Die Bautätigkeit

Die komplizierten mechanischen Eigenschaften der Kippen wirken sich auf die Bautätigkeit aus. Die Auswirkungen einer ungleichmäßigen Verformbarkeit der Kippe müssen bereits bei der Auswahl der Bauweise sowie entsprechender Methoden der Baugründung berücksichtig werden. Für eine erfolgreiche Baugründung müssen oftmals Maßnahmen zur Bodenverbesserung ergriffen werden, deren Ziel insbesondere die Beseitigung der Hohlräume ist. Die einzelnen Methoden der Bodenverbesserung werden im Kapitel Lösungsbeispiele diskutiert.

Bergbautätigkeit

Eine geringe Festigkeit einer degradierten Kippe hat grundlegende Auswirkungen auf die Bergbautätigkeit an sich. Die Standsicherheit der zeitweiligen sowie der endgültigen Kipppenböschungen gehört zu oft diskutierten Themen. Bei der Entstehung von Rutschungen auf den Böschungen der Kippen nimmt die Festigkeit an den Scherflächen auf residuale Werte ab, die auch 7° erreichen können. Somit ist eine Stabilisierung sowie Sanierung der entstandenen Rutschungen sehr aufwendig und kostspielig. Ein Beispiel einer Rutschung kann zum Beispiel die Rutschung im Bereich der Kippe des Tagebaus Merkur im Jahre 1985 sein, das Gesamtvolumen der Rutschung wurde damals mit 140 Millionen m3 Erdmassen beziffert (Větrovský, 2006).

Hydrogeologie

Einer der maßgeblichen Faktoren, die sich auf die Geschwindigkeit der Umgestaltung der Kippe auswirken, ist das Wasservorkommen. Somit ist der Wasserhaushalt der Kippe einer der grundlegenden Aspekte, die zu untersuchen sind. In einer frischen Kippe funktioniert ein System von verbundenen Lüftungsräumen als einer Quelle bevorzugter Drainagewege, durch die frei das Niederschlagswasser strömt. Das Wasservorkommen führt allmählich zur Steigerung der Plastizität der Klumpen und zur Schließung der verbundenen Hohlräume. In Abhängigkeit von den Bereichen der Versickerung kann aber diese Entstehung der Plastizität nur einen lokalen Charakter haben. Auf Abb. 7 sind die Quellen einer ungleichmäßigen Versickerung dargestellt, das können abflusslose   Absenkungen sein, die nur durch Niederschlag gespeist werden und in Geländefalten auf der Oberfläche der Kippe entstehen. 

Abb. 7: Quellen einer ungleichmäßigen Versickerung auf der Kippe Radovesická výsypka etwa 12 Jahre nach der Verkippung - - mit Niederschlagswasser gespeiste Absenkungen (Vojar et al., 2012).

Der Wasserhaushalt der Innenkippen umfasst eine schrittweise Sättigung der Kippe von den unteren Schichten in Folge des Anstiegs des Grundwasserspiegels. Dieser wurde während dem Abbau künstlich durch Pumpen abgesenkt, nach der Einstellung des Bergbaus kommt es zum Ausgleich des Grundwasserspiegels. Im Unterschied zur Versickerung des Niederschlags ist dieser Prozess flächendecken und kann fortschreitendes Versagen der Kippenstruktur in den gesättigten Bereich zur Folge haben. Dieses Phänomen, dass an vielen ähnlichen Standorten auch im Ausland (Charles, 2001) dokumentiert wurde, zeichnet sich durch eine plötzliche Setzung der Oberfläche ab, deren Folge eine Beeinträchtigung der Bauwerke ist.

Rekultivace krajiny

Die mechanischen Eigenschaften der Kippen sowie die Art der Rekultivierung der Bergbaufolgelandschaft tun sich gegenseitig beeinflussen. Die Form der Oberfläche nach der Rekultivierung muss eine langfristige Stabilität ausweisen, einschließlich der Uferböschungen künstlicher Restseen, die in gefluteten Restlöchern entstehen. Die Zuführung von Wasser in ein durch Bergbau betroffenes Gebiet hilft im Gegenteil einer rascheren Degradierung der Struktur der Kippen und ihrer Homogenisierung. Im Idealfall sollte das Gesamtkonzept der Rekultivierung der Landschaft mit einer Stabilisierung der mechanischen Eigenschaften der Kippenerden verbunden sein.

Lösungsbeispiel

Aus der bisherigen Darstellung ergibt sich, dass das Hauptproblem bei der Gründung von Bauwerken auf Kippen das schwierig einschätzbare Verhalten der Kippen ist, das insbesondere mit den Hohlräumen im Erdmaterial zusammenhängt. Deswegen ist es bei Baugründungen auf Kippen wichtig solche Arten von Bauwerken zu wählen, die nicht sensibel hinsichtlich ungleichmäßiger Setzungen des Baugrundes sind. Ein weiteres entsprechendes Aspekt der Lösung des Problems ist eine Reduzierung des Potentials der ungleichmäßigen Setzungen vor der eigentlichen Bautätigkeit, insbesondere mittels einer Minimierung der Hohlräume. Dazu können folgende Verfahren eingesetzt werden:

Wassersättigung

Die Zuführung von Wasser in den Körper der Kippe verursacht ein Aufweichen der Klumpen und beschleunigt die Umwandlung ihrer Struktur. Die Umwandlung der Struktur ist ein zwangsläufiger Prozess. der früher oder später eintreten muss. Eine gute Lösung beruht somit darin, diesen Prozess so zu beschleunigen, dass er im höchstmöglichen Maß noch vor Beginn der Baumaßnahmen auf der Kippe erfolgen kann. Ansonsten droht die Gefahr einer Beeinträchtigung der bereits bestehenden Bauwerke. Eine ideale Lösung ist eine fortschreitende Sättigung der Kippe in Folge des Grundwasseranstiegs. Wie bereits ausgeführt wurde, ist dieser Prozess nach der Einstellung des Bergbaus typisch für die Innenkippen. Versuche einer Sättigung der Kippen von der Oberfläche aus mit Hilfe von Versickerungsrinnen zeigten sich wirklich nicht wirksam. Der Grund dafür ist insbesondere die Tatsache, dass die Versickerung mittels bevorzugter Wege stattfindet. Die Umwandlung der Kippenstruktur erfolgt somit nur lokal,nicht in ihrem Gesamtvolumen.

Rüttelverfahren

Das Prinzip des Rüttelverfahrens ist die Anwendung eines rottierenden exzentrischen Gewichtes auf der Oberfläche der Kippe. Durch das drücken des Kippentons in die Seiten kommt es zur Verdichtung der Kippe und Reduzierung der Hohlraumvolumens. Das so entstandene Profil kann mit Ton mit ähnlichen Eigenschaften verfüllt werden, der fortschreitend verdichtet wird (Abb. 8). Alternativ kann das Profil diesseits und jenseits mit Kies oder Steingemisch mit einer höheren Tragfähigkeit als Ton gefüllt werden. Der Nachteil dabei ist, dass der durchlässige Kies eine Versickerung des Wassers in den Kippenkörper verursachen kann, wodurch die Gefahr der Setzungen nach der Vollendung des Bauwerkes zunimmt. Aktuell besteht dieses Risiko insbesondere bei frischen Kippen mit einem höheren Hohlraumwert (Větrovský, 2006).

