Die Erfahrung mit Verfahren zur Abschätzung der Grundwasserneubildung (GWN) in Mitteleuropa zur Abschätzung von Grundwasserdargeboten zeigt in der Praxis, dass diese immer noch mit erheblichen Unsicherheiten behaftet sind. Schon beim wesentlichen Inputfaktor Niederschlag schlagen Mess- und Analysefehler unmittelbar auf die Wasserbilanz durch: HYRAS regionalisiert werttreu die Stationswerte (ohne systematische Unterfang-Korrektur), d. h. gemessene Verluste durch Benetzung, Verdunstung und Wind bleiben enthalten (Rauthe et al., 2013; Umweltatlas Berlin, 2022). Aus DWD-Unterlagen ergibt sich, dass im Flachland die Untererfassung mindestens ≈ 10 % beträgt (Umweltatlas Berlin, 2022) und in Mittelgebirgen jährliche Abweichungenvon ca. 120–140 mm a⁻¹ auftreten; an freien Stationen sind im Winter > 20 % Messfehler möglich (BfG/HAD, Richter, 1995).

Die Wahl der PET-Berechnung führt zusätzlich zu systematischen Differenzen (z. B. Abweichungen von Hargreaves oder FAO-56 Penman-Monteith gegenüber Pankalibrierung um ca. −20 % bzw. −30 % bis −40 %; Weiß & Menzel, 2008).

In den Modellen zur Berechnung der Grundwasserneubildung wird häufig der Baseflow Index (BFI) eingesetzt. ALS Langzeitindex ist (Gustard et al., 1992/NRFA) ist seine Nutzung als fixer Skalenfaktor in tages-/monatsbasierten Rechnungen ist jedoch skalenwidrig.. Vergleiche im deutschen Mittelgebirge zeigen zudem methodenbedingte Streuungen (BFI ≈ 0,4–0,5; Kissel & Schmalz, 2020).

Aufgrund der systematischen Untererfassung von P und methodischer Effekte (z. B. Q-Kalibrierung, BFI-Skalenbruch) ist daher ein negativer Bias der rechnerischen GWN zu erwarten, typisch −20 % bis −40 % im Tiefland und −25 % bis −50 % in Mittelgebirgen. In der Summe ist daher die Darstellung der auf diese Weise gewonnenen Ergebnisse als „Grundwasserneubildung“ problematisch, in der Diskussion und besonders in der Kommunikation mit der Öffentlichkeit sollte daher ehrlicherweise der Begriff „rechnerische GWN“: verwendet werden, denn die Ergebnisse sind daten-, methoden- und skalenabhängige Schätzwerte, aber keine beobachtungsäquivalente Größe.

Quellen

BfG/HAD: 2.5 Mittlere korrigierte jährliche Niederschlagshöhe. Hydrographischer Atlas Deutschlands (HAD). Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz. https://geoportal.bafg.de/dokumente/had/25Niederschlagshoehe_Korrigiert.pdf, (Zugriff: 31.10.2025)

Kissel M, Schmalz B (2020): Comparison of Baseflow Separation Methods in the German Low Mountain Range. Water 12:1740. https://doi.org/10.3390/w12061740

Richter D (1995): Ergebnisse methodischer Untersuchungen zur Korrektur des systematischen Messfehlers des Hellmann-Niederschlagsmessers. Berichte des Deutschen Wetterdienstes, Nr. 194, Offenbach am Main.

Rauthe M, Steiner H, Riediger U, Mazurkiewicz A, Gratzki A (2013): A Central European precipitation climatology – Part I: Generation and validation of a high-resolution gridded daily data set (HYRAS). Meteorologische Zeitschrift 22(3):235–256. https://doi.org/10.1127/0941-2948/2013/0436

Senatsverwaltung Berlin (2022): Long-term Mean Precipitation Distribution 1991–2020 – Statistical Base. Umweltatlas Berlin. https://www.berlin.de/umweltatlas/en/climate/precipitation-distribution/1991-2020/statistical-base/, (Zugriff: 31.10.2025)

Weiß M, Menzel L (2008): A global comparison of four potential evapotranspiration equations and their relevance to stream flow modelling in semi-arid environments. Advances in Geosciences 18:15–23. https://doi.org/10.5194/adgeo-18-15-2008

Im Zuge des Klimawandels wird generell mit einer Zunahme hydrologischer Extremereignisse gerechnet. Dabei liegt der Fokus in der Regel auf Oberflächengewässern. In letzter Zeit mehren sich allerdings die Hinweise darauf, dass die Wahrscheinlichkeit sowohl von Hochwässern als auch von schweren Dürren entscheidend von der Grundwasserdynamik im jeweiligen Einzugsgebiet abhängt. Damit käme der Hydrogeologie eine Schlüsselrolle hinsichtlich der Abschätzung des Risikos von Extremereignissen zu.

