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Die Entwicklung des Grundwasserdargebots wird wesentlich geprägt von der Grundwasserneubildung und deren Entwicklung. So auch im niederschlagsarmen Bundesland Brandenburg. Hier trifft eine steigende Nachfrage bspw. durch öffentliche Wasserversorgung und Landwirtschaft auf einen teils ohnehin angespannten Grundwasserhaushalt. So gibt es deutliche Belege dafür, dass die Grundwasserneubildung seit 1980 abnimmt: Zum einen ist der Abfluss von Flüssen in vielen Einzugsgebieten erheblich zurückgegangen; zum anderen zeigen die Grundwasserstände in den Neubildungssgebieten einen langfristigen Rückgang. Nun wurde in Brandenburg kürzlich ein landesweites Netzwerk eingerichtet um die Dynamik des Bodenwassergehalts auf Landschaftsskala zu erfassen (Altdorff et al., 2025). Ziel dabei ist es auch die Grundwasserneubildung auf dieser Monitoring-Basis besser abschätzen zu können, die dort als Sickerwasserfluss beginnt, dann aber noch in der tieferen ungesättigten Zone gedämpft und zeitlich verzögert werden kann. Zum anderen kann die Grundwasserneubildung aber auch über eine Simulation des Bodenwasserspeichers berechnet werden, sei es als Bilanzmodellierung oder Modellierung der Sickerströmung, angetrieben durch Niederschlag und Evapotranspiration. Es bietet sich an, beides zukünftig zusammenzuführen.

Zunächst stellen wir das neuartiges Bodenfeuchte- und Dürremonitoring-Netzwerk basierend auf der nicht-invasiven Methode der Messung von kosmogenen Neutronen (CRNS) vor. Die Daten sind offen zugänglich, um direkt Anwendungen zu ermöglichen und der Öffentlichkeit einsehbar zu machen. Das Netzwerkdesign beinhaltet eine Auswahl von 12 Standorten, die sowohl einen Querschnitt in Bezug zu Landnutzung und räumliche Erstreckung darstellen, als auch die praktische Realisierung ermöglichen.

Daneben wurden möglichen Gründe für einen Rückgang der Grundwasserneubildung untersucht, indem fünf Einzugsgebiete in Brandenburg, die als weitgehend unbeeinflusst von direkter anthropogener Störung des Wasserhaushalts betrachtet werden können, mit SWAP (Soil-Water-Atmosphere-Plant) modelliert wurden (Francke et al., 2025). Durch Simulation langfristiger Trends ergab sich, dass signifikante Erhöhungen der Lufttemperatur, der Sonneneinstrahlung und des Blattflächenindex seit 1980 zu einer Abnahme der Grundwasserneubildung in der Größenordnung von 4 bis 21 mm a⁻¹ pro Jahrzehnt von 1980 bis 2023 beigetragen haben. Die Niederschlagstrends können auf Einzugsgebietsebene jedoch sehr inkohärent sein. Angesichts der Unsicherheit im Niederschlagstrend scheint es in 4 von 5 Einzugsgebiete immer noch eine Lücke zwischen negativen simulierten Grundwasserneubildungs-Trends und noch negativeren beobachteten Abfluss-Trends aufzuweisen. Das zukünftige Wasserressourcenmanagement im Land Brandenburg sollte die Möglichkeit einer weiteren Abnahme der Grundwasserneubildung berücksichtigen.

Referenzen

Altdorff, D., Heistermann, M., Francke, T., Schrön, M., Attinger, S., Bauriegel, A., Beyrich, F., Biró, P., Dietrich, P., Eichstädt, R., Grosse, P. M., Markert, A., Terschlüsen, J., Walz, A., Zacharias, S., and Oswald, S. E., 2024: Brief Communication: A new drought monitoring network in the state of Brandenburg (Germany) using cosmic-ray neutron sensing, EGUsphere [preprint], https://doi.org/10.5194/egusphere-2024-3848.

Francke, T. and Heistermann, M., 2025: Groundwater recharge in Brandenburg is declining – but why?, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 25, 2783–2802, https://doi.org/10.5194/nhess-25-2783-2025.

