Geologische und hydrogeologische Erkundungsmethoden

Stand 2000

  1. Einleitung
  2. Geologische Erkundungsmethoden
    1. Grundlagen
    2. Bedeutung des Themas für das Bauwesen
    3. Beschreibung der Vorgehensweise zur Datenerfassung und Bearbeitung des Schwerpunktthemas im Bauwesen
      1. Feldmethoden
      2. Labormethoden
      3. Fernerkundungsmethoden
      4. Berechnungsmethoden
    4. Erläuterung an Hand praktischer Beispiele aus dem Bauwesen
    5. Ausblick
  3. Hydrogeologische Erkundungsmethoden
    1. Grundlagen
    2. Bedeutung des Themas für das Bauwesen
    3. Beschreibung der Vorgehensweise zur Datenerfassung und Bearbeitung des Schwerpunktthemas im Bauwesen
      1. Feldmethoden
      2. Labormethoden
      3. Fernerkundungmethoden
      4. Berechnungsmethoden
    4. Erläuterung an Hand praktischer Beispiele aus dem Bauwesen
    5. Ausblick
  4. Literaturverzeichnis

  1. Einleitung

    2. Die geologischen und hydrogeologischen Erkundungsmethoden sind das Handwerkszeug in den angewandten Geowissenschaften. Fällt schon die vollständige Abgrenzung des Teilgebietes Hydrogeologie von der umfassenden Geologie schwer, so ist eine solche scharfe Trennung von geologischen und hydrogeologischen Erkundungsmethoden unmöglich. Der Boden ist immer das Zusammenspiel aller drei Phasen, die Betrachtung oder Erkundung nur einzelner Teile würde somit immer unzureichende Ergebnisse liefern. Wenn hier trotzdem der Versuch gemacht wird die Methoden voneinander abzugrenzen, so geschieht dies, um die Methoden hervorzuheben, die insbesondere hydrogeologisch interessante Ergebnisse liefern.

  2. Geologische Erkundungsmethoden

    1. Grundlagen

      2. So vielfältig wie die unterschiedlichen Erkundungsmethoden sind auch deren theoretische Grundlagen. Da die Beschreibung dieser Grundlagen, ebenso wie ein genaueres Eingehen auf die einzelnen Verfahren, den Rahmen dieser Ausarbeitung um ein Vielfaches überschreiten würde, wird hier auf sie verzichtet. Statt dessen soll hier kurz angeführt werden, was als Ausgangsmaterial der geplanten Erkundung dienen kann.

      Zu unterscheiden sind Grundlagen mit bereits vorliegenden Erkundungsergebnissen, Grundlagen, die Informationen über eine zweckmäßige Vorgehensweise enthalten und die rechtlichen Grundlagen der Erkundung. Selbstverständlich ist, daß eine Erkundung Fachwissen, finanzielle Mittel und bei größeren Vorhaben auch planerische Fähigkeiten erfordert.

      Grundlagen mit bereits vorliegenden Erkundungsergebnissen können einen Teil der gesuchten Daten beinhalten oder Hinweise auf zu erwartende Probleme geben, wie z. B. topographische oder geologische Karten. Unter Umständen wurden im zu erkundenden Gebiet schon geologische Untersuchungen durchgeführt, die nicht wiederholt werden müssen, sofern die alten Daten beschafft werden können. In Deutschland können die Ergebnisse der geologischen Landeserkundung als Grundlage dienen. Für das Bauwesen haben die Baugrundplanungskarten besondere Bedeutung, sie "sollen insbesondere die Tragfähigkeitseigenschaften des oberflächennahen Baugrundes für großräumige Planungen aufzeigen"3(S.530). In einer Bestandsaufnahme werden diese vorliegenden Daten zunächst gesammelt.

      Sehr hilfreich können Unterlagen sein, die sich mit der Behandlung der vorliegenden Problemstellung befassen. So sind erfolgversprechende Erkundungsmethoden oder effektive Vorgehensweisen eventuell in der Fachliteratur zu finden. Unbedingt beachtet werden sollten, falls zum Thema vorhanden, Normen - eventuelle Haftungsfragen zwingen gerade im Bauwesen dazu, sich an den allgemein anerkannten Stand der Technik zu halten.

      Gesetze und Verordnungen bilden die dritte Art von Grundlagen der Erkundung, sie differieren von Land zu Land, auch wenn im Rahmen der EU eine Vereinheitlichung angestrebt wird. Sowohl die Vielfalt der Interessenlagen, von den Eigentumsrechten bis zu den Unfallschutzvorschriften, als auch kommunale Besonderheiten machen deutlich, daß eine sorgfältige Planung und Absprache mit etlichen Beteiligten bei der Durchführung einer geologischen Erkundung unerläßlich sind.

