Im Rahmen der BMBF-Fördermaßnahme LURCH wurden im Verbundprojekt WaRM (Nachhaltige, flexible Grundwasserbewirtschaftung in Ballungszentren auf Basis eines Wassersystemmodells am Beispiel der Metropolregion Frankfurt/Rhein-Main) Nutzungskonflikte und entsprechende Lösungsansätze hinsichtlich sich verändernden Rahmenbedingungen für ein nachhaltiges und flexibles Grundwassermanagement untersucht. Die wasserwirtschaftlichen Herausforderungen der Region liegen sowohl in der Wassermenge mit einem potentiell steigenden Wasserbedarf verschiedener Akteure, als auch in der Wasserqualität mit bereichsweise hohen Belastungen an Nitrat, Pflanzenschutzmitteln und Spurenstoffen. In der Vergangenheit gab es bereits verschiedene Ansätze zur Lösung der bestehenden und potentiell zunehmenden Wassernutzungskonflikte. Bzgl. quantitativer Aspekte wurde in den späten 1980er-Jahren eine Rheinwasseraufbereitung zur Nutzung von aufbereitetem Rheinwassers zur künstlichen Grundwasseranreicherung und zur landwirtschaftlichen Bewässerung initiiert. Der „Grundwasserbewirtschaftungsplan Hessisches Ried“ setzt den Rahmen für die aktuelle Grundwassernutzung und weitere Entwicklung im Untersuchungsraum.

Im Zuge zukünftiger Entwicklungen ist mit zunehmenden Konflikten hinsichtlich der Wasserverfügbarkeit als auch des Wasserbedarfs zu rechnen. Dies wurde innerhalb des Projektes WaRM anhand von vier Zukunftsszenarien detailliert betrachtet. Die Szenarien decken insgesamt die Bandbreite möglicher zukünftiger Entwicklungen bezüglich klimatischer Veränderungen, Landnutzungsänderungen und Entwicklung des Wasserbedarfs der öffentlichen Trinkwasserversorgung ab. Innerhalb von Bodenwasserhaushalts- und Grundwassermodellrechnungen wurden die quantitativen Änderungen des Grundwasserhaushalts für die definierten Szenarien bestimmt. Hierbei wurden auch sich im Rahmen der Szenarien ändernde Wasserbedarfe für die landwirtschaftliche Bewässerung anhand des spezifischen Pflanzenwasserbedarfs ermittelt.

Die einzelnen Szenarien zeigen unterschiedliche Ausprägungen von Perioden mit potentiell erhöhten Wassernutzungskonflikten. Insbesondere für die fernere Zukunft (nach 2050) ist für alle Szenarien mit Perioden erhöhten Wasserbedarfs zu rechnen, die unter Maßgabe der aktuellen Rahmenbedingungen und ohne die Umsetzung weiterer Maßnahmen nicht flächendeckend mit dem bestehenden Grundwasserbewirtschaftungsplan vereinbar sind. Diesbezügliche Handlungsoptionen wurden innerhalb des Projektes in Form von Maßnahmenbündeln mit unterschiedlichem Umsetzungsgrad untersucht. Die Entwicklung eines Maßnahmenplans erfolgte unter dem Gesichtspunkt nachhaltiger Lösungskonzepte unter Berücksichtigung und Bewertung sowohl wasserwirtschaftlich-technischer als auch politisch-administrativer Handlungsoptionen. Maßnahmen, die den quantitativen Grundwasserhaushalt betreffen umfassen hierbei den Ausbau blau-grüner Infrastruktur (v.a. Regenwasserversickerung), den Ausbau der künstlichen Grundwasseranreicherung sowie Einsparungen u.a. durch Substitution von Grund-, Brauch- und Trinkwassernutzungen und Effizienzsteigerung in der landwirtschaftlichen Bewässerung. Quantifizierbare Maßnahmen wurden anhand von Bodenwasserhauhalts- und Grundwassermodellrechnungen bzgl. ihrer Wirkung bewertet.

Das innerhalb des Gesamtprojektes erarbeitete Tool eines Wassersystemmodells gibt Akteuren die Möglichkeit, konkrete und nutzbare Bewirtschaftungsoptionen im Zuge sich ändernder wasserwirtschaftlicher Randbedingungen zu evaluieren.

