Auenlandschaften sind Hotspots der Biodiversität und zugleich Schlüsselräume für natürlichen Hochwasserschutz, Klimaanpassung und nachhaltige Wasserbewirtschaftung. Ihre Revitalisierung ist daher nicht nur ein naturschutzfachliches Ziel, sondern auch eine gesellschaftliche Notwendigkeit.

Das Projekt „Lebendige Luppe“ widmete sich der ökologischen Wiederherstellung der stark veränderten Elster-Luppe-Aue nordwestloch von Leipzig. Durch die Reaktivierung ehemaliger Wasserläufe und die Wiederherstellung auentypisch-dynamischer Wasserverhältnisse sollen wertvolle Lebensräume wie der Hartholzauenwald langfristig gesichert und entwickelt werden. Eine zentrale Rolle zur fundierten Planung und Bewertung der Maßnahmen spielt dabei eine valide Vorhersage zur flächigen Entwicklung der Grund- und Oberflächenwasserstände. Deshalb wurde für das Projektgebiet ein gekoppeltes Modell aufgebaut.

Die Modellkopplung kombiniert ein zweidimensionales hydrodynamisch-numerisches Oberflächenwassermodell (HydroAS) mit einem dreidimensionalen Grundwassermodell (PCGEOFIM). Diese Verbindung erlaubt eine realitätsnahe Abbildung der komplexen Interaktionen zwischen oberirdischem Abfluss, Grundwasserständen und Druckwassereffekten – ein entscheidender Aspekt in großen überflutungsdynamischen Auenlandschaften.

Der Kopplungsprozess erfolgt iterativ: Wasserspiegellagen und Überflutungsflächen aus dem Oberflächenwassermodell werden als Randbedingungen in das Grundwassermodell überführt, wo Grundwasserspiegel und Austauschraten berechnet werden. Diese Raten werden anschließend wieder dem Oberflächenwassermodell bereitgestellt und dort als Quellen oder Senken berücksichtigt. Bei instationären Berechnungen von Hochwasserwellen mit dynamischen Überflutungen wird dieser Prozess in einer stündlichen Taktung wiederholt. Bei stationären Szenarien bei Niedrig- oder Mittelwasserverhältnissen erfolgt der Datenaustausch zwischen den Modellen bis zur Konvergenz der Ergebnisse.

Angewendet wurde die Modellkopplung beispielsweise bei der Begleitung von Überflutungen in der Leipziger Nordwestaue. Über den revitalisierten Burgauenbach war es seit Frühjahr 2023 möglich, Überflutungen zu initiieren. Durch Versickerungen steigt gleichzeitig das Grundwasser im Umfeld an (vgl. Abbildung). Mit dem gekoppelten Modell können die gemessenen Anstiege in einer hohen Genauigkeit wiedergegeben werden und Aussagen über die flächige Wirkung sowie Prognosen zur Beeinträchtigung städtischer Infrastruktur getroffen werden.

Die Ergebnisse zeigen, dass eine Modellkopplung nicht nur zur Optimierung der hydrologischen Planungen beiträgt, sondern auch eine wertvolle Grundlage für die Bewertung ökologischer Maßnahmen in der Fläche bietet. Sie erfasst Vernässungen auch außerhalb direkt konnektierter Fließrinnen und erweist sich damit als leistungsfähiges Werkzeug, um die Auswirkungen von Revitalisierungsmaßnahmen auf den Wasserhaushalt ganzheitlich zu erfassen und fundierte, interdisziplinär anschlussfähige Entscheidungen bereits im Planungsprozess zu ermöglichen.

Riedel, J. et al. (2017): Die Verwendung gekoppelter Modelle in der Planung von Auenrevitalisierungsprojekten am Beispiel des Projektes „Lebendige Luppe“ aus dem Bundesprogramm Biologische Vielfalt. KW Korrespondenz Wasserwirtschaft 10 (12): 750-755.

