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Das Thema Grundwasserversalzung hat im norddeutschen Küstenraum in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen und ist verstärkt in das Bewusstsein lokaler Akteure vorgedrungen. Dies liegt vor allem an den Trockenperioden der vergangenen Jahre, die national erhebliche Auswirkungen auf Ökosysteme und die Wasserwirtschaft hatten, sowie der globalen Häufung katastrophaler Wetter- und Klimaereignisse, welche zu einer stärkeren gesellschaftlichen Wahrnehmung der globale Klimakrise führen.

Mit Hinblick auf Küstengrundwasserversalzung bestehen jedoch weiterhin viele Unsicherheit bezüglich der Ursachen und wesentlichen Antriebskräfte. Eine Verbesserung des Prozessverständnisses mittels hydrogeologischer Feldmethoden ist dabei begrenzt, da Versalzungsprozesse oftmals langsam verlaufen und Auswirkungen nicht unmittelbar in Erscheinung treten. Numerische Modellierungstechniken in Kombination mit gestiegenen Rechenkapazitäten stellen heutzutage vielversprechende Hilfsmittel dar, um dieses Prozessverständnisse simulationsbasiert zu verbessern.

Im Rahmen des SALTSA-Projekts wurde die Grundwasserversalzung in Nordwestdeutschland (Weser-Ems-Region) mittels großskaliger numerischer Grundwasserströmungs- und Stofftransportmodelle untersucht. Die Simulation der paläo-hydrogeologischen Entwicklung, welche wesentliche Randbedingungsänderungen des Holozäns berücksichtigte, ermöglichte die Rekonstruktion der aktuellen Salzverteilung im Untersuchungsgebiet. Hauptantreiber der regionalen Versalzung waren der Holozäne Meeresspiegelanstieg sowie die Entwicklung der Paläogeografie. In den letzten Jahrhunderten und mit fortschreitender Entwicklung der Küstenlinie haben zudem Landabsenkung sowie großflächige Entwässerungsmaßnahmen zu einer Beschleunigung der Versalzung geführt.

Basierend auf der rekonstruierten Salzverteilung wurden anschließend Zukunftsszenarien simuliert, um die zu erwartende Versalzungsdynamik im Verlauf des 21. Jahrhundert abschätzen zu können. Dazu wurde eine Vielzahl von Modelläufen realisiert, welche u.a. die prognostizierten Änderungen des Meeresspiegels und der Grundwasserneubildung berücksichtigten. Des Weiteren wurden die Auswirkungen von Änderungen der Drainagetiefe, möglicher Landabsenkung sowie veränderter Grundwasserentnahme systematisch untersucht.

Die Ergebnisse zeigen, dass die aktuelle Salzverteilung nicht im Gleichgewicht mit den hydrogeologischen Randbedingungen ist, sodass „autonome“ Versalzungsprozesse auch zukünftig eine Versalzungszunahme in den tieferliegenden Marschgebieten verursachen werden, selbst bei Ausbleiben klimabedingter Veränderungen. Ein extremer Meeresspiegelanstieg von ~1.3 m bis zum Ende des 21. Jahrhunderts (RCP8.5, 95 Perzentil) bewirkt eine Versalzungszunahme in ähnlicher Größenordnung. Großflächige Landabsenkung sowie eine Vertiefung der Drainagen sind weitere potenziell wichtige Antreiber zukünftiger Versalzung.

Die Ergebnisse des SALTSA-Projekts könnten regionalen Entscheidungsträgern als Informationsgrundlage für Anpassungsstrategien dienen. Darüber hinaus stellt der angewandte Modellierungsansatz eine Blaupause für ähnliche Küstengrundwassersysteme dar. Wichtige Aspekt für die Verbesserung zukünftiger Modelle sind das Sammeln und öffentliche Bereitstellen von Beobachtungsdaten, inklusive Salinitätsdaten, der Höhen der Oberflächengewässer und Drainagen sowie der Gebietsabflüsse.

In Nordost-Niedersachsen erfordert der steigende Grundwasserbedarf zur Feldberegnung bei knapper werdenden Grundwasserressourcen eine an zukünftige Klimaveränderungen angepasste Bewirtschaftung des Dargebots.

