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In der Siedlungswasserwirtschaft findet derzeit ein Paradigmenwechsel statt. Das Regenwasser wird nicht mehr allein als Gefahr z.B. infolge von zumeist lokalen Starkregenereignissen angesehen, sondern als wertvolle Ressource im städtischen Umfeld insbesondere zu Zeiten großer Hitze und zunehmend längeren Trockenperioden. Der Klimawandel und menschliche Aktivitäten erzeugen zunehmend Druck auf die Grundwasserressourcen, der in Siedlungsgebieten/Städten durch das Prinzip der Schwammstadt reduziert werden kann. Insofern wird sich die künftige Bewirtschaftung des Regenwassers am Wasserhaushalt der Kulturlandschaft unter Berücksichtigung des Klimawandels orientieren müssen. Grundwasserneubildung, Speicherung und Verdunstung (für den Entzug der Wärme) müssen gestärkt werden. Die Wasserressourcen des ungesättigten und gesättigten Untergrundes im urbanen Raum sind dabei weiterhin in einem guten Zustand zu erhalten bzw. an Stellen, wo die Ressourcen beeinträchtigt sind, zu regenerieren. Die Ideen der Bewirtschaftung der Grundwasserressourcen im Zusammenspiel mit allen anderen urbanen Ressourcen wurden in einem Positionspapier der Fachsektion Hydrogeologie in der DGGV (FH-DGGV e.V.) erarbeitet. Dieses baut auf dem Positionspapier der Allianz „Gemeinsam für eine wasserbewusste Stadtentwicklung“ (DWA 2023) auf.

Aus Sicht der Hydrogeologie muss es das Ziel sein, die Zukunftsstädte nicht nur wasserbewusster, sondern auch grundwasserbewusster zu gestalten. Dabei muss die Ressource Grundwasser pro Grundwasser-Stockwerk in vier Dimensionen (Raum und Zeit) betrachtet werden. Zu folgenden Aspekten wurden Positionen erarbeitet:

• Den rechtlichen Rahmen für eine grundwasserbewusste Stadt schaffen.
• Die Planungsprozesse grundwasserbewusst gestalten.
• Das unterirdische Grundwasser-Einzugsgebiet des relevanten Grundwasserkörpers berücksichtigen.
• Die Wasserverfügbarkeit für die Trink-, Brauch- und Notwasserversorgung in der Stadt sicherstellen.
• Die Wasserverfügbarkeit für grundwasserbezogene Ökosysteme in der Stadt sichern.
• Die naturnahen und technischen Konzepte für naturnahen Wasserhaushalt in der Stadt verbessern.
• Die Wechselwirkungen mit dem Grundwasser betrachten.
• Die Förderung der Grundwasserneubildung mittels multifunktionaler Flächennutzung und der Vermeidung von Versiegelung bzw. Abkopplung in Bestandgebieten unter Beachtung diffuser Stoffeinträge.
• Das thermische Management des urbanen Untergrundes planen.
• Das Bewusstsein und die Wahrnehmung für Grundwasser stärken und Akteur*innen zur Umsetzung befähigen.

DWA (2023): Wasserbewusste Stadtentwicklung jetzt für die Zukunft. – [https://de.dwa.de/files/_media/content/03_THEMEN/Wasserbewusste-Stadt/Position_Allianz%20Wasserbewusste%20Stadtentwicklung.pdf]

Der Klimawandel und anthropogene Aktivitäten verursachen vielfältige Veränderungen im Grund­wasser (Menberg et al., 2014; Tissen et al., 2019), vor allem in dicht bebauten Gebieten. Während die physikochemischen Folgen bereits weitreichend erforscht sind, sind die Konsequenzen für Grund­wasserökosysteme kaum bekannt. Als wichtigste Ökosystemleistungen tragen Grundwasser­öko­systeme entscheidend zur Reinigung des Grundwassers und damit auch zu sauberem Trinkwasser bei (Griebler and Avramov, 2015). Ein genaues Verständnis wie dieses empfindliche Ökosystem auf verschiedene Stressoren in urbanen Räumen, z. B. Temperatur und veränderte Flächennutzung reagiert, ist entscheidend für ein nachhaltiges Ressourcen- und Umweltmanagement.

