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Technik Brunnenbau
DSI-Technik in der Dauerwasserhaltung zur Kappung von Grundwasserspitzen in Berlin Die seit vielen Jahren steigenden Grundwasserstände in Berlin und in Bergbaunachfolgeregionen führen vermehrt zu Überflutungen von Kellern und Tiefgeschossen. Mit integrierten Grundwasserabsenkungs- und DSI-Reinfiltrationsanlagen können die auftretenden Grundwasserhochstände ausgeglichen werden. Eine Grundwasser entnahme und -ableitung ist dabei nicht erforderlich. Die erfolgreiche technische Realisierung wird anhand ausgewählter Fallbeispiele dokumentiert.
z. B. das Rote Rathaus in Berlin-Mitte, das Konzerthaus am Gendarmenmarkt und das Bundesratsgebäude, betroffen. Ursache der steigenden Grundwasserstände ist in Berlin vor allem die seit der Wiedervereinigung nachlassende Trinkwassergewinnung besonders im Ostteil der Stadt. Als Gegenmaßnahmen
Hölscher Wasserbau GmbH
Das Problem steigender Grundwasserstände ist in erster Linie aus Bergbaunachfolgeregionen bekannt. Betroffen sind jedoch auch Regionen mit intensiv genutzten Grundwasseraquiferen, wie z. B. Berlin. Dort sind von den hohen Grundwasserständen private Hausbesitzer und auch zahlreiche öffentliche Gebäude,
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Abb. 1 – Geologische Skizze von Berlin
Land Berlin/Umweltatlas
See- und Moorablagerungen: Sand mit Torf und Mudde Urstromtal und Nebentäler: Sand Hochflächen: Geschiebelehm, Geschiebemergel Hochflächen: Sand Gewässer
29,0
27,0 26,0 25,0 24,0 23,0
Messstelle Nr. (Grundwasserleiter) 70 5146 (13) (2)
5149 (13)
Abb. 2 – Historische Grundwasserstandsentwicklung im Berliner Urstromtal
1980
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1889
22,0 1870
Land Berlin/Senat für Stadtentwicklung und Umwelt
28,0
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30,0
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31,0
2005
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32,0
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Arbeitsgruppe VIII E 3 Geologie und Grundwassermanagement
1875
Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt NHN 33,0
1990
Ausgangssituation Die Morphologie Berlins wurde überwiegend in der WeichselEiszeit geprägt und umfasst das Warschau-Berliner Urstromtal mit mächtigen sandig-kiesigen Ablagerungen, im Norden die Barnim-Hochfläche sowie im Süden die Teltow-Hochfläche mit
der Nauener Platte, die zu weiten Teilen mit mächtigen Geschiebemergeln bzw. Geschiebelehmen der Grundmoränen bedeckt sind (Abb. 1). Aufgrund der wechselnden Abfolge von Grundwasserleitern und -geringleitern werden hydraulisch vier Grundwasserleiter unterschieden. Der zweite, aus bis zu 150 m mächtigen Lockersedimenten des Tertiärs und Quartärs bestehende Hauptgrundwasserleiter hat im Urstromtal eine freie Oberfläche. Auf den Hochflächen ist der Hauptgrundwasserleiter großflächig durch Geschiebemergel und -lehme (Grundwassergeringleiter) der Grundmoränen überdeckt. Der darunter liegende, etwa 80 m mächtige tertiäre Rupelton bildet die hydraulische Barriere zu dem tieferliegenden Salzwasserstockwerk. Die regelmäßigen Aufzeichnungen von Grundwasserständen und deren Entwicklung begannen in Berlin bereits 1870 an 29 Grundwassermessstellen (Abb. 2). Zurzeit werden durch den Landesgrundwasserdienst über 1.100 Messstellen im Stadt gebiet beobachtet, die in den fünf unterschiedlichen Grundwasserleitern verfiltert sind. In der historischen Entwicklung der Grundwasserstände ab 1869 sind zunächst nur jahreszeitliche Schwankungen vorhanden. Mit der wirtschaftlichen Entwicklung und dem raschen Bevölkerungswachstum ca. ab 1890 war eine ständige Zu nahme der Brauch- und Trinkwasser e ntnahme mit entsprechendem E influss auf die Entwicklung des Grundwasserstands verbunden. Der Stand des Grundwassers ist wegen 1985
wurde die Trinkwasserbewirtschaftung mit Hinblick auf die Gesamtsituation in Berlin angepasst. Die veränderte Bewirtschaftung und teilweise auch Ersatzförderung ist aber überwiegend nur im Einflussbereich der Wassergewinnungsanlagen wirksam. In weiten Teilen des Berliner Urstromtales führt der kontinuierliche Grundwasseranstieg zunehmend zu Vernässungen und teilweise Überflutungen von tief gelegenen Gebäudeteilen. Übergreifende Gegenmaßnahmen sind vom Land Berlin derzeit nicht geplant. Für einzelne private Objekte wurden inzwischen Dauerwasserhaltungen mit Einsatz der DSI-Technik installiert und zur Kappung von Grundwasserspitzen eingesetzt.
