Implementierung der impliziten geologischen 3D-Modellierung in die hydrogeologische Systemanalyse am Beispiel des Hastenrather Grabens - Aachen

Aachen (2019, 2020) [Doktorarbeit]

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Kurzfassung

Der Hastenrather Graben, 15 km östlich von Aachen, dient als Untersuchungsgebiet für eine hydro-geologische Systemanalyse mit besonderem Fokus auf der Implementierung eines dreidimensionalen geologischen Modellierungsprozesses. Die Systemanalyse umfasst dabei die geologische 3D-Modellierung, die hydrogeologische Modellierung und numerische Strömungssimulationen.Das Untersuchungsgebiet liegt in einem besonders komplexen geologischen Bereich in der Übergangszone zwischen Niederrheinischer Bucht und dem Rheinischen Schiefergebirge. Als Konsequenz aus dieser Lage resultieren verschiedene geologische Einheiten, die von unterschiedlichen tektonischen Vorgängen geprägt wurden. Im Hastenrather Graben liegen variszisch verfaltete Festgesteine des Paläozoikums diskordant überlagert von känozoischen Lockersedimenten vor. Tektonisch begrenzt werden diese Einheiten von Abschiebungen, die als Folge von Extensionstektonik zu einer Abfolge von Horst- und Grabenstrukturen führten. Die bedeutendsten Störungen sind dabei die Sandgewandstörung und die Omerbachstörung, die den Graben im Südwesten und Nordosten begrenzen. Eine Besonderheit des Grabens stellen linsenförmige Deckenstrukturen im Grabenzentrum dar, welche eine Inversion der geologischen Einheiten aufweisen.Verschiedene Geländearbeiten liefern Ergebnisse, die zur dreidimensionalen Abbildung des Untergrundes, zur Erfassung der Grundwasserströmung, zur Entwicklung des hydrogeologischen Modells sowie zur Parametrisierung des numerischen Grundwasserströmungsmodells beitragen. Diese Geländearbeiten umfassen Kartierungen, Rammkernsondierungen und Pumpversuche. Dabei bestätigen und konkretisieren die Kartierung und die Rammkernsondierungen die genaue Lage und Ausbreitung der Deckenstrukturen im Zentrum des Grabens. Die Pumpversuchsergebnisse erweitern die Datengrundlage der hydraulischen Durchlässigkeit. Hierbei werden Werte zwischen 6,0*10^-7 m/s und 6,4*10^-4 m/s ermittelt und es wird ein abnehmender Trend von der nordöstlichen Grabenschulter in Richtung des Grabenzentrums festgestellt. Die Deckenstrukturen weisen geringere Durchlässigkeitsbeiwerte als die übrigen geologischen Einheiten auf.Bei der Erstellung des dreidimensionalen geologischen Modells wird ein impliziter Modellierungsansatz genutzt, um alle wesentlichen geologischen Einheiten und tektonischen Strukturen in beliebiger Auflösung und Komplexität abbilden zu können. Dies schließt insbesondere den Kohlenkalk-Karstaquifer ein. Der Kohlenkalk bildet im Modellgebiet die Hammerbergantiklinale, welche in Richtung Nordosten abtaucht. Der Versatz des Kohlenkalks an der Sandgewand- und der Omerbachstörung lässt sich im Modell über Profilschnitte bestimmen, was die Analyse der hydraulischen Eigenschaften der Störungen vereinfacht. Die Deckenstrukturen werden im Modell ebenso abgebildet wie die geringmächtigen Schichten der überlagernden Lockersedimente. Die Implementierung des impliziten Ansatzes ermöglicht die Modellierung von Bereichen unterschiedlicher Explorationsintensität und führt alle zur Verfügung stehenden Daten über einen Co-Kriging Algorithmus in einem Modell zusammen. Die dreidimensionale Modellierung ermöglicht die Berechnung des Volumens einzelner geologischer Einheiten, was für den Kohlenkalk ein Gesamtvolumen von 2,9*10^9 m³. Dies entspricht etwa 30 % des Modellvolumens. Angaben zum Volumen einzelner geologischer Einheiten ermöglichen zusammen mit der effektiven Porosität die Abschätzung von Grundwasserressourcen einzelner hydrostratigraphischer Einheiten.Durch die Analyse von Profilschnitten erlaubt das 3D-Modell Rückschlüsse auf zurückliegende tektonische Prozesse und deren Auswirkungen auf bestimmte geologische Einheiten. Dies wird am Beispiel der Bruchschollentektonik und deren Auswirkung auf den Kohlenkalk erläutert. Die dreidimensionale Modellierung führt zu einer intensiven Auseinandersetzung mit den Strukturen im Untergrund, wie