Hydraulischer und thermischer Einfluss von Untergrundbauten

Nutzung der Tunnelluftwärme

Alternativ zur Nutzung der Dükersysteme könnte eine Nutzung der Tunnelluftwärme, beispielsweise durch Entnahme und Abkühlung eines Teilstroms der Tunnelluft am Tunnelausgangsportal, erfolgen. Eine erste Abschätzung des Wärmepotenzials aus der Tunnelluft an den Tunnelausgangsportalen «Badischer Bahnhof» und «Wiese» in Kleinbasel und dem Tunnelportal in Birsfelden resultierte in einem technisch nutzbaren Wärmepotenzial von insgesamt 43 GWh pro Tunnelröhre. Die so gewonnene Wärme könnte über Rohrleitungen in nahe gelegene Wohngebiete geleitet werden, die sich dann über Wärmepumpen beheizen liessen. Somit könnte durch Abkühlung der Tunnelluft in den Wintermonaten gleichzeitig Verkehrsabwärme, Umgebungsluftwärme und Grundwasserwärme zur Gebäudebeheizung genutzt werden.

Sollte neben der Versorgung von Stadtquartieren mit nachhaltiger Wärme auch die Verhinderung eines Wärmeeintrags in das Grundwasser im Vordergrund stehen, könnte zusätzlich durch eine Kühlung der Tunnelinnenluft der Wärmeeintrag in das Grundwasser verringert werden. Alternativ könnte der Wärmeeintrag aus der Tunnelluft auch durch eine Wärmeentnahme aus einem Düker ausgeglichen werden (Fig. 5).

S-BAHNTUNNEL «HERZSTÜCK»

Der geplante S-Bahntunnel «Herzstück» ist ein ca. 6 km langes Tunnelbauwerk, das den Bahnhof «Basel SBB», den «Badischen Bahnhof» und den Bahnhof «St. Johann» miteinander verbinden soll (Fig. 2). Die verschiedenen Abschnitte der S-Bahntunnelbauwerke verlaufen im Festgestein und teilweise in den Grundwassergesättigten und ungesättigten Lockergesteinen. Die auf- und absteigenden Abschnitte des Tunnels verlaufen zudem teils senkrecht zur regionalen Grundwasserströmung.

Im Rahmen von ThePoTun [8] wurden für den Bahntunnel in der Tunnelwand installierte Wärmeabsorbersegmente (Tunnelabsorbersystem, TAS; Fig. 6) simuliert. Diese Lösung wurde für das Tunnelportal beim «Badischen Bahnhof» und in der Nähe der Zwischenstation «Tiefhaltestelle Klybeck» evaluiert. Für beide Standorte konnte in Kooperation mit der Politecnico di Torino (I) das technisch und numerisch validierte TAS EnerTun [9] in hochaufgelösten lokalen 3D-Wärmetransportmodelle implementiert werden. Die gewählten Standorte bieten technische Vorteile durch die Möglichkeit zur direkten Nutzung der Energie (Warmwasser und Heizen), ausreichende Platzverhältnisse für die Installation von Wärmepumpen sowie die über die Stationsbauwerke existierende Verbindung zur Erdoberfläche. Mittels Szenarienberechnungen wurde anschliessend die technische Machbarkeit von TAS in der Tunnelinnen- und -aussenwand, sowie deren Kombination, evaluiert (Fig. 6).

Ein regionales 3D-Wärmetransportmodell (FeFlow; DHI) von Basel ermöglichte es, neben der Grundwasserströmung auch den advektiven und konduktiven Wärmetransport im Untergrund zu simulieren. Die Simulationen erlaubten es sowohl lokal als auch regional die Dynamik hydrodynamischer und thermischer Prozesse sowie die zahlreichen Wechselwirkungen der verschiedenen natürlichen und anthropogenen Randbedingungen für die Lockergesteins-Grundwasserleiter in Basel zu untersuchen und zu quantifizieren [10–11]. Dies wiederum erlaubte es, das thermische Potenzial von TAS im Kontext der geologischen und hydrogeologischen Randbedingungen des Stadtgebiets von Basel zu evaluieren.

Wie die Modellrechnungen zeigten, ist für Tunnelabschnitte, die sich in den Grundwasser-gesättigten Lockergesteinen und in der Nähe von Tunnelportalen befinden, ein Betrieb von TAS in der äusseren Tunnelwand am effizientesten. So könnte im Sommer das vergleichsweise kühlere Grundwasser dazu genutzt werden, um durch zwei 736 bzw. 284 m lange Tunnelabschnitte 3,7 bzw. 1,4 MW Abwärmeleistung oder 5,8 bzw. 2,1 GWh/Jahr Abwärmeenergie abzuführen. Im Winter könnte eine Energiemenge von 5,2 bzw. 1,9 GWh/Jahr, bei einer Wärmeleistung von bis zu 1,9 bzw. 0,7 MW, entnommen werden (Wärmeentzug Lockergesteins-Grundwasserleiter; Tab. 2).