Abb. 8: Beispiel der Bodenverbesserung mit Hilfe sog. Tinpfeiler (Vaníček a Vaníček, 2008)

Vorbelastung mit Hilfe einer Aufschüttung

Ein geeignetes Instrument zur Senkung ungleichmäßiger Setzungen ist eine Vorbelastung durch eine Aufschüttung. In dem Bereich des geplanten Bauvorhabens wird eine Aufschüttung ausgeführt, die im Idealfall auf der Kippenoberfläche eine größere Spannung auslöst, als das geplante Bauwerk. In Folge der Vorbelastung werden die Hohlräume reduziert. Die in Folge der Schließung der Hohlräume verursachten Setzungen stellen dann meistens ein relativ schnellen Prozess dar. Die Geschwindigkeit wird insbesondere durch das verbundene Porensystem verursacht. Dieses Verfahren verursacht zwar eine bestimmte Verzögerung vor der Ausführung des Bauwerkes (schätzungsweise im Umfang von Monaten) , als ein Vorteil dieser Methode kann aber die Tatsache betrachtet werden, dass die Aufschüttung unter Einhaltung der vorgeschriebenen Verfahren als eine Konstruktionsschicht des Bauvorhabens verwendet werden kann (zum Beispiel Dämme bei Linienbauwerken).

Dynamische Verdichtung

Die dynamische Verdichtung ist ein Verfahren, das auf wiederholten dynamischen Einschlägen eines schweren Gewichtes auf die Oberfläche der Kippe beruht. Das Gewicht sowie die Fallhöhe sind Parameter, die sich auf die Intensität der Verdichtung sowie die Reichtiefe auswirken. Die Verdichtung muss in einem entsprechend gewählten Raster durchgeführt werden, um ein gleichmäßiges Ergebnis in der gesamten betroffenen Fläche erreichen zu können. Aus einem Vergleich der dynamischen Verdichtung und der Vorbelastung durch eine Aufschüttung ergibt sich (Charles, 2008), dass bei den selben Setzungen der Oberfläche die statische Belastung durch die Aufschüttung eine größere Reichtiefe hat, während die dynamische Verdichtung eine höhere Effizienz in den flachen Schichten der Kippe ausweist.

Ersatz des Bodens

Eine weitere Möglichkeit ist der Ersatz des Kippenmaterials durch besseren Boden. Dieses Verfahren ist finanziell aufwendig und verursacht Probleme mit der weiteren Nutzung des Erdaushubs. In manchen Fällen kann aber dieses Verfahren für den Ersatz der Böden in der oberflächennahen Schicht genutzt werden, in der die größten Setzungen erwartet werden.

Weitere Verfahren

Es gibt noch eine Reihe von weiteren Methoden, deren Anwendung nicht ganz üblich ist.  Zu diesen gehört eine Vorbelastung mit Hilfe von Vakuum, Verdichtung mit Hilfe von gesteuerten Explosionen, Einspritzungsverfahren, Einsatz von Geokunststoffen, chemische Stabilisierung oder Einsatz vertikaler Drainagen, die zur Beschleunigung der Konsolidation zum Beispiel in Kombination mit der Vorbelastung durch die Aufschüttung dienen können. 

Modellierung von Versuchsdämmen im Rahmen der Autobahn D8

Als ein Beispiel eines konkreten Bauwerkes auf einer Kippe kann die Autobahn D8 Dresden - Prag dienen. Der Autobahnabschnitt zwischen Türmitz (Trmice) und Kninitz (Knínice) verläuft durch eine Gebiet, dass durch den Bergbau betroffen war. Etwa die Hälfte des 12 km langen Abschnitts befindet sich auf Kippen. Vor dem eigenen Bau der Autobahn wurden in der geplanten Strecke zwei Versuchsdämme aufgebaut, die einem Monitoring unterzogen wurden (Abb. 9). Diese Aufschüttungen wurden an Stellen gebaut, an denen die Autobahn die Kippe des Tagebaus Antonín Zápotocký durchtrennt. An Stellen der aufgeschütteten Dämme hatte die Kippe eine Mächtigkeit von etwa 25 - 30 m, war voll gesättigt und ihr abgeschätztes Alter war etwa 30 Jahre.

Abb. 9: Versuchsdämme auf der Strecke der zukünftigen Autobahn D8 vor Baubeginn.

Die Aufschüttungen wurden mit Inklinometern, mit tiefen magnetischen Referenzzeichen, die in Bohrungen in unterschiedlichen Tiefen unterhalb der Aufschüttungen installiert wurden, mit Profilen der hydrostatischen Nivellierung, mit denen die Setzungen der Kippenoberfläche unter den Aufschüttungen aufgezeichnet werden können und mit Geräten für die Messung des Porendrucks bestückt. Der gesamte Zeitraum für die Messungen der Reaktion der Kippe auf die Vorbelastung mit Aufschüttungen war 3  und 6 Jahre für die unterschiedlichen Aufschüttungen.

Im Rahmen einer weiteren Studie wurden die Ergebnisse des Monitoring nachher mit einem physikalischen Modell verglichen, der in der geotechnische Schleuder am ETH in Zürich in der Schweiz getestet wurde (Najser et al., 2010). Gleichzeitig wurde mit Hilfe eines fortgeschrittenen Konstitutionsmodells (hypoplastisches Modell für Tone mit einer metastabilen Struktur)  eine numerische Modellierung durchgeführt (s. Mašín, 2007). Das Ziel des Forschungsprojektes war es, so weit wie komplexe Vorstellungen über die mechanischen Eigenschaften alter Kippen zu erhalten.

Die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes können in folgende Punkte zusammengefasst werden:

•    Wechselnde Zusammendrückbarkeit der Kippe zeigte sich auch im Fall einer 30 Jahre alten Kippe mit einer markant degradierten Struktur.
•    Während der Modellierung wurden die Verformungsmechanismen dokumentiert und bestätigt, die auf Abb. 5 dargestellt sind..
•    Die Zusammendrückbarkeit einer Kippe besteht aus zwei Phasen (Abb. 10). Während der ersten Phase werden die Hohlräume geschlossen, dies zeigt sich durch eine schnelle Setzung der Kippenoberfläche unter Entstehung ungleichmäßiger Deformationen. Während der zweiten Phase stellt sich eine langsamere Konsolidierung ein, die sich in langsameren Setzungen widerspiegelt. Diese Phase findet auf einer Kippe mit geschlossenen Hohlräumen und einer deutlich reduzierten Durchlässigkeit dar, dadurch dauert die Konsolidierung länger.

Abb. 10 Verlauf der Setzungen der Kippe unter der Versuchsaufschüttung Die erste Phase einer markanten und schnellen Setzung ist mit der Schließung der Hohlräume in der Kippe verbunden. Die folgenden langfristigeren Setzungen mit einem wesentlich geringeren Umfang hängen mit einer fortschreitenden Konsolidierung der Kippe zusammen. Ein Teil der langfristigen Setzungen wird wahrscheinlich auch durch den creep beeinflusst (Boháč und Škopek, 2004).

