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Vor dem Hintergrund der bundesweiten Diskussionen über Tiefengrundwassernutzungen, ist eine Einigung darüber, was man unter einem Vorkommen mit Tiefenwassereinfluss versteht, von besonderer Bedeutung.

Die aktuellen Diskussionen drehen sich hierbei um die verantwortliche Nutzung (Landwirtschaft, Gewerbe, Industrie, Trinkwasserversorgung) bzw. inwieweit Tiefenwasservorkommen besonders geschützt werden sollten. Bevor die verschiedenen Stakeholder - Bevölkerung, Politik, Behörden und Wirtschaft - über den Schutz und die Bewirtschaftung dieser langsam regenerierenden Grundwassersysteme oder auch über mögliche Nutzungsalternativen beraten können, ist eine fachlich begründete Begriffsdefinition dringend geboten.

Analytische Methoden, die eine Einordnung des Begriffes Tiefengrundwasser erlauben, stellen für die Diskussionen der unterschiedlichen Gruppen eine wichtige gemeinsame Basis dar. Erst wenn eine objektive Einordnung über den Begriff „Tiefenwasseranteil“ erfolgt ist, kann unter Betrachtung des Bedarfes der aktuellen und zukünftigen Bevölkerung oder der Wirtschaft und unter Betrachtung des nutzbaren Dargebots entschieden werden, welcher Schutz und welche Nutzung für derartige Vorkommen seitens der Behörden nach fachlicher Abwägung gewährt wird.

Zahlreiche Behörden der Wasserwirtschaft haben seit 2022 die Erkundung von ausgewählten Entnahmestellen im Hinblick auf das mögliche Vorhandensein von Anteilen an Tiefengrundwasser mittels kombinierter Umwelttracer untersuchen lassen. Die Untersuchungen erfolgen im Rahmen der Prüfung von Messstellen zur Eignung für anderweitige wasserwirtschaftliche Aspekte (z.B. AVV GeA oder WRRL). In diese Erkundung wurden unterschiedliche Grundwasserleiter in tertiären, mesozoischen und paläozoischen Gesteinen einbezogen.

Die Analyseergebnisse von Messstellen stellen aus Sicht der Autoren gleichzeitig eine gute aktuelle Datensammlung dar, um Ansätze für eine breit anwendbare, gut verständliche und fachlich fundierte Methodik zu entwickeln, die auf analytischer Basis eine objektive Einordung des Begriffes Tiefengrundwasseranteil (langsam regenerierendes Grundwasser) erlauben.

Mit Hilfe eines speziellen Untersuchungs- und Modellierungsansatzes werden von den Autorinnen und dem Autor Grundwässer mit Anteilen an „tiefem“ oder „altem und wertvollem“ Grundwasser von mindestens 50 % identifiziert. Die Studie stellt Ergebnisse der Untersuchungen (Isotope δ¹⁸O/²H, ³H, Spurengas SF_6, hydrochemische Zusammensetzung) und den Modellansatz vor, anhand dessen eine Einordnung zum Vorhandensein belastbarer Anteile Tiefengrundwasser je Messstelle erfolgt.

Die Auswirkungen des Klimawandels sowie die oberflächennahe Grundwassernutzung können erheblichen Einfluss auf die Grundwasserversalzung haben (González et al., 2021a, 2021b, 2023). Im Projekt „KliWaMoL“ soll am Beispiel einer typischen Binnenversalzung im Raum Lüneburg eine exemplarische Planungsgrundlage entwickelt werden, um diesem Prozess mit gezielten Bewirtschaftungsmaßnahmen zu begegnen. Außerdem sollen Konzepte zur künstlichen Grundwasseranreicherung erarbeitet werden, um vor dem Hintergrund der Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushalt die fortschreitende Grundwasserversalzung zu verhindern. Dafür wird die Versalzung des Grundwassers im Raum Lüneburg aufbauend auf einem detaillierten hydrogeologischen 3D-Modell untersucht, u.a. mit aerogeophysikalischen Verfahren (SkyTEM). Die Untersuchungen konzentrieren sich auf ein Gebiet mit vorhandener Grundwasserversalzung, welches sich von Seevetal im Westen bis nach Bleckede im Osten erstreckt, mit Lüneburg im Zentrum (Abb. 1). Es erfasst damit mehrere ausgewiesene Bereiche der Grundwasserversalzung der hydrogeologischen Übersichtskarte (LBEG, 1987).