      In Deutschland sind zu beachten: "Bürgerliches Gesetzbuch § 903 (betr. Grundeigentum), Bundesbergbaugesetz (BBergG) vom 13. 8. 1980, Lagerstättengesetz vom 4. 12. 1934, Verordnung zum Schutz von Fernmeldeanlagen der Deutschen Bundespost, Gesetze und Verordnungen zum Schutz von Versorgungsleitungen ( z. B. Elektrizität, Erdöl, Erdgas, Stadtgas, Wasser, Abwasser, Bodenabbaugesetze der einzelnen Bundesländer und örtlich gültige Verordnungen und Erlasse dazu, Gesetz zur Reinhaltung des Wassers und örtlich gültige Verordnungen und Erlasse dazu, Forstgesetze, Naturschutzgesetze der einzelnen Bundesländer und örtlich gültige Verordnungen und Erlasse dazu, Militärische Geheimhaltungs- und Sperrbezirksanordnungen, Unfallschutzvorschriften"2(S.15,16)

    2. Bedeutung des Themas für das Bauwesen

      3. Vor der Erstellung eines Bauwerkes ist die Gründung an den Baugrund anzupassen. Die Kenntnis vom Aufbau des Baugrundes ist deshalb von ebenso elementarer Bedeutung für die spätere Konstruktion wie die Kenntnis der auftretenden Lasten. Ebenso wie die Statik eines Bauwerkes nachgewiesen werden muß, muß die geplante Gründung in einem Gründungsgutachten nachgewiesen werden. Grundlage für Gründungsgutachten ist die Baugrunddarstellung, die mit Hilfe geologischer Erkundungsmethoden erstellt wird.

    3. Beschreibung der Vorgehensweise zur Datenerfassung und Bearbeitung des Schwerpunktthemas im Bauwesen

      4. Nicht alle geologischen Erkundungsmethoden werden bei ein und demselben Bauvorhaben angewandt, es gilt je nach Lage eine Vorauswahl zu treffen. Dennoch werden sich für wahrscheinlich alle Verfahren Anwendungszwecke im Bauwesen ergeben. Ziel aller Maßnahmen ist in vielen Fällen ein Gutachten. Dieses kann sowohl die Durchführbarkeit einer Unternehmung beurteilen, Teil einer solchen sein, aber auch eine Unternehmung einleiten, wenn z. B. bauliche Mängel festgestellt werden.

      Generell kann man die geologischen Erkundungsmethoden unterteilen in Feldmethoden, Labormethoden, die Fernerkundung sowie Berechnungs- bzw. Simulationsmethoden. Erst die Interpretation der in Kombination der verschiedenen Verfahren gewonnenen Daten ermöglicht eine abschließende Beurteilung.

      1. Feldmethoden

        2. Die geologische Geländeaufnahme kann sich aus Beobachtungen wie die Relief- und Bodenansprache und einer Vielzahl von Messungen zusammensetzen. 'Die' geologische Geländeaufnahme gibt es aber nicht, sie muß an die Situation angepaßt werden. Durch Verfahren, die die Gewinnung von Proben erlauben, stehen die Feldmethoden in engem Zusammenhang mit den Labormethoden.

        In der Reliefansprache werden Lage, Struktur, Substanz und die aktuelle Formungsdynamik der Oberfläche des aufzunehmenden Gebietes erfaßt.

        In der Bodenansprache wird diese Betrachtung in der Tiefe fortgesetzt. Der Boden ist das Produkt vielfältiger Prozesse. "Dementsprechend orientiert sich die Bodenaufnahme im Gelände auf visuell und manuell erfaßbare Merkmale dieser Prozesse und des damit verbundenen Bodenzustandes. Sie werden an einem Bodenprofil angesprochen, das i. d. R. durch einen Schurf freigelegt werden muß"(S.45). Für die Erkundung in Festgestein kann die Erstellung von Probestollen nötig sein, einfache Schürfe sind nicht immer möglich.

        Neben den Schürfen erlauben Bohrungen Einblicke in den Untergrund. Zum Teil lassen sich direkt Daten über die Gesteinseigenschaften gewinnen, so gibt zum Beispiel der Bohrfortschritt Hinweise auf die Festigkeitseigenschaften des Gesteines. Es stehen verschiedene Bohrverfahren zu Verfügung, die unterschiedliche Ergebnisse liefern.