Der Schutz des Grundwassers gewinnt in der städtischen Raumplanung zunehmend an Bedeutung, insbesondere vor dem Hintergrund von Klimawandel, Urbanisierung und steigender Flächennutzung mit Nutzungskonkurrenzen im Untergrund. In Städten wie Berlin und Karlsruhe stellt die nachhaltige Bewirtschaftung der Grundwasserressourcen eine zentrale Herausforderung dar. Berlin deckt seinen gesamten Trinkwasserbedarf aus lokalem Grundwasser, das sich aus natürlicher Neubildung, Uferfiltrat und künstlicher Anreicherung zusammensetzt. Der Klimawandel, zunehmende Versiegelung und anthropogene Einflüsse können jedoch zu einem sinkenden Grundwasserspiegel, einer Erwärmung des Grundwassers und einer steigenden Belastung durch Schadstoffe führen.

Im Rahmen des BMBF-Projekts LURCH und insbesondere des Teilprojekts Charmant („Charakterisierung, Bewertung und Management von urbanen Grundwasserleitern“) wird untersucht, wie thermische, ökologische und chemische Aspekte des Grundwassers in die städtische Raumplanung integriert werden können. Die Analyse stützt sich auf eine umfassende Auswertung von Literatur und Rechtsgrundlagen Ergänzend wurden Online-Experteninterviews mit Fachleuten aus Wissenschaft, Wasserwirtschaft und Behörden durchgeführt. Die qualitativen Auswertungen dieser Interviews liefern wertvolle Einblicke in aktuelle Defizite, institutionelle Hemmnisse und potenzielle Steuerungsinstrumente für den Grundwasserschutz in der Stadtplanung.

Der Vortrag präsentiert den aktuellen Stand der Untersuchungen am Beispiel Berlins und zieht vergleichende Erkenntnisse aus Karlsruhe heran. Dabei werden sowohl bestehende Regelungslücken als auch praxisorientierte Lösungsansätze aufgezeigt, um den Grundwasserschutz als integralen Bestandteil einer nachhaltigen Stadtentwicklung und einer nachhaltigen Grundwassernutzung zu verankern. Ziel ist es, die Ergebnisse in zukünftige Planungsinstrumente zu überführen und Wege zu einer resilienteren, ressourcenschonenden urbanen Wasserbewirtschaftung aufzuzeigen.

Das Projekt MARGIN, gefördert im EU-Interreg Alpenraumprogramm, zielt darauf ab, die Grundlage für ein umfassendes, nachhaltiges und übertragbares Grundwassermanagement zu schaffen. Dazu untersucht es die Anfälligkeit des Grundwassers in fünf Pilotstädten und einem Netzwerk von Beobachterstädten unter Berücksichtigung der Auswirkungen extremer Veränderungen der Grundwassermenge und -qualität auf Infrastruktur, Dienstleistungen und Ökosysteme. MARGIN verbessert Anpassungsstrategien, bewertet deren Integration in Planungsprozesse und entwickelt einen praxisorientierten Werkzeugkasten mit Leitlinien und bewährten Verfahren für Stadtverwaltungen, um Grundwassermanagement, Klimaanpassung, Ökosystemschutz und erneuerbare Energien zu fördern.
Ein Schwerpunkt liegt auf der Identifizierung von Anforderungen und Lücken in Verwaltungsstrukturen und im Datenmanagement sowie in den bestehenden nationalen und regionalen Regelwerken. Dazu wird eine übertragbare Methodik zur Analyse der städtischen Wasserbewirtschaftung entwickelt. Bestehendes Wissen über Quantität, Temperatur und Biodiversität zu urbanem Grundwasser sowie zu Risiken, Nutzungen, Barrieren und Verwaltungsstrukturen wird in den Pilotstädten systematisch zusammengeführt. Workshops und Fragebögen dienen der Wissenssammlung. Die Ergebnisse werden in Form von Steckbriefen für die Pilotstädte dokumentiert, Strategien und Maßnahmen zur Minderung qualitativer, quantitativer und ökologischer Risiken im Zusammenhang mit Klimawandel und Urbanisierung werden erfasst und bewertet.
Zur Quantifizierung von Potenzialen und Risiken werden in den Pilotstädten harmonisierte Bewertungsverfahren angewendet, die Grundwasserquantität, -qualität (einschl. ökologischer Aspekte) sowie Potenziale für die thermische Nutzung erfassen. Die Risikoanalysen berücksichtigen die Auswirkungen von Klimawandel und Urbanisierung auf Wasserstände, Extremereignisse (z. B. Überflutung, Wasserknappheit), thermische Veränderungen und die Gesundheit aquatischer Ökosysteme. Integrierte Vulnerabilitätsanalysen beziehen gefährdete Infrastrukturen, Dienstleistungen und Ökosystemfunktionen mit ein.
Basierend auf den Ergebnissen und dem Austausch zwischen Pilot- und Beobachterstädten werden Best-Practice-Beispiele identifiziert und städtespezifische Anpassungsmaßnahmen entwickelt. Abschließend entsteht ein transnationaler Leitfaden zur Bewertung von Grundwasserpotenzialen, Risiken und Verwundbarkeiten sowie zur Ableitung geeigneter Anpassungsmaßnahmen für verschiedene Stadtbedingungen im Alpenraum übertragbar gemacht wird.