Innerhalb des Projektgebietes wurden zwei Teilbereiche aerogeophysikalisch untersucht. Die dänische Firma SkyTEM wurde beauftragt, mittels helikoptergestützter transient-elektromagnetischer Messverfahren Untergrunddaten zu erheben (Abb. 1).

Diese Befliegungskampagne wurde im April 2023 durchgeführt, mit annähernd 2500 geflogenen Linienkilometern. Die Daten aus der Befliegung werden in ein hydrogeologisches 3D-Untergrundmodell eingehängt, welches sich zurzeit noch in Bearbeitung befindet. Über diese Methode lassen sich dann Bereiche niedrigen elektrischen Widerstands klassifizieren in entweder tonige Schichtpakete oder aber versalzte Grundwasserleiter. So ergibt sich eine Kartierung der Grundwasserversalzung im Projektgebiet. Im Anschluss sollen zudem Bereiche identifiziert werden, in denen künstliche Grundwasseranreicherung durchgeführt werden könnte, was über ein Strömungsmodell bewertet wird.

[Abbildung 1]

Abbildung 1: Übersichtskarte über das Projektgebiet (rot) mit Lage der Befliegungsgebiete (grau schraffiert) und Bereichen mit vollständiger (orange) und teilweiser (blau) Versalzung des oberen Grundwasserleiters nach HUEK200, mit zwei repräsentativen SkyTEM-Vertikalsektionen (A-A´, B-B´).

Literatur

González, E., Deus, N., Elbracht, J., Siemon, B, Steuer, A., Wiederhold, H. (2021a): Modellierung der küstennahen Grundwasserversalzung in Niedersachsen abgeleitet aus aeroelektromagnetischen Daten. Grundwasser - Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie 26, 73–85. https://doi.org/10.1007/s00767-020-00472-w

González, E., Deus, N., Elbracht, J., Rahman, M.A., Wiederhold, H. (2021b): Current and future state of groundwater salinization of the northern Elbe-Weser region. Grundwasser – Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie, https://doi.org/10.1007/s00767-021-00496-w

González, E., Deus, N., Elbracht, J., Kirsch, R., Müller-Petke, M., Rahman, M. A., Scheer, W., Schlinsog, T., Siemon, B. & Wiederhold, H. (2023): EU-Interreg-Projekt TOPSOIL - Grundwasserversalzung an der deutschen Nordseeküste. – GeoBerichte 48: 67 S., 52 Abb., 5 Tab.; Hannover (LBEG).

LBEG (Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie Niedersachsen) (1987): Hydrogeologische Übersichtskarte von Niedersachsen 1 : 200 000 - Versalzung des Grundwassers https://nibis.lbeg.de/cardomap3/?permalink=bPkAl9D

Der Oldenburgisch-Ostfriesische Wasserverband (OOWV) versorgt im nordwestlichen Niedersachsen über 1 Mio. Menschen mit Trinkwasser aus insgesamt 15 Wasserwerken. Im Jahr 2022 betrug die Abgabe über 83 Mio. Kubikmeter und erreichte damit in einigen Werken ca. 90% der wasserrechtlich genehmigten Fördermenge. Um die Versorgungssicherheit auch zukünftig gewährleisten zu können, müssen neue Grundwasserressourcen erschlossen werden. Mit Hilfe einer GIS-AHP-Ensemble Methodik wurden im Vorfeld potentielle Gewinnungsgebiete innerhalb des Verbandsgebiets anhand verschiedener hydrogeologischer Kriterien räumlich eingegrenzt bzw. priorisiert. Als Grundlage für detaillierte hydrogeologische Erkundungen dienten dann geologische 3D-Modelle des wasserwirtschaftlich nutzbaren Untergrunds, die mit der Software SubsurfaceViewer erstellt wurden. Der SubsurfaceViewer wird von Niedersachsen Wasser und OOWV entwickelt und dient speziell der Modellierung und 3D-Kartierung von Lockersedimenten im regionalen Maßstab. Er ermöglicht es, verschiedenste Geoinformationen (u.A. Bohrdaten, bodenkundliche Profilbeschreibungen, digitale Geländemodelle und Karteninformationen und Voxelmodelle geophysikalischer Messungen) bei der Erstellung eines geologischen Untergrundmodells zu integrieren.