Voraussetzung hierfür ist ein Monitoringsystem, das auch in großen Bewirtschaftungsgebieten mit einem handhabbarem Messaufwand die erforderlichen Daten rechtzeitig liefert, um ein bedarfsgerechtes und gleichzeitig ressourcenschonendes sowie ökologisch vertretbares Management der Grundwasserentnahmen zur Feldberegnung zu gewährleisten.

Das sich derzeit in den Landkreisen Lüneburg und Uelzen für vier Pilotgebiete in der Realerprobung befindliche System erreicht dies mit der Installation von repräsentativen Leitmessstellen, basierend auf einer geringen und praxistauglichen Anzahl an Grundwasser- und Abflussmessstellen sowie durch Fokussierung auf wenige grundwassernahe, naturschutzrelevante Schutzgüter. Eine Leitmessstelle umfasst jeweils drei Komponenten: eine Grundwassermessstelle im Hauptförderhorizont der Beregnungsbrunnen, eine Grundwassermessstelle im oberflächennahen Grundwasserleiter sowie eine Abflussmessstelle im Gewässer (vgl. Abbildung). Mittels Datenfernübertragung an allen Messstellen und eine autarke Energieversorgung mit Solarpanelen an den Abflussmessstellen wird ein hoher Automatisierungsgrad gewährleistet.

Die erhobenen Messwerte sowie sämtliche Grundwasserentnahmen fließen neben weiteren Daten in ein instationäres numerisches Grundwasserströmungsmodell als Planungs- und Entscheidungsinstrument ein. Dies ermöglicht eine Bewertung des aktuellen mengenmäßigen Zustands der betroffenen Grundwasserkörper und Oberflächengewässer. Auf dieser Grundlage werden mithilfe von Szenario-Berechnungen Prognosen und Handlungsempfehlungen zur Mengenbewirtschaftung der folgenden Beregnungssaison abgeleitet.

Die Auswertung der Grundwasserstandsentwicklung zeigt in vielen Regionen einen Rückgang der Grundwasserstände (z.B. NLWKN, 2020). Gleichzeitig steigen jedoch häufig der Wasserbedarf und die Zahl der Wasserrechtsanträge, insbesondere in landwirtschaftlich geprägten Regionen. Vor diesem Hintergrund wird auch in der Forderung des Deutschen Vereins des Gas- und Wasserfaches e.V. (DVGW Wasser-Impuls: Zukunftsbilder 2030 bis 2100) beschrieben, dass bei der Entwicklung und Umsetzung langfristiger Zukunftskonzepte im Bereich der Wasserwirtschaft digitale Lösungen eine wesentliche Unterstützung darstellen sollen. Dazu werden u.a. Prognose- und Bewirtschaftungsmodelle für ganze Einzugsgebiete vorgeschlagen.

In diesem Sinne wurde für den Landkreis Vechta ein Grundwassermodell in FEFLOW© (Diersch, 2014) erstellt, um die Bearbeitung von Wasserrechtsanträgen zu unterstützen (Flechtner et al., 2022). Grundwassermodelle sind jedoch oft teuer und nur für Experten nutzbar. Dies bedeutet, dass die Modellierung weiterer Szenarien (z.B. erhöhte Förderraten oder zusätzliche Brunnenstandorte), die für den Auftraggeber oder die Behörde von Interesse sind, d.h. die Weiterverwendung des Modells, in der Regel von externen Experten durchgeführt werden muss.

Um der Behörde ein Prognose- und Bewirtschaftungsmodell wie vom DVGW beschrieben zur Verfügung zu stellen, das von der Behörde selbstständig im Tagesgeschäft genutzt werden kann, wurde das Grundwassermodell von DHI WASY zu einem interaktiven Modell erweitert. Dieses kann von der Behörde im Tagesgeschäft über eine Benutzeroberfläche mit wenigen, einfachen Arbeitsschritten selbst bedient werden, ohne auf externe Experten angewiesen zu sein. Die Modellergebnisse der von der Behörde erstellten Szenarien werden automatisch exportiert und in einem interaktiven HTML-Format dargestellt, so dass dem Kunden alle relevanten Daten und Ergebnisse für weitere Entscheidungen schnell und auf einen Blick zur Verfügung stehen.