• ·         Eine physikalische sowie numerische Modellierung der mechanischen Eigenschafften einer Kippe ist ein sehr komplizierter Prozess. Die Grundlage für ein erfolgreiches Modell ist eine genaue Kenntnis einer Reihe von Parametern (die Korngrößenverteilung der Klumpen, Verlauf der Aufschüttung, Verlauf der Sättigung der Kippe, die Heterogenität des Materials etc.). Weil diese Parameter in der Zeit der Entstehung der Kippe sowie in den folgenden Jahren nicht erfasst werden, arbeitet jedes Modell mit einem großen Maß an Unsicherheit.

·         Eine bedeutende Auswirkung, die die Umwandlung der Struktur der Kippe beschleunigt, ist ihre Verwitterung in Folge einer zyklischen Wassersättigung in der oberflächennahen Zone. In den oberen 10 Metern der Kippe kann in Folge der Verwitterung 60 - 80% des Gesamtvolumens der Hohlräume zwischen den einzelnen Klumpen degradieren. Auf Abb. 11 sind die Unterschiede zwischen den Setzungen unter der Versuchsaufschüttung in unterschiedlichen Tiefen im Vergleich mit einem Modell in einer Zentrifuge dargestellt. Das Modell in der Zentrifuge kann die Auswirkungen der Verwitterung nicht in Betracht ziehen, das zeigte sich durch ein höheres Maß an Setzungen in den oberen 10 Metern der Kippe.

Abb. 11: Verlauf der Setzungen in Folge der Vorbelastung durch eine Vorbelastung. Vergleich der Versuchsaufschüttung und des Modells in der Zentrifuge.

Abschließend kann festgestellt werden, dass Bauen auf Kippen trotz ihren ungünstigen Eigenschaften möglich ist. Das kann durch eine Reihe von erfolgreichen Bauwerken aus den vergangenen Jahrzehnten nachgewiesen werden. Zu diesen gehören zum Beispiel die Bauwerke der Autorennstrecke, des Hippodroms oder des Flugplatzes in der Umgebung von Brüx (Most). Ein Beispiel eines sehr komplizierten Linienbauwerks ist zum Beispiel der Seestadtler Korridor (Ervěnický koridor). Im Rahmen seines Baus wurde eine Eisenbahnstrecke, eine Straße der ersten Ordnung und der Fluss Bílin (Bílina) auf der Krone eines riesigen aufgeschütteten Damms verlegt, der durch Kippenböden gebildet ist. Die Höhe des Damms erreicht bis 171 m, die Breite am Fuße 2 600 m und in der Krone 260 m. Die Länge des Damms beträgt 3,6 km und mit einem Gesamtvolumen angewendeter Kippenböden von 540 mil. m3 ist es eines der größten Erdbauwerke weltweit (Vaníček a Vaníček, 2008). Viele weitere kleinere Baumaßnahmen einschl. Einfamilienhäuser sind ein Nachweis dafür, dass bei Einsatz einer passenden Konstruktion, der Art der Baugründung und einer Verbesserung des Bauuntergrundes die Kippen ohne größeren Probleme für Baumaßnahmen angewendet werden können.

Podklady/Multimédia

Datenquellen

Boháč, J. a Škopek, J. 2004. Stanovení stlačitelnosti výsypky zatěžovacícm násypem a oedometrickou zkouškou. Sborník příspěvků 32. konference Zakládání Staveb, Brno, 300-305.

Charles, J.A. 2008. The engineering behaviour of fill materials: the use, misuse and disuse of case histories. Géotechnique, 58(7), 541–570.

Charles, J.A. a Watts, K.S. 2001. Building on fill: geotechnical aspects. 2nd edition. Construction Research Communications, London.

Feda, J. 1998. Fragmentary clay – a difficult waste material. Engineering Geology, 51, 77–88.

Kostkanová,V., Herle, I. a Boháč, J., 2014. Transitions in structure of clay fills due to suction oscillations. Procedia Earth and Planetary Science 9, 153-162.

Mašín, D. 2007. A hypoplastic constitutive model for clays with meta-stable structure. Canadian Geotechnical Journal, 44(3), 363-375.

Najser, J. Mašín, D. a Boháč, J. 2012. Numerical modelling of lumpy clay landfill. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics 36, No. 1, 17-35.

Najser, J., Pooley, E., Springman, S. M., Laue, J. a Boháč, J. 2010b. Mechanisms controlling the behaviour of double porosity clayfills – in situ and centrifuge study. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, 43, 207-220. (ISSN 1470-9236).

Vaníček, I. a Vaníček, M. 2008. Earth structures in transport, water and environmental engineering. Springer.

Větrovský M., 2006. Příspěvek k řešení problematiky zakládání staveb na báňských výsypkách severočeského hnědouhelného revíru. disertační práce Ph.D., Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava Fakulta stavební Katedra geotechniky a podzemního stavitelství, Ostrava.

Vojar, J., Doležalová, J. a Solský, M. 2012. Hnědouhelné výsypky – nová příležitost (nejen) pro obojživelníky. Ochrana přírody 3, 8-11.

www.geology.cz – mapový podklad

Ein Beispiel der Raumnutzung sind Kippen der Tagebaue oder Halden des Tiefbaus und die damit im Zusammenhang stehende Problematik. Eine effektive Auswertung und das Management der Risiken, die eine dynamische Entwicklung der Landschaft und Folgen extremer Szenarien berücksichtigen stellen einen wichtigen Schritt nicht nur im Prozess der Raumplanung dar, sondern auch beim Ausbau und Entwicklung der Siedlungen oder der Infrastruktur. Ein Informations- oder Expertensystem muss somit im Rahmen einer Datenbank sämtliche Daten zur Stabilität der Raumes komplex integrieren und diese Daten gemeinsam mit Hilfe von speziell für die Einschätzung der mit der zukünftigen Raumnutzung verbundenen Risiken entwickelten Algorithmen verarbeiten können.

Standort 1

Probleme mit Bewegungen von Böschungen entstehen zum Beispiel auch in den Uferbereichen des Restsees Milada (Abb. 1 und 2).

Abb. 1: Neigung der Böschungen am Restsee Milada

Abb. 2: Sattelitenkarte des Restsees Milada

Standort 2

Der wichtigste Standort zur Überprüfung des entwickelten Systems ist die Umgebung des Restsees Brüx (Most) (Abb. 3 und 4), der durch die Rekultivierung eines Braunkohletagebaus und seiner Innen- und Außenkippen entstand. Es handelt sich um das Gebiet der ehemaligen Stadt Brück vor ihrer Verlagerung und Aufnahme des Braunkohleabbaus. Ein Teil der Uferbereiche des Sees wird durch gewachsenes Gelände gebildet, die meisten Uferbereiche werden aber durch Kippen mit unterschiedlicher Mächtigkeit und Alter gebildet. Die Stadt Brüx möchte zukünftig einen Teil des Gebietes in der Umgebung des Restsees zur Bebauung und einer teilweisen Rückkehr der Stadt in ihr ursprüngliches Zentrum nutzen.

