Grundwasser ist die zentrale Ressource der Trinkwasserversorgung in Deutschland und steht zunehmend unter klimatischem Druck. Die vorliegende Untersuchung analysiert die langfristige Entwicklung der Grundwasserstände an 5 843 Messstellen im Referenzzeitraum 1991–2020 (sowie seit 2018 im Kontext der außergewöhnlichen Dürreperiode) und bewertet die Reaktionsdynamik der Grundwassersysteme gegenüber klimatischen Antrieben. Erstmals erfolgt eine bundesweit einheitliche Auswertung in enger Zusammenarbeit mit den zuständigen Landesbehörden.

An 43 % der Messstellen wurden signifikante Trends festgestellt, überwiegend in Form fallender Grundwasserstände mit einem medianen Rückgang von etwa 0,9 cm pro Jahr. Diese Entwicklungen sind deutschlandweit sichtbar, jedoch regional unterschiedlich ausgeprägt und weitgehend klimatisch bedingt. Zur systematischen Erfassung der Reaktionsdynamik wurden die Messstellen anhand ihrer Autokorrelationslängen in vier Dynamikklassen eingeteilt. Mit abnehmender Dynamik zeigen sich stärkere langfristige Trends sowie eine höhere Persistenz klimatischer Effekte. Schnell reagierende Systeme weisen kürzere Niedrigstandsphasen (Median 2,2 Monate) auf und erholen sich rasch, während träge Systeme deutlich länger auf Niederschläge reagieren (Median 9,8 Monate) und nachhaltiger von Niedrigständen betroffen sind.

Besonders seit der Dürreperiode 2018 treten die Unterschiede deutlich hervor: Rund 60 % der trägen Messstellen zeigen über fünf Jahre hinweg anhaltend niedrige Grundwasserstände, und bis zu 29 % erreichten neue historische Tiefstwerte. Die Ergebnisse verdeutlichen den engen Zusammenhang zwischen klimatischer Variabilität und Grundwasserdynamik und bieten eine Grundlage für die bundesweite Bewertung der Grundwasserentwicklung sowie für dynamikbasierte Risiko- und Resilienzanalysen.

Das Interreg-Programm Nordsee fördert die Zusammenarbeit der Anrainerstaaten zur Entwicklung einer grünen und nachhaltigen Zukunft. Das Projekt „Blue Transition“ (2022–2026) untersucht Strategien, um das Gleichgewicht zwischen Wasser- und Landnutzung zu verbessern und die Auswirkungen des Klimawandels zu minimieren – ausgehend von der Leitfrage: Wie kann eine Region klimaresilient gestaltet werden?

Im Vorgängerprojekt „TOPSOIL“ wurde die Luneplate im Süden Bremerhavens als besonders empfindliches Gebiet gegenüber Salzwasserintrusionen identifiziert. Während weite Teile als Naturschutzgebiet ausgewiesen sind, soll der nordöstliche Bereich künftig als nachhaltiges Gewerbegebiet LUNEDELTA mit klimaneutralem Ansatz entwickelt werden. Dieses Gebiet bietet ein ideales Testfeld, um Strategien zur Klimaanpassung unter realen Bedingungen zu erproben und gemeinsam mit regionalen Akteuren umzusetzen.

Der Schwerpunkt liegt auf einem integrierten Wassermanagement, das überschüssiges Regenwasser gezielt speichert und versickern lässt. Dadurch sollen Starkregenereignisse abgepuffert und das Vordringen salzhaltigen Wassers ins Grundwasser gemindert werden. Im Rahmen von Blue Transition werden Grundwassermodellierungen mit hochauflösenden Untergrundmodellen eingesetzt, um die Reaktionsfähigkeit des Systems auf unterschiedliche Klimafolgen zu bewerten – von häufigeren Starkregen bis zur zunehmenden Versalzung infolge des Meeresspiegelanstiegs.

Die geplanten Maßnahmen werden mithilfe von numerischen Grundwasserströmungsmodellen mit rund 100.000 aktiven Modellzellen (10 × 10 m) simuliert und durch ein kontinuierliches Monitoringprogramm begleitet. Dieses umfasst Grundwassermessstellen und halbjährliche geoelektrische ERT-Messungen (Electrical Resistivity Tomography), mit denen die zeitliche Dynamik von Süß- und Salzwasser sichtbar gemacht wird.