Ziel sollte es sein, die Modelle den Nutzern nicht als "Black Box" zu übergeben, sondern sie so aufzubauen, dass sie vom Nutzer selbst bedient werden können. Dies ist mit dem hier beschriebenen interaktiven Grundwassermodell für den Landkreis Vechta gelungen.

Der Einfluss des Klimawandels auf das alltägliche Leben ist bereits in vielen Bereichen spürbar. In einigen Regionen Deutschlands wird im Sommer die Nutzung von Trinkwasser eingeschränkt, um den Verbrauch der zurückgehenden Verfügbarkeit anzupassen. Die langfristige Anpassung der Grundwasserbewirtschaftung an die sich ändernden Bedingungen erfordert verlässliche Prognosen über die zukünftige Entwicklung des Wasserdargebots. Durch die Simulation verschiedener Wasserverbrauchs- und Klimaszenarien soll das Wasserdargebot der Zukunft abgeschätzt und verschiedene Wassermanagementstrategien, wie saisonale Ressourcenschonung oder Managed Aquifer Recharge, simuliert und evaluiert werden.

Im Rahmen der BMBF-Fördermaßnahme "Nachhaltige Grundwasserbewirtschaftung (LURCH)" untersucht das Projekt "GW 4.0 - Klimaangepasste Grundwasserbewirtschaftung durch Echtzeit-Planungs-Tools und modellbasierte Zukunftsszenarien" die Kluft- und Karstgrundwasserleiter des Oberen Gäus (Oberer Muschelkalks, Grabfeld- und Erfurtformation des Keupers) die in Austausch stehen mit den Porengrundwasserleitern der lokalen quartären Talfüllungen. Durch die intensive wasserwirtschaftliche Nutzung der Grundwasserleiter existieren teils weit zurückreichende Wasserstandsmessungen, sowie Pumpversuche, Markierungsversuche und Kartierungen von Verkarstungserscheinungen. Diese Informationen werden in dem regionalen MODFLOW-6 Grundwassermodell des etwa 300 km² großen Gebiets gebündelt, das den Kern für die Berechnung der Zukunftsszenarien bildet. Die zeitlich variablen Randbedingungen, Flüsse und Grundwasserneubildung, werden von einem Flussmodell und dem Bodenwasserhaushaltsmodell GWN-BW simuliert.

Ziel ist es, die Auswirkungen der klimawandelbedingten Änderungen äußerer Randbedingungen auf das Grundwasser quantifizieren und bewerten zu können. Dabei sind sowohl kurze/saisonale Zeitskalen von Relevanz als auch langfristige Prognosen. Die kurzfristigen und saisonalen Prognosen sollen Anpassungen der Bewirtschaftungsstrategie, wie präferierte Brunnennutzung, erhöhten Fremdwasserbezug oder Einschränkung der Abgabe, ermöglichen, während die langfristigen Prognosen Indikatoren liefern, ob die aktuelle Infrastruktur und Bewirtschaftungsstrategie den sich ändernden Bedingungen ausreichend gewachsen sind. Die langfristigen Zukunftsszenarien basieren auf Prognosen zu Entwicklung von Bevölkerung des Statistischen Landesamts Baden-Württemberg und regionalen Klimaprognosen u.a. nach dem RCP-8.5 Szenario. Daraus soll abgeleitet werden, wie sich Grundwasserentnahme bzw. Wasserverbrauch, Niederschlag, die daraus resultierende Grundwasserneubildung und damit das Wasserdargebot entwickeln.

Das Modell soll durch den Aufbau eines Messnetzes und regelmäßige Dateneinspeisung auf einem aktuellen Stand gehalten werden und aktuelle Grundwasserkarten liefern. Durch die Entwicklung einer Benutzeroberfläche soll das Modell als Werkzeug für Behörden und Wasserversorger dienen, um erste Einschätzungen über die Auswirkungen von bspw. Baumaßnahmen oder Wasserentnahmestrategien treffen zu können. Der flexible Aufbau des Modells soll dabei auch Eingriffe in die Modellarchitektur, wie den Einsatz zusätzlicher Brunnen, erlauben. Außerdem soll durch die Bereitstellung aktueller und prognostizierter Grundwasserkarten das Thema Grundwasser für die breite Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden.

