Kontinuierliche Höhenbestimmung zu Ableitung bergbauinduzierter Senkungen
Bereits vor Beginn der Aussolung der ersten Kavernen der Kavernenanlage Etzel im Jahr 1974 wurde am Standort Etzel mit der Überwachung der Tagesoberfläche auf Höhenänderungen begonnen, um Auswirkungen aus dem Bau und Betrieb der Kavernen auf die Tagesoberfläche zu erfassen.
Neben der Größe der Höhenänderungen interessiert dabei auch die Ausdehnung des Einflussbereiche, welcher durch die Senkungsnulllinie, ab der keine Höhenänderung feststellbar ist, begrenzt wird. Hierzu wird seit dem Jahr 1974 durch einen unabhängigen Sachverständigen ein sogenannte Präzisionsnivellement über ein engmaschiges Festpunktnetz durchgeführt. Das Festpunktfeld ist an das Landesnetz höherer Ordnung angeschlossen. Ergänzend zum Nivellement wird seit einigen Jahren die anerkannte Radarinterferometrie in die Höhenbestimmung mit eingebunden. Die Radarinterferometrie (InSAR - Interferometric synthetic aperture radar) wird seit vielen Jahren zur hochpräzisen Messung von großräumigen Veränderungen der Erdoberfläche eingesetzt.
Radarinterferometrie (InSAR)
Radarinterferometrie steht für die interferometrische Prozessierung von mindestens zwei Radaraufnahmen (z. B. Satellitenszenen). Die notwendigen Radaraufnahmen werden durch ein Radarmesssystem in einem Schrägsicht-Aufnahmeverfahren gewonnen. Bei der satellitengestützten Radarinterferometrie befindet sich dieses Messsystem auf einem Satelliten, der die Erde umkreist und Informationen über einen Teil der Erdoberfläche mit einer bestimmten Breite erfasst. Dafür werden elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge im Radarbereich unter einem bestimmten Blickwinkel vom Satelliten zur Erdoberfläche ausgesendet.
Diese beruhen auf der Analyse der Phasendifferenz (Unterschiedlichkeit) von Radarwellen, die von einem Sensor über der Erde gesendet und nach der Reflexion an der Erdoberfläche empfangen werden. Das an der Erdoberfläche bzw. an Objekten reflektierte Radarsignal wird vom Radarsensor wieder empfangen und aufgezeichnet. Die Dimension eines aus den empfangenen Signalen erzeugten Radarbildes ergibt sich aus den Laufzeiten der Signale in Ausbreitungsrichtung (Range) und Flugrichtung (Azimut).
Bei den Rückstreuern unterscheidet man zwischen Punktstreuer (Persistant Scatterer) und Flächenstreuer (Distributed Scatterer). Bei den Punktstreuern handelt es sich um stark rerflektierenden Objekt (z. B. einem Gebäudeteil), Asphalt oder Corner-Reflektor, dessen physikalische Rückstreueigenschaft sich über den Betrachtungszeitraum nicht verändert. Die Flächenstreuer hingegen weisen ein geringes, aber gleichmäßiges Rückstreusignal aufgrund ihrer hohen Anzahl der Rückstreuer innerhalb der Auflösungszelle auf. Dies sind z.B. unbebaute und vegetationsfreie Flächen.
Ergebnisse der Jahresmessung 2024
Die Auswertung der Messungen der jährlichen Höhenüberwachung der STORAG ETZEL im Umfeld der Kavernenanlage Etzel hat für das Jahr 2024 ergeben, dass die Gesamtsenkung (1974 - 2024) im Zentrum der Mulde (Durchmesser etwa 8 km) 70,9 cm beträgt. Dieser Wert entspricht den Erwartungen aus der Senkungsprognose.
Der tiefste Punkt der Gesamtsenkung liegt nördlich der Bundesstraße B436. Da kontinuierlich ab 1974 jährlich die Höhenänderungen durch Feinnivellements und aktuell ergänzend durch die Radarinterferometrie ermittelt werden, können Aussagen über den bergbauinduzierten Jahressenkungsbeträge gemacht werden. Für das Jahr 2023 bis 2024 sind ca. 2,9 cm an Senkung im senkungstiefsten Bereich hinzugekommen. Der sehr flache Senkungstrog ist in der Landschaft mit dem menschlichen Auge nicht wahrnehmbar.
Die Größenordnung der Senkungen und Lage des jährlichen Senkungstroges, welcher maßgeblich das Gesamtsenkungsbild im Kavernengebiet beeinflusst, sind direkt abhängig vom Ein- und Ausspeicherbetrieb der Kavernen.