Abb. 3: Neigung der Böschungen am See Brüx

Abb. 4: Lage des Restsees Brüx

Die dargestellten Probleme können durch die Anwendung eines Informationssystems einer Lösung zugeführt werden. Dieses Informationssystems umfasst eine entsprechende Datenbank (s. folgendes Kapitel), einen Satz von analytischen Tools zur Lösung der dargestellten Aufgaben und eine Benutzeroberfläche, die eine Darstellung roher Daten, Ergebnisse der analytischen Tools, die Steuerung der analytischen Tools und einen Einsatz eines Frühwarnsystems ermöglicht.

Charakteristische Größen

Folgende grundlegende Daten sind notwendig oder können für eine Analyse genutzt werden:

• Archive mit Karten zum Bergbau und Verfüllung von Restlöchern (Höhenlage, hydrologische sowie geotechnische Bodenparameter),
• Archive mit geologischen und hydrogeologischen Karten,
• Archive mit Beschreibung von Bohrkernen,
• Zeitreihen der Messungen des Grundwasserspiegels in den Bohrungen in dem entsprechenden Gebiet,
• Zeitreihen der Messungen der Bewässerung (Oberflächenwasserspiegel),
• Zeitreihen der Messungen des Wasserzuflusses in den See
• hydrometeorologische Messungen,
• Zeitreihen der Messungen der Gewässergüte,
• historische, gegenwärtige sowie geplante städtebauliche Nutzung des Gebietes.
• ...

Lösungsansätze

Die Daten können von dem Verwalter des Gebietes (PKÚ) oder von anderen Einrichtungen gewonnen werden.

Für die Auswertrung der Daten wird insbesondere die multikriterielle Analyse vorgeschlagen. Um diese nutzen zu können müssen folgende Schritte unternommen werden:

• Entwicklung der Struktur der Datenbank,
• Feststellung möglicher Risiken:
• Standsicherheit der Böschungen,
  • Wasserverunreinigung,
  • Eutrophisierung,
  • unausgeglichene Wasserbilanz,
• Identifizierung von Kriterien, die den größten Einfluss haben,
• Entwicklung der Bewertungskriterien,
• Definition des Gewichtes einzelner Kriterien,
• Entwicklung eines Informationssystems.

Fachinformationssystem

• Tschechischer geologischer Dienst (Geofond)
  • Dateien MS Access und
  • XML-Dateien "Datenbank geologisch dokumentierter Objekte der Tschechischen Republik - Ausgabenanwendung"Es handelt sich um ein Austauschformat gem. internationalen Standards des Projektes eEarth.
• Inklinometrie (Textdateien - maschinell erzeugte Berichte),
• Erkundungsbohrungen aus dem Archiv im Word (2413 Stück), höchstwahrscheinlich aus dem System "Geobanka" der Firma Data-PC Sokolov exportiert.
• gdBase - Einlesung mancher Felder.
• Niederschlag und Temperatur in Form einer Textdatei auf dem FTP-Server des Staatsbetriebes Povodí Ohře s.p.
• Kontigenztabelle in MS Excel

Abb- 5: Online basierte Anwendung zur Einsicht in die Beobachtungen

Abb. 7: Auswertung der Böschungsstabilität am See Most mit Hilfe einer neu entwickelten Methode.

Abb. 8: 3D Visualisierung der Ergebnisse der Berechnung der Böschungsstabilität des Restsees Most mit Hilfe des Geländeprofils.

Abb9. Auswertung der Böschungsstabilität am See Most mit dem Instrument SAGA GIS.

Abb. 10: 3D Visualisierung der Ergebnisse der Berechnung der Böschungsstabilität am See Most mit Hilfe von SAGA GIS.

Arbeit mit Daten, ihre Erfassung, Auswertung und Interpretation spielen eine Schlüsselrolle in der Auswertung und Vorhersage natürlicher Gefahren im Bezug zur zukünftigen Nutzung der Landschaft. Natursysteme stellen hoch komplexe Einheiten dar, die oft komplizierte zeitlich und räumliche Strukturen beinhalten. Für die Auswertung und Vorhersage von Systemen bedarf es einer holistischen Herangehensweise. Die Behandlung ihrer Problematik, also insbesondere die Verfolgung ihres Zustandes, der sich ergebenen Gefahren und Steuerung ihrer Auswirkungen stellt ein interdisziplinäres Problem dar. Die Problematik des Monitoring und Auswertung geotechnischer Risiken sowie die weiteren Entscheidungen über die Nutzung der betroffenen Gebiete muss so mit Hilfe von Informationsinstrumenten behandelt werden. Damit ist eine Implementierung von Technologien für ein Monitoring, Datenverwaltung und Auswertung aus der Sicht möglicher Risiken gemeint. Mit dieser Unterstützung durch Informationen und Erkenntnisse können Kenntnisse der Teilfachbereiche effektiver zusammengeführt und somit ein komplexes Modell entwickelt werden. Somit ist es notwendig Modelle und Methoden der Auswertung einzusetzen, mit denen ausreichend realistisch das beobachtete Verhalten des untersuchten Systems dargestellt und sein zukünftiges Verhalten vorhergesagt werden kann, um so eine optimale Entscheidung über die zukünftige Entwicklung der Landschaftsnutzung aus der Sicht der weiteren Entwicklung zu unterstützen.

Die Auswertung umfasst jedes Mal unterschiedliche Sichtweisen, zum Beispiel wirtschaftlich sparsame, umweltfreundliche, soziologisch günstige, zeitlich vorteilhafte sowie unterschiedliche Szenarien, die zum Beispiel aus städtebaulicher Sicht zu berücksichtigen sind, wann unter Erreichung bestimmter Grenzwerte unterschiedlicher Landschaftsnutzungen das System destabilisiert und die Festlegung der Ziele bedroht werden. Eine Eliminierung der Risiken sollte zum Beispiel nicht effektive Investitionen in Baumaßnahmen an Stellen verhindern, an denen in der Zukunft geotechnische Risiken initiiert werden könnten.

Notwendiges Know-How

• HTW: Bestimmung charakteristischer Bodenparameter, Berechnung der Belastung.
• TUL: Entwicklung der Datenbank und des Informationssystems.
• KU: Auswirkungen der Sättigung des Bodens auf seine mechanische Eigenschaften.
• ITN: Erfahrungen mit Rekultivierungsschichten.

Geophysikalische Untersuchungen werden oftmals als eine Methode angewendet, mit denen Probleme von vielen geologischen sowie nicht geologischen Fachgebieten gelöst werden können. Ein wesentlicher Erfolgsfaktor ist eine enge Zusammenarbeit der Fachexperten, die sich mit Teilaspekten beschäftigen. Die erwähnte Studie setzt eine Zusammenarbeit von Fachexperten aus unterschiedlichen Fachdisziplinen vor. Zur Illustration werden hier konkrete Aspekte einer interdisziplinaren Zusammenarbeit im Rahmen der Erarbeitung dieser Studie beschrieben.