Im Rahmen der BMBF-Fördermaßnahme LURCH werden im Verbundprojekt WaRM (Nachhaltige, flexible Grundwasserbewirtschaftung in Ballungszentren auf Basis eines Wassersystemmodells am Beispiel der Metropolregion Frankfurt/Rhein-Main) Nutzungskonflikte und entsprechende Lösungsansätze hinsichtlich sich verändernden Rahmenbedingungen für vorhandene Wasserressourcen für ein nachhaltiges und flexibles Grundwassermanagement untersucht. Ein Teilprojekt beinhaltet die Ermittlung regionaler Änderungen des Grundwasserdargebots aufgrund prognostizierter Änderungen der Klimasignale anhand von numerischen Modellrechnungen.

Die zukünftige klimatische Entwicklung und deren Auswirkungen auf die Grundwasserneubildung stellen eine maßgebliche Randbedingung für die Bewirtschaftung der Grundwasserressourcen und damit auch für die Sicherstellung der Wasserversorgung in der Rhein-Main-Region dar. Innerhalb von Bodenwasserhaushalt- und Grundwassermodellrechnungen werden die Änderungen des Grundwasserdargebots aus dem Änderungssignal eines Klimaensembles bestimmt. Das mögliche Maß der Klimawirkungen wird innerhalb des Projektes mit systematisch ausgewählten Klimaprojektionen erfasst, die mit Bezug auf die Grundwasserbewirtschaftung die zukünftige charakteristische Bandbreite der antreibenden atmosphärischen Größen Niederschlag und Verdunstung bis 2100 abbilden.

In Bodenwasserhaushaltsberechnungen wird für die einzelnen Klimaprojektionen die Änderung der flächenhaften Grundwasserneubildung als maßgebliche Größe des Grundwasserdargebots für die nahe (bis 2050) und ferne Zukunft (bis 2100) ermittelt. Dies beinhaltet auch die Berechnung des variierenden Wasserbedarf für bewässerungsbedürftige landwirtschaftliche Kulturen.

Die berechnete regionale mittlere Grundwasserneubildung zeigt für die nahe Zukunft überwiegend eine moderate Entwicklung. Für die ferne Zukunft zeigt sich eine große Bandbreite zwischen deutlicher Abnahme und deutlicher Zunahme der Grundwasserneubildung. Insbesondere in der fernen Zukunft weisen die Klimaprojektionen auf ausgeprägtere mehrjährige Nass- und Trockenphasen hin, die für die Grundwasserbewirtschaftung im Untersuchungsgebiet maßgeblich sind. Das Klimaänderungssignal beim Bewässerungsbedarf in der Landwirtschaft wirkt v.a. durch einen Anstieg der Verdunstung in der Vegetationsperiode. Dies wird durch eine saisonale Verlagerung der Niederschläge mit trockeneren Sommern verstärkt. In der fernen Zukunft ist so für alle berechneten Klimaprojektionen mit einem Anstieg des Bewässerungsbedarfs bei gleicher Kulturführung auszugehen. In Verbindung mit den Grundwassermodellrechnungen werden die prägenden Einflüsse der hydrogeologischen Gebietseigenschaften auf die zukünftige Veränderung bei der Grundwasserneubildung als Folge des Klimawandels offenkundig. Eine vergleichsweise starke Zunahme der Verdunstungsraten entsteht in Bereichen, in denen der atmosphärische Verdunstungsanspruch aus dem Bodenwasserspeicher bedient werden kann. Dies trifft insbesondere auf Wälder mit Grundwasseranschluss und Böden mit einem großen Speichervermögen zu. Die übrigen Bereiche profitieren eher von einer saisonalen Umverteilung der Niederschläge mit höheren Niederschlägen im Winter, die den wesentlichen Beitrag zur Grundwasserneubildung erbringen.

