Die Stadt Leipzig liegt nicht an einem großen Fluss, sondern ist von kleineren Flüssen und Bächen durchzogen. Die Gewässer prägen das Stadtbild, welches ganz markant durch den wertvollen Leipziger Auenwald bereichert wird, welcher jedoch durch die bestehende Abkopplung vom Fließgewässersystem und niedrigen Grundwasserständen stark bedroht ist. Der Erhalt und die Entwicklung des Auensystems bilden den Inhalt vieler interkommunaler Projekte.
Die Stadt erfreut sich eines großen Zuzuges, welcher jedoch auch für das Thema Wasser eine Herausforderung darstellt. So ist die Kapazität der Entwässerungssysteme begrenzt. Niederschlagswasser sollte nur noch in Ausnahmefällen seinen Weg ins Kanalnetz finden. Die wassersensible Stadtentwicklung ist in aller Munde und der Übergang von theoretischen Kenntnissen in konkrete, praktische Vorhaben stellt sich schwierig und langwierig dar.
Leipzigs Umweltbedingungen wurden jahrhundertelang durch Braunkohletagebau und veredelnde Industrie bestimmt. Mit den Folgen dieser industriellen Nutzung ergeben sich unzählige Aufgaben und Chancen für alle Akteure, die sich nur über Generationen lösen und realisieren lassen. Nur in enger Zusammenarbeit von Kommunen, Unternehmen, Behörden und der engagierten Bürgerschaft ist es möglich, alltägliche und visionäre Ideen umzusetzen. Dabei spielt der Umgang mit den Erscheinungen des Klimawandels, wie z. B. Starkregen, Dürre und Hitze eine zunehmende Rolle. Das Wasserdargebot in den Flüssen und Seen ist schon immer limitiert und wird sich nun im Rahmen des Ausstieges aus der Braunkohleförderung über einen bestimmten Zeitraum nochmals verringern.
Die Seen und Fließgewässer sind jedoch von hoher Bedeutung für die Lebensqualität in Stadt und Region. Naherholung und Tourismus stellen wichtige Wirtschaftsfaktoren im Strukturwandel dar. Die Gewässer sind ein hohes Gut für die physische und psychische Gesundheit. Es gilt, die Nutzungen auf und am Wasser und in den Auen zu lenken und Natur- und Artenschutz und das Bewegen in der freien Natur im Einklang zu erhalten bzw. zu bringen.
Im Vortrag wird das Spannungsfeld Wasser/Gewässer allgemein vorgestellt und ausgewählte Schwerpunkte umfassender beschrieben.

Machine-Learning-Modelle bieten ein großes Potenzial für die Vorhersage von Grundwasserständen und ermöglichen die effiziente Modellierung einer Vielzahl von Messstationen. Ein entscheidender Faktor für die Modellgüte ist jedoch die Qualität der Eingangsdaten. Bei der Erfassung und Haltung von Messdaten können fehlerhafte oder unplausible Werte entstehen, welche die natürliche Grundwasserdynamik nur unzureichend repräsentieren. Unbereinigte Rohdaten enthalten oft Ausreißer, Plateaus und Datenlücken, verursacht durch Messfehler, Loggerartefakte oder Sensorausfälle. Unregelmäßige Messintervalle und Fehlwerte erschweren es den Algorithmen, die Zusammenhänge zwischen Klimadaten und Grundwasserstand zu erlernen. Während der Einfluss der Modellstruktur häufig im Fokus steht, wird der Preprocessing-Schritt von Rohdaten zu „Machine Learning Ready“-Datensätzen in der Literatur meist nur am Rande behandelt. Die Datenaufbereitung erfolgt dabei oft visuell und manuell, was sie zu einem zeitintensiven, subjektiven und schwer reproduzierbaren Prozess macht.

Mit hygtise, einem neu entwickelten Python-Paket für hydrogeological time series, wird dieser Schritt erstmals vollständig automatisiert und reproduzierbar umgesetzt. Das Tool erlaubt die schnelle, regelbasierte Vorverarbeitung umfangreicher Grundwasserzeitreihendatensätze. Für definierte Intervalle (täglich, wöchentlich, monatlich) identifiziert und entfernt es Plateaus, unplausible Ausreißer und Bruchpunkte mit sprunghafter Niveauänderung. Optional erfolgt eine stufenweise Qualitätsfilterung der Zeitreihen nach definierbaren Grenzwerten, um den Untersuchungsbereich mit möglichst vollständigen Zeitreihen zu repräsentieren. Abschließend werden fehlende Werte imputiert, sodass ein konsistenter, bereinigter Datensatz für die anschließende Modellierung entsteht. Die Methode wurde bereits erfolgreich an einem deutschlandweiten Langzeitdatensatz mit knapp 15.000 Messstellen angewendet.

Hygtise reduziert den manuellen Aufwand erheblich und schafft eine transparente Grundlage für datengetriebene Ansätze in der Grundwasseranalyse. Damit bildet es eine skalierbare und reproduzierbare Schnittstelle zwischen Rohdaten und Machine-Learning-Modellen in der Hydrogeologie.

Die Reaktionsdynamik von Grundwasserständen unterscheidet sich deutlich in Abhängigkeit von Standort- und Systemeigenschaften: Während flachgründige Systeme häufig kurzfristig auf meteorologische Antriebe reagieren, zeigen tiefer liegende Aquifere eine gedämpfte Dynamik. Insbesondere Messstellen mit großem Flurabstand und verzögerten Reaktionen auf externe Steuerungsgrößen sind bislang nur schwer zuverlässig modellierbar. Gerade diese Systeme sind jedoch hydrogeologisch besonders relevant, da sie aufgrund ihrer hohen Speicherfähigkeit und Persistenz gegenüber Dürre- und Feuchtephasen maßgeblich zur langfristigen Wasserverfügbarkeit und zur Pufferung klimatischer Extreme beitragen.

Zur Untersuchung des Verbesserungspotenzials datengetriebener Modelle, insbesondere im Hinblick auf unterschiedlich ausgeprägte Dynamiken, wurden Ganglinien von rund 400 Messstellen aus Brandenburg ausgewählt. Die Messstellen verfügen über kontinuierliche Zeitreihen seit 1980, liegen in allen drei Grundwasserleiterkomplexen und repräsentieren somit eine breite Spanne unterschiedlicher Reaktionsmuster. Zur Modellierung wurden rekurrente neuronale Netze (Gated Recurrent Units, GRU) trainiert, welche den Grundwasserstand basierend auf meteorologischen Parametern (Niederschlag und Lufttemperatur) vorhersagen. Untersucht wurden zwei zentrale Aspekte: (1) die Länge der Eingangssequenz und (2) die optionale Integration aggregierter meteorologischer Parameter. Damit sollte überprüft werden, ob erweiterte Rückblickzeiträume oder standortspezifisch geglättete Klimasignale die Abbildung träger Systemreaktionen verbessern können.

Die Ergebnisse zeigen, dass Sequenzlängen von zwei bis drei Jahren insbesondere bei trägen Grundwassersystemen zu einer erhöhten Modellgüte führen, während kürzere Zeithorizonte für dynamischere Systeme ausreichend sind. Die Verwendung standortspezifisch aggregierter meteorologischer Eingangsgrößen verbesserte die Abbildung der jeweiligen Reaktionszeiten und führte zu einer signifikanten Steigerung der Vorhersagegüte in trägen Grundwassersystemen. Obwohl einige Messstellen aufgrund ihrer starken Dämpfung selbst mit optimierten Modellen nur schwer vorhersagbar blieben, zeigen die Ergebnisse insgesamt ein deutliches Potenzial, träges Systemverhalten besser abzubilden und damit die Vorhersagequalität zu erhöhen.

Die Vorhersage von Grundwasserständen mithilfe von Modellen des maschinellen Lernens hat in den letzten Jahrzehnten stark an Bedeutung gewonnen. Solche Modelle ermöglichen es, zukünftige Grundwasserstände allein auf Basis von Input-Output-Beziehungen vorherzusagen, ohne dass zusätzliche physikalische Randbedingungen wie Grundwasserneubildung oder geologische Verhältnisse explizit berücksichtigt werden müssen.

Als Input werden dabei häufig meteorologische Parameter wie Niederschlag, Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit verwendet. Mit diesen Input-Daten lassen sich Grundwasserstände oberflächennaher Messstellen, die typischerweise eine schnelle Reaktion auf meteorologische Einflüsse zeigen und eine ausgeprägte Saisonalität aufweisen, oft bereits zufriedenstellend prognostizieren. Für eine weitere Verbesserung solcher Vorhersagen könnten jedoch zusätzliche Inputs wie Bodenfeuchte oder potenzielle Evapotranspiration herangezogen werden.

Grundwassermessstellen mit weniger ausgeprägter Saisonalität, längeren Reaktionszeiten oder einem ausgeprägten Langzeittrend lassen sich anhand meteorologischer Bedingungen der jüngeren Vergangenheit schwerer vorhersagen. Dies liegt daran, dass sie weniger direkt auf kurzfristige meteorologische Schwankungen reagieren und stärker durch längerfristige Klimaeinflüsse geprägt sind. Die Einbindung von Telekonnektionsmustern oder Blocking-Indizes als Inputs kann hier helfen, Informationen über großskalige Klimaschwankungen zu berücksichtigen und dadurch die Prognosegenauigkeit für trägere Grundwasserstände zu verbessern.

Um das Verbesserungspotenzial bei der Vorhersage von Grundwasserständen durch zusätzliche Inputs zu untersuchen, vergleichen wir die Vorhersagegüte eines eindimensionalen Convolutional Neural Networks (1D-CNN), das ausschließlich die Inputs Niederschlag, mittlere, maximale und minimale Lufttemperatur sowie relative Luftfeuchtigkeit verwendet, mit der Vorhersagegüte desselben Modells, wenn jeweils ein weiterer zusätzlicher Input ergänzt wird.

Als zusätzliche Inputs wurden Bodenfeuchte, potenzielle Evapotranspiration, Blocking-Indizes (BBI, IBBI) sowie Telekonnektionsindizes verwendet. Es wurden die Telekonnektionsindizes AMO & ENSO als auch drei neu entwickelte Indizes getestet, die jeweils auf Niederschlag, Temperatur bzw. deutschlandweite Grundwasserstände im Zeitraum 1991–2012 ausgerichtet wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Einbindung dieser zusätzlichen Parameter an der Mehrzahl der Messstellen zu einer Verbesserung der Vorhersagegüte führte.

Die Quantifizierung der Grundwasserneubildung bleibt eine zentrale Herausforderung in der Hydrogeologie, insbesondere im Zusammenhang mit Klimaschwankungen und Ressourcenmanagement. Lysimeter-Messungen liefern direkte Schätzungen der Neubildung, sind jedoch räumlich spärlich verteilt und aufwendig in der Wartung. Diese Studie untersucht das Potenzial von Modellen des Maschinellen Lernens (ML) als datengesteuerte Ersatzgrößen für die Schätzung der Grundwasserneubildung anhand von Zeitreihen meteorologischer Variablen. Wir trainieren und evaluieren Long Short-Term Memory (LSTM)-Netzwerke anhand hochauflösender Lysimeterdaten aus mehreren Jahrzehnten, um Sickerflussraten auf der Grundlage von Niederschlag, Temperatur und damit verbundenen meteorologischen Merkmalen vorherzusagen. LSTM eignet sich gut, um die verzögerte und nichtlineare Natur von Neubildungsprozessen zu erfassen, bei denen Niederschläge Wochen oder Monate später messbare Sickerflüsse beeinflussen können. Wir bewerten den Einfluss von Hyperparametern wie Fensterlänge und Modellkomplexität auf die Vorhersagekraft des Algorithmus. Zudem vergleichen wir die Ergebnisse des LSTM mit weiteren Ansätzen des maschinellen Lernens. Die Auswahl der meteorologischen Merkmale orientiert sich an etablierten empirischen Beziehungen. Diese Arbeit untersucht, ob datengesteuerte Ansätze etablierte Schätzverfahren für die Grundwasserneubildung übertreffen können. Unsere Ergebnisse zeigen wichtige Einschränkungen auf, insbesondere die Notwendigkeit ausreichend großer Datensätze und die Verschlechterung der Modellleistung bei Datenlücken. Dennoch ist maschinelles Lernen vielversprechend für die Extrapolation der Dynamik der Grundwasserneubildung, wenn es entsprechend trainiert wird. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur wachsenden Debatte über die Integration physikalischer Erkenntnisse mit datengestützten Methoden zur Unterstützung der quantitativen Bewertungen von Grundwasserresourcen.

Für die Vorhersage von Grundwasserständen hat sich der Einsatz von Methoden des maschinellen Lernens (ML) etabliert. Mittlerweile erlauben diese Ansätze Vorhersagen über große räumliche Regionen. So konnten wir in einer Studie zur 12-wöchigen Vorhersage von Grundwasserständen an über 5000 Messstellen in Deutschland mit dem sogenannten N-HiTS-Modell, einer modernen ML-Architektur basierend auf neuronalen Netzwerken, bereits eine für die Größe und hydrogeologische Diversität des Untersuchungsgebiets zufriedenstellende Modellgüte (NSE = 0,5) erzielen. Als Eingangsgrößen dienten historische Grundwasserstände, meteorologische Daten (z. B. Niederschlag, Temperatur), sowie hydrogeologische und räumliche Variablen (z. B. Grundwasserneubildung, Entfernung zum nächsten Fließgewässer). Weiterhin ermöglicht der Einsatz von ML-Ansätzen die Bildung von Szenarien, um beispielsweise langfristige Entwicklungen abzuschätzen. Dabei werden Modelle ohne historische Grundwasserstände trainiert, sodass Vorhersagen auf Basis langfristiger Klimaprojektionen unter verschiedenen Klimaszenarien getroffen werden können.

Um beide Modellierungsansätze zu verbessern, sind jedoch Daten zu anthropogenen Faktoren wie Grundwasserentnahmen in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung notwendig. Diese sind einerseits für Vorhersagen wichtig, da die anthropogenen Signale meist nicht in den Input-Output-Beziehungen solcher Modelle enthalten sind. Andererseits sind sie relevant für die Entwicklung von Nutzungsszenarien, welche in Kombination mit Klimaszenarien für langfristige wasserwirtschaftliche Planungen unerlässlich sind. Solche Daten liegen jedoch häufig nicht vor, was eine zentrale Herausforderung für beide Modellierungsansätze darstellt.

Im Rahmen des KIMoDIs-Projekts konnten wir dank der Zusammenarbeit mit assoziierten Wasserwerken Daten zu Grundwasserentnahmen verwenden und für beide Modellierungsansätze näher untersuchen. In einem ersten Schritt wurde der Grundwasserstand einer Messstelle eines Wasserwerks mit der Gesamtentnahme als zusätzliche Eingangsvariable vorhergesagt. Hier konnten wir zeigen, dass die Berücksichtigung der Gesamtentnahme die Vorhersagegüte des Modells deutlich verbessert (NSE von -0,1 auf 0.87).

Zur Abschätzung zukünftiger Entnahmen im Rahmen der Bildung von Nutzungsszenarien, wurde ein rekurrentes neuronales Netzwerk (Gated Recurrent Unit, GRU) trainiert, um Entnahmemengen aus Klima- und Bevölkerungsdaten zu prognostizieren. Dabei ergaben sich zwei zentrale Erkenntnisse:

1. Das Entnahmesignal ist zu hochfrequent, um direkt vorhergesagt zu werden. Eine Dekomposition, z. B. mittels Saison-Trend-Zerlegung mittels LOESS (STL), kann hier hilfreich sein, um Trend- und Saisonalitätskomponenten getrennt zu modellieren.
2. Extrapolation wird problematisch, wenn Eingangsgrößen außerhalb des Wertebereichs der Trainingsdaten liegen, da neuronale Netzwerke primär innerhalb dieses Bereichs zuverlässig interpolieren. Ein möglicher Lösungsansatz besteht darin, Änderungsraten als Eingangsvariablen zu verwenden.

Unsere Ergebnisse liefern wertvolle Hinweise, wie Grundwasserentnahmedaten effektiver in die Vorhersage von Grundwasserständen integriert und zur Bildung von Nutzungsszenarien genutzt werden können. Daneben weisen die Ergebnisse darauf hin, dass moderne Vorhersagemodelle für Grundwasserstände auch hilfreich sein könnten bei der Detektion und Modellierung von unbekannten antropogenen Faktoren.

Bei der Anwendung von Regionalisierungsverfahren mittels künstlicher Intelligenz in Deutschland liegt neben der mangelnden Modelltransparenz eine große Herausforderung darin, Anforderungen der Vorhersagegüte zu erfüllen. Nach bisherigem Kenntnisstand stehen zusätzlicher Aufwand, Unsicherheiten und mangelnde Interpretierbarkeit derzeit in einem noch nicht klaren Verhältnis zum möglichen, aber noch nicht gesicherten Gewinn an Vorhersagegüte.

Machine-Learning-Methoden bieten erweiterte Möglichkeiten. Sie erlauben die flexible Modellierung nichtlinearer Beziehungen, die Integration zahlreicher Einflussgrößen und die Berücksichtigung komplexer Interaktionen zwischen Prädiktoren. Der Random Forest-Algorithmus stellt dabei einen besonders robusten Ansatz dar: Durch die Kombination vieler Entscheidungsbäume werden Ausreißer und Rauschen in den Daten abgefangen, und die Modellvorhersagen werden stabilisiert. Gleichzeitig können Unsicherheiten abgeschätzt und die relative Bedeutung einzelner Prädiktoren analysiert werden, was die Interpretierbarkeit der Ergebnisse unterstützt

Bei dem von uns verwendeten Datensatz handelt sich um Nitratwerte inkl. hydrochemischer Begleitwerte von etwa 10.000 Messstellen der WRRL-Messnetze der Bundesländer in Deutschland, der sich aus einem insgesamt etwa 13.000 Messstellen umfassenden Datensatz nach Anwendung hydrogeologischer Selektionskriterien (z. B. zur Tiefe des Filterausbaus in Meter unter Grundwasseroberfläche) ergeben hat. Der Datensatz umfasst Messwerte aus dem Zeitraum von 2016 bis 2020 und bildet damit annähernd den aktuell gültigen Bezugszeitraum der AVV GeA (2022) ab, der sich von 2018 bis 2021 erstreckt. Der Datensatz bietet ausreichend Potential, um mit Trainingsdaten die Algorithmen zu verbessern.

Die von uns verwendeten räumlichen Prädiktoren mussten in eine optimale Merkmalskombination, z. B. hydrogeologischen Einheiten, Stickstoffüberschüsse und Landnutzungsdaten gebracht werden. Zusätzlich wurden redoxsensitive hydrochemische Parameterwerte (Sauerstoff, Eisen und Sulfat) verwendet. Ziel war es, eine räumlich hochaufgelöste Regionalisierung der Nitratwerte im Grundwasser des oberen Grundwasserleiters zu erreichen werden.

Die Entwicklung der Regionalisierungsmethode erfolgte in mehreren aufeinander aufbauenden Schritten: Zunächst wurden die Punktdaten aufbereitet und mit den flächenbasierten Prädiktoren verknüpft, um eine konsistente Trainingsgrundlage zu schaffen. Anschließend wurde eine systematische Feature-Selektion durchgeführt, um redundante und irrelevante Variablen zu identifizieren und die Modellkomplexität zu reduzieren.

Auf Basis der so ausgewählten Prädiktoren wurde das Modelltraining mit dem Random-Forest-Algorithmus durchgeführt. Das resultierende Modell wurde abschließend auf Rasterdaten angewendet, um flächenhafte Vorhersagen der NO₃-Konzentrationen im Grundwasser zu generieren. Im Ergebnis steht ein bundesweites Raster der modellierten Nitratwerte im Grundwasser, das eine hohe Punktgenauigkeit der berechneten zu den gemessenen Werten aufweist.

Die Stadt Kassel ist in den letzten Jahren insbesondere während der Sommermonate zunehmenden Schwankungen im Wasserbedarf ausgesetzt, was zu einer verstärkten Nutzung von Grundwasser aus Tiefbrunnen führt. Gleichzeitig beeinträchtigen Starkniederschläge und der damit verbundene Eintrag von Humin- und Trübstoffen die Qualität des Quellwassers und führen regelmäßig zu Überschreitungen der Trübungsgrenze von 1 NTU. Im Rahmen des Projekts Flexilienz wird ein datengetriebenes Vorhersagesystem für Trübungsereignisse in einer Quellsammelfassung entwickelt, in der Wasser aus mehreren Quellsträngen zusammengeführt wird. Diese Sammelstruktur führt zu überlagerten Signalen von Trübung, die eine bisherige präzise Vorhersage erschweren.

Auf Basis langjähriger Sensordaten zur Trübung sowie ergänzender Wetter- und Klimadaten wird ein Convolutional Neural Network (CNN) implementiert, das die kurzfristige Prognose von Trübungsereignissen ermöglicht. Geplant ist die Integration einer Echtzeitabfrage von Wetterdaten und Wetterprognosen sowie der Trübungsdaten des Wasserversorgers. Die Kopplung dieser Datenströme soll es dem Wasserversorger ermöglichen, die Vorhersagen direkt in seine tägliche Steuerung der Wassergewinnungsanlagen zu integrieren. Ziel ist eine mehrtägige Prognose, sodass adaptive Filtrationsanlagen flexibel zugeschaltet werden können, um Abschläge von Quellwasser zu vermeiden und die Grundwasserförderung effizient zu steuern.

Erste Ergebnisse zeigen, dass das CNN die Signalüberlagerung zuverlässig auflösen und die zeitliche Verzögerung zwischen Niederschlagsimpuls und Trübungsanstieg präzise abbilden kann. Das Modell soll dazu beitragen, die Flexibilität und Resilienz der Wassergewinnung in Kassel signifikant zu erhöhen. Zudem bietet das entwickelte System eine Grundlage für die Übertragbarkeit auf andere Quellgebiete und Wasserwerke.

In den letzten 20 Jahren wurde ein Großteil der Tagebaurestlöcher im Lausitzer Braunkohlenrevier geotechnisch gesichert, mit Fluss- und Sümpfungswasser geflutet und in Bergbaufolgeseen transformiert. Übergeordnetes Ziel der Bergbausanierung ist die „Wiederherstellung eines ausgeglichenen, sich weitgehend selbstregulierenden Wasserhaushaltes“ [3] […]

Nach im Wesentlichen abgeschlossener Grundsanierung konnte bisher in 16 von 24 größeren Bergbaufolgeseen des Lausitzer Reviers die Endwasserstandslamelle erreicht werden [1]. Insbesondere hinsichtlich der erforderlichen Ausleitung von Überschusswasser galt es, eine mit den gesetzlichen Vorgaben konforme Wasserbeschaffenheit der Seen herzustellen. Dies konnte durch die weitere Nutzung von Flusswasser, in einigen Fällen zusätzlich oder auch ausschließlich durch Behandlung der Seen mit carbonatischen und oxidischen Neutralisationsmitteln erreicht werden [2]. Ein Beispiel für eine Entwicklung der Wasserbeschaffenheit unter diesen Bedingungen zeigt Abb. 1. Der Bedarf der einzelnen Wasserkörper hinsichtlich solcher Nachsorgemaßnahmen ist höchst unterschiedlich und hängt vom Grundwasserströmungsregime, von der Hydrogeochemie der angrenzenden geologischen Körper, der Bathymetrie der Seen und der Einbindung in das Gewässersystem mit seinen regionalen und überregionalen Wasserspeichern ab. Auch die Verfügbarkeit von Wasser für die Flutung und wasserwirtschaftliche Nachsorge und dessen Priorisierung bei der Bereitstellung, aber auch die Anforderungen an die Stützung der abstromigen Fließgewässer durch Wasserabgaben spielen eine entscheidende Rolle. Nicht zuletzt definieren die Anforderungen der regionalen (Anlieger) und überregionalen Nutzer (u.a. Wasserversorger, Spreewald, Berlin) die Bewirtschaftungsmaßnahmen.

Durch das bedarfsangepasste Monitoring der Wasserbeschaffenheit der Bergbaufolgeseen während der Flutung und wasserwirtschaftlichen Nachsorge, wurde in den letzten Jahren eine breite Datengrundlage geschaffen. Diese ermöglichte es, ein Grundverständnis für die Reaktionen der künstlichen Wasserkörper auf ihr dynamisches geochemisches, hydrologisches und technologisches Umfeld und die Bewirtschaftungshandlungen aufzubauen. Die Erkenntnisse bisheriger Maßnahmen werden genutzt, um die weitere wasserwirtschaftliche Nachsorge zu planen und effizient umzusetzen. Sie bieten weiterhin eine wertvolle Grundlage für die Herstellung der heute noch nicht existierenden weiteren Bergbaufolgeseen in der Lausitz aber auch in anderen Revieren Deutschlands, die im Zuge der Beendigung der Braunkohlenförderung zukünftig noch zu gestalten sind.

Im Vortrag werden die Zusammenhänge zwischen den jeweiligen hydraulischen, geochemischen und technischen Randbedingungen der Bergbaufolgeseen, ihrer Entwicklung und dem mittel- und langfristigen Handlungsbedarf für die Aufrechterhaltung stabiler Wasserbeschaffenheitsverhältnisse aufgezeigt.

[1] Evaluation der berg- und wasserrechtlichen Bergbausanierung der LMBV unter Berücksichtigung von Kohleausstieg und Klimawandel in Sachsen und Brandenburg – Teil 1: Grundsatzstudie. Bericht der GFI Grundwasser-Consulting-Institut GmbH Dresden, im Auftrag der LMBV mbH, 06.12.2023

[2] Kunze, K., Bilek, F. (2025): In-Lake-Behandlung von Bergbaufolgeseen – Durchführung, Überwachung, Bewertung. Proceedings der Dresdner Grundwassertage 2023, Heft 57

8. Umweltministerkonferenz, März 1993

Mit dem Ende des Braunkohleabbaus im Rheinischen Braunkohlerevier wird das Grundwasser etwa ab dem Jahr 2030 großräumig wieder ansteigen. In einigen Teilbereichen hat der Grundwasserwiederanstieg bereits begonnen. Es wird davon ausgegangen, dass weitgehend die vorbergbaulichen Grundwasserstände wieder erreicht werden. Um die Grundwassersituation zu untersuchen, betreibt das LANUK NRW (Auftragnehmer GCI GmbH) ein großräumiges Grundwassermodell. Dieses ist ein gutes Instrument, um Bereiche zu identifizieren, in denen sich die ursprüngliche, bergbauunbeeinflusste Grundwassersituation möglicherweise nicht wieder einstellen wird. Mittels einer Prognoserechnung lässt sich der zukünftig zu erwartende Grundwasserstand simulieren. Dieses Szenario, das sogenannte Bergbauszenario, prognostiziert die Grundwassersituation, die sich auf der Grundlage der heutigen Planung für Tagebau und Rekultivierung bergbaubedingt einstellen wird.

Für den Vergleich mit dem bergbauunbeeinflussten Zustand wird eine geeignete Darstellung dieser Situation benötigt. Es hat sich gezeigt, dass ein Vergleich der Modellergebnisse mit konstruierten Grundwassergleichenplänen oder Flurabstandskarten für einen vorbergbaulichen Zeitpunkt nicht geeignet ist. Für die Konstruktion der Karten standen in der Vergangenheit häufig nur wenig Daten zur Verfügung. Außerdem stellen sie in manchen Bereichen eine Situation dar, die durch lokale Einflüsse (unabhängig vom Bergbau) geprägt ist, die sich in der Zukunft nicht mehr auswirken werden. Daher ist ein Vergleich von Modellvarianten, d. h. ein Vergleich des Bergbauszenarios mit einem Referenzszenario ohne Bergbau, zielführend. Ein Referenzszenario ist ein hypothetisches Szenario, mit dem die Grundwasserstände berechnet werden, die sich eingestellt hätten, wenn keine Bergbautätigkeit im Rheinischen Revier stattgefunden hätte.

Dafür müssen die Modelleingangsdaten modifiziert werden, was unter anderem Folgendes umfasst:

1. Bodensetzungen, die aufgrund der Sümpfungsmaßnahmen im Rheinischen Revier stattgefunden haben, beeinflussen die Randbedingungen an Fließgewässern.
2. Verlegungen von Fließgewässern für den Tagebaubetrieb müssen bei der Definition von Randbedingungen berücksichtigt werden.
3. Vorbergbauliche Landnutzung in den Tagebaubereichen wirkt sich auf die im Modell angesetzte Grundwasserneubildung aus.

Aus dem Vergleich der beiden Szenarien lässt sich ablesen, ob nach Bergbauende und abgeschlossenem Wiederanstieg des Grundwassers ein Einfluss des Braunkohleabbaus und der damit verbundenen Rekultivierung verbleibt. Das Ergebnis zeigt, dass es Gebiete im Rheinischen Revier geben wird, in denen die zukünftige Grundwassersituation aufgrund des Bergbaus voraussichtlich von der bergbauunbeeinflussten Situation abweichen wird. Dabei handelt es sich insbesondere um Gebiete im Einflussbereich eines Tagebausees. Da die Seespiegelhöhen niedriger als die ursprünglichen Grundwasserstände in den Seebereichen sind, werden im Umfeld um die Seen nach dem Wiederanstieg gegenüber dem Referenzszenario niedrigere Grundwasserstände erwartet, was zu größeren Flurabständen führt. Höhere Grundwasserstände werden voraussichtlich nicht eintreten. Dennoch können in kleinen Bereichen im Bergbauszenario infolge der im Rheinischen Revier stattfindenden Bodenbewegungen nach erfolgtem Wiederanstieg lokal geringere Flurabstände auftreten als im Referenzszenario.

Im Helmstedter Revier ist der Kohleausstieg mit Einstellung der Förderung bereits im Jahr 2016 vollzogen worden. Geblieben waren die Aufgaben, wasserwirtschaftliche Lösungen für die Gestaltung von fünf Tagebaurestlöchern im gesamten Revier zu finden und umzusetzen.

Die Lage des Reviers auf der Wasserscheide zwischen Elbe und Weser sowie die de facto nicht vorhandene Verfügbarkeit von Fremdwasser zur Flutung impliziert einen besonders langen Weg für die Herstellung eines sich weitgehend selbst regulierenden Wasserhaushalts im Revier, wenn bereits die mengenmäßige Sanierung des Wasserhaushalts und die Erreichung von Zielwasserständen für einige Folgeseen bis weit ins nächste Jahrhundert reichen wird.

Neben dem zu diesem Zeitpunkt bereits in Flutung befindlichen Restloch des Tagebaus Helmstedt, das mit dem Restloch des Tagebaus Wulfersdorf den gemeinsamen Lappwaldsee bilden wird, ist vor allem der Tagebau Schöningen von zentraler Bedeutung für die Beschreibung der wasserwirtschaftlichen Herausforderungen im Revier. Aufgrund dessen, dass das Erreichen des Endwasserstandes aktuell weit nach 2100 erwartet wird, sind aktive wasserwirtschaftliche Arbeiten noch sehr lange abzusichern:

- Brunnenbetrieb zur flutungsbegleitenden Wasserhebung und zur geotechnischen Sicherung von Böschungen,

- Ableitung bzw. Nutzung des Sümpfungswassers zur Flutung,

- Sicherung der endgestalteten Böschungen vor erosiven Prozessen bis zur Überstauung durch Seewasser,

- Anpassung und Weiterentwicklung von wasserwirtschaftlichen Maßnahmen und Funktionen der Folgeseen bis zum Erreichen des Endwasserstandes.

Aufgrund der Langwierigkeit dieses Prozesses spielt der Zeitfaktor eine besondere Rolle. Das Sümpfungswasser des Tagebaus Schöningen ist geprägt von einer relativ hohen Chloridbelastung und die über lange Zeit erfolgte Überleitung in das Restloch Helmstedt hat Auswirkungen auf die dortigen Ziele der Gewässerherstellung. Die Erosionsanfälligkeit und die Kulturunfreundlichkeit einiger Böschungsmaterialien in Verbindung mit der langen Flutungszeit begünstigen Böschungsumbildungen und erfordern langfristige Managementmaßnahmen.

Die Lösungsfindung für diese Probleme im Spiegel reichhaltiger Erfahrung aus 30 Jahren Braunkohlensanierung im Osten Deutschlands wird flankiert von Fragestellungen, in denen gerade neue Erfahrungen gesammelt werden. Insbesondere die Unsicherheit zur zukünftigen Klimaentwicklung ist hier von besonderer Bedeutung. Während die Zeiträume bis zum Erreichen der Endwasserstände zum Teil bis weit ins nächste Jahrhundert gehen, gibt es Prognosen aus den verfügbaren Klimamodellen lediglich bis Ende des Jahrhunderts.

Der Beitrag beschäftigt sich mit den revierübergreifenden, wasserwirtschaftlichen Zusammenhängen und deren Bedeutung für die Sanierungsaufgaben und Gewässerherstellungen. Die Ableitung von Lösungen für die regionalen Herausforderungen unter Nutzung reichhaltiger Erfahrungen wird genauso diskutiert wie der Beitrag des Reviers in der Berücksichtigung von klimamodellbasierten Prognoseunsicherheiten und deren Bedeutung für die weiteren Sanierungsplanungen.

Die Grundwasser(strömungs)modellierung war und ist ein wichtiges Arbeitsmittel sowohl für den Gewinnungs- als auch den Sanierungsbergbau in den ostdeutschen Braunkohlenrevieren. Die Palette der Modellanwendungen reicht dabei von Großraummodellen für tagebauübergreifende Grundwassersimulationen bis zu Detailmodellen für lokale oder objektkonkrete Fragestellungen.

In den 1970er Jahren begann in der DDR die Entwicklung und Anwendung von Programmen zur numerischen Modellierung der Grundwasserströmung. Mit ihnen sollten Fragestellungen zu Grundwassererschließung und -bewirtschaftung, Tagebauentwässerung und -wiederauffüllung oder Meliorationsmaßnahmen in der Landwirtschaft bearbeitet werden.

Seit ihren Anfängen hat die numerische Grundwassermodellierung eine bemerkenswerte Entwicklung durchlaufen. Durch Fortschritte in der Rechentechnik und Datenverarbeitung wurde die Leistungsfähigkeit der Simulationsprogramme bzw. der damit erstellten Grundwassermodelle sukzessive gesteigert. Die Zunahme von Rechengeschwindigkeit und zu verarbeitenden Datenmengen sowie Verbesserungen im Pre- und Postprocessing erlauben inzwischen großräumige Grundwassermodellierungen mit hohem Detailgrad. War die Diskretisierung des Strömungsraumes anfänglich noch auf wenige hundert Modellzellen limitiert, sind inzwischen hochaufgelöste 3D-Modelle mit mehr als eine Million Modellzellen im Einsatz.

Im Lauf der Zeit haben sich aber nicht nur die technischen Möglichkeiten verändert, sondern auch die Aufgaben und Anforderungen an die Grundwassermodelle.

Die Lausitzer und Mitteldeutsche Bergbau-Verwaltungsgesellschaft mbH (LMBV) ist Projektträger der Bergbausanierung in Ostdeutschland. In der Lausitz saniert sie im Auftrag von Bund und den Ländern Brandenburg und Sachsen die von der Braunkohlenförderung der DDR in Anspruch genommenen Gebiete. Mit der Außerbetriebnahme der Tagebaue war die Einstellung der Sümpfungsmaßnahmen verbunden. Entsprechend verschob sich der Aufgabenschwerpunkt der Grundwassermodelle von der Tagebauentwässerung zur Begleitung des Grundwasserwiederanstieges einschließlich der Flutung der Tagebaurestlöcher. Auch nach Abschluss des Grundwasserwiederanstieges ist die LMBV auf die Ergebnisse und Aussagen der Grundwassermodelle für unterschiedliche Fragestellungen (Planungen, Genehmigungen, Gutachten usw.) angewiesen.

Der Beitrag soll einen Überblick über die Grundwasserströmungsmodellierung im Lausitzer Revier mit Fokus auf den Sanierungsbergbau in Verantwortung der LMBV geben. Dabei wird auf die Entwicklung der Modelle bezüglich Aufgaben, Anwendung und Herausforderungen eingegangen.

Im Rheinischen Revier endet der aktive Bergbau im Jahr 2029 und die Tagebauhohlformen werden anschließend mit Fremdwasser gefüllt. In den mit einem geplanten Volumen von 4,3 Mrd. m³ Wasser größten und mit bis zu 360 m tiefsten Bergbaufolgesee Hambach werden ab 2030 jährlich etwa 230 Mio. m³ Rheinwasser eingeleitet. Es ist davon auszugehen, dass das Füllziel nach etwa 40 Jahren erreicht und der Grundwasserwiederanstieg im Umfeld nach etwa weiteren 20 bis 30 Jahren abgeschlossen sein wird.

Aktuell stellen die Tagebaue die Bereiche mit der größten Grundwasserabsenkung dar, denen das Grundwasser zufließt. Mit der Seefüllung ändert sich diese Situation, die Seen werden während der Füllphase zu Hochpunkten, aus denen das Wasser abströmt. In diesem Zusammenhang erfolgt der Grundwasserwiederanstieg, eine Aufsättigung und Durchströmung der Abraumkippen sowie ein Austrag kippentypischer Inhaltsstoffe. Im Rheinischen Revier ist hierbei das Sulfat von zentraler Bedeutung, während Calcium, Eisen und Schwermetalle eine untergeordnete Rolle spielen. Gleichzeitig sind die Inhaltsstoffe des Rheinwassers – vordergründig organische Spurenstoffe – von Bedeutung, denn die Einleitung in die Seen wird voraussichtlich unaufbereitet erfolgen.

Im Abstrombereich des Tagebau(see)s liegen mehrere Wasserwerke, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten und mit unterschiedlicher Intensität von dem Abstrom sulfatreichen Wassers betroffen sein werden (Bild 1) und dann ihren Betrieb einstellen müssen. Im Zusammenhang mit der langfristigen Sicherung der Wasserversorgung erfolgt die Prognose der Stoffausbreitung mittels numerischer Modellierung mit dem Grundwassermodell der RWE Power, dem Reviermodell. Zur Bestimmung des Sulfataustrags wurde das sogenannte Wanderpunktverfahren angewendet. Auch die Modellierung des Fremdwasserabstroms aus den Seen folgt einem rein konservativen Ansatz und geht von einem nicht reaktiven Transportverhalten aus. Für die Auswertung und die daraus abgeleiteten Maßnahmen zur Sicherung der Wasserversorgung werden die Zeithorizonte bis 2100 (Bild 1) bzw. bis 2200 betrachtet.

Die Auswertungen zur Stofftransportmodellrechunungen zeigen, dass für das oberste quartäre Grundwasserstockwerk und die bis zu 200 m mächtige hoch ergiebige Hauptkiesserie (Horizont 8) als wichtigste Grundwasserleiter ein Sulfatabstrom aus der Außenkippe Sophienhöhe und der Innenkippe des Tagebaus Hambach sowie ausgehend von den Alttagebauen auf der Ville in Richtung nördliche Erftscholle und Erftaue erfolgen wird. Es erfolgt also ein zweiseitiger Zustrom in Richtung auf die Wassergewinnungsstandorte.

Zudem zeigt die Auswertung, dass der räumliche Wirkungsbereich des Sulfatabstroms deutlich größer ist, als jener des Fremdwassers aus dem Tagebausee. Der Einflussbereich des Rheinwassers liegt größtenteils innerhalb des durch den Kippenabstrom beeinflussten Bereichs. Lediglich im südlichen Abstrombereich des Tagebausees Hambach tritt ein Areal auf, das zukünftig ausschließlich einen Einfluss des Rheinwassers zeigt, nicht aber vom Kippenabstrom tangiert wird.

Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, Trinkwassergewinnungsstandorte bzw. Entnahmemengen zukünftig anzupassen, weshalb derzeit eine Aktualisierung des regionalen Wasserversorgungskonzeptes erarbeitet und mit den Wasserversorgungsunternehmen sowie den Genehmigungsbehörden abgestimmt wird.

Im Lausitzer Braunkohlenrevier ist das Grundwasser großflächig und nachhaltig durch die Pyritverwitterung beeinflusst. Die Sümpfung im Gewinnungsbergbau und der Grundwasser­wiederanstieg im Sanierungsbergbau werden seit vielen Jahrzehnten durch zwei- und dreidimen­sionale regionale Grundwasserströmungsmodelle begleitet. Zur Untersuchung der vielschichtigen hydrogeochemischen Fragen, z. B. zum Stoffaustrag aus Halden und Kippen, zum diffusen Stoffeintrag in Oberflächengewässer oder der stofflichen Beeinflussung von Wasserfassungen, mussten erst geeignete Werkzeuge zur Abbildung des reaktiven Stofftransportes entwickelt werden. Erste Modellierungen zum Stoffaustrag aus einer Tagebaukippe wurden im Lausitzer Revier Anfang der 2000er Jahre durchgeführt. Seitdem haben sich sowohl die Rechenleistung der Computertechnik als auch die methodischen Modellansätze enorm weiterentwickelt.

Für die ersten Bearbeitungen wurde ein reaktives Stromfaden­modell auf der Basis von PHREEQC eingesetzt. Mit diesem eindimensionalen Modellansatz konnten Aussagen zur zeitlichen Entwicklung von Stoff­konzentrationen an einem ausgewählten Punkt im Grundwasser getroffen werden. Die Wirkungen der transversalen Dispersion und der Verdünnung durch Grundwasserneubildung fanden in diesem Modell noch keine Berücksichtigung. Das Modell benötigte zudem keine Wasserbilanzen, sondern lediglich Fließgeschwindigkeiten auf einem Stromfaden.

Das Stromfadenmodell wurde in den Folgejahren zu einem reaktiven Stromröhrenmodell (bzw. Kaskadenmodell) weiter­entwickelt, mit dem zwar die verdünnende Wirkung der Grundwasser­neubildung abgebildet, aber noch kein Austausch mit den benachbarten Stromröhren (transversale Dispersion) berücksichtigt werden konnten. Das Stromröhrenmodell war hinsichtlich der Wassermengen und Stoffmengen bilanztreu.

Für eine räumlich differenzierte Betrachtung des Stofftransportes unter Berücksichtigung mehrerer Grundwasser­leiter, des Austauschs mit Oberflächengewässern und über die Breite des gesamten Strömungsfeldes ist ein dreidimensionales Modell für den reaktiven Stofftransport erforderlich.

Die meisten der am Markt verfügbaren dreidimensionalen Stofftransportmodelle koppeln den Stofftransport direkt mit der geohydraulischen Simulation. Die Nutzung solcher Modelle macht eine aufwendige Migration des kompletten regionalen Grundwasserströmungsmodells einschließlich seiner spezifischen inneren und äußeren Randbedingungen erforderlich. Die Strukturen und Limitationen der Modelle sind meist nicht deckungsgleich.

Da die am Markt verfügbaren Modelle die gestellten Ansprüche nicht in ausrei­chendem Maße erfüllen konnten, wurde vom IWB ein flexibles System zur Kombination bestehender geohydraulischer Modelle mit dem etablierten hydrogeochemischen Simulator PHREEQC entwickelt.

Im Vortrag wird die Evolution der Stofftransportmodellierung im Grundwasser des Lausitzer Braunkohlenreviers in den letzten 30 Jahren nachgezeichnet. Weiterhin wird beleuchtet, wie sich im gleichen Zeitraum die Ansprüche an die Stofftransportmodelle hinsichtlich dem räumlichen und inhaltlichen Detailgrad von Prognosen, dem Prognosehorizont und der Prognosezuverlässigkeit verändert haben. Dabei wird insbesondere das Spannungsfeld zwischen den gestiegenen Ansprüchen, dem Datenbedarf der Modelle und den bestehenden (und auch durch technische Weiterentwicklung nicht weiter auszumerzenden) Prognoseunschärfen in den Blick genommen.

Durch die für den Braunkohleabbau nötige Entwässerung des Tagebaus kommt es zur Belüftung der anstehenden Grundwasserleiter sowie des Abraummaterials. Die damit einhergehende Oxidation und Lösung von reduzierten Eisensulfidmineralen prägt dem anstehenden Grubenwasser neben den typisch hohen Eisen- (und Sulfat) Konzentrationen die im Eisensulfid substituierten Spurenmetalle (z.B. Nickel und Zink) auf. Eisen sowie Spurenmetalle müssen vor der Einleitung in die Vorflut zurückgehalten werden, um den bestehenden Umweltqualitätsnormen für Fremdwassereinleitungen in die Vorflut zu entsprechen.

Die Aufbereitung des Grubenwassers geschieht in einer Grubenwasserreinigungsanlage, in der die Metalle durch Anheben des pH-Wertes und Belüftung komplexiert und anschließend aus der flüssigen Phase entfernt werden. Diese Vorgehensweise funktioniert zuverlässig, ist jedoch mit hohen Kosten verbunden.

In einem Fallbeispiel präsentieren wir ein alternatives in-situ Behandlungssystem, das durch eine gezielte Steuerung der Entwässerung im Tagebau die natürlich auftretenden Reinigungsprozesse im Grubenwasser optimiert. Ein vertieftes Prozessverständnis der physiko-chemischen Reaktionsmechanismen kann somit verwendet werden, um energiesparende Lösungen zur Kopräzipitation von Eisen und Spurenmetallen im Tagebau zu finden.

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).

Die Chemikalie Trifluoressigsäure (bzw. deren Anion Trifluoracetat, TFA als Synonym für beide chemische Spezies) kann durch natürliche und technische Aufbereitungsverfahren der Trinkwassergewinnung nicht zurückgehalten werden und stellt somit eine potenzielle Gefährdung für das Trinkwasser und die menschliche Gesundheit dar. Aufgrund der Persistenz des Stoffes kommt es bei fortlaufender Emission zur Anreicherung von TFA in den Trinkwasserressourcen. Gemäß aktueller Definition werden TFA und TFA-Vorläuferverbindungen (also Verbindungen, aus denen beim Abbau TFA gebildet wird) der chemischen Stoffklasse der per- und polyfluorierten Alkylverbindungen (PFAS) zugeordnet. Diese stehen derzeit stark im Fokus der Öffentlichkeit und Behörden.