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Durch die deutlich gesunkene Entnahme von Grundwasser ist der Grundwasserspiegel in einigen Bereichen Berlins seit den 1990er-Jahren um mehr als einen Meter angestiegen.
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Land Berlin/Umweltatlas Land Berlin/Senat für Stadtentwicklung und Umwelt
Jahre, wurde das Grundwasser durch steigende Entnahmen erneut kontinuierlich und großflächig abgesenkt. Besonders stark machte sich dieser Trend in den Wassergewinnungsgebieten bemerkbar. Darüber hinaus herrschte in den „Aufbaujahren“ und anschließend in den „Wirtschaftswunderjahren“ eine sehr rege Bautätigkeit: Das bei den Grundwasserhaltungen geförderte Wasser wurde in vielen Fällen in die Flüsse abgeleitet und ging so dem Grundwasserhaushalt verloren. Daraus ergibt sich in den Jahren von 1960 bis 1979 an 280 ausgewerteten Grundwassermessstellen insgesamt ein negativer Trend. Durch die deutliche Reduzierung der Grundwasserentnahme seit Beginn der 1990er-Jahre von ca. 380 Mio. m³/a auf aktuell ca. 200 Mio. m³/a ist der Grundwasserstand in Berlin in den Grundwasseranstieg im Urstromtal letzten Jahren in einigen Bereichen 1989 bis 2012* um mehr als einen Meter angestiegen 0,5 m bis 1,0 m Anstieg und hat dort bereits teilweise zu Vermehr als 1,0 m Anstieg Wasserwerk in Betrieb (Stand 2012) Wasserwerk außer Betrieb (Stand 2012) nässungen der Bausubstanz geführt. Gewässer Urstromtal Gefährdet sind insbesondere Gebiete Mudde, Torf und Sand Sand Hochfläche von Spandau, Reinickendorf, Mitte, Geschiebelehm/-mergel Sand Treptow und Köpenick. Eine 2014 im * Anstieg des Hauptgrundwasserleiters Auftrag der IHK angefertigte Studie geht davon aus, dass die Fördermenge in den kommenden Jahren um weitere 60 Mio. m3 sinken wird – mit der Folge, dass der Grundwasserspiegel weiter steigt. Der Grundwasseranstieg im Berliner Urstromtal ist in Abbildung 3 dargestellt. Die Folgeprobleme an Bauwerken verbleiben grundsätzlich beim Bauherrn bzw. Eigentümer, da nach § 13 der Bauordnung für Berlin (BauO Bln) „bauliche Anlagen so angeordnet und gebrauchstauglich sein müssen, dass Abb. 3 – Grundwasseranstiegsgebiete im Berliner Urstromtal durch Wasser, Feuchtigkeit (…), Gefahren oder unzumutbare Belästigungen nicht entstehen.“ Das bedeutet, dass jeder Bauherr verpflichtet ist, sich um Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt Arbeitsgruppe VIII E 3 Geologie und Grundwassermanagement m NHN die ordnungsgemäße Abdichtung 32,50 des Kellers zu kümmern und die örtlichen Gegebenheiten und den höchs32,00 31,79 mNHN (3) ten Grundwasserstand (HGW) zu be 31,60 mNHN (2) 31,55 mNHN (1) 31,50 achten. Das nachträgliche Abdichten von 31,00 nassen Kellern gegen drückendes Wasser ist eines der schwierigsten 30,50 bautechnischen Probleme und mit erheblichen Kosten verbunden. Eine 30,00 (1) GW 31,55 mNHN 1961-2000 Patentlösung existiert nicht, sodass (2) GW häufig 31,60 mNHN 2008-2013 es in der Regel zwingend erforderlich (3) 31,79 mNHN HGW 1953-2011 29,50 ist, eine spezielle Untersuchung und Bewertung durchzuführen, um eine GW-Stand baulich geeignete und wirtschaftliche Lösung zu finden. Die durchzuführenAbb. 4 – Zeitlicher Verlauf des Grundwasseranstieges im Bereich Berlin-Mitte Höhe (m ü. NHN)
