Hintergrund

Usedom ist eine Insel im Nordosten Deutschlands. Besonders in den Sommermonaten verzeichnet die Insel einen starken Besucheransturm, was die Trinkwasserversorgung zunehmend unter Druck setzt. Da der Klimawandel die Wasserknappheit verschärft und saisonale Bedarfsspitzen den Salzwassereinbruch aufgrund der erhöhten Grundwasserentnahme beschleunigen, steht die Insel vor einer großen Herausforderung. Die bestehende Wasserversorgungsinfrastruktur stößt an ihre Grenzen, und die Bereitstellung von qualitativ hochwertigem Trinkwasser sowohl während der touristischen Spitzenzeiten als auch langfristig wird zunehmend schwieriger. Um dieses Problem zu lösen, wurden geophysikalische Untersuchungen sowie geologische und Grundwassermodellierungen kombiniert, um die Trinkwasserversorgung für 32.000 Einwohner und 1,3 Millionen Touristen sicherzustellen.

Herausforderung

Obwohl die Grundwasserleiter der Insel Potenzial bergen, sind sie noch unzureichend erforscht. Viele der verfügbaren hydrogeologischen Daten sind veraltet oder werden nicht ausreichend genutzt, was die Planung neuer Investitionen und die Umsetzung nachhaltiger Wassermanagementstrategien erschwert. Der Konflikt zwischen der Deckung des Wasserbedarfs von Einwohnern und Touristen und den sich abzeichnenden Qualitätsproblemen (Versalzung) hat die Suche nach neuen, nachhaltigen Grundwasservorkommen zu einer Top-Priorität gemacht.

Lösungsansatz

Um die geologischen Verhältnisse sowie die Grundwasserversalzung bestmöglich zu untersuchen, wurde die geophysikalische Methode tTEM gewählt. Die tTEM-Messungen umfassten eine Gesamtstrecke von insgesamt ca. 270 km, mit denen flächenhaft ein Großteil der Insel Usedom abgedeckt wurde. Die geophysikalischen Daten wurden anschließend prozessiert und ausgewertet.

Basierend auf den geophysikalischen tTEM-Daten sowie bestehender Bohrlochdaten, geologischer Karten und Profilschnitten wurde ein 3D-geologisches Modell erstellt. Anhand des Modells konnte eine Rinnenstruktur identifiziert werden, in der höher durchlässige Sande erwartet werden. Diese Rinnenstruktur wäre nicht erkannt worden, hätte man das 3D-geologische Modell nur anhand der Bohrungen aufgebaut. Anschließend wurden in der Rinnenstruktur mehrere vielversprechende Bohrstandorte identifiziert werden.

Darüber hinaus wurde anhand des 3D-geologischen Strukturmodells ein Grundwassermodell in FEFLOW aufgebaut, welches anschließend kalibriert wurde. Mit dem Grundwassermodell konnten die potentiellen Bohrstandorte näher untersucht werden. D.h. es wurde untersucht welche Pumpraten in Bezug auf die sich ausbildenden Absenktrichter optimal wären. Außerdem wurde die Bewegung der Salz-Süßwasser-Grenzfläche durch einen dichteabhängigen Transportmodellansatz untersucht, um ein mögliches Ansaugen von Salzwasser möglichst zu verhindern. Diese Szenariobetrachtungen unter Berücksichtigung der Aquiferproduktivität und des Risikos des Salzwassereinbruchs führten zur Auswahl von zwei endgültigen Bohrstandorten.

Ergebnisse

Durch die Integration geophysikalischer Daten und Grundwassermodellierung konnten sich die Untersuchungen auf Standorte mit dem höchsten Potenzial für eine nachhaltige Wassergewinnung konzentrieren und gleichzeitig das Risiko von Salzwassereinbrüchen reduzieren. Die Investitionen für weitere Erkundungen konnten auf zwei Bohrstandorte reduziert werden.

Für viele kleinere marine Inseln ist Grundwasser häufig die einzige Trinkwasserressource. Die Süßwasserlinsen unterhalb dieser Inseln sind in ihrem Ausmaß jedoch häufig stark begrenzt und anfällig gegenüber Salzwasserintrusionen als Folge von Grundwasserentnahmen oder anderen Faktoren. Ein Beispiel hierfür ist die ostfriesische Insel Langeoog, deren Trinkwasserversorgung ausschließlich durch Entnahmen aus der Süßwasserlinse unter der Insel gewährleistet ist. Da mehrere Trinkwasserbrunnen deutliche Salinitätsschwankungen zeigen, ist ein Verständnis der Ursachen dieser Schwankungen für ein langfristiges nachhaltiges Trinkwassermanagement von zentraler Bedeutung.

