Given the challenges of increasing urbanization, land use, infrastructure, resource protection, and climate change, the management of underground space has gained significant importance. This is relevant for cities built on unconsolidated sediments like Munich, which serves as a paradigmatic example driving this dissertation. Additional study areas include Starnberg and the Augsburg – Low Lech Valley area. The geological heterogeneity is crucial for subsurface planning. However, the geological conditions are often unknown, with data frequently scarce and underutilized. The dissertation addresses these challenges by enhancing the predictive capability of unconsolidated sediments by focusing on: i) 3-D prediction of fundamental geological characteristics, ii) integration and quantification of uncertainties, and iii) ensuring multipurpose usability. The findings have been published in four articles in international journals. 3-D geo-models rarely consider the intergranular constituents of unconsolidated sediments, leading to an underestimation of the geological composition. The first publication addresses this in Munich by predicting the fundamental characteristics of these sediments in 3-D, i.e., the grain-size distribution (GSD), using a novel approach called the Di models method. This approach employs sequential stochastic simulation to simulate grain fractions for various cumulative frequencies of the fictive GSD, allowing for a flexible definition of grain-size-based heterogeneities. The method has been successfully applied to Munich, the Starnberg and U9 Tunnels, Augsburg, and the Low Lech Valley. The input data used in the approach, direct soil descriptions from drilled materials, are often inaccurate, affecting uncertainty quantification (UQ). The second publication addresses this by reinterpreting the soil observations to account for lithological noise. This is done by determining all soil components, quantifying their proportions, and capturing the fictive GSD range. Using entropy and joint entropy for UQ allows realistic outcomes and enables the comparison of model reliability. The uncertainty measures have proven extremely valuable in optimizing the planned U9 Subway Tunnel drilling campaign and analyzing the uncertainty regarding the aquifer interconnectedness in Augsburg. Geological 3-D models are often purpose-specific and may not fully capture the geological complexity. The third and fourth publications explore the need for multipurpose usability and methods for estimating material properties at the level of facies structures. Combining geological and numerical models with hydrogeochemistry data supports sustainable subsurface planning. GSD patterns define lithological geometries and reservoir architectures. In Munich, the results revealed a gravelly Quaternary aquifer and Miocene aquifers, confirmed by hydrogeochemical data. In Augsburg and the Low Lech Valley, the 3-D geo-models showed a multi-layered aquifer system with vertical lithological zoning. Estimating fictive GSD allows for predicting the hydraulic conductivity. The results were used to calibrate a city-wide numerical groundwater model in Munich and to assess groundwater withdrawal and geothermal potential for groundwater heat pumps. In the Low Lech Valley, a restriction on the drilling depth was implemented to protect the underlying aquifers. In conclusion, this thesis provides valuable insights into the characterization of 3-D geology in unconsolidated sediments, supporting sustainable spatial planning of the subsurface as a multifunctional resource. The main objective of the dissertation, to improve the 3-D predictive capability of unconsolidated sediments, has been successfully achieved.      «

Given the challenges of increasing urbanization, land use, infrastructure, resource protection, and climate change, the management of underground space has gained significant importance. This is relevant for cities built on unconsolidated sediments like Munich, which serves as a paradigmatic example driving this dissertation. Additional study areas include Starnberg and the Augsburg – Low Lech Valley area. The geological heterogeneity is crucial for subsurface planning. However, the geological c...     »