Boden-Vegetation-Atmosphäre-Transfer-Modelle (SVAT-Modelle) sind unverzichtbare Werkzeuge zur Simulation und Darstellung der dynamischen Wechselwirkungen der Wasserhaushaltskomponenten. Trotz ihrer Nützlichkeit wird die Zuverlässigkeit von SVAT-Modellen häufig durch Unsicherheiten beeinträchtigt, die sich aus unvollständigen oder ungenauen Eingabedaten ergeben. Diese Einschränkungen führen oft zu Modellannahmen, die zu einer Über- oder Unterschätzung kritischer Komponenten des Wasserhaushalts, wie z. B. der Grundwasserneubildung, führen können. Um die Parametrisierung und damit die Genauigkeit von SVAT-Modellen zu verbessern, werden beobachtete Bodenfeuchtedaten zur Kalibrierung genutzt. Es bestehen jedoch weiterhin Unsicherheiten hinsichtlich der Auswahl repräsentativer Bodenfeuchteprofile für die Kalibrierung und des Umfangs der Messungen, die für eine robuste Charakterisierung einer Fläche erforderlich sind.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, untersucht die vorliegende Studie die räumliche Variabilität der Bodenfeuchte auf zwei Waldflächen mit unterschiedlichen Boden- und Vegetationsbedingungen durch den Einsatz eines umfangreichen Netzwerks von jeweils 11 Bodenprofilen mit je 4 installierten Bodenfeuchtesonden. Der Einfluss der Bodenfeuchtevariabilität auf die Anpassung der Modelleingangsparameter während des Kalibrierungsprozesses und dessen anschließende Auswirkungen auf die Berechnung der Grundwasserneubildung wurde im Rahmen der vorgestellten Studie bewertet.

Die Ergebnisse zeigen zunächst, dass die Bodenfeuchtevariabilität am Standort, der durch einen heterogenen Boden gekennzeichnet ist, während des gesamten Untersuchungszeitraums sowohl horizontal als auch in der Tiefe größer war als am Standort mit homogener Bodenmatrix. Diese Variabilitätsmuster spiegeln sich auch in den unterschiedlichen Parametersätzen des Modelles wider, die aus der Kalibrierung mittels der Bodenfeuchtedaten gewonnen wurden. Die signifikanteste Variabilität wurde hierbei bei den Infiltrations- und hydraulischen Bodenparametern beobachtet, wobei diese am Standort mit heterogener Bodenstruktur ausgeprägter war.

Die Ermittlung der Grundwasserneubildungsraten für jedes der 11 Bodenprofile an beiden Standorten erfolgte unter Verwendung der 30 Parametersätze mit der besten Übereinstimmung zwischen beobachteter und gemessener Bodenfeuchte. Dabei zeigten beide Standorte jedoch vergleichbare zeitliche Muster der Grundwasserneubildung und insbesondere ähnliche Schwankungen im Gesamtvolumen der Grundwasserneubildung. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Model inhärente Unsicherheiten, einschließlich Parameterinteraktionen, Äquifinalität und Dimensionsvereinfachungen, einen stärkeren Einfluss auf die Modellergebnisse haben als Unsicherheiten, die sich aus der Variabilität der Bodenfeuchte aufgrund der räumlichen Heterogenität der Bodenbeschaffenheit und der hydraulischen Eigenschaften ergeben. Unter Berücksichtigung beider Unsicherheitsquellen zeigte die Anwendung von Bootstrapping-Techniken, dass die Grundwasserneubildung anhand von Daten aus 6 bis 7 Bodenprofilen pro Standort repräsentativ abgeschätzt werden konnte.

Das urbane Grundwasser ist eine wichtige Ressource für die Wasserversorgung, die Energieerzeugung, den Hochwasserschutz und das integrierte Management von Oberflächen- und Grundwasser. Durch konkurrierende Nutzungsinteressen ist diese Ressource jedoch sowohl in ihrer Qualität als auch in ihrer Menge erheblich gefährdet. Der Wasserfluss in städtischen Gebieten wird nicht nur durch die Infrastruktur beeinflusst, sondern zugleich durch anthropogene Belastungen wie Verschmutzungen erheblich beeinträchtigt. Die Forschung zum urbanen Grundwasser hat in den letzten Jahrzehnten große Fortschritte gemacht. Dennoch stehen wir aufgrund der Komplexität des Wasserflusses und des Schadstofftransports in städtischen Grundwasserleitern weiterhin vor großen Herausforderungen.

Ein wichtiger Schritt zum Verständnis der komplexen Grundwasserflüsse in urbanen Gebieten ist die Quantifizierung der Grundwasserneubildung. Dies stellt zwar eine Herausforderung dar, ist für die Erstellung von Wasserbilanzen über längere Zeiträume jedoch unabdingbar.

Auf den ersten Blick erscheint es überraschend, doch zahlreiche Untersuchungen belegen, dass die Grundwasserneubildung mit zunehmender Urbanisierung zunimmt. In unserer Arbeit zeigen wir, dass dieser Effekt vor allem auf zwei Faktoren zurückzuführen ist: die deutliche Reduktion der Verdunstung infolge des Verlusts von Grünflächen sowie zusätzliche Wasserzuflüsse durch Leitungsverluste in der Trinkwasserversorgung und im Abwassersystem.