        Bei drehenden Bohrverfahren trägt ein rotierender Bohrkopf Gestein ab. Zur Unterstützung wird der Bohrvorgang häufig durch Spülen unterstützt. So wird beim Druckspülbohren Spülflüssigkeit durch das Bohrgestänge in den Untergrund gedrückt und transportiert dann außerhalb des Bohrgestänges Bohrgut nach oben. Beim Saugspülbohren dagegen werden Spülflüssigkeit und Bohrgut durch das Bohrgestänge abgesaugt. Die Spülflüssigkeit kommt hier von außerhalb. Eine Probengewinnung ist mit beiden Verfahren problematisch. Beim Kernbohren dagegen kann ein Bohrkern, der von der Bohrkrone freigebohrt wurde, im hohlen Bohrgestänge aufgenommen werden.

        Die schlagenden Bohrverfahren kennzeichnet, daß der Bohrkopf schlagweise in den Untergrund getrieben wird. Beim Seil-Freifallbohren werden der Bohrkopf und Gestänge wiederholt an einem Seil hinaufgezogen und fallengelassen. Beim Hammerbohren wird ein Bohrkopf, der sogenannte Bohrhammer, mit hoher Schlagfrequenz durch hydraulischen Druck in den Untergrund getrieben - ein Verfahren, mit dem große Bohrfortschritte in harten Gesteinen erzielen lassen. Auch mit schlagenden Bohrverfahren lassen sich Bohrkerne gewinnen: Beim Rammkernbohren wird ein Rohr in den Boden geschlagen, das gefüllte Rohr kann herausgezogen werden. Eine Erweiterung dieses Verfahrens ist das Schlauchkernbohren, hierbei wird der von einem Schlagrohr freigelegte Bohrkern in ein Kunststoffrohr hineingeschoben.

        Kombinationen von drehenden und schlagenden Bohrverfahren sind möglich. Besonders aufwendig ist die Gewinnung von wenig gestörten und, mehr noch, orientierten Kernen. Gerade aber die genaue Kenntnis der Lage der Schichtung, wie sie ein orientierter Kern liefert, kann aber wesentliche Informationen liefern, wenn es sich um ein Gestein mit anisotropen Eigenschaften handelt.

        In den erzeugten Bohrlöchern kommen verschiedene Bohrlochmessungen zur Anwendung. Es können verschiedene Strahlungen erfaßt werden, sowie elektrische, mechanische und hydraulische Messungen durchgeführt werden.

        Folgende im Bohrloch meßbare Gesteinseigenschaften haben zum Beispiel eine geologische Aussagekraft : "Widerstand, Eigenpotential, Fortpflanzungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen, Dämpfung elektromagnetischer Wellen, Natürliche Gammastrahlung, Natürliche Gammastrahlen-Spektrometrie, Neutronenkompensations-Wasserstoffindex, Dichte, Photoelektrischer Einfangsquerschnitt, Einfangsquerschnitt thermischer Neutronen, Schall-Laufzeit, Schall-Dämpfung, Induziertes Gammastrahlen-Spektrum, Schichtneigung, Bohrlochdurchmesser, Temperaturmessung"3(S.133)

        Mit Hilfe von Videosonden kann die Schichtung im Bohrloch betrachtet werden. Die gemessene Radioaktivität ist abhängig von der Mineralogie des Gesteins, mit Hilfe von induzierter Gammastrahlung lassen sich Aussagen über die Porosität treffen.

        Neben den Bohrungen und Schürfen lassen sich mit Sondierungen ingenieurgeologische und bodenmechanische Erkenntnisse gewinnen. Sie sind allerdings ohne begleitende Aufschlüsse wertlos.

        Bei einer Drucksondierung wird der Eindringwiderstand einer konischen Spitze, die mit konstanter Geschwindigkeit in den Boden eindringt, gemessen. Für eine Rammsondierung wird die Sonde mit einem Gewicht - Fallmasse und Fallhöhe sind konstant - in den Boden getrieben. Registriert wird die Schlagzahl pro Eindringtiefeneinheit. Bei der Flügelsondierung wird das Drehmoment gemessen, das nötig ist, um den Flügel in den Boden hineinzudrehen.

        Ziel der ingenieurgeologisch-felsmechanischen Erkundung ist die Bestimmung der Gebirgseigenschaften. Zu bestimmen sind hier insbesondere Gebirgsspannungen, die Verformungseigenschaften, sowie Bruchparameter.

