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Anlage 6 zu Drs.Nr.: BKA 0588

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Titelmaster

Analyse der Bodenbewegungsmessungen im Untersuchungsgebiet Elsdorf-Berrendorf 31. Januar 2011 Köln Prof. Dr.-Ing. Heiner Kuhlmann Institut für Geodäsie und Geoinformation Universität Bonn

Analyse von Bodenbewegungsmessungen, Elsdorf-Berrendorf, Heiner Kuhlmann


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Gliederung

1. Schilderung der Ausgangssituation 2. Vorstellung des Auswerteverfahrens 3. Vorstellung der Untersuchungsergebnisse fĂźr das Untersuchungsgebieten Berrendorf 4. Kurze Vorstellung weitere MĂśglichkeiten des Auswerteverfahrens am Beispiel anderer Untersuchungsgebiete

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1. Schilderung der Ausgangssituation 3

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Ausgangssituation

Grundwasserabsenkung im Bereich des Bergbaus führt zu Bodensenkungen Überwachung der Bodensenkungen u.a. durch die RWE Power AG und die Vermessungsverwaltung: Präzisionsnivellements in regelmäßigen zeitlichen Abständen 4

Messkampagnen  Messverfahren Nivellement  Vermarkung: stabile Höhenbolzen

Ergebnis

Bild: wikipedia

 Höhenunterschiede relativ zu einem Ausgangszeitpunkt  Messunsicherheit: σ = 1 mm (Standardabweichung)

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Beispiel Berrendorf: Punktverteilung Berrendorf - Zeitraum 1999 bis 2007

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Beispiel Berrendorf: Isoliniendarstellung Berrendorf - Zeitraum 1999 bis 2007

Senkungsbeträge Zeitraum 1992 – 2007: etwa 870 bis 1140 mm Zeitraum 1999 – 2007: etwa 520 bis 680 mm

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Grundsätzliche Fragestellung

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• Gibt es eine „gleichförmige“ Bodensenkung? • • • •

Absenkung um konstanten Wert Geneigte Ebene Gekrümmte Fläche …. 7

• Gibt es geologische Besonderheiten? • Bewegungsaktive tektonische Störung • Auengebiete (mit humosen Böden, Grundwasserbeeinflussung)

• Gibt es kleinräumige „Sonderbewegungen“? • Gibt es abweichende Einzelpunkte? (lokale Effekte, Messfehler, etc.)

• Ist die Punktdichte ausreichend? Analyse von Bodenbewegungsmessungen, Elsdorf-Berrendorf, Heiner Kuhlmann

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2. Vorstellung des Auswerteverfahrens 8

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Fragestellung

Beschreibung der großräumigen Bodenbewegung - Absenkung

1 Parameter 9

- Absenkung - Verkippung

3 Parameter

- Absenkung - Verkippung - Krümmung

x Parameter

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Vorgehen

Wähle einfaches Modell Beurteilung Modellqualität 10

Modell verwerfen

Modell annehmen

Wähle komplexeres Modell

Lokale Auffälligkeiten?

Vorteile des Vorgehens: - es gehen keine Vorinformationen ein  hypothesenfrei - die Übereinstimmung von Modell und Realität ist beurteilbar Analyse von Bodenbewegungsmessungen, Elsdorf-Berrendorf, Heiner Kuhlmann

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Überprüfung Modellqualität

Generelles Problem/Aufgabe: Trennung der Messungsunsicherheiten von tatsächlichen Bodenbewegungen

Eigenschaften des Nivellements

2  1 1  x − µ    exp −  f ( x) =    σ 2π  2 σ  

 Genauigkeit des Nivellements ist bekannt  zufällige Messungsunsicherheiten lassen sich durch eine Standardabweichung σ beschreiben.  angenommene Messgenauigkeit für die aus zwei Epochen abgeleiteten Senkungsbeträge: σ = 1mm Messungsabweichungen liegen zu - 95% im Bereich ± 2 mm - 99.7% im Bereich ± 3 mm

0,997 0,95 0,68

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Trennung von Bodenbewegung und Messunsicherheit durch Definition eines Grenzwertes: hier 2.57 mm  In diesem Bereich liegen 99% aller zufälligen Messungsunsicherheiten  1% der Messungsunsicherheiten werden als Bodenbewegung interpretiert  Bei einem Punktabstand von 10m entspricht dies einer Neigung von 0.257 mm/m Analyse von Bodenbewegungsmessungen, Elsdorf-Berrendorf, Heiner Kuhlmann

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Beispiel Niederzier: Isoliniendarstellung Ein Beispieldatensatz

Die Höhenlinien verdeutlichen die von Osten nach Westen hin zunehmenden Senkungsbeträge. Fragen: • Anhand welcher Kriterien kann festgestellt werden, dass eine konstante Absenkung das Senkungsverhalten nicht korrekt beschreibt?