Auf dieser Grundlage entsteht eine praxisnahe, evidenzbasierte Strategie für nachhaltiges Grundwassermanagement, die den regionalen Klimaschutz stärkt und als übertragbares Modell für andere Küstenregionen dienen kann. Durch die enge Verzahnung von Modellierung, Monitoring und regionaler Umsetzung liefert das Projekt einen skalierbaren Ansatz zur Stärkung der Klimaanpassungsfähigkeit küstennaher Räume.

Eines der Umweltziele der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (WRRL; RICHTLINIE 2000/60/EG) ist die Erreichung eines guten Zustandes (chemisch und ökologisch) der Oberflächengewässer. Gemäß den Ergänzungen der WRRL durch die Richtlinien 2008/105/EG und 2013/39/EU können bei der Zustandsbewertung die natürlichen Hintergrundkonzentrationen berücksichtigt werden.

Durch den Geologischen Dienst NRW (GD NRW) wurden im Auftrag des Umweltministeriums NRW im Zeitraum von 2016 bis 2019 ein Projekt zur Ermittlung natürlicher Hintergrundkonzentrationen in den Oberflächengewässern NRWs durchgeführt. Hierzu war eine Methodik im Rahmen des Projektes neu entwickelt worden. Die Untersuchungen umfassten insgesamt 18 (Halb-)Metalle und Sulfat. In einem Folgeprojekt widmete sich der GD NRW in den Jahren 2024 und 2025 erneut dem natürlichen Stoffinventar der Oberflächengewässer NRWs und knüpft damit an das Erstprojekt an. Es wurden jene Bereiche, für die im Erstprojekt noch keine Hintergrundwerte ermittelt wurden (da keine Überschreitung der UQN bzw. des Orientierungswertes vorlag), ausgewertet. Darüber hinaus wurden weitere Parameter (Mangan, Molybdän, Titan) NRW-weit bearbeitet und auch für diese möglichst flächendeckend Hintergrundwerte bestimmt.

Der Methodik des Erstprojektes folgend wurden Gütedaten aus Fließgewässern und Quellen mit Hilfe des Wahrscheinlichkeitsnetzes für geochemisch (weitestgehend) homogene Bewertungseinheiten ausgewertet, Hintergrundkonzentrationsspektren erfasst und Hintergrundwerte, entsprechend der Vorgabe des LAWA-AO (2015) als 90. Perzentil der natürlichen Konzentrationsverteilung, abgeleitet. Für die korrekte Beurteilung und Bereinigung der Eingangsdaten wurden umfangreiche Randdaten (z. B. Abwassereinleitungen, Besiedlungsanteil, Bergbautätigkeiten) akquiriert und in den Ausarbeitungen berücksichtigt.

Die Untersuchungsergebnisse beider Projekte zeigen erwartungsgemäß einen engen Zusammenhang zwischen der Geologie und den natürlichen Hintergrundkonzentrationen der Untersuchungsparameter in den Oberflächengewässern. Sie wurden im Mai 2025 an das Umweltministerium NRW und das LANUK NRW übergeben und fanden unmittelbar in der Bewirtschaftungsplanung des Landes Nordrhein-Westfalen Berücksichtigung.

Ziel der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (EG-WRRL) aus dem Jahr 2000 ist u. a. der mengenmäßig und chemisch gute Zustand für das Grundwasser. Seit 2009 werden im 6-Jahres-Rhythmus Bewirtschaftungs- und Maßnahmenpläne erstellt, um diesen Zustand zu erhalten bzw. zu erreichen. Zahlreiche Dokumente auf europäischer (Common Implementation Strategy (CIS) Guidance Documents) und nationaler Ebene (Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA)-Arbeitshilfen, Grundwasserverordnung) beschreiben die jeweiligen Vorgehensweisen zur Bewertung dafür. Für die Überprüfung und Aktualisierung der Zustandsbewertung und Risikoanalyse (Bestandsaufnahme) im Bereich mengenmäßiger Zustand sind das hauptsächlich die Veröffentlichungen der LAWA aus 2011 und 2019. Die Vorgaben lassen einen gewissen Spielraum, der angesichts der heterogenen Hydrogeologie und Wasserwirtschaft in Deutschland zunächst sinnvoll erscheint.