        Gebirgsspannungen lassen sich messen, wenn die Entspannung des Gesteins nach Entlastung registriert wird. Es eignen sich hierzu: "Überbohrverfahren, Großbohrverfahren, Schlitzent- und belastungsversuch, Hydro Frac-Verfahren: Hydraulische Rißbildung und Rißöffnung in Bohrungen"3(S.449).

        Die Verformungseigenschaften werden ermittelt, indem die Reaktion des Gebirges auf Druck registiert wird. Geeignet sind: "Doppel-Lastplattendruckversuch, Radialbelastungsversuche in Stollen und in Bohrungen, Großscherversuch, Druckkissenversuche"3(S. 453).

        Die Bruchparameter des Gebirges können mit Großscherversuchen bestimmt werden, die Versuchsblöcke haben hierbei zum Beispiel Kantenlängen von 1 m.

        Als Kontrollmessungen im Felsbau eignen sich: "Konvergenzmessungen, Extensometermessungen, Bohrlochverschiebungsmessungen, Druckmeßeinrichtungen"3(S.460).

        Mit baugrunddynamischen Untersuchungsverfahren können Elastizitätsmodul, Schubmodul und Dämpfung des Bodens ermittelt werden. Dazu "werden die Laufzeiten und ggf. die Frequenzen und Wellenlängen elastischer Wellen gemessen"3(S.499). Man unterscheidet Aufzeitverfahren, Abzeitverfahren und Durchschallungszeitverfahren.

        Als geophysikalische Erkundungsmethoden stehen zur Verfügung: Reflexionsseismik, Refraktionsseismik, Magnetische Messungen, Wärmeflußmessungen und geoelektrische Messungen.

      2. Labormethoden

        3. Für Lockergesteine bieten sich bodenmechanische Methoden, wie Korngrößenanalyse, Siebanalyse, Sedimentationsanalyse, Bestimmung von Dichte, Korndichte, Porenanteil, Porenanzahl, lockerster und dichtester Lagerung, Kapillarität, Kalkgehalt und organischer Substanz an.

        Die Verformbarkeit kann bestimmt werden über einen Kompressionsversuch mit behinderter Seitendehnung oder einen dreiaxialen Druckversuch. Die Festigkeit kann ebenfalls mit einem drei- oder einaxialen Druckversuch, sowie einem Rahmenscherversuch ermittelt werden.

        Die Verdichtbarkeit, eine wichtige bodenmechanische Eigenschaft, läßt sich mit Hilfe von Proctorversuchen, CBR-Versuchen oder Plattendruckversuchen ermitteln. Zu beachten ist der große Einfluß des Porenwassergehaltes auf die Verdichtbarkeit.

        Die geotechnische Untersuchung von Festgestein im Labor umfaßt zusätzlich die Bestimmung der Härte. Zu Ermittlung der Festigkeitseigenschaften sind zusätzlich zu den Methoden der Lockergesteinsanalyse Punktlast-Festigkeitsversuche und direkte Scherversuche möglich.

        Zu den Besonderheiten von Salzgesteinen gehören deren Fließ- und Kriecheigenschaften. Hierzu sind als geotechnische Laboruntersuchungen Zeitstandversuche, in denen das Gestein über längere Zeit Druck ausgesetzt wird, möglich.

        Zur Baugrunddynamik lassen sich im Labor die Bodendämpfung, Resonanzverhalten und der seismische Schubmodul bestimmen.

      3. Fernerkundungsmethoden

        4. Man könnte die Fernerkundungsmethoden als Unterpunkt der Feldmethoden ansehen, da auch hier Geländedaten erfaßt werden. Da aber niemand direkt vor Ort ist und sie beschränkt sind auf die Aufnahme elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Frequenzbereiche, sind sie hier gesondert aufgeführt.

        Die nutzbaren Spektralbereiche reichen von ultravioletter Strahlung über den Bereich des sichtbaren Lichtes und den infraroten Strahlungsanteil bis ins Mikrowellenspektrum. Die unterschiedlichen Strahlungen lassen sich sowohl photographisch als auch elektronisch erfassen. Die Aufnahmegeräte werden meist in Flugzeugen oder Satelliten angebracht.

        Eine Besonderheit im Mikrowellenbereich sind aktive Verfahren, bei denen im Gegensatz zu den passiven Verfahren, Strahlung ausgesandt wird, und der reflektierte Anteil aufgenommen wird. Das Verfahren entspricht der Radarortung für Flugzeuge.