Um die Ursachen für die Salinitätsschwankungen in den Trinkwasserbrunnen der Insel Langeoog zu identifizieren, wurden diese für den Zeitraum 1993-2023 zusammen mit verschiedenen möglichen Einflussfaktoren (Brunnenbetrieb, Grundwasserstände, Meeresspiegel, Wetterbedingungen, Bodenfeuchte) analysiert. Die Zeitreihen der verschiedenen Messgrößen sowie die daraus abgeleiteten Werte wurden mittels Zeitreihenanalyse, multivarianter Regression sowie Methoden der künstlichen Intelligenz untersucht. Ziel war hierbei die Identifikation der Bedeutung verschiedener Einflussfaktoren auf die Salinitätsschwankungen sowie die Bewertung deren Vorhersagbarkeit.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich die verschiedenen Trinkwasserbrunnen nicht nur in der Stärke der Schwankungen, sondern auch bezüglich der möglichen Ursachen unterscheiden. Generell wird die Salinität der einzelnen Brunnen nicht durch aktuelle Bedingungen oder deren kurzfristigen Schwankungen bestimmt, sondern durch Faktoren, die sich über einen Zeitraum von bis zu 10 Jahren integrieren. Relevante Faktoren sind hierbei u. A. die Wasserbilanz des Brunnenfeldes (Neubildung vs. Entnahme) sowie die Häufigkeit von Sturmfluten und die damit verbundene Variation der Schutzdünenposition. Ohne erkennbaren Einfluss sind Grundwasserstände, Meeresspiegel sowie die Laufzeiten der einzelnen Brunnen. Eine Prognose der Salinität mittels der Gesamtheit der erhobenen Daten ist für einzelne Brunnen im eingeschränkten Maße möglich.

In den Küstenregionen Norddeutschlands führt die Grundwasserversalzung zu herausfordernde Bedingungen hinsichtlich der Nutzung der Ressource Grundwasser. Diese werden auch durch die Auswirkungen des Klimawandels verstärkt. Um langfristig den Nutzungsansprüchen u. a. der Trinkwasserversorgung und Industrie gerecht zu werden, ohne zu einer zunehmenden Grundwasserversalzung zu führen, ist eine umfassende Überwachung des Grundwassers als Grundlage einer angepassten, nachhaltigen und effektiven Grundwasserbewirtschaftung im Küstenbereich notwendig.

Die Papier- und Kartonfabrik Varel GmbH & Co. KG (PKV) entnimmt zur betrieblichen Wasserversorgung im größeren Rahmen Grundwasser. Bis 2014 erfolgte die Entnahme über 10 Brunnen (wasserrechtliche Bewilligung zur Entnahme von 2,8 Mio. m³/a Grundwasser, erteilt 2004). Durch betriebliche Veränderungen ergab sich in den letzten Jahren ein deutlich erhöhter Wasserbedarf und somit die Notwendigkeit zum Bau weiterer Brunnen (angestrebte wasserrechtliche Bewilligung zur Entnahme von 4,5 Mio. m³/a Grundwasser).

Die Papier- und Kartonfabrik befindet sich im Gebiet der Stadt Varel im Norden Niedersachsens sowohl wenige Kilometer westlich als auch südlich vom Jadebusen entfernt. Bis 2014 erfolgte durch die Grundwasserentnahme nahe der Süß-/Salzwassergrenze keine Beeinflussung derselben. Jedoch ergab sich durch die geplante erhöhte Entnahme, die Notwendigkeit eine mögliche Verschiebung der Süß-/Salzwassergrenze in Richtung der Brunnen bzw. des Inlandes zu evaluieren. Daher wurde ein numerisches Grundwasserströmungsmodell zur Prüfung der Auswirkungen auf den Grundwasserhaushalt sowie eine mögliche Verschiebung der Süß-/Salzwassergrenze unter Berücksichtigung der Lage der geplanten Brunnen erstellt. Die Ergebnisse zeigten u. a., dass keine nennenswerten Änderungen der Lage der Süß-/Salzwassergrenze zu erwarten sind. Zur Überprüfung und Überwachung der Lage der Süß-/Salzwassergrenze bzw. zur langfristigen Sicherung der Grundwasserqualität wurde eine umfangreiche Beweissicherung initiiert.