Vieweg, M. et al. (2025): Kleine Maßnahme, großer Effekt – Ausuferungen des revitalisierten Burgauenbachs für flächige Flutungen im Leipziger Auwald. Tagungsband 14. Auenökologischer Workshop, Universität Kassel.

Angesichts vermehrt auftretender Niedrigwasserzustände wird das Thema Trockenfallen von Gewässern aktuell stärker beachtet. Trockenfallen von Gewässerabschnitten ist zum einen ein natürlicher Prozess in Fließgewässern, der abhängig von den natürlichen Gegebenheiten im Einzugsgebiet des Gewässers zu bestimmten Jahreszeiten regelmäßig auftreten kann. In diesen Fällen ist die Biozönose des Gewässers daran spezifisch angepasst [1]. Klimawandel und anthropogene Nutzungen sind weitere Faktoren, die temporäres Trockenfallen mit entsprechenden negativen Folgen für den chemischen und biologischen Zustand eines Gewässers verursachen können.

Die Identifizierung von Gewässerabschnitten, die aufgrund von anthropogenen Nutzungen oder Klimawandel temporär trockenfallen, auf regionaler Ebene (Flusseinzugsgebiet) ist notwendig, um zum einen Zustandsbewertungen der Gewässer nach WRRL in Zeiträume mit Wasserführung zu legen und zum anderen um entsprechende Maßnahmen zu planen. Bei der Zustandsbewertung im 3. Bewirtschaftungsplan in Nordrhein-Westfalen waren ca. 16% der Wasserkörper temporär oder dauerhaft trocken [1]. Die Feststellung erfolgte aber nur, weil das Gewässer zufällig zum Zeitpunkt des Trockenfallens beobachtet wurde. Gleichzeitig ist eine chemische und biologische Zustandsbewertung ohne Wasserführung kaum möglich.

Klassische NA-Modelle können Trockenfallen nicht abbilden. Vollständig gekoppelte Grundwasser-Oberflächenwasser-Modelle (GW-OW-Modelle) [2] bilden nicht nur den Bodenwasserhaushalt und die Interaktion zwischen Grundwasser und Oberflächenwasser ab sondern bilanzieren zusätzlich alle Abflusskomponenten im Gerinne. Damit sind sie in der Lage, trockenfallende Gewässerabschnitte abzubilden.

Es werden exemplarisch Ergebnisse zu trockenfallenden Gewässerabschnitten auf Flusseinzugsgebietsebene anhand des Lippe-Einzugsgebiets in NRW gezeigt. Das Modell Lippe wurde im Rahmen einer Modellstudie für das LANUK NRW als GW-OW-Modell erstellt und ermöglicht Auswertungen zum Trockenfallen von Gewässern für das gesamte Flussgebiet.

Im Rahmen des F&E-Verbunds „KliMaWerk - Nachhaltige Bewirtschaftung des Landschaftswasserhaushaltes zur Erhöhung der Klimaresilienz: Management und Werkzeuge“ wurde für ein Teileinzugsgebiet der Lippe untersucht, wie sich z. B. Landnutzungsänderungen von Nadelwald bzw. Acker nach Laubwald auf das Trockenfallen von Gewässern unter dem Einfluss des Klimawandels auswirken. Im Modell konnte gezeigt werden, dass sich die Anzahl der Tage mit Trockenfallen an den betrachteten Gewässerabschnitten durch die Maßnahmen reduziert. Grund ist eine erhöhte Grundwasserneubildung im Winterhalbjahr, deren positive Auswirkungen über die Speicherung im Grundwasser bis ins Sommerhalbjahr reichen.

Literatur:

[1] C. Aschemeier: „Auswirkungen langer Trockenphasen auf Gewässerökologie und Zustandsbewertung“, gehalten auf dem WRRL-Symposium NRW, 20. April 2023. Zugegriffen: 27. Oktober 2025. [Online]. Verfügbar unter: https://flussgebiete.nrw.de/system/files/media/document/file/aschemeier_auswirkungen_oekologie_ok_0.pdf

[2] A. Haque, A. Salama, K. Lo, und P. Wu: „Surface and Groundwater Interactions: A Review of Coupling Strategies in Detailed Domain Models“, Hydrology, Bd. 8, Nr. 1, S. 35, März 2021, doi: 10.3390/hydrology8010035.