Vor Beginn der Arbeiten ist eine mindestens grobe Vorstellung über die geologische Situation des Projektgebietes zu erstellen. Diese entstand in diesem Fall auf Grundlage von Geländearbeiten und Erfahrungen des Geologen und Vulkanologen, die die erste Hypothese über die innere Struktur des Vulkans aufstellen. So kann zum Beispiel auf Grundlage der vorausgesetzten geologischen und geomorphologischen Situation während der Eruption der Typ der Eruption abgeschätzt werden, ob sie explosiv war oder ob es eher ruhige Ausgüsse waren, mögliche Typen der Lava und eventueller Pyroklastiken etc.

Folgend werden durch den Geophysiker die Eigenschaften der vorausgesetzten Gesteine abgeschätzt und die physikalischen Parameter ausgewählt, die für ihre Kartierung eingesetzt werden können. Er plant das Messnetz, führt die Datenerfassung durch und übernimmt die Verarbeitung und erste Interpretation der Daten.

Folgend werden wieder der Geologe und Vulkanologe eingeladen, die in enger Zusammenarbeit mit dem Geophysiker die endgültige Interpretation übernehmen und im Ergebnis ein umfassendes geologisches Modell entwickeln. Dieser beinhaltet nicht nur detaillierte Angaben zum Umfang der einzelnen Gesteinstypen, sondern auch das Verwitterungsmaß der einzelnen Gesteine, es markiert tektonisch gestörte Bereiche oder zum Beispiel die Tiefe des Felsuntergrundes, der für eine Baugründung in Frage käme. Dieses umfassende Modell kann dann als eine Unterlage für weitere Fachdisziplinen dienen, die die geologische Situation als ein Eingabeparameter kennen brauchen. Im Fall der am Anfang erwähnten Autobahn ist es der Projektant, der auf Grundlage dieser Angaben stabile Hangneigungen der Böschungen (und somit überflüssigen Rutschungen vorbeugen) und Gebiete festlegen kann, die es besser wäre zu meiden (alte Rutschungskörper, wenig tragbarer Untergrund, ...) und die Tiefe der Gründung der Brückenpfeiler, Stützmauer etc. festlegen.

Geologische Lage

Der tertiäre Vulkan Zebín (399 m NN) ist heute ein kleiner Kegel, der etwa ein Hundert Meter über die umliegende Landschaft etwa zwei Kilometer Nordöstlich vom Stadtzentrum von Jitschin herausragt (Abb.  1, 2, 3). Der Vulkan ist ein Bestandteil des jitschiner neovulkanischen Gebietes (alkalischer Innenplattenvulkanismus aus dem oberen Erdmantel) Der K-Ar Datierung nach fand hier die vulkanische Aktivität vor etwa 17,51 Millionen Jahren statt (Rapprich et al. 2007). Zur Eruption kam es in einer sumpfigen, aus tonhaltigen Meeressedimenten der oberen Kreide gebildeten Landschaft. Die stürmischen Wechselwirkungen des glühenden vulkanischen Materials mit Wasser führten zur Fragmentierung des vulkanischen Materials und der Herausbildung eines Tuffkegels.

Abb. 1: Schematische Karte der Böhmischen Masse mit Angabe der Lages des Vulkans Zebín . Das eingefügte Bild zeigt die Lage der Böhmischen Masse im Rahmen der europäischen variszischen Orogenese. (Raprich et al. 2017)

Abb. 2: Anblick des Zebín von Südost. (Rapprich et al. 2017).

Abb. 3: Anblick des Zebín vom Westen. (Foto V. Rapprich)

Der eigentliche Vulkan wird durch einen vulkanischen pyroklastischen Kegel (vulkanische Asche, Lapili, Bomben...) gebildet, der an vielen Stellen durch Basaltgänge durchbrochen wird und mit Lavaausgüssen durchlegt ist. Der vulkanische Kegel bildet eine stark inhomogene Einheit mit scharfen unregelmäßigen Übergängen zwischen sehr festen und sehr weichen Gesteinen. Diese inhomogene Struktur wird sehr gut durch die Wände eines verlassenen Steinbruchs aus der Zeit Albrechts von Waldstein dokumentiert (Abb.  4). Diese heterogene innere Struktur des Vulkankegels ist keine Ausnahme und ist ein typisches Beispiel der Zusammensetzung der Gesteine aller vulkanischer Gebiete.

Abb. 4:Anblick der Wand im alten Steinruch zeigt eine sehr heterogene Innenstruktur des Vulkankegels  (Rapprich et al. 2017).

Physikalische Parameter des Gesteins

Für eine erfolgreiche Anwendung geophysikalischer Methoden ist ein ausreichender Kontrast der untersuchten physikalischen Parameter der untersuchten Strukturen und der umliegenden Landschaft notwendig. In diesem Fall ist das Ziel die festen, kompakten basischen Laven, die weichen, verwitterten pyroklastischen Gesteine und die Tonsteine und den Mergelkalk der Kreide im Untergrund voneinander zu unterscheiden. In diesem Fall bieten sich gleich mehrere physikalische Parameter an, mit deren Hilfe die Gesteinstypen unterschieden werden können.

Die erste physikalische Kenngröße ist die Magnetisierung des Gesteins. Allgemein verfügen die basischen Laven über eine höhere magnetische Suszeptibilität (Magnetisierbarkeit des Gesteins, Tab.  1)), als das pyroklastische oder sedimentierte Gestein. Dies wird durch einen hohen Anteil magnetischer Eisenminerale (Magnetit, Pyrhotin, Ilmenit,...) in basischen Eruptivgesteinen verursacht. Die Magnetisierung der Basalte wird durch das geomagnetische Feld der Erde in der Nähe ihres Vorkommens wesentlich beeinflusst. So kann mit Hilfe der Messungen von Abweichungen des geomagnetischen Feldes von seinem Normalwert dieses Gestein sehr einfach erfasst werden.

Ein weiterer nutzbarer physikalischer Kennwert ist der elektrische Widerstand des Gesteins. ·Insbesondere der sog. spezifische Widerstand, als ein auf die Größe der Probe umgerechneter Widerstand, der somit ein konkretes Material spezifiert. Weil sich das pyroklastische Gestein aus sehr feinen Gesteinskörnern zusammensetzt und relativ gut durchlässig ist, findet in Folge der Wirkung des Oberflächenwasser eine relativ rasche Verwitterung statt. Der Verwitterungsprozess bedeutet unter anderem eine Umwandlung der ursprünglichen gesteinsbildenden Minerale zu Tonmineralen. Diese binden sehr einfach Wasser auf ihre Oberfläche und werden somit leitfähig. Der Unterschied der Werte der spezifischen Widerstände von Tonen und üblicher gesteinsbildender Minerale (Tab.  1) kann auch mehrere Ordnungen betragen, somit ist ihre Unterscheidung in der Regel einfach.

Das letzte physikalische Parameter, dass in dieser Studie eingesetzt werden kann, ist die Geschwindigkeit der Verbreitung der sog. P-Wellen (elastische Kompressionswellen). Die kompakten basischen Laven verfügen über eine mehrfach höhere Geschwindigkeit der Verbreitung seismischer Wellen, als die weichen und verwitterten Pyroklasten. Genauso ist auch die Dämpfung der seismischen Wellen wesentlich geringer in Laven, als in Pyroklasten.