dieser Entnahmen im Urstromtal bis 1930 von ca. 32,0 Meter über Normalnull (mNN) sukzessiv um ca. 3,0 m auf 29,0 mNN gefallen. Eine weitere Beeinflussung des Grundwasserniveaus geschah durch die massiven Grundwasserentnahmen bei großen Tiefbaumaßnahmen, wie z. B. beim U-Bahn-Bau im Zeitraum von 1910 bis 1940 mit langjährigen, teilweise bis zu 9 m tiefen Grundwasserabsenkungen. Nach 1945 kam es wegen der weitgehenden Zerstörung der zentralen Wasserversorgung und des wirtschaftlichen Zusammenbruchs zu einem Wiederanstieg des Grundwasserstandes auf das Niveau von 1870. In der Folgezeit, vom Anfang der 1950er-Jahre bis Anfang der 1980er-
Erdgeschoss GOK
ca. 35.25 mNHN
GW 3.) GW 1.) GW 2.)
Innenwand
GW 4.)
Außenwand
Kellergeschoss
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den Maßnahmen lassen sich grundsätzlich in ertüchtigende Maßnahmen zur Wasserabwehr und alternativ Maßnahmen zur Wasserfassung bzw. Wasser absenkung unterscheiden. Bei einer Ertüchtigung des Bauwerkes sind z. B. Sanierungen von Fehlstellen, Innentrog abdichtungen und Abdichtungen durch Injektionen möglich. Wenn bauliche Lösungen nicht möglich oder unverhältnismäßig sind, kann zur Wasserfassung bzw. Wasserabsenkung eine Dauerwasserhaltung installiert und betrieben werden. Hierfür ist jedoch bei der zuständigen Wasserbehörde eine wasserbehördliche Erlaubnis zur Trockenhaltung des Gebäudes zu erwirken.
ca. 31.80 mNHN ca. 30.90 mNHN ca. 30.30 mNHN Fundament
Fundament Pumpenschacht
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Dauerwasserhaltung mit WasserabAbb. 5 – Systemschnitt des Gebäudes mit Grundwasserständen; (GW 1 < 31,60 mNHN bis 2000; GW 2 häufig über 31,60 mNHN bis 2011; GW 3 ca. 31,80 mNHN Hochstand 2011; GW 4 ca. 32,60 mNHN senkung und Reinfiltration zu erwartender Hochstand) Ungünstig betroffen von den steigenden Grundwasserständen sind besonders die dicht bebauten Altbauviertel im Berliner Urstromtal in den Stadtbezirken Mitte, Friedrichshain-Kreuzberg und Treptow. Die mehrgeschossigen, meist vieroder fünfstöckigen in Ziegelbauweise errichteten Gebäude entstanden um die Jahrhundertwende im Zeitraum ab 1890 bis 1920. Die Gebäude sind zumeist unterkellert bzw. haben ein Tiefparterre. In der Altbebauung sind die Keller meist nicht gegen drückendes Wasser gedichtet, sodass bei hohen GrundwasserstänLegende: den kapillar aufsteigendes Grundwasser Druckleitung Schwerkraftbrunnen oder sogar ein unmittelbarer WassereinInnenpegel tritt auftreten können. DSI-Einheit Typ Glindow Am Beispiel eines typischen Altbaus Außenpegel Bereich Reinigungsanlage / in Berlin-Mitte soll exemplarisch eine Elektroanlage / Steuerung Sanierungsmaßnahme zur Errichtung einer Dauerwasserhaltung zur Kappung Abb. 6 – Lageplan des Gebäudes mit Dauerwasserhaltungsanlage von Grundwasserspitzen in Verbindung mit einer Reinfiltrationsanlage erläutert werden. Es gibt inzwischen mehrere vergleichbare AnDer hier beschriebene, fünfgeschossige Altbau ist ein typisches lagen in Berlin, die teilweise schon über fünf Jahren erfolgJahrhundertwende-Gewerbegebäude und wurde um das Jahr reich in Betrieb sind. 1905 erstellt. Er hat zwei Innenhöfe, die mit Durchfahr-