Ziel dieser Studie ist daher die Untersuchung und Bewertung der Fauna in urbanem Grundwasser. Dazu wurden thermische und chemisch-physikalische Parameter in 39 Grundwassermessstellen in Karlsruhe von 2011 bis 2022, sowie sechs Messstellen in Baden-Württemberg von 2002 bis 2020 untersucht und zur ökologischen Bewertung des Grundwassers der Grundwasser-Ökosystem-Status-Index (Griebler et al., 2014) bestimmt. 2011-2014 zeigten nur 35% der Messstellen im Stadtgebiet und nur 50% der Messstellen in einem Waldgebiet nahe Karlsruhe einen “naturnahen“ ökologischen Zustand (Koch et al., 2021). Im Jahr 2022 zeigten die Messungen im Wald- und Stadtgebiet signifikant abnehmende Individuenzahlen und Artenvielfalt in 62% bzw. 48% der Messstellen, obwohl die abiotischen Parameter nur geringe Veränderungen zeigten. Mit Hilfe von Korrelationsanalysen konnten Unterschiede in der räumlichen Verteilung von Grundwasserarten in Abhängigkeit von abiotischen Grundwassercharakteristika in den verschiedenen Stadtgebieten aufgezeigt werden. Messstellen im Waldgebiet zeichneten sich durch niedrigere Grundwassertemperaturen, niedrigere Nitratkonzentrationen und höhere Konzentrationen an gelöstem Sauerstoff aus, was auf eine Korrelation zwischen abiotischen Grundwassercharakteristika und Landnutzung hinweist. Zudem wiesen diese Messstellen eine größere Anzahl an Amphipoden (Krebstiere) auf. Auch weitere urban geprägte Messstellen in Baden-Württemberg zeigten Veränderungen der Abundanz und Biodiversität über die Zeit, was auf einen Einfluss von lokalen Gegebenheiten, wie z. B. Veränderung der Versiegelung, des Oberflächenwassereinflusses, der Landnutzung oder der hydrologischen Bedingungen, auf die Fauna hindeutet. So konnte ein Zusammenhang zwischen der Änderung der Flächennutzung und der Zusammensetzung der Organismengemeinschaften (Verhältnis Oligochäten zu Crustaceen) in einer Messstelle in Neckargartach beobachtet werden (Abb. 1).

Die Studie zeigt somit heterogene und zeitlich veränderliche Bedingungen im urbanen Grundwasser als Lebensraum, die eine eindeutige Bewertung des ökologischen Zustands mit den bestehenden Bewertungsansätzen erschweren. Zukünftig sollten daher zusätzliche Indikatoren, wie der Sauerstoff­gehalt, die Grund­wasser­temperatur, die lokale Geologie, das Vorhandensein von Indikatorspezies, die Beschreibung von standortspezifischen Besonderheiten und natürliche Referenzwerte bei der Bewertung berücksichtigt werden. Darüber hinaus sollten Informationen über urbane Grundwasser­ökosysteme für eine nachhaltige Nutzung des Untergrunds in die Stadt- und Energieplanung integriert werden. Zudem sind Studien in weiteren Städten, mit großflächigen, wiederholten Messkampagnen, unbedingt erforderlich um die Ergebnisse zu verifizieren.

Das oberflächennahe Grundwasser ist in Städten oft vielseitig genutzt (z.B. Trinkwasser und geothermale Nutzung) und gleichzeitig durch verschiedene Faktoren wie Abwasser, Bodenversiegelung/Bauten oder Altlasten beeinflusst. Wie Nutzungen und verschiedene Einflüsse zusammenspielen ist oft sehr komplex und nicht vollständig verstanden. In Wien, wird das oberflächennahe Grundwasser zur geothermalen Energiegewinnung genutzt. Das Projekt „Heat below the City“ zielt darauf ab, Faktoren zu ermitteln, die das Grundwasser von Wien maßgeblich beeinflussen und mögliche Auswirkungen von Temperatureinflüssen abzuleiten. Dafür wurden in zwei Messkampagnen (Herbst 2021 und Frühling 2022) über 150 Grundwassermessstellen beprobt und Hauptionen, Nährstoffe, stabile Wasserisotope, Nitratisotope, Schwermetalle, Abwasserindikatoren, Umweltgase, Mikroorganismen, sowie Fauna untersucht.