TFA wird aus einer Vielzahl anthropogener Quellen in die aquatische Umwelt eingetragen, wobei zwischen primären Quellen (d. h., es erfolgt eine Emission der Substanz selbst) und sekundären Quellen (d. h., die Belastung mit TFA ist die Folge des Abbaus von emittierten TFA-Vorläufersubstanzen) unterschieden wird. Eine wichtige primäre Punktquelle für TFA in die aquatische Umwelt sind industrielle Einleitungen aus Betrieben, die den Stoff herstellen und/oder verarbeiten. Sekundäre Quellen für TFA sind vielfältig, da jede Substanz, die mindestens eine kohlenstoffgebundene Trifluormethylgruppe in ihrer chemischen Struktur enthält, eine potenzielle Vorläufersubstanz von TFA darstellt. TFA-Vorläufersubstanzen werden u. a. als Wirkstoffe in Pflanzenschutz- und Arzneimitteln sowie als Treib- und Kältemittel verwendet. TFA kann somit als sogenannte SMS (Substance from Multiple Sources) klassifiziert werden. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Trinkwasserressourcen Mitteleuropas bereits über den Niederschlagspfad (also aufgrund des Abbaus von Treib- und Kältemitteln) im Durchschnitt mit mehr als 0,3 µg/L TFA belastet sind.

Eine Literaturstudie zur aktuellen Belastung der deutschen Trinkwasserressourcen zeigte eine flächendeckende Belastung mit TFA. Eine Entfernung von TFA bei der Trinkwasseraufbereitung ist nur durch Umkehrosmose möglich, deren flächendeckende Einführung in der Trinkwasserversorgung aus vielen Gründen abzulehnen ist. Andere Maßnahmen der Risikobeherrschung wie beispielsweise Ozonung, Aktivkohlebehandlung oder Chlorung sind praktisch wirkungslos. Eine Übersicht ist in Abbildung 1 dargestellt.

Nur der Schutz der Trinkwasserressourcen stellt eine wirksame Basis zur Sicherung der Trinkwasserqualität dar. Aufgrund der starken Indizien für steigende TFA-Emissionen und somit für eine zunehmende Belastung der Umwelt mit TFA ist eine generelle Reduzierung der TFA-Emissionen – unabhängig vom Eintragspfad – aus Vorsorge- und Minimierungsgründen unerlässlich.

Literatur

M. Scheurer, K. Nödler, F. Freeling, J. Janda, O. Happel, M. Riegel, U. Müller, F. Storck, M. Fleig, F. T. Lange, A. Brunsch und H.-J. Brauch, „Small, mobile, persistent: Trifluoroacetate in the water cycle – Overlooked sources, pathways, and consequences for drinking water supply,“ Water Research, Bd. 126, pp. 460–471, 2017.

Beschriftung der Abbildung: Schematische Darstellung von TFA-Eintragsquellen und Erfolgsaussichten verschiedener Behandlungsmöglichkeiten von TFA-haltigem Rohwasser; verändert nach Scheurer et al. (2017).

Der GCI-Rohrpassivsammler ermöglicht unter Nutzung der Anreicherung von Wasserinhaltsstoffen an Kollektormaterialien (Passivsammler) eine zeitintegrative Überwachung variierender Spurenstoff-Konzentrationen. Der optimierte Messwasserstrom und die stoffspezifische, frachtbasierte in situ-Kalibrierung ermöglichen eine hohe Sensitivität mit quantitativer Auswertung der Kollektionsbefunde. Der Vorteil liegt in der lückenlosen und integralen Überwachung über lange Zeiträume bei gleichzeitig geringem Aufwand für Laboranalysen. Die Abbildung 1 zeigt eine Rohrpassivsammler-Messeinrichtung im Bypass eines Betriebsbrunnens (A) und den geöffneten Rohrpassivsammler mit Träger und Passivsammlern (B).

Abb. 1 A: GCI-Rohrpassivsammler-Messeinrichtung zur PFAS-Messung im Bypass eines Wasserwerksbrunnens B: Rohrpassivsammler mit Träger und Passivsammlern C: Gegenüberstellung mittlerer PFAS-Konzentrationen aus Direktanalytik und Rohrpassivsammler-Monitoring einer 28 Tages Probe vom Werksausgang des Wasserwerks (aus Hein et al. 2025)

Die Kalibrierergebnisse zeigen deutliche Anreicherungseffekte der PFAS aus dem Messwasserstrom auf den Passivsammlern, die trotz sehr niedriger Konzentrationsbereiche im Reinwasser bis in den Bereich der analytischen Bestimmungsgrenze (1 ng/L) eine sichere Bestimmung und Beurteilung der relevanten Einzelverbindungen ermöglichen. Die Gegenüberstellung mittlerer PFAS-Konzentrationen eines 28-Tage-Versuches, der nicht Teil der Kalibrierung war, zeigt sehr gute Übereinstimmungen zwischen Direktanalytik von Mischwasserproben und dem kontinuierlichen Rohrpassivsammler-Monitoring (s. Abb. 1C).

Seit September 2025 werden die PFAS-Gehalte in einem Wasserwerk im Reinwasser und zwei ausgewählten Brunnen (im Einzugsgebiet einer Altlast) mit Rohrpassivsammlern kontinuierlich erfasst. Mit jeweils einer Analyse pro Monat kann hier die Einhaltung zulässiger Grenzwerte im Reinwasser am Werksausgang des Wasserwerkes und die Wirksamkeit eingeleiteter Abwehrmaßnahmen im Grundwasseranstrom überwacht werden. Die Ergebnisse des Rohrpassivsammler-Monitorings ermöglicht die Ableitung frachtbasierter Informationen für das kontinuierliche Monitoring.

Das patentierte Messprinzip (Patent-Nr. DE 10 2016 003 8430, 2017) kann insbesondere an unter-Druck-stehenden Systemen eingesetzt werden. Vielseitig erprobt ist der Einsatz im Bypass von Brunnen- und geklärten Abwasserförderströmen (Hensel et al. 2024) zur Detektion von sprengstofftypischen Verbindungen (STV), Industriechemikalien und Pharmaka. Auch in industriellem Abwasser wurde der Rohrpassivsammler erfolgreich getestet (Hensel et al., eingereicht).

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Hein, J.-H., Hensel, T., Zietzschmann F. (2025) Rohrpassivsammler - Eine innovative Messeinrichtung zur zeitintegrativen Überwachung anthropogener Wasserinhaltsstoffe im teilgeschlossenen Wasserkreislauf. Grundwasser, Themenheft 2026, Status accepted

Hensel, T., Hein, J.-H., Reemtsma, T., Sperlich, A., Gnirß, R., Zietzschmann, F. (2024) In Situ Calibration of a Tube Passive Sampler in Wastewater Effluent with Adjustable Volumetric Flow for the Assessment of Micropollutants with Fluctuating Concentrations. ACS ES&T water 4(12):5310–5319. https://doi.org/10.1021/acsestwater.4c00348

Hensel, T., Hein, J.-H., Krystek, P., Togola A., Reemtsma, T., Zietzschmann, F. Complementarity of passive sampling and composite aqueous sampling to assess PFAS emissions in industrial wastewater, Okt. 2025 eingereicht

Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) sind aufgrund ihrer außergewöhnlichen chemischen Stabilität und häufig hohen Mobilität äußerst schwer aus der Umwelt zu entfernen. Ihre Sanierung stellt daher eine große Herausforderung dar. Die In-situ-Anwendung von (kolloidaler) Aktivkohle (CAC) verfolgt das Ziel, durch die Bildung einer Sorptionsbarriere die weitere Ausbreitung von PFAS im Grundwasserleiter zu stoppen. Dafür werden Aktivkohlematerialien benötigt, die selbst bei geringer Beladung des Grundwassersediments (0,1–1 Ma%) eine hohe Rückhaltekapazität und damit eine lange Funktionsdauer über mehrere Jahrzehnte gewährleisten.

In diesem Vortrag werden die Entwicklung und Erprobung von injizierbarer kolloidaler Aktivkohle für In-situ-Sorptionsbarrieren vorgestellt. Untersucht wurden dabei eine kommerzielle CAC (Intraplex®) sowie sphärische Aktivkohlepartikel (ACS), ein derzeit noch in der Forschungsphase befindliches Material. Die ACS werden durch eine Bottom-up-Synthese unter Verwendung von Saccharose – einem lokal verfügbaren, nachwachsenden Rohstoff – hergestellt. Der Prozess umfasst eine hydrothermale Karbonisierung (HTC), gefolgt von einer thermischen Aktivierung unter variablen Bedingungen (z.B. Wasserdampfgehalt, Balda et al. 2023). Auf diese Weise entstehen hochreine, kugelförmige Kohlenstoffpartikel mit einem mittleren Durchmesser von etwa 1 µm und einer mikroporösen Struktur. Im Gegensatz dazu wird CAC über ein Top-down-Verfahren gewonnen, bei dem granulierte oder pulverisierte Aktivkohle nass vermahlen wird.

Im ersten Teil der Studie werden die Ergebnisse von Säulenversuchen und einem Feldtest vorgestellt, in denen die Rückhaltung verschiedener PFAS durch immobilisierte CAC untersucht wurde. Der Feldtest wurde mit Intraplex® als CAC-Produkt gemeinsam mit der Fa. Intrapore durchgeführt. Diese Daten dienten zur Abschätzung der langfristigen Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von In-situ-Barrieren in kontaminierten Grundwasserleitern. Die Analysen zeigen, dass CAC-basierte Sorptionsbarrieren insbesondere für langkettige PFAS (> 6 C-Atome) und niedrige Konzentrationsbereiche (< 10 μg/l) geeignet sind. Solche Barrieren ermöglichen eine stabile Rückhaltung über Zeiträume von mehreren Jahrzehnten bis hin zu Jahrhunderten. Dadurch können PFAS-Fahnen – selbst bei hoher Mobilität oder Verdrängungsdynamik – wirksam aufgehalten werden, was den beteiligten Akteuren wertvolle Zeit für weiterführende Maßnahmen verschafft.

Im zweiten Teil wird das Potenzial der ACS für den Einsatz als In-situ-Sorptionsmittel bewertet. Hierzu wurden Batch-Experimente zur Untersuchung des Sorptionsverhaltens gegenüber PFAS, die Alterung des Materials sowie der Suspensionsstabilität durchgeführt. Ergänzend wurden Säulenversuche vorgenommen, um die Mobilität der ACS im Vergleich zu kommerziellem CAC zu bewerten.

Balda, M., Mackenzie, K., Woszidlo, S., Uhlig, H., Möllmer, J., Kopinke, F.-D., Georgi, A., 2023: Bottom-up synthesis of de-functionalized and dispersible activated carbon spheres as colloidal adsorbent, Int. J. Mol. Sci., 24 (4), art. 3831

Die zunehmende Verknappung von Trinkwasserressourcen durch neu auftretende Schadstoffe wie per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS), Pestizide und Arzneimittelrückstände erfordert eine detaillierte Bewertung ihrer Eintragsquellen, Transportpfade und Abbauprozesse im Wasserkreislauf. Angesichts der Vielzahl potenziell relevanter Substanzen sowie toxischer Transformationsprodukte besteht ein hoher Bedarf an zielgerichteten und innovativen Monitoringmethoden. Eine zentrale Fragestellung ist dabei, in welchem Maße der Schadstoffmassenfluss in Grundwasserleitern durch nachhaltige Abbauprozesse verringert wird – eine entscheidende Voraussetzung für fundierte Risikoabschätzungen und effiziente Sanierungskonzepte.

Isotopenanalytische Verfahren, insbesondere die komponentenspezifische Isotopenanalyse (CSIA) sowie enantiomerselektive Ansätze ermöglichen eine forensisch belastbare Zuordnung von Schadstoffquellen und die Bewertung biologischer und chemischer Abbauprozesse. Für PFAS erfolgten Methodenentwicklungen zur Anwendung von CSIA, um Quellenidentifizierung und Abbaubewertung prioritärer Verbindungen dieser Schadstoffklasse zu ermöglichen. Methodische Herausforderungen wie die vollständige Umsetzung thermostabiler Verbindungen und die Vermeidung störender Nebenprodukte konnten weitgehend überwunden werden. Damit gelang erstmals die Bestimmung von Kohlenstoffisotopenverhältnissen verschiedener PFAS-Verbindungen. Laborstudien zeigten deutliche Unterschiede der Isotopenfraktionierung bei reduktiven und oxidativen Reaktionsmechanismen, was das Potenzial von CSIA zur Bewertung des Sanierungserfolgs von PFAS aufzeigt.

Eine ergänzende Fallstudie zu chiralen Pestiziden (Dichlorprop, Mecoprop, 4-CPP) demonstriert die kombinierte Anwendung von CSIA, der Analyse von Enantiomeren und Schadstoffflussmessungen mit dem innovativen IsoFLUX-System. Durch die erstmalige Kombination dieser Methoden konnte der nachhaltige Rückgang des Schadstoffmassenflusses durch mikrobiellen Abbau erfasstt werden. Unterschiede von Enantiomerenverhältnissen und Isotopenwerten belegten die räumlich differenzierte Aktivität biologischer Transformationsprozesse und erlaubten die Differenzierung primärer und sekundärer Quellen. Solche quantitativen Nachweise des Abbaufortschritts sind entscheidend, um die Größe und Dynamik von Schadstofffahnen im Untergrund realitätsnah zu modellieren und die Wirksamkeit von Sanierungsmaßnahmen zu bewerten.

Neben der Darstellung der methodischen Entwicklung und der exemplarischen Einsatzmöglichkeiten werden die Anforderungen, aktuellen Limitationen und Perspektiven der vorgestellten, innovativen Verfahren diskutiert. Ihr Anwendungspotenzial erstreckt sich über verschiedene Stoffgruppen – von Pestiziden (z. B. Hexachlorcyclohexan, Atrazin, Bromacil) über Arzneimittelrückstände (z. B. Ibuprofen, Metoprolol) bis hin zu PFAS (z. B. PFOA). Die Kombination isotopen-, enantiomeren- und flussbasierter Methoden bietet ein leistungsfähiges Instrumentarium, um Anteile verschiedener Quellen zu quantifizieren, nachhaltige Abbauprozesse nachzuweisen und somit die Basis für eine risikoorientierte und kosteneffiziente Grundwassersanierung zu schaffen.

Bei Befunden anthropogener Schadstoffe in Grundwassermessstellen stellt sich stets die Frage nach dem Ort des Eintrags und damit auch nach dem möglichen Verursacher. Üblicherweise werden mögliche Eintragsorte anhand von Grundwassergleichenplänen ermittelt. Diese definieren die Anstromrichtung zur Messstelle, welche den konvektiven, horizontalen Stofftransport bestimmt. Aufgrund der natürlichen Heterogenität des Grundwasserleiters nimmt jedoch die Aussagesicherheit mit wachsender Entfernung zur Messstelle erheblich ab. Effekte wie die Variabilität der Durchlässigkeit und die hydrodynamische Dispersion können bereits bei relativ kurzen Fließwegen dazu führen, dass die Fließrichtung stark variiert. Bei mehrjährigen Fließzeiten erschweren darüber hinaus saisonale Grundwasserstands- und Fließrichtungsschwankungen die Ermittlung des Eintragsbereiches. Auch die durch die Grundwasserneubildung hervorgerufene Vertikalkomponente der Grundwasserströmung hat einen starken Einfluss auf den Fließweg.

All diese Effekte können mit einfachen Ansätzen wie dem LAWA-Verfahren[1] nicht adäquat erfasst werden. Auf der anderen Seite ist der Aufwand für eine umfassende geohydraulische Modellierung, die auch Parameterunsicherheiten und Schwankungen stochastisch erfasst sowie zeitliche Variabilitäten berücksichtigt, nur in seltenen Fällen gerechtfertigt.

Um dennoch nachvollziehbare und geohydraulisch begründete Aussagen zur Herkunft von Schadstoffen treffen zu können, wurde ein statistisches Particle-Tracking-Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, die Auswirkungen verschiedener Parameterkombinationen effektiv zu berechnen und verbleibende Unsicherheiten transparent darzustellen.

Das Verfahren basiert auf einer inversen Stofftransportmodellierung, bei der mittels Random-Walk-Ansatz die Fließwege von mehreren Tausend Partikeln rückwärts – von der Messstelle in Richtung potenzieller Eintragsorte – simuliert werden. Jedem Partikel können dabei unterschiedliche Parameterwerte (z. B. Durchlässigkeit, Dispersivität, Grundwasserneubildung, Fließrichtung) zugewiesen werden, um sowohl stochastische Schwankungen als auch bestehende Unsicherheiten im hydrogeologischen Kenntnisstand abzubilden.

Die resultierende Flächendichte dieser Punkte lässt sich als Wahrscheinlichkeitsverteilung interpretieren (siehe Abbildung). Bereiche mit hoher Dichte weisen eine erhöhte Wahrscheinlichkeit auf, tatsächlich zum Eintrag beigetragen zu haben. Liegt eine potenzielle Quelle beispielsweise im zentralen Bereich der berechneten Verteilung (z. B. unterhalb des 75. Perzentils), ist mit hoher Wahrscheinlichkeit von einem Zusammenhang mit der gemessenen Belastung auszugehen.

Für insgesamt 492 Grundwassermessstellen in Mecklenburg-Vorpommern wurden im Auftrag des Landesamtes für Umwelt, Naturschutz und Geologie auf diese Weise Eintragsflächen berechnet. Zur Sicherstellung konsistenter Ergebnisse erfolgten im Vorfeld umfangreiche Sensitivitätsanalysen. Schwerpunkt war dabei die Ableitung eines Parametermodells für die Dispersivität.

Der vorgestellte Ansatz schließt eine Lücke zwischen vereinfachten Planungsinstrumenten und aufwändiger Modellierung und liefert ein robustes Werkzeug für die nachvollziehbare Rückverfolgung von Schadstoffeinträgen ins Grundwasser.

[1] https://www.laenderfinanzierungsprogramm.de/projektberichte/lawa/, Projekt G 1.17, Zugriff am 10.10.2025

Das Forschungsinteresse an organischen Spurenstoffen (organic micro pollutants: OMPs) in Süßwasser- und Meeresumgebungen hat zugenommen. Allerdings gibt es nur wenige Erkenntnisse über ihr Vorkommen, ihre Verteilung und ihr Verhalten in Küstenaquiferen an der Land-Meer-Übergangszone. Am Untersuchungsort, dem Hochenergiestrand an der Nordseite von Spiekeroog, verändern dynamische hydrometeorologische Bedingungen ständig die Strandmorphologie. Zusammen mit saisonalen Sturmfluten führen diese Bedingungen zu dynamischen Grundwasserströmungspfaden, verschieben die Süßwasser-Salzwasser-Mischungszone und verursachen hohe Salzgehalts- und Redoxgradienten. Dementsprechend fungiert der Strand als effizienter biogeochemischer Reaktor. Um das Verständnis der Prozesse von OMPs in der Land-Meer-Übergangszone zu verbessern, wurden insgesamt 13 Wasserproben, die entlang eines Strandtranssekts von den Dünen bis zur Niedrigwasserlinie in Tiefen von 6 m, 12 m, 18 m und 24 m entnommen wurden, sowie Meerwasser mittels LC–MS/MS auf 117 OMPs untersucht. Zweiunddreißig Verbindungen wurden in messbaren Konzentrationen nachgewiesen, von denen 12 über der Bestimmungsgrenze (LOQ) lagen. Die meisten dieser Verbindungen wiesen maximale Konzentrationen im Meerwasser auf und waren entlang des Transekts entsprechend der Strömungspfade des eindringenden Meerwassers verteilt. Die höchsten Konzentrationen wurden in der intertidalen Rezirkulationszelle beobachtet, die sich durch ihren hohen Salzgehalt, ihre oxischen Bedingungen bis in 12 m Tiefe im Infiltrationsbereich und ihr relativ junges Grundwasseralter auszeichnet. Umgekehrt wurden niedrigere Konzentrationen der Substanzen nahe der Dünenbasis, wo der Salzgehalt geringer ist, und in tieferen Regionen festgestellt, in denen anoxische Bedingungen vorherrschen und das Grundwasser älter ist. Grundsätzlich weisen alle 12 Verbindungen also eine positive Korrelation mit dem Meerwasseranteil und eine negative Korrelation mit dem Alter des Grundwassers auf. Dies deutet darauf hin, dass das eindringende Nordseewasser der Eintrittsweg der OMPs in den Küstenaquifer ist und nicht das Süßwasser aus der Süßwasserlinse der Insel. Genauer betrachtet ergab die Mischungsanalyse drei Prozesse, die auf bestimmte Verbindungen einwirken: Entfernung (Melamin, Metformin, 5-Methyl-1H-benzotriazol, Valsartansäure), Anreicherung durch Umwandlungsprozesse (Terbutylazin-2-hydroxyl, Propanolol, Benzocain) und konservative Mischung (Ammelide, Acesulfam).

Spectral Induced Polarization (SIP) is a non-invasive geophysical method that provides characterization of electrochemical processes occurring at mineral-fluid interfaces. Despite growing applications in the field of hydrogeophysics, there have been limited mechanistic interpretations of SIP signals in terms of geochemical reactions. The aim of this study is to investigate the potential for SIP to monitor both natural and engineered geochemical processes. These processes are related to the remediation of contamination and landfill operations, focusing on changes in the electrical double layer (EDL) as a result of (1) redox-dependent immobilization of heavy metals, (2) ion exchange, and (3) mineral dissolution in a porous medium. We carried out controlled flow-through column studies where we combined SIP monitoring, geochemical analysis and reactive transport modeling to relate changes in SIP imaginary conductivity to geochemical changes. Three experimental systems were studied. The first experimental system focused on the sorption and reduction of Cr(VI) onto magnetite-coated sand. SIP observed a short increase in imaginary conductivity during Cr(VI) injection, which was then followed by a continuous decrease, corresponding to the availability of reactive sites in time. This provides evidence that SIP could serve as a non-invasive early-warning tool to monitor reactive barrier performance. The second system was designed to explore ion exchange in municipal solid waste and focused on the ammonium desorption and potassium exchange under various salinities. Imaginary conductivity during low salinity was associated with the ammonium dynamics, while higher salinity conditions were linked to the bulk ionic strength, but still enabled detection of the ion exchange front. Thus, these findings provide further support for SIP as a real-time monitored technique for examining landfill processes. The third system investigated proton-promoted dissolution of Fe(II)-bearing minerals in natural sands. SIP provided evidence of a reproducible V-shaped anomaly of imaginary conductivity that correlates with the advancing dissolution front, indicating that SIP is sensitive to geochemical disequilibrium and moving reactive fronts in porous media. The above three systems provide evidence that SIP provides data beyond bulk electrical properties. Therefore, SIP could be combined with reactive transport modeling and geochemical data to serve as a valuable non-invasive monitoring and management tool for contaminated and reactive subsurface systems in real-time.

Die Binnenentwässerung ist charakteristisch für die nordwestdeutsche Küstenregion und eine Voraussetzung für die Grünlandnutzung. Klimawandelmodelle prognostizieren für die Region höhere Niederschlagsmengen im Winter, häufigere Starkregenereignisse und ausgedehntere Dürreperioden im Sommer. Die Auswirkungen von Dürren zeigen sich in Nordwestdeutschland bereits jetzt durch Schäden an der Vegetation und sinkender Produktivität intensiv genutzter Grünlandflächen. Um den entsprechenden Wasserbedarf von intensiv genutztem Grünland in trockenen Sommerperioden sicherzustellen, ist ein klimaangepasstes Wassermanagement dringend erforderlich. In dem Projekt „Future Proof Grassland“ wird die derzeitige konventionelle Binnenentwässerung auf exemplarischen Exaktversuchsflächen auf ein klimaangepasstes Wassermanagement umgestellt, das sowohl auf trockene als auch nasse Wetterbedingungen variabel reagieren kann. Unter trockenen Bedingungen wird Wasser auf Feldversuchsebene in Grüppen angestaut, um das Absenken des Grundwasserspiegels in Dürreperioden zu reduzieren, damit das Grünland keinen Trockenstress erleidet und die Produktivität der Grünlandfläche erhalten bleibt. Unter nassen Bedingungen verhindert das klimaangepasste Wassermanagement Staunässe durch eine Reaktivierung der Entwässerungsfunktion und ermöglicht den Wasserabfluss aus der Fläche. Im Projekt werden konventionelles und klimaangepasstes Wassermanagement verglichen. Darüber hinaus werden Änderungen der Landnutzungsintensität als Möglichkeit zur Verringerung der Nährstoffeinträge in die Oberflächengewässer untersucht. In den Zielregionen Ostfriesland und Wesermarsch werden zu diesem Zweck groß angelegte randomisierte Exaktversuche mit dem klimaangepasstem Wassermanagement durchgeführt. Erste Versuchsergebnisse zeigen, dass auf Feldebene das konventionelle Entwässerungssystem an die sich verändernden klimatischen Bedingungen angepasst werden kann. Dadurch ist es möglich, den Grundwasserspiegel und damit die den Pflanzen zur Verfügung stehende Wassermenge zu beeinflussen und variabel auf Witterung und klimatischen Bedingungen zu reagieren.

In der Machbarkeitsstudie für den Landkreis Ortenaukreis wurde die Bewässerungsinfrastruktur im Obst- und Weinbau von 15 teilnehmenden Gemeinden untersucht, um eine Basis für die Gründung neuer Beregnungsverbände in der Raumschaft mit dem Ziel einer effizienten Nutzung der verfügbaren Wasserressourcen zu schaffen. Im Fokus stand der Aufbau einer nachhaltigen und gemeinschaftlich organisierte Bewässerungsinfrastruktur für den Obst- und Weinbau.

Spätestens seit den Dürrejahren 2018-2022 ist deutlich geworden, dass sich aufgrund des Klimawandels mit seinen weitreichenden Auswirkungen auf die Wasserverfügbarkeit und Wassernutzung die Anbaubedingungen der Landwirtschaft in Deutschland verändern. Eine angepasste Bewässerungsinfrastruktur bietet nicht nur ökologische, sondern auch wirtschaftliche Vorteile mit dem Ziel landwirtschaftliche Erträge zu stabilisieren und abzusichern. Sie ermöglicht eine quantitative Ertragsstabilisierung, indem Trockenstress vermieden wird sowie eine qualitative Ertragsverbesserung, was letztlich zu höheren Verkaufspreisen führt. Darüber hinaus trägt eine Bewässerung zur Reduzierung des Ernteausfallsrisikos in Trockenjahren (Trockenberegnung) und während Frostperioden durch eine Frostschutzberegnung bei.

In der Studie wurden folgende Schwerpunkte untersucht:

• Berechnung des vorhandenen Wasserdargebots pro Gemeinde aus der Grundwasserneubildung mit dem GW-Modell GWN-BW abzüglich weiterer Nutzungen (Trinkwasser, etc.). Von diesem verbleibenden Dargebot wurde ein Anteil von 30 % für die Bewässerung ermittelt, um eine nachhaltige Bewirtschaftung des Grundwassers zu gewährleisten.
• Automatisierte Berechnung des Wasserbedarfs für jede Gemeinde nach DWA Merkblatt M590 unter Berücksichtigung von klimatischen und bodenkundlichen Faktoren sowie der Anbaukultur. Insgesamt konnte der Bedarf für 1575 ha bewässerungswürdige Obstbau und 2692 ha im Weinbauflächen ermittelt werden.
• Ermittlung geeigneter Brunnenstandorte zur Deckung des Wasserbedarfs sowie weiterer Wasserentnahmemöglichkeiten in den Gemeinden.
• Abschätzung der Kosten für verschiedene Varianten bzgl. Wassergewinnung und Wasserverteilung bis zum Feldrand oder/und bis zu einer Haupttransportleitung mit und ohne Frostschutzberegnung.

Die geplante Infrastruktur umfasst Tiefbrunnen, Gewässerentnahmestellen, Haupt- und Verteilungsleitungen sowie Druckerhöhungsanlagen für Hanglagen. Ein erster Entwurf eines möglichen Leitungsnetzes wurde auf Basis realer Flächendaten algorithmisch in QGIS entwickelt.

Die Machbarkeitsstudie wurde im Mai 2025 im Landratsamt Ortenaukreis den Gemeinden vorgestellt. Sie zeigt, dass der Ortenaukreis über ein hohes Wasserdargebot insbesondere im Oberrheingraben verfügt und eine moderne, gemeinschaftlich organisierte Bewässerungsinfrastruktur wirtschaftlich sinnvoll und technisch machbar ist. Die Machbarkeitsstudie liefert eine Entscheidungsgrundlage für Landwirtschaft, Politik und Verwaltung.

Die Erstellung der Machbarkeitsstudie wurde fachlich durch das Amt für Landwirtschaft und das Amt für Wasserwirtschaft und Bodenschutz am Landratsamt Ortenaukreis begleitet.

Die zukünftige Nachfrage nach Grundwasser für die Feldbewässerung in der Landwirtschaft ist in vielen Studien als sehr relevante Komponente des wachsenden Nutzungsdrucks auf die Grundwasserressourcen in Deutschland identifiziert worden. Vor dem Hintergrund, dass die für eine Bewässerung ausgestattete landwirtschaftliche Nutzfläche in Deutschland in der vergangenen Dekade wahrscheinlich jährlich um mehr als 1,5 % gewachsen ist und dass in den Dürresommern seit 2018 in vielen Regionen ein erhöhter potentieller Bewässerungsbedarf existierte, erscheinen umfassende Studie notwendig, die die zukünftigen Grenzen der Grundwasserverfügbarkeit für die landwirtschaftliche Bewässerung in Deutschland aufzeigen. Diese Grenzen genauer zu ermitteln, erscheint vor allem im Hinblick auf die in der Nationalen Wasserstrategie dargelegte Leitlinie für den Umgang mit Wasserknappheit sinnvoll, der zufolge jederzeit ausreichende, möglichst ortsnahe (Grundwasser-) Ressourcen für die Trinkwasserversorgung zur Verfügung stehen sollen. Insbesondere Stresstests sind geeignete Instrumente, um langfristige Entwicklungen zu Grundwasserdargebot/Grundwasserneubildung und Grundwassernutzung in der Landwirtschaft in einen Zusammenhang mit Wasserknappheit zu bringen.

Das Design des in diesem Beitrag vorgestellten Stresstests orientiert sich an den flächendeckend für ganz Deutschland notwendigen Szenarien zur Grundwasserneubildung, zu den tatsächlichen Bewässerungsbedarfen und zur Entwicklung der zukünftigen Wasserabgabe an die Bevölkerung. Diese Szenarien sind ausschließlich aus Bevölkerungsprojektionen, aus Projektionen mit Klimamodellen und dem Wasserhaushaltsmodell mGROWA (Grundwasserneubildung, Bewässerungsbedarf) sowie Projektionen des Flächenwachstums der bewässerten Landwirtschaftsfläche abgeleitet. Außerdem liegt die Annahme zugrunde, dass die Wassernutzung der zwei Sektoren Bewässerungslandwirtschaft und öffentliche Wasserversorgung ausschließlich aus dem Grundwasser erfolgen wird. In der für den Stresstest notwendigen Kombination sind im Rahmen des Projektes WADKlim (Auswirkung des Klimawandels auf die Wasserverfügbarkeit – Anpassung an Trockenheit und Dürre in Deutschland) erstmals für ganz Deutschland solche Szenarien in hoher räumlicher Auflösung geschaffen worden. Aufbauend auf den projizierten Größen wurden für diese Szenarien Grundwassernutzungsindizes (GWNI, d.h. der Quotient aus Grundwassernutzung und Grundwasserneubildung) auf der NUTS-3 Ebene (d.h. Landkreise und kreisfreie Städte) berechnet und vergleichend analysiert.

Als Ergebnis der Szenarioanalysen lassen sich die Regionen identifizieren, in denen es in Zukunft einen zunehmenden Nutzungsdruck auf Grundwasserressourcen durch die Bewässerung in der Landwirtschaft geben wird (vgl. Abbildung). Auch ohne ein Wachstum von Bewässerungsflächen lassen sich Regionen abbilden, in denen in mehrjährigen Trockenphasen eine reduzierte Grundwasserneubildung und damit eine nichtnachhaltige Wassernutzung und ggf. Wasserknappheit vorliegt (z.B. ab GWNI > 0,4). Das Wachstum von Bewässerungsflächen hat potentiell einen größeren Einfluss auf die Veränderung der Grundwassernutzungsindizes als der klimatische Entwicklungspfad (Klimaprojektion). Außerdem kann aus den Szenarien indirekt auf die maximale Wachstumsrate der Bewässerungsflächen geschlossen werden, bei der noch eine nachhaltige Grundwasserbewirtschaftung erhalten bleibt.

Im Rahmen des Landesniedrigwasserkonzepts Brandenburg wird ein modellgestütztes Bewirtschaftungskonzept für das Einzugsgebiet der Glinze entwickelt. Ein wesentliches Ziel des Landeskonzeptes ist die Erhöhung der Grundwasserstände durch Rücknahme der übermäßigen Entwässerung und Stabilisierung des Landschaftswasserhaushalts durch Wasserrückhalt, vor allem in Speisungsgebieten wie der Glinze, die ein Zufluss der Dosse im Flussgebiet Dosse-Jäglitz ist.
Brandenburg ist infolge naturräumlicher Gegebenheiten und anthropogener Eingriffe (Stichwort Komplexmelioration) besonders anfällig für Wasserdefizite. Viele Staue und Bauwerke zur Wasserstandsregulierung sind nach der politischen Wende außer Betrieb gegangen oder verfallen, wodurch die Wasserrückhaltekapazität der Landschaft deutlich abgenommen hat. Ihre Reaktivierung und Anpassung wird als zentrale Maßnahme zur Erhöhung der Grundwasser¬neubildung und Stärkung der hydrologischen Resilienz gegenüber zunehmenden Niedrigwasser- und Trockenphasen infolge des Klimawandels angesehen. Zusätzlich zu den Stauanlagen sind Sohlschwellen, die Erhöhung von Grabensohlen, ggf. der Verschluss von Gräben und Drainagen, die Verbesserung der Gewässerstrukturen etc. weitere wichtige Maßnahmen, um Wasser länger in der Landschaft zu halten, den Abfluss zu verzögern und den Bodenspeicher zu nutzen. Für die Anpassung an den Klimawandel ist die Wiederherstellung von Wasserrückhaltestrukturen ein wesentliches Element, aber ist auch eine angepasste Wasserbewirtschaftung und ein Umdenken in der Landnutzung, v.a in der Landwirtschaft und Fortwirtschaft notwendig, um das Austrocknen der Landschaft nicht weiter zu verstärken.
Für eine nachhaltige Wasserbewirtschaftung ist die Entwicklung ganzheitlicher Bewirtschaftungs-strategien auf Einzugsgebietsebene durchzuführen. Eine solche systemische Perspektive ermöglicht es, Maßnahmen räumlich und funktional zu priorisieren und Synergieeffekte zu identifizieren.
Das Vorhaben für das Einzugsgebiet der Glinze dient als Pilotregion zur modellgestützten Entwicklung eines Bewirtschaftungskonzepts Zur Analyse und Bewertung potenzieller Maßnahmen wird im Einzugsgebiet der Glinze das integrierte Grund- und Oberflächenwassermodell MIKE SHE eingesetzt. Dieses Modell erlaubt eine integrierte Simulation hydrologischer und hydrogeologischer Prozesse sowie eine quantitative Abschätzung der Auswirkungen verschiedener Bewirtschaftungs-szenarien auf den Landschaftswasserhaushalt. Inhalte des Bewirtschaftungskonzepts sind:
• Darstellung des Ist-Zustands zum Grabensystem, der aktuellen Maßnahmen zum Wasserrückhalt und der Steuerung der Anlagen,
• Darstellung der Defizite und Ableitung des Handlungsbedarfs,
• Modelluntersuchungen zur Bewertung der Auswirkungen von Maßnahmen zur Stabilisierung des Landschaftswasserhaushalts,
• Ausweisung von Zielwasserständen und -abflüssen (unter Beachtung des verfügbaren Dargebots und des Interessensausgleichs),
• Empfehlungen zur Steuerung (Bewertungspegel, Q-H-Beziehungen, Stauziele),
• Anforderungen an die Regulierbarkeit/ Steuerbarkeit von Stauanlagen,
Das Bewirtschaftungskonzept soll die Grundlage für die zukünftige Bewirtschaftung darstellen. Bei der Erstellung sind die Flächenbewirtschafter einzubeziehen, um Akzeptanz zu erreichen und nachhaltig Maßnahmen umsetzen zu können.

The Agricultural Structure Survey conducted by the Federal Statistical Office of Germany (Statistisches Bundesamt – Destatis) reports that in 2022 4.8% of Germany’s arable land was equipped with irrigation systems. Although this share remains low compared to many southern European countries, the relative increase of irrigated land—by almost 50% since 2009—is substantial. With rising temperatures and changing precipitation patterns projected as a result of climate change, this trend is likely to continue.

Since most irrigation water in Germany is sourced from groundwater, increasing irrigation demand can lead to resource-use conflicts and additional stress on groundwater reserves. When assessing the impacts of greater groundwater extraction for agricultural use, not only the total volume of water withdrawn is relevant, but also the fate of the irrigation water. While increased irrigation return flow will enhance groundwater recharge—a positive outcome from the perspective of water suppliers—it reduces the efficiency of irrigation from the farmer’s standpoint, as less water is used by the crops.

To analyze the quantity and distribution of irrigation water under projected future climate conditions in Germany, the crop model ExpertN was used to simulate crop production and potential irrigation demand in a 400 km² area south of Stuttgart. Agricultural land is predominantly arable and mainly used for growing wheat, barley, rapeseed and silage maize. The simulations employed 13 bias-corrected climate projections from the KLIWA ensemble as future climate scenarios. Soil properties were taken from the BK50 soil map.

Irrigation amounts were calculated based on the simulated soil water content for each soil–climate combination. Virtual irrigation events were triggered when soil moisture dropped below a crop-specific threshold, as defined by the Working Group for Agricultural Engineering and Agricultural Construction in Bavaria (ALB).

Finally, the annual amount of irrigated water and its pathways were analyzed and visualized. For most climate scenarios, irrigation demand showed no substantial increase compared to the historical baseline, although individual scenarios with markedly reduced summer precipitation indicated significant rises. The analysis also showed that most of the applied irrigation water contributed to increased plant transpiration, with a smaller fraction lost through soil evaporation. The portion of irrigation water that leaves the crop root zone to contribute to groundwater recharge generally remains small when irrigation is applied based on reliable soil moisture information.

Für Isotopengehalte in Niederschlag, Oberflächenwasser und Grundwasser existieren derzeit nur wenige internationale oder nationale Datenbanken, die gemessene Daten für interessierte Anwender zugänglich machen. Beispiele sind das globale Isotopen-Niederschlagsnetz (GNIP-WISER) der IAEA [1] oder auf nationaler Ebene das österreichische Isotopennetz ANIP. Für Deutschland wurden Niederschlags-, Oberflächen- und Grundwasserdaten innerhalb des BMBF LURCH Projektes IsoGW zusammengestellt und über das deutsche Isotopennetz GIN organisiert. Bundesweit wurden dabei vorhandene Isotopendaten aus über 10.000 Grundwassermessstellen der Bundesländer und Wasserversorger zusammengeführt. Gut 5.000 Proben wurden im Rahmen des IsoGW-Projektes neu gemessen. An Stationen des Niederschlags- und Oberflächenwassernetzes von BfG und DWD werden seit den 1970er-Jahren monatlich Isotopendaten erhoben. Insgesamt liegen bisher etwa 40.000 Messungen vor (davon ca. 15.000 für Niederschlag und ca. 24.000 für Oberflächenwasser) [2,3]. Für die Erstellung von Isotopenkarten (Isoscapes) werden aus einem gesicherten und dedizierten IsoGW/GIN Projekt in der Langzeit sicheren SQL (Aqua, BGR) Daten in ein GIS-Projekt (ESRI, BGR) abgefragt, aus dem ein Web-Feature-Service die Mess- und Metadaten auswertungsfreundlich über das https-Protokoll und als Geopackage den Projektpartnern zur weiteren Verarbeitung und Interpolation übergibt. Die Datenherkunft und die Nutzungsrechte an den Daten sind im Datenbankprojekt dokumentiert. Die Nutzungsrechte bestimmen, welche Messstelleninformationen und welche offenen Probenergebnisse für die Endnutzer über die interpolierten Isotopenkarten hinaus zur Verfügung gestellt werden können. Die Ergebnisse mit den offenen Rohmesswerten sollen die Sicherung, weitere Verwendung und in Wertsetzung dieses Datensatzes für Forschung und Wirtschaft ermöglichen.

Literatur:

[1] Terzer-Wassmuth S., Wassenaar L.I., Welker J.M., Araguás-Araguás L.J. (2021): Improved highresolution global and regionalized isoscapes of δ¹⁸O, δ²H and d-excess in precipitation. Hydrological Processes. DOI:10.1002/hyp.14254.

[2] Schmidt A., Frank G., Stichler W., Duester L., Steinkopff T., Stumpp C. (2020): Overview of tritium records from precipitation and surface waters in Germany. Hydrological Processes (2020). DOI:10.1002/hyp.13691.

[3] Koeniger P., Schmidt A., Stumpp C. (2022): Stable isotope patterns of German rivers with aspects on scales, continuity and network status. Isotopes in Environmental and Health Studies 58 4-6, 363-379. DOI:10.1080/10256016.2022.2127702.

Um Grundwassersysteme in ihrer Funktionsweise besser zu verstehen, spielt die isotopengestützte Analyse von Verweilzeiten eine zentrale Rolle. Lumped Parameter Modelle sind dafür ein besonders populärer Ansatz, um erste Einschätzungen zu erlangen. In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl entsprechender Werkzeuge zur Modellierung entwickelt und genutzt. Es mangelt jedoch an einfach verwendbaren, nutzerfreundlichen und praxisorientierten Software-Lösungen.

Mit ISOSIMpy stellen wir eine neue Open-Source Softwarelösung vor, welche diese Lücke schließt und zudem eine Verbindung zwischen wissenschaftlicher Anwendung mithilfe von Skripten und praxisorientierter Benutzeroberfläche herstellt. Das Werkzeug verfolgt einen hybriden Ansatz. ISOSIMpy ist einerseits eine offene Python-Bibliothek und kann somit problemlos in existierende, skriptbasierte Arbeitsabläufe integriert werden, andererseits verfügt das Werkzeug über eine grafische Benutzungsoberfläche und ist – ohne jegliche Installation – als ausführbare Datei nutzbar.

Die Software ist modular aufgebaut und kann unkompliziert erweitert oder angepasst werden. Die darauf aufbauende Benutzeroberfläche erlaubt die Durchführung typischer Arbeitsabläufe (Import von Daten, Modellaufbau, einfache Simulationen, Kalibrierung, grafische Darstellung, Export von Ergebnissen). Gängige Verweilzeitverteilungen sind integriert und können parallel verwendet werden; die Kalibrierung entsprechender Parameter ist über lokale und globale Optimierungsalgorithmen sowie über einen Bayes’schen Ansatz möglich.

Wir demonstrieren die Funktionsfähigkeit von ISOSIMpy exemplarisch anhand von kurzen Szenarien und diskutieren Potenziale sowie Grenzen hinsichtlich Datenverfügbarkeit, Modellannahmen und Nutzungsfreundlichkeit. Abschließend reflektieren wir, wie Open-Source-Softwaremethoden im Wassersektor den Transfer von Forschung zu Praxis sowie die Ausbildung nachhaltig fördern können.

Trinkwasser steht in Deutschland flächendeckend zur Verfügung. Lokale oder regionale Wasserversorger sind für die Gewinnung des Trinkwassers verantwortlich. Das Trinkwasser wird dabei je nach regionalen Gegebenheiten, Verbrauch und geologischen Untergrund auf vielfältige Weise in Deutschland gewonnen. Neben den einfachen Grundwasserbrunnen gibt es auch Trinkwassergewinnung aus Quellfassungen, Oberflächengewässern, u.a. Bodenseewasser und Talsperren, Uferfiltrat und Grundwasseranreicherungen. Aufgrund von zunehmendem Wassermangel oder regionalen Gegebenheiten werden einzelnen Trinkwassergewinnungsarten in unterschiedlicher Weise mit einander kombiniert, was in Zukunft noch an Bedeutung gewinnen wird.

Zur Herkunftsbestimmung von Gebäude-Wasserschäden wird das Schadwasser isotopisch mit dem örtlichen Leitungswasser abgeglichen, um zu untersuchen, ob der Wasserschaden auf Leitungswasser zurückzuführen ist. Hierdurch ist eine große Datenbank mit Isotopenwerten von Sauerstoff-18 und Deuterium von Leitungswässern aus Deutschland entstanden. Die Daten dienen nicht nur als Referenzwerte für die Herkunftsbestimmung von Wasserschäden, sondern liefern auch für andere hydrologische und hydrogeologische Fragestellungen wichtige Informationen.

Anhand der Isotopenwerte der Leitungswasser-Datenbank können unterschiedlichste Informationen in Bezug auf Trinkwasser und deren Quellen gewonnen werden. Sie zeigt z.B. auf, dass an Hand der Isotopenwerte die Trinkwassergewinnungsarten unterschieden werden können, aber auch wie groß oder klein Variationen in der Isotopensignatur zwischen einzelnen Wassergewinnungsarten und damit Wasserkörpern (z.B. Grundwasser, Talsperre, Bodensee, Flüsse) sind. Auch Unterschiede oder Veränderungen von einzelnen Grundwasserkörpern in einer Region können durch diese untersucht werden oder als Referenzen für die Auswertung von Grundwasseraltersdatierungen herangezogen werden.