Ziel dieses Beitrags ist es, besser zu verstehen, wie die Auswahl der Methode, der Messstellen und des Untersuchungszeitraums sowie das „Expert Judgement“ die Bewertung beeinflussen. Die Auswirkungen werden anhand von Beispielen aus Hessen und Rheinland-Pfalz untersucht. Die Ergebnisse zeigen teils deutliche Unterschiede in Abhängigkeit der untersuchten Parameter. Konsequenzen sind, dass die Bewertung teilweise von der bearbeitenden Person bzw. Behörde oder von den jeweiligen Rahmenbedingungen abhängen kann und Ergebnisse zwischen Bundesländern nicht direkt vergleichbar sind. Wir plädieren daher für eine Überarbeitung und Konkretisierung der LAWA-Dokumente, um eine einheitlichere Bewertung gemäß dem aktuellen wissenschaftlichen, insbesondere auch statistischen Stand zu gewährleisten und die Vergleichbarkeit zu erhöhen. Dies dient als Grundlage für verlässliche und transparente Bewertungen und liefert damit einen Beitrag zur Stärkung des vorsorgenden Grundwasserschutzes.

Referenzen:

LAWA (2011): Fachliche Umsetzung der EG-Wasserrahmenrichtlinie – Teil 5: Bundesweit einheitliche Methode zur Beurteilung des mengenmäßigen Zustands der Grundwasserkörper. Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA). Verfügbar unter:

https://www.wasserblick.net/servlet/is/142651/WRRL_LAWA_Fachliche_Umsetzung_WRRL_Teil_5_Methode_Beurteilung_Menge_GW.pdf?command=downloadContent&filename=WRRL_LAWA_Fachliche_Umsetzung_WRRL_Teil_5_Methode_Beurteilung_Menge_GW.pdf

LAWA (2019): Aktualisierung und Anpassung der LAWA-Arbeitshilfe zur Umsetzung der EG-Wasserrahmenrichtlinie, Teil 3, Kapitel II.1.2 – Grundwasser. Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA). Verfügbar unter:

https://www.lawa.de/documents/arbeitshilfe_umsetzung_wrrl_kap_grundwasser_1575970330.pdf

Thermische Nutzungen des oberflächennahen Grundwassers können eine effiziente Möglichkeit der Nutzung von regenerativer Energie darstellen, wenn geeignete hydrogeologische Verhältnisse vorliegen. Die Entnahme von Grundwasser und die anschließende Wiedereinspeisung mit verändertem Temperaturniveau verursachen thermohydraulische Effekte innerhalb eines Grundwasserleiters und sind in Baden-Württemberg (BW) im Rahmen von Wasserrechtsverfahren zu berücksichtigen.

Die Berechnung von Temperaturfeldern setzt eine plausibles hydrogeologisches Konzeptmodell voraus, auf dessen Grundlage die tatsächlichen Verhältnisse für einen Standort idealisiert beschrieben werden können. In der Regel erfolgt dies unter starker Vereinfachung der stattfindenden hydraulischen und thermischen Prozesse. Für die Betrachtung von Grundwasserwärmepumpanlagen für Ein- und Zweifamilienhäuser (ca. 15.000 bis 45.000 kWh pro Jahr) steht in Baden-Württemberg bereits seit dem Jahr 2009 ein vereinfachendes analytisches Verfahren zur Berechnung der Temperaturverteilung im genutzten Grundwasserleiter zur Verfügung. Die Anwendung des Berechnungsansatzes für größere Pumpraten führt zu unplausiblen Ergebnissen. Seitens des Ministeriums für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft BW wurde deshalb ein neuer Arbeitskreis für die Bewertung von thermischen Grundwassernutzungen > 45.000 kWh pro Jahr eingerichtet. Auf Empfehlung des Arbeitskreises wurde das thermisch-hydraulische Grundwassermodell LGRBtom entwickelt.

LGRBtom ist eine Online-Anwendung und wird über einen Web-Browser bedient. Die An­wendung erfordert hydrogeologisches Fachwissen. Die Berechnungen erfolgen in 3D und Ergebnisse werden in 2D visuali­siert.

Es handelt sich um eine sog. Prinzipmodellierung. Eine Kalibrierung des Modells erfolgt nicht, weshalb dem Konzeptmodell für einen Modellstandort eine besondere Bedeutung zukommt.

Die thermische Modellie­rung berücksichtigt die relevanten Prozesse des Wärmetransports (Advektion, Dispersion, Konduktion, Wärmespeicherung und Austausch mit der Atmosphäre) für maximal drei Schichten (Grundwas­serüberdeckung, Grundwasserleiter und Liegendes).

Neben der thermohydraulischen Parametrierung des Modells sind die Brunnendaten, monatliche Entnahme-/Einleitrate und die Spreizung bei der Wiedereinleitung einzugeben.

Mit LGRBtom sind Temperaturfeldberechnungen für mehrere Brunnengruppen und Mehrbrunnensysteme mit Laufzeiten bis 30 Jahren möglich.