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• Welches Modell ist stattdessen geeignet?

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Beispiel Niederzier: konstante Absenkung

Überprüfung der Modellqualität • Die Anzahl der verworfenen Punkte ist groß • Die Abweichungen der bestätigten Punkte sind systematisch  Das Modell kann nicht angenommen werden 13

Grenzwert

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Beispiel Niederzier

Ein Beispieldatensatz: Modellierung des Senkungsverhaltens durch eine gekr체mmte Fl채che

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Beispiel Niederzier: gekrümmte Fläche

Modell der gekrümmten Fläche wird bestätigt • 97 von 99 Punkten bestätigen den Ansatz • Verbleibende Abweichungen zeigen keine größeren Systematiken • 2 Punkte sind in einer Einzelpunktanalyse zu untersuchen Ohne Berücksichtigung der auffälligen Punkte

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Beispiel Niederzier: Isoliniendarstellung

Insgesamt 2 auff채llige Punkte

Modellansatz: gekr체mmte Fl채che Auff채llige Punkte - werden detektiert & - separat analysiert

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3. Vorstellung der Untersuchungsergebnisse f端r das Untersuchungsgebieten Berrendorf 17

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Beispiel Berrendorf

Untersuchungszeiträume - 1992 bis 2007 - 1999 bis 2007 18

Gebietsgröße: 1400 x 1800 m²

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Beispiel Berrendorf: Punktverteilung Berrendorf - Zeitraum 1999 bis 2007

Anzahl der Messpunkte im Zeitraum 1992 – 2007: 194 Zeitraum 1999 – 2007: 638 19

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Beispiel Berrendorf: Isoliniendarstellung Berrendorf - Zeitraum 1999 bis 2007

Senkungsbeträge Zeitraum 1992 – 2007: etwa 870 bis 1140 mm Zeitraum 1999 – 2007: etwa 520 bis 680 mm

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Ergebnisse der Flächenapproximation Berrendorf - Zeitraum 1999 bis 2007

Modell: gekrümmte Fläche

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Für die Beurteilung der Modellqualität wird an jedem Punkt die Differenz zwischen Modell und Realität betrachtet.

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Abweichung zw. Modell und Messgrößen Berrendorf - Zeitraum 1999 bis 2007

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• 622 von 638 Punkten stützen das Modell (gekrümmte Fläche) • 16 Werte überschreiten die gewählte Signifikanzgrenze • 6 größere Abweichungen sind erkennbar Analyse von Bodenbewegungsmessungen, Elsdorf-Berrendorf, Heiner Kuhlmann

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Berrendorf: Analyse der Abweichungen

Überprüfung der angesetzten Nivellement-Messgenauigkeit: s = 0,9 mm ( die 6 großen Abweichungen dürfen bei der Berechnung nicht berücksichtigt werden)

Die durch die Standardabweichung beschriebenen Abweichungen resultieren • aus den Messungsabweichungen und • den Modellabweichungen

Berrendorf - Zeitraum 1999 bis 2007

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 • Annahme σ = 1mm bestätigt • Modell angenommen

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Berrendorf: Analyse der Abweichungen

An 16 von 638 Punkten (= 2,5%) sind die Abweichungen signifikant Mögliche Ursachen für die Abweichungen sind: • 1% (6 Messwerte) sind aufgrund der Signifikanzgrenze (99%) zu erwarten • lokal abweichende sümpfungsbedingte Senkungen • grobe Messabweichungen Berrendorf - Zeitraum 1999 bis 2007 • lokale Effekte, z.B. durch

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− Punktbeschädigungen − eine unstabile Gründung der Punkte

•…  Einzelpunktprüfung

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Verteilung der auff채lligen Punkte Berrendorf - Zeitraum 1999 bis 2007

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Analyse lokaler Auffälligkeiten

Das vorgestellte Verfahren stellt die Detektion von Messungen mit größeren Auffälligkeiten und die Detektion von auffälligen Punktgruppen sicher. In allen Untersuchungsgebieten werden solche Beispiele sichtbar. Für die Analyse dieser Abweichungen kann • der zeitliche Verlauf eines Punktes analysiert werden • das Bewegungsverhalten der Umgebung hinzugezogen werden • auf zusätzliche Informationen (z.B. Baugrunduntersuchungen) zurückgegriffen werden

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Es ist stets eine individuelle Überprüfung notwendig.