Dieser Beitrag fasst die Ergebnisse verschiedener Studien zur Analyse von Grundwasser- und Abflussganglinien der Messnetze der Landesbehörden in fünf verschiedenen Bundesländern zusammen. Generell zeigen die Ganglinien unterschiedliche Ausprägungen der Glättung der zeitlichen Struktur des Eingangssignals. Diese lässt sich mathematisch mittels Spektralanalyse erfassen und als Tiefpassfilterung beschreiben, d.h. als die überproportionale Abschwächung des hochfrequenten Teils der Ganglinien mit zunehmendem Grundwasserflurabstand und mit zunehmender Bindigkeit der Grundwasserüberdeckung. Der Grad der Tiefpassfilterung kann mit dem CPC-Index (Cumulative Periodogram Convexity) quantifiziert werden, was einen direkten Vergleich verschiedener Ganglinien ohne aufwändige hydrologische Modellierung ermöglicht.

Je höher der CPC-Index, desto geringer ist die Pufferung hydrologischer Eingangssignale, und desto höher ist die Wahrscheinlichkeit extrem hoher Abflussspitzen. Tatsächlich lässt sich mit dem CPC-Index für einzelne Abflussganglinien eine zeitlich variierende Hochwasserwahrscheinlichkeit nachweisen, die eng mit den Grundwasserständen im jeweiligen Einzugsgebiet zusammenhängt. Damit bestätigt sich der von Berghuijs und Slater (2023) gefundene Zusammenhang zwischen Grundwasserdynamik und Hochwasserwahrscheinlichkeit. Andererseits lässt sich über den Zusammenhang mit der Grundwasserdynamik auch erklären, warum sich das Abflussverhalten während und nach längeren Dürreperioden deutlich ändert (Peterson et al. 2021, Fowler et al. 2022). Die unausweichliche Kehrseite einer starken Pufferung ist allerdings ein ausgeprägtes Langzeit-Gedächtnis im Grundwasserkörper, d.h., vergangene Extrem-Ereignisse wirken deutlich länger nach, als in der aktuellen Hochwasser- und Dürrerisiko-Abschätzung berücksichtigt wird. Damit kommt der Hydrogeologie eine wichtige Rolle bei der Risiko-Abschätzung klimatischer Extremereignisse zu.

Berghuijs, W.R., Slater, L.J. (2023): Groundwater shapes North American river floods. Environ. Res. Lett. 18 034043, DOI 10.1088/1748-9326/acbecc

Fowler, K., Peel, M., Saft, M., Nathan, R., Horne, A., Wilby, R., McCutcheon, C., Peterson, T. (2022): Hydrological shifts threaten water resources. Water Resources Research, DOI 10.1029/2021WR031210

Peterson, T.J., Saft, M., Peel, M.C., John, A. (2021): Watersheds may not recover from drought. Science 372(6543): 745-749, DOI 10.1126/science.abd5085

Um eine nachhaltige Grundwasserbewirtschaftung durch lokale Wasserversorger zu gewährleisten, müssen zukünftige Veränderungen des Wasserdargebots und des Wasserbedarfs frühzeitig erkannt und in die Planung integriert werden. In der Praxis ist es üblich, stationäre oder instationäre Modelle regionaler Grundwassersysteme zu entwickeln und zu kalibrieren. Die langfristige Nachhaltigkeit dieser Modelle ist jedoch häufig nicht gegeben. Da regionale Grundwassermodelle in der Regel für eine spezifische Fragestellung und einen begrenzten Zeitraum konzipiert werden, ist ihre Weiterverwendung über diesen Rahmen hinaus nur eingeschränkt möglich. Zudem führen unvermeidbare Unsicherheiten in Modellkonzeption und Parametrisierung dazu, dass die Modellvorhersagen mit zunehmender Zeit von den tatsächlichen Beobachtungen abweichen. Daher wurde im Rahmen des GW4.0 Projekts der BMFTR-Fördermaßnahme LURCH ein regionales Echtzeit-Grundwassermodell der Trias-Landschaft Südwestdeutschlands entwickelt, das regelmäßig aktuelle Prognosen an Wasserversorger und Verwaltung übermittelt.