        Zu beachten ist, daß die Bilder in der Regel verzerrt sind und unter Umständen mit Hilfe photogrammetrischer Verfahren entzerrt werden müssen. Durch eine Überlappung von Bildern lassen sich aber auch dreidimensionale Geländemodelle erzeugen, die z. B. fehlende topographische Unterlagen ersetzen können.

        In der Bildauswertung sind "multidisziplinäre Projekte (Geologie, Hydrogeologie, Bodenkunde und Landnutzung) besonders erfolgversprechend. Die in einem Team vereinigten Vertreter dieser Disziplinen können sich ständig gegenseitig ergänzen, korrigieren und gemeinsam schneller bessere Ergebnisse liefern"2(S.496).

      4. Berechnungsmethoden

        5. Durch eine Simulation mit Modellen kann man eine Erkundung vor Ort natürlich nicht ersetzen, sie kann aber wichtig sein für das Verständnis der realen Vorgänge. Anhand der gemessenen Daten kann die Richtigkeit solcher mathematischen Modelle überprüft werden. Mit steigender Rechnerleistung und einer Zunahme des Datenanteils, der elektronischen verarbeitet wird, steigt die Leistungsfähigkeit dieser Simulationen. Es ergeben sich wieder je nach Problemstellung sehr unterschiedliche Ansätze und Lösungsverfahren.

        So läßt sich zum Beispiel die Standsicherheit im Salzgebirge mit Hilfe der Plastizitätstheorie, über modellmechanische Verfahren oder mit Hilfe der Finite Elemente Methode überprüfen.

    4. Erläuterung an Hand praktischer Beispiele aus dem Bauwesen

      5. Abgesehen von der elementaren Anwendung der Erkundungsmethoden für Gründungen gibt es eine Vielzahl von möglichen Beispielen. Mit dem gestiegenen Umweltbewußtsein hat die Frage der sicheren Lagerung von Abfällen jedweder Art an Bedeutung gewonnen. Auch hier ist die geologische Erkundung unverzichtbar.

      Ein für Bauwesen und Geologie gleichsam interessantes Gebiet stellt die Vermeidung von Bauschäden durch geologische Ereignisse dar. Es gilt zum Beispiel geeignete Bauwerksstandorte in erdbebengefährdeten Gebieten zu finden.. Lawinen und Muren sind in vielen Gebirgsregionen ein großes Problem, zum Teil entstanden durch die Eingriffe des Menschen in seine Umwelt. In Bergbauregionen kann es ebenso wie in Karstgebieten zu Setzungen kommen - Schäden können nur bei entsprechender geologischer Erkundung abgewendet werden. Oft sind auch spezielle Baumaßnahmen zur Gefahrenabwehr notwendig.

      Bei Tunnelbauwerken ist nicht nur der Aufbau des Untergrundes von Bedeutung sondern ebenso der des Deckgesteins. Das Gestein bildet hier in einem gewissem Sinne das Bauwerk.

      Baustoffe beziehungsweise ihre Ausgangsstoffe lagern in der Erde. Die wirtschaftliche Nutzung ihrer Vorkommen erfordert die Erkundung der Lagerstätten. Auch zur Beurteilung der Qualität solcher natürlichen Baustoffe kann die Erkundung einen Beitrag leisten, die Gesteinseigenschaften werden schließlich von seiner Genese bestimmt.

      Auch zur Überwachung von Bauwerken lassen sich geologische Erkundungsmethoden einsetzen: So wird im Straßenbau die Verdichtung mit Hilfe einer Rammsondierung, dem 'Künzel-Test' gemessen.

    5. Ausblick

      6. Der gegebene Überblick muß im gegebenen Rahmen unvollständig bleiben. Fortschritte in Geologie und Technik werden die Aussagefähigkeit geologischer Erkundungsmethoden weiter erhöhen. Wenn die Menschen bei weltweit knapper werdenden Ressourcen und steigenden Ansprüchen gezwungen werden, Vorhandenes effektiver zu nutzen, wird eine vorausschauende Planung immer wichtiger. Die geologischen Erkundungsmethoden sind ein Teil dieser vorausschauenden Planung. Es könnten zum Beispiel (bisher nicht vorhandene) Erdbebenvorhersagemethoden helfen, Bauwerke erdbebensicher(er) zu erstellen.

  3. Hydrogeologische Erkundungsmethoden

    4. Wie erwähnt kann man die hydrogeologischen Erkundungsmethoden nicht scharf von den geologischen trennen. Aus einer geologischen Erkundung werden sich immer auch viele hydrogeologisch verwertbare Daten gewinnen lassen. Trotzdem gibt es gewisse Besonderheiten, die hier aufgeführt werden sollen.

