Raumbezogene Informationssysteme und Simulationswerkzeuge in Geowissenschaft und Geo-Engineering

Vom 4. – 5. Oktober fand das zweite Clausthaler FIS-Forum „Raumbezogene Informationssysteme und Simulationswerkzeuge in Geowissenschaft und Geo- Engineering", statt. Der folgende Tagungsbericht greift exemplarisch einige der Vorträge heraus, um dieses eminent wichtige Forschungsfeld schlaglichtartig zu beleuchten.

Große technische Bauvorhaben, beispielsweise ein Alpentunnel oder die Sanierung eines Altbergbaugebiets, sind hoch komplex. Planer, Ingenieure und Betreiber müssen raumbezogene Daten dokumentieren, aufbereiten und analysieren. Raumbezogene Informationssysteme, erweitert um Komponenten zur Visualisierung und Simulation, können hierfür hilfreich sein. Dies gilt auch für die Darstellung der Projekte gegenüber der Öffentlichkeit.

Seit fünf Jahren arbeiten die Professoren Wolfgang Busch (Institut für Geotechnik und Markscheidewesen, TU Clausthal), Dietmar Möller (Technische Informatik, Uni Hamburg) und Gerhard Reik (Ingenieurgeologie, TU Clausthal) in mehreren Forschungsvorhaben an der Entwicklung eines baugeologisch geotechnischen Informationssystems (BAGIS). Dieses Forschungsinteresse war Motivation auf ähnlichen Feldern arbeitende Wissenschaftler in der vergangenen Woche zum zweiten Clausthaler Kolloquium über Fachinformationssysteme (FIS-Forum) einzuladen. In zwei Jahren ist ein weiteres FIS-Forum geplant.

In einem Übersichtsvortrag beleuchtete Prof. Dr. Wolfgang Blendinger vom Institut für Geologie und Paläontologie der TU Clausthal die Rolle „weicher“ und „harter“ Daten bei der Modellierung von Erdöllagerstätten des Nahen Ostens. Bei einer mittleren Größe eines Ölfeldes von 10 x 15 Kilometern und einer Mächtigkeit von 100 Metern sind bei 10 Bohrungen nur etwa ein 95 Millionstel des Areals durch wirkliche Gesteinsproben aus Bohrdaten gewonnen. Die übrigen Information werden indirekt, z.B. aus seismischen Messungen erschlossen. Deshalb kommen Erfahrungen mit ähnlichen geologischen Formationen (Analogdaten) eine hohe Bedeutung zu. Für silizoklastische Lagerstätten gibt es einen reichen Fundus an Analogdaten. Forschungsbedarf besteht dagegen für Analogdaten karbonatischer Lagerstätten.

Ein weiterer Übersichtsvortrag von PD Dr. Andreas Fischlin von der ETH Zürich berichtete am Beispiel der Klimaprognose exemplarisch von Problemen bei der ökologischen Skalierung in Simulationen großer Geosysteme. Die Skalierung reicht von der Größenordnung der Biosphäre bis hin zu Mikroorganismen. Daher sind parallele Ansätze für die Lösung globaler regionaler und lokaler Aufgaben notwendig. Bei der Integration der einzelnen Ergebnisse in eine aussagefähige komplexe Untersuchung, beispielsweise der Klimaveränderung, sind besondere Probleme zu beachten.

Im deutschen Steinkohlenbergbau werden Simulationen erfolgreich im Rahmen der Umweltverträglichkeitsprüfung eingesetzt. Dipl.-Ing. Norbert Benecke und Dipl.-Ing. Peter Vosen von der Deutschen Montan Technologie, Essen, bzw. der Deutschen Steinkohle AG zeigten in ihrem Vortrag an konkreten Beispielen aus der betrieblichen Praxis die Anbindung von Simulationsmodellen wie z. B. Bodenbewegungsmodelle, Digitale Geländemodelle und Fließgewässermodelle an Geo-Informationssysteme.