Das Modell wird als Ensemble numerischer Grundwassermodelle betrieben, um die Unsicherheiten in der Parametrisierung explizit zu berücksichtigen. Die Modellzustände werden monatlich mithilfe einer Implementierung des Ensemble-Kalman-Filters (EnKF) auf Grundlage aktueller Grundwasserstandsmessungen nachgeführt. Die Messdaten werden automatisiert im Feld erfasst und über Mobilfunk in die Modellumgebung übertragen. Zur Beschreibung der Grundwasserneubildung wird das Bodenwasserhaushaltsmodell GWNBW [1] eingesetzt, das meteorologische Stationsdaten des Deutschen Wetterdienstes (DWD) automatisiert verarbeitet. Zeitgleich werden die aktuellen Pumpraten der Förderbrunnen monatlich von den Wasserversorgern übermittelt und in die Modellaktualisierung integriert. Auf Basis des aktualisierten Modells werden anschließend saisonale Grundwasserstandsprognosen erstellt. Dabei wird GWNBW mit den saisonalen Klimaprognosen des DWD angetrieben. Der zukünftige Wasserbedarf wird aus historischen Verbrauchsdaten in Kombination mit den prognostizierten meteorologischen Bedingungen abgeleitet. Abschließend werden verschiedene Szenarien generiert, die in einer Web-Applikation interaktiv visualisiert werden und den Wasserversorgern und der Verwaltung als Entscheidungshilfe für eine vorausschauende Bewirtschaftung dienen.

Literatur

[1] T. Gudera and A. Morhard. Hoch aufgelöste Modellierung des Bodenwasserhaushalts und der Grundwasserneubildung mit GWN-BW. Hydrologie und Wasserbewirtschaftung, 59(5):205–216, 2015. doi:10.5675/HyWa_2015,5_1.

Kontakt: Janek Geiger, Eberhard Karls Universität Tübingen, Germany, janek.geiger@gmail.com

Der Einfluss des Klimawandels, Dürren, Starkregen und Hitzewellen auf die landwirtschaftliche Nah-
rungsproduktion wird breit diskutiert und verbleibt bis dato unsicher. Durch Anpassungsstrategien wie
Änderungen der Fruchtfolge und -arten, das Verschieben der Erntezeitpunkte, Aufwertung des Bodens
oder Bewässerung sollen negative Auswirkungen reduzieren und so die landwirtschaftliche Produktion
stabilisieren. Während die erstgenannten Strategien auf eine erhöhte Resilienz von Pflanzen und Boden
gegenüber den erwarteten klimatischen Bedingungen abzielen, soll die Bewässerung die Erträge in trockenen
Jahren aufrechterhalten.
Um die zur Verfügung stehenden Wasserresourcen effizient und schonend zur landwirtschaftlichen Bewäs-
serung zu nutzen wird ein bedarfsgesteuerter Einsatz empfohlen. Der Bewässerungsbedarf wird maßgeblich
durch den Niederschlag bestimmt. Projektionen ergeben verringerte Sommerniederschläge für Mitteleuropa,
während Winterniederschläge vornehmlich im Norden zunehmen. Ebenso zeigen sie eine Zunahme der
Niederschlagsextreme im ganzen Jahr. So sollen Niederschlagsmengen über deutlich kürzere Zeiträume
fallen. Parallel dazu sollen Dürreperioden verstärkt auftreten.
Diese Veränderungen führen dazu, dass auch im traditionell wasserreichen Süddeutschland landwirtschaftli-
che Bewässerung zunimmt und in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen könnte. Die benötigten Wasser-
mengen sind dabei an die Änderungen der Sommerniederschläge gekoppelt. Die Realisierbarkeit konkreter
Bewässerungsvorhaben hängt stark von der lokalen und saisonalen Wasserverfügbarkeit ab. Hierzu steht
Grundwasser als potenzielle Ressource zur Diskussion.
Ein wichtiger Faktor bei der Bewässerung aus Grundwasser ist das gegensätzliche Verhalten von Grundwas-
serneubildung und Bewässerungsbedarf. Die Grundwasserneubildung findet in der Regel im späten Winter
und frühen Frühling statt während der Bewässerungbedarf in trockenen Sommermonaten am höchsten
ist. Da der Trinkwasserbedarf in diesen Monaten ebenfalls sein Jahreshoch erreicht, findet sich hier ein
potenzieller Nutzungskonflikt.
Wir präsentieren eine Regionalstudie, ob, in welchem Umfang und unter welchen klimatischen Bedingun-
gen landwirtschaftliche Bewässerung im Gebiet des Oberen Gäus und des Neckartals bei Tübingen nötig
und möglich ist. Besonderer Fokus liegt dabei auf der saisonalen und zwischenjährlichen Variabilität von
Wasserbedarf und -verfügbarkeit bis hin zu langanhaltenden Dürreereignissen.
Für die Umsetzung wurde das Klimamodellensemble (RCP-8.5) der Studie Kliwa [1], ergänzt um einige
Zusatzmodelle, verwendet. Zur Ermittlung des Wasserbedarfs durch Bewässerung, sowie der Sickerwasser-
mengen auf landwirtschaftlichen Flächen wurde das Modell Expert-N verwendet. Grundwasserneubildung
im übrigen Raum wurde durch das Modell GWN-BW berechnet. Zur Berechnung der Grundwasserströ-
mung und -bilanzen im Hinblick auf den erhöhten Wasserbedarf wird ein transient kalibriertes, regionales
Grundwassermodell basierend auf Modflow 6 verwendet.
Trotz der großen Varianz innerhalb der Ergebnisse ergaben die Abschätzungen, dass für die betrachteten Feld-
früchte Bewässerungsbedürftigkeit besteht, die Bewässerungswürdigkeit (ökonomischer Nutzung) jedoch
stark von zukünftigen Preisen und Fördermöglichkeiten abhängt. Selbst für das traditionell wasserreiche
Untersuchungsgebiet wären starke Konflikte um die Nutzung des Grundwassers zu erwarten.

