Veranstaltungsprogramm

Landnutzungsänderungen und Klimawandel beeinflussen hydrologische Prozesse und unsere Trinkwasserressourcen. Praktische Instrumente zum Verständnis und zur Quantifizierung dieser Prozesse werden immer wichtiger, beispielsweise für die nachhaltige Bewirtschaftung von Grundwasserspeichern. Analysen der stabilen Wasserisotope Deuterium (δ²H) und Sauerstoff (δ¹⁸O) liefern nützliche Instrumente, mit denen z. B. die Filtermengen an den Ufern bewertet und Vermischungen von Grundwasserleitern oder langfristige klimabedingte Veränderungen identifiziert werden können.

Ein Ziel des IsoGW-Verbundrojekts ist die Erstellung von sogenannten Isoscapes, also räumlich interpolierten Karten der stabilen Wasserisotope im Grundwasser. Es werden die Ergebnisse der Interpolationen der letzten Monate sowie die dazu führenden Arbeitsschritte präsentiert. Auf Basis von rund 11 700 Datenpunkten aus historischen Untersuchungen und zusätzlichen, bundesweiten Probenahmen wurden erstmalig deutschlandweite Karten für mehrere 15-Jahres-Zeiträume seit 1965 erstellt.

Die Datenrecherche und -digitalisierung, neu durchgeführten Analysen, die Vereinheitlichung der Daten sowie die Interpolationverfahren, werden präsentiert. Es ergibt sich die Notwendigkeit standardisierter Probenahmeverfahren und Analysemethoden für Grundwasser. Des Weiteren werden auch die konsequente Nutzung internationaler Standards und die sorgfältige Archivierung der Ergebnisse einschließlich ihrer Metadaten betont. Nur so können bereits gewonnene Ergebnisse auch für zukünftige Fragestellungen herangezogen werden.

Die interpolierten Karten werfen Fragen zur räumlichen Datenverteilung sowie zum Umgang mit Unsicherheiten und fehlenden Informationen auf. Trotz der stark heterogen zusammengesetzter Ausgangsdaten (Dichte, Qualität) zeigen die interpolierten Karten interessante Muster deutlich, die neue Einblicke in regionale Prozesse verschaffen und Regionen mit höherem Untersuchungsbedarf hervorheben. Zum Beispiel ist ein Südost-Nordwest Trend mit zunehmenden δ¹⁸O-Werten erkennbar (min.-14.6 bis max. -5.5‰), welcher Beobachtungen im Niederschlag widerspiegelt. Auf diesen Grundlagen werden spannende Entwicklungsrichtungen und Anwendungsideen für Grundwassermanagement diskutiert.

In Abwesenheit von gelöstem Sauerstoff kann Nitrat im Grundwasser mikrobiell zu N₂ reduziert werden. Sind jedoch organisch gebundener Kohlenstoff oder reduzierte Schwefelverbindungen für Mikroorganismen im Aquifer nicht verfügbar, bleibt bereits die Reduktion von gelöstem Sauerstoff in den Aquiferen unzureichend, um Nitrat mikrobiell zu reduzieren. Infolgedessen können in landwirtschaftlich intensiv genutzten Einzugsgebieten häufig Nitratkonzentrationen gemessen werden, die den Trinkwassergrenzwert von 50 mg/L überschreiten. Angesichts des prognostizierten Rückgangs der globalen und regionalen Wasserverfügbarkeit besteht daher ein dringender Bedarf an praktikablen und kosteneffizienten Verfahren, Nitrat aus dem Grundwasser zu entfernen und in molekularen Stickstoff umzusetzen, um diese Wasserressource auch zukünftig als Trinkwasser nutzen zu können.

Im Rahmen des vom BMBF finanzierten Projektes NitratLURCH entwickeln wir daher ein neues und kosteneffizientes in-situ-Sanierungsverfahren, welches im Vergleich zu bestehenden Verfahren bei hohen Volumenströmen auch den chemischen Zustand des Ökosystems Grundwasser selbst verbessern kann. Durch die Zugabe von Wasserstoff/Methan wollen wir dabei chemoautotrophe Mikroorganismen im Grundwasserleiter stimulieren, die die Nitratkonzentrationen signifikant reduzieren und das Nitrat vollständig zu N₂ umsetzen.

In unserem Vortrag zeigen wir Ergebnisse des gewählten mehrskaligen Ansatzes, der sich von Säulenversuchen im Labor über ein 2D-Fließrinnenexperiment und einem Pilotversuch in einem porösen Grundwasserleiter erstreckt.