Das vorrangige Ziel der Beweissicherung ist die Vermeidung eines entnahmebedingten lateralen in das Landesinnere gerichteten oder vertikalen Voranschreitens der Süß-/Salzwassergrenze durch die erhöhte Entnahme. Dazu werden im Betrachtungsgebiet die Grundwassergüte an Grundwassermessstellen und Brunnen überwacht sowie geophysikalische Methoden eingesetzt. Die Ergebnisse des Monitorings dienen unmittelbar der Grundwasserbewirtschaftung im Raum Varel. Beim nachgewiesenen Auftreten einer wesentlichen Verschiebung der bisherigen Süß-/Salzwassergrenze zu den Fassungen hin werden unverzüglich Maßnahmen zur Stabilisierung der Lage der Süß-/Salzwassergrenze ergriffen.

Die Ergebnisse der Beweissicherung zeigen seit über 10 Jahren nur eine geringfügige Verschiebung der Süß-/Salzwassergrenze. Die zeitliche und räumliche Überwachung der Chloridgehalte an den Grundwassermessstellen ergab keinen Anstieg der Werte. Weiterhin wurden in mehrjährigen Abständen 2D-geolektrische Messungen entlang von drei Transekten durchgeführt, die ungefähr senkrecht zur Salzwasserintrusionsrichtung ausgerichtet sind. An einem Transekt deutet sich anhand eines Bereiches höherer elektrischer Leitfähigkeiten im tieferen Grundwasserleiter eine leichte Verschiebung der Süß-/Salzwassergrenze an. Zur weiteren Überwachung wurde im letzten Jahr in diesem Bereich eine Dry-hole-Messstelle eingerichtet.

Die Grundwasserströmung in Küstennähe ist von komplexen, dichteabhängigen Strömungsprozessen und hochdynamischen Einflüssen, wie Gezeiten und Wellen, beeinflusst. Deren Darstellung erfordert in der Regel die Verwendung eines dichteabhängigen Grundwasserströmungs- und -transportmodells sowie aufwändig gestaltete Modellrandbedingungen. Dies geht mit hohen Anforderungen an die räumliche und zeitliche Modellauflösung einher und erfordert meist eine hohe Rechenleistung.

Das Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG) erstellt derzeit ein landesweites Strömungsmodell (STELLAR) für Niedersachsen. Etwa die Hälfte der nördlichen Modellgrenze liegt dabei an der Nordseeküste. Dies erfordert die Berücksichtigung von ozeanischen Einflüssen in Form einer Randbedingung im Strömungsmodell sowie die Definition einer Küstenlinie, welche dieser Randbedingung gerecht wird. Eine Herausforderung stellt dabei dar, dass STELLAR auf Grund der Größe des Modellgebiets als Modell mit konstanter Dichte erstellt wird.

Für die Konzipierung der Randbedingung wurde ein Prinzipmodell eines typischen Küstengrundwasserleiters in Niedersachsen erstellt (Feseker, 2007). Hierbei wurde eine dichteabhängige Variante in SEAWAT implementiert. Dieses Modell diente als Grundlage für Vergleiche mit verschiedenen Konzepten zur Implementierung der Randbedingung in einem dichteunabhängigen Modell mit MODFLOW 6. Ziel war es zu testen (i) wie relevant die Berücksichtigung der küstennahen Salzwasserintrusionen, z.B. als no-flow Randbedingung, ist und (ii) ob die Berücksichtigung von Dichteeffekte in Form von freshwater heads vorteilhaft ist. Für den Vergleich der Modelle wurde die räumliche Verteilung der hydraulischen Potenziale (freshwater heads) herangezogen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die beste Annäherung der Potenzialverteilung des dichteabhängigen Modells durch das dichteunabhängige Modell erzielt werden kann, wenn eine möglichst genaue Abbildung der Salz-/Süßwassergrenze in Form einer no-flow Randbedingung vorliegt. Eine vereinfachte Darstellung der Grenze in linearer Form resultiert in zu hohen hydraulischen Potenzialen in Küstennähe, da die effektive Transmissivität des Süßwasserkörpers unterschätzt wird. Weniger große Auswirkungen auf die Potenziale hat die Vereinfachung der Salz-/Süßwassergrenze als vertikale Dirichlet-Randbedingung entlang der Linie des mittleren Meeresspiegels. Hierbei hat sich die Verwendung von freshwater heads zur Berücksichtigung des mit der Tiefe zunehmenden Dichteeffekts als vorteilhaft erwiesen.