In den letzten Jahren sind die Temperaturen in Untergrund urbaner Räume deutlich gestiegen – besonders in dicht bebauten Stadtzentren, wo sich die thermische Beeinflussung des Untergrunds bspw. infolge von Versiegelung, Bebauung, Verkehr und Abwärmeeinträgen besonders stark überlappt (Menberg et al. 2014, Tissen et al. 2019).

Gleichzeitig sind in den letzten Jahren grundwasserökologische Fragestellungen zunehmend in den fachlichen Fokus getreten, insbesondere wenn es um die Diskussion zur behördlichen Beurteilung von thermischen Eingriffen in das Grundwasser geht. Damit hat auch die Charakterisierung der abiotischen Randbedingungen an Bedeutung gewonnen. Im Rahmen des Projekts CHARMANT wird untersucht, ob und wie sich thermische Veränderungen im urbanen Untergrund auf die Grundwasserökologie auswirken und welche Beurteilungskriterien und Empfehlungen sich für den behördlichen Vollzug und Managementmaßnahmen ableiten lassen.

Vor diesem Hintergrund wurde zunächst anhand von Daten des Berliner Landesmessnetzes analysiert, welches räumliche Muster die Temperaturen im Untergrund respektive Grundwasser aufzeigen und wie sich die Temperaturen und Parameter wie Sauerstoff langjährig verändert haben. In Kombination mit einer Untersuchung der faunistischen Besiedlung von Grundwassermessstellen zeigt sich, dass die Temperatur in urbanen Aquiferen als ein wichtiger Einflussfaktor für die abiotischen Randbedingungen im Untergrund betrachtet werden sollte. Möglicherweise spielt jedoch der Gehalt an gelöstem Sauerstoff im Grundwasser eine entscheidendere Rolle für die Biodiversität und Funktion des Ökosystems Grundwasser.

In urbanen Aquiferen wird auch der Sauerstoffhaushalt zunehmend durch anthropogene Einflüsse beeinflusst – etwa durch erhöhte stoffliche Belastungen, Versiegelung oder thermische Überprägung des Untergrunds. Diese Prozesse beeinflussen die mikrobielle Aktivität, den Stoffumsatz und damit unmittelbar die Lebensbedingungen der Grundwasserfauna. Ebenso muss betrachtet werden, dass die Geologie – insbesondere das Lockergestein der norddeutschen Tiefebene – einen wichtigen Einfluss auf die Sauerstoffverhältnisse im Grundwasser hat und in vielen Regionen – so auch in Berlin - zu ökologisch ungünstigen Sauerstoffverhältnissen führt.

Diese Beobachtungen lassen vermuten, dass Sauerstoffmangel eine ökologische Grenze für das Auftreten von Grundwasserfauna markiert, jenseits derer Temperaturveränderungen kaum noch eine Rolle spielen. Wärmebelastungen könnten somit vor allem indirekt wirken, indem sie die Sauerstofflöslichkeit und mikrobielle Aktivität beeinflussen. Ziel der laufenden Arbeiten ist es, die Wechselwirkungen zwischen Geologie, thermischen und biologischen Prozessen besser zu verstehen und Zonen erhöhter ökologischer Sensitivität im Berliner Untergrund zu identifizieren. Langfristig sollen die Ergebnisse dazu beitragen, Indikatoren und fachlich fundierte und in der behördlichen Praxis anwendbare Beurteilungskriterien für das Management urbaner Grundwassersysteme und den Grundwasserschutz zu entwickeln.