Mit Hilfe von Isotopenmessungen des gelösten Methans (δ¹³C) und des Nitrats (δ¹⁵N) und den Ergebnissen aus wasserchemischen und mikrobiologischen Untersuchungen belegen wir dabei das Potential des neuen in-situ Verfahrens zur Sanierung nitratbelasteter Grundwasserleiter.

Die nachhaltige Bewirtschaftung von Grundwasservorkommen steht angesichts des fortschreitenden Klimawandels und damit verbunden, steigender Entnahmen und veränderter Grundwasserneubildung vor erheblichen Herausforderungen. Besonders in Deutschland sind vielerorts sinkende Grundwasserpegel zu beobachten, wodurch die Notwendigkeit robuster Vorhersagemethoden zur Einschätzung der langfristig verfügbaren Wassermengen als auch der Bewertung der Vulnerabilität und Resilienz von Grundwasserleitern deutlich wird.

Mit Hilfe der Spektralanalyse von Grundwasseranglinien können hydrogeologische Parameter wie Transmissivität, Speicherkoeffizient und die characteristische Reaktionszeit aus Zeitreihen im Frequenzbereich ermittelt werden. Die charakteristische Reaktionszeit dient als ein Maß für die Resilienz eines Grundwasserleiters gegenüber Dürren, wodurch eine Klassifizierung von Grundwassermessstellen bzw. deren Aquiferen ermöglicht wird. Die ermittelte Transmissivität und der Speicherkoeffizient können wiederum für instationäre Grundwassermodellierung verwendet werden.

Damit erlaubt der vorgestellte methodische Workflow einerseits eine rasche Einschätzung der hydrogeologischen Eigenschaften und andererseits die Nutzung dieser Parameter in Modellen zur Prognose des Grundwasserstands unter veränderten Klimabedingungen.

Das Klimakollaboratorium wendet einen transdisziplinären und partizipativen Rahmen an, um das Zusammenspiel von Klimawandel, Grundwasserwirtschaft und sozio-ökonomischen Faktoren zu betrachten. Im Fokus steht die sorbische Gemeinde Rietschen (Landkreis Görlitz). Das Projekt bringt Grundwasserforschung, empirische Sozialforschung und lokale Akteur*innen zusammen, um Strategien für nachhaltiges Grundwassermanagement und Klimaanpassung kooperativ zu entwickeln. Durch wissenschaftliche Modellierung, partizipative Forschung und kreative Formate, erfolgt technische Analyse auf Basis gemeinschaftlicher Entscheidungsfindung.

In der aktuellen Projektphase ist auf Basis verfügbarer Daten und Informationen sowie Workshops mit Vertreter*innen aus den Bereichen Fischerei, Bergbau und Umweltverwaltung ein konzeptionelles Standortmodell entstanden, welches hydro(geo)logische Prozesse, und sozio-ökologische Wechselwirkungen berücksichtigt. Aufbauend darauf wird ein numerisches Modell entwickelt, das als zentrale Plattform zur Integration umweltbezogener, klimatischer und sozialer Informationen dient und die Erkundung künftiger Entwicklungen unter verschiedenen Szenarien ermöglicht. Regionale Projektionen stammen aus dem Mitteldeutschen Kernensemble (MDK), das vom LfULG, LAU, TLUBN und dem Institut für Hydrologie und Meteorologie der TU Dresden entwickelt wurde. Schätzungen der Grundwasserneubildung erfolgen über mehrere Methoden, um robuste, regional angepasste Projektionen zu erhalten.

Parallel entwickelt die Sozialforschung gemeinsam mit der Gemeinde sozio-ökonomische Szenarien, die mögliche Veränderungen in Landnutzung, Lebensgrundlagen und Governance entlang verschiedener Anpassungspfade abbilden. Beide Szenarienstränge werden in das numerische Grundwassermodell integriert, um potenzielle Systemänderungen zu simulieren und Verwundbarkeiten, Synergien und Zielkonflikte zwischen ökologischen und sozialen Dimensionen zu identifizieren. Leitfadengestützte Interviews mit Expert*innen aus Politik, Wirtschaft und Zivilgesellschaft zeigen, dass individuelle und kollektive Zukunftsvisionen mit der regionalen Bergbauvergangenheit und –gegenwart in Verbindung stehen. Gleichzeitig mobilisieren Akteurinnen und Akteure in von Wasserknappheit betroffenen Kommunen Gerechtigkeitsnarrative, um bestimmte Zukünfte zu legitimieren und Pfade einer gerechten Transformation zu antizipieren.