Der Große Seddiner See, ein 218 ha großer Flachwassersee südlich von Potsdam, weist seit Ende der 1980er Jahre einen kontinuierlichen Rückgang des Seewasserspiegels um rund 1,4 m auf, der sich in den Trockenjahren 2018–2020 verstärkt. Parallel hierzu zeigen umliegende GW-Messstellen auf der Hochfläche gleichgerichtete Trends, was auf eine hydraulische Kopplung zwischen Grundwasser (GW) und Oberflächenwasser (OW) schließen lässt. Der fallende Wasserstand führt zu einer Verschlechterung des trophischen Zustands und zum großflächigen Austrocknen der Flachwasserhabitate. Der See ist für die Gemeinde Seddiner See von hoher wirtschaftlicher und kultureller Bedeutung. Zur Stabilisierung des Seewasserstands und zur Vermeidung einer weiteren ökologischen Degradation wird von der Gemeinde die Einleitung von Fremdwasser aus der südlich gelegenen Nieplitz als mögliche Maßnahme diskutiert. Zur Untersuchung, ob eine solche Maßnahme den Seewasserstand langfristig stützen kann, wurde ein dreidimensionales instationäres Grundwassermodell für den Zeitraum 1974–2023 in FEFLOW erstellt und kalibriert. Die Grundwasserneubildung wurde auf monatlicher Basis mit dem Bodenwasserhaushaltsmodell Mike SHE berechnet.

Das Modellgebiet ist 308 km² groß und reicht bis zu den Niederungen der regionalen Vorfluter. Das GW-Modell umfasst den Seddiner See, die umliegenden Grundwasserleiter sowie alle recherchierbaren Wasserentnahmen > 10 m³/d. Der See wird im Modell über die „high-k-method“ abgebildet. Dafür wurden die Bathymetrie und das Seevolumen ins Modell implementiert. Außerdem wird eine kartierte Verbreitung der Seemudde unterhalb des Sees berücksichtigt. Die tägliche Seewasserverdunstung wurde mit dem Modell FLake berechnet und anhand von Temperaturtiefenprofilen im See kalibriert. Dies erlaubt eine zeitlich variable Berechnung des Seewasserspiegels und die Identifikation von Austauschflächen im Modell. Die Simulationen bilden die GW-OW-Interaktionen im Seeumfeld realitätsnah ab. Es wurden monatliche Bilanzen für den Seewasserhaushalt ausgewiesen. Für den Seddiner See lassen sich räumlich sowohl konstante Zu- und Abstromzonen sowie Bereiche mit zeitweise wechselnden Bedingungen ausweisen.

Mit verschiedenen Szenarien wurden die Effekte von Fremdwassereinleitungen zur Stützung des Seewasserstandes untersucht:

1. Einleitung unter aktuellen klimatischen Bedingungen
2. Einleitung für ausgewählten Klimaprojektionen (Spannweitenbetrachtungen für 26 instationäre Klimaprojektionen der Klimaszenarien RCP 4.5 und RCP 8.5)
3. Bestimmung der erforderlichen Einleitmengen zur Erreichung eines Zielwasserstands

In den Szenarien 1 und 2 wurde eine jährliche Einleitmenge von 650.000 m³/a auf die Monate November bis März verteilt. Unter heutigen Bedingungen (1) würde dies den mittleren Seewasserstand um etwa 30 cm erhöhen; im Zukunftsszenario (2) ergibt sich ein mittlerer Anstieg von 45–60 cm. Gleichzeitig zeigt sich während der Einleitungsphasen ein erhöhter Nettoabstrom aus dem See ins Grundwasser.

Die Ergebnisse des Szenarios 2 verdeutlichen, dass unter kontinuierlicher Einleitung von 650.000 m³/a der Zielwasserstand nur in den feuchtesten Klimaprojektionen erreicht wird.