Unter Leitung von Prof. Dr. Wolfgang Busch vom Institut für Geotechnik und Markscheidewesen der TU Clausthal entwickeln die wissenschaftlichen Mitarbeiter Dr. K. Maas, Dipl.-Ing. M. Busch und Dipl.-Geogr. Chr. Fischer ein Informationssystem, welches das Monitorring der Tagesoberfläche über einem gefluteten Kalialtbergbau und die Prognose von Senkungs- und Brucherscheinungen unterstützt. Dabei werden insbesondere Fernerkundungsdaten berücksichtigt. Die Senkungs- und Brucherscheinungen werden durch untertägige Salzlösungserscheinungen verursacht. Deren Modellierung und Simulation ist Voraussetzung für die Planung nachhaltiger Sicherungs- und Sanierungsmaßnahmen. Die Modellierung soll zukünftig durch Einsatz softcomputingbasierter Methoden und Verwendung von Splines zeit- und raumvarianten unterstützt werden.

Aus dem selben Institut präsentierten Dipl.-Ing. L. Becker und Prof. Dr. W. Busch ein Deponie- Überwachungs- und Managementsystem, mit dem ein Deponiebetreiber schnell und umfassend auf alle relevanten Deponiedaten zugreifen kann. Das System unterstützt die Verwaltung, Analyse, Überwachung und Darstellung aller räumlichen und thematischen Daten der Deponie und dient damit der Minimierung der Umweltbeeinflussung, der Erfüllung der Nachweispflicht und der Standardisierung und Automatisierung des Berichtswesens.

Dipl.-Ing. Sven Thomsen vom Institut für Geodäsie und Photogrammetrie der TU Braunschweig stellte ein Oberflächenmonitorring von Deponien vor, wobei u. a. ein fahrzeuggetragenes GPS-gestütztes Multisensorsystem verwendet wird. Damit kann die Geometrie von Deponieoberflächen während des Einbaus und in der Nachsorgephase erfasst werden.

Dipl.-Geoph. Fred Hesser, wissenschaftlicher Mitarbeiter von Prof. Dr. v. Berk, präsentierte ein zweidimensionales Simulationswerkzeug, mit dem der reaktive Stofftransport im Grundwasserleiter abgebildet werden kann. Motivation für das Vorhaben ist der Umstand, dass an einigen Wasserwerks-Standorten eine ungünstige Entwicklung der Rohwasserqualität zu beobachten ist. So führen bspw. eingetragene Säuren oder das Oxidationsmittel Nitrat zu puffernden Säure-Basen- bzw. Redoxreaktionen im Grundwasserleiter, die mit erheblichen Stoffumsätzen verbunden sind. Aus diesem Grund ist das integrale Verständnis über die hydrogeochemischen Prozesse im Grundwasserraum mittlerweile eine zentrale Fragestellung in der Wassergütewirtschaft, deren Beantwortung mit dem vorgestellten Simulationswerkzeug unterstützt werden soll.

Prof. Dr. Günter Pusch und Dr. Jochen Zemke vom Institut für Erdöl-/ Erdgastechnik der TU Clausthal berichteten von der Bewertung von Upscaling Methoden des Einphasenflusses in diskreten Kluftstrukturen geologischer Barrieren. In einer Studie wurden einfache bis raumrichtungsabhängige Permeabilitätsskalierungsverfahren (Upscaling) mit dem Ziel untersucht, das geologische Feinrastermodell durch ein adäquates Grobrastermodell zu ersetzen, um so die Rechen- und Bearbeitungszeit zu verkürzen.

Ulrich Ziegler vom Geologisch-Paläontologischen Institut der Universität Münster demonstrierte ein hydro-geologisches Fachinformationssystem. Ziel ist die Analyse von Zeitreihen und die Berechnung statistischer Kenngrößen, um eine Quantifizierung hydrochemischer Prozesse im Grundwasser abzubilden. Dabei stellt ein Fachinformationssystem bei der Verwaltung, Darstellung und Auswertung der Datensätze ein leistungsstarkes Werkzeug dar.

Dr. Helmut Habenicht von der Bergbauberatung Fisching stellte Spannungsmessungen auf Grundlage der Single Fracture Method vor, mit der die Zugfestigkeit von Gestein ermittelt wird. Die Messung erfolgt mit einer zylindrischen Sonde in einem Bohrloch, die hydraulisch auseinandergedrückt wird. Die Messung wird gleichzeitig in einem Rechenmodell simuliert, wodurch die Ergebnisse sofort für eine Auswertung verfügbar sind.
Dr. Habenicht berichtete des weiteren über ein Verfahren zur 3-D-Tomographie auf Basis kleinseismischer Feldaufnahmen, bei dem beim Durchdringen von Gebirgskörpern mittels seismischer Wellen an mehreren Stellen Signale emittiert und an mehreren Stellen Signale empfangen werden. Im Rahmen der Auswertung kann der Gebirgskörper in einem Rechnermodell in Raumelemente eingeteilt und so hinsichtlich technischer Charakteristika differenziert werden.