Die Qualität des oberflächennahen Grundwassers ist maßgeblich von der Geologie sowie von der variablen Grundwasserneubildung und anthropogenen Einflüssen abhängig. Die Grundwasserneubildung erfolgt dabei nicht nur durch Niederschlag, sondern auch durch Oberflächenwasser-Grundwasserinteraktionen und ist beeinflusst durch anthropogene Einträge wie Abwasserleckagen. Dies konnte anhand der elektrischen Leitfähigkeit, stabiler Wasser- und Nitratisotope, Nitratkonzentrationen und Abwasserindikatoren ermittelt werden. Des Weiteren wird die Wasserqualität stark durch anaerobe mikrobielle Prozesse beeinflusst. Nitrat über dem nationalen Limit der Grundwasserqualitätsverordnung (45 mg/L) ist nur in sauerstoffreichen Zonen vorhanden, während gelöstes Eisen, Mangan und auch Methan erhöht in anaeroben Zonen vorliegen. Sauerstoff ist außerdem wichtig für die Erhaltung der Ökosystemfunktionen und ist ein limitierender Faktor für die Grundwasserfauna. Grundwassertemperaturen in Wien liegen im Mittel bei 14°C über der mittleren Lufttemperatur von 12°C und erreichen sehr lokal Werte über 20°C mit einem Maximum von 30 °C. Diese erhöhten Temperaturen finden sich nur teilweise in anaeroben Zonen und sind durch die oben genannten Faktoren überprägt. Diese Ergebnisse verdeutlichen die komplexen räumlichen Variationen und verschiedene Einflüsse im städtischen Grundwasser von Wien und tragen zu einem besseren Verständnis der hydrologischen und geochemischen Prozesse bei.

Die frühere LCKW-Verwendung auf einzelnen Teilflächen eines urbanen Industriegebietes in Rheinnähe gilt als Ursache von großflächigen LCKW-Grundwasserbelastungen im oberen Grundwasserleiter (OGWL). Insgesamt handelt es sich um eine komplexe Belastungssituation mit mehreren LCKW-Quellen und zwei abströmenden Hauptfahnen, in denen der Metabolit Vinylchlorid (VC) als Hauptanteil dominiert. Ein im Abstrom liegender Badesee wird aktuell über eine modelloptimierte Brunnengalerie mittels Pump & Treat (P&T) vor dem Eintritt von LCKW/VC gesichert. Im Rahmen der Sanierungsuntersuchung wurde für den Fahnenbereich eine innovative Sanierung durch aerobe in-situ Direktgasinjektion zur Stimulation des mikrobiologischen VC-Abbaus mittels 6 redox-kontrollierten Gasinjektionswänden favorisiert. Der höher belastete Quellabstrom einer Teilfahne wird aktuell mit Grundwasserzirkulationsbrunnen abgeschnitten, bis über die Sanierung (z.B. mittels in-situ-elektrothermischer Behandlung) des überbauten Bereichs einer aktiven Sekundärquelle befunden wird. Als Bilanzierungs- und Prognoseinstrument für die weitere Planung und Optimierung verschiedener Sanierungsvarianten wurde ein instationäres 3D-FE-GW-Schadstofftransportmodell erstellt. Das Modellgebiet liegt in der Rheinebene und erstreckt sich bis zum Rhein auf einer Fläche von ca. 4,1 km². Das zu Grunde liegende hydrogeologische Strukturmodell unterteilt sich anhand von über 100 Bohraufschlüssen in 4 Modellschichten mit unterschiedlichen hydrogeologischen Eigenschaften. Auf Basis des hydrogeologischen Strukturmodells wurde das GW-Strömungs- und Schadstofftransportmodell erstellt. Die Modellkalibrierung erfolgte u.a. anhand der Ergebnisse innovativer Erkundungsmethoden. Neben Direct-Push-CPT-MIP-Sondierungen wurden 4 Immissionspumpversuche zur Lokalisation der genauen Lage der Quellbereiche durchgeführt. Zudem wurden präferentielle Fließwege über Thermo-Flow-Messungen ermittelt. Die differenzierten Schadstoffflüsse wurden an verschiedenen Bilanzebenen in Bereich der Schadstofffahne als Grundlage ermittelt. Der LCKW-Input wurde anhand einer Trendanalyse der gemessenen LCKW-Konzentrationen an den Fahnenkernbereichen ermittelt und über exponentielle Inputfunktionen extrapoliert. Im Ergebnis der Modellkalibrierung konnte ein prognosefähiges Modell mit hinreichender Genauigkeit erstellt werden. Insgesamt erfolgten 6 verschiedene Prognoseläufe für verschiedene Gasinjektionswand­gesamtlängen (von insgesamt 1200 m bis 2300 m Länge) und 5 unterschiedliche Sanierungszielwerte (20, 15, 10, 5 und 0,5 µg/L LCKW/VC). Im Ergebnis der Prognoserechnungen konnte nach Kosten-Nutzen-Analyse, die für den konkreten Fall als verhältnismäßig beurteilte Sanierungsvariante bestätigt werden. Ein weiterer Anwendungsfall für das GW-Modell war die Schadstoffbilanzierung von möglichen zusätzlichen lokalen Schadstoffeinträgen im Bereich der Hauptfahne. Mit dem GW-Modell wurden P&T-Szenarios im Hinblick auf eine Verminderung der Brunnenalterung sowie eine Reduzierung der Nutzung der Ressource Grundwasser berechnet. Im Quellbereich wurden die Auswirkungen einer in-situ-thermischen Sanierung auf das Grundwasser ermittelt. Die Anwendungen des robusten GW-Strömungs- und Stofftransportmodells zeigen, wie auf Basis von zahlreichen diversen Erkundungsdaten, eine praxis­bezogene Modellierung für eine zielgerichtete Entscheidungsfindung unter komplexen Sanierungsbedingungen in einem urbanen Grundwassereinzugsgebiet eingesetzt werden kann.