Im Szenario 3 wurde auf Basis der mittleren RCP 8.5-Projektion die zur Zielerreichung erforderliche jährliche Einleitmenge bestimmt. Diese beträgt im Mittel 1,08 Mio. m³/a, variiert jedoch zeitlich mit den klimatischen Bedingungen und sinkt langfristig auf etwa 0,79 Mio. m³/a bis zum Jahr 2100.

Der Austausch zwischen Seen und Grundwasser hat oft einen bedeutenden Einfluss für beide Wasserkörper. So sind Seen meist Vorfluter für das Grundwasser und der grundwasserbürtige Zufluss in den See kann eine wesentliche Bilanzgröße sein. Aber nicht nur die Wassermenge, sondern auch die Wasserqualität spielt für Seen eine wesentliche Rolle. Mit dem Grundwasser werden Stoffe aus dem Einzugsgebiet in den See transportiert und beeinflussen dort die biologischen und chemischen Prozesse. Gerade eutrophe Seen können Nährstoffe aus der landwirtschaftlichen oder urbanen Nutzung im Einzugsgebiet erhalten. Zusammen mit den seeinternen Prozessen der saisonalen Primärproduktion und der Interaktion mit dem Seesediment ergibt sich die Nährstoffbilanz eines Sees. Die Interaktion zwischen Grundwasser und Seen sollten deshalb als wesentliche Bilanzkomponente für Seen quantifiziert werden, da ihre Bedeutung in der Vergangenheit meist unterschätzt und oft nur grob abgeschätzt wurde.

In dem DWA Merkblatt M 641 werden unterschiedliche Messmethoden und Werkzeuge zur Identifizierung der Grundwasser-See-Interaktion vorgestellt. Dabei wird zwischen physikalischen und geochemischen sowie biologischen Methoden unterschieden.

Ein Schwerpunkt der Auswertung der Messungen bilden Modelle, mit denen die lokalen Messwerte analysiert werden und so die Gesamtbilanz für Seen ermittelt werden kann. Dabei werden unterschiedliche Modelle für Strömungs- und Transportprozesse in Seen und im Grundwasser vorgestellt.

Am Beispiel des Ammersees wird die Verwendung eines Grundwassermodells zusammen mit einem dreidimensionalen Seemodell aufgezeigt. Diese Modellkette dient dazu, Radonmessungen aus See und Grundwasser zu interpretieren und den unterirdischen Grundwasserzustrom zu quantifizieren. Dabei wird nicht nur der Gesamtzustrom identifiziert, sondern auch die laterale Verteilung, die sich aus den unterschiedlichen Signaturen der Radonkonzentration ergibt. Das dynamische Seemodell beinhaltet alle relevanten hydrodynamischen Prozesse wie Schichtung, interne Wellen durch den atmosphärischen Antrieb und den oberirdischen Zufluss. Anhand von Temperaturmessungen in unterschiedlichen Tiefen wurde das Seemodell überprüft. Das Grundwassermodell basiert auf einem hydrogeologischen Modell und wurde stationär anhand Grundwasserstandsinformationen kalibriert.

In der Modellanwendung müssen unterschiedliche Zeitskalen bei Messung und Simulation berücksichtigt werden. Dabei beeinflussen die seeinternen Prozesse maßgeblich die Strömungsverhältnisse. Es zeigt sich, dass die lokale Heterogenität des Untergrunds in den Messwerten widergespiegelt wird, und in nur einer Modellanwendung die integrale Austauschrate ermittelt werden kann (siehe Abbildung).

Die so entwickelten Modelle können als Bewirtschaftungsmodelle sowohl für den Grundwasserkörper als auch den Seewasserkörper verwendet werden. In Wasserqualitätsmodellen kann der Nährstoffkreislauf eines Sees simuliert werden und auch für die Prognose unter Berücksichtigung des Klimawandels eingesetzt werden.

Die Abbildung zeigt die Ergebnisse einer Stichtagsmessung der Radonkonzentration im Juli 2017 mit simulierten Radonkonzentrationen über das Jahr 2017 im Südteil des Ammersees mit signifikant erhöhtem Grundwasserzufluss im südwestlichen Seeteil beim Zufluss der Ammer.