Literatur

Menberg, K., Blum, P., Kurylyk, B. L. and Bayer, P.: Observed groundwater temperature response to recent climate change, Hydrol. Earth Syst. Sci., 18(11), 4453–4466, doi:10.5194/hess-18-4453-2014, 2014.

Tissen, C., Benz, S. A., Menberg, K., Bayer, P. and Blum, P.: Groundwater temperature anomalies in central Europe, Environ. Res. Lett., 14(10), 104012, doi:10.1088/1748-9326/ab4240, 2019.

Die Wasserversorgung in Deutschland beruht maßgeblich auf Grund- und Oberflächenwasser, ist jedoch durch verschiedene Risiken bedroht. Nicht zuletzt der Klimawandel kann und wird die Verfügbarkeit der Ressourcen regionsspezifisch gefährden. Die Wasserversorger stehen vor der Herausforderung, die langfristige Verfügbarkeit dieser Ressourcen sicherzustellen und in ein resilientes Versorgungskonzept einzubinden. Diese Aufgabe wird in naher Zukunft noch weiter an Relevanz gewinnen. Eine sichere Versorgung mit Wasser kann allerdings nur dann gelingen, wenn neben der Verfügbarkeit an Rohwasser, auch die energetischen und versorgungstechnischen Infrastrukturen funktionsfähig sind. Oftmals werden die notwendigen Resilienzanforderungen, welche sich aus der Anpassung an den Klimawandel, der Energieversorgung sowie der Störungspräventation und -minderung ergeben, nicht sektorübergreifend betrachtet.

Vor diesem Hintergrund ist es das zentrale Ziel des Projektes „SpeicherLand“, eine umfassende Zustands- und Prozessbeschreibung der wesentlichen Kreislauf- und Versorgungskomponenten in Hinblick auf Wassermenge, zeitliche und räumliche Verfügbarkeit und Vulnerabilität durchzuführen. Das sicherheitsbildende, zentrale Bewirtschaftungselement, das gespeicherte Wasser, rückt dabei aufgrund seiner mehrfachen Pufferwirkung in den Fokus. Die einzelnen Wasserspeicher werden jedoch nicht isoliert betrachtet, sondern als Teil eines Speicherkonzepts mit den verschiedenen Kompartimenten des Wasserkreislaufs. Dabei werden Gefahren und Potenziale für verschiedene Nutzungsmöglichkeiten und Speicherarten abgeleitet und gegenübergestellt. Beispielsweise stellt die ergänzende thermische Speicherung in technischen Speichern wie z.B. Behältern – in Analogie zu reinen Großwärmespeicheranlagen – ein vielversprechendes Potenzial dar, welches es zu bewerten gilt. Um verschiedene Gefährdungs- und Potenzialszenarien für eine resiliente und effiziente Wasserversorgung quantitativ und zugleich ganzheitlich zu betrachten, wird eine modellhafte Kopplung zwischen den Sektoren „Wasserwirtschaft“, „Energieinfrastruktur“ und „Versorgungsinfrastruktur“ erstellt. Diese Kopplung soll es schließlich ermöglichen, die Einflüsse verschiedener räumlich und zeitlich veränderlicher Randbedingungen auch über den reinen Wassersektor hinaus zu untersuchen.

Im Projekt SpeicherLand werden diese Arbeiten beispielhaft für den Landkreis Mittelsachsen durchgeführt. Zur Stärkung der Resilienz der Wasserversorgung in diesem Landkreis sollen dabei verschiedene, sektorenübergreifende Maßnahmenkataloge sowie Handlungsempfehlungen erstellt werden. Die besondere Herausforderung des Pilotgebiets stellt die Heterogenität in hydrologischer (Flachland und Gebirgsregionen), hydrogeologischer (Festgesteins- und Lockergesteinsgrundwasserleiter) und versorgungstechnischer Sicht (Fernwasserversorgung und lokale Wasserfassungen) dar.