Das Festpunktnetz der Höhenüberwachung am Standort Etzel in Kürze:
- Überwachte Fläche: ca. 148 km²
- Genauigkeit: 0,5 mm/km
- Überwachung seit: 1973/74
Höhenbeobachtung im Kavernenfeld Etzel im Laufe der Zeit
Der Kavernenbau in Etzel, der im Jahr 1971 begonnen hat, verursacht an der Tagesoberfläche Senkungen, die sich in einer sehr flachen, mit bloßem Auge nicht erkennbaren Senkungsmulde ausbilden. Die Senkungsmulde hat ihren tiefsten Punkt im Zentrum des Kavernenfeldes und läuft nach außen flach aus.
Bereits vor Beginn der Aussolung der ersten Kavernen wurde in 1974 am Standort Etzel ein Netz aus zahlreichen Höhenfestpunkten angelegt, um Auswirkungen aus dem Bau und Betrieb der Kavernen auf die Tagesoberfläche zu beobachten. Hierzu werden jährlich durch einen unabhängigen Sachverständigen Höhenmessungen (Nivellements) durchgeführt und ausgewertet. Das Höhenfestpunktnetz ist dabei an das amtliche Netz der Landesvermessung angeschlossen. Aus dem Vergleich der Höhenmessungen mit den Vorjahren können die Jahres- bzw. Gesamtsenkungen im Kavernenfeld errechnet, dokumentiert und grafisch dargestellt werden.
Um saisonale Einflüsse wie Niederschläge, Temperaturen o.ä. weitgehend auszuschließen und die Aussagefähigkeit zu erhöhen, wird die Vermessung möglichst immer im gleichen Zeitraum eines Jahres durchgeführt. Nachfolgend wird die Entwicklung der Senkungsdarstellung in den vergangenen vier Jahrzehnten exemplarisch dargestellt.
Anfangs noch analoge Darstellung der Senkungen
Zu Beginn der Höhenüberwachung in den 1970er und 1980er Jahren wurde die Auswertung dem damaligen Stand der Technik entsprechend noch analog ausgeführt, d.h. die Messergebnisse wurden ohne Computertechnik mit Instrumenten der Vermessungstechnik auf Papier dokumentiert. Die Darstellung im Risswerk (Kartenwerk des Betriebes) erfolgte noch mit Ziehfeder und Schablone.
Digitale Technik hält Einzug in der Höhenüberwachung
Ab Anfang der 1990er Jahre konnte die Höhenbeobachtung digital erfolgen. So konnte z.B. die Darstellung des Senkungstroges mit Isokatabasenlinien (Linien gleicher Senkung an der Tagesoberfläche) mit Hilfe von Vermessungsprogrammen vollständig digital am Computer erstellt und mittels der damals neuartigen Stiftplotter auch gedruckt werden. Die Abbildung 1 zeigt die Senkungen im Jahre 1991. Der tiefste Punkt der Senkungsmulde liegt beim Höhenmesspunkt 220 im Kavernenfeld südlich der Bundesstraße 436.
Die sogenannte Nulllinie, die äußerste Linie im Isokatabasenplan, stellt die Grenze zum äußeren, von Senkungen unbeeinflussten Bereich dar. Sie liegt im Bereich von Friedeburg im Westen und Horsten im Osten (gestrichelte Linie).
Erweiterung des Messnetzes / Fortschritt in der Technik
Mit dem Voranschreiten von Computertechnik und Digitalisierung konnte die Genauigkeit der Höhenmessung gesteigert werden. Zudem wurde das Höhennetz aufgrund der steigenden Anzahl von neuen Kavernen laufend erweitert. Die Anzahl der Höhenmesspunkte im Kavernenfeld stieg von ursprünglich etwas mehr als 100 bis heute auf über 800 an.
Durch die Größe des Feldes und der hohen Festpunktanzahl kommt es vor, dass Messpunkte über die Zeit durch Fremdeinwirkung verloren gehen oder beschädigt werden. Deshalb wird das Messpunktnetz regelmäßig überprüft und bei Bedarf durch Neu- oder Ersatzpunkte ergänzt. Heutige Abbildungen im Risswerk (Kartenwerk eines bergbaulichen Betriebes) werden vollständig digital erstellt. Kolorierte Hintergrundkarten sind heute Stand der Technik.
Die Abbildung 2 zeigt die Abmessungen des Senkungstrogs im Jahr 2010, die im Vergleich zu 1991 (Abb. 1) annähernd gleich geblieben sind. Die Senkungen haben weiter zugenommen, wobei der tiefste Punkt im Zentrum noch immer bei Höhenpunkt 220 liegt.