Der künftige Lappwaldsee entsteht im Helmstedter Revier an der ehemaligen innerdeutschen Grenze. Nach dem Einstellen des Tagebaubetriebs werden die benachbarten Tagebaurestlöcher Helmstedt (Niedersachsen) und Wulfersdorf (Sachsen-Anhalt) saniert und durch Einleitung und Grundwasserwiederanstieg geflutet. Beide bilden nach dem Zusammenfluss den künftigen Lappwaldsee.

Im Beitrag wird eine interdisziplinäre Arbeit vorgestellt: von der Ermittlung der Wasserhaushaltsgrößen mittels des Bodenwasserhaushaltsmodells ArcEGMO unter Nutzung von Klimaprojektionen über die Bilanzierung der Grundwasser-Seewasser-Interaktion bis hin zur Betrachtung der Hydrochemie und Limnologie des entstehenden Gewässers. Das Grundwasser spielt hierbei eine zentrale Rolle und wird im Gesamtbild Klima-Standgewässer-Grundwasser betrachtet.

Die Entstehung des künftigen Lappwaldsees als abflussloses Gewässer wird durch numerische Modellierung mittels des Programmsystems PCGEOFIM zur Beschreibung der Grundwasserstände und -Dynamik sowie der Seespiegelentwicklung begleitet. Dazu wurden zunächst zwei benachbarte, im Untersuchungsgebiet bestehende Grundwassermodelle zu einem hydrogeologischen Großraummodell HREW zusammengeführt. Damit wird die Grundwasserdynamik im Gesamtgebiet beschrieben und die Grundwasser-Seewasser-Kopplung bilanztreu abgebildet. Bei der prognostischen Modellierung der Gewässerentstehung werden verschiedene/folgende Varianten betrachtet: Entwicklung des Seespiegels a) im freien Aufgang basierend auf Grundwasserzustrom und b) gestützt durch zeitlich und mengenmäßig steuerbare Einleitungen aus Sümfungswässern benachbarter Tagebaue sowie aus Grundwasserhebungen. Randbedingung ist der geotechnisch erforderliche Mindestwasserspiegelanstieg.

Der prognostischen Modellierung ist eine Bodenwasserhaushaltsmodellierung vorgeschalten. Mit dieser werden die Grundwasserneubildung, der Gebietsniederschlag und die Seenverdunstung unter Nutzung von Klimaprognosen des Mitteldeutschen Kernensembles ermittelt. Dabei wird je ein trockenes und ein feuchtes Szenario berücksichtigt, um die Bandbreite möglicher zeitvariabler Entwicklungen des Seeswasserpiegels vor dem Hintergrund der Klimaprojektionen bis einschließlich 2099 betrachten zu können.

Die aus dem Grundwassermodell ermittelten Bilanzen der Grundwasser-See-Kopplung werden anschließend zur hydrochemischen und limnologischen Modellierung herangezogen.

Das Projekt wird durch die Ingenieurbüros GWL Grundwasser Leipzig GmbH (GWL, Leipzig), HPC AG (Leipzig-Merseburg), Büro für Angewandte Hydrologie (BAH, Berlin), sowie IWB - Privates Institut für Wasser und Boden GmbH (IWB, Dresden) gemeinsam bearbeitet. Dabei wird die Bodenwasserhaushaltsmodellierung durch BAH, die Grundwassermodellierung durch GWL und HPC und die hydrochemische und limnologische Modellierung durch IWB geleistet. Als Auftraggeber fungieren die Helmstedter Revier GmbH (HSR) / MIBRAG GmbH und die Lausitzer und Mitteldeutsche Bergbau-Verwaltungsgesellschaft mbH (LMBV).