Alternativ könnte auch eine Messung von Veränderungen der Endbeschleunigung gemessen und davon auf die Veränderungen der Dichte des Gesteins gefolgert werden, weil die basischen Laven über eine höhere Dichte, als die meisten anderen Gesteine verfügen (Tab.  1). In manchen Fällen kann auch für eine Unterscheidung der basischen Gesteine die Messung der natürlichen Radioaktivität verwendet werden, indem die basischen Gesteine eine geringere Radioaktivität aufweisen, als zum Beispiel wegen einer unterschiedlichen Konzentration von K, U, Th das saure Gestein.

Geophysikalische Methoden

Magnetometrie

Die Magnetometrie stellt eine schnelle Methode der Messung dar. Somit ist sie gleich zu Beginn der Untersuchungen dazu geeignet, die Fläche aufzuteilen und gezielt zeitlich aufwendigere Methoden zu ersetzen. In diesem Fall wurden die Messungen mit einem Protonenmagnetometer mit einer Genauigkeit von 1 nT  durchgeführt. Gänge basischer Eruptivgesteine mit einem ähnlichen Umfang, der erwartet werden konnte, rufen Anomalien des geomagnetischen Feldes in Ordnungen von Hundert und Tausend nT hervor, somit ist die Genauigkeit der Messung also mehr als ausreichend. Die Intensität des geomagnetischen Feldes wurde an Punkten gemessen, die an den zugänglichen Teilen des Vulkans frei verteilt waren (Abb.  5). Die Verarbeitung magnetometrischer Daten ist relativ einfach, die Daten werden nach den Zeitveränderungen des Magnetfeldes angepasst, die durch wiederholte Messungen an einem Kontrollpunkt gewonnen wurden. Folgend werden sie in einer Form von Karten der Intensität des geomagnetischen Feldes dargestellt (Abb.  6). Für den entsprechenden Standort und den Zeitraum der Messungen entspricht der Wert eines Normalfeldes etwa 49000.nT. Wesentlich höhere Werte (die stellenweise  bis 60000 nT übersteigen) indizieren Stellen, an denen die kompakte basische Lava an die Oberfläche ausstreicht, also Stellen der vulkanischen Zuleiter. Auf diese Stellen konzentrierten sich dann die folgenden detaillierte Untersuchungen.

Abb. 5: Topographische Karte des Zebin mit eingetragenen geophysikalischen Messungen

Obr. 6: Izolinie velikosti geomagnetického pole. Velikost normálního pole na lokalitě v čase měření odpovídá velikosti cca 49000 nT.

Der Zeitaufwand für diese Messungen war etwa ein Nachmittag, für die Durchführung dieser Arbeiten reicht ein Mitarbeiter. Somit ist die Magnetometrie als eine Erkundungsmethode sehr gut geeignet.

Geoelektrische Messungen

Von einer Reihe geoelektrischer Methoden wurde die sog. ERT-Geoelektrik Methode (in englischer Literatur Electrical Resistivity Tomography, ERT) verwendet. Diese Methode macht sich die Tatsache zum Nutzen, dass die Tiefe der Durchdringung des elektrischen Stroms in das Gestein mit der zunehmenden Entfernung der Stromelektroden zunimmt. Wird also eine Reihe von Wiederstandmessungen durchgeführt, bei denen die Entfernung der Stromelektroden schrittweise zunimmt, werden die gewonnenen Erkenntnisse unterschiedlichen Tiefebenen entsprechen. Durch die Verschiebung der gesamten Ordnung entlang des Profils können auch die Messpunkte entlang des Profils verschoben werden. Das Ergebnis ist eine Karte mit Veränderungen des spezifischen Widerstands in unterschiedlichen Tiefen entlang des Profils. Die Tiefe der Durchdringung des elektrischen Stroms wird neben der Entfernung der Stromelektroden durch die gesamte Konfiguration dieser Elektroden (unterschiedliche Kombinationen der Strom- und Potentialelektroden) beeinflusst. Die praktische Messung wird so durchgeführt, dass entlang des Profil eine hohe Anzahl an Elektroden angebracht wird (mehr als Zehn oder Hunderte an Elektroden), die mit einem Mehrleiterkabel verbunden werden. Die Steuerungseinheit schaltet die einzelnen Elektroden abwechselnd als Strom- und potentielle Elektroden nach einem vorher definierten Schema.

Die häufigste Art der Messungen beruht in einer Verteilung der Elektroden entlang des direkten Profils und der 2D Inversion (Umrechnung) der gemessenen scheinbaren spezifischen Widerstände und ihrer richtigen Position entlang des Profils. Die Inversion kann aber auch in drei Dimensionen (3D) berechnet werden. Für eine 3D Bearbeitung können einige parallelen oder gegenseitig senkrechte Direktprofile oder eine direkte Anordnung der Elektroden in der Fläche genutzt werden. Alternativ (wie in diesem Fall) können auch eingekrümmte Profile verwendet werden. Die eingekrümmten Profile werden am häufigsten durch eine begrenzte Zugänglichkeit des Geländes (dichte Vegetation, Felshänge, private nicht zugängliche Grundstücke etc.) erzwungen. Der Verlauf der gemessenen Profile wurde im Bild 5 dargestellt, die Entfernung einzelner Elektroden entlang des Profils beträgt fünf Meter. Die direkten Teile der Profils wurden in 2D invertiert (Abb.  7), sämtliche gemessene Daten dann mit Hilfe einer 3D Inversion (Abb. 8).

Flache Refraktionsseismik

Mit dem Begriff der flachen Refraktionsseismik werden mehrere Varianten der Messungen der Geschwindigkeit seismischer Wellen bis in Tiefen von einigen zehn Metern bezeichnet. Für die Messungen der Geschwindigkeiten werden die Kopfwellen, oder auch reflektierte Wellen verwendet. In der flachen Seismik werden die seismischen Wellen am meisten durch einen Schlag eines schweren Hammers in eine spezielle Unterlage generiert, die auf der Erdoberfläche liegt. Aus dem gesamten Spektrum der durch die seismische Welle getragenen Informationen werden in der Refraktionsseismik am meisten nur die sog. Ersteinsätze (die Zeit des Eintreffens der seismischen Welle zum Sensor) verwendet. Sowie im Fall der ERT-Geoelektrik Methode wird eine hohe Anzahl von Sensoren (Geophone) verwendet, die in regelmäßigen Abständen entlang der Profile aufgestellt werden. Die Profile können ebenfalls gerade oder gekrümmt sein. Die Verteilung seismischer Profile ist auf Abb. 5 dargestellt. Anzahl der Anschläge des Hammers - die Quelle - ist in der Regel vergleichbar oder leicht geringer, als die Anzahl der Sensoren.

Die erfassten Zeiten des Eintreffens von den einzelnen Quellen, geordnet je nach der Entfernung der Sensoren (Hodochrone) zeigen die Veränderungen der seismischen Geschwindigkeiten entlang des Profils und dienen als Input für die Berechnung des Geschwindigkeitsmodells (Verteilung der Geschwindigkeit der Verbreitung der seismischen Wellen in unterschiedlichen Tiefen entlang des Profils). Im Unterschied zur ERT-Geoelektrik Methode werden in der Refraktionsseismik zwei grundlegende Typen der Interpretierungsmodelle verwendeten - ein Schichtmodell und ein Gradientenmodell.

