Veranstaltungsprogramm

Im Zeitraum von 150 Jahren ist im Lausitzer Revier durch den Braunkohlenbergbau eine hydrogeologische Kulturlandschaft entstanden, welche in höchstem Maße menschlicher Steuerung unterliegt. Mit der Verabschiedung des Kohleverstromungsbeendigungsgesetzes hat ein Entschließungsantrag explizit die wasserwirtschaftlichen Belange hierzu aufgegriffen. Ein neu aufzubauendes „Grundwassermodell Lausitz“ (GWM-L) dient als maßgebliche Grundlage und Kernelement für die länderübergreifende Grundwasserbewirtschaftung in Sachsen und Brandenburg.

Neben hydrologischen Frage- und Zielstellungen, die auch die Kopplung von Bodenwasserhaushaltmodellen mit Grundwasserströmungsmodellen unter Berücksichtigung von Klimaveränderungen mit einbezieht, ist eine wesentliche Grundlage der Neu-Aufbau eines gemeinsamen hydrogeologischen Strukturmodells, welches in der Verantwortung der geologischen Dienste der jeweiligen Länder steht. Mit dem hydrogeologischen Strukturmodell wird die Stratigrafie und Lithologie der Grundwasserstockwerke hinsichtlich ihrer räumlichen Verteilung beschrieben. Es ermöglicht die Ableitung der benötigten Materialparameter (Durchlässigkeitsbeiwerte) im hydrologischen/geohydraulischen Modell. Es betrachtet das definierte Untersuchungsgebiet bzw. den Modellraum, welches größer als der hydrologische Bilanzraum und das Aussagegebiet sind ([1], [2]).

Auch wenn die Methodik zur Erarbeitung eines solchen grundsätzlich keine neue Arbeitsweise darstellt [3], so erfordert die Komplexität des Modells ein schrittweises Abarbeiten und auch den Einsatz modernster Modellierwerkzeuge. Darüber hinaus ist zu berücksichtigen, dass durch die aktiven hydrologischen/geohydraulischen Regionalmodelle der Bergbaubetreiber hydrogeologische Strukturmodelle in regionalen Bereichen des zukünftigen GWM-L bereits vorliegen und möglichst integriert werden sollen. Integration heißt in diesem Fall zunächst: Verwenden der vorliegenden Daten. Zu beachten ist, dass alle Regionalmodelle in ihrem Aufbau als grundsätzlich heterogen anzusehen sind, von der Anzahl der Modellschichten bis zur vertikalen Begrenzung sind nur teilweise Schnittmengen vorhanden.

Das strukturgeologische Modell muss demnach die geologische Situation für ein Gebiet hinreichend genau darstellen. Es sollten die Tiefenbereiche bis 200 m detailliert dargestellt werden. Für ein länderübergreifendes Modell wird es für Brandenburg erforderlich sein, auch in tieferen Bereich zu modellieren. Das LBGR sieht für Brandenburg die Zielstellung bei dem sog. Leithorizont (Basis der Buchhainschichten). Die tieferliegenden stratigraphischen Horizonte, Spremberg- Formation, Cottbus-Formation und Rupel-Formation sind auf Grund der geringen Aufschlussdichte nur sehr grob in ihrer strukturgeologischen Ausprägung zu modellieren.

Mit dem Beitrag wird die Grundlagenermittlung der geologischen Daten vorgestellt, die Heterogenität der Daten dargestellt und Methoden präsentiert, um das Ziel des Aufbaus eines (digitalen, dreidimensionalen) hydrogeologischen Strukturmodells zu erreichen.

[1] FH-DGGV Leitfaden 2010, Hydrogeologische Modelle - Bedeutung des hydrogeologischen a priori – Wissens

[2] Technische Regel - Arbeitsblatt DVGW W 107 (A) Februar 2016 Aufbau und Anwendung numerischer Grundwassermodelle in Wassergewinnungsgebieten

[3] Hydrogeologie – Grundlagen und Methoden; Regionale Hydrogeologie: Mecklenburg-Vorpommern, Brandenburg und Berlin, Sachsen-Anhalt, Sachsen, Thüringen, Jordan und Weder, Ferdinand Enke Verlag Stuttgart 1995

Mit dem in 2020 beschlossenen Strategischen Gesamtrahmen Hauptstadtregion (SGHR) haben die Länder Berlin und Brandenburg ihre Zusammenarbeit im Bereich verschiedener Handlungsfelder intensiviert. Im Handlungsfeld „Natürliche Lebensgrundlagen und Lebensqualität“ wurde 2021 ein gemeinsames Wasserressourcenmanagement verankert. Hierbei sollen Maßnahmen zur Sicherung der Wasserversorgung und zur Verbesserung des Gewässerschutzes besser aufeinander abgestimmt und übergreifende Strategien vereinbart werden.