Schon heute wirkt der Klimawandel durch zunehmende Temperaturen sowie veränderte Niederschlagsmengen und -muster negativ auf das Oberflächen- und Grundwasserdargebot ein und ist damit neben steigenden Wasserbedarfen ein bedeutender Stressor der Wasserversorgung. Mit dem niedersächsischen Wasserversorgungskonzept als Informations- und Planungsgrundlage und dem Grundsatz eines Vorranges der Wasserversorgung nach WHG aus lokalen/regionalen Wasservorkommen, werden regionale Studien zur Wasserverfügbarkeit und Wasserversorgung erforderlich. Diese Studien müssen ausgehend von profunden wissenschaftlichen Untersuchungen und Modellierungen des bewirtschafteten Hydrogeosystems Erkenntnisse liefern, um gemeinsam mit anderen Akteuren eine resiliente und nachhaltige Wasserversorgung für die Zukunft zu erarbeiten. Als eine solche Regionalstudie führen wir das Projektes HyPoWaBS (Hydrogeologische Potentialstudie für die Wasserversorgung der Stadt Braunschweig) durch. Die Wasserversorgung der Stadt Braunschweig mit ihren rund 250.000 Einwohnern erfolgt zurzeit überwiegend per Fernwasserlieferung aus Stauseewässern des paläozoischen Festgesteins des Westharzes. Zusätzlich wird ein Grundwasserwerk im nördlichen Stadtgebiet als Spitzen- und Reservewasserwerk betrieben.

Das Ziel des Projektes HyPoWaBS ist die Ermittlung des Nutzungspotentials des lokalen Grund-wasservorkommens unter der Stadt für die städtische Wasserversorgung. Dabei müssen die Besonderheiten der urbanen Hydro(geo)logie des ohnehin komplexen Hydrogeosystems berücksichtigt werden. Für die Ermittlung der Nutzungspotentiale und des aktuellen sowie künftigen Grundwasserdargebots wird eine Modellkette aus einem geologischen Strukturmodell, einem FE-Grundwasserströmungsmodell und einem deterministischen Wasserhaushaltmodell eingesetzt. Die Modellierungsarbeiten werden durch Feldstudien mit Fokus auf die Wechselwirkung zwischen relevanten Hydrosystemen inkl. Grundwassermonitoring, isotopen- (¹⁸O, ²H, ³H, ³He) und hydrogeochemischen Untersuchungen zu Grundwasserherkunft, mittleren Verweilzeiten und -neubildung flankiert. Als weitere Herausforderung kann die Verwendung des kalibrierten Grundwassermodells für die angestrebte Klimaimpactmodellierung auf einer urbanen Einzugsgebietsskala angesehen werden.