sie bei einer Betrachtung auf Grundlage von zweidimensionalen Profilschnitten nicht möglich ist.Das hydrogeologische Modell stellt die Abstrahierung hydrogeologischer Kennwerte in vereinfachter Form dar. Dabei wird die Verteilung dieser Kennwerte im Untersuchungsgebiet regionalisiert und zu hydrostratigraphischen Einheiten zusammengefasst. Dies beinhaltet insbesondere Durchlässigkeits-beiwerte, Speicherkoeffizienten und den effektiven Hohlraumanteil. Die Grundwasserneubildung für das Modellgebiet ist aus den mit GROWA berechneten langjährigen Mittelwerten abgeleitet und beläuft sich auf ca. 1*10^6 m³ pro Jahr. Die Auswertung von Ganglinien der Standrohrspiegelhöhen erlaubt Rückschlüsse auf zeitliche Änderungen der Grundwasserströmung und zeigt für das Modellgebiet, neben jahreszeitlich bedingten Schwankungen, keinen langfristigen Trend. Neben der Darstellung der Ganglinien zeigen Grundwassergleichenpläne für verschiedene Stichtage die im Wesentlichen Richtung Norden gerichtete Strömungsrichtung im Untersuchungsgebiet. Im Hastenrather Graben lassen sich zwei Aquifere unterscheiden. Ein flacher Aquifer aus känozoischen Lockersedimenten und ein tiefer Aquifer aus paläozoischen Festgesteinen. Aufgrund von unterschiedlich ausgeprägten Toneinschaltungen in den Lockersedimenten sind die Aquifere in Teilen des Hastenrather Grabens hydraulisch getrennt. Der tiefere Aquifer besteht hauptsächlich aus der Einheit des Kohlenkalks. Die angrenzenden Gesteine der Walhorn- und Stolbergschichten sowie des Condroz tragen mit geringeren Durchlässigkeiten ebenfalls zur Grundwasserströmung bei. Die Hauptgrundwasserströmung findet jedoch im Kohlenkalk statt, was dazu führt, dass keine signifikante Vermischung des Grundwassers aus dem Kohlenkalk und dem oberen flachen Aquifer erfolgt. Bezogen auf den tieferen Aquifer lassen sich vier hydrogeologische Teilräume definieren. Diese liegen im Grabenzentrum, auf beiden Grabenschultern sowie im Bereich der Deckenstrukturen. Das 3D-Modell ermöglicht eine einfache Abschätzung unterirdischer Volumenströme über Profilschnitte mithilfe eines DARCY-Ansatzes. Dabei liegt die Besonderheit darin, dass Profilschnitte und die entsprechenden Flächeninhalte an jeder beliebigen Stelle des Modells erstellt werden können. Die südliche Modellgrenze weist Zuflüsse von durchschnittlich 10*10^6 m³ pro Jahr bis 14*10^6 m³ pro Jahr und maximal 50*10^6 m³ pro Jahr auf. Das numerische Grundwassermodell dient der Validierung der hydrogeologischen Modellvorstellungen mithilfe verschiedener Modellszenarien. Das 3D-Modell wird dabei für die räumliche Diskretisierung des Modells und dessen Parametrisierung genutzt. Das numerische Grundwasserströmungsmodell bestätigt die hydrogeologischen Annahmen sowohl für ein Basismodell ohne Grundwasserentnahme auf der nordöstlichen Grabenschulter sowie für ein Modell, welches die dortige Grundwasserentnahme simuliert. Der simulierte Zustrom über die südliche Modellgrenze liegt mit ca. 30*10^6 m³ pro Jahr über den mittleren geschätzten Werten aus dem hydrogeologischen Modell (10*10^6 m³ pro Jahr bis 14*10^6 m³ pro Jahr), jedoch noch deutlich unter dem geschätzten Maximalwert (50*10^6 m³ pro Jahr). Das Modell bestätigt die hydraulische Wirksamkeit der Sandgewandstörung und die Ausprägung der Deckenstrukturen als schwebender Grundwasserkörper. Es zeigt sich, dass die Grundwasserentnahmen auf den Grabenschultern unter Berücksichtigung der Wasserbilanz des gesamten Systems einen geringen Anteil ausmachen. Zusammengefasst bestehen die Vorteile der Implementierung des 3D-Modells aus den Darstellungs- und Berechnungsmöglichkeiten der geologischen Einheiten und deren Kubatur, der daraus resultierenden Möglichkeiten zur Berechnung von Grundwasserressourcen, der Abschätzung von Volumenströmen über beliebige Profilschnitte sowie der vereinfachten räumlichen Diskretisierung und Parametrisierung des numerischen Modells.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Burs, David Noel

Gutachterinnen und Gutachter

Rüde, Thomas R.
Clauser, Christoph

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2020-01509

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