Neben der vertieften Zusammenarbeit der zuständigen Berliner und Brandenburger Behörden erfolgt in diesem Rahmen ein umfassender fachlicher Austausch mit den 16 Wasserversorgern aus Berlin und Brandenburg (zusammengeschlossen in der „Initiative Trinkwasserversorgung Metropolenregion Berlin-Brandenburg“ – ITM). In diesem Kontext entstand die Idee zum Aufbau eines länderübergreifenden Grundwasserströmungsmodells als Grundlage für ein gemeinsames Grundwassermanagementsystem in der Hauptstadtregion.

Dieses Grundwasserströmungsmodell soll zukünftig erstmalig eine ganzheitliche Betrachtung des im Zuge des Klimawandels und des Bevölkerungszuwachses stark unter Druck geratenen Grundwasserhaushalts in der Hauptstadtregion ermöglichen. Zentraler Bestandteil ist die Modellierung der wechselseitigen Auswirkungen der Grundwasserentnahmen der Wasserversorger in der Region im Hinblick auf eine nachhaltige Bewirtschaftung der gemeinsamen Grundwasserressourcen unter Berücksichtigung naturschutzfachlicher Belange. Auch die fachliche Beurteilung der Auswirkung unterschiedlicher Klimaszenarien auf das Grundwasserdargebot durch eine Variation der Grundwasserneubildung soll betrachtet und mögliche Maßnahmen zur Kompensation geprüft werden. Ferner entsteht eine einheitliche abgestimmte Fachgrundlage für Bewilligungsverfahren und eine Grundlage für zukünftige Detailmodelle zu geothermischen und schadstoffrelevanten Fragestellungen.

Die Erarbeitung dieses Grundwasserströmungsmodell erfolgt unter Federführung des Landes Berlins in Zusammenarbeit mit den Berliner Wasserbetrieben und in Abstimmung mit dem Land Brandenburg und den Mitgliedern der ITM. Zum Einsatz kommt die Modellierungssoftware FEFLOW.

Im ersten Schritt fand in 2022 die Abstimmung des 2800 km² großen Modellraums zwischen den genannten Beteiligten statt. Im Fokus stand dabei vor allem die Erfassung von Überschneidungsbereichen Berliner und Brandenburger Entnahmen. Berücksichtigung fanden 34 Wasserwerksstandorte von insgesamt 12 verschiedenen Wasserversorgern. Weiterhin wurde die Erarbeitung eines hydrogeologischen Strukturmodells für den Modellraum weitestgehend auf Basis vorhandener Interpretationen beauftragt. Parallel dazu erfolgt die Akquise und Aufbereitung notwendiger Eingangsdaten und die Erarbeitung des Modellnetzes, welches möglichst umfassend alle wichtigen geometrischen Strukturen in erforderlicher Genauigkeit berücksichtigt. Die nächsten für 2024 geplanten Schritte sind die Parametrisierung, Implementierung der Randbedingungen und Initialisierung für den Beginn des noch nicht final festgelegten Betrachtungszeitraums. Die zunächst stationäre Modellkalibrierung wird für die zweite Jahreshälfte avisiert.

Mit der Einführung der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie im Jahr 2000 wurden die EU-Mitgliedsstaaten verpflichtet, das Grundwasser in einen guten mengenmäßigen und chemischen Zustand zu überführen. Der Geologische Dienst NRW (GD NRW) unterstützt seitdem das für NRW zuständige Umweltministerium (MUNV NRW) mit den dafür erforderlichen Geoinformationen zur Umsetzung der EG-WRRL.