    1. Grundlagen

      2. Zusätzlich zu den Grundlagen für die geologische Erkundung können Unterlagen hinzugezogen werden, die speziell für die Hydrogeologie interessant sind, wie zum Beispiel meteorologische Daten. In der hydrogeologischen Bestandsaufnahme interessieren:

      "topographische Karten und Karten der Landesplanung und Raumordnung, Luftbilder, klimatologische und hydrologische Daten, Angaben über geologische Aufschlüsse und zur Stratigraphie, Meßpunkte und Ergebnisse geoelektrischer Sondierungen, Standorte und Schichtenverzeichnisse von Bohrungen, Diagramme geophysikalischer Bohrlochmessungen, Ausbauangaben von Brunnen und Grundwassermeßstellen, Grundwasserstandsdaten, Ergebnisse chemischer und bakteriologischer Wasseranalysen, Ergebnisse von Pumpversuchen, Publikationen, Gutachten, Berichte"3(S.214).

    2. Bedeutung des Themas für das Bauwesen

      3. Große Bedeutung hat die Hydrogeologie zweifelsfrei bei vielen Wasserbauwerken, aber auch wenn es zum Beispiel um die Frage geht, wie die Abdichtung eines Kellers zu erstellen ist, kommt man um eine hydrogeologische Erkundung nicht herum.

    3. Beschreibung der Vorgehensweise zur Datenerfassung und Bearbeitung des Schwerpunktthemas im Bauwesen

      4. Ein wesentlicher Aspekt der hydrogeologischen Erkundung ist die Grundwassererkundung. Auch die hydrogeologischen Erkundungsmethoden lassen sich unterteilen in Feldmethoden, Labormethoden, die Fernerkundung sowie Berechnungs- bzw. Simulationsmethoden.

      1. Feldmethoden

        2. Die Erstellung von Bohrlöchern durch die verschiedenen Verfahren ist unter 2.3.1 beschrieben. Die Bohrlöcher können als Grundwassermeßstellen dienen. Durch vollständige oder teilweise Verfilterung der Bohrlöcher werden diese zu Brunnen.

        An den Meßstellen kann die Höhe des Grundwassersspiegels zum Beispiel mit Hilfe von Lichtlot oder Brunnenpfeife gemessen werden. In beiden Fällen erhält man ein Signal, sobald das in der Meßstelle herabgelassene Gerät den Grundwasserspiegel erreicht hat. Es wird registriert, wie weit das Gerät herabgelassen wurde, und mit der bekannten Höhe der Bohrlochoberkante kann die NN-Höhe des Grundwasserspiegels ermittelt werden

        Mit Hilfe eines Schreibpegels oder durch Ultraschallmessung lassen sich kontinuierlich Daten über Grundwasserspiegelhöhen gewinnen. Diese Verfahren sind insbesondere bei natürlichen Grundwasserspiegelschwankungen interessant.

        Durch Temperaturmessungen kann festgestellt werden, ob das Grundwasser an der untersuchten Stelle auf- oder absteigt.

        Von Interesse sind oft die Fließrichtung und Fließgeschwindigkeit des Grundwassers. Aus den gemessenen Grundwasserspiegelhöhen kann man die Grundwasserfließrichtung ermitteln. Das Grundwasser wird, sofern es sich um einen freien Aquifer handelt, in Richtung des niedrigeren Grundwasserspiegels fließen.

        Mit Hilfe von Tracern läßt sich zusätzlich die Fließgeschwindigkeit im Gelände bestimmen. Der Vorteil gegenüber den Labormethoden besteht darin, daß sekundäre Hohlräume, wie Klüfte, mit in die Untersuchung eingehen. Als Tracer kommen Farbstoffe, Salze und Radionuklide in Frage. Unter Umständen kommen auch natürliche Isotope in Frage. Der gewählte Tracer sollte an die vorgefundene Bodenchemie angepaßt werden, um zu vermeiden, daß der Tracer das Grundwasser verläßt und sich im Boden anlagert. Eine solche Bindung des Tracers würde zu falschen Ergebnissen führen. Es gibt allerdings keinen Idealtracer. Auch führt der beste Tracer zu keinem Ergebnis, wenn die Meßstellen an den falschen Orten liegen. Je nach Bodenbeschaffenheit kann die Fließgeschwindigkeit sehr gering sein. Aus den mit den Tracern gewonnenen Daten läßt sich die Nutzporosität bestimmen.