Sowohl klimatische Veränderungen (z.B. vermehrtes Auftreten und/oder Verstärkung von Frühjahrsdürren) als auch Nutzungsänderungen (z.B. zunehmende Bewässerung in der Landwirtschaft, höhere Spitzenentnahmen der Trinkwasserversorgung) werden die „Zukunft“ des Grundwassers maßgeblich beeinflussen. Um verschiedene „Zukünfte“ dieser Einflüsse systematisch untersuchen zu können, kombinieren wir klimatische Veränderungen und Nutzungsänderungen zu Stresstests. Die Kombination erfolgt systematisch über verschiedene Stressfaktoren (z.B. Zunahme der Dürreintensität, Zunahme Dürredauer, Zunahme der Bewässerung oder Spitzenentnahmen), woraus sich eine Vielzahl an Kombinationen ergibt. Wir nutzen ein integratives Modellsystem, bestehend aus dem agrarökonomischen Landnutzungsmodells PALUD und dem hydrologischen Modell RoGeR gekoppelt mit dem Grundwassermodell MODFLOW. Eine besondere Herausforderung ergibt sich aus der Integration der Festgesteinsaquifere des Schwarzwalds und Lockergesteinsaquifere der Oberrheinebene in das Grundwassermodell. Mit dem integrativen Modellsystem wurden die verschiedenen Grundwasser-„Zukünfte“ für das Einzugsgebiet von Dreisam, Möhlin und Neumagen im Südwesten Deutschlands am Schwarzwaldrand zur Oberrheinebene simuliert und eine detaillierte zeitlich-räumliche Analyse der Simulationsergebnisse durchgeführt. Damit können die verschiedenen Grundwasser-„Zukünfte“ detaillierter abgebildet und „befragt“ werden, z.B.:

• Wo verändert zukünftiger Stress den Austausch zwischen Oberflächengewässern und Grundwasser?
• Wie wirkt sich der zukünftige Stress auf die Grundwasserneubildung relevanter Aquifere aus?

Die verschieden Grundwasser-„Zukünfte“ zeigen welche quantitativen Veränderungen aus konkreten Veränderungen zukünftig zu erwarten sind. Die Kopplung der Modelle zu einem integrativen Modellsystem kann damit einen innovativen Beitrag zur langfristigen Bewirtschaftung der regionalen Grundwasserressourcen liefern.

We will give Insights into the technical aspects on building a national 3D hydro stratigraphical model.

In Demark mapping for groundwater has been going on for the last 30 years. All in all, it is estimated that 300 mio € has been spent on collecting data and building models, all now represented in one national 3D model. This work has been challenging, and new technologies have been developed as well as workflows supporting these.

Geophysical investigations have played a key role in the Danish Groundwater Mapping as these data has been vital for a detailed understanding of the subsurface, but using geophysical data is also a challenge due to the sheer volume of data.

Building hydro stratigraphic models has gained a lot using geophysics, but other data are equally important, and 3D modeling must be able to incorporate all data types.