Bereits im Jahr 2006 wurden vom GD NRW insgesamt 276 Grundwasserkörper in Bezug auf den obersten relevanten Grundwasserleiter abgegrenzt. Vor dem Hintergrund des aktuell stattfindenden Grubenwasseranstieges in den Steinkohlenrevieren an der Ruhr und in Ibbenbüren sind auch tiefe Grundwasserkörper zu bewerten, die hierdurch möglicherweise beeinflusst werden können. Tiefe Grundwasserkörper (tGWK) sind hierbei durch die Überlagerung durch mindestens einen Geringleiter charakterisiert.

Im Jahr 2019 wurde daher der GD NRW beauftragt, tiefe Grundwasserkörper im Ruhrrevier abzugrenzen. Die Lagerstätte zeichnet sich durch nach Norden einfallende Schichten des flözführenden Oberkarbons aus, die diskordant von Schichten des Mesozoikums überlagert werden. Es wurden die vorhandenen (hydro-)geologischen Daten und Untergrund­modelle ausgewertet und insgesamt fünf tiefe Grundwasserstockwerke bis in Tiefen von ca. -1.200 m NHN ermittelt: tGWK Oberkarbon, tGWK Buntsandstein, tGWK Cenoman/Turon, tGWK Haltern-/Recklinghausen-Formation und tGWK Walsum-Subformation (s. Abbildung).

Neben der räumlichen Auswertung wurden die charakteri­sie­renden Eigenschaften der tGWK gemäß EG-WRRL in Steckbriefen erfasst. Die Ergebnisse der Gebietsausweisung für das Ruhrrevier konnten vom GD NRW zeitnah erarbeitet werden und werden seitdem vom LANUV NRW für den 3. Bewirtschaftungsplan zur Umsetzung der EG-WRRL für die Jahre 2022-2027 verwendet.

Neben dem Ruhrrevier als bedeutendstes Steinkohlenrevier in NRW ist es Zielsetzung des Umweltministeriums zukünftig auch die tiefen Grundwasserkörpern in den weiteren Steinkohlenrevieren des Landes zu bewerten. Daher wurden als Nachfolgeprojekt im Jahr 2021 die tiefen Grundwasserkörper im Ibbenbürener Revier vom GD NRW erarbeitet.

Das Ibbenbürener Revier zeichnet sich durch eine tektonisch klar abgegrenzte Horststruktur aus, in der Schichten des Oberkarbons um bis zu 2.000 m emporgehoben wurden. Der Karbonhorst ragt als morphologische Erhebung deutlich aus dem mesozoischen Vorland heraus. Neben dem untertägigen Abbau von Anthrazitkohle, der bis in das Mittelalter zurückreicht (erste urkundliche Erwähnung 1492), wurde in der südöstlichen Umrandung des Karbonhorstes intensiver Bergbau nach Buntmetallerzen des Zechsteins betrieben. Der Kohlenabbau fand in Verbindung mit einer Sümpfung zuletzt bis in eine Tiefe von ca. -1.400 m NHN statt. Für die Lagerstätte sowie das hydraulisch mit ihr in Verbund stehende Vorland wurden vier tiefe Grundwasserkörper abgegrenzt: tGWK Oberkarbon, tGWK Zechstein, tGWK Muschelkalk und tGWK Unterer Malm.

Die tiefen Grundwasserkörper werden zukünftig dazu genutzt, die EG-WRRL im Ruhrrevier sowie im Ibbenbürener Revier umzusetzen. Gemeinsam ermöglichen sie es, die Qualität des Grundwassers für zukünftige Generationen zu erhalten und zu verbessern.

Mögliche und projizierte Änderungen im hochkomplexen System des atmosphärischen, oberirdischen und unterirdischen Wasserhaushalts und des Grundwasserflusses stellen die Wasserwirtschaft in Thüringen künftig vor enorme Herausforderungen. Für die öffentliche Wasserversorgung ist es, insbesondere bei länger andauernden Trockenjahren und Trockenperioden, essentiell, ausreichend Rohwasser sicher bereitzustellen. Hierbei spielt das Vorsorgeprinzip eine entscheidende Rolle. Dieses beinhaltet zum einen eine Risikovorsorge, die verlangt, „bei unvollständigem oder unsicherem Wissen über Art, Ausmaß, Wahrscheinlichkeit sowie Kausalität von Umweltschäden und -gefahren vorbeugend zu handeln, um diese von vornherein zu vermeiden“ (KLIWA AG Grundwasser, 2023). Zum anderen greift die Ressourcenvorsorge, d. h. der schonende Umgang mit Ressourcen (u. a. Wasser), um diese langfristig zu sichern.