Das Schichtmodell setzt ein Modell der Umgebung voraus, dass aus mehreren Schichten mit mehr oder weniger homogenen seismischen Geschwindigkeiten zusammensetzt ist. Die Veränderungen der Verbreitung der seismischen Wellen an den Schnittstellen der Schichten sind sprunghaft und können auch relativ hoch sein. Dieser Typ der Umgebung ergibt sich aus einem Modell eines sedimentären Beckens, in dem lithologisch sehr vielfältige Schichten aufeinander liegen können. Die Lithologie an den Schnittstellen der Schichten unterliegt somit sprunghaften Veränderungen, im inneren der Schicht ist sie aber auch über große Entfernungen ähnlich. Eine sehr häufig verwendete Methode für die Interpretierung mit Hilfe eines Schichtmodells ist die t0-Methode .

Der zweite Typ des Modells der Umgebung ist die sog. Gradientumgebung. In diesem Typ der Umgebung verändern sich die Größen der seismischen Geschwindigkeiten nur allmählich, dennoch aber können sie sich beliebig in allen Richtungen verändern. Diesem Modell fehlen also scharfe Schnittstellen. Als ein geologisches Vorbild dieses Modells kann zum Beispiel eine verwitterte Oberfläche des Kristallinikums dienen. Die Intensität der Verwitterung nimmt mit der Tiefe allmählich ab, der Rückgang der Intensität der Verwitterung ist aber langsam und es fehlen hier scharfe lithologische Übergänge. Das Model einer Gradientumgegbung stellt das grundlegende Modell für die seismische Tomographie dar.

Früher wurde aus Gründen eines geringen Rechenaufwandes das Schichtmodell bevorzugt, heute überwiegt viel mehr die Verarbeitung der Daten mit Hilfe der seismischen Tomographie und des Gradientmodells   und zwar wegen einer Vielseitigkeit des Gradientmodells und Vereinfachung des gesamten Prozesses der Verarbeitung. 

Die Datenverarbeiten bestand in diesem Fall aus der Erfassung der Zeiten des Eintreffens der seismischen Wellen (Ersteinsatz) und dem Testen der Konsistenz des gewonnenen Datensatzes. Danach folge die Berechnung eines Schichtenmodells mit Hilfe der t0-Methode, der folgend als ein Ausgangsmodell für die seismische Tomopgrahie diente. Das Gradienten - Geschwindigkeitsmodell (Abb.  9) diente als das Ausgangsmodell für die geologische Interpretation.

Geologische Interpretation

Die geologische Interpretation einiger unterschiedlicher geophysikalischer Methoden wird in mehreren Schritten durchgeführt. Zuerst wird für jede Methode die erste, Startinterpretierungen festgelegt, diese werden folgen untereinander verglichen. Die Ergebnisschnittmenge stellt dann die endgültige Interpretation dar.

In diesem Fall handelte es sich insbesondere um die Erfassung der Lavaströme und der Zuleiter, die markante inhomogenitäten bilden (sehr hartes Gestein in relativ weichen und leicht abbaubauren Gesteinen). Mit Hilfe der Magnetometrie werden basische Gesteine als Gebiete mit einer erhöhten Magentisierung erfasst (wegen Vorkommen magnetischer Minerale). Die Widerstandtomographie als ein Gebiet erhöhter spezifischer Widerstände (geringe Konzentration leitfähiger Tonminerale - Verwitterungsprodukt). Die Seismik betrachtet kompakte Laven als Gebiete mit höheren seismischen Geschwindigkeiten (die Geschwindigkeit der Verbreitung seismischer Wellen nimt mit der zunehmenden Intensität der Verwitterung steil ab).

Eine gemeinsame Interpretation aller eingesetzter Methoden deutet auf mehrere Zuleiter basischer Lava (Abb.  7 und 9). Eine 3D-Bearbeitung der Widerstandstomographie (Abb.  8) stellt einen generellen Verlauf der Basalte im Inneren des gesamten Vulkans dar.

Abb. 7: Die ERT-Geoelektrik Methode  - 2D Inversion direkter Teile der Profile. Gestrichelt die interpretierten Zuleiter des Magma. 

Abb. 8: 3D Inversion sämtlicher gemessener geoelektrischer Daten. Die weißen Punkte bezeichnen die Position der einzelnen Elektroden

Abb. 9: Das Geschwindigkeitsmodell der seismischen Tomographie zeigt die Schnittstelle zwischen der kompakten Lava (hohe Geschwindigkeit der Verbreitung seismischer Wellen) und Tuffe mit Verwitterungen. Die weiße Linie markiert die Schnittstelle, die mit Hilfe der Methode t0 berechnet wurde und die rot gestrichelten Linien zeigen die interpretieren Zuleiter basaltischer Lava.   

Fazit

Die dargestellte Studie zeigt, wie geophysikalische Methoden sehr leicht, schnell (einige Tage im Gelände und folgende Verarbeitung der Daten im Büro) und somit auch kostengünstig detaillierte Angaben über den geologischen Aufbau einer sehr inhomogenen Umgebung liefern können. Das geschilderte Verfahren und die dargestellten Ergebnisse zeigen insgesamt eindeutig, dass im Fall von welchen auch immer Bauarbeiten an geologisch schwierigen Standorten esjedes Mal besser ist, vor der Erarbeitung des Projektes und Beginn der Bauarbeiten eine gründliche Kartierung der geologischen Situationen am Standort durchzuführen, als folgend mit hohem Aufwand misslungene Baumaßnahmen sanieren zu müssen.

Anlagen

1. Tabelle der physikalischen Eigenschaften (Datei im Anhang)

2. Schematische Karte der Böhmischen Masse mit dem Vulkan Zebín. (Datei im Anhang)

3. Anblick auf den Zebín von Südosten. (Datei im Anhang)

4. Anblick des Zebín von Westen. (Datei im Anhang)

5. Aufnahme der Wand des in den vulkanischen Kegel des Zebin eingeschnittenen Steinbruchs. (Datei im Anhang)

6. Topographische Karte des Zebin mit der Kennzeichnung der geophysikalischen Messungen. (Datei im Anhang)

7. Isolinien des Magnetfeldes. (Datei im Anhang)

8. ERT-Geoelektrik Methode - 2D-Inversion  (Datei im Anhang)

9. ERT-Geoelektrik Methode - 3D-Inversion  (Datei im Anhang)

10. Geschwindigkeitsmodell der seismischen Tomographie. (Datei im Anhang)

Reference

Milsom J. and Eriksen A., 2011. Field Geophysics. John Wiley & Sons, Chichester, UK.

Musset, A. E. and Khan, M. A. (2000): Looking into the Earth: An Introduction to Geological Geophysics, Cambridge University Press.