Auf Grundlage der Ergebnisse des Prinzipmodells wurde die vertikale Dirichlet-Randbedingung mit freshwater heads als Randbedingung für STELLAR gewählt und der Verlauf der Modellgrenze im Küstenbereich entsprechend angepasst. Die typische Salzwasserdichte im Küstenvorfeld für die Definition der freshwater heads erfolgte basierend auf Daten der WSV.

Literatur

Feseker, T., 2007. Numerical studies on saltwater intrusion in a coastal aquifer in northwestern Germany. Hydrogeol Journal 15, 267–279. https://doi.org/10.1007/s10040-006-0151-z

Die Grundwasserressourcen mehrerer Berliner Wasserwerke sind von geogener Grundwasserversalzung beeinflusst. In den am stärksten versalzenen Brunnen wurden Chloridkonzentrationen von über 250 mg/L gemessen; in einzelnen Grundwassermessstellen liegen die maximalen Werte sogar im vierstelligen Bereich. Angesichts des wieder steigenden Trinkwasserbedarfs in der Metropolregion sowie zusätzlicher Herausforderungen durch den Klimawandel, abwasserbürtige Spurenstoffe im Uferfiltrat und Altlasten wächst der Druck auf die Ressourcen. Vor diesem Hintergrund wurde im Forschungsprojekt „GeoSalz“ die Genese und Dynamik der Versalzung im Kontext der hydrogeologischen Verhältnisse und der über 100-jährigen Grundwasserbewirtschaftung im Teileinzugsgebiet eines Wasserwerkes im Südosten Berlins untersucht. Ziel war es, mithilfe verschiedener Methoden Prozesse zu analysieren, um die Wechselwirkungen zwischen Grundwasserförderung und Salzwasseraufstieg besser zu verstehen und eine nachhaltige Bewirtschaftung der Ressourcen zu gewährleisten. Hierfür wurden historische Daten ausgewertet, Leitfähigkeitsmessketten in Trinkwasserbrunnen installiert und Brunnen und Grundwassermessstellen auf hydrochemische Parameter und Umweltisotope (δ¹⁸O, δ²H, ¹⁴C, δ¹³C) analysiert. Die betrieblichen Einflüsse im Brunnenumfeld wurden in einem schematischen Detailmodell, die Prozesse auf Einzugsgebietsebene in einem Großraummodell simuliert (vgl. Tagungsbeitrag Schätzl & Luo et al). Die Ergebnisse der Radiokarbondatierung deuten darauf hin, dass die Salzwassermigration ein Prozess mit Fließzeiten von Tausenden bis Zehntausenden Jahren ist. Nach der stratigraphischen Zuordnung der Grundwasserproben konnte anhand von Mischungsrechnungen (mit Chlorid und δ¹⁸O als Tracer) die Mischung mehrerer Komponenten entlang des Fließweges nachvollzogen werden (Abb. 1). Die Berechnung der hydrologischen Halbjahres-Isotopensignaturen erwies sich als nützlich für die Bestimmung der Endglieder in den Brunnen. Das Strömungs- und Transportmodell bildete den historischen Verlauf der Chloridkonzentrationen im Förderwasser gut ab und lieferte somit erstmals eine modellbasierte Erklärung für die beobachteten hydrochemischen Veränderungen. Mittels Szenarienanalysen konnten gezielte Aussagen über die Wirkung einzelner Eingangsparameter wie Brunnenschaltung, Entnahmemenge und Flusspegel auf die Salzwassermigration getroffen werden.

Die gewonnenen Erkenntnisse tragen wesentlich zum Prozessverständnis bei und bestätigen, dass der Aufstieg versalzenen Grundwassers im Urstromtal ein natürlicher Prozess ist, der durch die Grundwasserförderung überprägt wird (Abbildung 1). Die Aufstiegspfade des Salzwassers werden durch geologische Fenster in den grundwasserhemmenden Schichten bestimmt; im Hauptgrundwasserleiter wird das salzhaltige Wasser in die Absenktrichter der Brunnen gelenkt. Die Förderung eines Anteils versalzenen Grundwassers ist in den Trinkwasserbrunnen im Untersuchungsgebiet somit unumgänglich, unter den standortspezifischen Bedingungen kontrollierbar. Günstige Faktoren sind insbesondere die flächige Verbreitung des Holstein-Interglazials, hohe Uferfiltratanteile sowie die große Anzahl an Wasserfassungen, die es auch langfristig ermöglichen, höher mineralisierte Wässer aus lokalen Hotspots im Mischrohwasser sicher zu verdünnen.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Salzwassermigration und der Mischungsprozesse im natürlichen Zustand (A) sowie nach Überprägung der Grundwasserhydraulik durch die Grundwasserentnahme (B).

