Angewandte und Umweltgeologie (Epting)

Im Sommer trocknen verschiedene kleine und mittlere Fliessgewässer im Kanton Basel-Landschaft aus. Als Folge des Klimawandels ist zu erwarten, dass Trockenperioden länger und häufiger auftreten und sich die Auswirkungen von Wasserentnahmen noch verschärfen. So konnten entlang der Ergolz bereits beobachtet werden, dass auch die Grundwasserentnahme für die Wasserversorgung den Abfluss von Oberflächenwasser beeinflussen können.

Fliessgewässer stehen in Wechselwirkung mit dem Grundwasser, so existieren entlang von Wasserläufen Bereiche, in denen Flusswasser in den Grundwasserleiter infiltriert, und solche, in denen Grundwasser in das Oberflächengewässer exfiltriert. Vor allem wenn im Sommer mehr Grundwasser entnommen wird, und der Grundwasserspiegel sinkt, kann sich dies auf den Abfluss in den Wasserläufen auswirken. So schreibt das Wasserschutzrecht vor, dass dem Grundwasser nicht mehr Wasser entnommen werden darf, als ihm natürlicherweise zufliesst. Es darf auch nicht so viel Wasser aus einem Grundwasserleiter entnommen werden, dass der Wasserlauf beeinträchtigt wird.

Um diese Auswirkungen abzumildern, sind geeignete betriebliche Massnahmen oder auch Massnahmen zur Wasserrückhaltung erforderlich. So könnten z.B. ein ausgeglichenes Pumpenregime im Laufe des Tages in geringeren Absenkungen des Grundwassers resultieren. Möglich ist auch das Festlegen von Grundwasserständen unterhalb derer im Falle einer Trockenperiode kein Wasser mehr entnommen werden darf. Ein solcher Schwellenwert kann z.B. dem Grundwasserstand entsprechen, der erforderlich ist, um eine gewünschte Wassermenge im Fluss zu erhalten. Eine Möglichkeit, um einerseits das Grundwasserdargebot in Trockenperioden zu erhöhen und dem Trockenfallen der betroffenen Fliessgewässer entgegenzuwirken, ist die künstliche Grundwasseranreicherung der betroffenen Talgrundwasserleiter (Managed Aquifer Recharge MAR). Dabei könnte der Grundwasserspiegel durch die künstliche Infiltration von Oberflächenwasser so angehoben werden, dass dieser hydraulisch höher liegt als das Fliessgewässer, und damit Grundwasser in das Oberflächengewässer exfiltrieren kann (Managed Surface Water Recharge MSWR). Die künstliche Grundwasseranreicherung soll dabei bei Mittel- und Hochwasserabfluss (im Winter und den Übergangsjahreszeiten) stattfinden, während sommerlicher Niedrigwasserperioden könnte dann vergleichsweise «kühles» Grundwasser in die Fliessgewässer exfiltrieren. Neben einer quantitativen Optimierung, einschliesslich einer Erhöhung des Grundwasserdargebots und der Grundwasserexfiltration während Niedrigwasserperioden, würde auch eine ökologische Aufwertung von Flussabschnitten (Massnahme bzgl. Hitzestress) erzielt.

Für den Pilotstandort im Bereich der Wüeri östlich von Sissach wurde ein Oberflächen- und Grundwasserbeobachtungssysteme aufgebaut (insgesamt 9 Grundwassermessstellen und 3 Pegelmessungen in den Oberflächengewässern Ergolz und Homburgerbach). Gegenwärtig wird ein Grundwasser- und Wärmetransportmodell aufgebaut und parametrisiert. Anschliessend werden nach einer Kalibrierung sowie Validierung des Modells für den Pilotstandort Modellszenarien und Feldversuche formuliert. Mittels Modellszenarien sollen die oben aufgeführten hydraulischen Bedingungen (kontinuierlicher Betrieb und hydraulische Schwellenwerte) als auch MAR-MSWR-Konzepte untersucht werden. Gegenwärtig werden auch in Zusammenarbeit mit der Scherrer AG Abflussmessungen in der Ergolz bei Niedrigwasser vorgenommen, welche eine weitere Validierung der Modelle erlauben.

Im Auftrag der Flughafen Zürich AG und in Zusammenarbeit mit der Geo Explorers AG führt die AUG durchflusszytometrische Messungen für einen Testbrunnen am Flughafen Zürich durch. Im Rahmen des Projekts «Geothermische Energie für den Flughafen Zürich» und der Untersuchung des Untergrunds für geothermische Speicheranwendungen wird kontinuierlich mit unserem Online-Durchflusszytometer BactoSense gemessen. Ziel ist es, die Mikrobiologie des Tiefengrundwassers und ihren Zusammenhang mit der Grundwassernutzung zu erforschen.

Eine hydrogeologische Modellierung des Grundwasserkörpers entlang der Vorderen Frenke unterhalb der ARA Frenke 2 in Niederdorf soll als Grundlage für die Ausarbeitung von Massnahmen zur künstlichen Grundwasseranreicherung der Talgrundwasserleiter (Managed Aquifer Recharge – MAR & Managed Surface Water Recharge – MSWR) dienen.

Im Dezember 2024 wurden die Oberflächen- und Grundwasserüberwachungssysteme (insgesamt 7 Standorte) fertiggestellt und an 5 Standorten neue Bohrlöcher gebohrt und mit Messsystemen ausgestattet. Zusammen mit zwei Messsystemen in der Vorderen Frenke kann somit der Gradient zwischen dem Oberflächengewässer und dem Grundwasser bestimmt werden (Einfluss auf In- bzw. Exfiltration). Mit den Informationen der Bohrungen können die Modellgeometrien erstellt und mit dem Vorliegen eines ausreichenden Datensatzes ein Grundwasser- und Wärmetransportmodell parametrisiert werden. Anschliessend werden Modellszenarien der Grundwasseranreicherung definiert und berechnet sowie für die Verifizierung der Modellierungen und auf Grundlage der ersten Modellierungsergebnisse Feldversuche durchgeführt. Welche Standorte für Feldversuche sich am besten eignen, lässt sich auf Grundlage der ersten Modellierungsergebnisse eruieren. Mögliche Feldversuche können, zur Ermittlung von Grundwasserfliesszeiten, die Durchführung von Markierversuchen und, zur Erfassung von Grundwasser-Aufstössen, Temperaturmessungen im Uferbereich von ausgewählten Segmenten der Vorderen Frenke umfassen. Grundwasserfliesszeiten, welche vorgängig anhand eines Markierversuchs ermittelt wurden, fliessen im Rahmen der Validierung in das Modell mit ein (evtl. Nachkalibrierung).

Im Rahmen der Planungsarbeiten «S-Bahn Doppelspurausbau Riehen» erhielt die AUG vom Tiefbauamt des Bau- und Verkehrsdepartements des Kantons Basel-Stadt den Auftrag, die Grundlagen zur Beschreibung der geologischen, hydrogeologischen und geotechnischen Verhältnisse zu erarbeiten.

Die Zusammenstellung dient als Grundlage für eine (1) weitergehende Beurteilung des Baugrundes und (2) Formulierungen von Gefährdungsbildern, die in nachfolgenden Projektierungsphasen anhand von ergänzenden Untersuchungen abgeklärt werden sollen. Wichtig sind zudem eine erste Beurteilung von Fragen bezüglich des Grundwasserfliessregimes sowie eine Diskussion von technischen Risiken während der verschiedenen Bauphasen und beim Betrieb der Verkehrsanlage. Auf Kenntnislücken in den zur Verfügung gestellten Informationen und auf eine allfällige Unvollständigkeit der Daten wird hingewiesen.