Zentrum der Senkungsmulde wandert zum Nordfeld
Abbildung 3 stellt die Senkung mit Stand 2017 dar. Der tiefste Punkt der Senkungsmulde hat inzwischen -48 cm erreicht und darüber hinaus hat sich das Senkungsmaximum aufgrund des Einflusses der neuen Gaskavernen um mehrere hundert Meter in Richtung Nordost verschoben.
Einzug der Radarinterferometrie bei STORAG ETZEL zur Überwachung der Erdoberfläche
Radarinterferometrie (InSAR - Interferometric synthetic aperture radar) wird seit vielen Jahren zur hochpräzisen Messung von großräumigen Veränderungen der Erdoberfläche eingesetzt. Diese beruhen auf der Analyse der Phasendifferenz (Unterschiedlichkeit) von Radarwellen, die von einem Sensor über der Erde gesendet und nach der Reflexion an der Erdoberfläche empfangen werden.
Die sogenannten Corner Reflektoren (Eckreflektoren) werden in der Radarinterferometrie eingesetzt, um als fixer Bezugspunkt präzise einen besonders starken und stabilen Rückstreupunkt für Radarsatelliten zu erzeugen. Sie dienen als Referenzpunkt, um Messungen zu kalibrieren oder Bodenbewegungen mit hoher Genauigkeit zu überwachen.
Dabei werden verschiedene Radaraufnahmen genutzt, um Deformationen zu messen.
Der Reflektor ist meist aus Metall gefertigt, bestehend aus drei rechtwinklig zueinanderstehenden Flächen. Seine Geometrie sorgt dafür, dass eintreffende Radarwellen genau in Richtung des Senders zurückgeworfen werden, wodurch er als heller Punkt im Radarsignal erscheint.
Um eine hohe Messgenauigkeit und Aussagequalität zu gewährleisten, werden diese in Etzel errichteten Cornerreflektoren mit einem Rohr in einer Tiefe von 6 m in den festen Untergrund eingebracht. Das Rohr ist in den oberen Bereich eingespült, in die Endtiefe eingerüttelt und an der Erdoberfläche mit einem Fundament aus Beton versehen.
Zudem ist in unmittelbarer Nähe einen Höhenfestpunkt installiert, der als Vergleichspunkt für die jährliche Nivellementsmessung der STORAG ETZEL dient.
Gebäudemonitoring
Die STORAG ETZEL und die örtliche Bürgerinitiative "Lebensqualität" hatten im Jahre 2015 gemeinsam vereinbart, ein Gebäudemonitoring als vertrauensbildende Monitoringmaßnahme im Umfeld der Kavernenanlage bei 36 Objekten im Hinblick auf eventuelle Senkungsschäden und mögliche Schieflagen zu veranlassen.
51 Gebäudekomplexe seit 2018 im Monitoring
Seit dem Jahr 2015 sind nun insgesamt 51 Gebäudekomplexe mit Nebengebäuden, Stallungen und Garagen im Monitoring. Beobachtungsobjekte sind historische und öffentliche Gebäude, Wohngebäude und Stallungen in der Gemeinde Friedeburg.
Die jeweiligen Erstvermessungen im IST-Zustand werden durch anerkannten Sachverständigen durchgeführt. Die Zulassung der jeweiligen Beobachtungsobjekte erfolgt erst nach Rücksprache mit den Eigentümern. Danach wird das Gebäude vermessungstechnisch mit Höhenbolzen vermarkt und anschließend eine Nullmessung durch einen anerkannten Sachverständigen durchgeführt.
Begutachtung und Messungen erfolgen 5jährlich
Alle 5 Jahre werden die Gebäude zudem von einem Sachverständigen begutachtet, um etwaige Senkungsauswirkungen frühzeitig zu erkennen. Dieses Verfahren der Überwachung erfüllt dabei den in Deutschland anerkannten Prozessen der Bergschadensermittlung und Vermessungstechnik.
Die betreffenden Gebäude wurden in den jeweiligen Zeitintervallen in Zusammenhang mit der Höhenbeobachtung (Nivellement) des Kavernenfeldes auf mögliche Schieflagen vermessen.
Nach Rücksprache mit der Bürgerinitiative wurden die Messintervalle auf 5 Jahre zusammengefasst gemäß den Bestimmungen des Rahmenbetriebsplans der STORAG ETZEL von 2020.
Weitere Objekte werden mit einbezogen
Die Zulassung des Rahmenbetriebsplans der STORAG ETZEL sieht vor, dass sukzessive weitere Beobachtungsobjekte in das Monitoringprogramm für Gebäude einbezogen werden. Die Vorgabe der Objekte erfolgt im Zulassungsverfahren zum Rahmenbetriebsplan durch die zuständige Bergbehörde.
Die Vermessungsübersicht des Gebäudemonitoringprogramms können Sie hier einsehen: