Bauschutt oder Betonreste in den Bohrungsbeschreibungen aufgeführt. Im Hinblick auf eine mögliche Versickerung in den oberflächennahen geologischen Schichten der Stadt Oldenburg lässt sich auf Grundlage des Modells nun eine detailliertere Aussage treffen. Besonders im Bereich der Geestfläche ist eine stark differenzierte Ablagerungssituation im Untergrund anzutreffen. Oberflächennahe sandig-schluffige Geschiebelehmablagerungen erschweren eine Versickerung von Regenwasser. Die östlichen sowie südlichen Stadtbereiche sind für eine potentielle Oberflächenwasserversickerung besser geeignet. 5 Ausblick Ziel sollte es zukünftig sein, hydrogeologische bzw. ingenieurtechnische Gutachten zu sammeln und das erstellte 3D-Untergrundmodell sukzessive durch weitere Untergrundinformationen zu verfeinern. Gleichzeitig sollten die Ergebnisse dieser Auswertung sowie die archivierten Datenbestände darin für zukünftige Bauprojekte innerhalb des Stadt Oldenburg für Planungszwecke herangezogen werden. So können frühzeitig vorhandene Datenbestände gesichtet und qualitativ sowie quantitativ ausgewertet und bei der weiteren Bauplanung miteinbezogen werden.

7 460 II.B.5 Innovative Ansätze zur Berücksichtigung der Boden verhältnisse Neben der Erweiterung des Modells mit zusätzlichen Bohrungsinformationen können die Durchlässigkeitseigenschaften des Untergrunds mittels einer kf-wert Analyse der klastischen Modelleinheiten weiter untersucht und auf die gesamte Ablagerung interpoliert werden. 6 Literatur [1] Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG): Geofakten 21, Hydrostratigrafische Gliederung Niedersachsens.; Hannover, 2011 Autoren: Dipl.-Ing. Reinhard Hövel OOWV Trink- und Abwasserzentrum Oldenburg Tel.: 0441/ hoevel@oowv.de Internet: Fügen Sie hier Ihr Foto im Format 2,8 cm breit und 4,2 cm hoch ein (Bildauflösung mind. 215 dpi). MSc. Geow. Malko Bischke Niedersachsen Wasser GmbH, Oldenburg Tel.: bischke@niedersachsenwasser.de Internet: Fügen Sie hier Ihr Foto im Format 2,8 cm breit und 4,2 cm hoch ein (Bildauflösung mind. 215 dpi).