Das geplante Bauwerk verläuft in den Lockergesteinen und je nach Tiefenlage auch im Bereich des Felsun-tergrundes. Das Lockergestein gliedert sich entlang Strecke in Deckschichten die aus Feinmaterial (Lehm, Silt, Sand) bestehen und den Niederterrassenschottern die sich durch sandige Kiese und Gerölle aufbauen, welche sich abschnittsweise mit Feinmaterial verzahnen. Der Felsuntergrund besteht aus tertiären Sedimenten (Tüllinger Schichten, Elsässer Molasse und ggf. Meletta Schichten). Die Gesteine des Felsuntergrundes bestehen meist aus Mergel, Ton- und Sandsteinen. Aufgrund der tektonischen Beanspruchung können sie Streckenweise kleinräumig gestört, zerrüttet und verwittert auftreten. Die Lage und Beschaffenheit des Felsuntergrundes ist Abschnittsweise nicht bekannt.

Die regionale Grundwasserfliessrichtung in den Lockergesteinen ist aus dem Wiesetal gegen den Vorfluter Rhein gerichtet. Das Grundwasser zirkuliert hier in den Porengrundwasserleitern der Lockergesteine. Sofern das geplante Tunnelbauwerk im gesättigten Grundwasserbereich zu liegen kommt wird es abschnittsweise die Grundwasserfliessrichtung senkrecht queren. Nach den derzeitigen Informationen über den maximalen gemessenen Grundwasserspiegel wird das Bauwerk auf einer Länge von ca. 650 m im Grundwasser verlaufen. In diesem Bereich, in welchem Schwemmlehmablagerungen und möglicherweise auch Schichtwasser dokumentiert sind, existieren keine kontinuierlichen Messungen des Grundwasserstandes und der Temperatur. Deshalb wurden weitere drei Grundwassermessstellen mit Messsonden ausgestattet, welche im Herbst 2025 eine Neubeurteilung des Grundwasserfliessregimes erlauben werden. Zu evaluieren wäre auch inwiefern die geplanten Bauwerke den natürlichen Grundwasserstrom aus den Hangbereichen und den Schüttungsfächern zum Dinkelberg stören. Um den Grundwasserhaushalt und Ökosysteme, wie zum Beispiel das Reservat im Autal, nicht nachhaltig zu beeinträchtigen, müssen schon bei der Planung solcher Bauwerke adäquate Ersatzmassnahmen, wie zum Beispiel Drainageleitungen, vorgesehen werden.

Kenntnislücken des Grenzbereichs Lockergestein-Fels-Grundwasser erfordern ergänzende Abklärungen (Sondierbohrungen, geophysikalische Messmethoden, etc.) zu folgenden Aspekten: (1) Tiefenlage der Felsoberfläche; (2) Mächtigkeit, Ausbildung und geotechnische Eigenschaften der Verwitterungszonen entlang der Projekttrasse und (3) Lokalisierung von Sandlinsen, Rollkies- bzw. Nagelfluhkörpern innerhalb der Niederterrassenschotter. Die zusätzlichen Informationen würden eine Aktualisierung des geologischen 3D-Teilmodells im Projektperimeter eine Erweiterung bzw. Weiterentwicklung des bestehenden Grundwassermodells für spätere Abklärungen erlauben.

Für spätere Projektphasen wollen wir auch darauf hinweisen, dass grossflächige Eingriffe in den Untergrund, wie z.B. Tunnelbauwerke oder Tiefgaragen, zu nicht zu vernachlässigenden hydraulischen und thermischen Beeinflussungen des Untergrundes führen. Während der hydraulische Einfluss bisher vor allem im Zusammenhang mit dem Grundwasserschutz berücksichtigt wurde, werden bei neuen Projekten zunehmend auch thermische Einflüsse und der Wärmeaustausch mit dem Untergrund betrachtet. Wir sind der Ansicht, dass diese Aspekte frühzeitig berücksichtigt werden sollten, zumal sich der «S-Bahn Doppelspurausbau Riehen» im Zuströmbereich der Trinkwassergewinnung in den Lange Erlen befindet.

Im Auftrag der Kantone hat die AUG für die swisstopo Berichte von nationalem Interesse aus dem Baugrundarchiv digitalisiert. Um Berichte von nationalem Interesse aus GeoData herauszufiltern, wurden diese in verschiedene Kategorien unterteilt und solche ausgewählt, welche potenziell wichtige Informationen über den Untergrund enthalten, wie z.B. Berichte zu Infrastrukturprojekten. Anschliessend wurde überprüft, ob Berichte als vertraulich eingestuft sind und eine Weitergabe ggf. nur mit einer Nutzungsvereinbarung zwischen der swisstopo und dem Dateneigentümer möglich ist.