Teil der staatlichen Daseinsvorsorge und zentraler Auftrag der Wasserwirtschaft ist es, die Versorgungssicherheit im Bereich Trinkwasser auch im Falle von für die Wasserversorgung ungünstigen Klimawandelfolgen zu gewährleisten. Unter Berücksichtigung der o. g. Randbedingungen in Thüringen muss die Wasserwirtschaft dabei auch auf Szenarien vorbereitet sein, in denen sich aktuelle Trends wichtiger Wasserhaushaltsgrößen möglicherweise fortsetzen und sich das Wasserdargebot temporär verringern könnte.

Vor diesem Hintergrund wurde exemplarisch untersucht, welche Auswirkungen eine Phase verminderter Grundwasserneubildung auf die Grundwasserstände in Thüringen haben könnte. Ausgehend von den definierten Grundwasserständen wurde zunächst ein sechs Jahre langer Zyklus mit sich wiederholenden Grundwasserneubildungsraten des Jahres 2019 (mittlere Sickerwasser- bzw. Grundwasserneubildungsrate 82 mm/Jahr) prototypisch analysiert. Neben der Auswertung durch einen jährlichen Trockenheitsindex wurden Grundwasserstandsänderungen und –tiefststände lokal und regional analysiert. Daneben konnten Aussagen zu Wasserversorgungsbereichen abgeleitet werden, wo möglicherweise für die Wasserversorgung kritische Wasserstände auftreten könnten.

Die exemplarisch auswählten Daten des Jahres 2019 repräsentierten zwar im Mittel stark verminderte Grundwasserneubildungsraten in Thüringen, jedoch zeigten die Berechnungsergebnisse auch, dass die Grundwasserneubildung in einigen Naturräumen (z. B. in Westthüringen) methodisch bedingt nur temporär vermindert war. Somit wurden im Sinne der Risikovorsorge für bestimmte Regionen mit dieser Methode keine lokalen Trockenphasen mit Grundwassertiefstständen untersucht. Zudem stellte sich die Frage, ob die für Thüringen repräsentativen Klimaprojektionen der Ensembleauswahl (Struve et al., 2020) zukünftig ähnlich lange Trockenphasen beinhalten. Aus diesem Grund wurden die BIAS-adjustiert vorliegenden 21 Modellketten des Mitteldeutschen Kernensembles vollständig und unabhängig von Klimaszenarien hinsichtlich der projizierten Niederschlagsmenge bis zum Jahr 2100 analysiert. Es konnten 12 drei- bis sechsjährige Trockenphasen identifiziert werden, in denen die Jahres- bzw. Quartals-Niederschlagsmengen größtenteils unterhalb langjähriger Mittelwerte liegen.

Diese 12 Trockenphasen wurden hinsichtlich bzgl. der Grundwasserneubildungsentwicklung analysiert. Die Auswirkungen auf Oberflächenwasser, auf den ungesättigten Bereich, den Grundwasserhaushalt und das -fließregime werden in unterschiedlichen Skalenbereichen für Gesamtthüringen dargestellt und interpretiert.

Eine bundesweit harmonisierte Bereitstellung von aktuellen und prognostizierten Grundwasserständen hat insbesondere vor dem Hintergrund sich wiederholender Trockenjahre an Bedeutung gewonnen. Mit dem hier vorgestellten Grundwasserstandsvorhersagedienst GRUVO ist es möglich, die relevanten Informationen zielgerichtet für verschiedene Nutzergruppen zur Verfügung zu stellen.