Die Tiefbrunnen Luxemburgs sind weitesgehend frei von Pestizidkontamination, was im starken Kontrast zu den oberflächennahen Quellwasserfassungen des Landes steht, wo die Konzentrationen von Pestizidmetaboliten mehrere hunderte Nanogramm pro Liter erreichen können. Weil diese Tiefbrunnen von mächtigen mergelschichten überlagert sind wurde bis jetzt angenommen, dass diese eine langfristige Schutz vor Pestizideinträgen darstellen. Allerdings besteht auch die Möglichkeit, dass ein Pestizidfront sich mit einer Verzögerung von mehreren Jahrzehnten, bedingt durch die Entfernung zwischen Neubildungsflächen und Brunnen, auf die Brunnen hinbewegt. Die Antwort auf diese Frage ist für die Wasserversorger relevant, um entscheiden zu können, ob zusätzliche Pestiziduntersuchungen Gradientaufwärts von den Brunnen durchgeführt, beziehungsweise, ob Aufbereitungsanlagen schon geplant werden sollen.

In der Isotopenhydrologie wird diese Verzögerung üblicherweise mit einem sogenannten "Piston-Flow" Model abgeschätzt. Da aber die Tritiumdaten nicht ausreichend waren, um zwischen zwei Modellen mit einer jeweiligen Piston-Flow Zeit von weniger als fünf Jahre und dreissig Jahren zu unterscheiden, wurden 2024 eine Krypton-85 Beprobungskampagne durchgeführt. Krypton-85 ist als Zusatztracer zu Tritium besonders interessant, weil die zeitliche Entwicklung der Atmosphärischen Aktivitäten gegenläufig sind (abnehmend für Tritium und zunehmend für Krypton-85).

In diesem Beitrag wird gezeigt, wie eine einzige Krypton-85 Messung die Unsicherheit der Tritiummodellierung weitesgehend ausheben kann.

Lysimeter sind Messsysteme zur Bestimmung von Bodenwasserhaushaltsgrößen wie Grundwasserneubildung und Evapotranspiration. Der Einsatz von Lysimetern ist durch ein hohes Maß an technischen, räumlichen und zeitlichen Aufwand geprägt. Entsprechend ist es wichtig bei der Wahl des Messgerätes und des Bodeninhaltes die Voraussetzungen sowie Unterschiede verschiedener Aufbauten zu kennen.

In der Literatur wird nicht zwischen wägbaren und nicht wägbaren Durchflusslysimetern unterschieden (Singh et al. 2017, Shahrajabian and Sun 2024). An einem Standort der BfG nahe Koblenz (Insel Niederwerth) wird beispielhaft gezeigt, dass wägbare und nicht wägbare Durchflusslysimeter Unterschiede in ihrer Sickerwassermenge sowie der Zusammensetzung der stabilen Wasserisotope aufweisen. Es stellt sich somit die Frage für die Forschung, ob und wie weit die Ergebnisse dieser Lysimetertypen als vergleichbar angesehen werden können. Weiterhin stellt sich die Frage, ob es möglich ist, anhand der Ergebnisse der Isotopie des Bodenwassers Rückschlüsse auf unterschiedliche Bodentypen zu ziehen und inwieweit eine Charakterisierung möglich ist.

In dieser Studie werden mit Hilfe der stabilen Wasserisotope die young water fraction sowie Evaporationseinflüsse an den wägbaren und nicht wägbaren Lysimetern ermittelt und verglichen. Weiterhin werden die unterschiedlichen Bodentypen verglichen (Auelehm (A), Lösslehm (L), Hochflutsand (H) und verlehmter Bims (B)). In den wägbaren Systemen zeigten sich niedrigere Jahressickerwassermengen als in den nicht wägbaren (z.B. A wägbar 4015 ml und nicht wägbar 5829 ml, Mittelwert seit 1995). Im Hinblick auf die isotopische Zusammensetzung des Sickerwassers über ein Jahr betrachtet, fanden sich nach vorläufigen Untersuchungen in den wägbaren Aufbauten leicht abgereicherte Wasserisotopien im Vergleich zu den nicht wägbaren (z.B. Jahresmittelwert für H wägbar -49,6 ‰ δ²H und H nicht wägbar ‑47,5 ‰ δ²H). Im Gegensatz dazu ergaben die berechneten Verdunstungslinien der wägbaren Lysimeter einen größeren Evaporationseinfluss als jene der nicht wägbaren. Bei den untersuchten Bodentypen sind sich die Jahressickerwassermengen seit 1995 relativ ähnlich, ausgenommen des H (wägbar) und B (nicht wägbar) (4015 bzw. 5829 ml (A), 4255 bzw. 6143 ml (L), 5957 bzw. 6128 ml (H), 3862 bzw. 5485 ml (B); jeweils wägbar bzw. nicht wägbar). Auch in der Isotopie gibt es Unterschiede der betrachteten Bodenarten; zum Beispiel zeigt B eine geringe Variabilität der isotopischen Zusammensetzung verglichen mit den anderen Standorten (B: δ¹⁸O = -8,14 bis ‑5,15 ‰ und δ²H = -54,3 bis -40,8 ‰; A: δ¹⁸O = -7,88 bis -0,90 ‰ und δ²H = -57,2 bis ‑23,5 ‰). Im Mittel gibt es hingegen nur recht geringe Abweichungen der stabilen Isotopenergebnisse (Mittelwerte von -6,97 bis -6,27 ‰ für δ¹⁸O und -50,5 bis -47,1‰ für δ²H).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Studie ein praktisches Beispiel zur Anwendung von stabilen Wasserisotopen als Tracer an Lysimetern darstellt und systembedingte Unterschiede der verwendeten Aufbauten aufzeigt, die in zukünftigen Forschungsprojekten berücksichtigt werden sollten.

Singh, G., Kaur, G., Williard, K., Schoonover, J., & Kang, J. (2018). Monitoring of water and solute transport in the vadose zone: A review. Vadose Zone Journal, 17(1), 1-23.

Shahrajabian, M. H., & Sun, W. (2024). A review of lysimeter studies and experiments by considering agricultural production. Journal of Stress Physiology & Biochemistry, 20(2), 114-132.

Das Grubengebäude im ehemaligen Steinkohlenrevier Lugau/Oelsnitz in Sachsen reicht bis in Tiefen von 1200 Metern unter Gelände und unterliegt seit 1971 einer ungesteuerten natürlichen Flutung (Felix 2007). Dieser seit annähernd 55 Jahren anhaltende langsame Flutungsvorgang wird nach bisherigen Prognosen voraussichtlich im Jahr 2032 zu unkontrollierten Wasseraustritten an der besiedelten Tagesoberfläche führen (Kowarik 2019). Dies kann in der Folge ausgedehnte Vernässungsflächen in tiefer gelegenen Ortslagen und qualitative Beeinträchtigungen der Grund- und Oberflächengewässer durch hochmineralisiertes Chlorid-dominiertes Tiefen- bzw. Grubenwässer verursachen (ELF ≈ 34.400 µS/cm). Als fachliche Entscheidungsgrundlage für gegebenenfalls erforderliche Gefahrenabwehrmaßnahmen zur Flutungsregulierung durch das Sächsische Oberbergamt soll zukünftig eine differenzierte Flutungsprognose basierend auf einem detaillierten dreidimensionalen Strömungs- und Stofftransportmodell dienen. Die auf der Basis der Simulationssoftware SPRING realisierte Modellerstellung folgt dabei einem mehrstufigen Konzept, welches ein regionales Bilanzmodell und ein lokales Bergbaumodell mit integriertem Gruben-/Boxmodell einschließt (Seidel 2025). Nach Abschluss der derzeit in Arbeit befindlichen Modellkalibrierung des lokalen Bergbaumodells werden verschiedene Szenarien des Grubenwasseranstiegs simuliert, in Variantenbetrachtungen analysiert und hinsichtlich Aussagesicherheit bewertet, um eine fundierte Entscheidungsgrundlage zu schaffen.

Der Beitrag zur FH-DGGV-Tagung gibt eine Einführung in das komplexe hydrogeologische Wirkungsfeld im ehemaligen Steinkohlenrevier und zum Stand der bisherigen Flutungsprognose (Box-Modell-Ansatz) sowie wichtiger Vorarbeiten und Aspekte, insbesondere zur isotopen- und hydrogeochemischen Charakteristik der Tiefenwässer sowie zum montanhydrogeologischen 3D-Strukturmodell als geometrische Modellgrundlage. Der Hauptteil beschäftigt sich mit den wesentlichen Eckpunkten, Arbeitsschritten und dem aktuell erreichten Stand des Strömungsmodells.

Literatur

Felix, M. et al. (2007): Bergbaufolgen im ehemaligen Steinkohlenrevier Lugau/Oelsnitz unter Berücksichtigung des Grubenwasseranstieges, Abschlussbericht. LfUG, OBA, UBG, RPC, TUBAF.

Kowarik, J. et al. (2018): Erarbeitung inhaltlicher Aspekte für ein Rahmenkonzept zu "Bergbaunachfolgen des ehemaligen Steinkohlereviers Lugau-Oelsnitz/Erzgeb.“, Extrakt und Bericht im Rahmen des EU-Projekts Vita-Min, DMT-Leipzig, DMT GmbH Co. KG.

Seidel, T. et al. (2025): Flutung des ehemaligen Steinkohlenreviers Lugau/Oelsnitz - Zwischenbericht 2 - Aufbau eines numerischen Grundwasserströmungs- und Stofftransportmodells mit Simulation und Prognose des andauernden Flutungsprozesses und Variantenrechnungen für Gefahrenabwehrmaßnahmen, unveröffentlichter Bericht, delta h Ingenieurgesellschaft mbH im Auftrag des LfULG.

Das Hessische Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG) leistet im Bereich der Hydrogeologie einen wesentlichen Beitrag für den vorsorgenden Grundwasserschutz, der einen zentralen Baustein in der allgemeinen Daseinsvorsorge bildet. Vor dem Hintergrund der Auswirkungen sich verändernder Nutzungsanforderungen und des Klimawandels gewinnen Fachfragen zu den hydrogeologischen Eigenschaften des Untergrundes, zu Grundwasserhaushalt und -bewirtschaftung, zur Grundwassererschließung, zur geothermischen Nutzung und zu Beschaffenheitsänderungen des Grundwassers weiter an Bedeutung für unsere Zukunft. Das HLNUG schafft hierzu notwendige hydrogeologische Grundlagendaten, berät Entscheidungsträger in Verwaltung, Wirtschaft und Politik und informiert die Öffentlichkeit.

Eines der herausragendsten Themen ist das umfassende Systemverständnis für den wichtigsten Porengrundwasserleiter Hessens, der aus dem Hessischen Ried und der Untermainebene besteht. Hier kommt es zunehmend zu Konflikten zwischen dem Schutz und der Gewinnung des Grundwassers als Trinkwasser und weiterer Nutzungen wie Kies- und Sandabbau, Siedlungs- und Infrastrukturausbau, landwirtschaftlicher Bewirtschaftung wie z. B. durch zusätzliche Entnahmen oder Naturschutzmaßnahmen wie z. B. der Renaturierung von Bächen.

Für das Hessische Ried und die nördlich und östlich anschließende Untermainebene wurden mathematische Modelle erarbeitet, um die Geologie auf der Grundlage ihrer bekannten Lithologie und unterschiedlichen Genese adäquat dreidimensional abzubilden und für das hydrogeologische Strukturmodell aufzubereiten. Hierzu besteht eine produktive Kooperation mit dem Institut für Angewandte Geowissenschaften der TU Darmstadt. Das Strukturmodell bildet das geometrische Grundgerüst des Strömungsmodells.

Parallel wird, gemeinsam mit benachbarten Bundesländern im Rahmen der KLIWA-Kooperation, ein Bodenwasserhaushaltsmodell u. a. zur Berechnung der Grundwasserneubildung betrieben. Die Nutzung dieser Ergebnisse hat in den letzten Jahren zu Erkenntnissen geführt, welche wiederum im Parametermodell verarbeitet wurden.

Neben der mit dem Bodenwasserhaushaltsmodell berechneten Grundwasserneubildung finden auch die aufbereiteten Entnahme- und Infiltrationsmengen sowie Daten zu Vorflutern Eingang in das Grundwasser­strömungs­modell.

Der Modellaufbau erfolgte mit der modflowbasierten Software iMOD, die den Austausch von Daten erleichtert.

Im Vortrag werden das hydrogeologische Modell sowie auch die Eingangsdaten für das Parametermodell des numerischen Modells und die Bearbeitungsschritte vorgestellt.

Die Ressource Grundwasser sieht sich in Niedersachsen steigenden Herausforderungen und Anforderungen (Auswirkungen des Klimawandels, demografische Entwicklung, etc.) gegenüber, die sich bereits heute und zukünftig auf den Wasserbedarf und das verfügbare Grundwasserdargebot auswirken und zu einer Erhöhung des Nutzungsdruckes auf die Ressource Grundwasser beitragen. Das Wasserversorgungskonzept Niedersachsen und der „Mengenbewirtschaftungserlass“ dienen dem übergeordneten Ziel der langfristigen Sicherstellung der niedersächsischen Wasserversorgung. Die bestehende Methodik berücksichtigt bislang keine Interaktion zwischen Grundwasser und Oberflächengewässern und keinen Grundwasseraustausch im Untergrund.

Das Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie erstellt derzeit das landesweite 3D-Grundwasserströmungsmodell STELLAR für Niedersachsen mit MODFLOW 6. Aufgebaut wird ein stationäres Grundwasserströmungsmodell, welches einen mittleren Zustand darstellen soll. Das Grundwasserströmungsmodell auf Landesebene soll hierfür als Weiterentwicklung des fachlichen Planungsinstruments zur Erreichung dieser übergeordneten Ziele dienen. Die Ergebnisse des Modells sind entscheidend für ein ganzheitliches Verständnis des Wasserhaushalts in Niedersachsen. Systematisch werden verschiedene hydrogeologische und wasserwirtschaftliche Daten einheitlich miteinander verknüpft, um landesweit vollständige Bilanzen und Grundwasserinformationen bereit zu stellen. Alle benötigten Eingangsdaten werden für die Verwendung im Modell bei den datenhaltenden Stellen angefragt.

Als Ergebnis werden neben Grundwasserständen, Grundwasserflurabständen und dem großräumigen Fließverhalten, Bilanzen zwischen Grundwasser­körpern, zwischen dem Oberen und dem Unteren Hauptgrundwasserleiter sowie zwischen dem Grundwasser und Gewässern für das landesweite Grundwassermengenmanagement zur Verfügung stehen. Dabei werden die Ergebnisse auch für die Allgemeinheit auf dem NIBIS® KARTENSERVER zentral und kostenfrei zum Download bereitgestellt werden.

Im Geologischen Dienst von Schleswig-Holstein (GD) werden regionale Grundwasserströmungsmodelle als fachliche Grundlage für die Beurteilung hydrogeologischer Fragestellungen verwendet. Dabei fließen großräumige Modelle, die selbst oder in Kooperationen zwischen Wasserversorgern oder Kreisen und dem GD erstellt werden, in die Datenbasis des GD und damit in die hydrogeologische Landesaufnahme ein (Stoepker und König 2022). Alle Modelle werden nach einer standardisierten Methodik, festgelegt im Leitfaden zur Ausweisung von Wasserschutzgebieten (LfU 2023), erstellt. Durch einheitliche Vorgaben in der Methodik des Modellaufbaus, z.B. hinsichtlich der räumlichen Diskretisierung, der zu verwendenden Datengrundlagen oder der Software, können Modelle aus der Datenbasis des GD für zukünftige Fragestellungen einfach kombiniert, erweitert, verfeinert oder aktualisiert werden.

Aktuelle Anwendungen sind z.B. Ansätze zur Ermittlung möglicher Auswirkungen des Klimawandels auf die Grundwasserhydraulik mittels regionaler Grundwasserströmungsmodelle. Erste Berechnungen zur Abschätzung des Einflusses möglicher zukünftiger Veränderungen der Grundwasserneubildung (GWN) auf Grundwasserstände und ‑bilanzen werden derzeit am Beispiel eines regionalen Strömungsmodells mit einer Flächengröße von ca. 250 km² in einem wasserwirtschaftlich intensiv genutzten Großraum durchgeführt. Für die Berechnungen wird u.a. ein nach dem mGROWA‑Verfahren modellierter Datensatz zu projizierten flächendifferenzierten Veränderungen der GWN für verschiedene Klima‑Ensembles bis zum Jahr 2100 verwendet (u.a. McNamara et al. 2025).

Für erste stationäre Berechnungen wurden die klimasensitiven Randbedingungen wie Vorflutereigenschaften, Meeresspiegelhöhe und Entnahmen nicht verändert. Unter diesen Einschränkungen wurden für eine Sensitivitätsanalyse Zunahmen der GWN von bis zu 100 % und Abnahmen von bis zu 25 % betrachtet. Im Mittel ergaben sich im wasserwirtschaftlich genutzten Hauptgrundwasserleiter Anstiege des Grundwasserstands von bis zu 2,3 m bzw. Abnahmen von bis zu 0,6 m. Eine erste Abschätzung der grundwasserbürtigen Abflüsse in den Vorflutern zeigte, dass die Abflüsse abhängig von der GWN im Mittel um 58 % zu‑ bzw. um 18 % abnahmen.

Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass zukünftige Veränderungen der GWN einen erheblichen Einfluss auf die Grundwasserdynamik haben können. Grundsätzlich nimmt in Schleswig‑Holstein die Anwendung regionaler Strömungsmodelle für Fragestellungen zu zukünftigen Änderungen des Grundwasserdargebots zu. Die in Schleswig‑Holstein standardisierte Methodik erlaubt Vereinfachungen bei der Auswertung von Grundwasserständen und der Erstellung von Wasserbilanzen.

LfU (2023): Leitfaden zur Ausweisung von Wasserschutzgebieten in Schleswig-Holstein. Landesamt für Umwelt des Landes Schleswig-Holstein - Geologischer Dienst: 106 S. https://www.schleswig-holstein.de/DE/fachinhalte/G/grundwasser/Downloads/leitfadenAusweisungWSG.pdf?__blob=publicationFile&v=1

McNamara, I., Wolters, T., König, B., Rugen, A. L., Toro, M., Flörke, M., Wendland, F. (2025): Modelling the impacts of climate change on groundwater recharge patterns in northern Germany. Journal of Hydrology: Regional Studies, 60, 102507. https://doi.org/10.1016/j.ejrh.2025.102507

Stoepker, K., König, B. (2022): Wechselseitige Datenoptimierung zwischen dem Geologischen Dienst und Wasserversorgern - Erfahrungen bei der hydrogeologischen Modellierung in Schleswig‑Holstein. FH‑DGGV Schriftenreihe 3: 75-77, Karlsruhe

Das Hessische Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG) erstellt im Rahmen der hydrogeologischen Landesaufnahme Systembeschreibungen für die hydrogeologischen Teilräume Hessens. Vorgestellt wird hier der hydrogeologische Teilraum „Fulda-Werra Bergland und Solling“. Dieser Teilraum umfasst eine der größten Flächen im Norden und Osten Hessens und gehört größtenteils zu dem geologischen Strukturraum der Osthessischen Buntsandsteinscholle. Ein charakteristisches Merkmal des Gebietes ist seine, durch tektonische Beanspruchung verursachte, Zerlegung in ein Bruchschollenmosaik sowie die Ausbildung zahlreicher Grabensysteme. Darüber hinaus spielt Subrosion (unterirdische Lösungsverwitterung) eine zentrale Rolle für die geomorphologische Entwicklung. Insbesondere durch Lösung von Zechsteinsalzen im tieferen Untergrund kommt es zu Ausbildung von Erdfällen und Subrosionssenken. Dabei markiert der sogenannte Salzhang die Grenze zwischen vollständig ausgelaugten und noch vollständig erhaltenen Zechsteinsalzen. Er verläuft zentral durch das Gebiet. In Arealen mit noch vorhandenem Salzvorkommen treten bruchtektonische Erscheinungen deutlich schwächer in Erscheinung. Zur Trinkwassergewinnung werden überwiegend Kluftgrundwasserleiter des Unteren und Mittleren Buntsandsteins genutzt. Sie führen in der Regel gering mineralisierte, silikatische Wässer. In den unterlagernden Schichten des Leine-Karbonats [zLCA] treten höher mineralisierte Zechsteinwässer auf, die unter anderem auch als Heil- und Mineralwässer genutzt werden. Stellenweise diente das Leine-Karbonat in der Vergangenheit der Versenkung von Salzabwässern. Das Leine-Karbonat wird (bis zum Buntsandstein) von gering durchlässigen Schichten aus pelitischen, gebietsweise auch sulfatischen Gesteinen des oberen Teils der Leine- sowie von der Aller- bis Fulda-Formation überdeckt, wodurch teilweise stark gespannte geohydraulische Druckverhältnisse vorliegen können. In Folge von Leckagen (z.B. entlang von Grabenrändern) kann es zu einem Aufstieg von höher mineralisiertem Grundwasser in den zur Trinkwassergewinnung genutzten Unteren und Mittleren Buntsandstein kommen. Für die in diesem hydrogeologischen Teilraum verkommenen Grundwasserleiter werden aktuelle Daten zu den hydraulischen und hydrochemischen Eigenschaften sowie Erkenntnisse aus neuen Untersuchungen zu Spurenstoffen und Isotopen dargestellt. Darüber hinaus werden aktuelle Daten zur Grundwasserneubildung mithilfe des am HLNUG verwendeten Bodenwasserhaushaltsmodells inklusive eines Stresstestszenarios präsentiert und mit Ergebnissen aus Abflussmessungen verglichen. Zudem werden Daten zur Grundwasserbewirtschaftung, etwa zur Gewinnung von Trink-, Mineral- und Heilwasser, zur Schutzfunktion der Grundwasserüberdeckung sowie zu anthropogenen Einträgen ins Grundwasser dargestellt. Die vom HLNUG aufgearbeiteten Daten und Darstellungen sollen als Bericht in der Schriftenreihe „Grundwasser in Hessen“ veröffentlicht werden und sind wichtig für Behörden, Wasserwirtschaft, Wissenschaft sowie Planungs- und Ingenieurbüros und unterstützen bei der effektiven, umweltschonenden und nachhaltigen Bewirtschaftung des Grundwassers.

Für die Schweiz wurde ein Grundwassertemperaturdatensatz von 92 Messstellen bestehend aus Quellen Piezometern und Entnahmebrunnen ausgewertet von 1990 bis Anfang 2025. Die Trends wurden mithilfe nicht-parametrischer Verfahren sowie linearer Regression analysiert und durch saisonale und hydrogeologische Metainformationen ergänzt.

Die Ergebnisse zeigen, dass an fast allen Stationen eine signifikante Erwärmung des Grundwassers nachweisbar ist. Seit den 1990er-Jahren nehmen die Abweichungen vom Mittelwert kontinuierlich zu, wobei die 2020er-Jahre die wärmsten im gesamten Beobachtungszeitraum darstellen. Etwa 52 % der Stationen weisen signifikante Trends auf, mit Erwärmungsraten im Bereich von 0.2–0.8 K pro Dekade. Saisonale Analysen zeigen, dass die Erwärmung in allen Jahreszeiten auftritt, jedoch unterschiedlich stark ausgeprägt ist. Der Vergleich mit Lufttemperaturen verdeutlicht, dass die Luft in zwei Dritteln der Fälle stärkere Trends zeigt als das Grundwasser; gleichzeitig dokumentieren Zeitverschiebungen und Dämpfungseffekte die thermische Trägheit des Untergrundes. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf Fließwege, Retardationsfaktoren und Aufenthaltszeiten in Aquiferen ziehen. Zusätzlich wurden Einflüsse von Standortfaktoren (z. B. Aquifertyp, Landnutzung, Mächtigkeit der ungesättigten Zone, Höhenlage, Schneetage) untersucht, die die Heterogenität der Trends erklären. Die Studie zeigt, dass die Erwärmung des Grundwassers in der Schweiz ein flächendeckendes Phänomen ist, das eng mit dem Klimawandel verknüpft ist, jedoch durch lokale hydrogeologische Eigenschaften moduliert wird. Dies hat weitreichende Implikationen für Trinkwasserversorgung, Ökosystemschutz und die Nutzung geothermischer Ressourcen.

Die Entwicklung der zukünftigen Grundwassertemperaturen hat ökologische und ökonomische Bedeutung. Zum Beispiel wirkt sich die Grundwassertemperatur direkt auf den Lebensraum für viele Organismen aus. Indirekt hat die Grundwassertemperatur einen Einfluss auf die Qualität des Grundwassers. Darüber hinaus wird durch die Vorlage eines Gesetzesentwurfs „zur Beschleunigung des Ausbaus von Geothermieanlagen, Wärmepumpen und Wärmespeichern sowie zur Änderung weiterer rechtlicher Rahmenbedingungen für den klimaneutralen Ausbau der Wärmeversorgung“ (Bundestagsdebatte vom 09.10.2025) durch die Bundesregierung klar, dass auch die thermische Bewirtschaftung des Untergrunds in Zukunft vermehrt angestrebt wird.

Die Wärmeausbreitung von den oberen Bodenschichten bis zur Grundwasseroberfläche wird u.a. durch den Wasserhaushalt in der ungesättigten Zone beeinflusst. Prognosen zur Entwicklung von Boden- und Grundwassertemperaturen profitieren daher von Modellen, die den Wärme- und Wassertransport gekoppelt simulieren können. In dieser Studie wurde das Wärmemodul von HYDRUS-1D verwendet, um die Temperaturveränderungen im Boden bis zum Grundwasser unter dem Einfluss des Klimawandels zu simulieren.

Die Ergebnisse der Bodenwasserhaushaltssimulationen für ein Trinkwassergewinnungsgebiet in Nordrhein-Westfalen zeigen konkret wie Grundwassertemperaturen durch Landnutzung und klimatische Veränderungen beeinflusst werden.

Rising groundwater temperatures (GWT) represent an emerging challenge, with broad potential consequences for groundwater quality and dependent ecosystems (Neidhardt & Shao, 2023). In this context, we require additional monitoring strategies capable of tracing groundwater warming at local to regional scales. Traditional monitoring networks, while highly accurate, remain spatially sparse and resource intensive. Remote-sensing derived land surface temperature (LST) represents a promising proxy for GWT, as shallow groundwater is strongly influenced by surface temperatures. Yet, the applicability of satellite-derived LST time series to monitor GWT has not been fully tested.

Here we test whether monthly mean LST values can be used as a reliable proxy for shallow GWT dynamics in the Upper Rhine Graben. We combine GWT time series data (provided by the State Institute for Environment Baden-Württemberg, LUBW), air temperature (AT) records from four DWD climate stations and LST data from the MODIS Terra satellite system. The observation period spans from November 2016 to April 2022. GWT observations were restricted to 18 monitoring wells, in which seasonal signals were visible to a depth of 14 m. Monthly mean GWT were compared to both, AT and LST, considering well-specific phase shifts of 2 to 8 months resulting from thermal damping.

The results reveal strong positive correlations between GWT and both, AT and LST for 15 wells that are characterized by distinct seasonal temperature signals (Pearson correlation coefficients r _{GWT, LST} of +0.58 to +0.93, median: +0.82). Despite variability in depth and hydrogeological context, the majority of wells showed consistent positive correlations, suggesting a robust link between LST and GWT. Respective RMSE values averaged ~1.5 K across all wells, but dropped below 0.3 K for the best-performing wells (Alber et al., accepted). The results are consistent with previous studies that have demonstrated global-scale correlations between GWT and LST, but extend our knowledge by showing that monthly mean LST values can detect groundwater warming patterns at the local to regional scale, when phase shifts are accounted for. Limitations arise for greater depths (here: >14 m), where seasonal signals vanish. Furthermore, local factors (e.g., urban heat islands, aquifer thermal energy storage, groundwater extraction) can distort the LST-GWT relationship. Thus, calibration with in situ monitoring data remains essential.

In sum, satellite-derived LST on a monthly basis can be applied as a practical, globally available and also cost-effective proxy for monitoring GWT dynamics in shallow aquifers. Here, not only long-term warming trends but also seasonal variations can be captured, offering a more responsive monitoring tool compared to decadal or annual averages. As such, LST-based data can serve as early-warning indicator for warming of shallow groundwater, triggering targeted on-site measurements where risks to water quality or ecosystems are suspected.

Literature:

- Alber Amanda, Braun Andreas, Neidhardt Harald (accepted for publication): Raumzeitliche Zusammenhänge zwischen Oberflächentemperaturen und Grundwassertemperaturen im Oberrheinischen Tiefland - Anwendungsmöglichkeiten von Fernerkundungsdaten. Grundwasser

- Neidhardt Harald, Wen Shao (2023): Impact of climate change-induced warming on groundwater temperatures and quality. Applied Water Science 13.12: 235.

Groundwater temperatures (GWT) reflect the interactions between climate, geological conditions, and human influence. Changes in the thermal conditions of shallow aquifers can have far-reaching consequences, including altered groundwater quality, increased geothermal potential, and threats to groundwater-dependent ecosystems. Both anthropogenic infrastructure and climate change affect the thermal conditions of groundwater. However, there is still a lack of studies that examine the impacts of built environments on groundwater temperatures at large spatial scales, particularly regarding their seasonality.

Therefore, this study updates an existing global dataset with the newest groundwater temperature observations collected at governmental levels, focusing for the first time not only on annual mean temperatures but also on their seasonal variation.

After calculating temperature anomalies (i.e., identifying deviations from expected thermal patterns), we first link these data to local climate zones (LCZ). LCZs are the state-of-the-art urban land cover classification that describes the impact of the (built) environment on local temperatures. Developed initially with a focus on air temperatures, we find a strong relationship between LCZs and GWT as well. Particularly, sites in compact high-rise locations are on average +2.8 °C warmer than their surroundings, and sites in heavy industry even +4.0 °C (see attached figure).

Furthermore, time series from various wells are analysed to determine the extent to which the seasonal development of GWT follows the atmospheric signal or is superimposed by other—particularly anthropogenic—influences. This analysis provides insights into regional and global patterns of subsurface heat dynamics and their drivers. First results reveal a significant impact of non-atmospheric factors on groundwater thermal regimes at many urban and non-urban locations.

Grundwasserfauna ist eine wichtige Komponente unterirdischer aquatischer Ökosysteme. Ihr Lebensraum wird im urbanen Raum neben den hydrogeologischen Bedingungen auch von Stressoren wie erhöhten Grundwassertemperaturen und Sauerstoffverarmung beeinflusst. In welchem Ausmaß sich diese abiotischen Faktoren auf das Vorkommen und die Diversität der Invertebraten-Gemeinschaft unter Städten auswirken, ist jedoch bisher unzureichend erforscht.

Um urbane Einflussfaktoren zu erfassen und diese gegen hydrogeologische Gegebenheiten abzuwägen, wurden in fünf Messkampagnen abiotische und faunistische Daten an 91 Grundwassermessstellen in Halle (Saale) erhoben. Dabei wurden sowohl der Stadtbereich als auch das ländliche Umland untersucht. Die hydrogeologischen Bedingungen der Stadt sind aufgrund der geologischen Vielfalt im oberflächennahen Stockwerk äußerst variabel, mit verschiedenen Aquifertypen verteilt auf zahlreiche hydrostratigraphische Einheiten.

Der urbane Gradient ist gekennzeichnet durch erhöhte Temperaturen (> 12 °C) im Stadtzentrum, während Unterschiede in gelöstem Sauerstoff (DO) und gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) sowohl urbane als auch hydrogeologische Einflüsse widerspiegeln. Die regional variierende Zusammensetzung der faunistischen Gemeinschaften deutet ein räumliches Muster an. Dieses reflektiert jedoch weder die Gegensätze zwischen Stadt und ländlichem Umland noch die unterschiedlichen Aquifertypen. Bestimmender für die Faunenzusammensetzung in den oberflächennahen Aquiferen Halles waren die hydraulische Leitfähigkeit und der Grundwasserflurabstand. Crustacea wurden vorrangig in Messstellen mit einem Grundwasserspiegel von weniger als 6 m gefunden, während in Messstellen mit einem tieferen Grundwasserspiegel Würmer dominierten.

Die Abundanz und die Anzahl der taxonomischen Großgruppen der Stygofauna weisen signifikante, wenn auch schwache Korrelationen mit Redox-relevanten Parametern (DO, Eh, NH₄⁺, NO₃⁻, DOC) auf, wobei höhere DO-Konzentrationen tendenziell mit einer größeren Abundanz und Vielfalt einhergehen. Diese zeigen zudem eine schwach negative Korrelation mit der Temperatur, welche sich insbesondere in der Überlagerung mit niedrigen DO-Konzentrationen verstärkt.

Diese Ergebnisse zeigen, dass die Bewertung komplexer urbaner Grundwasserökosysteme integrative Ansätze erfordert, die die Wechselwirkungen zwischen abiotischen und biotischen Faktoren im Kontext des jeweiligen hydrogeologischen Settings berücksichtigen.

In dem rd. 1.200 km² großen Hessischen Ried (rd. 6 % der Fläche Hessens) wird rd. ein Viertel des hessischen Trinkwassers gewonnen. Damit spielt dieser landwirtschaftlich geprägte Raum eine außergewöhnlich wichtige Rolle für die Wasserwirtschaft und die Versorgung der Metropolregion Frankfurt/Rhein-Main.

Als Teil des Oberrheingrabens stellen die gut durchlässigen quartären Sedimente, welche durch bindige Schichten (Tonhorizonte) in mehrere Grundwasserstockwerke unterteilt sind, den wasserwirtschaftlich genutzten Grundwasserleiter dar.

Das ursprünglich nasse (sumpfige) Ried war seit dem 19. Jahrhundert starken Veränderungen unterworfen und wurde durch die Rheinbegradigung sowie die Trockenlegung im Zuge des Generalkulturplans (zur Gewinnung landwirtschaftlicher Nutzflächen) stark überprägt.

Der steigende Wasserbedarf der Metropolregion Rhein-Main führte bereits ab den 1970er Jahren zu erheblichen Auswirkungen auf den Grundwasserstand und damit einhergehenden Konflikten, welchen mit der Gründung des Wasserverbands WHR und der Umsetzung eines Systems zur Steuerung der Grundwasserstände entgegengewirkt wurde. Durch Infiltration von aufbereitetem Rheinwasser werden die Grundwasserstände im Hessischen Ried seit vielen Jahren stabilisiert.

Weiterhin stellt die Qualität des Grundwassers im Hessischen Ried eine der größten Herausforderungen dar. Zum einen belastet die intensive landwirtschaftliche Nutzung die Grundwasserqualität durch Nitrat- und Pflanzenschutzmitteleinträge stark, zum anderen ist der Abwasseranteil der überwiegend abflussarmen Fließgewässer im Hessischen Ried häufig sehr hoch. Durch die Interaktion von Oberflächen- und Grundwasser kommt es zu einem Eintrag von z. B. Spurenstoffen, der stellenweise durch die Absenkung des Grundwassers verstärkt werden kann.

Zahlreiche Untersuchungen (u. a. zu Auswirkungen des Klimawandels, Entwicklungen der Landwirtschaft, Quantifizierung des Nitratabbauvermögens der Grundwasserleiter etc.) konnten bereits wichtige Erkenntnisse für die anstehenden Herausforderungen liefern. Aktuell wird in einem Verbund von Forschungseinrichtungen und relevanter regionaler Akteure ein Wassersystemmodell (WaRM) erarbeitet, welches einen Wasser- (Quantität und Qualität) mit einem Policy-Modellierungsansatz verbinden soll.

Ein besonderer Fokus liegt dabei auch auf Transport- und Stoffumsetzungsprozessen. Hierzu wurden u. a. hochauflösende Monitoringstationen auf landwirtschaftlichen Flächen und ein Versuchsstandort zur Untersuchung der Oberflächen- und Grundwasserinteraktion errichtet. Ziel ist es, aufbauend auf der Integration hydrologisch-hydrochemischer Modelle das Zusammenspiel von Wasserdargebot, Nutzungen und Maßnahmen unter verschiedenen Wandel-Szenarien besser abzubilden, um eine Grundlage für effektive Lösungsansätze bspw. durch die Ausweisung von Maßnahmengebieten für die Landwirtschaft zu liefern.

Nutzung von Synergien und Mehrwerte im landwirtschaftlichen Kooperationsmanagement
Der Aufbau und Erhalt von Humus (organischer Kohlenstoff im Boden) ist von zentraler Bedeutung für die Erhaltung und Steigerung der Bodenfruchtbarkeit und -produktivität. Angesichts der Auswirkungen des Klimawandels, wie beispielsweise Wasserknappheit, steigende Wärmesummen, extreme Wetterereignisse und sich verändernde Vegetationsperioden, die auch den bisher erreichten Erfolgen im Grundwasserschutz deutlich entgegenwirken, ist die Verbesserung der Widerstandsfähigkeit landwirtschaftlicher Flächen besonders wichtig.

Die Integration nachhaltiger, langfristiger Maßnahmen zum Erhalt und Aufbau von Humus in die landwirtschaftliche Praxis ist daher der Schlüssel, um sowohl den erhöhten Klimastress als auch das Produktionsrisiko zu mindern. Dies liegt zwar im ureigenen Interesse der Landwirte, doch die wirksame Umsetzung von humusfördernden Maßnahmen ist kostspielig, komplex und zeitaufwändig. Daher ist sie unter den derzeitigen wirtschaftlich schwierigen Rahmenbedingungen ohne Unterstützung – auch ergänzend durch privatwirtschaftliche bzw. gesellschaftliche Unterstützung – kaum realisierbar.

Die gemeinnützige Organisation CO2 Land e.V. mit Sitz im Oberrheintal hat ein ISO-zertifiziertes Programm entwickelt, das Landwirte bei der Anpassung und Umsetzung humusfördernder Maßnahmen berät und unterstützt, den Beitrag der Landwirte zum Humusaufbau (gemessen an gebundenem CO2-Äquivalent) transparent überprüft sowie ihre Bemühungen durch die Vermittlung von Klima-Zertifikaten oder Humusbeiträgen im Rahmen regionaler Partnerschaften honoriert. Seit 2024 ist CO2-Land e.V. auch offizieller Partner der Klimaschutzstiftung des Landes Baden-Württemberg. Mittlerweile wird das Programm in fünf regionalen Clustern in mehreren deutschen Bundesländern sowie in der Schweiz gemäß dem CO2-Land-Standard für Bodengesundheit und Humusbildung umgesetzt.

Anfang 2025 sind wir mit zwei neuen Pilotprojekten gestartet. Eines davon ist eine Zusammenarbeit mit der Trinkwasserversorgung Würzburg GmbH, die bereits seit vielen Jahren landwirtschaftliche Kooperationen in ihren Grundwasserschutzgebieten betreibt. Insbesondere hier verspricht die ergänzende Einführung regionaler, selbstverwalteter Partnerschaften zwischen Wasserversorgung und Landwirtschaft erhebliche Synergien für beide Seiten. Das Ziel, die Widerstandsfähigkeit landwirtschaftlicher Standorte gegenüber dem Klimawandel zu verbessern, führt auch zu einer höheren Intensität und Qualität der Grundwasser-Schutzmaßnahmen, generiert zusätzliche finanzielle und wertschätzende Unterstützung für die Landwirtschaft – auch aus dem Umfeld – und unterstützt das Unternehmen selbst darüber hinaus in seiner eigenen Nachhaltigkeitsentwicklung und -darstellung durch seinen eigenen, regional sichtbaren, transparenten Klimaschutz- und Grundwasserschutzbeitrag.

Im Rahmen des Vortrags werden auf Basis der Grundlagen und Hintergründen, dem CO2-Land- Programm und -Standard insbesondere die Motivation und Form der geplanten Integration
des Klima-Humusprojektes in das zukünftige landwirtschaftliche Kooperationsmanagement der Trinkwasserversorgung Würzburg GmbH vorgestellt; mitsamt den damit verbundenen Chancen und Herausforderungen im aktuellen Umfeld.

Die Untersuchung von Pflanzenschutzmittelrückständen im Grundwasser liefert zentrale Hinweise auf die Wechselwirkungen zwischen landwirtschaftlicher Nutzung und Bewirtschaftung, hydrologischen Prozessen und stofflichen Belastungen. Gleichzeitig stellt die starke Überlagerung verschiedener Einflussfaktoren, von Bewirtschaftungsänderungen über Witterungseffekte bis hin zu Langzeiteinflüssen aus der ungesättigten Zone, eine wesentliche Herausforderung dar. Daher erfordert die Analyse von Monitoringdaten leistungsfähige und effiziente statistische Ansätze. Multivariate statistische Ansätze sind hierbei besonders wertvoll, um komplexe Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zu erfassen und sich überlagernde Prozesse voneinander abzugrenzen.

In diesem Projekt wurden Daten des Sondermessprogramms des Landesamts für Umwelt Schleswig-Holstein mit monatlichen Messungen verschiedener Nährstoffe, verschiedener Pflanzenschutzmittelwirkstoffe und deren Metaboliten an 20 Grundwassermessstellen in landwirtschaftlich geprägten Einzugsgebieten für den Zeitraum 2019–2024 ausgewertet. Die Analyse zielte darauf ab, Zusammenhänge zwischen Landbewirtschaftung, hydrologischen- und meteorologischen Prozessen zu identifizieren. Hierzu wurden Angaben zur Flächenbewirtschaftung, Grundwasserganglinien und meteorologische Variablen herangezogen. Zur Untersuchung der Ursache-Wirkungsbeziehung kamen multivariate statistische Verfahren und Machine-Learning-Ansätze zum Einsatz.

Mittels Support-Vector-Machine Modellen erwies sich die Dynamik des Grundwasserstands als wichtiger Prädiktor für die Stoffkonzentrationen im Grundwasser. Dieser Zusammenhang wurde mittels kanonischer Korrelationsanalyse näher untersucht. Dabei wurden Zeitreihen der Grundwasserdynamik und Stoffkonzentrationen aller Messstellen auf wenige Zeitreihen reduziert, die eine hohe Korrelation zwischen den hydrologischen und grundwasserchemischen Datensätzen aufweisen und einen Großteil der Varianz erklären. Die Analyse offenbarte ausgeprägte saisonale und überjährige Muster sowie eine enge Kopplung zwischen Konzentrationsmustern und Grundwasserganglinien.

Die Ergebnisse zeigen, dass die zeitliche Dynamik der Stoffkonzentrationen im Grundwasser maßgeblich durch die De- und Remobilisierungsprozesse in der ungesättigten Zone geprägt wird. Diese Prozesse überlagern kurzfristige Bewirtschaftungseinflüsse und müssen bei der Interpretation von Monitoringdaten zwingend berücksichtigt werden. Durch den Einsatz geeigneter statistischer Verfahren, wie der kanonischen Korrelationsanalyse, können diese Effekte identifiziert werden. Damit entsteht eine wichtige Grundlage für die Auswertung von Monitoringdaten und die Entwicklung nachhaltiger Bewirtschaftungsstrategien.

Zahlreiche Grund­wasserkörper Europas sind mit hohen Nitratkonzentrationen belastet (UBA, 2024). Isotopen­analysen liefern Rückschlüsse auf die Herkunft des Nitrats, jedoch würde eine vorangegangene Denitrifikation dessen Isotopen­ver­hält­nisse überprägen. Mit Hilfe der N₂-Exzess-Methode (NLWKN, 2012) kann das bereits durch Denitrifikation umgesetzte Nitrat berechnet werden. Durch Kom­bination von Nitratisotopen- und N₂-Exzess-Analysen ist eine belast­barere Be­stim­mung der Herkunft des Nitrats möglich (Boelke, 2002). Im Vortrag wird die An­wen­dung dieser Methodenkombination für Grundwasser­proben aus drei Trink­was­ser­­schutzgebieten vorgestellt. Eine erste Auswertung der Nitratisotopenanalysen nach den Genesebereichen von (Kendall et al.,2007) ergab für die analysierten Nitratkonzentrationen (6- 28 mg/L) eine Herkunft aus Wirtschaftsdünger. Der in den Proben ana­lysierte N₂-Exzess indizierten jedoch, das die ana­ly­sierten Isotopen­signaturen bereits fraktio­n­iert wurden. Die N₂-Exzess-Konzen­trationen wurden zur Berechnung der Nitrat­ein­trags­­konzentrationen NO₃(t₀) bzw. der Isotopenverhältnisse von NO₃(t₀) benutzt. Hierfür wurde ein Isotopenanreicherungsfaktor für die Denitrifikation in sandig-kiesigen Grundwasserleitern aus (Grischek et al., 1998) verwendet. Im Ergebnisse dessen stammte das Nitrat nicht aus Wirtschaftsdünger, sondern aus Mineraldünger bzw. Boden-NH₄ (Abb.1).

Nitrate (NO₃^-) leaching from fertilized soils is a major driver of water quality degradation, contributing to eutrophication and posing risks to human health. Understanding nitrate sources and transformations is crucial for mitigation, as these processes depend on farming practices, climate, and subsurface dynamics. Stable isotopes of nitrate (δ¹⁵N-NO₃^- and δ¹⁸O-NO₃^-) are powerful tools for tracing these dynamics and revealing biogeochemical processes such as nitrification and denitrification. Changes in nitrate isotope composition result from isotope effects, differences in reaction kinetics or equilibrium partitioning due to the tendency of heavier isotopes to react more slowly or fractionate differently than lighter ones. Although isotope effects are typically derived from controlled laboratory experiments, natural systems, marked by variable redox conditions, hydrology, and substrate heterogeneity, can substantially modify them.