Prof. Dr. Dieter Möller und Dipl.-Inf. Björn Kesper stellten die Entwicklung dynamischer Virtual-Reality Modelle im Tunnelbau vor. Anhand einer ersten prototypischen Implementierung unter Verwendung der Programmierumgebungen Java und Java3D, des Datenbankmanagementsystems ObjectStore und der VR Hardwarekomponenten Head Mounted Display, Motion Tracker und Data Gloves konnte gezeigt werden, dass die vollständige plattformunabhängige Programmierung äußerst effizient realisierbar ist.

Dipl.-Geol. Christian Klose vom GeoForschungsZentrum Potsdam berichtete über ein seismisches Interpretationssystem zur geologischen Vorauserkundung beim Tunnelbau. Das Informationssystem besteht aus einem Modul zur Durchführung, Prozessierung und Visualisierung der seismischen Messungen und einem Modul zur Interpretation der Messergebnisse. Bei der Interpretation der Messergebnisse werden vorhandene geologische Informationen genutzt und methodisch künstliche neuronale Netze verwendet. Eine Besonderheit des Verfahrens liegt in der Installation antennenartiger 3D-Empfänger in der Tunnelankerung derart, dass während der Tunnelauffahrung ein hochauflösendes Abbild möglich ist.

K. Norborg von der Firma TechnoGuide, Oslo, präsentierte ein Erdöl-Lagerstättenmodell, aufgebaut mit dem System PETREL. Das System ist PC-basiert und ermöglicht eine hochauflösende Blockmodellierung unter Berücksichtigung von Faltungen und Störungen.

Iris Toeche-Mittler vom Lehrstuhl für Ingenieur- und Hydrogeologie der RWTH Aachen stellte geostatistische Untersuchungen eines Kluftgrundwasserleiters vor, welche im Zuge der Flutung der ehemaligen Uranerzmine in Ronneburg / Thüringen durchgeführt worden sind. Um die räumliche Variabilität der Gebirgsdurchlässigkeit des heterogenen Kluftgrundwasserleiters besser erfassen zu können, soll anhand ermittelter Durchlässigkeitswerte ein geostatistisches Interpolationsverfahren angewendet werden. Ziel ist die Darstellung wahrscheinlicher Austrittszenarien von Flutungswässern.

Dr. Karlheinz Winter von der Rheinbraun AG berichtete von einem GPS-gestützten System zur Verdichtungskontrolle und Steuerung von Deponiebaugeräten. Das System soll eine Qualitätskontrolle im Herstellungsprozess (Reduzierung des Tonbedarfs) sowie einen flächenhaften und lückenlosen Qualitätsnachweis erbringen.

Prof. PhD Gerhard Reik und Dipl.-Geol. Christian Zemke vom Institut für Geologie und Paläontologie der TU Clausthal präsentierten die Realisierung und die Einsatzmöglichkeiten des Geoinformationssystems BA-GIS/vr im Talsperrenbau. Durch Zusammenführung von Virtual Reality Konzepten und Geo-Informationssystemen werden dynamische Virtual Reality Modelle als Ansatz zur Visualisierung und Simulation der im Baugrund des Absperrbauwerks auftretenden geohydraulischen Verhältnisse untersucht. VR-Geräte werden dabei als der menschlichen Perzeption angepasste Ein- und Ausgabemedien in das System integriert und für die Anwendung optimiert.

Weitere Informationen:
TU Clausthal
Institut für Geotechnik und Markscheidewesen
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Busch
Tel. 05323 72 – 2076
Fax. 05323 72 – 24 79
E-Mail: wolfgang.busch@tu-clausthal.de

Weitere Informationen finden Sie im WWW:

• http://www.imac.tu-clausthal.de/
• http://www.geologie.tu-clausthal.de/abteilungen/inggeol.html
• http://www.informatik.uni-hamburg.de/TIS/