        Für das Tracer-Verfahren wird man in der Regel mehrere Bohrlöcher benötigen. Es lassen sich jedoch auch hydrogeologische Daten mit nur einem Bohrloch gewinnen, man spricht dann von Einbohrlochmethoden, im Gegensatz zu den Mehrbohrlochmethoden. In solch einem einzelnen Bohrloch lassen sich zum Beispiel geophysikalische Bohrlochmessungen durchführen.

        Zu den geophysikalischen Bohrlochmessungen gehören Auffüllversuche und Pumpversuche. Mit ihrer Hilfe läßt sich die Gesteinsdurchlässigkeit bestimmen.

        Ein Auffüllversuch nach dem "Verfahren von KOLLBRUNNER-MAAG erfordert einen voll verrohrten Pegel, der bis in den Aquifer reicht und bei dem das Wasser nur über die Sohle abfließen kann."3(S.251). Open-End-Tests sind ähnlich, bei ihnen wird aber das Wasser mit konstantem Druck zugeführt. Die dritte Art von Auffüllversuchen sind Packertests, man unterscheidet Einfachpacker und Doppelpacker. Die Packer sind Abdichtungen, die den Zwischenraum zwischen Bohrloch und einem für den Packertest in das Bohrloch eingeführten Rohr geringerem Durchmessers abdichten. In allen Fällen werden Rückschlüsse aus der resultierenden Grundwasserspiegelerhöhung gezogen.

        Bei Pumpversuchen wird der umgekehrte Weg beschritten, es wird die Reaktion des Wasserspiegels auf die Entnahme von Grundwasser registiert.

        Neben solchen künstlichen Grundwasserspiegelschwankungen lassen sich auch natürliche Grundwasserspiegelschwankungen erfassen und auswerten. Mit solchen und ähnlichen Methoden lassen sich Rückschlüsse auf die Drainierbarkeit des Untergrundes, seinen Speicherkoeffizienten und die hydraulischen Aquiferkennwerte ziehen.

        Elektrische Leitfähigkeitsbestimmungen helfen besonders im Übergangsbereich von Salz- zu Süßwasser - die Ionenleitfähigkeit ist vom Salzgehalt abhängig.

        Mit Sickerrohrversuchen können Sickerraten bestimmt, die Geräte werden auch Lysimeter genannt, interessant sind die Sickerraten vor allem für Fragen der Grundwasserneubildung.

      2. Labormethoden

        3. Permeameter sind Geräte, mit denen die Durchlässigkeit von Bodenproben bestimmt werden kann. Im Gegensatz zu dem im Feld bestimmten kf-Wert wird hier der k-Wert bestimmt, da es sich um ungestörte Proben handeln soll. Zu unterscheiden sind Permeameter mit konstantem hydraulischen Druckgradienten und Permeameter mit veränderlichem hydraulischen Druckgradienten.

        Korngrößenanalysen und Schichtenverzeichnisse liefern wertvolle Hinweise auf das Grundwasserverhalten.

        Chemische Grundwasseranalysen müssen an den Anwendungszweck angepaßt werden. Die Vielzahl der möglichen Untersuchungen macht diese Einschränkung erforderlich. Für das Bauwesen wichtig ist zum Beispiel die Untersuchung von Wasser auf Betonaggressivität.

        Bakteriologische Untersuchungen sind ebenso wie die chemische Analysen besonders interessant, wenn es um die Frage der Eignung eines Grundwassers als Trinkwasser geht.

        Bei Festgesteinen kann das Quellverhalten von Interesse sein, es läßt sich im Labor bestimmen. In Lockergesteinen beeinflußt der Wassergehalt Konsistenz und Dichte des Materials. Labortechnisch bestimmen lassen sich Fließgrenze, Ausrollgrenze, Schrumpfgrenze, Plastizitätszahl und Konsistenzzahl. Die Wasseraufnahmefähigkeit spielt zum Beispiel bei Tonen, die als Dichtungsmaterial genutzt werden sollen, ein Rolle.

      3. Fernerkundungmethoden

        4. In der Fernerkundung geht es oft nicht so sehr um Messungen als vielmehr um Beobachtungen. Hydrogeologisch interessante Beobachtungen sind zum einen natürlich das Vorkommen von Wasser oder Anzeichen darauf, es lassen sich aber auch Rückschlüsse aus den anstehenden Gesteinsarten, Böden, sowie deren Verteilung ziehen. Störungszonen sind als Lineationen in den Luft- oder Satellitenbildern zu erkennen.