To address this gap, we estimated isotope effects in situ through high-resolution monitoring of an agricultural soil profile, combining nitrate, redox, and isotopic measurements with numerical modeling and HYDRUS-based particle tracking. Evidence of nitrification was found in the upper soil horizons, supported by nitrate concentrations above 2.75 mM and δ¹⁵N values (δ¹⁵N = 4.2‰ ± 0.9‰) indicative of a soil nitrogen source, likely derived from immobilized fertilizer. A clear signature of denitrification is observed mainly in the capillary fringe, where nitrate levels drop to 0.004 mM and isotopic shifts follow a linear Δδ¹⁸O:Δδ¹⁵N slope of 0.79. The isotopic effects of nitrification were not well constrained, reflecting the limited ability to resolve parameters under the available data and model structure. In contrast, denitrification shows a median ¹⁵ε_NAR and ¹⁸ε_NAR of 7.77‰ and 5.78‰, respectively. These isotope effects show corresponding variations with redox conditions and display negative tendencies with both temperature change and pH. Lower redox potentials lead to reduced isotope effects, consistent with faster reactions under more reducing conditions. Similarly, within the observed range, higher pH and positive temperature changes correspond to enhanced microbial activity and smaller isotope effects.

Overall, integrating isotopic data with process-based modeling improved the understanding of nitrate transformations and highlighted the environmental controls governing isotopic fractionation in agricultural soils.

Bei der Grundwassersanierung ist das Ziel stets, die ökologisch, ökonomisch und technisch optimale Strategie zu finden. Diese bezieht zunehmend natürliche oder stimulierte biologische Abbauprozesse ein, deren Effizienz und Nachhaltig jedoch sorgfältig geprüft werden müssen. Wird ein relevanter biologischer Schadstoffabbau nachgewiesen, können kostengünstige und umweltfreundliche Sanierungsoptionen umgesetzt werden. Die Bewertung von biologischen Abbauprozessen stellt daher einen zentralen Bestandteil moderner Standortuntersuchungen dar.

Am Beispiel eines ehemaligen großindustriellen Standorts, bei dem eine erhebliche Grundwasserbelastung mit organischen Schadstoffen wie BTEX, polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) und chlorierten Ethenen vorliegt, wird die Kombination innovativer Untersuchungsmethoden vorgestellt, mit denen wesentliche Parameter zur Bewertung von Schadstoffabbauprozessen bestimmt werden. Hierzu zählen die komponentenspezifische Isotopenanalyse (CSIA) sowie molekularbiologische Untersuchungen mittels quantitativer PCR (qPCR) zur Bestimmung taxonomischer und funktionaler Gene. CSIA liefert eindeutige Aussagen zur Quellencharakterisierung durch isotopische Fingerabdrücke und erlaubt gleichzeitig den quantitativen Nachweis des biologischen oder chemischen Abbaus, da Änderungen der Isotopenverhältnisse direkt mit Abbauprozessen verknüpft sind. Ergänzend zeigen qPCR-Analysen die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften und die Verteilung spezifischer funktioneller Gene, wodurch charakteristische Zonen mit erhöhtem Abbaupotenzial identifiziert werden können.

Anhand der Ergebnisse konnten drei distinkte Schadstoffquellen abgegrenzt und nachhaltige natürliche Abbauprozesse sowohl in den Quellbereichen als auch in der Grundwasserschadstofffahne nachgewiesen werden. Die aus CSIA-Daten und qPCR-Ergebnissen abgeleiteten Abbauraten wurden in ein numerisches Standortmodell integriert, um die zukünftige Ausbreitung der Schadstofffahne im Grundwasser zu prognostizieren. Zur Bewertung der Wirksamkeit einer möglichen aeroben Biostimulation als Nachbehandlungsoption wurden zusätzlich Laboruntersuchungen unter stimulierten Bedingungen durchgeführt. Mit hochsensitiven ¹³C-Mikrokosmosstudien konnte die vollständige Mineralisierung der Schadstoffe über die Anreicherung von ¹³C in Endprodukten (z. B. CO₂, CH₄, Ethen) nachgewiesen und quantifiziert werden. Diese Messungen ermöglichten eine genaue Bestimmung der Mineralisierungsraten unter variierenden Umweltbedingungen.

Basierend auf den gewonnenen Daten wurden standortspezifische Sanierungsszenarien für den kontaminierten Aquifer entwickelt und modellbasiert bewertet. Dabei zeigte sich, dass sowohl ein MNA-Szenario (Monitored Natural Attenuation) als auch ein ENA-Szenario (Enhanced Natural Attenuation mit stimuliertem aeroben Abbau) langfristig zu einer deutlichen Reduktion des Schadstoffmassenflusses im Grundwasser führen können. Der verwendete Multiple-lines-of-evidence-Ansatz (MLEA) ermöglichte die optimale Nutzung der Synergieeffekte der einzelnen Methoden und ihre gegenseitige Validierung.

Das Ergebnis verdeutlicht, dass der natürliche biologische Abbau ein wesentlicher Bestandteil der nachhaltigsten und zugleich kosteneffizientesten Sanierungsstrategie für den Standort ist – ein Beispiel dafür, wie integrierte analytische, biologische und modellgestützte Ansätze zu einer wissenschaftlich fundierten Entscheidungsgrundlage für Grundwassersanierungsmaßnahmen beitragen können.

Carbonatgesteinsmassive und Karstlandschaften prägen das Bild der Alpen. Grundwasserressourcen aus diesen Karstsystemen werden von vielen Städten und Gemeinden im Alpenraum für die Trinkwasserversorgung genutzt und speisen eine Vielzahl von grundwasserabhängigen Ökosystemen. Die hier vorgestellte Studie [1] quantifiziert erstmals die Verbreitung von Carbonatgesteinen und Karstwasserressourcen im Alpenraum, basierend auf der Datengrundlage der Mediterranean Karst Aquifer Map (MEDKAM) [2] in Kombination mit anderen Datensätzen.

Demnach bestehen rund 76.200 km² (40 %) der Alpen aus anstehenden Carbonatgesteinen. Die österreichischen Alpen beinhalten die größte absolute Fläche von Carbonatgesteinen (21.200 km²), während die französischen Alpen den höchsten prozentualen Anteil aufweisen (51 %). Da die höchsten Gebirgsgruppen meist aus kristallinen Gesteinen bestehen, liegt nur ein relativ geringer Teil der Alpengletscher in Karstgebieten. Diese meist kleinen Gletscher schwinden rapide, was sich stark auf die Schüttungsdynamik der damit verbundenen Karstquellen auswirkt.

In den Alpen befinden sich einige der tiefsten und längsten Höhlen sowie eine der größten Karstwasserversorgungen der Welt, die Wiener Hochquellenleitung. Durch eine Kombination von Klimadaten und Karstkarte konnten die Grundwasserneubildung und die nachhaltig verfügbaren Grundwasserressourcen abgeschätzt werden: Demnach beträgt die langjährige (1991-2020) mittlere jährliche Neubildung in alpinen Karstgebieten rund 823 mm. Dies entspricht erneuerbaren alpinen Karstwasserressourcen von etwa 57.500 Millionen Kubikmetern (MCM) pro Jahr; das ist mehr als das Volumen des Bodensees. Diese Daten bilden die Grundlage für eine verbesserte Bewirtschaftung der alpinen Karstwasserressourcen und für Prognosen in Zusammenhang mit dem Klimawandel.

[1] Goldscheider N, Xanke J, Liesch T (2025) Verbreitung von Carbonatgesteinen und Karstwasserressourcen im Alpenraum. Grundwasser, 30(3-4), https://doi.org/10.1007/s00767-025-00596-x

[2] Xanke J, Goldscheider N, Bakalowicz M, Barbera JA, Broda S, Chen Z, Ghanmi M, Günther A, Hartmann A, Jourde H, Liesch T, Mudarra M, Petitta M, Ravbar N, Stevanovic Z (2023) Carbonate rocks and karst water resources in the Mediterranean region. Hydrogeology Journal, 32(5), 1397–1418, https://doi.org/10.1007/s10040-024-02810-1

Karstgrundwasserleiter bedecken 40 % der Fläche im Alpenraum und versorgen Großstädte wie Wien und Innsbruck mit Trinkwasser (Goldscheider et al. 2025). Aufgrund der schnellen Reaktion auf hydrologische Ereignisse und der Rolle der temperaturgesteuerten Schneeschmelze für die Grundwasserneubildung sind Karstsysteme in den Alpen besonders anfällig gegenüber künftigen Klimaänderungen. Um die Karstwasserressourcen im Alpenraum unter dem Einfluss des Klimawandels nachhaltig zu bewirtschaften, bedarf es robuster, generalisierbarer Modelle, die auf viele Quellen anwendbar sind. Datengetriebene Ansätze wie Künstliche Neuronale Netze oder Speichermodelle sind für diese Aufgabe besonders geeignet, da sie mit wenig systemspezifischem Vorwissen und leicht verfügbaren Eingangsdaten auskommen. Häufig erfordern sie jedoch eine Abschätzung des Einzugsgebiets (EZG) – ein Parameter, der bei Karstquellen aufgrund komplexer unterirdischer Fließsysteme oft unbekannt und nur aufwändig bestimmbar ist, aber wichtige Eingangsgrößen wie Grundwasserneubildungsfläche, Gebietsniederschlag oder Höhenverteilung liefert.

In diesem Beitrag wird eine vereinfachte Methode zur Näherung von Größe und Lage des EZGs vorgestellt. Die Mindestgröße wird aus der mittleren Schüttung und der mithilfe globaler ERA5-LAND-Daten bestimmten Neubildung abgeschätzt, während die Lage über das scheinbare, topographische Einzugsgebiet sowie vorhandene Tracerdaten angenähert wird. Die Form des EZGs wird idealisiert als Kreis angenommen. Das Verfahren wird auf einen neuen, alpenweiten Karstquelldatensatz (Joger et al. 2025) angewendet und in drei Schritten bewertet: (1) visuell anhand gut untersuchter Quellen mit bekanntem EZG, (2) objektiv über den „Intersection over Union“ (IoU) aus der Objekterkennung und (3) hinsichtlich des Einflusses auf Modellierungsergebnisse auf ein konzeptionelles Speichermodell. Hierfür wird das Speichermodell KarstMod (Mazzilli et al. 2019) einmal als Referenz auf Grundlage des bekannten EZGs kalibriert und einmal unter ansonsten gleichen Bedingungen mit Hilfe des genäherten EZGs.

Wie erwartet zeigen die visuellen Vergleiche von bekannten EZG und deren Näherung bei komplexen Karstsystemen teils deutliche Abweichungen in Lage und Größe. Der IoU liegt für die 55 untersuchten Quellen mit mutmaßlich bekanntem EZG im Mittel bei 0.32 und maximal bei 0.73, wobei der theoretische Maximalwert von 1 aufgrund der kreisförmigen Näherung praktisch kaum erreichbar ist. Nichtsdestotrotz zeigt die konkrete Anwendung der genäherten EZG für die Modellierung mit KarstMod keine signifikanten Unterschiede in der Modellgüte. Die vorgestellte Methode bietet somit einen pragmatischen Ansatz zur Abschätzung von unbekannten Karsteinzugsgebieten für die datengetriebene Schüttungsmodellierung und eignet sich besonders für großräumige Modellierungsprojekte, die effiziente und übertragbare Verfahren erfordern.

Goldscheider, N., Xanke, J. und Liesch, T.: Verbreitung von Carbonatgesteinen und Karstwasserressourcen im Alpenraum. Grundwasser (2025). https//doi.org/10.1007/s00767-025-00596-x

Joger, F. et al.: Ein neuer Benchmark-Datensatz zu Karstschüttungen und Einzugsgebiets-Attributen im Alpenraum. 30. FH-DGGV-Tagung Leipzig (2026).

Mazzilli, N. et al.: KarstMod: A modelling platform for rainfall - discharge analysis and modelling dedicated to karst systems. Environmental Modelling & Software 122 (2019). https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2017.03.015

In dem vor allem zur Trinkwassergewinnung genutzten Karstaquifer in Nordschwaben südlich des Nördlinger Ries kommen bereichsweise sehr alte Grundwässer vor, die im Pleistozän gebildet wurden. Das Vorkommen dieser alten, Tritium-freien Grundwässer ist zum Teil an tektonische Grabenstrukturen gebunden; örtlich sind Zumischungen von jungem, Tritium-haltigen Grundwasser festzustellen.

Derartige Grundwässer werden in Bayern als Tiefengrundwässer eingestuft, die nur unter bestimmten Bedingungen für die wasserwirtschaftliche Nutzung genehmigungsfähig sind. Daher ist es für die Planung und Genehmigung der regionalen Trinkwassergewinnung erforderlich, die Entstehung der alten Grundwässer und der gegebenen Grundwasseraltersstruktur zu ermitteln, und daraus Schlussfolgerungen für die zukünftige Grundwasserbewirtschaftung in dieser Region zu ziehen.

Markant für die Grundwasseraltersstruktur im Karst in Nordschwaben ist die Grenzlinie zwischen Tritium-haltigem Grundwasser mit relevanten Jungwasseranteilen und Tritium-freiem Grundwasser. Diese Grenzlinie verschiebt sich ausgehend von den Grundwasserneubildungsgebieten auf der Schwäbischen und der Fränkischen Alb zunehmend nach Süden und Südosten. Allerdings verbleiben südlich des Nördlinger Ries Bereiche mit reliktischen alten Grundwässern in einer Grabenstruktur und nahe einer Staugrenze im Grundwasserströmungsfeld.

Die aktuell gegebene Grundwasseraltersstruktur ist durch ein erdgeschichtliches Modell zur Entwicklung der Grundwasserneubildung in den vergangenen ca. 30.000 Jahren und zur Entwicklung des Grundwasserströmungsfeldes im Karst in diesem Zeitraum erklärbar. Demnach setzt die Verjüngung des Grundwassers im Untersuchungsgebiet mit Beginn des Holozäns ein. Diese erfolgt aber ab ca. 12.000 Jahre vor heute aufgrund der räumlich und zeitlich differenzierten Wirksamkeit der maßgeblichen Vorfluter zu unterschiedlichen Zeiten und hat die Bereiche mit reliktischen Grundwässern bisher nicht oder nur sehr begrenzt erfasst. Die Vorkommen der reliktischen Grundwässer ergeben sich aus der Tektonik und der erdgeschichtlichen Entwicklung des Grundwasserströmungsfeldes.

Für die zukünftige Grundwasserbewirtschaftung ist wesentlich, dass die aktuelle Grundwasserneubildung aus Niederschlag auf der Schwäbischen und der Fränkischen Alb als maßgeblicher Treiber für die Grundwasserströmung in weiten Teilen des Untersuchungsgebietes eine fortschreitende Verjüngung des Karstgrundwassers bewirkt, und dieses dementsprechend mehr und mehr den Charakter eines typischen Tiefengrundwassers verliert. Ausgenommen hiervon sind allerdings, als wasserwirtschaftlicher Sonderfall, die lokalen Vorkommen mit reliktischen alten Grundwässern

Um Aquifereigenschaften zu charakterisieren und oberflächennahe Geothermie effizient zu nutzen, ist ein vertieftes Verständnis des advektiven Wärmetransports in sedimentären Aquiferen entscheidend. Die Modellierung des Wärmetransports basiert dabei üblicherweise auf der Annahme eines lokalen thermischen Gleichgewichts (LTE) zwischen der festen und fluiden Phase des porösen Mediums. Diese Annahme ist jedoch bei schnellem oder präferentiellem Fließen häufig nicht erfüllt, wenn der Wärmeaustausch zwischen den Phasen verzögert erfolgt und somit ein lokales thermisches Nichtgleichgewicht (LTNE) entsteht, bei dem sich die Temperaturen von Fluid- und Festphase unterscheiden. Zwei grundlegende Modellierungsansätze können verwendet werden: der Einphasen-Ansatz nach dem LTE-Konzept, der durch Mittelung über ein repräsentatives Elementarvolumen ein sofortiges thermisches Gleichgewicht annimmt, sowie der Zweiphasen-Ansatz nach dem LTNE-Konzept, der unterschiedliche Temperaturfelder in Feststoff und Fluid berücksichtigt und diese über einen Wärmeübergangskoeffizienten koppelt.

Wärmetransportmodelle, die Prozesse auf Feldskala abbilden, basieren typischerweise auf dem Einphasen-Ansatz. Gebhardt et al. (2025) zeigen jedoch, dass unter Anwendung dieses Ansatzes LTNE-ähnliche Effekte auftreten können, verursacht durch großräumige Variationen der hydraulischen Leitfähigkeit. Welche hydrogeologischen Bedingungen und Skalen eine Anwendung des Zweiphasen-Ansatzes in natürlichen Aquiferen erforderlich machen, ist bislang allerdings noch nicht vollständig geklärt.

Zur Untersuchung der Relevanz porenskalenbedingter LTNE-Effekte auf der Feldskala wurde ein Zweiphasen-Ansatz zur Beschreibung des Wärmetransports implementiert und die Ausbreitung der Wärmefahne einer Erdwärmesonde (EWS) in dem Multiphysics-Framework MOOSE numerisch für sedimentäre Grundwasserleiter simuliert. In verschiedenen Simulationsszenarien wurde der Einfluss sowohl homogener als auch heterogener Verteilungen der hydraulischen Leitfähigkeit mit unterschiedlichen charakteristischen Längenskalen (L_x = 1, 10, 100 m), der Korngröße (0,002 m bis 0,15 m), der mittleren Fließgeschwindigkeit, sowie der Injektionstemperatur auf die Temperaturdifferenz zwischen fluider und fester Phase (ΔT = T_f −T_s) in Abhängigkeit von der Entfernung zur EWS untersucht.

Vorläufige Ergebnisse zeigen, dass ΔT für die meisten untersuchten Fälle und Parameterkombinationen unterhalb von 10^-3 K liegt. Angesichts der typischen Messgenauigkeit von Temperatursensoren sind Temperaturdifferenzen dieser Größenordnung vernachlässigbar. Dies weist darauf hin, dass der Einphasen-Ansatz in den meisten praxisrelevanten Szenarien ausreichend ist. Gleichzeitig ermöglichen die Ergebnisse auf Porenskala eine Abgrenzung der Skalen und Parameterbereiche, in denen der Zweiphasen-Ansatz erforderlich ist, um potenzielle LTNE-Effekte adäquat zu erfassen.

Gebhardt, H., Zech, A., Rau, G. C., & Bayer, P. (2025). Effective thermal retardation in aquifers of heterogeneous hydraulic conductivity. Water Resources Research, 61, e2025WR040153. https://doi.org/10.1029/2025WR040153

Niedrigtemperatur-Aquiferwärmespeicher (Aquifer Thermal Energy Storage, ATES) mit Betriebstemperaturen um 30 °C haben sich in den letzten 10-15 Jahren, insbesondere in den Niederlanden, als eine effiziente Technologie etabliert. Doch in urbanen Gebieten variieren die Anforderungen an die Wärmeversorgung erheblich, da häufig weiterhin hohe Temperaturen von über 100 °C benötigt werden. Hochtemperatur-ATES ist eine vielversprechende Speichermöglichkeit, die bei geringem Flächenbedarf eine erhebliche Speicherkapazität bietet, jedoch geeignete geologische Bedingungen voraussetzt. Die dabei induzierten hohen Temperaturänderungen beeinflussen thermohydraulische, geochemische und mikrobiologische Prozesse sowie Fluid-Gestein-Interaktionen. Push-Pull-Tests, die im Sommer und Herbst 2025 am HT-ATES-Pilot- und Forschungsstandort Berlin Adlershof durchgeführt wurden, ermöglichten die gezielte Untersuchung dieser Prozesse im schwach verfestigten jurassischen Hettangsandstein (354 bis 399 m uGOK). Basierend auf den aus der Hydrogeologie bekannten Tracer-Push-Pull-Tests wurde das zuvor produzierte Formationswasser zunächst mit 21 °C und anschließend in weiteren fünf Zyklen mit 90 bis 105 °C injiziert. Die Reaktionszeit im Aquifer betrug zwischen 15 Stunden und mehreren Wochen. Bei jeder Injektion wurden Tracer zur hydraulischen Charakterisierung eingesetzt. Ein umfassendes hydrochemisches und mikrobiologisches Monitoringprogramm ermöglicht die Analyse der Wärme- und Stofftransportprozesse sowie der reaktiven Wechselwirkungen im Aquifer und an den obertägigen Anlagenteilen. Die hier gewonnenen Ergebnisse dienen als Grundlage für die Errichtung eines HT-ATES, der künftig in ein bestehendes Fernwärmenetz integriert werden soll.

Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) Systeme ermöglichen die vorübergehenden Speicherung lokal und saisonal überschüssiger thermischer Energien in Grundwasserleitern. Der Erfolg von ATES ist hierbei nicht nur von den Eigenschaften des Grundwasserleiters (hydraulische Durchlässigkeit, Wärmeleiteigenschaften, Porosität), sondern auch vom Zustand der technischen Ausrüstung abhängig. Änderungen von Temperatur und Gaspartialdrücken können während des ATES-Betriebs Clogging- und Scaling-Prozesse initiieren, die unerwünschte hydrogeochemische Reaktionen, Auflösungs-, Ausfällungs- und Ausflockungsprozesse sowie mikrobielles Wachstum hervorrufen. Dies führt zu einer Reduktion der Reservoir-Permeabilität, erhöhten Reinigungs- und Instandhaltungskosten und damit zur verminderten Effizienz von ATES-Projekten.
Zur Minimierung und besseren Einschätzung dieser Prozesse ist eine interdisziplinäre Untersuchung von Clogging- und Scaling-Prozesse unter Berücksichtigung mikrobiologischer, geologischer, hydrogeologischer und geochemischer Parameter erforderlich. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen liegt auf karbonatischen Systemen. Ziel ist die Identifikation maßgeblicher Einflussfaktoren und die Entwicklung gezielter Gegenmaßnehmen, etwa durch den Einsatz von Scaling-Inhibitoren oder CO₂-Zugabe.
Hierzu wurden ATES-Bedingungen in karbonatischen Aquiferen experimentell unter Variation von Temperatur, Hydraulik und chemischer Zusammensetzung simuliert. Als Gesteinsmaterial dienten Treuchtlinger Marmor (Jura; Calcit) und Erzgebirgsmarmor (Kambrium; Calcit und Dolomit). Das verwendete Fluid stammte aus dem Erzgebirgsmarmor-Steinbruch in Hammerunterwiesenthal. Die Versuche wurden bei ATES-relevanten Temperaturen zwischen 5 und 60 °C durchgeführt.
Schüttelversuche (0-D) bei 5, 40 und 60 °C dienten der Untersuchung des hydrochemischen Gleichgewichts zwischen Gestein und Fluid. Weitere Versuche mit zwei verschiedenen Heiz- /Kühl-Regimen über 21 bis 90 Tage simulierten den ATES-Betrieb, ergänzt von 1-D- Säulendurchströmungsversuche zur Simulation und Analyse der ablaufenden Transportprozesse. Beim Treuchtlinger Marmor zeigte sich ein typisches Verhalten eines Karbonatgesteins: ein leichter Anstieg der Ca-Konzentrationen um knapp 10 mg/L bei 5 °C (Calcit-Lösung) und eine Abnahme der Mg- und Ca-Konzentrationen bei 40 und 60 °C (um 10 mg/L bzw. um ca. 25 mg/L; Calcit-Fällung). Beim Erzgebirgsmarmor wurde ein gegensätzliches Verhalten beobachtet: die Ca-Konzentrationen sanken, während Mg und K anstiegen (Auflösung Mg-haltiger Minerale). In ATES-Zyklen reduzierten sich beim Treuchtlinger Marmor Ca- und Mg-Konzentrationen mit zunehmender Zykluslänge (Dolomit- und Calcit-Ausfällung), während beim Erzgebirgsmarmor bei geschüttelten Proben ein Anstieg von Mg- und K-Konzentrationen festgestellt wurde (Auflösung Mg-haltiger Minerale).
PHREEQC-Modellierungen dienten zur numerischen Simulation, Evaluation und Interpretation beobachteter hydrochemischer Prozesse. Weitere Simulationen mit CO₂-Zugabe zeigten, dass dadurch Carbonate in Lösung gehalten und diese Ausfällungen verringert bzw. verhindert werden können.
Die Kombination aus Laboruntersuchungen und PHREEQC-Modellierungen ermöglicht eine präzisere Beschreibung und Vorhersage hydrochemischer Prozesse in karbonatischen ATES-Systemen. Die Ergebnisse tragen zur Entwicklung effektiver Strategien zur Vermeidung von Scaling- und Clogging-Effekten und damit zur Effizienzsteigerung künftiger ATES-Projekte bei.

Aufgrund des Klimawandels werden voraussichtlich extreme Wetterereignisse wie Dürren und Überschwemmungen in Zukunft häufiger auftreten. Aufgrund ihres Einflusses auf die Grundwasserneubildung werden sich solche Wetterextreme auf das Süßwasservolumen kleiner Barriereinseln auswirken. Dies ist besonders auf Inseln kritisch, auf denen die Süßwasserlinse die einzige Trinkwasserquelle ist. Um potenzielle, mittelfristige Auswirkungen des Klimawandels zu untersuchen, wurde der Einfluss fünf aufeinanderfolgender trockener oder nasser Jahre auf die Süßwasserlinse unter Verwendung eines dichteabhängigen Grundwasserströmungs- und Transportmodells berechnet. Die gewählten Grundwasserneubildungsraten basieren ebenso wie die verwendeten Tidedaten und Grundwasserförderraten auf realen Einzelwerten aus der Vergangenheit und werden daher als realistisch für Langeoog angesehen. Die Ergebnisse zeigen, dass fünf extrem trockene Jahre das Volumen der Süßwasserlinse um 20% schrumpfen lassen. Extrem nasse Jahre führen zu grundwasserbürtigen Überschwemmungen großer Gebiete im Inneren der Insel. Da sich der Grundwasserstand schnell an neue Grundwasserneubildungsbedingungen anpasst, sind die Überschwemmungen im zweiten Winter bereits fast genauso stark wie im fünften Winter. Das Modell zeigt zudem, dass Gezeiten und Sturmfluten an der mesotidalen deutschen Nordseeküste einen großen Einfluss auf die Süßwasserlinse haben, da sie das Gebiet, in dem sich süßes Grundwasser bildet, einschränken und den Grundwasserstand im Inneren der Insel beeinflussen.

Grundwasserversalzung ist für das Grundwassermanagement weltweit ein bedeutendes Thema. In Niedersachsen sind neben den Küstengrundwasserleitern auch im Binnenland vielerorts die Grundwasserleiter von Versalzung betroffen. Die Versalzungen stehen oftmals in Zusammenhang mit oberflächennahen Salzstrukturen, deren Ablaugung das Grundwasser aufsalzen. Vor allem in den Niederungssystemen der großen Flussläufe kommt es durch Potentialentlastung zu einem Aufstieg der salinaren Wässer in die für die Grundwasserbewirtschaftung wichtigen Grundwasserleiter.

Für die Kartierung der Versalzungsbereiche werden aeroelektromagnetische Daten verwendet. Die Daten geben einen Einblick in die Verteilung des spezifischen elektrischen Widerstandes im Untergrund, aus dem Rückschlüsse über die Mineralisation des Grundwassers und die Lithologie gewonnen werden konnten. Anhand der Daten werden detaillierte 3D-Modelle über die Tiefenlage der Süß-/Salzwassergrenze abgeleitet.

Die Kartierung der Grundwasserversalzung in Niedersachsen wird exemplarisch anhand von zwei Projekten dargestellt.

Im Teilprojekt „GE-2 Geest Adaptation“ des Interreg Nordseeprogrammes „Blue Transition“ wird die Süß-/Salzwassergrenze in der Hamme-Oste-Niederung sowie in den angrenzenden Geestbereichen mithilfe aeroelektromagnetischer SkyTEM-Daten kartiert. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf dem Bereich Minstedt, wo zusätzlich vom LIAG-Institut für Angewandte Geophysik semi-aerogeophysikalische (sAEM) Daten erhoben wurden. Ein Vergleich der beiden Methoden zeigt, dass die Ergebnisse miteinander vergleichbar sind, aber die sAEM-Daten eine höhere laterale Auflösung haben und daher ein detailliertes Bild des Untergrundes darstellen können. Die geophysikalischen Daten bilden zusammen mit einem detaillierten hydrogeologischen Strukturmodell die Grundlage für ein Grundwasserströmungsmodell, das die Auswirkungen des Klimawandels sowie möglicher Klimaanpassungsmaßnahmen auf die Lage der Süß-/Salzwassergrenze simuliert.

Im Projekt „KliWaMoL“ (Klimaangepasstes Grundwassermanagement und 3D-Modellierung im Raum Lüneburg; finanziert vom Niedersächsischen Ministerium für Umwelt, Energie und Klimaschutz) soll am Beispiel einer typischen Binnenversalzung exemplarisch eine Planungsgrundlage entwickelt und zur Verfügung gestellt werden, um mit gezielten Bewirtschaftungsmaßnahmen den Auswirkungen des Klimawandels auf die Grundwasserversalzung entgegenwirken zu können. Außerdem sollen Konzepte zur künstlichen Grundwasseranreicherung erarbeitet werden. Nach dem dafür notwendigen Arbeitsprogramm wird die Versalzung des Grundwassers im Raum Lüneburg aufbauend auf einem detaillierten hydrogeologischen 3D-Modell untersucht, u.a. mit aerogeophysikalischen Verfahren (SkyTEM). Hierzu werden Gebiete identifiziert, in denen eine künstliche Grundwasseranreicherung möglich und sinnvoll ist, um zukünftigen Beeinträchtigungen durch voranschreitende Grundwasserversalzung entgegenzuwirken.

Das grenzüberschreitende Cuvelai-Etosha-Becken (CEB) beherbergt ausgedehnte Grundwasserleiter, die für die aktuelle und zukünftige Wasserversorgung in den semiariden Regionen im Norden Namibias und im Süden Angolas von zentraler Bedeutung sind. Die Volumina und Fließrichtungen, Voraussetzungen für eine nachhaltige Bewirtschaftung, sind jedoch kaum bekannt. Der nördliche Teil des CEB wird von einem klastischen Megafan-Binnendelta, dem sogenannten Cubango-Megafan, gebildet, in dem der Ohangwena Aquifer (KOH‑1) mit sehr flachen hydraulischen Gradienten entstanden ist. Der südliche Teil enthält einen primären Karst-Grundwasserleiter (DO) und einen sekundären Sinter-Grundwasserleiter (KEL) mit deutlich höheren hydraulischen Gradienten. Die Grundwasserneubildung erfolgt sowohl am südlichen als auch am nördlichen Rand des Beckens, von wo aus das Grundwasser zum Zentrum des Beckens fließt. Die sehr verschiedenen hydrogeochemischen Signaturen ermöglichen eine klare Abgrenzung der beiden Systeme (s. Abb.). Sedimentologische Merkmale und hydrochemische Muster im KOH-1 deuten darauf hin, dass der Grundwasserleiter ursprünglich weitgehend mit brackigem bis salzhaltigem Wasser gesättigt war.

Mittels eines konzeptionellen numerischen Modells soll die vermutete Verdrängung von Salzwasser und die Entwicklung der Wasserqualität auf der Grundlage unserer aktuellen Interpretation der Grundwasserströmung nachgebildet und verifiziert werden.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass zur Reproduktion der aktuellen Salzgehaltsverteilung die regionale Strömung im östlichen Teil des CEB wahrscheinlich in südöstlicher Richtung zum Okavango und schließlich zum Okavango-Delta verläuft. Obwohl die Hydrogeologie des Systems weitaus komplexer ist, als wir es derzeit modellieren können, verbessert unser vereinfachtes Konzeptmodell das allgemeine Verständnis der Grundwasserströmung in der Region erheblich. Unter Verwendung einfacher zeitunabhängiger Randbedingungen, eines idealisierten homogenen, isotropen Grundwasserleitersystems mit konstanter Mächtigkeit und aktueller Beobachtungen des Grundwasserspiegels im KOH-1 konnten wir eine gute Übereinstimmung mit der aktuellen räumlichen Verteilung der wichtigsten hydrochemischen Parameter nachweisen.

Unser subregionales reaktives Transportmodell innerhalb des Cubango-Megafans bildet ein regionales Ionenchromatographie-Muster im KOH-1 ab. Es zeigt somit, dass der ursprünglich salzhaltige Grundwasserleiter eine sukzessive Aussüßung (englisch: „freshening“) durchläuft. Unser Modell trägt wesentlich zum Verständnis der hydraulischen Funktionsweise dieses wichtigen grenzüberschreitenden Grundwasserleiters bei. Dadurch lassen sich die Zonen mit Süß- und Salzwasser besser abgrenzen, was für die Standortwahl von Brunnen sehr wichtig ist.

Literatur:

Appelo, C. A. J. (1994). "Cation and proton exchange, pH variations, and carbonate reactions in a freshening aquifer." Water Resources Research 30(10): 2793-2805.

Bäumle, R., et al. (2024). "New insights into the flow dynamics of a deep freshwater aquifer in the semi-arid and saline Cuvelai-Etosha Basin, Northern Namibia: Results of a multi-environmental tracer study." Journal of Hydrology: Regional Studies 52.

Houben, G. J., et al. (2020). "Stacked megafans of the Kalahari Basin as archives of paleogeography, river capture, and Cenozoic paleoclimate of southwestern Africa." Journal of Sedimentary Research 90(9): 980-1010.

Abb.:Karte der hydrochemischen Fazien aus Wasserqualitätsdaten im östlichen CEB

Im Rahmen von radiochemischen Untersuchungen des Bundesamtes für Strahlenschutz (BfS) zwischen 2003 und 2008 wurden in mehreren Roh- und Trinkwasserproben im südlichen Sachsen-Anhalt für den natürlich vorkommenden Alpha-Strahler Polonium-210 (Po-210) Aktivitätskonzentrationen >100 mBq/l gemessen (Beyermann et al., 2009). Der bundesweit mittlere Gehalt von Po-210 im Trinkwasser in dieser Studie lag bei 1,4 mBq/l (Median, 95. Perzentil 10 mBq/l). Die Internationale Strahlenschutzkommission (ICRP) ordnet Polonium-210 aufgrund seiner hohen spezifischen Aktivität sowie der Halbwertszeit von 138,4 Tagen als hoch radiotoxisch ein (ICRP, 1994).

Mit dem Ziel ein besseres Verständniss von Auftreten und Herkunft von Po-210 im Grundwasser zu erlangen, wurden weitergehende hydro- und radiochemische Untersuchungen an über 40 Brunnen (Monitoring, Trinkwassernutzung) und Analysen zum Mineral-, Element- und Radionuklidbestand an einem Bohrkern dieser Region durchgeführt. Geographisch gehört das Untersuchungsgebiet zum südöstlichen Harzvorland, wobei der überwiegende Teil der Querfurter Platte zuzuordnen ist, welche nach Osten allmählich in die Merseburger Buntsandsteinplatte übergeht (Bauer, 1959; Schröder, 1997). Das Gebiet ist durch einen teilweise intensiven Abbau von tertiärzeitlichen Braunkohleflözen und anschließender Flutung von Tagebaurestlöchern geprägt. Die untersuchten Grundwasserleiter sind in Formationen des Mittleren und Oberen Buntsandstein, im Unteren Muschelkalk und im Tertiär ausgebildet. Erhöhte Po-210 Gehalte >20 mBq/L wurden hauptsächlich in Grundwasserproben festgestellt, die dem Mittleren Bundsandstein zugeordnet werden. Ausnahme bildet eine Probe aus dem Abstrom einer unabgedeckten Kippe mit einer hohen Polonium-Aktivitätskonzentration von >500 mBq/l.

Bzgl. der Herkunft des Po-210 bzw. seines Mutternuklids Blei-210 (Pb-210) werden im Wesentlichen folgende Ansätze diskutiert: (1) Anthropogene Herkunft (Kippe), ggf. mit Beeinflussung des Transportpfads durch Tagebauflutung, (2) Geogene Verbreitung der Mutternuklide des Po-210 im Mittleren Buntsandstein und (3) Aufstieg von salinaren radioaktiven Tiefenwässern über überwiegend herzynisch-streichende Störungen im mesozoischen Deckgebirge. Die bisher erhobenen hydrogeologischen und geochemischen Daten sowie die Abwesenheit des langlebigen Mutternuklids Pb-210 im Grundwasser deuten auf eine lokale Mobilisation von Po-210 im Mittleren Buntsandstein hin. Als mögliches Mobilisationsszenario wird eine mikrobiell induzierte Po-210-Freisetzung diskutiert, die bereits von Seiler et al. (2011) in einem sulfatreduzierenden Grundwasserleiter beschrieben wurde.

Beyermann, M., Bünger, T., Gehrcke, K., Obrikat, D., 2009. Strahlenexposition durch natürliche Radionuklide im Trinkwasser in der Bundesrepublik Deutschland. Bundesamt für Strahlenschutz, Salzgitter.

ICRP, 1994. Dose Coefficients for Intakes of Radionuclides by Workers. Ann. ICRP, 24. ICRP Publication 68.

Seiler, R.L., Stillings, L.L., Cutler, N., Salonen, L., Outola, I., 2011. Biogeochemical factors affecting the presence of ²¹⁰Po in groundwater. Applied Geochemistry, 26(4): 526-539.

Aluminum (Al) is one of the most abundant metals in soils and rocks with no biological function and exhibits a pronounced toxicity to plants particularly under acidic conditions. Dissolved Al can further strongly affect the microstructure of clay minerals, pore spaces and binding strength between particles, modifying water stability and expansion. The mobility of Al in soil environment is largely governed by sorption to Fe oxides such as goethite and ferrihydrite, which exhibit large specific surface areas and high surface reactivity suggesting marked binding capacity for Al. Therefore, it is important to improve the understanding of sorption and immobilization of Al to these common Fe oxides. To elucidate the molecular mechanisms of Al sorption, this study combined batch sorption experiments, extended X-ray absorption fine structure spectroscopy (EXAFS) and surface complexation modelling. To quantitatively describe the experimental sorption edge data, the charge distribution multisite ion complexation (CD-MUSIC) model was applied using Visual MINTEQ.

The experiments revealed that sorption of Al on goethite and ferrihydrite takes place over a wide pH range including acidic and alkaline conditions. Sorption increased with rising pH. In the circumneutral pH range the formation of Al(OH)₃ can occur. At alkaline pH marked sorption capability for anionic [Al(OH)₄]^- was observed. Kinetic experiments at pH 4 and 5 in the concentration range up to 3 mM showed rapid Al sorption at pH 5 with equilibrium near conditions reached within a few hours, while at pH 4 the adjustment took several days. Ferrihydrite demonstrated higher sorption than goethite with a sorption capacity (per gram) about twice that of gothite at pH 5 as estimated by the Langmuir model.

Spectra obtained by XAS were modelled using an Al-O and Al-Fe single-scattering paths, as well as different multi-scattering paths. Also, the implementation of Al-Al paths was tested. The preliminary shell-fit results suggest inner-sphere surface complexation with Al bound to the Fe oxides surfaces by different binding modes, possibly including edge-sharing as well as corner-sharing surface complexes. Based on the molecular level information from EXAFS, the sorption edge data of Al on ferrihydrite and goethite were fitted. The experimental sorption edges could be satisfactorily reproduced with optimized constants.

Overall, this study provides molecular-level insights into the mechanisms controlling Al binding to two common Fe oxides. The combination of spectroscopic analysis and surface complexation modeling improves predictive capabilities for Al mobility and availability in acidic soil/rock environments and thereby contributes to a better understanding of Al toxicity for plants and microorganisms and its microstructural impact.

Microbial processes play a crucial role in the natural attenuation and engineered remediation of groundwater pollutants, yet their spatial distribution and metabolic dynamics remain challenging to monitor non-invasively. Recent advancements have highlighted a strong correlation between spectral induced polarization (SIP) signals and the presence and metabolic activity of microbial communities. The fundamental mechanisms underlying these responses, particularly those involving nanoscale microbial–mineral interactions, remain poorly understood. A critical area of inquiry is whether SIP signals are generated directly by (individuals or groups of) microbial cells or through their interactions solid interface. This study investigates the use of SIP as a geophysical tool to detect and quantify microbial metabolic activity under controlled conditions. Laboratory-scale experiments were conducted with Shewanella oneidensis MR-1, Pseudomonas sp., and a mixed culture of iron-dependent denitrifiers (KS) in an inert porous medium and in retentostat cell-suspension systems. To isolate the effects of different bacterial strains compositions on SIP responses, we synthesized alginate beads that do not contribute to polarization as a synthetic porous medium and used a retentostat setup to ensure homogenous cell mixing in suspension. In parallel incubations, we quantify molecular-biological markers, colony-forming units (CFUs), and adenosine triphosphate (ATP) to track microbial abundance and activity. The temporal evolution of polarization spectra closely followed a classic microbial growth curve: SIP responses increased during the logarithmic growth phase, correlating more strongly with metabolic activity (ATP) than with cell abundance. These findings provide compelling evidence that microbial activity itself contributes directly to measurable SIP signals. This work advances the mechanistic understanding of bio-geoelectrical coupling and supports the development of SIP-based, non-invasive monitoring tools for targeted observation of microbially mediated reactions in groundwater remediation.

Uran ist ein lithophiles Element, das vorwiegend in silikatreichen Gesteinen wie Granit vorkommt. Aufgrund der Redox-Sensitivität des Urans mit den Oxidationszahlen +IV unter aeroben Bedingungen und +IV unter anaeroben Bedingungen unterläuft Uran diverse Umlagerungsprozesse in Uranerzlagerstätten. Dabei ist das +IV-wertige Uran schwer wasserlöslich und bildet verschiedene Minerale wie Uraninit und Coffinit und das unter aeroben Bedingungen vorherrschende +VI-wertiges Uran ist gut wasserlöslich und an Transportprozessen beteiligt. Insbesondere das +VI-wertige Uran weist durch die Bildung von Uranyl-Kation-Monomeren (UO₂²⁺) ein vielseitiges Verhalten in der Natur auf, da es durch Bildung unterschiedlichster Komplexverbindungen je nach vorherrschendem Milieu mobil (Carbonato-, Sulfato-, Aqua-, Hydroxo-Komplexe) oder fixiert vorliegen kann (Autunit-Gruppen- und Carnotit-Gruppen-Minerale, Sorption an Fe-OH- und Ti-OH-Gruppen).

Die Uranerzgrube Königstein liegt im Elbsandsteingebirge. Die Lagerstätte liegt im kreidezeitlichen Cenoman. Bei der Uranerzgrube Königstein wurde Uran, speziell ab 1981 unter Einsatz von Schwefelsäure zur in-situ Laugung, zwischen 1967 und 1990 abgebaut. Die Veränderung der Hydrochemie durch die Schwefelsäure und Pyrit-Oxydation infolge des abgesenkten Wasserspiegels stellen eine besondere Herausforderung bei der Sanierung der Grube dar. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem natürlichen, vorbergbaulichen Zustand im Umfeld der Uranerzgrube.

50 Sandsteinproben wurden aus 14 verschiedenen Bohrkernen entnommen und mit Backenbrecher zerkleinert. Batch-Schüttelversuche mit zur Grube zufließendem Grundwasser und 25 g Trockensubstanz wurden durchgeführt, um Urankonzentrationen sowie pH, Standard-Wasserstoff-Redoxpotenzial gelöster Sauerstoff und den Konzentrationen der Haupt-Kat- und Haupt-Anionen sowie weiterer Metalle und Halbmetalle im chemischen Gleichgewicht nach unterschiedlichen Schüttelzeiten (1 Tag, 3 Tage, 9 Tage, 27 Tage und 81 Tage) zu bestimmen. Die Batchversuche wurden unter 13°C und unter 22,1°C im Labor durchgeführt. Weiterhin wurde eine sequentielle Extraktion durchgeführt, um die Bindungsformen des Urans in unterschiedlichen Gesteinen unterscheiden zu können und die Uranmobilisierung unter verschiedenen Szenarien bewerten zu können.
Bei den Batchversuchen unter aeroben Bedingungen zeigte sich die Limitierung des Urans im Grundwasser durch die Ausfällung von (meta-)Autunit-Gruppen-Minerale, insbesondere von (meta-)Autunit (Ca(UO2)₂(PO₄)₂*6H₂O). So lagen die Urankonzentrationen im Eluat meist unterhalb von 20 µg/l. Das chemische Gleichgewicht wurde im Zeitraum zwischen 27 Tage und 81 Tage Schütteldauer erreicht.

Bei der sequentiellen Extraktion zeigte sich ein unterschiedliches Lösungsverhalten von Proben aus dem aeroben Bereich der Rollfront-Lagerstätte und den Proben aus dem anaeroben Bereich der Lagerstätte. Besonders relevant für Uran war der säurelösliche und der oxidierbare Teil des Gesteins. Dies unterstreicht die Bedeutung der Oxidationsreaktionen im Gestein sowie die pH-Wert-Abhängigkeit des +VI-wertigen Urans im natürlichen Grundwasserleiter der Uranerzgrube Königstein.

In vielen Teilen der Welt ist Grundwasser von entscheidender Bedeutung für die (Trink‑)Wasserversorgung, so auch in Äthiopien. In Bezug auf geogene Kontaminanten lag hier der Fokus bislang u.a. auf Fluorid und Arsen. Radionuklide fanden hingegen wenig Beachtung, obwohl entsprechende Belastungen in einigen Ländern der Region bekannt sind. Einige ägyptische Grundwässer zeigen beispielsweise erhöhte ²²⁸Ra-Aktivitäten (Sherif et al., 2018; Sherif & Sturchio, 2018), v.a. ältere Wässer mit erhöhten Salzgehalten.