Im Februar 2024 erhielt die swisstopo PDFs von 309 Berichten mit hoher Relevanz aus dem Kanton Basel-Stadt, im Mai 2024 weitere 310 PDFs von Berichten mit hoher Relevanz aus dem Kanton Basel-Landschaft. Zusätzlich wurden Tabellen mit Metadaten zu allen Berichten erstellt und an die swisstopo verschickt. Das Projekt konnte somit abgeschlossen werden. Alle Berichte liegen nun auch digital im Baugrundarchiv vor.

InnoGeoPot - Innovative exploration methods for geothermal potential assessment and energy storage

With the steady increase in the number of installed geothermal energy systems (GES) in Europe, a more frequent use of thermal energy in geological layers of different depth has been recognized.

In particular, the use of shallow and medium-depth geothermal potential can be extended to the application of systems for borehole thermal energy storage (BTES), as well as the possibility of rehabilitating abandoned deep boreholes with closed-loop borehole heat exchangers (BHE).

The development of multi-scale geological-hydrogeological-thermal models in combination with decision support systems (DSS) provide a better understanding of geothermal potential through the application of different GES.

Content and aim of the research project

The research work will aim to develop geological-hydrogeological-thermal models at different scales using data collected from deep boreholes in selected areas and to monitor real operation data from geothermal wells to determine heat rejection/extraction rates.

The research area includes the wider area of the city of Zagreb in Croatia, the city of Ljubljana in Slovenia and the cross-border area between north-eastern Slovenia and south-eastern Croatia.

In the selected urban and rural pilot areas, the exploration of geothermal potential at shallow and medium-depth between 200 and 500 m is being explored through the application of BHE for BTES. The geothermal potential from the rehabilitation of abandoned boreholes is also being evaluated.

Scientific and social context of the research project

The trilateral research cooperation between Croatia, Switzerland and Slovenia will lead to the establishment of an international research group dealing with the characterization of the subsurface and technology development in the field of geothermal energy.

For the selected pilot areas, an up-to-date DSS for the use of shallow and medium-depth geothermal energy will provide a valuable tool to ensure a more efficient and sustainable use of geothermal energy.

Ziel des Projekts ist die Überprüfung der bestehenden Kenntnisse des oberflächennahen Grundwasserstroms in den Birsschottern im Bereich des Schänzlis und insbesondere die Interaktion des Grundwassers mit der Birs. Zudem sollen die Randzuflüsse aus den Festgesteinen der Flexurzone und des Tafeljuras (Rütihard) im Südosten quantifiziert werden. Vorausgehende Arbeiten haben gezeigt, dass für den Bereich Schänzli eine Reihe von Kenntnislücken bestehen, so (i) zum möglichen Ausmass der Infiltration des Birswassers in das Grundwasser bei Hochwasser, (ii) zum Grundwasseranteil der die Birs von Südwesten kommend unterströmt, sowie (iii) den mittleren Fliessgeschwindigkeiten im Zustrom.

Eine Verdichtung des bestehenden Messstellennetzes im Rahmen des Projektes hatte zum Ziel Grundlagen zu liefern für weiterführende Untersuchungen im Projekt. Dazu wurden 9 Messstellen rechts- wie linksseitig der Birs mit Druck- und Temperatursonden instrumentiert. Ein Beispiel zur Verwendung der aufgezeichneten Messreihen ist die Messung der Infiltration von Birswasser in den Grundwasserleiter bzw. Exfiltration des Grundwasser in die Birs im Bereich des Schänzlis, welche Ende Sommer von der Scherrer AG vorgenommen wurde und auf Pegel- und Temperaturverläufe im Birs- und im benachbarten Grundwasser basiert. Weiter sollen die Messreihen für die Definition der Randbedingungen und der Kalibration einens 3D-Grundwassermodells verwendet werden, welches im 2025 fertig entwickelt wird.