In diesem Beitrag wird die Funktionalität und Funktionsweise der Fachanwendung GRUVO in der aktuellen Version vorgestellt. Diese umfasst neben der Beschreibung der aktuellen Grundwasserstände im Wesentlichen die Darstellung von monatlich aktualisierten Grundwasserstandsvorhersagen und -projektionen für die Vorhersagehorizonte kurzfristig (bis 3 Monate), mittelfristig (bis 10 Jahre) und langfristig (bis 2100) an über 100 bundesweit verteilten sogenannten Referenzmessstellen (RM). Jede dieser RM repräsentiert die Grundwasserstände bzw. Dynamik einer unterschiedlichen Anzahl von sogenannten Clustermessstellen (CM). Diese Zuordnung von RM zu CM wurde zuvor durch ein Clusterverfahren ermittelt. Die Prognose der RM basiert auf künstlichen neuronalen Netzen (KNN), die mit Zeitreihen gemessener Grundwasserstandsdaten der zuständigen Landesämter als Zielgrößen und gemessenen meteorologischen Daten des Deutschen Wetterdienstes (DWD) als Prädiktoren trainiert werden. Für die Vorhersage zukünftiger Grundwasserstände werden wiederum prognostizierte bzw. projizierte meteorologische Daten des DWD verwendet.

Neben den verfügbaren Funktionalitäten der aktuellen Version, die von Übersichtsdarstellungen für alle Messstellen bis hin zu messstellenbezogenen Detaildarstellungen reichen, werden auch Aspekte und Schwierigkeiten der Operationalisierung aufgezeigt und mögliche zukünftige Erweiterungen skizziert.

Zur Umsetzung des Wasserversorgungskonzeptes wurden in einer Arbeitsgruppe mit Vertreterinnen und Vertretern des Umweltministeriums, dem Niedersächsischen Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz und des Landesamtes für Bergbau, Energie und Geologie Maßnahmen zur lokalen Anreicherung von Grundwasser identifiziert. Die Maßnahmen führen indirekt (Retention) oder direkt zur Infiltration von Wasser in den Untergrund, stärken so den Wasserhaushalt und reichern das Grundwasser an.

Vor dem Hintergrund der Auswirkungen des Klimawandels werden Maßnahmen zur Grundwasseranreicherung in Niedersachsen zukünftig eine wichtige Rolle spielen. Zur Unterstützung bei der Auswahl von geeigneten Maßnahmen an potentiellen Standorten oder zur Identifizierung von potentiell geeigneten Standorten für gewünschte Maßnahmen erarbeitet das LBEG z.B. für folgende Maßnahmen jeweils landesweite Eignungskarten: Versickerungsteiche und -gräben, Grabeneinstau, Rigolen, Düneninfiltration, Speicherung im Untergrund über flache oder tiefe Brunnen, Uferfiltration, Hangabfluss und Retentionsdämme.

Je maßnahmenbezogener Eignungskarte werden mittels multikriterieller Bewertung relevante intrinsische Standorteigenschaften wie z.B. Flurabstand, Infiltrationsleistung des Bodens bis 2 m Tiefe, Durchlässigkeit des Untergrundes ab 2 m Tiefe, Entfernung zum Gewässer und Hangneigungsinformationen miteinander kombiniert. Für jede einzelne Karte werden die Standorteigenschaften, deren Gewichtung und die Bewertung separat festgelegt. Im Anschluss werden Ausschlusskriterien wie unversiegelte Flächen oder Hangneigung angewendet. Die Methodik erfordert Rasterdatensätze und wird mit einer Zellgröße von 100 m x 100 m berechnet.

Die Berechnung der Eignungskarten erfolgt automatisiert mittels der Programmiersprache Python in ArcGIS Pro. Sämtliche Berechnungen für die multikriterielle Bewertung werden mit der Programmbibliothek NumPy durchgeführt, wodurch eine hohe Performance gewährleistet wird. Durch die Umsetzung in Python können die unterschiedlichen Anforderungen der jeweiligen Maßnahmen aufgrund der grundsätzlich gleichbleibenden Methodik ohne aufwendiges manuelles Eingreifen berücksichtigt werden. Die einfache Wiederholbarkeit der Berechnungen ermöglicht, die Auswirkungen von Variationen an Parametern (wie z.B. der Gewichtung der Bewertungskriterien) mit geringem Zeit- und Arbeitsaufwand zu vergleichen. Durch die Anwendung eigener Funktionen können spezielle Anforderungen bei der Umsetzung der Berechnungen der Eignungskarten berücksichtigt werden. Anhand der Python Skripte sind die Ergebnisse der Berechnungen sowie das methodische Vorgehen transparent und gut nachvollziehbar.