Seit Ende des 19. Jahrhunderts wird im Südosten Berlins Grundwasser zur Trinkwasserversorgung gefördert. Das Wasserwerk Friedrichshagen hat heute 11 Brunnengalerien mit rd. 300 vertikalen Förderbrunnen. Die Brunnen sind im quartären Hauptgrundwasserleiter verfiltert und befinden sich an den Ufern der Gewässer Spree, Müggelsee, Dahme und Seddinsee. Im Einzugsgebiet des Wasserwerks erlauben im Bereich von Erosionsrinnen wenige Fehlstellen im oligozänen Rupelton den Übertritt von Salzwasser aus den ihn unterlagernden gespannten prätertiären Aquiferen in die tertiären und quartären Grundwasserleiter. Über Fehlstellen im Stauer des Holstein-Interglazials können lokal Wasserzutritte mit erhöhter Salinität bis in den heute überwiegend für die Trinkwasserversorgung genutzten quartären Hauptgrundwasserleiter erfolgen. Während im anthropogen unbeeinflussten Zustand die Gewässer Senken für die Grundwasserströmung – und damit auch die Salzfracht – darstellten, verlagerte die über die Zeit zunehmende Trinkwasserförderung (überwiegend Uferfiltrat) den Massenstrom hin zu den Brunnengalerien. An den Förderbrunnen zeigen sich einerseits eine starke Differenzierung der Chloridkonzentration im Förderwasser, mit lokalen Werten über 250 mg/l, sowie eine starke Abhängigkeit vom jeweiligen Förderregime. Andererseits ist gegenüber dem Initialzustand vor der Inbetriebnahme der südlichen Brunnengalerien zwischen der Spree (dem Müggelsee) und der Dahme (Langer See) generell ein mäßiger bis starker Rückgang der Chloridkonzentration im Grundwasser im Umfeld dieser Galerien zu verzeichnen.

Im Rahmen des Forschungsprojektes Geosalz (s. Tagungsbeitrag Lorenzen et al.) wurde mithilfe eines angepassten dichtegekoppelten Grundwasserströmungs- und Stofftransportmodells auf Basis des Ständig Verfügbaren Modells (SVM, Software: FEFLOW) für die Wasserwerke Friedrichshagen, Wuhlheide und Kaulsdorf der Berliner Wasserbetriebe (BWB) wurde zunächst ein (angenommen) stationärer Systemzustand, auf Basis aller verfügbaren Messdaten, mit berechneter Chloridkonzentration, von unten nach oben, zwischen 7.000 mg/l und 20 mg/l abgeleitet. Er dient als ein plausibler „natürlicher“ Zustand der Salz-Süßwassergrenze vor der GW-Entnahme. Auf dieser Basis wurde der Betrieb der Förderbrunnen von der Inbetriebnahme des Wasserwerks Köpenick im Jahr 1907 bis 2020 entsprechend deren historischer Förderdaten simuliert und das Modell an vorhandenen Potenzial- und Konzentrationsmessungen ab 1980 an über 720 Grundwassermessstellen kalibriert. Als Ergebnis steht ein Grundwasserströmungs- und Stofftransportmodell zur Verfügung, das die Zutritts- und Mischungsprozesse salinarer und nichtsalinarer Wässer entlang der historischen Entwicklung 1900 - 2020 plausibel abbildet (Abb. 1). Beispielhaft seien hier die Verlagerung des Aufstiegs chloridreicher Wässer von den Gewässern hin zu den Brunnengalerien sowie die durch die Uferfiltration induzierte Versüßung von im natürlichen Zustand salzhaltigen Bereichen der Grundwasserleiter genannt. Das Modell zeigt zudem, dass das Mischungsverhältnis von Wässern aus natürlicher Grundwasserneubildung und Uferfiltrat sehr präzise wiedergegeben werden kann.

Das in dieser Weise kalibrierte Modell diente in der Folge zur Berechnung von Szenarien der zukünftigen Entwicklung der Chloridkonzentrationen im Förderwasser für eine Reihe unterschiedlicher Betriebsvarianten für das Wasserwerk Friedrichshagen.