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Insgesamt sind die Wasserstände nach den oben genannten Pegelauswertungen seit 1989 immer weiter angestiegen und haben in den vergangenen fünf Jahren mehrfach Wasserstände 20 ≥ 31,60 mNHN erreicht, was zu lokalen Vernässungen durch kapillar in der Bodenplatte und den Kellerwänden 0 aufsteigende Feuchte führte. Bei dem Grundwasser-Hochstand von 08/2011 lag das Grundwasserniveau gerade in -20 der Höhe von OK Kellerfußboden (Höhe überwiegend rund 31,80 mNHN) (Abb. 5) und trat stellenweise dort in -40 das Gebäude ein, wo geringfügig niedrigere Kellersohlhöhen vorliegen. In Abbildung 5 sind die maßgeblichen -60 Höhenkoten des Gebäudes und die -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 verschiedenen Grundwasserstände dargestellt. Abb. 7 – Modellierung der Dauerwasserhaltungsanlage Da nach Auskunft der Senatsverwaltung für Gesundheit, Umwelt und Verbraucherschutz (SenGUV) mit ten im Erdgeschoß erschlossen sind. Das gesamte Grundstück einem langfristig zu erwartenden höchsten Grundwasserstand ist vollgeschossig unterkellert, wobei die KG-Fläche ca. 2.000 (zeHGW) von 32,60 mNHN, d. h. bis rund 80 cm über OK Kellerm² beträgt. Die Kellerwände bestehen aus Ziegelmauerwerk. fußboden, gerechnet werden muss, hat der Eigentümer des Der historische Kellerfußboden bestand vor dem ersten Umbau Gebäudes sich entschlossen, eine Maßnahme zur dauerhaften aus ca. 15-20 cm starkem, unbewehrtem Beton. Im Zuge von Trockenhaltung des Gebäudekellers durchzuführen. Aufgrund Fundament-Neugründungsmaßnahmen zur Nutzung als Tiefga- der laufenden Gebäudenutzung und umfangreichen Installatirage wurde der frühere Kellerfußboden bereichsweise gegen onen entlang der Kelleraußenwände war eine Lösung mit Abdichtung oder Weiße Wanne als Innentrog nicht realisierbar. Daher eine 25 cm starke, bewehrte Stahlbetonplatte ausgetauscht. Im August 2011 kam es erstmals zu einem Eintritt von Grund- wurde im Rahmen einer Machbarkeitsstudie die Möglichkeit wasser in lokalen Kellerbereichen. Die Auswertung der langfris- einer hydraulischen Kellersicherung durch aktives Pumpen bei tigen Grundwasserstandsganglinien umliegender Messstellen Grundwasseranstieg geprüft. Die Ableitung des Förderwassers zeigt, dass es sich bei dem Grundwasserstand von 08/2011 in die vorhandene Mischwasserkanalisation war wegen der (rund 31,80 mNHN) um den höchsten Wasserstand seit etwa beschränkten Kapazitäten im Leitungsnetz nicht genehmigungs58 Jahren handelte (Abb. 4). fähig und wurde auch aus Kostengründen verworfen. Eine Direkt-
Abb. 8 – Brunnenherstellung unter beengten Verhältnissen
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Abb. 9 – Fertiger Brunnen in der Tiefgarage mit befahrbarem Schacht
Abb.: Hölscher Wasserbau GmbH
Hölscher Wasserbau GmbH
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Abb. 10 – DSI-Einheiten, Typ Glindow, im Innenhof zur Reinfiltration