Im Jahr 2001 wurde nach einer 105-jährigen Betriebsphase das Wasserwerk (WW) Jungfernheide in Berlin vom Netz genommen. Das WW förderte > 75% Uferfiltrat aus der Spree und über künstliche Anreicherungsbecken. Die Entscheidung zur Schließung des WW resultierte aus dem damals über längere Zeit stark sinkenden Wasserverbrauch in der Hauptstadt. Da infolge der Schließung durch die wiederansteigenden Grundwasserpegel Nässeschäden an Gebäuden im Umfeld zu befürchten waren, wurde zwischen den Berliner Wasserbetrieben (BWB) und dem Land Berlin ein durch die BWB durchzuführendes Grundwassermanagement inkl. einer Grundwasserhaltung vereinbart. Die Grundwasserhaltung wurde später durch das Unternehmen Siemens in Kombination mit einer erforderlichen Altlastensanierung übernommen.

Seit 2010 steigen die Einwohnerzahlen in Berlin jedoch deutlich an. Ende 2024 lag die Zahl mit ca. 3,9 Mio. bereits ca. 500.000 und damit 15% höher als 2010. Aus diesem und einem vorläufig prognostizierten weiteren Anstieg ergibt sich ein entsprechend zusätzlicher Rohwasserbedarf. Der Bedarf nach Zusatzrohwasserkapazitäten wurde ebenfalls im Masterplan Wasser Berlin konstatiert. Für die Wiederinbetriebnahme des WW Jungfernheide, als naheliegende Maßnahme zur Erhöhung dieser Rohwasserkapazitäten, wurde in 2022 ein modellgestütztes Gutachten erstellt, dass sowohl mit einem hydraulischen und betrieblichen Blick als auch aus Sicht der Beschaffenheit und einer möglichst naturnahen Aufbereitung die maximal möglichen Entnahmemengen bestimmen sollte. Im Rahmen der Studie wurde aus Uferfiltrat- und GW-Bilanzanteilen die zu erwartende Rohwasserqualität für alle relevanten Stoffe unter Berücksichtigung von Minderungsfaktoren für die Bodenpassage und Abbauprozessen im Grundwasserleiter prognostiziert, darunter u.a. org. Spurenstoffe, Arzneimittel, LHKW, PFAS, und Sulfat. Die Ergebnisse zeigen, dass auch bei dominierendem Oberflächenwasseranteil grundsätzlich eine gute Wasserqualität zu erwarten ist. Das Grundwassermodell bezieht ebenfalls die benachbarten WW Tegel und Spandau sowie zwei Galerien des WW Tiefwerder ein.

Das WW-Gelände Jungfernheide liegt im stark urban geprägten Umfeld, eingebettet zwischen Siemensstadt und Spree. Entsprechend sind auch die unterschiedlichsten Belange der umliegenden Areale einzubeziehen, insbesondere der wachsende Bedarf nach einer geothermischen Nutzung des Grundwassers. In Abstimmung mit dem Berliner Senat wurden diesbezüglich weiterführende Modelluntersuchungen durchgeführt, mit dem Ziel ein geplantes Erdwärmesondenfeld im Einklang mit dem zukünftigen WW-Betrieb zu ermöglichen.

Aufgrund des anhaltenden Bevölkerungswachstums, Einschränkungen durch Altlasten sowie als Folge des Klimawandels (längere Trockenphasen mit einem Zusatzwasserbedarf und damit verbunden kürzere Intervalle für die Regenerierung der Förderbrunnen) erfahren die BWB bereits aktuell einen akuten Bedarf nach Zusatzkapazitäten. Da jedoch die Genehmigungsprozesse für Grundwasserentnahmen in der Regel einen langen und umfassenden Bearbeitungsprozess insbesondere bei Erfordernis einer UVU-Pflicht beanspruchen, wird derzeit das Grundwassermodell dazu eingesetzt, eine vereinfachte Bauweise des WW mit einer geringeren Entnahmemenge zur Verkürzung der Genehmigungsdauer zu untersuchen.

In dem Vortrag wird über die Geschichte des Wasserwerks Jungfernheide, die Entwicklung und Fortschreibung des Grundwassermodells und die zu erwartenden Uferfiltratsmengen berichtet.