Zur Förderung von Beteiligungsprozessen entwickelt das Projekt partizipative Szenarioprozesse (z. B. narrativ geleitete Dialoge sowie innovative theatrale und performative Methoden). Diese Ansätze vertiefen lokal Teilhabe und Dialog, erhöhen das lokale Verständnis für hydrologische Prozesse, fördern kollektive Reflexion über Anpassungsstrategien und unterstützen Governance-Wege hin zu einer gerechten Wassergovernance. Ziel ist ein dynamischer, gemeinschaftlich entwickelter Modellierungsrahmen, der wissenschaftliche Evidenz und Reflexion mit lokalem Wissen und Kreativität verbindet. Obgleich der lokale Schwerpunkt auf Rietschen liegt, sollen die Ergebnisse übertragbare Einsichten für gemeinschaftsbasierte Grundwasseranpassung liefern. Vergleichsstudien in Kanada, dem Vereinigten Königreich und den USA werden durchgeführt, um die kontextübergreifende Anwendbarkeit des Ansatzes zu prüfen.

Mit dem ständig zunehmenden Bedarf an Grundwasser (GW), insbesondere in dicht besiedelten Regionen und in der Landwirtschaft, stehen der natürlichen Begrenzung des GW-Dargebots eine Vielzahl anthropogener Eingriffe gegenüber. Eine wichtige Aufgabe der Wasserwirtschaft ist daher, zielgerichtet Vorausplanungen durchzuführen, Nutzungskonflikte und nachteilige Beeinflussungen, wie eine Überbeanspruchung des GW-Dargebotes mit nachweislich fallenden GW-Ständen, zu vermeiden und ein verfügbares GW-Dargebot für die Zukunft in guter Quantität zu sichern. Erst durch die Erfassung vorhandener GW-Vorräte kann eine optimale Nutzung erfolgen und dadurch einer Überbelastung des GW-Systems vorgebeugt werden. Als Grundsatz für eine nachhaltige Nutzung des GW-Vorkommens gilt, dem System langfristig nicht mehr Wasser zu entziehen als auf natürlichem Wege neu gebildet wird, wobei ein ökologischer Mindestabfluss in den Oberflächengewässern erhalten bleiben muss.
Die Bearbeitung der landesweiten GW-Bilanzierung Brandenburgs wurde 2021 begonnen. Eine erste Recherche ergab einen aktueller Gesamtüberblick zum vorhandenen nutzbaren Dargebot des Grundwassers. Hierfür wurden hauptsächlich vorliegende Datenerhebungen aus den Grundwasservorratsprognosen von 1988-1991 für Brandenburg recherchiert und in einer Datenbank hinterlegt.
Darauf aufbauend wurde eine Bilanzierung für die ausgewiesenen unterirdischen hydraulischen Einzugsgebiete angebunden an die Oberflächengewässer (OW) orientiert an den bis dahin ausgewiesenen Grundwasserkörper nach EU-Wasserrahmenrichtlinie unter Berücksichtigung von Daten zur GW-Neubildung und zu GW-Entnahmen durchgeführt.
Aus der Landesmorphologie und den mittleren Hydroisohypsenplänen des LfU (Stand 2022) wurden 75 Bilanzgebiete festgelegt und die unterirdischen Einzugsgebiete zugeordnet.
Im Ergebnis dessen konnte eine GW-Ressourcenkarte für Brandenburg und grenzüberschreitende Bilanzgebiete erstellt sowie ein Web-GIS-Werkzeug erarbeitet werden, das den Wasserbehörden als Entscheidungswerkzeug für die Vergabe von Wasserrechten zur Verfügung steht.
Für die Ermittlung des noch nutzbaren Grundwasserdargebotes erfolgte eine Zusammenstellung aus den Zuarbeiten von Wasserrechten und bekannten Nutzungen (Stand 2024) des Landes Brandenburg herangezogen. Bei der Grundwasserneubildung wurden Datennach BAGLUVA genutzt. Für alle Bilanzgebiete wurde entsprechend der Methodik das Gesamtwasserdargebot unter Berücksichtigung des ökologischen Mindestabflusses ermittelt. Die Erstellung der Grundwasserbilanz erfolgte unter Berücksichtigung der übrigen Bilanzglieder, wie Überleitungen, Einleitungen, Uferfiltratanteile, Bereiche ohne nutzbare GWL etc.
Die Bilanzierung des Grundwasserdargebotes wurde durchgeführt für:
1.) Mittlere Verhältnisse unter Berücksichtigung der 30-jährigen Datenreihe von 1991 – 2020
2.) Trockenwettersituation für die Abflussjahre 1990 – 2020
3.) Klimaszenario des LfU auf Grundlage IPCC-Szenario RCP 8.5 für den Zeitraum 2031 – 2060
Tabelle 1: Grundwasserdargebot im Land Brandenburg
Bilanzierungsansatz Natürliches Grundwasserdargebot* [m³/d] Nutzbares Grundwasserdargebot** [m³/d]
Mittlere Verhältnisse 10.142.958 7.417.227
Trockenwetter 7.135.777 4.604.701
Klimaszenario 2031-2060 6.217.764 3.779.097

* beinhaltet GW-Neubildung, Zu- und Abflüsse
** beinhaltet alle weiteren Bilanzglieder, wie Entnahmen, Überleitungen, ökol. Mindestabfluss etc.