Anhand der Modellergebnisse werden innerhalb des Verbundprojektes Maßnahmen zur Lösung ermittelter Nutzungskonflikte geprüft.

Die natürliche Ressource Grundwasser wird in der Bundesrepublik Deutschland zunehmend auch in der Öffentlichkeit als das wahrgenommen und wertgeschätzt, was sie de facto ist: eine unverzichtbare Grundlage nicht nur für die öffentliche Trinkwasserversorgung, sondern auch für die Landwirtschaft, die Lebensmittelindustrie und verschiedene andere Industriezweige. Insbesondere für die Trinkwasserversorgung stellt die Grundwasserentnahme den zentralen Gewinnungsbaustein dar. Die neuzeitliche Wasserversorgung in Deutschland mit ihrer dezentralen Organisationsstruktur erweist sich dabei seit jeher als praktisch durchweg leistungsfähig, zuverlässig und stressresistent. Mit wenigen temporären und lokalen Ausnahmen traf diese Zuverlässigkeit auch während der vergleichsweise trockenen Jahre seit 2003 zu, wenngleich der Auslastungsgrad der Wasserversorgungsunternehmen seit 2018 zunehmend höhere Ausmaße von zum Teil über 90 Prozent erreichte.

In diesem Kontext kristallisiert sich heraus, dass in Zukunft häufiger konkurrierende Ansprüche unterschiedlicher Grundwassernutzer auftreten und zu lösen sein werden. Während die Trinkwasserversorgung in der politischen und öffentlichen Diskussion einen (zunehmend) hohen Stellenwert einnimmt, darf dabei nicht außer Acht gelassen werden, dass auch landwirtschaftliche und industrielle Grundwassernutzungen in der Regel im gesamtgesellschaftlichen Interesse liegen. So ist Trinkwasser schließlich nur eines von zahlreichen weiteren Lebensmitteln, die der Mensch benötigt. Und ein funktionierendes wasserabhängiges Gewerbe mit den daran gekoppelten Arbeitsplätzen ist – unabhängig von individuellen Diskussionen um einzelne Unternehmen und Industriezweige – für ein Industrieland wie Deutschland von erheblicher gesellschaftlicher Bedeutung. Die Diskussion um potenzielle Konkurrenzsituationen bezüglich der Nutzung von Grundwasserressourcen in Deutschland darf daher aus Autorensicht nicht eindimensional und undifferenziert vorgenommen werden, sondern bedarf einer angemessenen Würdigung der komplexen Situation und der zum Teil gegensätzlichen Interessenlagen. Einer gesonderten Betrachtung bedürfen zudem die in vielen Fällen zunehmend auftretenden Konfliktsituationen mit ökologischen Interessenvertretungen – unabhängig vom angestrebten Zweck der geplanten Gewässerbenutzung.

Das vorstehend skizzierte Szenario einer Konkurrenzsituation um Grundwasserentnahmen, die sich in der wasserwirtschaftlichen Praxis in Deutschland in einer Konkurrenz um Wasserrechte niederschlägt, wird in den kommenden Jahren und Jahrzehnten alle Betroffenen in gleichermaßen zunehmender Häufigkeit beschäftigen. Die Betroffenen sind Grundwassernutzer, d. h. Wasserversorgungsunternehmen, Lebensmittelproduzenten, landwirtschaftliche Betriebe und Industrieunternehmen, genauso wie Behörden und politische Entscheidungsträger, Ingenieurbüros und Juristen. In diesem Zusammenhang nicht zu vergessen ist die Bevölkerung, die letztlich auch direkt oder indirekt von einer zunehmenden Konkurrenzsituation von Wassernutzungen betroffen sein wird. Entsprechend liegt es im gesamtgesellschaftlichen Interesse, tragfähige Lösungsansätze zu entwickeln, um die Problematik einer wachsenden Konkurrenzsituation der Grundwassernutzung so weit wie möglich zu beherrschen und zu entschärfen. Diese Lösungsansätze können sowohl politisch-rechtlicher, wasserwirtschaftlicher oder naturwissenschaftlich-technischer Natur sein.