In dieser Studie wurden Grundwässer des paläozoischen Enticho-Sandsteinaquifers in Nord-Äthiopien beprobt. Neben der allgemeinen Hydrochemie (Hauptionen, Spurenelemente) wurden Isotopenanalysen durchgeführt, wobei sowohl stabile Isotope (δ¹⁸O, δ²H) als auch Radionuklide untersucht wurden (³H, ²²⁶Ra, ²²⁸Ra, ²³⁴U, ²³⁸U, ²¹⁰Po, ²¹⁰Pb). Die Geochemie der Gesteine wurde ebenfalls betrachtet.

Auffällig sind v.a. erhöhte ²²⁸Ra-Werte – etwa die Hälfte der Aktivitäten liegt über dem von der WHO vorgeschlagenen Trinkwassergrenzwert von 100 mBq/L (max. 790 mBq/L). Dabei ist festzuhalten, dass die betroffenen Wässer wenig mineralisiert und recht O₂-reich sind (LF < 1000 µS/cm, mehrere mg/L O₂) und eine isotopische Signatur (δ¹⁸O, δ²H) zeigen die der des heutigen Niederschlags ähnelt. Auch ³H war nachweisbar. Es handelt sich hier also nicht um salzige und reduzierende Wässer mit langer Verweilzeit. Dies zeigt, dass auch junge, oxische Grundwässer mit ²²⁸Ra belastet sein können. In potentiell betroffenen Regionen sollten daher vermehrt entsprechende Untersuchungen durchgeführt werden.

Bezüglich der Gesteinsgeochemie sind besonders die Th-Gehalte von Interesse, da ²²⁸Ra das Zerfallsprodukt von ²³²Th ist. Der Enticho-Sandstein zeigt jedoch keine erhöhten Werte, was die Eingrenzung potentiell ²²⁸Ra-kontaminierter Regionen weiter erschwert.

Sherif, M.I., Lin, J., Poghosyan, A., Abouelmagd, A., Sultan, M.I., Sturchio, N.C., 2018. Geological and hydrogeochemical controls on radium isotopes in groundwater of the Sinai Peninsula, Egypt. Science of the Total Environment 613–614, 877–885.

Sherif, M.I., Sturchio, N.C., 2018. Radionuclide geochemistry of groundwater in the Eastern Desert, Egypt. Applied Geochemistry 93, 69–80.

Das Temperaturregime des urbanen Grundwassers wird durch natürliche und anthropogene Faktoren beeinflusst. Darunter sind insbesondere Wechselwirkungen mit der Atmosphäre, mit geothermischen Systemen, zwischen Flüssen und Grundwasser, sowie mit der unterirdischen Infrastruktur (z.B. Fernwärme, Abwassernetze, beheizte Gebäude, Tunnel, Tiefgaragen). In zahlreichen Regionen weltweit werden in diesem Zusammenhang erhöhte urbane Grundwassertemperaturen beobachtet. Diese unterirdischen urbanen Wärmeinseln weichen dabei signifikant von natürlichen thermischen Verhältnissen ab.

Dieser Beitrag richtet den Fokus auf das kontinuierliche Fortschreiten des Wärmeinseleffektes am Standort „Basel-Stadt, Schweiz“ im Laufe der 2010er Jahre. Hierzu erfolgt eine Analyse der Temperaturentwicklung des Grundwassers basierend auf Messwerten des konventionellen Überwachungsnetzwerks und von sieben hochauflösenden Multi-Level-Systemen. In diesem Rahmen wurden räumlich begrenzte Temperatur-Hotspots im Grundwasser mit Werten bis zu 20 °C beobachtet. Bereiche mit erhöhten Temperaturen breiten sich in nahezu allen Quartieren aus und der thermische Einfluss der Urbanisierung ist quantifizierbar.

Zwecks weiterer Untersuchung des Wärmeinseleffektes wurden dreidimensionale Thermo-Hydraulik-Modelle (3D-TH) erarbeitet. Die 3D-TH-Modelle, umgesetzt in FEFLOW, bilden das hydraulische und thermische Grundwasserregime der vier Grundwasserkörper im Basler Stadtgebiet ab (Kleinbasel, Kleinhüningen, Grossbasel-Nordwest sowie Grossbasel-Südost). Bisher basieren die Modelle auf einer einjährigen Kalibrierung (Jahr 2010). Im Rahmen einer Modellaktualisierung wurden umfangreiche Datensätze verschiedener Herkunft – darunter Grundwasserstände und -temperaturen, Oberflächengewässertemperaturen und -pegel, klimatische Parameter sowie Informationen zu Grundwassernutzungen – zusammengeführt, qualitätsgeprüft und in das Modell integriert. Die aktualisierten Modelle basieren nun auf einer erweiterten Kalibrierungsperiode von sechs Jahren (2010–2015) und einer anschließenden Validierungsperiode von fünf Jahren (2016–2020). Auf dieser Grundlage lässt sich die langfristige Dynamik des Basler Grundwassersystems, einschließlich des unterirdischen urbanen Wärmeinseleffekts, konsistent und realitätsnah abbilden.

Parallel dazu erfolgte die Entwicklung eines Konvertierungstools durch die hydrocomputing GmbH & Co. KG. Dieses Werkzeug kann hochauflösende FEFLOW-Modelle semi-automatisiert in MODFLOW-6-Modelle überführen. Diese Ersatzmodelle sind zum Teil schneller ausführbar und daher besonders für Tests, fortgeschrittene Auswertungen wie z.B. Unsicherheitsanalysen oder als Grundlage für KI-Modelle von großer Bedeutung. Die Entwicklung einer thermischen Cauchy-Randbedingung für das neue MODFLOW-6-Energietransportmodul mittels pymf6 ermöglicht es die diesbezüglichen Fähigkeiten von FEFLOW abzubilden. Diese Randbedingung wurde am Beispiel des großen Vorfluters Rhein getestet.

Die Arbeiten unterstreichen die besondere Bedeutung von kombinierten Monitoring-Modellierungs-Ansätzen als sehr robuste Instrumente für das thermische Management urbaner Grundwasserressourcen. Diese Instrumente bilden die Grundlage für eine nachhaltige Nutzung der oberflächennahen Geothermie und für die Formulierung von Strategien zur Minderung der Wärmeinseleffekte.

Die Temperatur des Grundwassers ist ein sensibler Indikator für Umweltveränderungen im Untergrund. Mit einer gewissen Verzögerung führen anthropogene Einflüsse, wie z. B. die Auswirkungen des Klimawandels, ein Wechsel der Landnutzung oder auch geothermische Nutzungen, zu veränderten Grundwassertemperaturen. Langfristige Änderungen der Grundwassertemperatur können in der Folge (hydro-) chemische, biologische und physikalische Prozesse in Grundwasserleitern signifikant beeinflussen und sind daher für das hydrogeologische Verständnis, für die Grundwasserökologie und für Fragen der nachhaltigen Nutzung relevant. Trotz dieser Relevanz liegen oftmals nur begrenzt systematische, regionale Auswertungen auf Basis langfristiger Temperaturmessungen vor.

Seit Jahrzehnten werden in Hessen im Rahmen des behördlichen Monitorings durch das Hessische Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG) Grundwassertemperaturdaten erhoben, sowohl während der jährlichen hydrochemischen Probenahme als auch anhand von Datenloggern mit täglicher Aufzeichnung. In dieser Studie wird die zeitliche Entwicklung und die räumliche Variabilität der gemessenen Grundwassertemperaturen in Hessen untersucht. Nach einer systematischen Sichtung und Prüfung der landesweiten Daten erfolgt anschließend die Identifizierung möglicher Trends sowie saisonaler und räumlicher Muster unter Anwendung statistischer und hydrogeologischer Verfahren. Es werden erste Rückschlüsse sowohl auf lokale als auch überregionale Ursachen gezogen. Perspektivisch sollen aus den Ergebnissen Empfehlungen für das zukünftige landesweite, behördliche Temperaturmonitoring abgeleitet werden.

Eine fundierte und ausreichende Datengrundlage zu Grundwassertemperaturen ist unabdingbar für eventuelle zukünftige Anpassungsstrategien. Die Auswertungen im Rahmen diese Studie tragen zum Verständnis der thermischen Dynamik des Grundwassers in Hessen bei und bilden eine erste Grundlage für die Bewertung künftiger Entwicklungen im Kontext des Klimawandels und der hydrogeologischen Resilienz.

Das Grundwasser in städtischen Gebieten wird durch verschiedene anthropogene und natürliche Faktoren beeinflusst, z. B. geologische und hydrogeologische Eigenschaften, sowie durch anthropogene Infrastruktur wie beheizte Keller, Tiefgaragen und Bahntunnel. Ein gutes Verständnis von Grundwasserströmung und Wärmetransportprozessen in komplexen städtischen Gebieten ist nicht nur für die Planung von thermischen und hydraulischen Nutzung essentiell, sondern auch für den ökologischen Schutz und die nachhaltige Bewirtschaftung städtischer Grundwasserleiter. Darüber hinaus hilft die Kenntnis der wichtigsten hydrogeologischen und anthropogenen Faktoren, die thermischen Bedingungen im Untergrund beeinflussen, bei Entscheidungsprozessen für ein nachhaltiges Bewirtschaftung. Physikalische numerische Modelle eignen sich hervorragend für die Simulation von Strömungs- und Wärmetransportprozessen unter Berücksichtigung verschiedener Annahmen und Randbedingungen. Eine realistische 3D-Untergrundsimulation in einem komplexen städtischen Gebiet erfordert jedoch einen effizienten Rechenansatz, da für Managementzwecke iterative Simulationen verschiedener Nutzungsszenarien erforderlich sind.

Das Ziel dieser Studie ist es den thermischen Zustand des Untergrunds in Berlin in 3D zu ermitteln, um Archetypen für das Grundwasser und geothermische Nutzungen zu identifizieren. Zu diesem Zweck wird ein detailliertes 3D Grundwasserströmungs- und Wärmetransportmodell für Berlin entwickelt. Um die Rechenzeit zu reduzieren, wird der Modellbereich in Blöcke gleicher Größe (500 × 500 × 50 m) unterteilt, wobei jeder Block die hydrogeologischen und anthropogenen Faktoren des jeweiligen Gebiets repräsentiert. Danach werden Simulationen mit verschiedenen Kombinationen hydrogeologischer und anthropogener Faktoren für alle Blöcke durchgeführt, um Input-Output Beziehungen zwischen den Einflussfaktoren und der Grundwassertemperatur herzustellen. Die resultierenden Input-Output Paare werden dann verwendet, um die Blöcke mithilfe eines regressionsbasierten Entscheidungsbaums in Grundwasser-Archetypen zu clustern. Schließlich werden die identifizierten Grundwasser-Archetypen anhand vereinfachter Kriterien in geothermische Archetypen klassifiziert.

Die Modellergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen simulierten und großräumig interpolierten Grundwassertemperaturen. Darüber hinaus erfassen die Blockmodelle thermische Anomalien, die in den interpolierten Karten nicht zu erkennen sind. Mithilfe der regressionsbasierten Entscheidungsbäume wurden 38 Grundwasser-Archetypen für die oberflächennahe, anthropogen beeinflusste Schicht der Blockmodelle, und 21 Archetypen für tiefere Schichten (> 50 m) identifiziert. Beheizte Keller und lokale Grundwassergradienten tragen am stärksten zur Einteilung der Archetypen für die oberflächennahe Schicht der Blöcke bei, während die untere Temperaturrandbedingung die Auswahl der Archetypen in tieferen Schichten dominiert. Anhand geologischer und thermischer Kriterien, z. B. Archetypen mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 1.5 W/m·K und einer Bodentemperatur von über 13 °C, wurden 10 der identifizierten Grundwasserarchetypen weiter in geothermische Archetypen unterteilt, die verschiedenen Abstufungen für die Eignung für Erdwärmesondenanlagen ausweisen. Der Archetypenansatz kann daneben auch erweitert werden, um andere Formen der Untergrundnutzung abzudecken, z. B. die Trinkwassernutzung oder den Schutz ökologischer Lebensräume.

Zürich Airport (Flughafen Zürich AG) is pioneering a large-scale sustainable energy initiative by developing an Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) system within a deep, buried glacial channel approximately 300 m below the surface. The open-loop system is designed to cyclically store excess thermal energy during summer for subsequent retrieval in winter. The technical success and economic efficiency of such a system, which involves the injection and abstraction of groundwater at varying temperatures, rely on careful consideration of interactions between the geothermal fluid, the subsurface environment, and the technical infrastructure.

An aspect in the planning and optimization of an ATES system is understanding the microbial community of the aquifer. Microorganisms are an integral part of the natural system and, when properly managed, can contribute to sustaining ecosystem functions and long-term environmental stability. Functional groups may affect the hydraulics and accelerating pitting corrosion which can be mitigated through measures such as the use of high-quality stainless-steel piping, which provides strong resistance to corrosion and ensures operational stability.

Our study focused on characterizing the native microbial community of the 300 m deep, water-bearing gravel aquifer and assessing its suitability for ATES. Online flow cytometry during a pumping circulation test established a microbial baseline with a Total Cell Count of approximately 50,000 cells/mL, comparable to values observed in shallower aquifer systems with drinking water quality (Besmer et al., 2016; Kötzsch and Sinreich, 2014). The analysis also revealed a high fraction of High Nucleic Acid (HNA) cells (~80%), indicating relatively large pore spaces within the aquifer. However, uncertainty remains regarding bacteria or nutrients that may have been introduced and stimulated growth prior to the measurements.

These data provide a first basis for estimating operational parameters according to the thermal regime of the project and for designing management strategies that maintain long-term system efficiency and longevity.

Furthermore, future measurements during operation will help track microbial dynamics, revealing ecological changes and supporting adaptive optimization strategies.

Literature:

Besmer, M. D., Epting, J., Page, R. M., Sigrist, J. A., Huggenberger, P., & Hammes, F. (2016). Online flow cytometry reveals microbial dynamics influenced by concurrent natural and operational events in groundwater used for drinking water treatment. Sci. Rep., 6, 38462. https://doi.org/10.1038/srep38462

Köztsch, S. & Sinreich, M. (2014): Zellzahlen zum Grundwasser. Bestimmung mittels Durchflusszytometrie. Aqua et Gas 94(3), 14-21.

Observational data are inherently subject to considerable uncertainties and errors. Whether measuring groundwater levels, solute concentrations, or other hydrogeological variables, the accuracy and precision of recorded values cannot be entirely assured. These measurement uncertainties propagate through groundwater flow and transport models, and if inadequately accounted for during calibration, their important influence is consequently absent from model forecasts.

Theoretically, parametric uncertainties can be derived from the underlying governing equations using Gaussian error propagation principles. However, except for straightforward applications with low structural complexity, this approach is often computationally intractable. In practice, ensemble-based methods (requiring numerous additional runs of a complex model) or linear post-calibration uncertainty analyses are more commonly employed. While ensemble approaches can be computationally very tedious, linear methods are constrained by the assumption of strictly linear model behaviour, potentially yielding physically unrealistic parameter ranges.

This contribution will provide a short overview on selected classic and novel uncertainty analysis methods discussing their respective advantages and disadvantages. Furthermore, it will outline the methodological concept and planned implementation of the recently started DFG-funded project PathTrAce-GwT (2025 – 2028), which will address the existing methodological gaps through hybrid machine learning approaches.

Im Projekt „KliBoG1“ wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem Entwässerungsgräben auf Basis des Digitalen Geländemodells (DGM1) und weiterer Geofachdaten automatisiert erkannt werden können (Wessels et al., 2025). Hierbei kamen unter anderem zwei Methoden aus dem Bereich Machine Learning (ML) zum Einsatz. Anhand eines Random-Forest-Modells wurde jeder Rasterzelle Niedersachsens zunächst eine Grabenwahrscheinlichkeit zugeordnet. Anschließend wurden zusammenhängende potentielle „Grabencluster“ ermittelt. Da hierbei häufig auch andere Strukturen wie etwa natürliche Geländeeinschnitte oder Vertiefungen als Graben ausgewiesen wurden, wurden die einzelnen Cluster in einem weiteren Schritt mit ergänzenden Informationen angereichert. Unter anderem wurden die „Kompaktheit“ und die „Tiefe“ sowie die Höhenlage und die Lage im Wald bzw. im Offenland ermittelt und als Parameter eingesetzt. Anhand dieser Informationen erfolgte die Erstellung von XGBoost-Modellen, anhand derer die zunächst fälschlicherweise als Graben ausgewiesenen Cluster herausgefiltert wurden (Wessels et al., 2025).

Bei dem entwickelten Verfahren handelt es sich um einen „hands-on“-Ansatz, welcher in erster Linie im Hinblick auf seine Funktionalität entwickelt wurde. Allerdings wurde stets Wert auf eine möglichst hohe Plausibilität bzw. Interpretierbarkeit der eingesetzten Modelle gelegt. Eine Möglichkeit für eine modell-agnostische Interpretation stellen beispielsweise die sogenannten Shapley Additive exPlanations (SHAP) dar, z.B. nach Covert & Lee (2021). Die Abb. 1a zeigt beispielhaft für ein einzelnes Cluster, bei dem es sich nicht um einen Graben handelt, welche Parameter wie stark zu der Vorhersage der Klasse „kein Graben“ beitragen haben. In der Abb. 1b sind die aggregierten SHAP values von 1.000 Clustern für die Vorhersage der vorgenannten Klasse dargestellt. Für eine bessere Darstellung wurden jeweils nur die sieben Parameter angegeben, die den stärksten Einfluss bei der Vorhersage aufweisen.

Demnach ist vor allem die Kompaktheit der Cluster relevant für die Vorhersage der Klasse „kein Graben“ und damit für das Herausfiltern von zunächst fälschlicherweise als Graben erkannten Strukturen. Die Abbildung 1b zeigt, dass hohe Kompaktheitswerte tendenziell positiv zur Vorhersage „kein Graben“ beitragen, während geringe Kompaktheitswerte sich negativ auf diese Vorhersageklasse auswirken. Dies ist insofern plausibel, als dass Entwässerungsgräben in der Regel schmale, längliche Strukturen mit geringer Kompaktheit sind. Auch die weiteren Parameter sind auf diese Weise interpretierbar. Im konkreten Fall des einzelnen dargestellten Clusters der Abb. 1a ist beispielsweise zu erkennen, dass sich das geringe rechnerische Volumen der Struktur von rund 8,5 m³ positiv auf die Vorhersageklasse „kein Graben“ auswirkt. Auch dies ist plausibel, da Entwässerungsgräben in der Regel höhere Volumina aufweisen.

Insgesamt können SHAP values also zu einer besseren Interpretierbarkeit der eingesetzten ML-Modelle beitragen. Bei entsprechender Darstellung wird zudem eine intuitive Plausibilitätsprüfung ermöglicht.

Literatur

COVERT, I. & LEE, S.-I. (2021): Improving Kernel-SHAP: Practical Shapley Value Estimation via Linear Regression. – arXiv:2012.01536; https://doi.org/10.48550/arXiv.2012.01536.

WESSELS, J., HAJATI, M. & ELBRACHT, J. (2025): Erkennung von Entwässerungsgräben mit Methoden des Maschinellen Lernens. – GeoBerichte 54: 51 S., 29 Abb., 6 Tab., Anh.; Hannover (LBEG); DOI 10.48476/geober_54_2025.

In order to manage groundwater effectively at the pan-European scale, it is essential to treat groundwater as a shared, transboundary resource and to assess it consistently from in-situ observations. In the course of the Geological Service for Europe (GSEU) project, we compiled groundwater-level records from participating national and regional surveys. These records were subsequently harmonized into the European Groundwater Monitoring (EUGM) database. Groundwater level time series encompass diverse data sampling intervals, record lengths, continuity, and quality, frequently exhibiting non-uniform spatial coverage. The data undergoes a quality assurance process comprising the detection of stagnation periods, outlier screening, and the imputation of missing values. After the quality assurance process, the EUGM release contains 12,797 groundwater-level time series, of which 2,654 are designated as near-real-time (NRT) monitoring points, with expected monthly updates across 11 European countries.

Focusing on NRT stations, we plan to develop an operational forecasting system for monthly groundwater levels using a single LSTM model trained at sites with a minimum of 20 years of observations. Meteorological predictors include precipitation, air temperature, relative humidity, and standardized precipitation indices (SPI) from ERA5-Land. The modelling period varies by site according to record length and, with the earliest possible start being 1950 in order to align with ERA5-Land availability. Forecasts will be based on non-exceedance-probability scenarios with a three-month lead time. Results are intended for integration into the European Geological Data Infrastructure (EGDI) platform with the objective of enabling Europe-wide access, comparison, and operational use. The EUGM thereby provides a consistent observational base for cross-border assessment, modelling, and forecasting of groundwater dynamics.

Das Landesamt für Natur, Umwelt und Klima Nordrhein-Westfalen (LANUK) begleitet die Bergbautätigkeit im Rheinischen Braunkohlerevier langjährig mit einem großräumigen Grundwassermodell. Das dreidimensionale und instationäre Strömungsmodell wird mit der Software Feflow® betrieben.

Eine Herausforderung für die Modellierung ist die hinreichende Abbildung des montanhydrologischen Lebenszyklus eines Tagebaus. Die kontinuierliche Fortschreitung der Tagebaue erfordert einen räumlich heterogenen und zeitlich variablen Wechsel der hydraulischen Parameter für individuelle Modellelemente im Simulationsverlauf von der ursprünglichen geologischen Schichtung zu Tagebaurestloch und abschließender Rekultivierung (Kippe bzw. Tagebaurestsee). Eine hinreichende Abbildung dieses Lebenszyklus ist essenziell für eine gute Modellkalibrierung und damit für die Prognosefähigkeit des Modells. Feflow bietet hierfür bereits softwareinterne Lösungen an. Das Grundwassermodell wird fortlaufend aktualisiert, um die sich stetig verändernde Datenlage über die Modellkalibrierung in eine jederzeit bestmögliche Prognosefähigkeit des Modells umzusetzen. Unter diesen Bedingungen sind die erwähnten Bordmittel von Feflow nur begrenzt effektiv einsetzbar. Um die hierfür notwendigen Parameteränderungen effizienter umsetzen zu können, wurde im Rahmen des Projektes die Modellsoftware um bergbauspezifische Funktionalitäten erweitert (IFM-Modul). Das Modul ermöglicht eine effektive Vorgabe der Modellzustände in Teilbereichen des Tagebaus. Wesentliche Aspekte der Steuerung umfassen

(1) zeitliche Berücksichtigung des Tagebaufortschritts,

(2) zeit- und potentialabhängige ortsspezifische Vorgabe von Randbedingungen zur Tagebauentwässerung, die über die üblichen Randbedingungen von Feflow hinausgehen

(3) der Wechsel der Parameter k_f-Werte, Porosität und spez. Speicher im Bereich des Tagebaus (geologische Schicht – Kippe – Tagebaurestsee)

Im Abbaugebiet kommt es zu signifikanten Veränderungen der Geländeoberfläche. Die größten topographischen Überformungen bilden die Tagebaurestlöcher, welche im Rheinischen Revier künftig als großflächige Tagebaurestseen rekultiviert werden sollen. Die Tagebaurestseen werden im Modell über die „high-k-method“ abgebildet, d.h. das Seevolumen wird im Modellgitter berücksichtigt und mit hohen k_f-Werten und einer Porosität von 1 belegt. Um die künftig zu erwartende Interaktion zwischen See und Grundwasser verlässlich mit dem Modell beschreiben und bilanzieren zu können, bedarf es einer Berücksichtigung der Bathymetrie im Modellgitter. Mittels eines weiteren eigenentwickelten IFM-Moduls ist es möglich, eine adaptive Anpassung des Modellgitters in der Vertikalen während der Laufzeit gezielt zu einem definierten Zeitpunkt vorzunehmen. Die Bathymetrie wird entsprechend der Planungsvorgaben im Modell abgebildet und die Modellschichten zwischen Seeboden und definierter Seespiegelhöhe gleichverteilt.

Die Braunkohlenförderung hat die hydrologischen und hydrogeologischen Rahmenbedingungen in den mitteldeutschen Tagebaugebieten grundlegend verändert. Dadurch steht die Wasserwirtschaft vor komplexen Herausforderungen in den Bereichen Wasserhaushalt, Hochwasservorsorge, Niedrigwasser- und Ressourcenmanagement. Ein prägnantes Beispiel ist der Flusslauf der Weißen Elster zwischen Zeitz und Leipzig, welcher über Jahrzehnte stark vom Braunkohlenbergbau beeinflusst wurde. Neben der Umgestaltung der Flussmorphologie, etwa durch die Verlegung des Flussbetts im Bereich des heutigen Zwenkauer Sees, führten insbesondere die Grundwasserabsenkungen zur Entwässerung der Tagebaue zu weitreichenden Veränderungen im Wasserhaushalt.

Diese Eingriffe haben unter anderem auch Auswirkungen auf die Dynamik von Hochwasserereignissen. Hydrologische Beobachtungen und Modellrechnungen im Auenbereich der Weißen Elster zeigen, dass infolge der Grundwasserabsenkungen während Hochwasserwellen eine verstärkte Infiltration stattfindet. Dieser Effekt kann Hochwasserspitzen dämpfen und verändert dadurch den Oberflächenabfluss und die Ganglinien an flussabwärts gelegenen Pegeln. So ergaben instationäre Modellierungen mit der Ganglinie des Pegels Zeitz, dass am Pegel Kleindalzig höhere Durchflüsse erwartet wurden, als tatsächlich gemessen werden konnten – ein Hinweis auf bislang unzureichend erfasste Infiltrations- und Speicherprozesse, die den Austausch zwischen Grund- und Oberflächenwasser wesentlich prägen.

Um diese Prozesse besser zu verstehen zu können, wurde in einer ersten Projektphase eine Offline-Kopplung zweier vorhandener Modelle realisiert. Ausgangspunkt war die Nutzung eines bestehenden 2D-hydrodynamisch-numerischen Oberflächenabflussmodells der Landestalsperrenverwaltung des Freistaates Sachsen für die Weiße Elster (HydroAS) sowie des hydrogeologischen Großraummodells Leipzig-Süd „HGMS“ von LMBV und MIBRAG (PCGEOFIM). Dabei wurden die Modelle zunächst getrennt berechnet und anschließend die Ergebnisse ausgetauscht, um den Grundwasserpfad näherungsweise abzubilden. Diese Methode bildet eine wichtige Grundlage zur Identifikation der Austauschmechanismen und zur gegenseitigen Modellkalibrierung.

Bereits die Offline-Kopplung zeigt, dass die Weiße Elster auch im Hochwasserfall stark durch die Interaktion mit dem bergbaulich beeinflussten Grundwasserleiter geprägt ist. Dieses Wissen nutzen wir auch zur Weiterentwicklung beider Modelle. Ziel ist die Entwicklung eines Werkzeuges, mit dessen Hilfe die Auswirkungen unterschiedlicher bergbaulicher bzw. nachbergbaulicher Zustände auf Hochwasserwellen analysiert werden kann. Zudem wird zukünftig eine Online-Kopplung angestrebt, bei welcher der Datenaustausch zwischen den Modellen in jedem Berechnungszeitschritt erfolgt. Dadurch lassen sich Infiltrations- und Rückkopplungsprozesse realitätsnah abbilden. Dieser online-Ansatz ermöglicht eine verbesserte Validierung und Präzisierung der Modellierungen.

Langfristig soll die gekoppelte Modellumgebung als Planungs- und Vorsorgeinstrument zur Verfügung stehen. Damit können Hochwasserwellen unter verschiedenen Rahmenbedingungen – beispielsweise unterschiedlichen Bergbauzuständen, Klimaszenarien oder Grundwasserständen – realistisch simuliert und bewertet werden. Dies eröffnet neue Perspektiven für ein integriertes Wassermanagement in ehemaligen Bergbauregionen und unterstützt eine nachhaltige Steuerung wasserwirtschaftlicher Maßnahmen im Zuge des Strukturwandels.

Die Naabtaler Milchwerke GmbH & Co.KG im Markt Schwarzenfeld (Oberpfalz) nutzt fünf Grundwasserbrunnen auf ihrem Betriebsgelände. Zur Einordnung der komplexen hydrogeologischen Verhältnisse der tertiären Naab-Flussrinne mit den drei Grundwasserstockwerken (A-C, bis über 100 m Tiefe) und des Einflusses der Naab als Vorfluter werden seit 2018 durch die ENVITEC GmbH die fünf Brunnen und bis zu 28 Grundwassermessstellen regelmäßig auf hydrochemische, gasphysikalische und isotopische Parameter untersucht.

Ziel der Studie ist die Abgrenzung der Grundwasserstockwerke und das Verständnis ihrer Wechselwirkungen. Hierzu wurden über 1.600 Proben auf die Analyseparameter Sauerstoff-18 (δ¹⁸O-H₂O) und Deuterium (δ²H-H₂O) untersucht, In geringerem Ausmaß wurden zusätzlich die Parameter Tritium (³H-H₂O), die Kohlenstoffisotopie (¹³C-H₂O, ¹⁴C-H₂O), Schwefelhexafluorid (SF₆), FCKW-Spurengase (F11, F12 und F113) und Helium (³He, ⁴He, ³He/⁴He, ³He_trit) bestimmt.

Das oberflächennahe Stockwerk A liegt in gut durchlässigen tertiären Flusskiesen mit direktem Anschluss an die Naab. Darunter folgt Stockwerk B in den Sanden der Ur-Naabrinne (bis 100 m mächtig). Das Stockwerk C im kristallinen Grundgebirge mit geringen Durchlässigkeiten steht durch Störungszonen im Austausch mit Stockwerk A und B. Die Milchwerke nutzen Grundwasser aus den Stockwerken A und B.

Die Auswertung der Jungwassertracer zeigt eine erwartbare Abnahme junger Grundwasseranteile mit zunehmender Tiefe, allerdings ohne klare Altersgrenzen. Jüngere Komponenten treten vereinzelt auch in den tieferen Stockwerken B und C auf. FCKW- und SF₆-Daten erweisen sich aufgrund anthropogener und geogener Störeinflüsse als wenig belastbar. Dagegen ermöglichen Heliumisotope und tritigenes Helium konsistente Modellierungen.

Die Analyse der stabilen Wasserisotope zeigt für Stockwerk A eine Bildung unter rezenten Klimabedingungen (Holozän). Im Stockwerk B zeigt sich eine Zumischung von unter kälteren Bedingungen neugebildeten Grundwasserkomponente. In Stockwerk C sind überwiegend kühlklimatische Signaturen zu beobachten.

Die Altersverteilung gemäß der Kohlenstoffisotopie zeigt im Stockwerk A überwiegend rezente ¹⁴C-Modellalter (wenigen Jahre - ca. 1.000 Jahre). In B reichen die Modellalter von wenigen Jahren bis ca. 7.000 Jahre, in C von einigen tausend Jahren bis etwa 18.000 Jahre. Besonders in Stockwerk B ist die Altersstruktur heterogen, was auf eine Mischung junger und kaltzeitlich gebildeter Grundwässer hindeutet.

Teilweise zeigen Proben aus A und B Verdunstungseinflüsse – deren genaue Ursache (z. B. größere freie Wasserflächen) bleibt Gegenstand weiterer Untersuchungen. Insgesamt weist Stockwerk B eine deutliche Mischsignatur auf, was auf hydraulische Verbindungen zu A und C schließen lässt.

Die regelmäßige Untersuchung hydrochemischer und isotopischer Parameter zeigt über die Jahre nicht nur Schwankungen der Mischwassersystematik, sondern auch sich wandelnde Altersstrukturen in den genutzten Brunnen. Ob diese Veränderungen stärker durch Nutzungsintensität oder klimabedingte Änderungen der Grundwasserneubildung beeinflusst werden, bleibt Gegenstand künftiger Untersuchungen.

Stabile Isotope sind effiziente Tracer, um die Wasserbewegung im Boden zu beschreiben. Isotopenbasierte Methoden zur Abschätzung von Sickerwasserraten gehen jedoch oft von vereinfachten Annahmen zu Auswirkungen der Bodenmatrix auf die Isotopensignatur des Wassers aus. Ein Beispiel hierfür sind mögliche Fraktionierungseffekte bei verschiedenen Bodenwasserspannungen, die bisher oft vernachlässigt werden, was zu fehlerhaften Abschätzungen von Fließ- bzw. Grundwasserneubildungsraten führen kann.

Wir diskutieren Experimente zur systematischen Untersuchung der Beziehung zwischen Bodenwasserspannung und Isotopensignaturen in natürlichen Böden durch, die über eine Kopplung von HYPROP-Systemen mit einem PICARRO Isotopenanalysator durchgeführt wurden (Abb. 1). Hierbei werden an verschiedenen Bodentypen hochaufgelöste Wasserretentionskurven an Stechzylinderproben im Labor mittels Verdunstungsmethode bestimmt, und dabei gleichzeitig ¹⁸O und ²H Signale am Wasserdampf gemessen. Untersuchungen umfassen natürliche Isotopensignale und isotopisch markiertes Wasser. Dies ermöglicht eine bessere quantitative Bewertung von Wasserbewegung durch die ungesättigte Zone und der Grundwasserneubildung. In diesem Beitrag erläutern wir die experimentellen Ansätze und erste Ergebnisse.

Pyritoxidation und die daraus resultierende Freisetzung von eisen- und sulfatreichen Wässern sind eine der Folgen des jahrzehntelangen Braunkohleabbaus in der Lausitz (Frei et al., 2024). Die sich daraus ergebende Versauerung und Verockerung der angeschlossenen Vorfluter stellen eine Bedrohung für die entsprechenden Ökosysteme dar und verursachen Probleme bei der Trinkwasseraufbereitung (Friedland et al., 2021). Die Herkunft und Genese des Sulfats in Grundwässern soll zukünftig besser erforscht werden um Aussagen über die Entwicklung saurer Bergbauwässer und ihrer Folgen treffen zu können. Stabile Isotopen können zusätzliche Informationen zu herkömmlichen Konzentrationsbestimmungen liefern, wenn gemessene Isotopensignaturen hinreichende Unterschiede aufweisen. So wären potenziell verschiedene Quellen und Senken des Sulfats unterscheidbar. In einer ersten Explorativstudie wurden deshalb Grundwasserproben in Kippen- und Hangendpegeln im Einflussbereich von Bergbaufolgeseen sowie entlang eines Transekts in der Spreewitzer Rinne genommen und hinsichtlich ihrer Schwefel- und Sauerstoffisotopensignaturen analysiert. Resultierende Isotopenverhältnisse des Sulfats zeigen eine Variationsbreite von 57 ‰ für δ³⁴S und 19 ‰ für δ¹⁸O, die damit prinzipiell genügend Spielraum zur Identifikation von Sulfat aus unterschiedlichen Quellen zulässt und den Nachweis eventuell ablaufender biochemischer Reaktionen, wie z.B. Sulfatreduktion erlauben kann.

In der vorliegenden Studie ist das Sulfat in den analysierten Wässern, wie erwartet, meist durch Pyritoxidation unter anaroben Verhältnissen entstanden, beziehungsweise haben Zumischungen von aerob oxidiertem Sulfid stattgefunden. Insbesondere in den Sedimenten der Spreewitzer Rinne ist der Einfluss von Oberflächenwasser sichtbar, das aus dem Speicherbecken Lohsa II eindringt. Hinweise auf natürlich ablaufende Selbstreinigungsvorgänge, wie zum Beispiel Sulfatreduktion, konnten in der vorliegenden Studie nicht eindeutig festgestellt werden. Im Bereich der Kippen- und Hangendpegel war keine eindeutige Entwicklungstendenz der Isotopenwerte feststellbar, was vor allem an der unzureichenden Auflösung der Beprobung liegen dürfte. In zukünftigen Untersuchungen ist hier eine höhere Probenahmedichte notwendig um Veränderungen der Isotopenwerte entsprechenden Prozessen zuordnen zu können.

Literatur:

Frei, S., Klostermann, L., and Gilfedder, B. S.: Eisenrückhalt in der Lausitz: Eine räumlich differenzierte Analyse der Spree, Grundwasser - Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie, 29, 213–228, https://doi.org/10.1007/s00767-024-00576-7, 2024.

Friedland, G., Grüneberg, B., and Hupfer, M.: Geochemical signatures of lignite mining products in sediments downstream a fluvial-lacustrine system, Science of The Total Environment, 760, 143942, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.143942, 2021.

Vor dem Hintergrund zunehmender Trockenperioden, klimatischer Veränderungen und steigendem Wasserbedarf in Landwirtschaft, Industrie und kommunaler Versorgung wächst der Druck auf die verfügbaren Wasserressourcen. Um auch künftig eine verlässliche Wasserversorgung sicherzustellen, besteht dringender Bedarf an robusten, datenbasierten und praxisnahen Verfahren zur Bewertung der Grundwasserneubildung – der zentralen Komponente im regionalen Wasserhaushalt.

Mit dem Forschungsprojekt VAGRO – „Entwicklung eines Verfahrens zur verlässlichen Abschätzung der Grundwasserneubildung für eine verbesserte Wasserhaushaltsmodellierung als Basis für eine adaptive Grundwasserbewirtschaftung“ – soll ein innovativer methodischer Ansatz zur Quantifizierung der Grundwasserneubildung entwickelt werden. Das Projektkonsortium besteht aus der Technische Universität Dresden, Institut für Grundwasserwirtschaft, der Pikobytes GmbH sowie der IoT-Plan GmbH.

Im Mittelpunkt steht ein ganzheitliches Verfahren, das Bodenfeuchte- und Wasser-isotopenmessungen mit einer prozessbasierten Modellierung und einer webbasierten, interaktiven Visualisierung der Ergebnisse kombiniert. Ziel ist die Entwicklung eines digitalen Werkzeugs zur Berechnung der Grundwasserneubildung in (quasi) Echtzeit – ein „Digital Twin“ des Wasserhaushalts. Dieses soll für unterschiedlich genutzte Einzugsgebiete – von Wald über landwirtschaftliche Flächen bis hin zu urbanen Räumen – anwendbar sein und verlässlichere Entscheidungsgrundlagen liefern.

Ein wesentlicher Innovationsaspekt des Projekts ist die Integration stabiler Wasserisotope zur Kalibrierung und Validierung des Modells. Diese liefern zusätzliche Informationen über Prozesse der Infiltration und Grundwasserbildung und sind bislang in praktischen Anwendungen noch wenig etabliert. Ergänzt wird dies durch ein energieeffizientes, funkautonomes Bodenfeuchtemessnetz, das auch an abgelegenen Standorten ohne Mobilfunkanbindung betrieben werden kann.

Das digital nutzbare Werkzeug soll in die Praxis überführt werden und dort von Wasserversorgern, Behörden oder landwirtschaftlichen Betrieben zur Optimierung der Bewirtschaftung genutzt werden. So leistet VAGRO einen konkreten Beitrag zur Klimaanpassung und zur nachhaltigen Sicherung der Wasserressourcen.

Ammonium stellt in vielen Grundwasserleitern eine bedeutende Stickstoffverbindung dar, deren erhöhte Konzentrationen häufig auf komplexe Umsetzungsprozesse und verschiedene Eintragspfade zurückzuführen sind. Im Rahmen des Projektes „Wassersystemmodell Rhein/Main“ (WaRM) wird die Herkunft des Ammoniums im Grundwasser des Hessischen Rieds untersucht, um bestehende Wissenslücken zur Rolle von Stickstoff-Umwandlungsprozessen in landwirtschaftlich und urban beeinflussten Grundwassersystemen zu schließen. Ziel der Studie ist die Differenzierung potenzieller Ammoniumquellen wie landwirtschaftliche Düngung, mikrobieller Nitratabbau oder Einträge aus belasteten Oberflächengewässern mithilfe von Isotopensignaturen (δ¹⁵N).

Hierzu wurden an mehreren Messstellen im Hessischen Ried Grundwasserproben entnommen, die unterschiedliche hydrogeologische Bedingungen und Belastungssituationen repräsentieren. Neben den physikalisch-chemischen Vor-Ort-Parametern wurde die hydrochemische Zusammensetzung der Proben bestimmt. Gelöstes Ammonium wurde mittels Kjeldahl-Destillation in eine messbare Form (Ammoniumsulfat) überführt. Die Isotopensignaturen wurden anschließend mit einer Elementaranalysator-Isotopenpenverhältnis-Massenspektrometer-Gerätekombination (EA-IRMS) analysiert. Ergänzend wurden die δ¹⁵N -Werte von Düngemitteln, Gülle und Klaranlagenabläufen bestimmt, um typische Endmember-Signaturen zu erfassen. Zur quantitativen Herkunftszuordnung wird ein Bayes’sches Isotopenmischungsmodell (MixSIAR) eingesetzt, das auf Basis der gemessenen δ¹⁵N-Werte und der Endmember-Isotopensignaturen die relativen Beiträge verschiedener Quellen statistisch abschätzt. Zusätzlich werden bestehende Monitoringdaten des HLNUG, insbesondere N₂/Argon-Verhältnisse sowie δ¹⁵N- und δ¹⁸O-Werte des Nitrats, einbezogen, um mikrobiell vermittelte Umwandlungsprozesse wie Denitrifikation und Ammonifikation zu bewerten.

Die Isotopensignaturen ermöglichen eine differenzierte Bewertung der Ammoniumquellen und liefern Hinweise auf die zugrunde liegenden Transformationsprozesse. Die Ergebnisse tragen zum besseren Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Nitrat- und Ammoniumdynamik unter variierenden Redoxbedingungen bei und unterstützen die Entwicklung nachhaltiger Strategien zur Reduktion von Stickstoffeinträgen in das Grundwasser des Hessischen Rieds. Damit leistet die Arbeit einen Beitrag zur Verbesserung der Grundwasserschutz- und Bewirtschaftungskonzepte für die Grundwasserressource des Hessischen Rieds.

Die klimatischen Bedingungen im Nordosten Deutschlands, zu dem auch das Lausitzer Braunkohlerevier gehört, sind geprägt durch zunehmend heiße und trockene Frühjahre und Sommer. Diese Entwicklung hat potentiell negative Auswirkungen auf Wasserressourcen, Ökosysteme und die Gesellschaft. In dieser Studie wurden Veränderungen in (i) extremen Klima- und meteorologischen Dürreindikatoren (1948–2022) sowie in (ii) dem Gehalt stabiler Isotope (δ18O, δ2H) des Niederschlags (1978–2022) quantifiziert. Unsere Ergebnisse zeigen eine erhöhte Häufigkeit von temperaturbedingten Extremereignissen ((sehr) heiße Tage, warme Nächte) und Tagen ohne Niederschlag (> 6,5 % in Berlin 1991–2020 im Vergleich zu 1961–1990). Gleichzeitig hat die Anzahl an Frost- und Schneetagen insbesondere in den letzten Jahren abgenommen. Die Analyse des Standardisierten Niederschlag-Evapotranspirations-Index (SPEI) zeigt eine Zunahme der Häufigkeit schwerer und extremer meteorologischer Dürreperioden. Berlin verzeichnete zwischen 2018 und 2022 den längsten zusammenhängenden Zeitraum mit einem Wasserbilanzdefizit seit 1948. Die beobachteten klimatischen Veränderungen gehen mit einem signifikanten positiven Trend im Gehalt der stabilen Isotope des Niederschlags einher (1978-2022). Dieser Trend ist sowohl auf Jahresbasis als auch im Sommer statistisch signifikant (p > 0,05). Unsere Ergebnisse zeigen zudem, dass der positive Trend im Isotopengehalt des Niederschlags in starkem Maße (r > 0,5) mit der Temperatur im Winter korreliert, während die Korrelation im Frühling und Sommer moderater (0,3 < r < 0,5) ausgeprägt ist. Dies deutet darauf hin, dass die Klimaerwärmung nun im Isotopensignal der Niederschläge in Berlin nachweisbar geworden ist. Für die Lausitzer Bergbauregion, in der es noch keine langen Isotopenzeitreihen gibt (Station Cottbus seit 2023), deuten die Ergebnisse darauf hin, dass der Klimawandel eine größere Berücksichtigung im regionalen Wassermanagement erfordert. Die hier vorgestellten isotopenhydrologischen Untersuchungen zeigen eine Bestimmung der lokalen Niederschlagslinie und der Isotopensignatur des Niederschlags, sowie lokaler Verdunstungslinien und können zu einer besseren Bilanzierung des regionalen Wasserhaushalts beitragen.

Erstmalig erfolgt in einem Forschungsprojekt eine grenzübergreifende Untersuchung des Vorkommens von PFAS auf den Watteninseln entlang der Nordseeküste. Kern des Projekts ist eine breit angelegte Analyse von Grundwasser sowie möglicher Wasserquellen, die als Eintragspfad auftreten können. Das Projektkonsortium besteht aus dem Oldenburgisch-Ostfriesischen Wasserverband (OOWV) mit Sitz in Brake (Landkreis Wesermarsch) und Vitens N.V. mit Sitz in Leeuwarden (Provincie Fryslan). Das Untersuchungsgebiet umfasst die deutschen und niederländischen Watteninseln der Ems-Dollart-Region sowie Teile des küstennahen Festlandes in Niedersachsen.

Auf den Watteninseln wird ein relevanter Eintrag von PFAS in das Grundwasser über Seaspray vermutet. Neueste Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Aerosole, die durch das Brechen von Meereswellen entstehen, eine bedeutende Rolle beim Transport von PFAS über die Atmosphäre spielen und zu ihrer Verbreitung und Anreicherung insbesondere auf den Inseln beitragen können.

In einem umfassenden Monitoring werden Proben von Meerwasser-Aerosolen mittels Air Sampler gesammelt und analysiert. Ein Monitoring des Sickerwassers und Grundwassers in unterschiedlichen Tiefen soll Aufschluss über den Verbleib der PFAS im Untergrund liefern. Zusätzlich erfolgt eine Beprobung von Einträgen aus dem Abwasser sowie ausgewählter Altlasten, die zu einem Eintrag von PFAS beitragen könnten.