Im Rahmen dieser Erkundungsmaßnahmen wurde ein bestehendes 3D-Modell des Landkreises Oldenburg um eine Gesamtfläche von 421 km² erweitert. Die Datengrundlage bestand aus über 8400 Profilbeschreibungen von Bohrungen des LBEG (Landesamt für Bergbau; Energie und Geologie Niedersachsen) und des OOWV, sowie dem DGM25. Die Erstellung des Untergrundmodells gliederte sich in zwei Teile: (1) Konstruktion eines engmaschigen Netzes aus insgesamt 137 geologischen Profilschnitten inkl. Plausibilitätskontrollen und (2) Erstellung von Schichtverbreitungskarten für alle vorkommenden Modelleinheiten. Danach erfolgte die Ermittlung von Volumenkörpern sowie die Erstellung von Rasterdaten der Schichtober- bzw. -untergrenzen.

Der wasserwirtschaftlich bedeutsame Untergrund besteht aus neogenen und quartären Lockersedimenten, die in 28 geologische Modelleinheiten gegliedert werden konnten. Die ältesten modellierten Schichten erreichen Tiefen von -240 m NHN. Für den Schutz des Grundwassers bzw. für die Förderung relevant sind 17 grundwasserhemmende Linsenkörper. Der Hauptaquifer besteht aus altpleistozänen bis elsterzeitlichen (glazi)fluviatilen Sanden (feinsandige Mittel- bis Grobsande).

Die 3D-Modellierung des geologischen Untergrunds ermöglichte es, geeignete Standorte für Erkundungsbohrungen bzw. Grundwassermessstellen und Pumpversuche zu bestimmen. Im Modell entdeckte Rinnenstrukturen wurden so im September 2023 durch weitere Aufschlussbohrungen näher erkundet. Entscheidende neue Erkenntnisse durch den Einsatz des SubsurfaceViewers sind genauere Informationen über die Verbreitung, Tiefenlage und Mächtigkeit sowohl des Hauptaquifers als auch den darüberliegenden, grundwasserhemmenden Deckschichten. Dadurch werden sowohl Kosten gespart als auch die langwierige Erkundungsphase vor dem Bau des Wasserwerks verkürzt. Die erhaltenen Untergrundinformationen bilden zudem die Grundlage bei der Erstellung eines Grundwasserströmungsmodells, welches im weiteren Verlauf des Wasserrechtsverfahrens entscheidende hydrologische Informationen liefert.

Die Software SubsurfaceViewer ist für öffentliche Einrichtungen und Universitäten kostenfrei verfügbar (https://www.subsurfaceviewer.de).

Die Lausitz, eine Region, die durch jahrzehntelange, umfassende anthropogene Eingriffe wie Tagebauaktivitäten und die Intensivierung der Landnutzung überprägt ist, steht vor aktuellen und zukünftigen Herausforderungen im Wasserressourcenmanagement. Dazu gehören die Flutung von Tagebaugruben und der Wiederanstieg von abgesenktem Grundwasser in von Bergbau betroffenen Gebieten sowie die Wiedervernässung infolge intensiver Land- und Forstwirtschaft entwässerter Feuchtbiotope. Angesichts geringer Niederschläge und des Klimawandels sind zusätzliche wasserwirtschaftliche Herausforderungen in der Lausitz bewältigen. Die nachhaltige Nutzung der Ressource Grundwasser gewinnt in der Region daher zunehmend an Bedeutung.

Unsere Studie zielt darauf ab, diesen Herausforderungen zu begegnen und den komplexen Prozessen in der Landschaft durch effiziente Ansätze zur hochaufgelösten Erkundung und Überwachung der Wasserressourcen, insbesondere des Grundwassers, gerecht zu werden. Dafür bieten sich Verfahren der Dimensionalitätsreduktion wie die Hauptkomponentenanalyse von Zeitreihen (auch als „Empirical Orthogonal Functions“ Analyse bekannt) in Kombination mit Fernerkundungsdaten an.