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Krßmmungen – Berrendorf Berrendorf - Zeitraum 1999 bis 2007

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Kr체mmungen

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Radius

Auswirkung

1000 km

< 0,02 mm

500 km

< 0,03 mm

100 km

0,12 mm

50 km

0,25 mm

10 km

1,25 mm

5 km

2,5 mm

2,5 km

5,0 mm

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Radius = 1000 km

Seitenl채nge = 10m H < 0,02 mm

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Neigungen â&#x20AC;&#x201C; Berrendorf Berrendorf - Zeitraum 1999 bis 2007

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Neigungen â&#x20AC;&#x201C; Berrendorf Berrendorf - Zeitraum 1999 bis 2007

maximale Neigung: 0,2 mm/m (Zeitraum 1999 â&#x20AC;&#x201C; 2007) 30

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4. Kurze Vorstellung weitere Mรถglichkeiten des Auswerteverfahrens am Beispiel anderer Untersuchungsgebiete 31

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Beispiel Wanlo Epochen 1996 und 2008 161 Punkte Modellansatz: Verkippte Ebene 32

Quelle: google.maps Analyse von Bodenbewegungsmessungen, Elsdorf-Berrendorf, Heiner Kuhlmann

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Beispiel Wanlo: verkippte Ebene

• Modell der Ebene wird für einen Teil der Punkte bestätigt • Es liegt eindeutig eine Bewegungsanomalie im Bereich des grün hervorgehobenen Bereichs vor (keine scharfe Abgrenzung möglich)

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Beispiel Wanlo: verkippte Ebene Auebereich

Informationen 端ber die geologische Sondersituation (Aue) wurden nicht f端r die Auswertung verwendet

Eine geologische Sondersituation wurde detektiert Separate Analyse des Auegebietes

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Beispiel Oberzier

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Epochen 1998 und 2006 395 Punkte Besonderheit: Stark unterschiedliche Senkungsbetr채ge von bis zu 80mm im angegebenen Zeitraum

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Beispiel Oberzier: Ansatz einer Ebene

â&#x20AC;˘ Ein Modellfehler ist offensichtlich â&#x20AC;˘ Eine zweite Ebene wird anhand der Residuen sichtbar  Modellierung von zwei separaten Ebenen

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Beispiel Oberzier: Modell mit zwei Ebenen

â&#x20AC;˘ Ein Modellfehler ist offensichtlich â&#x20AC;˘ Eine zweite Ebene wird anhand der Residuen sichtbar  Modellierung von zwei separaten Ebenen

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Beispiel Oberzier: östliche Ebene

Analyse der östlichen Ebene - automatisierte Auswahl der Punkte - Auffällige Punkte im Bereich der Ebene werden dennoch sichtbar (siehe Kästchen)

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Beispiel Oberzier: westliche Ebene

Analyse der westlichen Ebene (analog zur östlichen Ebene) - Auffällige Punkte im Bereich der Ebene werden sichtbar - Punkte zwischen den Ebenen (Bruchzone) müssen separat analysiert werden

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Fazit Auswertung Berrendorf

1.

Das großräumige Bewegungsverhalten kann durch Modelle beschrieben werden. Eine Beurteilung der Modelle ist alleine anhand der gemessenen Daten möglich.

2.

In die Auswertung fließen nur nivellierte Höhenunterschiede ein. Die Modelle greifen nicht auf weitere Informationen zurück. Somit ist das Verfahren bzgl. des Bewegungsverhaltens hypothesenfrei.

3.

Ausreißer können anhand der Abweichungen der Messungen vom Modell detektiert werden. Voraussetzung ist, dass zunächst ein geeignetes Bewegungsmodell bestätigt wird (s. Punkt 1).

4.

Bewegungsanomalien können aus den Daten detektiert werden (hier Auesetzungen und Tektonik). Die Ursache kann alleine aus den Daten nicht abgeleitet werden.

5.

Die Beurteilung der Punktdichte ist anhand des Datenmaterials ohne Zusatzinformationen möglich.

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Vielen Dank!

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