        Bei der Erkundung von Kluftwasser bestehen "Zusammenhänge zwischen Störungen (als Photolineationen bestimmt) und den Ergiebigkeiten von Brunnen. Die Linearanalyse leistet wertvolle Hilfe bei der Festlegung von Bohrpunkten für Aufschlußbohrungen, die bevorzugt auf prägnanten Lineationen bzw. deren Kreuzungspunkten angesetzt werden"3(S.234, 235).

        Fernerkundungsmethoden können somit zur Vorbereitung der hydrogeologischen Feldarbeit oder auch konkreter Brunnenbauvorhaben eingesetzt werden.

      4. Berechnungsmethoden

        5. Mit Hilfe hydrogeologischer Modelle kann zum Beispiel versucht werden, eine Vorhersage über die Ergiebigkeit von Brunnen zu treffen. Diese rechnerischen Modelle werden mit den in der hydrogeologischen Felderkundung und in Laboruntersuchungen 'gefüttert'.

    4. Erläuterung an Hand praktischer Beispiele aus dem Bauwesen

      5. Eine Altlastensanierung ist nur möglich bei genauer Kenntnis des Umfeldes. Bild 1 beschreibt die allgemeine Vorgehensweise zur Erkundung des Umfeldes für das Schutzgut Grundwasser.

      Daneben gibt es eine Vielzahl von Wasserbauwerken wie Kanäle, Speicherbecken, das Sickerwasserproblem von Deponien, Bauwerksabdichtungen im Erdbau, etc. Alles Anwendungsgebiete für hydrogeologische Erkundungsmethoden.

      Bild 1 - Erkundungsstrategie für das Schutzgut Grundwasser, Umfelderkundung 4

    5. Ausblick

      6. In der Zukunft könnten mit Hilfe hydrogeologischer Erkundung die Heizkosten drastisch gesenkt werden: "Rund 5000 Einwohner im Neubaugebiet Amorbach werden künftig die Hälfte ihres Bedarfs an Heiz- und Warmwasserenergie direkt von der Sonne beziehen." 5 Wie der "Erdsonden-Speicher" in diesem Projekt können Aquifere als "Saisonale Speicher" die in Sonnenkollektoren gewonnene Energie bis in die Wintermonate speichern. Voraussetzung ist, daß das Grundwasser nicht abfließen kann, eine genaue hydrogeologische Erkundung ist somit unerläßlich.

      Zu kurz gekommen sind sicherlich die Auswertungsverfahren, deren Anwendung sicher noch stärker als die überwiegend beschriebenen technischen Verfahren von Fall zu Fall unterschiedlich ist. In der Praxis wird man sich die geeigneten Technologien je nach Anwendungszweck und zur Verfügung stehenden Möglichkeiten wie aus einem Baukasten zusammenstellen und dann geeignete Auswertungsmethoden suchen.

      Es handelt sich hierbei auch nicht so sehr um speziell geologische oder hydrogeologische Verfahren sondern um eher allgemeine wissenschaftliche Verfahrensweisen, mit denen zum Beispiel die Plausibilität von Messungen überprüft werden kann, eventuelle Meßfehler ausfindig gemacht werden können, usw.

    6. Literaturverzeichnis

      1. BARSCH, H. und BILLWITZ, K (1990): Geowissenschaftliche Arbeitsmethoden, Ein Lehrbuch, Verlag Harri Deutsch.
      2. BENDER, F. (1981): Angewandte Geowissenschaften, Bd. I, Geologische Geländeaufnahme, Strukturgeologie, Gefügekunde, Bodenkunde, Mineralogie, Petrographie, Geochemie, Paläontologie, Meeresgeologie, Fernerkundung, Wirtschaftsgeologie, Stuttgart (Enke).
      3. BENDER, F. (1984): Angewandte Geowissenschaften, Bd. III, Geologie der Kohlenwasserstoffe, Hydrogeologie, Ingenieurgeologie, Angewandte Geowissenschaften in Raumplanung und Umweltschutz, Stuttgart (Enke).
      4. Forschungszentrum Karlsruhe, IAI (1996): AlfaWeb: Altlasten-Fachinformationen im WWW, zusammen mit der Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg im Internet unter http://www.uis-extern.um.bwl.de/lfu/abt5/altlasten/, die Adresse des Bildes ist: http://www.uis-extern.um.bwl.de/lfu/abt5/altlasten/berichte/mza12/04_kma/abb4.gif
      5. PETERMANN, J. (1997): Im Winter mit Sommersonne heizen, Beitrag über unterirdische Langzeitwärmespeicher in: DER SPIEGEL Nr. 37/8.9.97, S.192/193.