Die Ergebnisse dieses breit angelegten Monitorings sollen für die Küstenregionen in Deutschland und den Niederlanden zusammengeführt, Eintragspfade herausgestellt und – sofern möglich – Frachten ermittelt werden. Damit wird eine wesentliche Grundlage für weiterführende Modelle zur Prognose von PFAS-Konzentrationen im Grundwasser der Watteninseln und dem küstennahen Festland geschaffen.

The development of sustainable per- and polyfluoroalkyl (PFAS) remediation techniques is critical for the removal of contaminants from soil and water at sites impacted by aqueous film-forming foam (AFFF). This study is the first to explore the feasibility of flushing PFAS with a rhamnolipid biosurfactant solution using column testing and soil from an AFFF-contaminated site. Soil is flushed by tap water alone and a 0.005% rhamnolipid solution. PFAS concentrations in eluate and mass balances are compared for each test. In the first 12 pore volumes, 91% of the total perfluorooctane sulfonic acid (PFOS) flushed by the rhamnolipid solution was removed, while only 64% of PFOS was flushed in that time by tap water alone. Phosphate leached from soil and PFOS measured in the same eluate had similar concentration patterns, suggesting competitive sorption occurs with negatively charged phosphate, PFOS, and the anionic biosurfactant rhamnolipid. The flushing tests also show that there is no significant difference in flushing with a biosurfactant for PFAS compounds other than PFOS.

Transport modeling confirmed that PFOS retardation (R-value) was lower with the rhamnolipid solution (R=9.76) than with tap water (R=22.3) which indicates that it is more efficient at removing PFOS from soil than water alone. This concept study provides understanding of the release of PFAS compounds in a real contaminated saturated soil with organic carbon, clay and complex mixture of PFAS. It shows promising first results for the use of biosurfactants as sustainable flushing strategy.

Die zunehmende Vielfalt anthropogener Substanzen im Wasserkreislauf führt zu einer umfassenderen chemischen Zusammensetzung des Grundwassers. Klassische Monitoringprogramme erfassen diese Stoffvielfalt nur unvollständig. Zahlreiche Spurenstoffe wie z. B. Transformationsprodukte oder industrielle Additive sind zwar analytisch messbar, jedoch wegen fehlender systematischer Messung nur eingeschränkt bewertbar.

Im Interreg Projekt ERMES-ii Rh(e)in untersuchten die beteiligten Partner der jeweiligen Fachbehörden aus Baden-Württemberg, Rheinland-Pfalz und Hessen, dem französischen Elsass (Region Grand Est) und der Schweizer Kantone Basel-Stadt und Basel-Landschaft rund 1.500 Grundmessstellen flächendeckend im Oberrheingraben von Basel bis Mainz-Wiesbaden mit der klassischen Target-Analytik auf bis zu 200 Parameter für eine Bestandsaufnahme der Grundwasserqualität. Erweitert wurde dies mit einem Non-Target-Screening (NTS) in sechs räumlich abgegrenzten und abwasserbeeinflussten Pilotgebieten. Während über die Target-Analytik gezielt bekannte Substanzen untersucht wurden, ermöglichte das NTS die Detektion und Identifizierung einer Vielzahl bisher unbekannter oder nicht routinemäßig erfasster organischer Verbindungen und deren Infiltration aus dem Oberflächenwasser ins Grundwasser. Ziel von ERMES-ii ist die umfassende Erfassung organischer Spurenstoffe im Grundwasser des Oberrheingrabens, die Bewertung der Vulnerabilität des Grundwassers und die Bereitstellung neuer Erkenntnisse für das Grundwassermonitoring.

Die Target-Analysen bestätigen das Vorkommen eines breiten Spektrums bekannter Stoffe im Grundwasser des Oberrheingrabens, darunter Pflanzenschutzmittelwirkstoffe und Metaboliten, Arzneimittelrückstände, PFAS, TFA und Stickstoffverbindungen. Für das ergänzende NTS wurden im hessischen Pilotgebiet drei Grundwassermessstellen, eine Kläranlageneinleitung sowie das dazugehörige Einleitgewässer an zwei Stellen im Abstrom der Kläranlage in zwei Kampagnen beprobt. Dies führte zur Identifizierung von bislang nicht erfassten Substanzen, darunter neuartige PFAS-Homologe sowie bisher nicht systematisch analysierte Arznei- und Pflanzenschutzmittelwirkstoffe und Metaboliten. Die NTS-Ergebnisse zeigen ein deutlich komplexeres Belastungsbild als bislang angenommen und verdeutlichen insbesondere eine erhöhte Stoffvielfalt in Gebieten mit intensiver Flusswasser-Grundwasser-Interaktion sowie im Abstrom kommunaler Kläranlageneinleitungen. Solche qualitativen Ergebnisse stellen eine fundierte Grundlage für gezielte Folgeanalysen dar. Die Kombination von Target- und Non-Target-Analytik bringt wichtige neue Erkenntnisse hervor und stellt somit ein innovatives Instrument für ein adaptives, zukunftsorientiertes Grundwassermonitoring dar, das auf Basis neu identifizierter Spurenstoffe gezielt angepasst werden kann. Das Interreg Projekt ERMES-ii leistet damit einen zentralen Beitrag zu einer umfassenden Erfassung der chemischen Zusammensetzung des Grundwassers und stärkt die wissenschaftliche Basis für behördliche Entscheidungen zum nachhaltigen Schutz des Grundwassers im Oberrheingraben.

Interreg ERMES-ii Rh(e)in 2022-2026 - Entwicklung der Ressource und Monitoring des Eintrags von Spurenstoffen in das Grundwasser des Oberrheingrabens mit innovativen Instrumenten: Dieses Projekt wird kofinanziert aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) [https://www.ermes-rhin.eu/DE]

Die rund 660 rheinland-pfälzischen Kläranlagen verfügen derzeit noch nicht über eine vierte Reinigungsstufe, so dass mit dem geklärten Abwasser organische Spurenstoffe wie z. B. Medikamente in Gewässer eingetragen werden. Die vorliegende Studie untersuchte an einem Standort im nördlichen Oberrheingraben, ob und über welche Pfade Spurenstoffe vom Gewässer in das Grundwasser gelangen und wie verbreitet dieses Problem in Rheinland-Pfalz ist.

Hierfür wurden im Landkreis Bad Dürkheim der Auslauf der kommunalen Kläranlage Grünstadt (KLA), der Bach „Landgraben“ zwischen Grünstadt und Dirmstein sowohl ober- als auch unterhalb der Einleitung des geklärten Abwassers sowie eine Grundwassermessstelle (GWM) im Abstand von ca. 160 m zum Landgraben beprobt. An allen vier Standorten wurden zu Niedrigwasserbedingungen physikalisch-chemische Parameter, die allgemeine Wasserchemie sowie organische Spurenstoffe (Pflanzenschutzmittel und Metaboliten, Pharmazeutika und Metaboliten, PFAS, Industriechemikalien und weitere abwasserbürtige Stoffe) untersucht. Ebenfalls an allen Standorten wurden Non-Target-Screening(NTS)-Untersuchungen vorgenommen, um die Belastungsprofile der Messstellen miteinander zu vergleichen und um auch Stoffe zu identifizieren, die nicht anhand der Target-Analysen erfasst werden.

Die Gesamtbelastung durch organische Spurenstoffe war im geklärten Abwasser am größten und im Landgraben unterhalb der Kläranlageneinleitung am zweitgrößten, gefolgt von der GWM und dem Landgraben oberhalb der KLA. Die Belastungsprofile des KLA-Auslaufs und des Landgrabens unterhalb der KLA wiesen große Übereinstimmung auf. Die GWM unterschied sich stärker von den beiden erstgenannten Messstellen, wies in der NTS-Analyse durch Übereinstimmungen mit dem KLA-Belastungsprofil sowie mit der Quantifizierung von Carbamazepin (Antiepileptikum) und Amidotrizoesäure (Röntgenkontrastmittel) jedoch ebenfalls eine abwasserbürtige Verunreinigung auf.

Für den Eintrag der Spurenstoffe in das Grundwasser werden im Beitrag mögliche Eintragspfade aufgezeigt und diskutiert: Neben dem direkten Eintrag durch Interaktion mit dem Oberflächengewässer erscheint auch ein Eintragspfad plausibel, der bisher wenig beachtet wurde: Entlang des Landgrabens gibt es zahlreiche landwirtschaftliche Bewässerungsbrunnen in weniger als 30 m Abstand zum Gewässer. Möglicherweise fördern die Brunnen aus direkter Nähe des Landgrabens Grundwasser mit einer erhöhten Fracht an organischen Spurenstoffen, mit welchem die landwirtschaftlichen Flächen im Umfeld der GWM beregnet werden. Von der Kulturpflanze nicht aufgenommenes Beregnungswasser kann unterhalb des durchwurzelbaren Bodenraumes versickern und zur Grundwasserneubildung beitragen.

Mittels GIS-Analyse wurde abgeschätzt, wie viele Kleingewässer in Kombination mit KLA-Einleitungen und Bewässerungsbrunnen von dieser Problematik betroffen sein könnten. Aufgrund des Ausmaßes wird angeregt, diese Problematik eingehender zu untersuchen und bei der Genehmigungspraxis für Bewässerungsbrunnen zu berücksichtigen.

Die Arbeiten wurden im Rahmen des Interreg-Projekts ERMES-ii-Rhein 2022-2025 durchgeführt.

Karstquellen sind ein wichtiger Bestandteil des alpinen Wasserkreislaufs und von zentraler Bedeutung für die regionale Trinkwasserversorgung. Zugleich wirken sich ändernde klimatische Bedingungen auf die Dynamik der Karstquellschüttungen aus und können beispielsweise zu Verschiebungen in saisonalen Abflussmustern führen. Ein besseres Verständnis der vorherrschenden hydrologischen Prozesse sowie belastbare quantitative Vorhersagen alpiner Karstquellschüttungen erfordern eine umfassende Datengrundlage. Im Rahmen des durch die DFG geförderten Projekts AlKa-DL (Prediction of Alpine karst spring discharges in view of climate change using recent advances in Deep Learning) wurde ein umfangreicher Datensatz aus Karstquellschüttungsreihen, hydrometeorologischen Zeitreihen und statischen Einzugsgebiets-Attributen im gesamten Alpenraum (EUSALP) erstellt, der als Basis für vielfältige Anwendungen in der alpinen Karsthydrologie dienen kann.

Den Kern des Datensatzes bilden über 200 Karstquellschüttungsreihen, die einer einheitlichen Datenvorverarbeitung unterzogen wurden. Die Zeitreihen wurden mittels manueller und automatischer Verfahren von Ausreißern und Artefakten bereinigt und mit Qualitätskennzeichen (Flags) versehen. Abhängig von der ursprünglichen zeitlichen Auflösung wurden die Daten auf stündliche und tägliche Zeitschritte aggregiert. Die in der Literatur bereits bekannten Abgrenzungen der unterirdischen Einzugsgebiete wurden in den Datensatz integriert. Zusätzlich wurden die Einzugsgebiete aller Karstquellen mittels eines Pufferansatzes abgeschätzt. Der Datensatz wurde um Zeitreihen aus regionalen und nationalen meteorologischen Datenprodukten sowie um zahlreiche statische Attribute aus Topografie, Landbedeckung, Boden und Hydrogeologie ergänzt, die jeweils innerhalb der definierten Einzugsgebiete räumlich aggregiert bereitgestellt werden. Aus den Hydrographen wurden zudem statistische Kenngrößen sowie Indikatoren für Speichereigenschaften, Abflussverhalten und Verkarstungsgrad abgeleitet.

Der Datensatz ermöglicht (i) vergleichende Analysen und Klassifikationen von Karstsystemen, (ii) Training und Benchmarking klassischer wie datengetriebener Modelle sowie (iii) Vorhersagen von Karstquellschüttungen und Szenarioanalysen zu Klimaänderungen im Alpenraum. Der Aufbau orientiert sich an den CAMELS-Datensätzen aus der klassischen Einzugsgebietshydrologie. Die umfangreichen, einheitlich aufbereiteten Attribute bilden insbesondere eine geeignete Grundlage, um als Prädiktoren in globalen datengetriebenen Modellierungsansätzen des Maschinellen Lernens eingesetzt zu werden.

Subaquatische Quellen sind Grundwasseraustritte, die sich unter dem Wasserspiegel von Seen, Flüssen oder Meeren befinden. Messtechnisch sind sie schwer direkt zu überwachen. Im Königssee, einem der größten Gebirgsseen Deutschlands, befindet sich eine solche Quelle. Sie wird aus dem anstehenden Karstgrundwasserleiter gespeist, entwässert das Karstgrundwasser in einer Tiefe von 18 Metern unter dem Seewasserspiegel und besitzt einen spektakulären, trichterförmigen Austritt, daher auch der Name „Trichter im Königssee“. Die erste Forschungsarbeit an dieser Quelle begann im Jahr 1995 mit einer geomorphologischen Kartierung durch Höhlenforscher. Zur hydrodynamischen Charakterisierung der Quelle wird seit 2017 ein tiefenorientiertes Monitoringsystem auf Basis automatischer Messdatenerfassung etabliert und kontinuierlich betrieben. Dabei werden der Seewasserspiegel, der Wasserdruck in unmittelbarer Nähe des Quellaustritts sowie die Temperatur und die elektrische Leitfähigkeit des Wassers an der Oberfläche und in der Tiefe mit hoher zeitlicher Auflösung erfasst. Im Jahr 2023 wurde diese subaquatische Quelle hydrochemisch und isotopenhydrologisch untersucht und mit den Karstquellen in höheren Lagen verglichen, die vermutlich dem gleichen Karstsystem angehören. Darüber hinaus wurden weitere für das Untersuchungsgebiet verfügbare hydrologische Messdaten herangezogen und ausgewertet, um einerseits die Herkunft des Karstgrundwassers der subaquatischen Quelle zu bestimmen und andererseits das dazugehörige Karstsystem zu charakterisieren. Letzteres ist auch für die lokale Trinkwasserversorgung im Nationalpark Berchtesgaden von Bedeutung. Die Schüttungen einiger im Untersuchungsgebiet beobachteter Karstquellen haben sich in der Vergangenheit bereits spürbar verändert. Ursache hierfür könnten veränderte klimatische Bedingungen sein. Um diesen Prozess besser zu verstehen und fundierte Prognosen für die zukünftige Entwicklung erstellen zu können, wird eine ganzheitliche Betrachtung des gesamten Karstsystems unter Einbeziehung sich verändernder hydrologischer Randbedingungen empfohlen.

Im Rahmen des EU-Interreg Projektes Blue Transition wird ein systemischer Wandel durch ein integriertes Wasser- und Bodenmanagement angestrebt. Dazu werden im Teilprojekt GE-2 am Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG) im Bereich der Bederkesaer Geest und des Gnarrenburger Moores die Auswirkungen unterschiedlicher künstlicher (Grund-) Wasseranreicherungs-Maßnahmen getestet.
Das Gnarrenburger Moor ist ein ca. 60 km2 großes Hochmoor in Niedersachsen. Seit gegen Ende des 18. Jahrhunderts dort die Besiedlung begann, ist der Torfabbau die Existenzgrundlage der dort lebenden Bevölkerung. Heutzutage sind große Areale des Moores drainiert und werden als Ackerfläche genutzt. In wenigen Bereichen gibt es ebenfalls noch aktiven Torfabbau. Auf Grund der vorhandenen Siedlungen und der landwirtschaftlichen Nutzung der Flächen erscheint eine totale Renaturierung des Gnarrenburger Moores als nicht umsetzbar. Stattdessen sollte es als Möglichkeit betrachtet werden, Gebiete zu identifizieren, in denen zeitnah eine Wiedervernässung erfolgen soll. Somit kann in Teilen die heutige landwirtschaftliche Nutzung weiterhin ermöglicht werden und auch die Siedlungsbereiche wären durch die Maßnahmen nicht betroffen. Strömungsmodelle können bei der Identifizierung dieser Bereiche helfen, in dem mit ihnen unterschiedliche Maßnahmen, wie beispielsweise der Einbau von Stauwehren oder eine Minderung der Drainagewirkung in der vorhandenen Grabenstruktur, simuliert werden.
In der benachbarten Bederkesaer Geest wird seit den 1960er Jahren Grundwasser für die öffentliche Trinkwasserversorgung gefördert. Zu dem Wasserwerk Minstedt gehören aktuell 10 Förderbrunnen mit einer Jahresfördermenge von 2 Mio. m3. Seit den 1990er Jahren hat der Wasserversorger Probleme mit steigenden Chlorid-Konzentrationen an einzelnen Förderbrunnen, sodass einige dieser Brunnen bereits außer Betrieb genommen wurden. Betroffen waren zu Beginn die Brunnen mit geringer Entfernung zur Oste. Jedoch zeigt sich ein fortschreitendes Vordringen der Versalzungsfront ausgehend von der Oste ins Innere des Wassergewinnungsgebietes. Basierend auf Aeroelektromagnetik-Daten (SkyTEM und sAEM) konnte der Status Quo der Grundwasserversalzung (Grenzwert 250 mg/L Chlorid) kartiert werden. Darauf aufbauend ist ein Strömungsmodell in der Entwicklung, das die Herkunft der Versalzung aufzeigen soll und mit dem Maßnahmen getestet werden sollen, die es ermöglichen ein Vordingen der Versalzungsfront zu verhindern oder diese zurückzudrängen.
Das Projekt wird gefördert von Interreg North Sea Region VIb.

Zur Vorhersage von Grundwasserniedrigständen wird im Projektverbund KIMoDIs ein auf
Künstlicher Intelligenz (KI) basierendes Monitoring-, Datenmanagement- und
Informationssystem entwickelt. Ziel ist unter Verwendung von Klimavorhersagen und -
projektionen eine Frühwarnung vor Grundwasserniedrigständen zu ermöglichen. Das LBEG ist mit
dem Pilotgebiet West-Hümmling Praxispartner in dem Projekt.
Das Projektgebiet West-Hümmling liegt inmitten der Sögelner Geest, etwa 10 km östlich der Ems,
im Westen von Niedersachsen. Namensgebend ist der Hümmling, der den Kernbereich der
Sögeler Geest bildet. Das dortige Wasserwerk Surworld fördert seit Mitte der 1970er Jahre
Grundwasser und bereitet es für die öffentliche Trinkwasserversorgung auf. Das
Wassereinzugsgebiet umfasst in etwa 2680 ha.
Ziel des Teilprojektes ist ein Ergebnisvergleich von numerisch simulierten Grundwasserständen
mit KI-modellierten Grundwasserständen. Dafür wurde ein numerisches
Grundwasserströmungsmodell in Zusammenarbeit zwischen dem LBEG und der Leibniz
Universität Hannover für das Wasserversorgungsgebiet erarbeitet. An der BGR wurden KI-Modelle
für ausgewählte Messstellen entwickelt.
Im Vergleich zeigt sich, dass die KI-Modelle die tatsächlichen Grundwasserstände etwas präziser
abbilden können als das numerische Modell. Dies ist darauf zurückzuführen, dass für jede
Messstelle ein individuelles KI-Modell erstellt wird, das erlernt wie der Grundwasserstand auf
Änderungen in Niederschlag, Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit reagiert. Bei der
numerischen Modellierung hingegen werden alle vorhandenen Messstellen in einem Modell
abgebildet. Durch die Kalibrierung des Modells wird insgesamt eine hohe Modellgüte erreicht,
wobei die Vorhersagegüte an einzelnen Messstellen variieren kann. Des Weiteren wurden bei dem
Aufbau des numerischen Modells neben den atmosphärischen Parametern auch
hydrogeologische Informationen wie hydrostratigrafische Einheiten und kf-Werte berücksichtigt,
wodurch die räumlichen Zusammenhänge im Grundwasser explizit abgebildet werden können.
Der Fokus der eingesetzten KI-Modelle liegt auf präzisen Vorhersagen an einzelnen Messstellen.
Sie ermöglichen präzise Prognosen an den vorhandenen Messstellen, erfassen jedoch keine
Entwicklungen im Gebiet zwischen diesen Punkten.
Mit beiden Modellen wurden auch Prognosen gerechnet. Das numerische Modell weißt eine
höhere Amplitude bei den berechneten Grundwasserständen auf und errechnet somit größere
Extremwerte als das KI-basierte Modell. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass in das
numerische Modell die atmosphärischen Parameter wie Niederschlag und Verdunstung über die
Grundwasserneubildung nach mGROWA 22 (Ertl et al., 2024) eingehen. Die berechneten
Ganglinien an den einzelnen Messstellen zeigen somit eine ähnliche Dynamik wie die
prognostizierte Grundwasserneubildung.
Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt fördert das Verbundprojekt
„KIMoDIs“ zur Fördermaßnahme „Nachhaltige Grundwasserbewirtschaftung (LURCH)“ im
Rahmen des Bundesprogramms „Wasser: N“. Wasser: N ist Teil der BMBF-Strategie „Forschung
für Nachhaltigkeit (FONA)“. Förderkennzeichen: 02WGW1662H

Literatur:

Ertl, G., Bug, J., Ghalichehbaf, S., Hajati, M.-C., Herrmann, F., Waldeck, A. & Elbracht, J. (2024):
Die Grundwasserneubildung und weitere Wasserhaushaltskomponenten von Niedersachsen –
Berechnungen mit dem Wasserhaushaltsmodell mGROWA22. – GeoBerichte 51: 66 S., 30 Abb.,
3 Tab., Anh.; Hannover (LBEG).

Wie steht es um die Quantität des Grundwassers in meiner Region?

Das Interesse der niedersächsischen Bevölkerung an der Entwicklung des Grundwassers als zentrale Trinkwasserressource ist, gerade im Hinblick auf den fortschreitenden Klimawandel, groß. Besonders die seit 2018 wiederholt auftretenden Trockenjahre mit langanhaltenden Trockenperioden, hohen Temperaturen und ausbleibenden Niederschlägen haben nachhaltig bewirkt, dass ein hoher Bedarf an zeitnah verfügbaren Informationen hinsichtlich der aktuellen Situation des Grundwasserstands und dessen zeitlicher Entwicklung besteht. Um diesem
Interesse nachzukommen, hat der NLWKN im Sommer 2023 das Portal „Grundwasserstandonline“ veröffentlicht. Dieses Informationsportal ermöglicht erstmals eine landesweite, tagesaktuelle Darstellung der Grundwasserstände an ausgewählten Messstellen des NLWKN. Als anwenderfreundliche Webanwendung bietet es der Öffentlichkeit und Fachakteuren die Möglichkeit, die tagesaktuelle Entwicklung des Grundwasserstands in Niedersachsen nachzuverfolgen und einen landesweiten Überblick über den Zustand dieser wichtigen Ressource zu erhalten.

Grundwasserstandonline visualisiert die tagesaktuelle Entwicklung des Grundwasserstands sowie langjährige Datenreihen anschaulich per Kartenansicht, interaktiver Grundwasserganglinien und tabellarischer Darstellungen. Die Webanwendung bietet darüber hinaus eine statistisch basierte Einordung der aktuellen Daten in die langjährige Grundwasserstandsdynamik in klassifizierter Form. Durch die Darstellung jährlicher und langjähriger statistischer Kennwerte in Form von Hauptwerten lassen sich zudem Grundwasserstände einzelner hydrologischer Jahre beurteilen sowie Wasserstände verschiedener hydrologischer Jahre vergleichen. Neben den messstellenspezifischen Messwerten und Datenauswertungen sind auf Grundwasserstandonline auch ergänzende Messstelleninformationen (Stammdaten) sowie Angaben zu den hydrogeologischen Verhältnissen verfügbar.

Die veröffentlichten Wasserstandsdaten sollen die natürliche, witterungs- und klimatisch bedingte, d.h. eine anthropogen möglichst unbeeinflusste Grundwasserstandsentwicklung sichtbar machen. Grundlage bilden 161 repräsentativ ausgewählte Grundwassermessstellen in den verschiedenen Regionen Niedersachsens, die eine Auswahl von den weit über 1.000 Messstellen darstellen, die der NLWKN zu Beobachtung des Grundwasserstands landesweit
betreibt. Die Datenerhebung und Datenfernübertragung an den ausgewählten Messstellen erfolgen automatisiert, um eine kontinuierliche und zeitnahe Bereitstellung der Messwerte zu gewährleisten.

Mit Grundwasserstandonline bietet der NLWKN ein weiteres Informationsangebot mit umfangreichen Umweltdaten. Eingegangene Anfragen und Rückmeldungen belegen ein großes Interesse seitens Presse und breiter Öffentlichkeit an dieser Darstellungsform. Der sehr niederschlagsreiche Winter 2023/2024 hat zudem verdeutlicht, dass auch bei besonders hohen Wasserständen ein großes Interesse an zeitnah verfügbaren Informationen zur Entwicklung des Grundwasserstands besteht.

Das WasserBuch- und WasserEntnahmeprogramm Niedersachsen (WBE) bildet die zentrale Datengrundlage für die Erfassung, Verwaltung und Auswertung von Wasserrechten sowie tatsächlich erfolgten Wasserentnahmen. Es dient dabei als wichtige Informationsquelle für Fachleute und die Öffentlichkeit gleichermaßen. Angesichts wachsender Anforderungen an das Wassermanagement, durch z.B. Auswirkungen des Klimawandels oder demografische Entwicklungen soll das landesweite Strömungsmodell „STELLAR“ (STrömungsmodELl LAnd NiedeRsachsen) zukünftig als übergeordnetes Planungsinstrument die langfristige Sicherstellung der Wasserversorgung in Niedersachsen unterstützen. Für die Entwicklung, Kalibrierung sowie Validierung des numerischen Strömungsmodells sind dabei eine umfassende Aufbereitung, detaillierte Analyse und ein vertieftes Verständnis, der Eingangsdaten - insbesondere der eingetragenen tatsächlichen Entnahmedaten - unerlässlich.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein neu entwickeltes Dashboard vorgestellt, das auf Daten eines Auszuges aus dem niedersächsischen WBE basiert. Dieses Dashboard erlaubt nicht nur eine transparente und nutzerfreundliche Visualisierung der Entnahmen, sondern eröffnet auch die Möglichkeit zu tiefergehenden Analysen selektiver Regionen, was für das hydrogeologische Gesamtverständnis für die Strömungsmodellierung im STELLAR Projekt unerlässlich ist. Durch Filter- und Auswertungsfunktionen können räumliche und zeitliche Muster von Wasserentnahmen praxisnah untersucht werden.

Das Dashboard schafft damit einen innovativen Zugang zu den niedersächsischen Wasserentnahmedaten, der über klassische Berichtsformate hinausgeht. Für die Entwicklung und im späteren Schritt der Optimierung des Grundwasserströmungmodells bietet es eine neuartige Schnittstelle zwischen Datenaufbereitung, geostatistischer Analyse und Modellierungsanwendungen in einer landesweiten Größenordnung. Damit leistet das Tool einen wertvollen Beitrag zur nachhaltigen Bewirtschaftung und zum besseren Verständnis der Wasserressourcen in Niedersachsen.

Literatur:

Niedersächsischer Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz (NLWKN) (2024). Wasserbuch Niedersachsen. Zugriff am 16.09.2025, von https://www.nlwkn.niedersachsen.de/startseite/service/daten_karten/wasserbuch/wasserbuch-niedersachsen-45652.html

Niedersächsischer Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz (NLWN) (2025). Wasser- und Entnahmebuch Niedersachsen. Elektronische Datenbank. Zugriff am 09.11.2024, https://intra.wbe.niedersachsen.de/ [Zugang nur für Berechtigte].

Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie Niedersachsen (LBEG) (2025). Landesweites Strömungsmodell STELLAR. Zugriff am 16.09.2025, https://www.lbeg.niedersachsen.de/startseite/boden_grundwasser/grundwasser/grundwasser_dyn amik/stellar/landesweites-stromungsmodell-stellar-242612.html

Das Landesamt für Umwelt Rheinland-Pfalz (LfU RLP) ermittelt die Grunddaten zur Ausweisung der mit Nitrat belasteten Gebiete im Rahmen der Landesdüngeverordnung (LDüVO, AVV GeA, BAnz AT 16.08.2022 B2). An hierfür genutzten Grundwasser-Messstellen wurde zur Klärung ihrer Eignung für das Nitrat-Ausweisungsmessnetz der Jungwasseranteil und die mittlere Verweildauer des jeweiligen Grundwassers bestimmt, um die Entwicklung der Nitratgehalte über die letzten Jahrzehnte besser zu verstehen und die zeitliche Verzögerung eventueller Sanierungsmaßnahmen bewerten zu können.

Hierfür wurden vom LfU RLP 31 Messstellen mit Teufen von ca. 2,6 bis 88,3 m ausgewählt. Die Messstellen wurden im Winter 2024 und Frühjahr 2025 beprobt und auf die Parameter Tritium (³H-H₂O), Schwefelhexafluorid (SF₆), FCKW-Spurengase (F11, F12 und F113) sowie die stabilen Isotope Sauerstoff-18 (δ¹⁸O-H₂O) und Deuterium (δ²H-H₂O) hin untersucht.

Nach Bewertung möglicher Sekundäreinflüsse auf die Jungwassertracer erfolgte die Modellierung von Jungwasseranteil und mittlerer Verweilzeit je Grundwasserprobe.

Die Grundwässer in quartären und tertiären Lockergesteinen/Sedimenten (selten Festgesteinen) zeigen Jungwasseranteile von 10 bis 100 % und Grundwasserverweildauern im vollen Spektrum des von den Jungwassertracern erfassten Zeitraums von 5 bis 70 Jahren. Die überwiegend flachen Grundwassermessstellen - nur vereinzelte Messstellen erschließen Grundwasser aus Tiefen von >40 m - weisen relativ lange Verweilzeiten von >20 und z.T. >40 Jahren auf. Nur vereinzelte flache Messstellen weisen mittlere Verweilzeiten des Grundwassers von <20 Jahren auf. Lange Verweildauern bedingen einen stark verzögerten Austrag unerwünschter Stoffe, wie z.B. Nitrat oder anthropogene Rückstandsparameter von Pflanzenbehandlungsmitteln.

Die Auswertungen zeigen mehrfache Besonderheiten. So werden Tritiumgehalte beobachtet, die im Vergleich zu den Spurengehalten und modellierten Altersstrukturen deutlich erhöht sind. Als Ursache hierfür können verschiedene Möglichkeiten diskutiert werden wie höhere Beiträge von Sommerniederschlägen zur Neubildung oder ein bedeutender Einfluss von Beregnungsanlagen. Dies würde durch die Beobachtung von Verdunstungssignaturen der stabilen Wasserisotope gestützt.

Das Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie erstellt derzeit ein landesweites Grundwasserströmungsmodell (STELLAR) für Niedersachsen mit MODFLOW 6. Es wird ein stationäres Grundwasserströmungsmodell aufgebaut, welches einen mittleren Zustand der hydraulischen Potenziale darstellen soll.

Die Einbindung der Fließgewässer in MODFLOW 6 ist mit dem „River Package“ (3. Art Randbedingung) geplant. Dies erfordert die Aufbereitung und Auswertung landesweiter Datensätze zu Wasserständen an Gewässerpegeln sowie die Interpolation von Wasserständen zwischen den Pegelstandorten. Des Weiteren müssen Gewässerinformationen wie Breite, Tiefe und Eigenschaften der Sohle aus anderen Datensätzen abgeleitet werden. Hierfür werden z.B. digitale Geländemodelle und Geodatensätze zur Strukturkartierung von Gewässern herangezogen. Die hieraus gewonnenen Daten sind vor allem für die Definition der „Conductance“ im „River Package“ notwendig, welche die hydraulische Anbindung des Gewässers an den Grundwasserkörper durch das Sohlensediment beschreibt.

Dieser Beitrag bietet einen Überblick über das methodische Vorgehen für die Gewinnung der benötigten landesweiten Datensätze. Es werden die Herausforderungen beschrieben, welche sich auf Grund der Größe des Untersuchungsgebiets und der damit einhergehenden großen Datenmenge ergeben, und mögliche Lösungsansätze aufgezeigt.

Das Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG) erarbeitet hydrogeologische Regionalmodelle zur Darstellung des (hydro)geologischen Untergrundes, die auf dem NIBIS-Kartenserver sowie dem NIBIS3D-Viewer zur Verfügung gestellt werden (LBEG 2021c). Die Modelle stützen sich auf Eingangsdaten wie Bohrungen, Profilschnitte, Aero- und Bohrloch-geophysikalische Daten, die Geologische Karte 1:50 000 (GK50, LBEG 2021a), die Quartärgeologische Übersichtskarte 1:500 000 (GKTQ 500, LBEG 2021b) sowie bestehende (meist von Wasserversorgern erstellte) hydrogeologische 3D-Modelle.

Die Modelleinheiten sind lithostratigraphisch gegliederte Basisflächen, die nach einheitlicher Nomenklatur und vorgegebenen Workflows modelliert werden. Angrenzende Modellgebiete werden aufeinander abgestimmt, wobei die Informationsdichte der Eingangsdaten und damit auch der Detailgrad der Modelle regional sehr unterschiedlich sein kann. Die lithostratigraphischen Modellflächen werden zudem als hydrostratigraphische Einheiten nach Geofakten 21 (Reutter, 2011) übersetzt und entsprechenden Durchlässigkeitsklassen zugeordnet.

Als Ergänzung zu diesen in Geofakten 21 veröffentlichten Durchlässigkeitsklassen (Reutter, 2011) hat das LBEG regionalisierte Durchlässigkeitsbeiwerte der känozoischen Grundwasserleiter in den Geofakten 48 veröffentlicht (Hartmann et al., 2025). Basierend auf über 10.000 Korngrößenanalysen, aus überwiegend an Bohrkernen gewonnenen Proben, wurden Durchlässigkeitsbeiwerte für die hydrogeologischen Teilräume Niedersachsens (HUEK500, LBEG, 2021d) bestimmt, statistisch ausgewertet und die Ergebnisse auf dem NIBIS Kartenserver bereitgestellt. Insgesamt wurden vier (semi)empirische Berechnungsverfahren zur Ableitung des Durchlässigkeitsbeiwertes verwendet, die eine gute Übereinstimmung mit den Durchlässigkeitsklassen in Geofakten 21 zeigen. In Gebieten hoher Probendichte konnten auch statistisch signifikante regionale Unterschiede in den Durchlässigkeitsbeiwerten hydrostratigraphisch gleicher Einheiten herausgearbeitet werden. Mit wachsender Probenmenge soll damit zukünftig eine regionalisierte Parametrisierung der 3D-Modelle, aber auch von Transport- oder Grundwasserströmungsmodellen möglich sein.

Literatur

Hartmann, T., Dohrmann, R., Griffel, G., González, E., Elbracht, J. (2025): Flächendeckende Auswertungen des hydraulische Durchlässigkeitsbeiwertes aus Korngrößenanalysen – Geofakten 48. 12 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) (2021d): Hydrogeologische Übersichtskarte 1:500 000. – NIBIS® KARTENSERVER, <http://nibis.lbeg.de/cardomap3/>, Hannover.

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

Zur Umsetzung des niedersächsischen „Masterplan Wasser“ wurden von einer Arbeitsgruppe mit Vertreterinnen und Vertretern des MU¹, NLWKN² und LBEG³ verschiedene Maßnahmen zur Grundwasseranreicherung und zum Wasserrückhalt hinsichtlich ihrer Wirksamkeit und Randbedingungen bewertet.

Ein Ergebnis des Projektes sind landesweite, maßnahmenspezifische Potenzialkarten für Niedersachsen, die im LBEG mittels einer räumlichen multikriteriellen Entscheidungsanalyse mittels Python berechnet wurden. Eingangsdaten für die Berechnung der Karten sind intrinsische Standortfaktoren wie z.B. der Grundwasserflurabstand, die Durchlässigkeit des Untergrundes, die Infiltrationsleistung des Bodens oder der Abstand zu Oberflächengewässern. Die Karten weisen das hydrogeologische Standortpotenzial einer Maßnahme in Rasterzellen mit einer Größe von 100 m x 100 m aus. Es wurden Karten zu nachfolgenden Maßnahmen erstellt: Versickerungsteich, Versickerungsmulde, Düneninfiltration, Infiltrationsbrunnen, Rigole, Rückhalt von Hangabfluss, Retentionsdamm sowie Grabeneinstau.

Die Potenzialkarten können bei der Auswahl von geeigneten Maßnahmen an potenziellen Standorten, bzw. bei der Identifizierung von potenziellen Standorten für gewünschte Maßnahmen unterstützen. Sie ersetzen allerdings keine detaillierte Einzelfallprüfung vor Ort, da sie keine Raumordnungs- und Flächennutzungsfestlegungen oder andere gesetzliche oder untergesetzliche Regelungen berücksichtigen.

Die Potenzialkarten sowie weiterführende Informationen sind auf dem NIBIS® Kartenserver verfügbar. Neben den Potenzialkarten werden in dem Projekt maßnahmenspezifische Steckbriefe sowie eine Handreichung für die Maßnahmenumsetzung erstellt, in der die Methodik zur Berechnung der Karten sowie deren Betrachtungs- und Anwendungsgrenzen detailliert erläutert werden.

¹Niedersächsisches Ministerium für Umwelt, Energie und Klimaschutz

²Niedersächsischer Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz

³Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie

Im Rahmen des Projektes STELLAR (Landesweites 3D Grundwasserströmungsmodell für Niedersachsen) wird basierend auf Testmodellen evaluiert, welche Meshgenerierung für die MODFLOW6-Modlleirung Anwendung finden wird.

Voronoi-Tessellierungen bieten eine robuste geometrische Grundlage für die Erzeugung unstrukturierter Netze in der Grundwasserströmungsmodellierung. Sie ermöglichen eine flexible Darstellung komplexer geologischer Strukturen und unregelmäßiger Gebietsgrenzen. Durch die Integration voronoi-basierter Diskretisierungen in moderne Modellierungsumgebungen wie MODFLOW können heterogene Systeme mit höherer räumlicher Auflösung und angepasster Gitterdichte abgebildet werden. Dadurch lassen sich hydraulische Gradienten und Strömungsbahnen präziser erfassen und numerische Instabilitäten reduzieren.

Diese Arbeit untersucht verschiedene Ansätze zur voronoi-basierten Netzgenerierung, die mit aktuellen Python-Bibliotheken und spezialisierten Anwendungen erstellt werden. Ziel ist es, die erzeugten Netze hinsichtlich ihrer geometrischen Eigenschaften und ihrer Eignung für den Einsatz in Grundwasserströmungsmodellen zu vergleichen. Dabei wird besonderes Augenmerk auf Struktur, Regelmäßigkeit und die geometrische Qualität der Netze gelegt.

Die Netzqualität wird anhand geometrischer Kennwerte bewertet, darunter die Abweichung einer Zelle von der sogenannten Centroidal-Voronoi-Tessellierung (CVT), die den Abstand zwischen dem Generierungspunkt und dem Zellschwerpunkt beschreibt, sowie die Orthogonalitätsabweichung, die den Winkel zwischen den Verbindungslinien der Zellzentren und den zugehörigen Flächennormalen beschreibt. Zusätzlich werden numerische Leistungskennzahlen wie Massenbilanzfehler, Reduktionsrate der Residuen und die Glätte der hydraulischen Potentialverteilung berücksichtigt.

Der Vergleich der unterschiedlichen Voronoi-Netze dient dazu, Gemeinsamkeiten und Unterschiede in ihrer geometrischen Struktur und potenziellen Modellanwendbarkeit herauszuarbeiten. Auf diese Weise wird ein besseres Verständnis der Einflüsse von Netzaufbau und Gitterqualität auf die Zuverlässigkeit und Effizienz von Grundwasserströmungsmodellen gewonnen.

Die Ergebnisse dieser Untersuchung liefern eine Grundlage für die Bewertung und Auswahl geeigneter Strategien zur Erstellung unstrukturierter Voronoi-Netze und unterstützen die Weiterentwicklung effizienter und stabiler Modellierungsansätze in der Hydrogeologie.

Grundwasserströmung im Festgestein lässt sich mit verschiedenen numerischen Ansätzen, die für verteilt-parametrische Systeme entwickelt werden, simulieren. Die Wahl der Methode hängt von der Zielsetzung, dem Untersuchungs­aufwand, der praktischen Anwendbarkeit und insbesondere der Verfügbarkeit von Informationen zum Aufbau und zur räumlichen Heterogenität des Untergrundes ab. Das Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie entwickelt derzeit ein landesweites stationäres 3D-Grundwasserströmungsmodell für Niedersachsen (STELLAR, vgl. Abstract ID 150), mit der Zielsetzung, unterschiedliche hydrogeologische und wasserwirtschaftliche Daten systematisch und einheitlich miteinander zu verknüpfen, um landesweit vollständige Bilanzen und Grundwasserinformationen bereit zu stellen und die Interaktion zwischen Grundwasser und Oberflächengewässern sowie den Grundwasseraustausch im Untergrund darzustellen. Die Berechnungsergebnisse des Modells sind entscheidend für ein ganzheitliches Verständnis des Wasserhaushalts in Niedersachsen.

In Niedersachsen sind in zwei Regionen großflächig aufgeschlossene Festgesteinsgebiete mit teilweise verkarsteten Einheiten auf (zusammen ≈11.000 km², ~23 % der Landesfläche) verbreitet. Aufgrund der regionalen Ausdehnung, der erforderlichen Kopplung mit dem im Aufbau befindlichen MODFLOW-6-Modell der niedersächsischen Lockergesteinsgebiete im Rahmen von STELLAR sowie des verfügbaren Datenbestands soll das Festgestein als Äquivalentes Porenmedium (EPM) mit effektiven Parametern modelliert werden. Für den Modellaufbau sollen Informationen aus bestehenden geologischen 3D-Strukturmodellen (TUNB3D-NI [„Tieferer Untergrund Norddeutsches Becken“ für Niedersachsen und Bremen] und GTA3D [„Geotektonischer Atlas 3D“]) mit geologischen Karteninformationen verknüpft werden, und anhand von hydrogeologischen Datensätzen für die Strömungsmodellierung parametrisiert werden. Darüber hinaus werden modellrelevante Eingangsdaten (z. B. Beobachtungsdaten von Quellen, Oberflächengewässer sowie Daten aus Beobachtungs- und Entnahmebrunnen) berücksichtigt, um konsistente Konzeptmodelle im Rahmen eines Multimodell-Konzepts zu erstellen.

Die besonderen Herausforderungen beim Modellaufbau umfassen:

• die Ableitung repräsentativer effektiver Modellparameter, insbesondere im Hinblick auf die 3D-Diskretisierung;
• die Konzeptualisierung einer oberflächennahen Verwitterungszone;
• die Repräsentation bekannter präferenzieller Fließwege (z. B. südlich des Harzgebirges)
• die Berücksichtigung von hydrogeologisch relevanten Hauptstörungen.

In diesem Posterbeitrag werden konzeptuelle Ansätze zum Umgang mit diesen Herausforderungen dargestellt und deren Verwendung in MODFLOW-6 diskutiert.

Der Klimawandel ist im Landschaftswasserhaushalt in Niedersachsen messbar. Die letzte Dekade (2015-2024) war von Extremen geprägt. So ist das Sommerhalbjahr 2018 durch eine seit der Wetteraufzeichnung einzigartige Dürresituation mit extremem Niederschlagsmangel und Hitzerekorden und gleichzeitig ist der Jahreswechsel 2023/2024 mit einer ebenfalls bisher einzigartigen Überschwemmungssituation mit anhaltenden Niederschlägen über das gesamte 4. Quartal 2023 den Menschen in Erinnerung geblieben. Diese Dynamik im Klimasystem ist für konzeptionelle Wasserhaushaltsmodelle, deren Methodik für Auswertungen von langjährigen Zeiträumen entwickelt sind, eine Herausforderung. Relevante Einflussgrößen wie die vegetations- und wachstumsphasenabhängigen kc-Faktoren zur Berechnung der tatsächlichen Verdunstung oder Grundwasserstände müssen teils aufgrund eingeschränkter Verfügbarkeit mit langjährigen Mitteln angenommen werden, so dass die Bilanz eines 30-jährigen Zeitraums ausgeglichen ist. Es stellt sich die Frage, ob diese Parametrisierung in einem sich wandelnden Klima und zur Auswertung von Extremereignissen Anpassungen bedarf.

Exemplarisch wurde ein landwirtschaftlich geprägtes Einzugsgebiet im Landkreis Diepholz (Zentralniedersachsen) untersucht. Dabei wurden die gemittelten kc-Faktoren der Klasse Ackerland in 78 feldfruchtspezifische Klassen und anschließend jeweils in 4 ertragsspezifische Klassen unterteilt. Diese schlaggenauen Anbaukulturen liegen seit 2016 durch die Daten der Gemeinsamen Agrarpolitik (GAP) und der Erntestatistik des Landesamts für Statistik Niedersachsen (LSN) vor. Der Anbau von Winterzwischenfrüchten wird in den GAP-Daten nicht erfasst. Daher musste hier eine expertenbasierte Annahme getroffen werden. Berücksichtigt wurde hierbei, ob das Einzugsgebiet Wasserschutzgebiete enthält (der Anbau von Zwischenfrüchten wird hier gefördert) oder in einer der Kulissen der mit Nitrat belasteten Gebiete nach NDüngGewNPVO lag. Die Berechnung des Landschaftswasserhaushalts und die Berechnung der Grundwasserwasserneubildung sind mit dem Wasserhaushaltsmodell mGROWA exemplarisch mit dem ursprünglichen und dem angepassten Set-up durchgeführt und anschließend mit dem Pegelabfluss des Einzugsgebiets und der tatsächlichen Verdunstung mittels Satellitendaten MODIS (MOD16A2, MOD16A3) evaluiert worden.