Angesichts der Herausforderungen von zunehmender Urbanisierung, Flächennutzung, Infrastruktur, Ressourcenschutz und Klimawandel hat die Raumplanung des geologischen Untergrundes an Bedeutung gewonnen. Dies gilt insbesondere für Städte wie München, die auf Lockergesteinssedimenten errichtet wurden und als Modellbeispiel für diese Dissertation dient. Neben München wurden die weiteren Arbeitsgebiete Starnberg, und das Gebiet Augsburg - Unteres Lechtal betrachtet. Die geologische Heterogenität der Sedimente ist dabei für die Untergrundplanung entscheidend. Allerdings sind die geologischen Bedingungen oft unbekannt, die Daten häufig begrenzt und werden nicht optimal genutzt. Diese Dissertation begegnet diesen Herausforderungen, indem sie die Vorhersagefähigkeit der Lockergesteinssedimente mit Fokus auf drei Schlüsselaspekte verbessert: i) 3-D-Vorhersage grundlegender geologischer Merkmale, ii) Integration und Quantifizierung von Unsicherheiten in den Eingangsdaten und iii) Sicherstellung der multifunktionalen Nutzung des Untergrundes. Die Ergebnisse wurden in vier Publikationen in internationalen Fachzeitschriften veröffentlicht. Geologische 3D-Modelle berücksichtigen selten die intergranularen Bestandteile von Lockergesteinen, was zu einer unzureichenden Darstellung der tatsächlichen geologischen Beschaffenheit führt. Die erste Publikation adressiert diese Herausforderung für München und zielt darauf ab, die grundlegenden Merkmale dieser Sedimente durch Entwicklung eines geostatistischen Ansatzes namens Di-Modelle-Methode in 3-D vorherzusagen, insbesondere die Korngrößenverteilung. Diese Methode verwendet sequenzielle stochastische Simulationen, um Kornfraktionen für verschiedene kumulative Frequenzen der fiktiven Korngrößensummenverteilungen zu simulieren. Sie ermöglicht auch eine flexible Definition von Korngrößenheterogenitäten. Der Ansatz wurde erfolgreich auf die Stadt München, den Starnberger Straßentunnel, den U9-Tunnel in München, die Stadt Augsburg und das Untere Lechtal angewendet. Primärdaten der Di-Modelle-Methode, basierend auf Bohrbeschreibungen, sind oft ungenau und fehlerbehaftet, was die Unsicherheitsquantifizierung beeinflusst. Die zweite Publikation behandelt dies, indem sie die Bohrbeschriebe neu interpretiert, um potenzielle Variationen der geologischen Zusammensetzung zu berücksichtigen. Dies geschieht durch Bestimmung aller Bodenbestandteile und deren Proportionsbereiche sowie Erfassung des fiktiven Korngrößenbereichs. Die Konzepte der Entropie und Verbundentropie werden zur Unsicherheitsquantifizierung angewendet, was zu realistischen Ergebnissen führt und den Vergleich der Modellzuverlässigkeit ermöglicht. Die Unsicherheitsmaße haben sich in der Optimierung der Bohrkampagne für den geplanten U9-Tunnel und der Analyse der Unsicherheit bezüglich der Aquiferverbindung in Augsburg als äußerst wertvoll erwiesen. Viele geologische 3D-Modelle sind fallspezifisch und unterschätzen oft die geologischen Gegebenheiten. Mit der dritten und vierten Publikation wird die Anwendbarkeit interdisziplinärer Modelle untersucht um noch detaillierte Vorhersagen der Korngrößenverteilung und Methoden zur Bestimmung von Materialeigenschaften auf der Ebene von Faziesstrukturen zu erhalten. Die Kombination von geologischen und numerischen Modellen mit Hydrogeochemie unterstützen die nachhaltige Untergrundplanung. Korngrößenunterschiede definieren lithologische Geometrien und Reservoir-Architekturen. In München zeigten die Ergebnisse einen miteinander verbundenen kiesigen quartären Kies-Aquifer und miozäne Aquifere, was durch hydrogeochemische Daten bestätigt wurde. In Augsburg und dem Unteren Lechtal ergaben die 3-D-Modelle ein mehrschichtiges Grundwasserleitersystem mit vertikaler lithologischer Zonierung. Die Bestimmung der fiktiven Korngrößenkurven ermöglicht die Vorhersage von Eigenschaften wie hydraulischer Durchlässigkeit (kf-Wert). Die Ergebnisse wurden zur Kalibrierung eines städtischen Grundwassermodells und zur Bewertung von Grundwasser- und Wärmepumpenpotenzialen verwendet. Im Unteren Lechtal wurde eine maximale Bohrtiefenbegrenzung implementiert, um die darunter liegenden Aquiferen zu schützen. Zusammenfassend liefert die Dissertation wertvolle Erkenntnisse zur Charakterisierung der 3D-Geologie in Lockergesteinen, was eine nachhaltige Raumplanung des Untergrundes als multifunktionale Ressource unterstützt. Das Hauptziel der Dissertation, die Verbesserung der 3D-Vorhersagefähigkeit unverfestigter Sedimente, wurde erfolgreich erreicht.      «

Angesichts der Herausforderungen von zunehmender Urbanisierung, Flächennutzung, Infrastruktur, Ressourcenschutz und Klimawandel hat die Raumplanung des geologischen Untergrundes an Bedeutung gewonnen. Dies gilt insbesondere für Städte wie München, die auf Lockergesteinssedimenten errichtet wurden und als Modellbeispiel für diese Dissertation dient. Neben München wurden die weiteren Arbeitsgebiete Starnberg, und das Gebiet Augsburg - Unteres Lechtal betrachtet. Die geologische Heterogenität der S...     »