Tab. 2 Zusammenstellung der spezifischen Gesamtwärmeleistung En, des saisonalen Wärmeaustausches und die durch Wärmepumpen lieferbare Wärmeenergie für die Installation von TAS im Grundwasser (GW) und Festgestein (FG) in der äusseren Tunnelwand des S-Bahntunnels «Herzstück» für Bahnabschnitte linksseitig (Grossbasel) und rechtsseitig (Kleinbasel) des Rheins.

Die ersten Ergebnisse zeigten jedoch auch, dass eine Nutzung der TAS in S-Bahn-Tunnelbauwerken, unter Berücksichtigung der gegenwärtigen Vorgaben des Grundwasserschutzes, im Sommerbetrieb für Kühlzwecke gesetzlich nicht möglich und auch nicht effizient ist. Deshalb konzentrierten sich die darauffolgenden Arbeiten im Projekt ThePoTun [8] auf die Erfassung des Potenzials für die Wärmeentnahme zur Tunnel- und Grundwasserkühlung. Einerseits könnten mit TAS in der äusseren Tunnelwand dem Untergrund oder dem Grundwasser Wärme entzogen werden mit dem Resultat, dass das Grundwasser um bis zu 4 °C abgekühlt wird. Andererseits konnte auch gezeigt werden, dass mit einer Installation von TAS in der inneren Tunnelwand dem Tunnelinneren Wärme entzogen werden kann. Dies mit dem Resultat, dass die Tunnelinnenluft abgekühlt wird und in Abhängigkeit der Jahreszeit, 46 bis 101 W m² Wärme aus der Tunnelinnenluft entzogen werden könnte. Dieser Wärmeaustausch ist um ein Vielfaches höher, als der Wärmeeintrag des Bahnbetriebs selbst, der geschätzt in der Grössenordnung von 2,2 bis 2,6 W m² liegt.

Mittelland

Cargo Sous Terrain (Cst)

Das Projektvorhaben Cargo sous terrain (CST) hat zum Ziel, möglichst viel Güterverkehr der Schweiz unter die Erde zu bringen. Dazu ist vorgesehen, dass ein Tunnelsystem das ganze Mittelland von Genf bis St. Gallen verbindet, mit Anbindungen an Basel und Luzern. Ein wichtiger Schritt für das CST-Bauprojektvorhaben ist eine detaillierte und vollständige Beschreibung der Geologie, der hydrogeologischen Verhältnisse (Ist-Zustand) und der geotechnischen Eigenschaften im Projektgebiet. Auf der Grundlage dieser Beschreibung sollen Wissenslücken identifiziert werden, die durch zusätzliche Untersuchungen und Datengrundlagen geschlossen werden sollen. Schliesslich soll es möglich sein, die geologische, geotechnische und hydrogeologische Situation im Projektgebiet zu beurteilen und mögliche Auswirkungen oder Gefährdungsbilder zu formulieren.

Als Pilotstudie für CST-Projektvorhaben wird zurzeit die erste Teilstrecke zwischen Härkingen und Zürich Flughafen evaluiert. Als Grundlage für die Evaluation der Reduktion des Durchflussquerschnittes, die durch den Bau des Tunnelnetzwerks und der Zugangspunkte geschaffen werden würden, werden gegenwärtig primär existierende hydrogeologogische Informationen zum Aquiferquerschnitt und der mittlere Grundwasserspiegel der Grundwasserkarten aus den GIS-Browsern der Kantone verwendet. Einige Grundwasserkarten sind vergleichsweise alt, zum Beispiel diejenige des Kantons Zürich aus dem Jahr 1986. Sie werden laufend aktualisiert, wobei in den letzten 40 Jahren verschiedene Korrekturen und Ergänzungen vorgenommen wurden. Wenn nur der mittlere Grundwasserstand betrachtet wird, bleiben Nutzungsänderungen, saisonale Schwankungen und Extremereignisse (hohe und tiefe Grundwasserstände) allerdings unberücksichtigt. Neben dem mittleren Grundwasserstand sollte bei der Beurteilung von grossen Bauprojekten vor allem auch der Einfluss des Bauwerks bei Hochwasserstand des Grundwassers analysiert werden, da die hydraulische Beeinträchtigung in solchen Situationen am grössten ist.

