Das Wiener-Filter-Verfahren

Analyse von Grundwasserganglinien zur Ermittlung des Bergbaueinflusses

Zur Beobachtung des Grundwassers betreibt der Erftverband ein umfangreiches Netz von Grundwassermessstellen, an denen meist monatlich Grundwasserstände gemessen werden. Aus den Einzelmessungen können Ganglinien erstellt werden, die den Verlauf des Grundwasserstandes über die Zeit darstellen. Im Jahresverlauf sind die Grundwasserstände normalerweise am Ende des Winterhalbjahres hoch, während im Sommer niedrigere Grundwasserstände gemessen werden, weil dann der größte Teil des Niederschlags verdunstet.

Neben der Witterung kann es weitere Einflüsse auf die Grundwasserstände geben. Zu erkennen ist dies meist an einem Trend der Ganglinie wie beispielsweise die Grundwasserabsenkung als Folge von Sümpfungsmaßnahmen im Rheinischen Braunkohlenrevier. Die Tagebaue Garzweiler, Inden und Hambach müssen trocken gehalten werden, dafür werden zurzeit mehr als 500 Mio. m³ Grundwasser pro Jahr gefördert.

Starke Trends sind offensichtlich, während schwächere Trends oft schwer zu erkennen sind, weil die natürlichen Schwankungen größer als die menschengemachten Einflüsse sein können.

Um den Betrag und den Beginn des Sümpfungseinflusses zu bestimmen, werden die gemessenen Ganglinien detailliert analysiert. Die statistischen Verfahren ermöglichen es, natürliche von anthropogenen, also von durch den Menschen beeinflussten Einwirkungen zu unterscheiden. Der Erftverband nutzt das Wiener-Filter-Verfahren, das ursprünglich für die Nachrichtenübertragung entwickelt wurde. Bei diesem Verfahren wird die Ähnlichkeit von Grundwasserganglinien genutzt.

Anwendung des Wiener-Filters zur Erkennung von Bergbaueinflüssen

Dabei dienen Ganglinien von insgesamt drei anthropogen unbeeinflussten Messstellen – also Messstellen die nur das Witterungsgeschehen abbilden – als Referenz. Voraussetzung für die Ganglinie der Zielmessstelle, die analysiert werden soll, ist ein über mehrere Jahre unbeeinflusster Verlauf. Innerhalb dieses Zeitraums wird das Verfahren kalibriert. Aus den Messwerten der drei Referenzmessstellen wird eine Übertragungsfunktion ermittelt, mit der die Messwerte der Zielganglinie möglichst gut nachgebildet werden.

Ist die Übertragungsfunktion bekannt, kann die weitere Entwicklung an der Zielmessstelle simuliert werden. Treten zwischen der simulierten und der gemessenen Ganglinie dauerhaft größere Abweichungen auf, liegt eine anthropogene Beeinflussung vor (Abbildung 1).

Der Erftverband überwacht nicht nur in seinem Tätigkeitsbereich, sondern in einem insgesamt .4.183 km² km großem Monitoring-Gebiet die Grundwasserstände und prüft, ob sie vom Bergbau beeinflusst werden. Die Referenz-Messstellen des Wiener-Filters müssen im unbeeinflussten Bereich liegen. Durch die Analyse sehr vieler Messstellen mit diesem Verfahren kann die Ausdehnung und der Betrag des Sümpfungseinflusses genau ermittelt werden. Abbildung 2 zeigt den Bereich, in dem das Grundwasser des obersten Grundwasserstockwerkes zurzeit durch die Sümpfungsmaßnahmen abgesenkt ist. Von besonderem Interesse sind Feuchtgebiete, die auf stabile hohe Grundwasserstände angewiesen sind, denn hier können bereits 10 oder 20 cm Grundwasserabsenkung die Vegetation schädigen. Die Analysen helfen dabei, diese besonders schützenswerten Ökosysteme zu erhalten.