Die AUG hatte dem AUE BS vorgeschlagen das erhöhte Bohrrisiko für Erdwärmesonden u.a. im Bereich der Flexurzone des Rheingrabens in Riehen zu verringern indem die im 2021 erfolgten 3D seismischen Untersuchungen im Kanton Basel-Stadt für eine Verbesserung der geologischen Prognose bis in eine Tiefe von 400 m verwendet werden. Im Frühjahr 2024 konnte die prozessierte und tiefenmigrierte Auswertung der 3D-Seismik für eine Anpassung der geologischen Leithorizonte Top Fischschiefer(-Foraminiferenmergel) und Basis Känozoikum bis in eine Tiefe von etwa 400 m unter Terrain evaluiert werden.  Dazu erfolgte ein Import der seismischen Linien in ein geeignetes Visualisierungsprogramm, sowie für den Vergleich mit den bestehenden geologischen 3D-Modell-Leithorizonten ein folgender Export in GOCAD.

Der Vergleich mit diesen Modell-Leithorizonten ergab gute Übereinstimmungen im westlichen Modellteil, aber auch Abweichungen der seismischen Horizonte insbesondere im Vergleich mit den Referenzhorizonten in den beiden Geothermiebohrungen Riehen 1 und 2. Nach einer Anfrage beim Auftraggeber der 3D- Seismik (Geo2Riehen) zur möglichen Ursache der Abweichungen im Bereich der Flexurzone in Riehen wurde ein fachlicher Austausch mit den geologischen Beratern des Auftraggebers für Beginn 2025 in Aussicht gestellt. Ziel bleibt es die geologischen Referenzhorizonte für Aquifere und Evaporite bis in einer Tiefe von 400 m mittels der seismischen Information anzupassen um die Erstellung der Wegleitung im Jahr 2025 abzuschliessen.

The effects of climate change on Swiss water bodies, including the impact on river temperatures and discharge, can already be observed today. As part of the research project "Future river temperatures in Switzerland under climate change - SwissFuRiTe", nationwide projections of future river temperatures were simulated for all 82 river monitoring stations of the Federal Office for the Environment (FOEN).

For this purpose, we chose a novel modeling approach that combines air temperatures from 22 general circulation and regional climate models (GCM-RCM) and runoff projections from 4 hydrological models as input for 2 semi-empirical surface temperature models. With these models, future projections of river water temperatures could be simulated for the 3 climate emission scenarios (RCP2.6, RCP4.6 & RCP8.5).

The river monitoring stations were grouped and the results analyzed according to thermal regimes (lake, Central Plateau/Jura, Alpine, regulated and springs), which are influenced by different thermal processes upstream.

The surface temperature models air2stream (rivers) and air2water (lakes) were used to determine which of the two models is better suited to the settings of the respective river monitoring stations. While air2stream was used at all sites, the air2water model was used at sites where the influence of lake water upstream dominated the temperature signal in the rivers.

The study showed that the most important factor for the level of temperature increase by the end of the 21st century is the climate emission scenarios. For the RCP2.6 scenario, the mean change in river water temperature from the reference period (1990 to 2019) to the near (2030 to 2059) and distant future (2070 to 2099) is 0.8 and 0.9 °C respectively. The largest temperature increase can be observed for the RCP8.5 scenario, in which the mean river water temperature rises by 1.2 and 3.1 °C for all stations in the near and distant future. The rate of warming differs for each station depending on the upstream processes. In addition, the seasonal trends in air temperature and discharge amplify the warming of watercourses in summer as a result of higher air temperatures and lower discharge volumes. While the increase in runoff and the lower warming of the atmosphere in winter also lead to a lower warming of the watercourses.

An analysis of thermal threshold and extreme values shows that heatwaves in Switzerland are likely to increase in the future. On the basis of our study, we were able to identify particularly vulnerable river sections, both those that are already at risk today and those that will be at risk in the future.

Future studies should focus on counteracting the local negative effects of climate change. The results of our study can be used to identify river sections with increased vulnerability and to designate targeted refugia for aquatic organisms.