einleitung in den nördlich benachbarten Spreekanal wurde ebenfalls nicht genehmigt, sodass nur eine Wiederversickerung bzw. Reinfiltration des Pumpwassers auf dem Gelände als Lösung verblieb. Da das im Hochwasserfall abzupumpende Grundwasser mit leichtflüchtigen halogenierten Kohlenwasserstoffen (LHKW) aus einem im natürlichen Oberstrom gelegenen Schadensherd belastet ist, muss es zur Einhaltung der behördlichen Grenzwerte vor der Reinfiltration gereinigt werden. Die Reinfiltration wurde mit dem patentierten DSI-Verfahren der Fa. Hölscher Wasserbau durchgeführt. Dieses ermöglicht die Reinfiltration auch bei beengten Verhältnissen, da die Reinfiltrationseinheiten wegen ihrer größeren Leistungsfähigkeit einen deutlich kleineren Ausbau haben als vergleichbare Versickerungsbrunnen. Zudem bewirken die DSI-Einheiten aufgrund ihrer hydraulischen Funktionsweise einen viel geringeren Aufstau im Vergleich zu konventionellen Versickerungsverfahren. Unter Würdigung der vorbeschriebenen Gegebenheiten wurde die hydraulische Kellersicherung mittels elf Entnahmebrunnen und fünf DSI-Versickerungseinheiten Typ Glindow auf die Trockenhaltung des Kellers bis zu einem Hochwasserniveau von 32 mNHN (das sind 20 cm über dem seit 58 Jahren höchsten Hochwasserstand von 08/2011) ausgelegt. Außerdem wurde eine Reinigungsanlage für das geförderte Grundwasser installiert. Die Anlage zur Kellersicherung/Kellertrockenhaltung (Abpumpen, Reinigen, Versickern) ist im Lageplan in Abbildung 6 dargestellt. Die Anordnung und Ausbildung der Anlage wurden im Rahmen vorlaufender Modellierungen bestimmt und optimiert. In Abbildung 7 ist das Ergebnis eines Prüflaufes zum Nachweis der Absenk- und Aufstauwirkung der Maßnahme dargestellt. Bei dem Betrieb der Anlage und auch an einem vergleichbaren Nachbarobjekt bestätigte sich, dass die modellierten Aufstauhöhen aufgrund der zuvor beschriebenen Wirkung der DSI-Versickerungseinheiten (geringerer Aufstau als bei konventionellen Versickerungsbrunnen) tatsächlich ≥ 15 cm geringer ausfallen als berechnet und damit die erzielbare Absenkwirkung um ≥ 15 cm größer ist, als in den vorlaufenden Modellierungen ausgewiesen. Die bei Hochwasserständen > 31,65 mNHN (ca. 15 cm unter OK Kellerfußboden) automatisch anspringende Wasserhaltungs-
anlage fördert nach den Modellberechnungen bei einem Grundwasser-Hochstand von 31,80 mNHN eine Pumpwassermenge von Q = 25,5 m³/h (HW 08/2011) bzw. von Q = 45 m³/h bei 32,0 mNHN (d. h. HW 08/2011 + 0,20 m). Die zur Realisierung der geplanten hydraulischen Kellersicherung/Kellertrocken haltung im Fall von Grundwasserhochständen erforder
w w w. b r u n n e n f i lt e r . d e
Abdi filter und Aufsatzrohre mit druckwasserdichter Spezialverbindung, inklusive zwei fixierten O-ringen. für Grundwassermessstellen und förderbrunnen. werkstoff PVC-u, farbe blau. baulängen
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Abb. 11 – EMSR-Steuerung der Dauerwasserhaltungsanlage
lichen Absenkmaße (Bereich Br. 1-Br. 11) und Aufstaumaße (Bereich Versickerungsbrunnen DSI 1-DSI 5) sind mit s = - 1530 cm (Absenkung Bauwerksrandbereiche) bzw. s = + 5-10 cm (Aufstau Grundstücksgrenze) vergleichsweise gering und unschädlich für die angrenzenden Gebäude. Insbesondere ist eine Beeinträchtigung hinsichtlich Standsicherheit, Setzungen, Vernässungen und Trockenfallen nicht zu erwarten.