Die Verdunstung ist in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich gestiegen und hat einen starken Einfluss auf den Landschaftswasserhaushalt. Dies, der ertragsspezifische Effekt von differenzierten Feldfrüchten auf die Verdunstung, sowie Extremereignisse verändern die Wasserbilanz des Einzugsgebiets erheblich und haben einen Einfluss auf die Grundwasserneubildung. Im nächsten Schritt wird diese Pilotstudie auf weitere Einzugsgebiete erweitert werden, um den großräumigen Effekt auf Niedersachsen abzuschätzen.

Im Zulassungsverfahren für Pflanzenschutzmittel (PSM) gewinnen zielgerichtete Monitoringstudien zunehmend an Bedeutung. Voraussetzung dafür sind belastbare Einschätzungen zur Vulnerabilität von Standorten und Messstellen gegenüber Einträgen von PSM-Wirkstoffen und ihren Abbauprodukten ins Grundwasser. Ziel des Projektes war es, zu identifizieren, welche Standortfaktoren die Vulnerabilität maßgeblich bestimmen und wie sich diese quantifizieren, klassifizieren und räumlich vorhersagen lässt.

Dazu wurden Grundwasserqualitätsdaten der 13 Flächenbundesländer harmonisiert und mit Informationen zu Stoff- und Standorteigenschaften verknüpft. Die daraus entstandene Datenbank umfasst über 26.000 ausgewertete Messstellen und mehr als 500 Stoffe. An 58 % der Messstellen wurden mindestens einmal Wirkstoffe oder Metaboliten nachgewiesen, an rund 20 % Überschreitungen des Grenzwertes von 0,1 µg L⁻¹ festgestellt.

Zur Identifikation relevanter Einflussgrößen und zur räumlichen Prognose wurden Klassifikationsmodelle auf Basis von Random Forest und neuronalen Netzen angewendet. Aufgrund des hohen Zensurgrades – über 95 % der Messwerte lagen unterhalb der Bestimmungsgrenze – wurden Konzentrationsklassen als Zielvariablen definiert. Für acht mobile und persistente Metaboliten konnten robuste Modelle (Macro-F1 > 0,7) trainiert werden. Die landwirtschaftliche Nutzung, insbesondere die Hauptkultur im Umfeld der Messstelle, erwies sich als wichtigstes Merkmal, gefolgt von Filtertiefe, Sandgehalt und Grundwasserneubildung. Hydrogeologische Parameter, wie Hohlraumart und hydraulische Leitfähigkeit der Aquifere, zeigten dagegen einen deutlich geringeren Einfluss. In erweiterten Modellansätzen erwiesen sich Nitrat-, Sulfat- und Kaliumgehalte im Grundwasser als Indikatoren landwirtschaftlicher Aktivität und somit als ergänzende Prädiktoren.

Die Ergebnisse verdeutlichen, dass sich die Vulnerabilität des Grundwassers gegenüber PSM-Einträgen mit hoher Persistenz und Mobilität in Deutschland stärker durch landnutzungsbezogene als durch intrinsisch hydrogeologische Faktoren erklären lässt. Für die Planung künftiger Nachzulassungsmonitoring-Studien wird empfohlen, standortbezogene, großmaßstäbliche Daten und Modelle sowie lokale Fachkenntnis einzubeziehen. Die teilweise heterogenen analytischen Bestimmungsgrenzen und der hohe Zensurgrad der Monitoringdaten erschweren jedoch die bundesweite Vergleichbarkeit; eine Harmonisierung würde die Aussagekraft und Modellierbarkeit künftig weiter verbessern.

In der Kooperation KLIWA „Klimaveränderung und Konsequenzen für die Wasserwirtschaft“ beobachten und bewerten die Bundesländer Baden-Württemberg, Bayern, Hessen, Rheinland-Pfalz und Saarland gemeinsam mit dem Deutschen Wetterdienst die Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushalt. Grundwasser spielt dabei eine zentrale Rolle für die Wasserverfügbarkeit für Mensch und Ökosysteme und liefert einen bedeutenden Beitrag zur Speisung von Fließgewässern in Trockenperioden. Langfristige Veränderungen von Grundwasserständen und Quellschüttungen, die innerhalb der KLIWA-Arbeitsgruppe Grundwasser für den süddeutschen Raum untersucht werden, sind wichtige Indikatoren für die hydrologischen Auswirkungen des Klimawandels. Bisherige Studien zu langfristigen Trends der Grundwassermenge basieren häufig auf Grundwasserstandsdaten mit sehr ungleichmäßiger Messstellenverteilung und z. T. unterschiedlichen Zeitreihenlängen, was flächendeckende Aussagen und die regionale Vergleichbarkeit erschwert. In der vorliegenden Studie werden daher sowohl Zeitreihen von Quellschüttungen als auch von Grundwasserständen betrachtet, wodurch insbesondere die Mittelgebirgsregionen im süddeutschen Raum, die durch Grundwassermessstellen typischerweise unterrepräsentiert sind, besser abgebildet werden. Gleichzeitig wurde der Datensatz in Regionen mit hoher Messstellendichte gezielt ausgedünnt, um räumliche Verzerrungen zu reduzieren. Anhand des resultierenden Datensatzes von 125 Grundwassermessstellen und Quellen werden Extremwerte und Trends über den Zeitraum 1971-2024 in Süddeutschland betrachtet. Die Auswertung der Extremwerte zeigt ein gehäuftes Auftreten von Grundwasserniedrigstständen in den 1970er-Jahren sowie erneut in den letzten zehn Jahren. Grundwasserhöchststände wurden dagegen besonders häufig in den 1980er-Jahren sowie regional im Jahr 2024 beobachtet. Die Trendanalyse ergibt für den Gesamtzeitraum 1971-2024 mehr negative als positive Trends. Zusammenhänge mit klimatischen Treibern werden diskutiert. Die Ergebnisse liefern Kenntnisse zur zeitlichen und räumlichen Dynamik von Grundwasserressourcen und bilden damit eine wichtige Basis für eine nachhaltige Wasserbewirtschaftung.

Im Zuge verstärkter Nutzungskonflikte und klimatischer Änderungen rückt die effiziente und gleichzeitig umweltschonende Nutzung von Grundwasserressourcen immer mehr in den Fokus. Durch ganzheitliche Ansätze, wie dem integrierten Wasserressourcenmanagement (IWRM), sollen im Kontext der nachhaltigen Nutzung des Grundwassers wirtschaftliche, ökologische und soziale Ziele gegeneinander abgewogen und in Einklang gebracht werden. Hierbei spielt neben der Datengrundlage auch der Dialog der beteiligten Akteure aus Wasserwirtschaft, Landwirtschaft, Umwelt etc. eine bedeutende Rolle. Eine gesetzliche Grundlage für eine verpflichtende Beteiligung fehlt jedoch.

Die im Dezember 2023 in Kraft getretene Trinkwassereinzugsgebieteverordnung (TrinkwEGV) schafft die rechtliche und strukturelle Voraussetzung dafür, dass Einzugsgebiete von Trinkwasser­gewinnungsanlagen abgegrenzt und Daten zur Bewertung der standortbezogenen Geschütztheit des Rohwassers systematisch erfasst und bewertet werden müssen. Sie leistet damit durch die Erweiterung der Datengrundlage, die Identifizierung von Ressourcen und Risiken sowie die konkrete, gesetzlich verbindliche Formulierung von Maßnahmen zumindest in Teilbereichen auch einen grundlegenden Beitrag für die Entwicklung und Umsetzung weiterführender Konzepte wie dem integrierten Wasserressourcenmanagement (IWRM).

Mit Einführung der Trinkwassereinzugsgebieteverordnung (TrinkwEGV) in Hessen entstand bei den zuständigen hessischen Behörden die Notwendigkeit, neue Arbeitsabläufe zu etablieren. Dazu gehören die Prüfung, Speicherung und Auswertung der durch die Betreiber von Trinkwasser­gewinnungs­anlagen bereitzustellenden Daten und Dokumente zu den Trinkwassereinzugsgebieten und der daraus abgeleiteten Risikobewertungen. Bislang ist das Abgabeformat der Berichts- und Geodaten, die im Rahmen der Umsetzung der TrinkwEGV vorgelegt werden müssen, den Betreibern in Hessen weitgehend freigestellt und es bestehen nur behördliche Empfehlungen. Daraus resultiert ein erheblicher Aufwand für die Behörden, die Daten aus den eingereichten Unterlagen unterschiedlicher Formate in datenbankähnliche, auswertbare Systeme zu überführen. Für die effiziente Umsetzung der TrinkwEGV in Hessen soll daher eine webbasierte Anwendung mit angegliederter Datenbank aufgebaut werden, die die Rollen und Arbeitsschritte der beteiligten Akteure (Betreiber von Trinkwasser­gewinnungsanlagen, Ingenieurbüros, Genehmigungs- und Fachbehörden) abbildet, vereinheitlicht und die behördenübergreifende Zusammenarbeit und Berichtspflicht vereinfacht. Ein Schwerpunkt soll dabei sein, sowohl für Betreiber als auch die Behörden unabhängig von kostenpflichtiger Software technische Voraussetzungen zu schaffen, Daten im erforderlichen Format erstellen und im räumlichen Kontext prüfen zu können. Durch eine Versionierung der eingereichten Daten ist nach der ersten Abgabe in den Folgezyklen eine erhebliche Zeitersparnis sowohl seitens der Betreiber als auch der Behörden zu erwarten, da auf vorhandene Daten zugegriffen und lediglich Änderungen neu eingegeben werden müssen.

In dem Vortrag soll die Umsetzung der TrinkwEGV in Hessen im Kontext der entwickelten Web-Applikation erläutert und sich daraus ergebende Vorteile aufgezeigt werden. Die Applikation befindet sich derzeit in der Entwicklungsphase. Es ist vorgesehen, sie für die Behörden bereits im ersten Prüfzyklus und für Betreiber ab dem zweiten Abgabezyklus zur Verfügung zu stellen.

folgt

Viele hydrochemische Prozesse im Grundwasser verlaufen recht langsam. Landnutzungsänderungen prägen sich in der Regel nur langsam auf die Beschaffenheit von Grundwasserkörpern durch. Selbst die Auswirkungen einer relativ kurzfristigen anthropogenen Veränderung zu erfassen bedarf oft mehrjähriger bis jahrzehntelanger Beobachtungen anhand von regelmäßigen Beprobungen. Selbst die Effekte des „Sauren Regens“ der 1950er bis 1980er Jahre sind noch heute in vielen flachen Grundwasserleitern in Form von niedrigen pH-Werten und erhöhten Sulfat-Konzentrationen nachweisbar, obwohl die Einträge seit Ende der 1980er Jahre deutlich nachgelassen haben.

Um die durch den Klimawandel bzw. anthropogene Eingriffe ausgelösten Veränderungen der hydrochemischen Beschaffenheit des Grundwassers bewerten zu können, wäre es wichtig zu wissen wie denn die Beschaffenheit ursprünglich, d.h. vor der Industrialisierung und der allgemeinen Verbreitung der Mineraldüngung und dem Übergang zur Intensivlandschaft gewesen ist. Während Grundwasserstände in Deutschland seit fast 150 Jahren mehr oder weniger durchgehend beobachtet werden, haben sich regelmäßige Untersuchungen der Wasserbeschaffenheit erst deutlich später etabliert. Messstellennetze zur regelmäßigen Überwachung der Wasserqualität wurden in Deutschland oft erst ab den 1980er Jahren eingerichtet.

Diese Lücke können z.T. die Chemischen Wasserstatistiken des DVGW füllen, die einen fast flächendeckenden hydrochemischen Rückblick bis in eine Zeit von vor mehr als 110 Jahren erlauben. Es wurden mehrere solcher Statistiken erhoben, wobei der DVGW jeweils die Beschaffenheit des Trinkwassers von den Wasserwerken Deutschlands abfragte und kompilierte. Die erste Statistik von 1915 erfasste 309 meist größere städtische Wasserversorgungen (mit 335 Datensätzen) im Deutschen Reich in den Grenzen von 1914. Die zweite Statistik von 1929 erfasste schon 706 Wasserversorgungen (1076 Objekte), darunter nun auch viele kleinere und mittlere. Mit der dritten Statistik von 1941 wurden bereits 1300 Wasserversorgungen (2331 Objekte) erfasst, wobei hier auch Wasserversorgungen in Österreich und Tschechien (Sudetenland) miterfasst wurden. In die erste Statistik nach 1945, aus dem Jahr 1959, wurden 727 Wasserversorgungen (1066 Objekte) aus der Bundesrepublik und West-Berlin aufgenommen. Im Jahr 1968 wurden weitere 434 Reinwasser-Analysen ergänzt.

Diese in Vergessenheit geratenen historischen Daten wurden digitalisiert, aufbereitet, in moderne Einheiten umgerechnet, Koordinaten zugeordnet, klassifiziert und einer orientierenden statistischen und kartographischen Auswertung unterzogen. Obwohl der Analyseumfang mit der Zeit zunahm, ist dieser aus heutiger Sicht recht beschränkt und erlaubt z.B. keine Ionenbilanz. Die häufigen Reinwasseranalysen erlauben nur einen begrenzten Einblick in die Konzentrationen des ursprünglichen Rohwassers. Nichtsdestotrotz zeigen einige Parameter in der Kartendarstellung klare regionale Trends, z.B. beim Gesamtlösungsinhalt, Kalzium und Eisen (im Rohwasser), die die hydrogeologischen Großräume Deutschlands widerspiegeln. Besonders interessant ist die Verteilung von Nitrat, die klar zeigt, dass die heute beobachteten hohen Konzentrationen erst mit der flächendeckenden Einführung der Intensivlandwirtschaft aufgetreten sind.

The modeling of chemical reactions in groundwater transport models can represent complex processes in the subsurface. A common approach is coupling a groundwater flow and transport model with a hydrogeochemical model. This presentation demonstrates the coupling of MODFLOW 6 and PHREEQC 3.
MODFLOW 6 is the latest version of a groundwater modeling framework provided by the U.S. Geological Survey (USGS). It combines most features from previous versions of the MODFLOW series such as MODFLOW-2005, MODFLOW-NWT, and MODFLOW-USG. Furthermore, it adds new capabilities such as groundwater energy transport. It strives to be a unified, flexible, and modular system for simulating multiple hydrologic processes including groundwater flow (GWF), groundwater transport (GWT), groundwater energy transport (GWE), and particle tracking (PRT).
MODFLOW 6 offers access to all model values during runtime via the Basic Model Interface (BMI). This technique is well-suited for coupling with other models. The open-source Python library pymf6 uses this interface to allow interactive access to MODFLOW 6. pymf6 provides a high-level approach to facilitate understanding of model internals. Interactively stepping through a model and introspecting MODFLOW 6 variables helps to understand the internals of a model run. This is essential for model coupling.
PHREEQC is a widely used hydrogeochemical modeling tool that is frequently used for reactive transport modeling. PhreeqPy is a Python interface to IPhreeqc, a PHREEQC variant that runs PHREEQC calculations programmatically without PHREEQC input files. This can considerably facilitate the implementation of reactive transport models. The latest version of PhreeqPy incorporates PhreeqcRM, a PHREEQC version specifically designed for coupling with transport models. PhreeqcRM has a comprehensive programming interface that provides programmatic control over all geochemical modeling features. PHREEQC input files are used to define initial conditions. All computations are performed for multiple cells that can be mapped to the cells of a transport model grid.
This presentation shows how PhreeqPy enables the user to couple PHREEQC computations to transport models. All PHREEQC processes can be controlled in an interactive Python session. This greatly facilitates the development of model coupling. All PHREEQC values can be introspected at all time steps. Jupyter Notebooks simplify the visualization of model values at any stage of the model run. Examples show how PhreeqPy can be used for different use cases. A simple piston flow example of advective 1-D transport demonstrates the general workflow.
A more comprehensive example demonstrates how rtmf6, which combines PhreeqPy and pymf6, can be used to model multi-dimensional reactive transport. The groundwater transport computations run in parallel, using one MODFLOW 6 transport model per chemical constituent. The chemical reaction computations are parallelized with threading in PhreeqcRM. This considerably speeds up computation by taking advantage of modern multi-core systems. The first experiences with the application of rtmf6 show that it provides a performant and flexible system. Its open architecture facilitates accounting for special conditions through custom Python programming.

Küstenregionen gehören zu den am dichtesten besiedelten Landschaften auf der Welt und beherbergen einen großen Teil der Weltbevölkerung. Grundwasserleiter werden in diesen Regionen oftmals als primäre Ressource für die Versorgung mit Trink- und Brauchwasser genutzt. Die Sicherstellung einer guten Grundwasserqualität ist daher von überragendem Interesse für viele verschiedene Akteure in Küstenregionen.

Grundwasserversalzung bedingt durch die Intrusion von Meerwasser bzw. salzigem Grundwasser stellt in vielen Fällen die unmittelbarste Gefahr für süße Grundwasservorkommen im Küstenbereich dar. Das Forschungsinteresse und die Bemühungen zur Verbesserung des Wissens in Hinblick auf Versalzungsprozesse ist dementsprechend in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten spürbar gestiegen. Die Untersuchung der Auswirkungen anderer (reaktiver) hydrogeochemischer Prozesse auf die Entwicklung der Grundwasserqualität findet im Kontext Küste hingegen deutlich weniger Beachtung. Über die hydrogeochemische Entwicklung von Küstengrundwasserleitern im Verlauf des Holozäns, das typischerweise durch erhebliche paläo-hydrogeologischen Veränderungen im Küstenraum geprägt wurde, ist bis dato sehr wenig bekannt.

Ziel unserer Studie war es daher, die hydrogeochemische Entwicklung eines Küstengrundwassersystems während des Holozäns (9.000 Jahre BP bis heute) mittels numerischer reaktiver Stofftransportmodellierung genauer zu untersuchen. Insbesondere waren wir daran interessiert, (i) welche hydrogeochemischen Prozesse die Entwicklung der Grundwasserqualität übergeordnet beeinflussen, (ii) welchen Effekt verschiedene paläo-hydrogeologische Veränderungen der Küstenlandschaft auf die hydrogeochemische Entwicklung haben und (iii) welche Rolle verschiedene zeitliche und räumliche Skalen spielen. Die Weser-Ems-Region diente als Untersuchungsgebiet, wobei ein zuvor entwickeltes numerisches dichteabhängiges Grundwasserströmungsmodell (Seibert et al., 2023) als Grundlage herangezogen wurde. Für die Beantwortung der Fragestellungen wurden reaktive 2-D Stofftransportmodelle entwickelt und mit Hilfe des Software-Pakets PHT3D (Prommer und Post, 2010) simuliert. Erste Ergebnisse zeigen, dass hydrochemische Redox-Prozesse sowie Lösungs-/Fällungsreaktionen der Minerale Kalzit, Goethit, Siderit und Pyrit die Hydrogeochemie maßgeblich beeinflussen. Die Intrusion von Meerwasser durch den Holozänen Meeresspiegelanstieg konnte als einer der wesentlichen paläo-hydrogeologische Prozess identifiziert werden, welcher neben einer Erhöhung der Salinitäten u.a. einen Anstieg der gelösten Fe(II) und HS- Konzentrationen sowie intensivierte Lösungs-/Fällungsreaktionen der Minerale Goethit und Pyrit bewirkte.

Literatur:

Prommer, H. und Post, V.E.A., 2010. A Reactive MULTICOMPONENT Transport Model for Saturated Porous Media. www.pht3d.org

Seibert, S.L., Greskowiak, J., Bungenstock, F., Freund, H., Karle, M., Meyer, R., Oude Essink, G.H.P., Van Engelen, J. und Massmann, G., 2023. Paleo-Hydrogeological Modeling to Understand Present-Day Groundwater Salinities in a Low-Lying Coastal Groundwater System (Northwestern Germany). Water Resources Research, 59(4). https://doi.org/10.1029/2022WR033151

Uranium (U) as a trace element in groundwater supply constitutes a major health risk in many regions worldwide. This trace element becomes a public health concern when it exceeds national or international drinking water standards, as it is associated with several diseases (e.g., several types of cancer). In the Mecklenburg-Vorpommern (MV) region of northern Germany, particularly in the shallow aquifer (<30 m), elevated U concentrations have been historically reported. These levels are linked to glacial sediments originating from Scandinavia during the last glaciation. A “roll front” mechanism was postulated to explain U accumulation and migration in the subsurface, which either promotes or limits the mobility of U toward groundwater. This behavior is attributed to redox-driven mobilization processes, where oxidizing agents (e.g., nitrates) alter reducing environments, leading to the release of previously immobilized geogenic U from sediments.

Through an in-depth hydrochemical and geochemical analysis aimed at characterizing the water and soil in the MV area, this study analyzes both historical and recent data (2007-2024) from 6,711 water samples and 1,087 soil samples to assess the current status of U in the region. The results show that U concentrations in groundwater range from below detection limit (0.005 µg L⁻¹) to 104 µg L⁻¹, with 6% of samples exceeding the German drinking water limit in areas such as Schwerin, Wittenburg, Wismar, Anklam, Jarmen, Güstrow, and Greifswald. Groundwater temperatures range from 5.3 to 21.9 °C, with the highest U concentrations observed between 8.5 and 11.5 °C, indicating that temperature plays a role in uranium levels in the water. Redox potential (Eh), ranging from -143 to 806 mV, was found to be a key factor influencing U mobility. The roll front effect was identified, with peak U concentrations occurring between 50 and 425 mV, i.e., in the redox window of nitrate-reducing conditions. Outside this range, U levels in groundwater tend to remain below 10 µg L⁻¹. Soil concentrations range from 0.1 to 8.8 mg kg⁻¹, and a co-occurrence was observed between elevated U levels in sediments (>0.6 µg L⁻¹) and groundwater (>10 µg L⁻¹) in the same hot spot areas. The textural classification based on grain size has shown that soils with high Organic Carbon contents (Ha, Hn; ≈ 1.59 mg kg⁻¹; i.e., peaty soils), clay (Tu, Tl, Ts; ≈1.7 mg kg⁻¹), clay-sandy (Lts; ≈1.21 mg kg⁻¹) and sandy (sl1–sl3; ≈0.6 mg kg⁻¹), collected from depths of 10 to 40 cm, exhibit the highest U contents.

Future activities will include hydrogeochemical analysis (major, minor, and trace elements), and micro-scale studies (using core samples) in the MV area, conducted in collaboration with LUNG. Identifying and characterizing the sediments and groundwater in the MV area is essential for developing a conceptual model to understand the specific U-bearing facies and the mechanisms controlling uranium mobilization, which under certain conditions may either enhance or limit its concentration in groundwater. Continuing with the detailed characterization of the MV area, is essential for identifying the specific U-bearing phases, optimizing the design of mobility tests and water treatment strategies in MV.

Key words: Uranium, Groundwater, soil, Mecklenburg-Vorpommern

Obwohl Moore lediglich rund 3 % der terrestrischen Landfläche bedecken, speichern sie etwa 10 % des globalen nichtglazialen Süßwassers und tragen bis zu 20 % des in die Ozeane eingetragenen gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) bei. Sie spielen eine zentrale Rolle für die Trinkwasserversorgung vieler Regionen – so sind in Irland etwa 80 % der Bevölkerung auf von Torfgebieten gespeiste Oberflächengewässer angewiesen. In Mecklenburg-Vorpommern bedecken Moore rund 13 % der Landesfläche; die Degradation von Torfen stellt hier die bedeutendste Quelle von Treibhausgasemissionen dar. Eine rasche und umfassende Wiedervernässung ist daher unabdingbar, um die regionalen Klimaziele zu erreichen.

Moore beeinflussen weltweit aber auch die Qualität sowohl von Oberflächen- als auch von Grundwasser in abstromigen Einzugsgebieten. Sie gelten im Allgemeinen als Senken für zahlreiche gelöste chemische Substanzen und erbringen damit essenzielle Ökosystemdienstleistungen wie die natürliche Wasserfiltration. Ihre Rückhaltekapazität unterliegt jedoch saisonalen Schwankungen und wird durch Faktoren wie Wasserquelle und -sättigung, Redoxbedingungen, Sorptionsprozesse und mineralische Umsetzungen bestimmt. Anthropogene Einflüsse – etwa Entwässerung, landwirtschaftliche Nutzung oder Torfabbau – können diese Funktionen erheblich beeinträchtigen und dazu führen, dass Moore statt als Senken als Quellen unerwünschter Stoffe wirken. Dies birgt Risiken für abstromige Ökosysteme, Wasserressourcen und letztlich auch für die öffentliche Gesundheit.

Während die zentrale Bedeutung der Kohlenstoffbilanz und des trophischen Zustands von Mooren weithin anerkannt ist und deren enge Verknüpfung mit der Landnutzung gut belegt wurde, besteht bislang nur begrenztes Wissen über den Einfluss dieser Faktoren auf die Kreisläufe und die Mobilisierung von Spurenelementen in Mooren. Viele Hochmoorgebiete entwässernde Bäche und Flüsse – etwa in Irland – weisen in den letzten Jahrzehnten einen rapiden Anstieg der DOC-Konzentrationen auf, der auf Torfdegradation zurückzuführen ist und sich durch den fortschreitenden Klimawandel sowie andere anthropogene Einflüsse weiter verstärken dürfte. Diese Entwicklung wird voraussichtlich zu einer weiteren Verschlechterung der abstromigen Wasserqualität führen, auch im Hinblick auf die Co-Mobilisierung von Spurenelementen.

In einer laufenden Studie in einem entwässerten Niedermoor im Tal des Flusses Ryck (Vorpommern) werden hydrogeochemische und hydrogeologische Auswirkungen landwirtschaftlicher Nutzung, Drainage und Wiedervernässung untersucht. Im Fokus stehen dabei Stoffausträge aus degradiertem und intaktem Torf, Veränderungen der hydraulischen Durchlässigkeit sowie Nitrateinträge. Erste Ergebnisse aus Säulen- und Batchversuchen zeigen erhebliche Stofffreisetzungen, insbesondere bei degradierten Torfen: Sie setzen mehr als doppelt so viel organischen Kohlenstoff frei wie nicht degradierte Torfe. Zudem wurden für toxikologisch relevante (Spuren-)Elemente wie Eisen, Aluminium, Vanadium, Nickel, Arsen, Blei und Uran um den Faktor 4 bis 7 erhöhte Mobilisierungspotenziale beobachtet. Diese Befunde sollten bei der Planung und Umsetzung von Wiedervernässungs- und Nachnutzungskonzepten (Paludikultur) zwingend berücksichtigt werden.

In semiariden Klimagebieten wie dem südlichen Afrika kann das Problem der Wasserknappheit mithilfe der Nutzung tiefer Grundwasservorkommen verringert werden. Im Cuvelai-Etosha-Becken im Norden Namibias wurde ein tiefes Aquifersystem in den Ablagerungen des Cubango Megafans entdeckt. Dieses ist durch zwei übereinanderliegende Grundwasserleiter, dem Ohangwena-I, sowie dem tieferliegenden Ohangwena-II charakterisiert, welche durch einen lokal vorkommenden schwebenden Grundwasserleiter ergänzt werden. Die Qualität und Nutzung des Grundwassers ist teilweise durch hohe Salzkonzentrationen, sowie hohe Konzentrationen an Vanadium und Fluorid eingeschränkt. Wir untersuchen die Spurenelementverteilung und deren bislang ungeklärte Mobilisierungsprozesse mittels Labor- und Feldversuche.

Anhand von Material des Bohrkerns WW203302, welcher aus einer im Jahr 2013 durchgeführten, 400 m tiefen Bohrung im Gebiet Ohangwena in Namibia stammt (Houben et al., 2020), können für die Grundwasserbeschaffenheit relevante geochemische Eigenschaften des Sediments der Kalahari-Formation in Laborversuchen bestimmt werden. Der Fokus liegt dabei auf der Bestimmung der Herkunft und der Mobilisierungsprozesse der Spurenelemente Vanadium und Fluor. Fluor kann beispielsweise in verschiedenen Schwermineralen wie Turmalin, Apatit oder Biotit vorhanden sein. Zur Analyse von fluoridhaltigen Schwermineralen wird eine quantitative und qualitative Untersuchung anhand von Schwermineralschliffen mit Raman-Spektroskopie, sowie Elektronenstrahlmikrosonde durchgeführt. Potentiell fluorid-mobilisierende Ionenaustauschprozesse zwischen Sediment und Grundwasser sollen durch Anionenaustauschexperimente mit Natriumkarbonat- und Natriumsulfat-Austauschlösungen nachgewiesen werden. Vanadium kann in Eisenoxiden vorkommen und von dort durch reduktive Wasser-Gesteinswechselwirkungen ins Grundwasser gelangen. Potentiell vanadiumhaltige Eisenoxide werden abgetrennt und die Eluate mit ICP-MS auf Spurenelemente untersucht. Zusätzlich können mithilfe von Neutronenaktivierungsanalyse die Spurenelemente mit hoher Genauigkeit im Sediment nachgewiesen werden.

Bei einer Probenahmekampagne in Namibia im Sommer 2025 konnten Grundwasserproben von 23 Bohrungen im Gebiet Ohangwena entnommen werden. Die folgende Analytik wird an den Proben durchgeführt: Anionen und Kationen, Isotopenmessungen von ²H, ¹⁸O, ¹³C und ¹⁴C, gesamtorganischer und -anorganischer Kohlenstoff, N₂/Ar, Edelgase, sowie Spurenelemente wie Vanadium und Fluor. Mithilfe der Ergebnisse der Grundwasserproben können Korrelationen der Spurenelementkonzentrationen mit geochemischen Parametern des Grundwassers, wie pH-Wert und Salinität, hergestellt und ein tieferes Verständnis der Mobilisierungsprozesse erzielt werden. Auch die Verteilung des Salzgehaltes und der Verlauf der Salz-Süßwassergrenze in den Grundwasserleitern der Ohangwena Region kann mithilfe der neuen Grundwasserproben genauer bestimmt werden.

In unserem Beitrag stellen wir erste Ergebnisse der Bohrkernanalysen, der Messungen der Grundwasserproben und der Bestimmung von stattfindenden geochemischen Mobilisierungsprozessen vor.

Houben, G. J., Kaufhold, S., Miller, R. M., Lohe, C., Hinderer, M., Noll, M., ... & Quinger, M. (2020). Stacked megafans of the Kalahari Basin as archives of paleogeography, river capture, and Cenozoic paleoclimate of southwestern Africa. Journal of Sedimentary Research, 90(9), 980-1010.

Hintergrund

Usedom ist eine Insel im Nordosten Deutschlands. Besonders in den Sommermonaten verzeichnet die Insel einen starken Besucheransturm, was die Trinkwasserversorgung zunehmend unter Druck setzt. Da der Klimawandel die Wasserknappheit verschärft und saisonale Bedarfsspitzen den Salzwassereinbruch aufgrund der erhöhten Grundwasserentnahme beschleunigen, steht die Insel vor einer großen Herausforderung. Die bestehende Wasserversorgungsinfrastruktur stößt an ihre Grenzen, und die Bereitstellung von qualitativ hochwertigem Trinkwasser sowohl während der touristischen Spitzenzeiten als auch langfristig wird zunehmend schwieriger. Um dieses Problem zu lösen, wurden geophysikalische Untersuchungen sowie geologische und Grundwassermodellierungen kombiniert, um die Trinkwasserversorgung für 32.000 Einwohner und 1,3 Millionen Touristen sicherzustellen.

Herausforderung

Obwohl die Grundwasserleiter der Insel Potenzial bergen, sind sie noch unzureichend erforscht. Viele der verfügbaren hydrogeologischen Daten sind veraltet oder werden nicht ausreichend genutzt, was die Planung neuer Investitionen und die Umsetzung nachhaltiger Wassermanagementstrategien erschwert. Der Konflikt zwischen der Deckung des Wasserbedarfs von Einwohnern und Touristen und den sich abzeichnenden Qualitätsproblemen (Versalzung) hat die Suche nach neuen, nachhaltigen Grundwasservorkommen zu einer Top-Priorität gemacht.

Lösungsansatz

Um die geologischen Verhältnisse sowie die Grundwasserversalzung bestmöglich zu untersuchen, wurde die geophysikalische Methode tTEM gewählt. Die tTEM-Messungen umfassten eine Gesamtstrecke von insgesamt ca. 270 km, mit denen flächenhaft ein Großteil der Insel Usedom abgedeckt wurde. Die geophysikalischen Daten wurden anschließend prozessiert und ausgewertet.

Basierend auf den geophysikalischen tTEM-Daten sowie bestehender Bohrlochdaten, geologischer Karten und Profilschnitten wurde ein 3D-geologisches Modell erstellt. Anhand des Modells konnte eine Rinnenstruktur identifiziert werden, in der höher durchlässige Sande erwartet werden. Diese Rinnenstruktur wäre nicht erkannt worden, hätte man das 3D-geologische Modell nur anhand der Bohrungen aufgebaut. Anschließend wurden in der Rinnenstruktur mehrere vielversprechende Bohrstandorte identifiziert werden.

Darüber hinaus wurde anhand des 3D-geologischen Strukturmodells ein Grundwassermodell in FEFLOW aufgebaut, welches anschließend kalibriert wurde. Mit dem Grundwassermodell konnten die potentiellen Bohrstandorte näher untersucht werden. D.h. es wurde untersucht welche Pumpraten in Bezug auf die sich ausbildenden Absenktrichter optimal wären. Außerdem wurde die Bewegung der Salz-Süßwasser-Grenzfläche durch einen dichteabhängigen Transportmodellansatz untersucht, um ein mögliches Ansaugen von Salzwasser möglichst zu verhindern. Diese Szenariobetrachtungen unter Berücksichtigung der Aquiferproduktivität und des Risikos des Salzwassereinbruchs führten zur Auswahl von zwei endgültigen Bohrstandorten.

Ergebnisse

Durch die Integration geophysikalischer Daten und Grundwassermodellierung konnten sich die Untersuchungen auf Standorte mit dem höchsten Potenzial für eine nachhaltige Wassergewinnung konzentrieren und gleichzeitig das Risiko von Salzwassereinbrüchen reduzieren. Die Investitionen für weitere Erkundungen konnten auf zwei Bohrstandorte reduziert werden.

Für viele kleinere marine Inseln ist Grundwasser häufig die einzige Trinkwasserressource. Die Süßwasserlinsen unterhalb dieser Inseln sind in ihrem Ausmaß jedoch häufig stark begrenzt und anfällig gegenüber Salzwasserintrusionen als Folge von Grundwasserentnahmen oder anderen Faktoren. Ein Beispiel hierfür ist die ostfriesische Insel Langeoog, deren Trinkwasserversorgung ausschließlich durch Entnahmen aus der Süßwasserlinse unter der Insel gewährleistet ist. Da mehrere Trinkwasserbrunnen deutliche Salinitätsschwankungen zeigen, ist ein Verständnis der Ursachen dieser Schwankungen für ein langfristiges nachhaltiges Trinkwassermanagement von zentraler Bedeutung.

Um die Ursachen für die Salinitätsschwankungen in den Trinkwasserbrunnen der Insel Langeoog zu identifizieren, wurden diese für den Zeitraum 1993-2023 zusammen mit verschiedenen möglichen Einflussfaktoren (Brunnenbetrieb, Grundwasserstände, Meeresspiegel, Wetterbedingungen, Bodenfeuchte) analysiert. Die Zeitreihen der verschiedenen Messgrößen sowie die daraus abgeleiteten Werte wurden mittels Zeitreihenanalyse, multivarianter Regression sowie Methoden der künstlichen Intelligenz untersucht. Ziel war hierbei die Identifikation der Bedeutung verschiedener Einflussfaktoren auf die Salinitätsschwankungen sowie die Bewertung deren Vorhersagbarkeit.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich die verschiedenen Trinkwasserbrunnen nicht nur in der Stärke der Schwankungen, sondern auch bezüglich der möglichen Ursachen unterscheiden. Generell wird die Salinität der einzelnen Brunnen nicht durch aktuelle Bedingungen oder deren kurzfristigen Schwankungen bestimmt, sondern durch Faktoren, die sich über einen Zeitraum von bis zu 10 Jahren integrieren. Relevante Faktoren sind hierbei u. A. die Wasserbilanz des Brunnenfeldes (Neubildung vs. Entnahme) sowie die Häufigkeit von Sturmfluten und die damit verbundene Variation der Schutzdünenposition. Ohne erkennbaren Einfluss sind Grundwasserstände, Meeresspiegel sowie die Laufzeiten der einzelnen Brunnen. Eine Prognose der Salinität mittels der Gesamtheit der erhobenen Daten ist für einzelne Brunnen im eingeschränkten Maße möglich.

In den Küstenregionen Norddeutschlands führt die Grundwasserversalzung zu herausfordernde Bedingungen hinsichtlich der Nutzung der Ressource Grundwasser. Diese werden auch durch die Auswirkungen des Klimawandels verstärkt. Um langfristig den Nutzungsansprüchen u. a. der Trinkwasserversorgung und Industrie gerecht zu werden, ohne zu einer zunehmenden Grundwasserversalzung zu führen, ist eine umfassende Überwachung des Grundwassers als Grundlage einer angepassten, nachhaltigen und effektiven Grundwasserbewirtschaftung im Küstenbereich notwendig.

Die Papier- und Kartonfabrik Varel GmbH & Co. KG (PKV) entnimmt zur betrieblichen Wasserversorgung im größeren Rahmen Grundwasser. Bis 2014 erfolgte die Entnahme über 10 Brunnen (wasserrechtliche Bewilligung zur Entnahme von 2,8 Mio. m³/a Grundwasser, erteilt 2004). Durch betriebliche Veränderungen ergab sich in den letzten Jahren ein deutlich erhöhter Wasserbedarf und somit die Notwendigkeit zum Bau weiterer Brunnen (angestrebte wasserrechtliche Bewilligung zur Entnahme von 4,5 Mio. m³/a Grundwasser).

Die Papier- und Kartonfabrik befindet sich im Gebiet der Stadt Varel im Norden Niedersachsens sowohl wenige Kilometer westlich als auch südlich vom Jadebusen entfernt. Bis 2014 erfolgte durch die Grundwasserentnahme nahe der Süß-/Salzwassergrenze keine Beeinflussung derselben. Jedoch ergab sich durch die geplante erhöhte Entnahme, die Notwendigkeit eine mögliche Verschiebung der Süß-/Salzwassergrenze in Richtung der Brunnen bzw. des Inlandes zu evaluieren. Daher wurde ein numerisches Grundwasserströmungsmodell zur Prüfung der Auswirkungen auf den Grundwasserhaushalt sowie eine mögliche Verschiebung der Süß-/Salzwassergrenze unter Berücksichtigung der Lage der geplanten Brunnen erstellt. Die Ergebnisse zeigten u. a., dass keine nennenswerten Änderungen der Lage der Süß-/Salzwassergrenze zu erwarten sind. Zur Überprüfung und Überwachung der Lage der Süß-/Salzwassergrenze bzw. zur langfristigen Sicherung der Grundwasserqualität wurde eine umfangreiche Beweissicherung initiiert.

Das vorrangige Ziel der Beweissicherung ist die Vermeidung eines entnahmebedingten lateralen in das Landesinnere gerichteten oder vertikalen Voranschreitens der Süß-/Salzwassergrenze durch die erhöhte Entnahme. Dazu werden im Betrachtungsgebiet die Grundwassergüte an Grundwassermessstellen und Brunnen überwacht sowie geophysikalische Methoden eingesetzt. Die Ergebnisse des Monitorings dienen unmittelbar der Grundwasserbewirtschaftung im Raum Varel. Beim nachgewiesenen Auftreten einer wesentlichen Verschiebung der bisherigen Süß-/Salzwassergrenze zu den Fassungen hin werden unverzüglich Maßnahmen zur Stabilisierung der Lage der Süß-/Salzwassergrenze ergriffen.

Die Ergebnisse der Beweissicherung zeigen seit über 10 Jahren nur eine geringfügige Verschiebung der Süß-/Salzwassergrenze. Die zeitliche und räumliche Überwachung der Chloridgehalte an den Grundwassermessstellen ergab keinen Anstieg der Werte. Weiterhin wurden in mehrjährigen Abständen 2D-geolektrische Messungen entlang von drei Transekten durchgeführt, die ungefähr senkrecht zur Salzwasserintrusionsrichtung ausgerichtet sind. An einem Transekt deutet sich anhand eines Bereiches höherer elektrischer Leitfähigkeiten im tieferen Grundwasserleiter eine leichte Verschiebung der Süß-/Salzwassergrenze an. Zur weiteren Überwachung wurde im letzten Jahr in diesem Bereich eine Dry-hole-Messstelle eingerichtet.

Die Grundwasserströmung in Küstennähe ist von komplexen, dichteabhängigen Strömungsprozessen und hochdynamischen Einflüssen, wie Gezeiten und Wellen, beeinflusst. Deren Darstellung erfordert in der Regel die Verwendung eines dichteabhängigen Grundwasserströmungs- und -transportmodells sowie aufwändig gestaltete Modellrandbedingungen. Dies geht mit hohen Anforderungen an die räumliche und zeitliche Modellauflösung einher und erfordert meist eine hohe Rechenleistung.

Das Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG) erstellt derzeit ein landesweites Strömungsmodell (STELLAR) für Niedersachsen. Etwa die Hälfte der nördlichen Modellgrenze liegt dabei an der Nordseeküste. Dies erfordert die Berücksichtigung von ozeanischen Einflüssen in Form einer Randbedingung im Strömungsmodell sowie die Definition einer Küstenlinie, welche dieser Randbedingung gerecht wird. Eine Herausforderung stellt dabei dar, dass STELLAR auf Grund der Größe des Modellgebiets als Modell mit konstanter Dichte erstellt wird.

Für die Konzipierung der Randbedingung wurde ein Prinzipmodell eines typischen Küstengrundwasserleiters in Niedersachsen erstellt (Feseker, 2007). Hierbei wurde eine dichteabhängige Variante in SEAWAT implementiert. Dieses Modell diente als Grundlage für Vergleiche mit verschiedenen Konzepten zur Implementierung der Randbedingung in einem dichteunabhängigen Modell mit MODFLOW 6. Ziel war es zu testen (i) wie relevant die Berücksichtigung der küstennahen Salzwasserintrusionen, z.B. als no-flow Randbedingung, ist und (ii) ob die Berücksichtigung von Dichteeffekte in Form von freshwater heads vorteilhaft ist. Für den Vergleich der Modelle wurde die räumliche Verteilung der hydraulischen Potenziale (freshwater heads) herangezogen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die beste Annäherung der Potenzialverteilung des dichteabhängigen Modells durch das dichteunabhängige Modell erzielt werden kann, wenn eine möglichst genaue Abbildung der Salz-/Süßwassergrenze in Form einer no-flow Randbedingung vorliegt. Eine vereinfachte Darstellung der Grenze in linearer Form resultiert in zu hohen hydraulischen Potenzialen in Küstennähe, da die effektive Transmissivität des Süßwasserkörpers unterschätzt wird. Weniger große Auswirkungen auf die Potenziale hat die Vereinfachung der Salz-/Süßwassergrenze als vertikale Dirichlet-Randbedingung entlang der Linie des mittleren Meeresspiegels. Hierbei hat sich die Verwendung von freshwater heads zur Berücksichtigung des mit der Tiefe zunehmenden Dichteeffekts als vorteilhaft erwiesen.

Auf Grundlage der Ergebnisse des Prinzipmodells wurde die vertikale Dirichlet-Randbedingung mit freshwater heads als Randbedingung für STELLAR gewählt und der Verlauf der Modellgrenze im Küstenbereich entsprechend angepasst. Die typische Salzwasserdichte im Küstenvorfeld für die Definition der freshwater heads erfolgte basierend auf Daten der WSV.

Literatur

Feseker, T., 2007. Numerical studies on saltwater intrusion in a coastal aquifer in northwestern Germany. Hydrogeol Journal 15, 267–279. https://doi.org/10.1007/s10040-006-0151-z

Die Grundwasserressourcen mehrerer Berliner Wasserwerke sind von geogener Grundwasserversalzung beeinflusst. In den am stärksten versalzenen Brunnen wurden Chloridkonzentrationen von über 250 mg/L gemessen; in einzelnen Grundwassermessstellen liegen die maximalen Werte sogar im vierstelligen Bereich. Angesichts des wieder steigenden Trinkwasserbedarfs in der Metropolregion sowie zusätzlicher Herausforderungen durch den Klimawandel, abwasserbürtige Spurenstoffe im Uferfiltrat und Altlasten wächst der Druck auf die Ressourcen. Vor diesem Hintergrund wurde im Forschungsprojekt „GeoSalz“ die Genese und Dynamik der Versalzung im Kontext der hydrogeologischen Verhältnisse und der über 100-jährigen Grundwasserbewirtschaftung im Teileinzugsgebiet eines Wasserwerkes im Südosten Berlins untersucht. Ziel war es, mithilfe verschiedener Methoden Prozesse zu analysieren, um die Wechselwirkungen zwischen Grundwasserförderung und Salzwasseraufstieg besser zu verstehen und eine nachhaltige Bewirtschaftung der Ressourcen zu gewährleisten. Hierfür wurden historische Daten ausgewertet, Leitfähigkeitsmessketten in Trinkwasserbrunnen installiert und Brunnen und Grundwassermessstellen auf hydrochemische Parameter und Umweltisotope (δ¹⁸O, δ²H, ¹⁴C, δ¹³C) analysiert. Die betrieblichen Einflüsse im Brunnenumfeld wurden in einem schematischen Detailmodell, die Prozesse auf Einzugsgebietsebene in einem Großraummodell simuliert (vgl. Tagungsbeitrag Schätzl & Luo et al). Die Ergebnisse der Radiokarbondatierung deuten darauf hin, dass die Salzwassermigration ein Prozess mit Fließzeiten von Tausenden bis Zehntausenden Jahren ist. Nach der stratigraphischen Zuordnung der Grundwasserproben konnte anhand von Mischungsrechnungen (mit Chlorid und δ¹⁸O als Tracer) die Mischung mehrerer Komponenten entlang des Fließweges nachvollzogen werden (Abb. 1). Die Berechnung der hydrologischen Halbjahres-Isotopensignaturen erwies sich als nützlich für die Bestimmung der Endglieder in den Brunnen. Das Strömungs- und Transportmodell bildete den historischen Verlauf der Chloridkonzentrationen im Förderwasser gut ab und lieferte somit erstmals eine modellbasierte Erklärung für die beobachteten hydrochemischen Veränderungen. Mittels Szenarienanalysen konnten gezielte Aussagen über die Wirkung einzelner Eingangsparameter wie Brunnenschaltung, Entnahmemenge und Flusspegel auf die Salzwassermigration getroffen werden.