Aufgrund der vereinfachten Handhabung von LGRBtom können Variantenberechnungen (z.B. für die Grundwasserfließrichtung) und verschiedene Lastfälle mit vergleichsweise geringem Aufwand durchgeführt werden. Die Ergebnisse werden zudem in einem Web-GIS visualisiert und als Shapefiles ausgegeben. Eingaben und Berechnungsergebnisse sind somit vollständig transparent.

LGRBtom ist eine Fachanwendung des Landes Baden-Württemberg, so dass dessen An­wendung räumlich auf Baden-Württemberg begrenzt ist. Die Anwendung befindet sich derzeit in der Testphase.

Die modelltechnische Entwicklung von LGRBtom wurde von der Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner GmbH durchgeführt. Die Bereitstellung erfolgt über das baden-württembergische Landesamt für Geologie Rohstoffe und Bergbau (LGRB) als LGRBtom.

Am Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG) wird im Auftrag des Niedersächsisches Ministerium für Umwelt, Energie und Klimaschutz (MU) ein landesweites stationäres Grundwasserströmungsmodell (STELLAR - Strömungsmodell Land Niedersachsen) erarbeitet, um wasserwirtschaftliche Fragestellungen niedersachsenweit beurteilen zu können. Ein zentraler Eingangsdatensatz ist das Lockergesteins Strukturmodell Niedersachsen (LUNA), das ebenfalls am LBEG erstellt wird.

Ziel ist die Erstellung eines hydrogeologischen 3D-Strukturmodells der wichtigsten känozoischen Grundwasserleiter und Grundwassergeringleiter im niedersächsischen Teil des Norddeutschen Beckens bzw. des hydrogeologischen Großraums 1 (Nord- und mitteldeutsches Lockergesteinsgebiet, Elbracht et al., 2016) bis in Tiefen von ca. 500 m. Die Modelleinheiten basieren auf den hydrostratigraphischen Einheiten nach Geofakten 21 (Reutter, 2011).

Das LUNA-Projektgebiet mit einer Fläche von ca. 37.000 km² unterteilt sich in sechs etwa gleich große Kacheln, die an den Verlauf der vorgesehenen Strömungsmodellierungsgebiete angepasst sind. Die Modellierung und Angleichung der Teilmodelle der einzelnen Kacheln erfolgt von West nach Ost und von Nord nach Süd.

Die Datengrundlage für LUNA bilden geologische und hydrostratigraphische Profilschnitte des LBEG, vorhandene 3D-Regionalmodelle, Informationen aus externen hydrogeologischen Modellen sowie die Geologische Karte 1: 50 000 (GK50, LBEG 2021a), die Hydrogeologische Karte von Niedersachsen 1: 50 000 - Hydrostratigraphische Einheiten (HK50HYSTRAT, LBEG 2025a) die Quartärgeologische Übersichtskarte 1: 500 000 (GKTQ500, LBEG 2021b) und die teilweise überarbeitete Quartärbasiskarte Niedersachsens (LBEG 2025b ). Diese Daten werden in einem ersten Modellierungsabschnitt für die Erstellung des hydrogeologischen 3D-Modells für LUNA berücksichtigt. In einer zweiten Modellierungsphase erfolgt die Einarbeitung von Bohrungen mit hoher Qualitätsstufe und der Abgleich von Filterstrecken aus Grundwassermessstellen mit den einzelnen Modelleinheiten.

Literatur

Elbracht, J., Meyer, R. & Reutter, E. (2016): Hydrogeologische Räume und Teilräume in Niedersachsen. – GeoBerichte 3: 3. Aufl., 118 S.; Hannover (LBEG).

LBEG (Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie) (2021a): Geologische Karte 1: 50 000. - NIBIS® KARTENSERVER, <http://nibis.lbeg.de/cardomap3/>, Hannover.

LBEG (Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie) (2021b): Quartärgeologische Übersichtskarte 1: 500 000. - NIBIS® KARTENSERVER, <http://nibis.lbeg.de/cardomap3/>, Hannover.

LBEG (Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie) (2021c): 3D-Modelle. – NIBIS® KARTENSERVER, <http://nibis.lbeg.de/cardomap3/>, Hannover.

LBEG (Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie) (2025a): Hydrogeologische Karte 1: 50 000 - - Hydrostratigraphische Einheiten. - NIBIS® KARTENSERVER, <http://nibis.lbeg.de/cardomap3/>, Hannover.

LBEG (Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie) (2025b): Quartärbasiskarte 1: 500 000. - Hannover (unveröffentlicht).

Reutter, E. (2011): Hydrostratigrafische Gliederung Niedersachsen. – Geofakten 21: 11 S.; Hannover (LBEG).