Veranlassung / Fragestellung

In einigen Regionen Deutschlands wird bereits über längere Zeiträume eine deutlich verminderte Grundwasserneubildung festgestellt. Die Auswirkungen des voranschreitenden Klimawandels werden für die Wasserwirtschaft in den betroffenen Gebieten zunehmend konkreter. Für das rd. 1.000 km² große Gebiet der Vorderpfalz, zeigen die Auswertungen des Landesamtes für Umwelt, Rheinland-Pfalz in der Zeitreihe 2003–2023 eine um rd. 40 % verminderte Grundwasserneubildung gegenüber der Zeitreihe 1971–2000. Damit verbunden ist ein entsprechend geringeres Dargebot, so dass es zu einer Übernutzung der vorhandenen Grundwasser-Ressourcen bzw. zu einer allmählichen Speicherentleerung mit der Folge sinkender Grundwasserstände in den betroffenen Aquiferen kommt.

Die klimatische Veränderung stellt die örtlichen Wasserversorger daher vor besondere Herausforderungen und führt in Zeiten eines hohen Verbrauchs bei einigen Versorgern zu kritischen Zuständen. Zeitweise kann der Bedarf nur durch einen 24-Std-Betrieb aller verfügbaren Brunnen mit der maximal möglichen Entnahmerate gewährleistet werden. Redundanzen oder Reserven für einen zusätzlichen Bedarf sind in Spitzenverbrauchszeiten nichtmehr vorhanden. Teilweise müssen Brunnen hydraulisch stärker belastet werden, als dies für eine nachhaltige Bewirtschaftung technisch sinnvoll ist. Die Vernetzung der einzelnen Versorger untereinander ist nur rudimentär vorhanden und kann lediglich als mengenmäßig deutlich begrenzter „Notverbund“ für den Fall von Havarien oder dem Ausfall einzelner technischer Anlagen der Gewinnung genutzt werden. Durch die Nutzung der gleichen Grundwasserressourcen (GW-Förderung aus gleichen Tiefenbereichen) benachbarter Versorger ist zudem davon auszugehen, dass im Fall eines verminderten Dargebots, in Spitzenverbrauchszeiten, eine gegenseitige Unterstützung nur bedingt möglich ist.

Lösungsansätze

Eine Stärkung der Resilienz der öffentlichen Wasserversorgung im Untersuchungsgebiet soll vor dem Hintergrund des Klimawandels durch einen deutlichen Ausbau der gegenseitigen Vernetzung und durch die gemeinsame Nutzung einer zusätzlichen Ressource, die von der regionalen Grundwasserneubildung weitgehend unabhängig ist, erreicht werden. Geplant ist der Bau eines Uferfiltrat-Wasserwerkes am Rhein, das von den beteiligten Wasserversorgern zukünftig in Form eines Zweckverbandes gemeinsam gebaut und betrieben werden soll. Zusammen mit einem deutlichen Ausbau der Vernetzung der Wasserversorgung, soll die Gewinnung von Uferfiltrat künftig etwa 8 bis 10 Mio. m³/a als Grundlast zur Verfügung stellen, so dass die lokalen Grundwasserressourcen der beteiligten Versorger entlastet und in Zeiten von Spitzenbedarf verstärkt genutzt werden können.

Im ersten Schritt haben sich 11 Wasserversorger zusammengeschlossen und eine Machbarkeitsstudie beauftragt, die aufgrund der hohen überregionalen Bedeutung durch das Land Rheinland-Pfalz stark gefördert wird. Ziel der Studie ist es die technische und wirtschaftliche Machbarkeit der geplanten Maßnahmen zu analysieren. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Standortsuche für eine Uferfiltratgewinnung sowie den Auswirkungen auf Natur und Umwelt durch den Bau und zukünftigen Betrieb. Die Auswirkungen auf den Wasserhaushalt und insbesondere auf die Veränderung der Grundwasserpotenziale werden dazu mit einem numerischen Grundwassermodell untersucht. Weitere Schwerpunkte der Studie sind hydrochemische Aspekte, die Grundwassertemperatur sowie die Mischbarkeit der Wässer.