Rapprich V, Cajz V, Košťák M, Pécskay Z, Řídkošil T, Raška P, Radoň M (2007) Reconstruction of eroded monogenic Strombolian cones of Miocene age: a case study on character of volcanic activity of the Jičín Volcanic Field (NE Bohemia) and subsequent erosional rates estimation. J Geosci 52: 169–180

Rapprich V., Shields S., Halodová P., Lindline J., van Wyk de Vries B., Petronis M. S., Valenta J. (2017). Fingerprints of magma mingling processes within the Miocene Zebín tuff cone feeding system (Jičín Volcanic Field, Czech Republic). Journal of Geosciences, 62, 215–229. doi: 10.3190/jgeosci.245

Telford William M., Geldard L. P., Sheriff Robert E., 1991: Applied Geophysics. Cambridge University Press, Cambridge

Faktische Darstellung

Die Landschaft kann kurz als ein Teil der Erdoberfläche mit einer entsprechenden Kombination von natürlichen (lebendigen und unlebendigen) sowie kulturellen (d.h. durch den Menschen aus unterschiedlichen Gründen geschaffenen) Elementen definiert werden.

  Als ein konkretes Beispiel der Landschaft wurde das Dreiländereck gewählt, in dem sich Gebiete der BRD, Polens und der Tschechischen Republik berühren. Während der letzten 120 Jahren hat diese Landschaft wesentliche Veränderungen der Gestaltung sowie Zusammensetzung der Elemente erfahren. Es handelt sich um ein Gebiet, dass durch den Rohstoffabbau, insbesondere den Braunkohlenbergbau, betroffen wurde. Auch die Zusammensetzung der Bevölkerung der Landschaft sowie die industriellen, wirtschaftlichen und ökologischen Konzepte haben sich verändert. Der gegenwärtige Zustand der Landschaft kann folgendermaßen beschrieben werden: Stilllegung des Bergbaus in zwei Ländern des Dreiländerecks, Schrumpfung der Industrie, Einschränkung intensiver Eingriffe in den Naturraum und Betonung eines harmonischen Zusammenlebens der Menschen in einer ruhigen, zur Erholung und für kleine Formen des Unternehmens bestimmten Landschaft. Die Landschaft erfuhr eine Veränderung der Zusammensetzung der Wälder, die gegenwärtig überwiegend durch Fichtenbestände gebildet werden. Es wird bestrebt in diese Wälder die ursprüngliche Buche wiedereinzuführen. Schwefelhaltiger Regen in den 1970ger und 1980ger Jahren wurde aktuell durch Blitzhochwasser abgewechselt. Es stellten sich Veränderungen im Untergrund ein, indem manche Schichten abgebaut oder abgeschwemmt wurden (es entstehen Murgänge), an manchen Stellen sind auch die tieferen Schichten gestört. Das wirkt sich auf die hydrologische sowie die seismische Situation in einem Teil des Dreiländerecks aus. In Folge einer Verlagerung von großen Gesteinsvolumen (es gibt ein anderes Relief der Oberfläche) stellten sich Veränderungen der überwiegenden Windrichtungen ein. Die Rekultivierung erfolgte durch eine einfache Auffüllung. Die ursprüngliche leicht gewellte Ausprägung der Landschaft ist verschwunden. Die rekultivierten Flächen sind überwiegend durch Laubholz bewachsen. In dem Gebiet kommen neue Tier- und Pflanzenarten vor, sowie neue Arten von Schädlingen. Manche Maßnahmen zur Beseitigung der Schäden in der Landschaft (zum Beispiel Barrieren gegen Absturz von großen Steinblöcken im Fall von plötzlichen Niederschlägen)  wurden zum ersten Mal durchgeführt und ihre Wirksamkeit sowie die Pflege werden getestet.

In dem Gebiet befindet sich gegenwärtig ein aktiver Tagebau. Das Ziel seiner Besitzer ist eine Erweiterung seiner Größe sowie Tiefe. Bereits die bestehende Situation verursacht eine Reihe von grenzübergreifenden Problemen in unterschiedlichsten Bereichen.

Abb. 2.: Beispiel einer beeinträchtigten Landschaft (Quelle: Pelantová - Zajíček, 2017).

Systematische Beschreibung der Problemlage

Die untersuchte Landschaft weist technische, wirtschaftliche, sozipolitische und Prozessgruppen von Risikofaktoren aus. Diese können weiter im Detail beschrieben werden. Das Problem erreicht ein internationales Maßstab  und wurde bisher nur teilweise untersucht. Zu den gewünschten Ergebnissen dies nicht. Ein wirtschaftlicher Maßstab hat in dieser Problemlage einen nur kurzfristigen Effekt, der durch drastische Folgen abgewechselt werden kann.

Die Stabilität des Systems "Landschaft" ist in diesem Fall offensichtlich gestört. Die hydrologischen sowie geologischen Verhältnisse der Landschaft sind zerrüttet. Die Bevölkerung ist im Bezug zu den dargestellten Problemen ziemlich überempfindlich. Eine offene Kommunikation zwischen den beteiligten Seiten zu dem dargestellten Problem funktioniert in dem System nicht.

Eingesetztes Know-How

Die Mitarbeiter TUL/FM/MTI/OSR verfügen über Kenntnisse aus folgenden Fachbereichen: Risikomanagement, Zuverlässigkeit und Pflege, Managementsysteme.

Datenquellen

• Tschechischer hydrometeorologischer Dienst 
• Tschechischer geologischer Dienst
• Kartenarchive (touristische Karten, Karten der Außengelände, geologische, hydrologische Karten, Windkarten, Karten von Abbaugebieten und Bohrungen etc.)
• Zeitreihen der Messungen der Intensität der Quellen
• Zeitreihen der Kohlenpreise
• Meinungsuntersuchungen
• Statistiken des Arbeitsschutzes
• Erfassungen des Landschaftsschutzgebietes
• Technische Berichte aus Projekten aus den erwähnten anderen Fachbereichen
• Landschaftsbeobachtung
• ...

Die Situation bedarf einer Lösung

Eine Lösung könnte folgende Gestalt haben: systematische Klassifizierung, tiefgreifende Risikoanalysen und Festlegung von Maßnahmen, Festlegung von Schlüsselmerkmalen des Systems, Formulierung von Empfehlungen für eine langfristige Nachhaltigkeit der Landschaft, Formulierung von grundlegenden Vorschlägen zur Weiterbildung der Bevölkerung, um gute zwischenmenschliche Beziehungen aufrechtzuhalten und dieses heikle Thema im Dreiländereck lösen zu können.

• Festlegung grundlegender Merkmale und ihrer Zielwerte aus den Fachbereichen der Botanik, Geologie, Hydrologie, Meteorologie, Soziologie, etc.,
• aus der Sicht ihrer möglichen Modellierungsinstrumente könnten sie mehrere Szenarien der Entwicklung dieser Landschaft im Hinblick zu den gegebenen Bedingungen erarbeiten und somit bei der Festlegung möglicher Risiken und entsprechender Maßnahmen helfen,
• Präzisierung zeitlicher Meilensteine der zukünftigen Entwicklung eines ausgewählten Beispiels einer Landschaft,
• mit Erfahrungen aus anderen Projekten, die auf die Nachhaltigkeit der Landschaft und Kommunikation mit mehreren interessierten Seiten in dieser Richtung ausgerichtet sind, sie können weitere mögliche Datenquellen in Abhängigkeit von dem konkreten Verlauf der entsprechenden Lösung zur Verfügung stellen.