Um Fragen zum Einfluss des Bauwerks auf das hydraulische und thermische Grundwasserfliessregime und insbesondere auf die Grundwassertemperaturen zu beantworten, stellen auch in diesem Fall numerische hydrogeologische Modelle eine der geeignetsten Untersuchungsmethoden dar. Mit den entsprechenden numerischen Modellen kann anschliessend auch die Wirksamkeit von unterschiedlichen Ausgleichsmassnahmen evaluiert werden.

Da im Gebiet Gäu bereits ein Trend zu steigenden Grundwassertemperaturen beobachtet wird [5], muss neben der Evaluation der Reduktion des Durchflussquerschnitts zusätzlich der Beeinflussung der Grundwassertemperatur durch das Bauwerk besondere Beachtung geschenkt werden. Insbesondere in den Streckenabschnitten, in denen Bauwerksstrukturen im Schottergrundwasserleiter zu liegen kommen, muss neben einhergehenden Temperaturveränderungen auch der diffuse Wärmeeintrag abgeschätzt werden. Nur so kann die thermische Belastung des Untergrundes gesamthaft beurteilt werden. Entscheidend für die Qualität einer solchen Abschätzung ist die Frage, welche Temperaturdaten als Referenztemperaturen beigezogen werden können.

Für Tiefbauprojekte wie CST, die nicht nur die einzelnen, bereits räumlich limitierten Grundwasservorkommen, sondern auch andere Aquifertypen in unterschiedlichen Lithologien durchqueren, müssen neben dem Einsatz von hydrogeologischen Modellen auch die allgemeinen Zusammenhänge zwischen Lithologie und präferentiellen Fliesswegen im Karst beschrieben und vertieft betrachtet werden. Für Karst- und Kluftgrundwasserleiter bietet sich beispielsweise die Anwendung der KarstALEA-Methode an [12]. Da solch weiträumige Bauvorhaben auch regionale Grundwasserfliesssysteme beeinflussen könnten, sollte ebenfalls die regionale Grundwasserzirkulation in den Übergangszonen zwischen dem Jura und dem Mittelland zur Lokalisierung verstärkter oder verminderter Interaktion der verschiedenen Grundwassersysteme (regionaler Karst, verschiedene Molasseeinheiten und Lockergesteinsgrundwasser) untersucht werden.

FAZIT

Aufgrund der immer dichteren Besiedlung und Industrialisierung der urbanen Räumen der Schweiz sowie dem Schweizer Mittelland sind fundierte, flächendeckende Kenntnisse, kombiniert mit detaillierten lokalen Analysen der oberflächennahen Geologie und Grundwasserfliesssysteme, mittlerweile für jedes grössere Bauvorhaben unerlässlich.

Aktuelle umweltrelevante Aufgaben wie die Erarbeitung der Grundlagen für die nachhaltige Nutzung von Wasserressourcen der Region und die Planung von Verkehrsinfrastrukturen mit Berücksichtigung der Umweltfragestellungen können ohne dieses Wissen nicht mehr zufriedenstellend gelöst werden.

Das Gleiche gilt für die geologische, hy­drogeologische und geotechnische Begleitung von bedeutenden Bauprojekten. Nur durch solides Grundlagenwissen über den Untergrund und eine detaillierte Analyse eines Bauvorhabens kann den verschiedenen Akteuren eine robuste Entscheidungshilfe geboten werden.

In urbanen Gebieten (z. B. Basel) wie auch im Mittelland (z. B. Grundwasserleiter Gäu) ist die Temperatur des Grundwassers in den letzten Jahren stark angestiegen. Tunnelprojekte könnten in Zukunft dabei helfen, diese überschüssige Wärme nachhaltig zu nutzen. Zentral dabei ist der Wärmetransport durch die Grundwasserströmung im hochdurchlässigen Lockergestein. Grosse Kontaktflächen von Tunnelinfrastrukturen mit dem Untergrund ermöglichen hier eine thermische Nutzung, dies vor allem in Quartieren, in denen grossflächige Neugestaltungen geplant sind.

Wie aufgezeigt, ermöglichten die vorgestellten, angewandten Methoden eine bessere Abschätzung und Beurteilung der direkten und indirekten Auswirkungen der Bauwerke auf das Grundwasser der betroffenen Aquifere. Dabei müssen die Auswirkungen für die Planungs-, Bau- und spätere Betriebsphase beurteilt werden. Die Forschungsresultate können dazu dienen, Strategien für eine nachhaltige Bewirtschaftung urbaner und ruraler Untergrundressourcen im Allgemeinen zu entwickeln.