Für die Erkundung der Wasserressourcen in der Region Lausitz wurde ein solcher datengestützter Ansatz über einen Zeitraum von 30 Jahren angewendet und dabei auf hydro(geo)logische Daten von etwa 17.000 Messstellen zurückgegriffen. Die Zeitreihen wurden zunächst hinsichtlich ihrer Vollständigkeit weitestgehend automatisiert analysiert, auf Basis ihrer Autokorrelation vervollständigt und einer Hauptkomponentenanalyse unterzogen. Die zeitliche Dynamik des Wasserhaushalts wird durch die ersten sechs Hauptkomponenten mit einer erklärten Varianz von über 80 % gut wiedergegeben. Dabei konnten verschiedene Effekte auf die Grundwasserressourcen identifiziert werden, darunter lokale bergbauliche Aktivitäten wie Sümpfungsmaßnahmen und Tagebaurenaturierung, sowie die Dämpfung des Signals der Grundwasserneubildung in der ungesättigten Zone.

Durch eine systematische Verschneidung der Zeitreihen mit multitemporalen, fernerkundungsgestützten Daten erfolgt schließlich eine raumzeitliche Interpolation unter Berücksichtigung der natürlichen und anthropogenen Effekte auf den Wasserhaushalt, der Landnutzung und der Evapotranspiration.

Die Methode ermöglicht eine kontinuierliche und flächendeckende Erfassung der Grundwasserressourcen, ihrer langfristigen Veränderung und der auf sie wirkenden Effekte. Damit leistet sie einen wichtigen Beitrag zur Planung und Umsetzung einer nachhaltigen Bewirtschaftung der Ressource Grundwasser.

In coastal regions, groundwater is particularly significant, often serving as the primary source of freshwater for both human population and ecosystems. However, harnessing coastal groundwater resources is a challenge due to the threat of seawater intrusion. Permeability exerts a profound influence on the flow dynamics of groundwater. Local coastal features, such as cliffs and beaches, play a pivotal role in shaping the permeability of these regions, yet, a comprehensive global hydrogeological dataset detailing permeability of the coast was not available. Here we present the first global high-resolution database of coastal permeability, offering insights into landward, shoreline, and seaward permeabilities across diverse coastal classifications for those three categories. The dataset encompasses 4 million coastal segments, collectively spanning 2.1 million kilometers of coastline.

While landward permeability can be classified for 92.9% of the global coastline, 96.2% of the coastlines provide a shoreline permeability classification. However, seaward permeability classification encounters challenges in the far North, where limited DbSeabed data availability impedes accurate assessments. Among the shoreline classifications, Rocky Shores emerged as the most prevalent, closely followed by mangroves, beaches, and muddy coasts. Seaward permeability classes reveal a distribution pattern characterized by muddy gravel as the most abundant class, followed by gravelly mud, gravelly muddy sand, and muddy coasts. The dominance of Rocky Shores along global coastlines aligns with previous research trends, reflecting their prevalence in northern coastal regions, while sandy coasts primarily occur along the western coasts of the Americas, and muddy shores extend across substantial portions of central Europe and the Brazilian coast.

Notably, the database delineates differences in permeability between the immediate shoreline, with a median permeability of 1*10^-12.3 m², the seaward side (median: 1*10^-13.3 m²), and the landward region (median: 1*10^{-13 m²}) of the coast. Despite substantial uncertainties on a global scale, this study leverages high spatial resolution data, with inputs possessing resolutions of up to 30 meters. However, thematic uncertainty remains a challenge, necessitating a simplification approach that assigns a single permeability value to specific coast classes across the globe. Despite still containing regions with limited data availability and subject to uncertainty, this dataset allows advanced coastal groundwater modeling and geochemical flux estimation at a very high spatial resolution. As new data becomes available, the database may undergo refinements, further empowering large-scale assessments of coastal groundwater resources and their interactions with the ocean.