Herstellung der Anlage Die Entnahmebrunnen wurden als Flachbrunnen konzipiert, um die hydraulische Wechselwirkung mit der räumlich unmittelbar angrenzenden DSI-Reinfiltrationsanlage zu minimieren. Aufgrund der beengten Verhältnisse mit Raumhöhen von teilweise weniger als 2 m, Durchgangsbreiten von ca. 80 cm und der auch während der Bauphase laufenden Nutzung der Kellerinfrastruktur war ein Maschineneinsatz bei den Bohrarbeiten nicht möglich. Die Brunnen wurden daher in den mitteldicht gelagerten Sanden als verrohrte Bohrung DN 324 händisch mit einem Staucher abgeteuft (Abb. 8). Neben dem PVC-Brunnenrohr DN 150 wurden zwei zusätzliche Beipegel für die elektronische und die händische Wasserstandsmessung eingebaut. Der Ausbau erfolgte unterflurig mit befahrbarem Schachtdeckel (Abb. 9). Das Förderwasser wird zur Vermeidung von Kondenswasserbildung über ein isoliertes Leitungssystem zur zentralen Aufbereitungsanlage gefördert. Dort wird es in einem abgedeckelten Vorlage becken zunächst belüftet und dann in Kiesfiltern gereinigt. Zur Eliminierung der am Standort vorhandenen leichtflüchtigen halogenierten Kohlenwasserstoffe sind zusätzlich Wasseraktivkohlefilter installiert. Diese wurden entsprechend den vorhandenen Platzverhältnissen bemessen und hergestellt. Nach der Reinigung wird das Wasser entsprechend den bodenspezifischen und hydraulischen Verhältnissen über die DSI-Einheiten in einem unter der Grundwasserentnahme liegenden Niveau in den Aquifer reinfiltriert. Die Einheiten sind im Innenhof des Gebäudes angeordnet (Abb. 10). Die Anlage arbeitet vollauto-
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matisch mit einer SPS-Steuerung, Kontrolle und Steuerung erfolgen computergestützt über eine visualisierte Benutzeroberfläche (Abb. 11). Dabei ist der Zugriff via Internet jederzeit möglich. Die Anlagen werden zur Gewährleistung des sicheren Betrie bes monatlich gewartet. Eine Kostenbetrachtung kam zu dem Ergebnis, dass die Herstellkosten einer solchen Dauerwasserhaltungsanlage nur ca. 50 % im Vergleich zur Herstellung einer Weißen Wanne als Innentrog betragen. Zusammen mit den Betriebs- und Unterhaltungskosten, die im Wesentlichen die Stromkosten beinhalten, ergibt sich bei einer kalkulierten vierwöchigen Betriebsphase pro Jahr auch bei einer 20-jährigen Nutzungsdauer insgesamt noch eine deutlich wirtschaftlichere Variante als eine aufwen dige Innentrog-Lösung.
Literatur [1] IHK Berlin (Hrsg.) 2014: Folgen hoher Grundwasserstände in Berlin. Gutachten und Bewertung der IHK Berlin. [2] Limberg, A., Thierbach, J. 2002: Hydrostratigrafie von Berlin Korrelation mit dem Norddeutschen Gliederungsschema. - Brandenburgische Geowiss. Beitr., 9, 1/2, S. 65 - 68; Kleinmachnow. [3] SenStadt 1992-2011: Digitaler Umweltatlas Berlin. – http://www.stadtentwicklung.berlin.de/umwelt/umweltatlas/ index.shtml Autoren Stefan Ebneth Andreas Stolze Hölscher Wasserbau GmbH Petzower Str. 4 14542 Werder (Havel) Tel.: 03327 4898-11 Fax: 03327 4898-19
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