Die Flächen für Neuerschließungen und neue Bebauungsgebiete werden vor allem im städtischen und stadtnahen Gebieten immer weniger. Grundstücke mit grundsätzlich ungünstigen Rahmenbedingungen, wie z.B. flurnahem Grundwasserspiegel, werden dadurch heutzutage immer interessanter für Städteplaner. Ebenso steigt das Interesse und die Tendenz, alte Gebäude abzureißen und mit größerer Gründungstiefe für Tiefgaragen im Stadtkern zu planen. Diese Verdichtung im städtischen Bereich hat nicht nur auf die Grundwasserneubildung einen nachteiligen Effekt, sondern beeinflusst auch die natürliche Grundwasserströmung.

Der neue Baukörper stellt dabei oft ein unüberwindbares Hindernis für den natürlichen Grundwasserstrom dar, sodass es zu dauerhaftem Aufstau und zur Absenkung führen kann. Eine in der Praxis bereits vielmals angewandte und oft bewährte Lösung stellt dabei eine Grundwasserdüker-Überleitung dar (auch Grundwasserkommunikationsanlagen genannt). Dabei wird mit horizontalen, geschlitzten Filterrohren (ähnlich der Bauweise von horizontalen Trinkwasserbrunnen) das Grundwasser auf der Entnahmeseite gefasst, mittels Vollrohren über Transportleitungen unter oder um den Baukörper herumgeführt und auf der Abstromseite über abermals geschlitzte Filterrohre an den Grundwasserleiter wieder abgegeben, sodass der natürliche Grundwassergradient nahezu wieder hergestellt wird (gängige Anforderung der Behörden: dauerhafter Aufstau/Absenkung < +/- 10 cm und keine negative Beeinflussung der Nachbarbebauung).

Bisher wurden Planungen der Grundwasserdüker oftmals analytisch oder mit Hilfe einfacher Box-Grundwassermodelle berechnet. Aufgrund dieses einfachen Ansatzes werden Düker teilweise überdimensioniert oder völlig unpassend angeordnet. Durch den Aufbau deutlich komplexerer 3D-Grundwassermodelle mit der Software FEFLOW, in denen die Geometrie und Rohrhydraulik des Dükers durch innovative Ansätze besser abgebildet werden, können verschiedenste Konstellationen schnell und effizient modelliert werden. Die Innovation in diesem Ansatz ist die gemeinsame Abbildung von Grundwasserströmung und Rohrhydraulik in einem System. Oft wird dadurch wird erst eine effiziente Planung des Systems ermöglicht.

Den technischen Nachweis der Durchführbarkeit und der Funktionsweise kann man ausschließlich mit einer modellgestützten Grundwassermodellierung erbringen. Dabei wird auf Grundlage der Planungsunterlagen und meist öffentlich verfügbaren Daten ein 3-D Grundwassermodell aufgebaut, welches dabei die Grundwasserdüker in ihrer Geometrie mit abbildet. Das Modell wird anschließend für verschiedene hydrologische Zustände (z.B. Mittel-/Niedrig-/Hochwasser) stationär kalibriert, bis die vorherrschende Grundwasserströmung gut abgebildet wird. Sobald das Grundwassermodell als prognosefähiges Planungswerkzeug eingestuft werden kann, werden unterschiedliche Düker-Anordnungen iterativ zwischen numerischem Grundwassermodell und analytischen Ansätzen der Rohrreibungsverluste simuliert, bis der zulässige Aufstau unterschritten wird. Dabei ist oft eine Überarbeitung des Berechnungsnetzes notwendig, um die lokalen Einflüsse des Dükersystems belastbar abbilden zu können.

Dieser bisher noch nicht sehr weit verbreitete Ansatz wurde unter anderem am Flughafen München, für diverse U-Bahn Stationen in München, in Geretsried und am City Tunnel in Leipzig erfolgreich angewendet.