Deutschland hat kürzlich aufeinanderfolgende extreme Dürrejahre erlebt, gefolgt von niederschlagsreicheren Perioden, die im Winter 2023/2024 sogar teils zu langanhaltenden Überschwemmungen führten. Während die Dynamik der Grundwasserstände in Bezug auf Dürren bereits untersucht wurden, ist bislang wenig darüber bekannt, wie sich Grundwassersysteme erholen, sobald die meteorologischen Bedingungen wieder feuchter werden bzw. sich normalisieren. Aufgrund der nichtlinearen Reaktionen des Grundwassers sind Unterschiede in den Steuerungsfaktoren zwischen Dürreentwicklung und -erholung zu erwarten, die zu unterschiedlichen Dynamiken und Zeitversätzen während Trocken- und Feuchtphasen führen können. Ein umfassendes Verständnis dieser Grundwassererholung ist entscheidend, um die langfristige Wasserverfügbarkeit zu bewerten, gefährdete Regionen zu identifizieren und Management- sowie Anpassungsstrategien im Klimawandel zu unterstützen.

Die laufende Studie erweitert den großräumigen Analyseansatz unserer vorherigen Arbeit (Ebeling et al., 2025), um die Erholung des Grundwassers nach Dürreereignissen in ganz Deutschland zu untersuchen. Hierzu werden über 5000 Grundwasser-Messstellen ausgewertet, einschließlich neu verfügbarer Daten. Die Analyse konzentriert sich darauf, wie und wann sich die Grundwasserstände nach längeren Trockenperioden wieder normalisieren und wie sich die Merkmale zwischen klimatischen und hydrogeologischen Regionen unterscheiden. Im Mittelpunkt stehen drei zentrale Forschungsfragen:
(1) Wie lange benötigt das Grundwasser, um sich nach einer extremen, mehrjährigen Dürre zu erholen, und haben sich die Systeme seit 2018 vollständig erholt?
(2) Wie viel Niederschlag ist erforderlich, um sich von starken, mittleren und leichten Dürren zu erholen?
(3) Welche Steuerungsfaktoren erklären die beobachteten Unterschiede?

Ergänzend zur Anomalie-basierten Betrachtungsweise verfolgen wir hier einen Wasserbilanz-basierten Ansatz, der klimatische und grundwasserbezogene Anomalien (Dürreindizes) auch mit Niederschlagsmengen verknüpft. Dadurch soll der Zusammenhang zwischen der Erholungsdynamik, dem Ausmaß vorangegangener Defizite und den klimatischen Bedingungen, die eine Erholung auslösen, hergestellt werden. Der explizite Fokus auf die Erholungsphase berücksichtigt, dass Speicherdefizite, Wiederauffüllungsmechanismen und Dynamiken in der ungesättigten Zone ein asymmetrisches Verhalten bedingen können.

Wir erwarten deutliche räumliche Unterschiede in den Reaktionen der Grundwassersysteme in Abhängigkeit von Aquifertyp, Tiefe und klimatischer Region. Ähnlich wie bei der Grundwasserstandsdynamik (der Signaldämpfung) dürfte die Mächtigkeit der ungesättigten Zone ein wesentlicher Steuerungsfaktor sein: Flachgründige Systeme erholen sich vermutlich schneller, während tiefere Systeme Dürresignale über mehrere Jahre beibehalten können – selbst bei überdurchschnittlichen Niederschlägen. Diese Hypothesen werden in der Studie daten-getrieben überprüft und quantitativ bewertet.

Ebeling, P., Musolff, A., Kumar, R., Hartmann, A. & Fleckenstein, J. H. (2025) Groundwater head responses to droughts across Germany. Hydrol. Earth Syst. Sci., 29(13), 2925-2950

Riverbank filtration (RBF) is a widely applied technique of managed aquifer recharge (MAR). It utilizes the river-groundwater interface and can enhance groundwater quantity and quality. However, a profound understanding of hydraulic interactions and biogeochemical processes is required for a successful and sustainable implementation of this method. Such an approach includes local and regional monitoring strategies to understand recharge efficiency and water quality benefits, which may vary due to, e.g., river flow fluctuations, possible upstream input of pollutants, and aquifer heterogeneity.

In this study, we investigated river water-groundwater mixing and groundwater residence times, aiming to improve knowledge on aquifer recharge dynamics at the RBF site Kępa Bogumiłowicka, an important regional drinking water provider near Tarnów, Poland. We coupled environmental tracers (stable water isotopes, chloride concentration, water temperature and specific electrical conductance) with high-resolution hydrological, meteorological and groundwater abstraction records. Results show that RBF is the predominant recharge mechanism of the local aquifer, where bank filtrate contributes more than 90% to the yield of the seven production wells near the riverbank.

With our case study as an example, we propose a practical and transferable methodology for efficient RBF monitoring and management. The suggested workflow implements monitoring of multiple tracers and the application of ensemble end-member mixing analysis (EEMMA) covering at least one hydrological year. Such a framework allows robust and cost-effective recharge-source assessment. It determines the quantitative status of abstracted groundwater and facilitates proactive responses to upstream pollution events and/or rapid hydrological shifts, which is crucial for resilient and sustainable water resource management.