As time went by the need for a confined model framework became obvious. Also, the fact that multiple parties, both public and private, are involved in establishing the national model gave some challenges, both on how to establish big models but also on further development and refinement of the models. This has meant that special functionalities both management system and modeling software were required. This resulted in a web-based system that enabled different areas to be modeled concurrently and a quality assessment to be implemented. Some insights into this process and system will be presented.

In Denmark access to geological and hydrological datasets has been open to public and the benefits has been significant. So, managing and storing data in general, has also been of great concern and importance and systems for storing data, sharing and visualization have been built to accommodate this.

Nach wie vor gibt es Deutschland nur wenige großräumige Grundwassermodelle, die ganze Regionen oder Bundesländer abdecken, die von behördlicher Seite betrieben und gewartet werden. Stattdessen erfolgt die Erstellung und Kalibrierung von klassischen Grundwassermodellen meist projektbezogen für einzelne Standorte und die Modelle werden nach Abschluss des Projekts nicht zentral erfasst. Besonders bei angrenzenden lokalen Modellgebieten ergeben sich dann uneinheitliche Grundwassergleichenpläne und unterschiedliche Interpretationen der hydrogeologischen Gegebenheiten. Es herrscht nach wie vor die Meinung, dass eine großräumige Grundwassermodellierung oder sogar gekoppelte Modellierung mit Fließgewässern technisch nicht möglich wäre.

Auch die Grundwasserneubildungsermittlung basiert seit Jahrzehnten überwiegend auf ungekoppelten Bodenwasserhaushaltsmodellen. Diese ermittelten Dargebote sind die Basis für alle wasserrechtlichen Genehmigungen von neuen oder zu verlängernden Grundwasserentnahmen. Diese gängigen Modelle sind oft GIS basiert und nutzen überwiegend konzeptionelle Verfahren unter Verwendung des Prinzips der direkten Abflussseparation. Diese wurden ursprünglich zur Hochwasservorhersage und Abflussmodellierung verwendet. Als Nebenprodukt wird automatisch auch eine Grundwasserneubildung als Bilanzterm der hydrologischen Grundgleichung berechnet.

Da diese Modellansätze nicht in der Lage sind, Grundwasserstände selbst zu berechnen, wird der flächige Grundwasserspiegel als feste untere Randbedingung starr angesetzt. Eine Plausibilisierung der berechneten Grundwasserneubildung erfolgt lediglich anhand der größten Abflusspegel eines Bundeslandes. Eine Validierung der berechneten Grundwasserneubildung anhand gleichzeitig berechneter Grundwasserstände ist technisch jedoch nicht möglich. Folglich sind die ermittelten Dargebote mit sehr großen Unsicherheiten behaftet und erlauben nur Rückschlüsse auf starre Mittelwerte über mehrere Jahre.

Für die nachhaltige Bewirtschaftung unserer Wasserressourcen sind diese konsistenten Grundlagen jedoch unverzichtbar. Viele aktuelle und künftige Projekte in der Praxis, wie zum Beispiel das geplante Großraummodell Lausitz, die sich mit bundeslandübergreifenden wasserwirtschaftlichen Fragestellungen beschäftigen, stehen vor den Herausforderungen sehr heterogener Datengrundlagen.

In Dänemark haben sich die Behörden auf einen landesweiten Ansatz geeinigt, der sowohl die Grundwasserneubildung, die Grundwasserstände als auch Gewässerabflüsse in einem geschlossenen System berechnen kann und nutzen diesen erfolgreich seit ca. 20 Jahren. Die halbstaatliche Behörde GEUS betreut dieses Nationale Hydrologische Modell und stellt dieses allen Institutionen und Ingenieurbüros unentgeltlich zur Verfügung. Im Gegenzug sind die Nutzer dazu angehalten, die nachkalibrierten Parameter in die nationale Datenbank und das Modell zurückzuspeisen. Durch diese Vorgehensweise wird das Modell durch jedes Projekt fortgeschrieben und über die Zeit hinweg immer weiter verbessert. Die einzelnen Projekte können deutlich effizienter und kostengünstiger von den öffentlichen Auftraggebern vergeben werden, da ein Großteil der Datenbeschaffung und der völlige Neuaufbau eines geologischen Strukturmodells und des Gewässermodells wegfallen.

Ein vergleichbarer Ansatz lässt sich in dieser Weise mindestens auf Bundeslandebene übertragen. Dadurch würden einheitliche und konsistente Grundlagen für wasserwirtschaftliche Fragestellungen geschaffen werden.