Die gewonnenen Erkenntnisse tragen wesentlich zum Prozessverständnis bei und bestätigen, dass der Aufstieg versalzenen Grundwassers im Urstromtal ein natürlicher Prozess ist, der durch die Grundwasserförderung überprägt wird (Abbildung 1). Die Aufstiegspfade des Salzwassers werden durch geologische Fenster in den grundwasserhemmenden Schichten bestimmt; im Hauptgrundwasserleiter wird das salzhaltige Wasser in die Absenktrichter der Brunnen gelenkt. Die Förderung eines Anteils versalzenen Grundwassers ist in den Trinkwasserbrunnen im Untersuchungsgebiet somit unumgänglich, unter den standortspezifischen Bedingungen kontrollierbar. Günstige Faktoren sind insbesondere die flächige Verbreitung des Holstein-Interglazials, hohe Uferfiltratanteile sowie die große Anzahl an Wasserfassungen, die es auch langfristig ermöglichen, höher mineralisierte Wässer aus lokalen Hotspots im Mischrohwasser sicher zu verdünnen.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Salzwassermigration und der Mischungsprozesse im natürlichen Zustand (A) sowie nach Überprägung der Grundwasserhydraulik durch die Grundwasserentnahme (B).

Seit Ende des 19. Jahrhunderts wird im Südosten Berlins Grundwasser zur Trinkwasserversorgung gefördert. Das Wasserwerk Friedrichshagen hat heute 11 Brunnengalerien mit rd. 300 vertikalen Förderbrunnen. Die Brunnen sind im quartären Hauptgrundwasserleiter verfiltert und befinden sich an den Ufern der Gewässer Spree, Müggelsee, Dahme und Seddinsee. Im Einzugsgebiet des Wasserwerks erlauben im Bereich von Erosionsrinnen wenige Fehlstellen im oligozänen Rupelton den Übertritt von Salzwasser aus den ihn unterlagernden gespannten prätertiären Aquiferen in die tertiären und quartären Grundwasserleiter. Über Fehlstellen im Stauer des Holstein-Interglazials können lokal Wasserzutritte mit erhöhter Salinität bis in den heute überwiegend für die Trinkwasserversorgung genutzten quartären Hauptgrundwasserleiter erfolgen. Während im anthropogen unbeeinflussten Zustand die Gewässer Senken für die Grundwasserströmung – und damit auch die Salzfracht – darstellten, verlagerte die über die Zeit zunehmende Trinkwasserförderung (überwiegend Uferfiltrat) den Massenstrom hin zu den Brunnengalerien. An den Förderbrunnen zeigen sich einerseits eine starke Differenzierung der Chloridkonzentration im Förderwasser, mit lokalen Werten über 250 mg/l, sowie eine starke Abhängigkeit vom jeweiligen Förderregime. Andererseits ist gegenüber dem Initialzustand vor der Inbetriebnahme der südlichen Brunnengalerien zwischen der Spree (dem Müggelsee) und der Dahme (Langer See) generell ein mäßiger bis starker Rückgang der Chloridkonzentration im Grundwasser im Umfeld dieser Galerien zu verzeichnen.

Im Rahmen des Forschungsprojektes Geosalz (s. Tagungsbeitrag Lorenzen et al.) wurde mithilfe eines angepassten dichtegekoppelten Grundwasserströmungs- und Stofftransportmodells auf Basis des Ständig Verfügbaren Modells (SVM, Software: FEFLOW) für die Wasserwerke Friedrichshagen, Wuhlheide und Kaulsdorf der Berliner Wasserbetriebe (BWB) wurde zunächst ein (angenommen) stationärer Systemzustand, auf Basis aller verfügbaren Messdaten, mit berechneter Chloridkonzentration, von unten nach oben, zwischen 7.000 mg/l und 20 mg/l abgeleitet. Er dient als ein plausibler „natürlicher“ Zustand der Salz-Süßwassergrenze vor der GW-Entnahme. Auf dieser Basis wurde der Betrieb der Förderbrunnen von der Inbetriebnahme des Wasserwerks Köpenick im Jahr 1907 bis 2020 entsprechend deren historischer Förderdaten simuliert und das Modell an vorhandenen Potenzial- und Konzentrationsmessungen ab 1980 an über 720 Grundwassermessstellen kalibriert. Als Ergebnis steht ein Grundwasserströmungs- und Stofftransportmodell zur Verfügung, das die Zutritts- und Mischungsprozesse salinarer und nichtsalinarer Wässer entlang der historischen Entwicklung 1900 - 2020 plausibel abbildet (Abb. 1). Beispielhaft seien hier die Verlagerung des Aufstiegs chloridreicher Wässer von den Gewässern hin zu den Brunnengalerien sowie die durch die Uferfiltration induzierte Versüßung von im natürlichen Zustand salzhaltigen Bereichen der Grundwasserleiter genannt. Das Modell zeigt zudem, dass das Mischungsverhältnis von Wässern aus natürlicher Grundwasserneubildung und Uferfiltrat sehr präzise wiedergegeben werden kann.

Das in dieser Weise kalibrierte Modell diente in der Folge zur Berechnung von Szenarien der zukünftigen Entwicklung der Chloridkonzentrationen im Förderwasser für eine Reihe unterschiedlicher Betriebsvarianten für das Wasserwerk Friedrichshagen.

Auenlandschaften sind Hotspots der Biodiversität und zugleich Schlüsselräume für natürlichen Hochwasserschutz, Klimaanpassung und nachhaltige Wasserbewirtschaftung. Ihre Revitalisierung ist daher nicht nur ein naturschutzfachliches Ziel, sondern auch eine gesellschaftliche Notwendigkeit.

Das Projekt „Lebendige Luppe“ widmete sich der ökologischen Wiederherstellung der stark veränderten Elster-Luppe-Aue nordwestloch von Leipzig. Durch die Reaktivierung ehemaliger Wasserläufe und die Wiederherstellung auentypisch-dynamischer Wasserverhältnisse sollen wertvolle Lebensräume wie der Hartholzauenwald langfristig gesichert und entwickelt werden. Eine zentrale Rolle zur fundierten Planung und Bewertung der Maßnahmen spielt dabei eine valide Vorhersage zur flächigen Entwicklung der Grund- und Oberflächenwasserstände. Deshalb wurde für das Projektgebiet ein gekoppeltes Modell aufgebaut.

Die Modellkopplung kombiniert ein zweidimensionales hydrodynamisch-numerisches Oberflächenwassermodell (HydroAS) mit einem dreidimensionalen Grundwassermodell (PCGEOFIM). Diese Verbindung erlaubt eine realitätsnahe Abbildung der komplexen Interaktionen zwischen oberirdischem Abfluss, Grundwasserständen und Druckwassereffekten – ein entscheidender Aspekt in großen überflutungsdynamischen Auenlandschaften.

Der Kopplungsprozess erfolgt iterativ: Wasserspiegellagen und Überflutungsflächen aus dem Oberflächenwassermodell werden als Randbedingungen in das Grundwassermodell überführt, wo Grundwasserspiegel und Austauschraten berechnet werden. Diese Raten werden anschließend wieder dem Oberflächenwassermodell bereitgestellt und dort als Quellen oder Senken berücksichtigt. Bei instationären Berechnungen von Hochwasserwellen mit dynamischen Überflutungen wird dieser Prozess in einer stündlichen Taktung wiederholt. Bei stationären Szenarien bei Niedrig- oder Mittelwasserverhältnissen erfolgt der Datenaustausch zwischen den Modellen bis zur Konvergenz der Ergebnisse.

Angewendet wurde die Modellkopplung beispielsweise bei der Begleitung von Überflutungen in der Leipziger Nordwestaue. Über den revitalisierten Burgauenbach war es seit Frühjahr 2023 möglich, Überflutungen zu initiieren. Durch Versickerungen steigt gleichzeitig das Grundwasser im Umfeld an (vgl. Abbildung). Mit dem gekoppelten Modell können die gemessenen Anstiege in einer hohen Genauigkeit wiedergegeben werden und Aussagen über die flächige Wirkung sowie Prognosen zur Beeinträchtigung städtischer Infrastruktur getroffen werden.

Die Ergebnisse zeigen, dass eine Modellkopplung nicht nur zur Optimierung der hydrologischen Planungen beiträgt, sondern auch eine wertvolle Grundlage für die Bewertung ökologischer Maßnahmen in der Fläche bietet. Sie erfasst Vernässungen auch außerhalb direkt konnektierter Fließrinnen und erweist sich damit als leistungsfähiges Werkzeug, um die Auswirkungen von Revitalisierungsmaßnahmen auf den Wasserhaushalt ganzheitlich zu erfassen und fundierte, interdisziplinär anschlussfähige Entscheidungen bereits im Planungsprozess zu ermöglichen.

Riedel, J. et al. (2017): Die Verwendung gekoppelter Modelle in der Planung von Auenrevitalisierungsprojekten am Beispiel des Projektes „Lebendige Luppe“ aus dem Bundesprogramm Biologische Vielfalt. KW Korrespondenz Wasserwirtschaft 10 (12): 750-755.

Vieweg, M. et al. (2025): Kleine Maßnahme, großer Effekt – Ausuferungen des revitalisierten Burgauenbachs für flächige Flutungen im Leipziger Auwald. Tagungsband 14. Auenökologischer Workshop, Universität Kassel.

Angesichts vermehrt auftretender Niedrigwasserzustände wird das Thema Trockenfallen von Gewässern aktuell stärker beachtet. Trockenfallen von Gewässerabschnitten ist zum einen ein natürlicher Prozess in Fließgewässern, der abhängig von den natürlichen Gegebenheiten im Einzugsgebiet des Gewässers zu bestimmten Jahreszeiten regelmäßig auftreten kann. In diesen Fällen ist die Biozönose des Gewässers daran spezifisch angepasst [1]. Klimawandel und anthropogene Nutzungen sind weitere Faktoren, die temporäres Trockenfallen mit entsprechenden negativen Folgen für den chemischen und biologischen Zustand eines Gewässers verursachen können.

Die Identifizierung von Gewässerabschnitten, die aufgrund von anthropogenen Nutzungen oder Klimawandel temporär trockenfallen, auf regionaler Ebene (Flusseinzugsgebiet) ist notwendig, um zum einen Zustandsbewertungen der Gewässer nach WRRL in Zeiträume mit Wasserführung zu legen und zum anderen um entsprechende Maßnahmen zu planen. Bei der Zustandsbewertung im 3. Bewirtschaftungsplan in Nordrhein-Westfalen waren ca. 16% der Wasserkörper temporär oder dauerhaft trocken [1]. Die Feststellung erfolgte aber nur, weil das Gewässer zufällig zum Zeitpunkt des Trockenfallens beobachtet wurde. Gleichzeitig ist eine chemische und biologische Zustandsbewertung ohne Wasserführung kaum möglich.

Klassische NA-Modelle können Trockenfallen nicht abbilden. Vollständig gekoppelte Grundwasser-Oberflächenwasser-Modelle (GW-OW-Modelle) [2] bilden nicht nur den Bodenwasserhaushalt und die Interaktion zwischen Grundwasser und Oberflächenwasser ab sondern bilanzieren zusätzlich alle Abflusskomponenten im Gerinne. Damit sind sie in der Lage, trockenfallende Gewässerabschnitte abzubilden.

Es werden exemplarisch Ergebnisse zu trockenfallenden Gewässerabschnitten auf Flusseinzugsgebietsebene anhand des Lippe-Einzugsgebiets in NRW gezeigt. Das Modell Lippe wurde im Rahmen einer Modellstudie für das LANUK NRW als GW-OW-Modell erstellt und ermöglicht Auswertungen zum Trockenfallen von Gewässern für das gesamte Flussgebiet.

Im Rahmen des F&E-Verbunds „KliMaWerk - Nachhaltige Bewirtschaftung des Landschaftswasserhaushaltes zur Erhöhung der Klimaresilienz: Management und Werkzeuge“ wurde für ein Teileinzugsgebiet der Lippe untersucht, wie sich z. B. Landnutzungsänderungen von Nadelwald bzw. Acker nach Laubwald auf das Trockenfallen von Gewässern unter dem Einfluss des Klimawandels auswirken. Im Modell konnte gezeigt werden, dass sich die Anzahl der Tage mit Trockenfallen an den betrachteten Gewässerabschnitten durch die Maßnahmen reduziert. Grund ist eine erhöhte Grundwasserneubildung im Winterhalbjahr, deren positive Auswirkungen über die Speicherung im Grundwasser bis ins Sommerhalbjahr reichen.

Literatur:

[1] C. Aschemeier: „Auswirkungen langer Trockenphasen auf Gewässerökologie und Zustandsbewertung“, gehalten auf dem WRRL-Symposium NRW, 20. April 2023. Zugegriffen: 27. Oktober 2025. [Online]. Verfügbar unter: https://flussgebiete.nrw.de/system/files/media/document/file/aschemeier_auswirkungen_oekologie_ok_0.pdf

[2] A. Haque, A. Salama, K. Lo, und P. Wu: „Surface and Groundwater Interactions: A Review of Coupling Strategies in Detailed Domain Models“, Hydrology, Bd. 8, Nr. 1, S. 35, März 2021, doi: 10.3390/hydrology8010035.

Der Große Seddiner See, ein 218 ha großer Flachwassersee südlich von Potsdam, weist seit Ende der 1980er Jahre einen kontinuierlichen Rückgang des Seewasserspiegels um rund 1,4 m auf, der sich in den Trockenjahren 2018–2020 verstärkt. Parallel hierzu zeigen umliegende GW-Messstellen auf der Hochfläche gleichgerichtete Trends, was auf eine hydraulische Kopplung zwischen Grundwasser (GW) und Oberflächenwasser (OW) schließen lässt. Der fallende Wasserstand führt zu einer Verschlechterung des trophischen Zustands und zum großflächigen Austrocknen der Flachwasserhabitate. Der See ist für die Gemeinde Seddiner See von hoher wirtschaftlicher und kultureller Bedeutung. Zur Stabilisierung des Seewasserstands und zur Vermeidung einer weiteren ökologischen Degradation wird von der Gemeinde die Einleitung von Fremdwasser aus der südlich gelegenen Nieplitz als mögliche Maßnahme diskutiert. Zur Untersuchung, ob eine solche Maßnahme den Seewasserstand langfristig stützen kann, wurde ein dreidimensionales instationäres Grundwassermodell für den Zeitraum 1974–2023 in FEFLOW erstellt und kalibriert. Die Grundwasserneubildung wurde auf monatlicher Basis mit dem Bodenwasserhaushaltsmodell Mike SHE berechnet.

Das Modellgebiet ist 308 km² groß und reicht bis zu den Niederungen der regionalen Vorfluter. Das GW-Modell umfasst den Seddiner See, die umliegenden Grundwasserleiter sowie alle recherchierbaren Wasserentnahmen > 10 m³/d. Der See wird im Modell über die „high-k-method“ abgebildet. Dafür wurden die Bathymetrie und das Seevolumen ins Modell implementiert. Außerdem wird eine kartierte Verbreitung der Seemudde unterhalb des Sees berücksichtigt. Die tägliche Seewasserverdunstung wurde mit dem Modell FLake berechnet und anhand von Temperaturtiefenprofilen im See kalibriert. Dies erlaubt eine zeitlich variable Berechnung des Seewasserspiegels und die Identifikation von Austauschflächen im Modell. Die Simulationen bilden die GW-OW-Interaktionen im Seeumfeld realitätsnah ab. Es wurden monatliche Bilanzen für den Seewasserhaushalt ausgewiesen. Für den Seddiner See lassen sich räumlich sowohl konstante Zu- und Abstromzonen sowie Bereiche mit zeitweise wechselnden Bedingungen ausweisen.

Mit verschiedenen Szenarien wurden die Effekte von Fremdwassereinleitungen zur Stützung des Seewasserstandes untersucht:

1. Einleitung unter aktuellen klimatischen Bedingungen
2. Einleitung für ausgewählten Klimaprojektionen (Spannweitenbetrachtungen für 26 instationäre Klimaprojektionen der Klimaszenarien RCP 4.5 und RCP 8.5)
3. Bestimmung der erforderlichen Einleitmengen zur Erreichung eines Zielwasserstands

In den Szenarien 1 und 2 wurde eine jährliche Einleitmenge von 650.000 m³/a auf die Monate November bis März verteilt. Unter heutigen Bedingungen (1) würde dies den mittleren Seewasserstand um etwa 30 cm erhöhen; im Zukunftsszenario (2) ergibt sich ein mittlerer Anstieg von 45–60 cm. Gleichzeitig zeigt sich während der Einleitungsphasen ein erhöhter Nettoabstrom aus dem See ins Grundwasser.

Die Ergebnisse des Szenarios 2 verdeutlichen, dass unter kontinuierlicher Einleitung von 650.000 m³/a der Zielwasserstand nur in den feuchtesten Klimaprojektionen erreicht wird.

Im Szenario 3 wurde auf Basis der mittleren RCP 8.5-Projektion die zur Zielerreichung erforderliche jährliche Einleitmenge bestimmt. Diese beträgt im Mittel 1,08 Mio. m³/a, variiert jedoch zeitlich mit den klimatischen Bedingungen und sinkt langfristig auf etwa 0,79 Mio. m³/a bis zum Jahr 2100.

Der Austausch zwischen Seen und Grundwasser hat oft einen bedeutenden Einfluss für beide Wasserkörper. So sind Seen meist Vorfluter für das Grundwasser und der grundwasserbürtige Zufluss in den See kann eine wesentliche Bilanzgröße sein. Aber nicht nur die Wassermenge, sondern auch die Wasserqualität spielt für Seen eine wesentliche Rolle. Mit dem Grundwasser werden Stoffe aus dem Einzugsgebiet in den See transportiert und beeinflussen dort die biologischen und chemischen Prozesse. Gerade eutrophe Seen können Nährstoffe aus der landwirtschaftlichen oder urbanen Nutzung im Einzugsgebiet erhalten. Zusammen mit den seeinternen Prozessen der saisonalen Primärproduktion und der Interaktion mit dem Seesediment ergibt sich die Nährstoffbilanz eines Sees. Die Interaktion zwischen Grundwasser und Seen sollten deshalb als wesentliche Bilanzkomponente für Seen quantifiziert werden, da ihre Bedeutung in der Vergangenheit meist unterschätzt und oft nur grob abgeschätzt wurde.

In dem DWA Merkblatt M 641 werden unterschiedliche Messmethoden und Werkzeuge zur Identifizierung der Grundwasser-See-Interaktion vorgestellt. Dabei wird zwischen physikalischen und geochemischen sowie biologischen Methoden unterschieden.

Ein Schwerpunkt der Auswertung der Messungen bilden Modelle, mit denen die lokalen Messwerte analysiert werden und so die Gesamtbilanz für Seen ermittelt werden kann. Dabei werden unterschiedliche Modelle für Strömungs- und Transportprozesse in Seen und im Grundwasser vorgestellt.

Am Beispiel des Ammersees wird die Verwendung eines Grundwassermodells zusammen mit einem dreidimensionalen Seemodell aufgezeigt. Diese Modellkette dient dazu, Radonmessungen aus See und Grundwasser zu interpretieren und den unterirdischen Grundwasserzustrom zu quantifizieren. Dabei wird nicht nur der Gesamtzustrom identifiziert, sondern auch die laterale Verteilung, die sich aus den unterschiedlichen Signaturen der Radonkonzentration ergibt. Das dynamische Seemodell beinhaltet alle relevanten hydrodynamischen Prozesse wie Schichtung, interne Wellen durch den atmosphärischen Antrieb und den oberirdischen Zufluss. Anhand von Temperaturmessungen in unterschiedlichen Tiefen wurde das Seemodell überprüft. Das Grundwassermodell basiert auf einem hydrogeologischen Modell und wurde stationär anhand Grundwasserstandsinformationen kalibriert.

In der Modellanwendung müssen unterschiedliche Zeitskalen bei Messung und Simulation berücksichtigt werden. Dabei beeinflussen die seeinternen Prozesse maßgeblich die Strömungsverhältnisse. Es zeigt sich, dass die lokale Heterogenität des Untergrunds in den Messwerten widergespiegelt wird, und in nur einer Modellanwendung die integrale Austauschrate ermittelt werden kann (siehe Abbildung).

Die so entwickelten Modelle können als Bewirtschaftungsmodelle sowohl für den Grundwasserkörper als auch den Seewasserkörper verwendet werden. In Wasserqualitätsmodellen kann der Nährstoffkreislauf eines Sees simuliert werden und auch für die Prognose unter Berücksichtigung des Klimawandels eingesetzt werden.

Die Abbildung zeigt die Ergebnisse einer Stichtagsmessung der Radonkonzentration im Juli 2017 mit simulierten Radonkonzentrationen über das Jahr 2017 im Südteil des Ammersees mit signifikant erhöhtem Grundwasserzufluss im südwestlichen Seeteil beim Zufluss der Ammer.

Der künftige Lappwaldsee entsteht im Helmstedter Revier an der ehemaligen innerdeutschen Grenze. Nach dem Einstellen des Tagebaubetriebs werden die benachbarten Tagebaurestlöcher Helmstedt (Niedersachsen) und Wulfersdorf (Sachsen-Anhalt) saniert und durch Einleitung und Grundwasserwiederanstieg geflutet. Beide bilden nach dem Zusammenfluss den künftigen Lappwaldsee.

Im Beitrag wird eine interdisziplinäre Arbeit vorgestellt: von der Ermittlung der Wasserhaushaltsgrößen mittels des Bodenwasserhaushaltsmodells ArcEGMO unter Nutzung von Klimaprojektionen über die Bilanzierung der Grundwasser-Seewasser-Interaktion bis hin zur Betrachtung der Hydrochemie und Limnologie des entstehenden Gewässers. Das Grundwasser spielt hierbei eine zentrale Rolle und wird im Gesamtbild Klima-Standgewässer-Grundwasser betrachtet.

Die Entstehung des künftigen Lappwaldsees als abflussloses Gewässer wird durch numerische Modellierung mittels des Programmsystems PCGEOFIM zur Beschreibung der Grundwasserstände und -Dynamik sowie der Seespiegelentwicklung begleitet. Dazu wurden zunächst zwei benachbarte, im Untersuchungsgebiet bestehende Grundwassermodelle zu einem hydrogeologischen Großraummodell HREW zusammengeführt. Damit wird die Grundwasserdynamik im Gesamtgebiet beschrieben und die Grundwasser-Seewasser-Kopplung bilanztreu abgebildet. Bei der prognostischen Modellierung der Gewässerentstehung werden verschiedene/folgende Varianten betrachtet: Entwicklung des Seespiegels a) im freien Aufgang basierend auf Grundwasserzustrom und b) gestützt durch zeitlich und mengenmäßig steuerbare Einleitungen aus Sümfungswässern benachbarter Tagebaue sowie aus Grundwasserhebungen. Randbedingung ist der geotechnisch erforderliche Mindestwasserspiegelanstieg.

Der prognostischen Modellierung ist eine Bodenwasserhaushaltsmodellierung vorgeschalten. Mit dieser werden die Grundwasserneubildung, der Gebietsniederschlag und die Seenverdunstung unter Nutzung von Klimaprognosen des Mitteldeutschen Kernensembles ermittelt. Dabei wird je ein trockenes und ein feuchtes Szenario berücksichtigt, um die Bandbreite möglicher zeitvariabler Entwicklungen des Seeswasserpiegels vor dem Hintergrund der Klimaprojektionen bis einschließlich 2099 betrachten zu können.

Die aus dem Grundwassermodell ermittelten Bilanzen der Grundwasser-See-Kopplung werden anschließend zur hydrochemischen und limnologischen Modellierung herangezogen.

Das Projekt wird durch die Ingenieurbüros GWL Grundwasser Leipzig GmbH (GWL, Leipzig), HPC AG (Leipzig-Merseburg), Büro für Angewandte Hydrologie (BAH, Berlin), sowie IWB - Privates Institut für Wasser und Boden GmbH (IWB, Dresden) gemeinsam bearbeitet. Dabei wird die Bodenwasserhaushaltsmodellierung durch BAH, die Grundwassermodellierung durch GWL und HPC und die hydrochemische und limnologische Modellierung durch IWB geleistet. Als Auftraggeber fungieren die Helmstedter Revier GmbH (HSR) / MIBRAG GmbH und die Lausitzer und Mitteldeutsche Bergbau-Verwaltungsgesellschaft mbH (LMBV).

Im Jahr 2001 wurde nach einer 105-jährigen Betriebsphase das Wasserwerk (WW) Jungfernheide in Berlin vom Netz genommen. Das WW förderte > 75% Uferfiltrat aus der Spree und über künstliche Anreicherungsbecken. Die Entscheidung zur Schließung des WW resultierte aus dem damals über längere Zeit stark sinkenden Wasserverbrauch in der Hauptstadt. Da infolge der Schließung durch die wiederansteigenden Grundwasserpegel Nässeschäden an Gebäuden im Umfeld zu befürchten waren, wurde zwischen den Berliner Wasserbetrieben (BWB) und dem Land Berlin ein durch die BWB durchzuführendes Grundwassermanagement inkl. einer Grundwasserhaltung vereinbart. Die Grundwasserhaltung wurde später durch das Unternehmen Siemens in Kombination mit einer erforderlichen Altlastensanierung übernommen.

Seit 2010 steigen die Einwohnerzahlen in Berlin jedoch deutlich an. Ende 2024 lag die Zahl mit ca. 3,9 Mio. bereits ca. 500.000 und damit 15% höher als 2010. Aus diesem und einem vorläufig prognostizierten weiteren Anstieg ergibt sich ein entsprechend zusätzlicher Rohwasserbedarf. Der Bedarf nach Zusatzrohwasserkapazitäten wurde ebenfalls im Masterplan Wasser Berlin konstatiert. Für die Wiederinbetriebnahme des WW Jungfernheide, als naheliegende Maßnahme zur Erhöhung dieser Rohwasserkapazitäten, wurde in 2022 ein modellgestütztes Gutachten erstellt, dass sowohl mit einem hydraulischen und betrieblichen Blick als auch aus Sicht der Beschaffenheit und einer möglichst naturnahen Aufbereitung die maximal möglichen Entnahmemengen bestimmen sollte. Im Rahmen der Studie wurde aus Uferfiltrat- und GW-Bilanzanteilen die zu erwartende Rohwasserqualität für alle relevanten Stoffe unter Berücksichtigung von Minderungsfaktoren für die Bodenpassage und Abbauprozessen im Grundwasserleiter prognostiziert, darunter u.a. org. Spurenstoffe, Arzneimittel, LHKW, PFAS, und Sulfat. Die Ergebnisse zeigen, dass auch bei dominierendem Oberflächenwasseranteil grundsätzlich eine gute Wasserqualität zu erwarten ist. Das Grundwassermodell bezieht ebenfalls die benachbarten WW Tegel und Spandau sowie zwei Galerien des WW Tiefwerder ein.

Das WW-Gelände Jungfernheide liegt im stark urban geprägten Umfeld, eingebettet zwischen Siemensstadt und Spree. Entsprechend sind auch die unterschiedlichsten Belange der umliegenden Areale einzubeziehen, insbesondere der wachsende Bedarf nach einer geothermischen Nutzung des Grundwassers. In Abstimmung mit dem Berliner Senat wurden diesbezüglich weiterführende Modelluntersuchungen durchgeführt, mit dem Ziel ein geplantes Erdwärmesondenfeld im Einklang mit dem zukünftigen WW-Betrieb zu ermöglichen.

Aufgrund des anhaltenden Bevölkerungswachstums, Einschränkungen durch Altlasten sowie als Folge des Klimawandels (längere Trockenphasen mit einem Zusatzwasserbedarf und damit verbunden kürzere Intervalle für die Regenerierung der Förderbrunnen) erfahren die BWB bereits aktuell einen akuten Bedarf nach Zusatzkapazitäten. Da jedoch die Genehmigungsprozesse für Grundwasserentnahmen in der Regel einen langen und umfassenden Bearbeitungsprozess insbesondere bei Erfordernis einer UVU-Pflicht beanspruchen, wird derzeit das Grundwassermodell dazu eingesetzt, eine vereinfachte Bauweise des WW mit einer geringeren Entnahmemenge zur Verkürzung der Genehmigungsdauer zu untersuchen.

In dem Vortrag wird über die Geschichte des Wasserwerks Jungfernheide, die Entwicklung und Fortschreibung des Grundwassermodells und die zu erwartenden Uferfiltratsmengen berichtet.

Grubenwasser ist nach BURGHARDT et al. (2017) alles Wasser, das mit Tief- und Tagebauen in Kontakt steht oder stand. Dabei handelt es sich überwiegend um natürliches Wasser in Form von Sicker- und Grundwasser. Der Beitrag gibt einen Einblick über die vielfältigen Möglichkeiten, Grubenwasser als Georessource, Wertstoffstrom, Energie- und Wärmespeicher zu verstehen und zeigt deren Nutzung und Anwendung an konkreten Beispielen in ehemaligen Bergbaurevieren in Deutschland und Europa auf.

Vor dem Hintergrund der Auswirkungen des Klimawandels wird das Potenzial bergbaulicher Wässer sowohl für die Sicherung der Wasserversorgung vorgestellt als auch im Hinblick auf extreme Klimaereignisse thematisiert und an ausgewählten Standorten konkretisiert. Neben dem Grubenwasser erfolgt auch ein Exkurs zum Polderwassermanagement im Ruhrgebiet und dessen möglichen Beitrag für eine blau-grüne Infrastruktur im urbanen Raum.

Für das Gelingen der Energietransformation braucht es Energiespeicher. Dieses gilt insbesondere für die erneuerbaren Energien. Am Beispiel des Ruhrgebiets wird das Potenzial als Energie- und Wärmespeicher im Grubenwasser aufgezeigt und diskutiert.

Ferner braucht es Ressourcen für die Energietransformation. Dieses betrifft bekanntlich Lithium, aber auch eine Vielzahl weiterer so genannter kritischer Rohstoffe. Selbst Magnesium gehört inzwischen zu den benannten kritischen Rohstoffen der Europäischen Kommission (2023). Hierzu werden Untersuchungen zu den natürlichen Inhaltsstoffen und deren Potenzial als Wertstoff im Grubenwasser in den ehemaligen Steinkohlenrevieren im Ruhrgebiet, Saarland und in Ibbenbüren präsentiert (REKER et al. 2025). Hierbei werden neben dem Grubenwasser auch die Vorkommen in bergbaulichen Rückständen wie Absetzbecken betrachtet.

Im Rahmen der Sanierung der Hinterlassenschaften des ostdeutschen Uranerzbergbaus durch die Wismut GmbH wurden große Mengen von Feststoffen und bergbaubeeinflussten Wässern gefasst, bewegt und behandelt. Die darin enthaltenen Wertstoffe wurden nur in Ausnahmefällen gewonnen.

Der Beitrag beinhaltet eine Darstellung der langjährigen Uranabtrennung am Standort Königstein aber auch die Herausforderungen und Grenzen der Abtrennung von Wertstoffen.

Abschließend erfolgt eine perspektivische Betrachtung von Möglichkeiten und Grenzen der Nutzung von Wertstoffen bei Bergbausanierungsmaßnahmen auf der Grundlage der bestehenden Erfahrungen und gegebenen Randbedingungen.

Bei der Suche nach kritischen Rohstoffen haben sich viele Institutionen auch dem Grubenwasser zugewandt. Dieses enthält zahlreiche Inhaltsstoffe, darunter einige der derzeit 34 kritischen Rohstoffe. Da die Elemente im Grubenwasser bereits in gelöster Form vorliegen, liegt es nahe, sie in Grubenwässern mit erhöhten Konzentrationen zu suchen. In der Forschung zu kritischen Rohstoffen im Grubenwasser stehen aktuell die Seltenerdelemente sowie Kobalt, Nickel und Mangan im Fokus. Auch in Deutschland stellt sich die Frage, ob es Grubenwasseraustritte gibt, die sich zur Gewinnung von Rohstoffen eignen. Anders als in Österreich existiert in Deutschland keine Zusammenstellung aktueller und ehemaliger Rohstoffvorkommen. Ein Grubenwasseratlas, wie er in Südafrika existiert, fehlt in Deutschland ebenfalls. Ein Grund dafür könnte sein, dass Bergbaubetreiber vor den Qualitätsanforderungen der Wassergesetzgebung zurückschrecken und einen solchen Atlas daher nicht fördern. Viele Grubenwasseraustritte sind hingegen als „natürlich austretende Quellen” klassifiziert. Folglich ist es notwendig, die bekannten Bergbauregionen Deutschlands systematisch nach mineralisierten Grubenwässern abzusuchen, um potenzielle „Lagerstätten” zu identifizieren.

Wie viele Grubenwasseraustritte es in Deutschland gibt und welche Wassermengen dort austreten, ist nicht bekannt. Basierend auf vorsichtigen Schätzungen dürfte es sich jedoch um einige Tausend mit austretenden Wassermengen von etwa einer Milliarde Kubikmetern pro Jahr handeln. Dabei sind aktive Braunkohlenbergwerke und die Bergwerke der RAG AG nicht berücksichtigt. Grundlage für diese Schätzung sind drei Jahrzehnte lang durchgeführte Erhebungen und Recherchen des Erstautors im Harz, in Sachsen und in Bayern sowie bundesweit. Für Nickel ergäben diese Zahlen eine förderbare Masse von etwa 200 t, was 1 bis 2 Promille des jährlichen Nickelbedarfs in Deutschland entspricht. Für andere kritische Rohstoffe ergeben sich ähnliche Werte.

Im Vortrag wird die Suche nach Grubenwasseraustritten in der Bayerischen Pechkohlenmulde und im Spessart dargestellt. Dies soll als Blaupause für die Recherche nach Grubenwasser in anderen Bergbauregionen Deutschlands dienen. Das Ziel der Studien bestand darin, Wasseraustritte zu lokalisieren und diese hydrogeochemisch zu charakterisieren. Auf der Grundlage historischer Karten, umfangreicher Recherchen in Bibliotheken und Archiven sowie Auskünften von Bergbauhistorikern wurden Altbergbaue ermittelt, von denen bekannt ist, dass dort mit dem Austritt von Grubenwasser zu rechnen ist. Alle diese Lokalitäten wurden aufgesucht. Sofern Grubenwasser vorhanden war, wurden neben den Hauptionen und Spurenelementen auch die Parameter Temperatur, elektrische Leitfähigkeit, pH-Wert, Redoxspannung und Sauerstoffkonzentration gemessen. An allen Lokalitäten wurde zudem der Durchfluss ermittelt. Mittels multivariater Statistik (PCA, Clusteranalyse) lassen sich Gruppen von Grubenwässern isolieren, die ein Spiegelbild der geologischen Verhältnisse des Spessarts und der Bayerischen Pechkohlenmulde sind.

Basierend auf der derzeitigen Datenlage gibt es nur einen problematischen Grubenwasseraustritt in den beiden Regionen. Dieser gilt jedoch inzwischen als „bereinigt“. Aufgrund der geringen Frachten und Temperaturen ist eine chemische oder geothermale Nutzung der Grubenwässer weitgehend ausgeschlossen. Als potenzielle „Lagerstätten” für kritische Rohstoffe kommen sie folglich nicht infrage.

Grubenwasser stellt viele Gemeinden vor Herausforderungen, da z.B. das Grubenwasser dauerhaft gepumpt oder über Entwässerungsstollen abgeführt werden muss. An anderen Standorten ist ggf. auch eine Reinigung des ausfließenden Grubenwassers notwendig, bevor es an Oberflächengewässer abgegeben werden kann. Die Wässer verfügen aber auch über ein erhebliches Potenzial als regernative Energiequelle. Aktuell nutzen bereits mehr als 50 Anlagen weltweit Grubenwasser als Wärme- und Kältequelle und stellen in Summe 85 MW Heiz- und 20 MW Kühlleistung zur Verfügung (Oppelt 2025). Im Vergleich zu einer Versorgung mit fossilen Energieträgern werden dadurch die CO₂-Emissionen um bis zu 75 % (Vergleich zu Braunkohle) reduziert (Oppelt 2022).

Für die Nutzung dieser Energiequelle besteht aktuell auch noch ein erheblich größeres Potenzial. Im Rahmen der sächsischen Grubenwasserpotenzialstudie wurde das Potenzial für 14 verschieden Gemeinden anhand eines dafür entwickelten Bewertungssystems quantifiziert. Dabei zeigte sich, dass in jeder Gemeinde an mindestens einem Standort ein wirtschaftlicher Betrieb zu einer hohen Wahrscheinlichkeit umgesetzt werden kann. Entscheidend war dabei häufig die vorliegende Abnehmerdichte.

Zur Gewinnung der Wärme ist dabei oft ein Wärmeübertrager zwischen Grubenwasser und Heizkreislauf notwendig. Durch den standortspezifischen Chemismus des Grubenwassers kann dann jedoch eine Herausforderung für den Betrieb entstehen, wenn sich auf den Oberflächen im Wärmeübertrager Ablagerungen (Fouling) bilden. Dadurch steigt einerseits der Druckverlust im System und anderseits wird die übertragene Wärmemenge zwischen den Fluiden deutlich reduziert. Die Dicke der Biofilme kann dabei bis zu 1000 µm betragen (Nandakumar 2003). Ein Biofilm von ca. 250 µm führt bereits zu einer Reduktion der übertragenen Wärmemenge um ca. 50 % (Goodman 1987). Um diesem zu begegnen wurden verschiedene Kombinationen aus Materialien und Beschichtungen erprobt, die weniger anfällig gegenüber Fouling sind. Die Ergebnisse zeigen, dass die übertragbare Wärmemenge gegenüber Standardplatten pro Jahr durch eine gezielte Materialauswahl um bis zu 80 % verbessert werden kann. Um Standortabhängig die optimale Wärmeübertragerkonfiguration zusammenstellen zu können, wurden Wasserparameter (z.B. SLYM-Bakterien, Eisengehalt, pH-Wert) prädiktiv bewertet und die potenzielle Foulingbildung anhand dieser Parameter prognostiziert.

Literatur:

Oppelt 2025: L. Oppelt, T. Grab, T. Ebel, T. Wunderlich, T. Storch, T. Fieback: Mine Water as an Energy Source: Overview of Technical Basics, Existing Plants, and Monitoring Results. Mine Water Environ (2025). DOI: 10.1007/s10230-025-01057-w

Oppelt 2022: L. Oppelt, T. Grab, T. Wunderlich, T. Storch, T. Fieback: Mine Water Geothermal Energy - Abandoned Mines As A Green Energy Source, CLIMA 2022-Proceedings, Rotterdam, 2022, DOI: 10.34641/clima.2022.55

Nandakumar 2003: K. Nandakumar et. al: Biofouling and Its Prevention: A Comprehensive Overview. In: Biocontrol Science Vol. 8. Nr. 4, S. 133–144. (2003)

Goodman 1987: Goodman, P. D.: Effect of chlorination on material for seawater cooling system: a review of chemical reactions. Bra. Corr. J. 22, 56-62 (1987)

Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie wurde die Optionen für eine thermische Nutzung von Grubenwasser im Kontext einer netzgebundene Wärmeversorgung auf Basis von erneuerbarer Energien am UNESCO-Welterbe Zollverein in Essen, Deutschland, untersucht. Der Standort umfasst die von 1851 bis 1986 betriebene Zeche Zollverein sowie die 1993 stillgelegte, gleichnamige Kokerei. Nach der Stilllegung wurden die industriellen Anlagen unter Denkmalschutz gestellt und das Areal saniert. Heute ist das rund 100 ha große Gelände ein vielfältig genutzter Kultur- und Wirtschaftsstandort und zählt mit jährlich bis zu 1,5 Millionen Besuchern zu den größten Touristenattraktionen der Region.

Die Studie untersuchte die technische und wirtschaftliche Machbarkeit verschiedener Konzepte zur thermischen Grubenwassernutzung in offenen und geschlossenen Systemen.

Die Analyse zeigt, dass die Nachnutzung bestehender Schächte gegenüber einer Erschließung durch Tiefbohrungen deutliche technische und wirtschaftliche Vorteile bietet. Die vorhandenen Schachtanlagen verfügen über ausreichende bauliche Stabilität und die erforderlichen Dimensionen für die Implementierung eines geothermischen Systems, wodurch die notwendigen Investitionskosten und Eingriffe in den Untergrund des unter Denkmalschutz stehenden Areals erheblich reduziert werden.

Thermohydraulische Betriebssimulationen zeigen, dass geschlossene Systeme (Erdwärmesonde im Schacht) die natürliche Konvektion des Grubenwassers im Schacht unterbinden, wodurch eine fortschreitende Abkühlung des Grubenwassers und ein Rückgang der Effizienz im Langzeitbetrieb auftreten. Eine offene Nutzung, bei der Förderung und Reinjektion über getrennte Rohrleitungen innerhalb des Schachts erfolgen, weist dagegen ein deutlich höheres Potenzial auf. Solange die Entnahmerate unterhalb der natürlichen Fließrate in der angebundenen Grubenstrecke bleibt, ist eine wirtschaftlich tragfähige und langfristig betreibbare Nutzung möglich. Durch eine räumlich versetzte und in Strömungsrichtung angeordnete Reinjektionsstelle lässt sich die Effizienz zusätzlich steigern, da thermische Rückkopplungen zur Förderstelle minimiert werden.

Die Ergebnisse zeigen, dass eine offene Grubenwassernutzung über die Schachtanlagen eine technisch und wirtschaftlich tragfähige sowie wasserwirtschaftlich verträgliche Lösung darstellt und das Potenzial bietet, die Wärmeversorgung für das Areal des UNESCO-Welterbes Zollverein langfristig regenerativ und klimafreundlich durch die Nutzung von Grubenwasserwärme sicherzustellen.

Stillgelegte Steinkohlebergwerke bieten ein bislang wenig genutztes Potenzial für die saisonale Speicherung von Wärme. Das Forschungsprojekt WINZER untersucht, wie sich geflutete Grubenräume als großvolumige unterirdische Wärmespeicher nutzen lassen – und welche technischen und hydraulischen Herausforderungen dabei auftreten.

Im Mittelpunkt steht ein Demonstrationsstandort auf dem Gelände des Fraunhofer IEG in Bochum. Hier wird Grubenwasser aus der ehemaligen Kleinzeche gefördert, über Wärmetauscher mit regenerativer Energie erwärmt und anschließend in die Grubenräume zurückgepumpt. Das umliegende Gestein nimmt die Wärme auf und speichert sie. Im Winter kann das erwärmte Wasser wieder gefördert und die gespeicherte Energie zum Heizen genutzt werden. Aufgrund der geringen Tiefe und der weitgehend abgeschlossenen Hohlräume eignet sich dieser Standort besonders gut, um das Prinzip im kleinen Maßstab zu erproben.

Darüber hinaus werden weitere Standorte mit komplexeren Randbedingungen betrachtet – etwa tiefere Gruben mit aktivem Grubenwasserstrom oder eine ehemalige Untertagefabrik. Diese Beispiele zeigen, dass jede Lagerstätte ein eigenes thermohydraulisches Verhalten aufweist und sich Wärmespeicherung in offenen Systemen anspruchsvoll gestaltet.

Der Vortrag stellt die numerischen Modellierungsansätze vor, die im Projekt entwickelt wurden, um solche Systeme realitätsnah zu simulieren und zu bewerten. Zum Einsatz kommt das 3D-Grundwasserströmungs- und Transportmodell SPRING (König et al., 2025). Anhand von drei unterschiedlichen Standorten werden typische Modellierungsherausforderungen – etwa bei der Kopplung von Strömung und Wärmetransport, der Parametrisierung der Grubenräume oder der Skalierung auf reale Betriebsbedingungen – aufgezeigt.

Ziel ist es, ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse zu gewinnen und Kriterien zu entwickeln, mit denen sich Betriebssicherheit, Effizienz und Übertragbarkeit von Grubenwärmespeichern künftig bewerten lassen.

Gefördert durch: Bundesministerium für Wirtschaft, Technologie und Raumfahrt.

Durch die Einführung der Trinkwassereinzugsgebieteverordnung (TrinkwEGV) soll der Schutz der Ressource Trinkwasser verbessert werden. Erstmalig wurde ein flächenhaftes, strukturiertes Vorgehen zum Umgang mit Gefährdungen für das Grund-, Oberflächen- und Rohwasser in den Einzugsgebieten (EZG) von Wasserfassungen vorgegeben. Hierfür wurde die novellierte EU-Trinkwasserrichtlinie in nationales Recht umgesetzt.

Für jedes EZG einer Wassergewinnungsanlage ist mittels eines risikobasierten Ansatzes eine Bewertung der genutzten Ressource durch den Betreiber vorzunehmen und ein davon abhängiges Risikomanagement durch die zuständige Behörde umzusetzen. Die Gefährdungsanalyse und Risikoabschätzung erfolgt dabei auf Grundlage vorhandener Nutzungen im EZG. Im Rahmen des zyklischen Risikomanagements sollen Gefährdungen beseitigt bzw. reduziert und damit der erforderliche Aufwand der Aufbereitung von Trinkwasser verringert werden.

Die Berliner Wasserbetriebe produzierten im Jahr 2024 für die Versorgung von 3,6 Mio. Einwohner Berlins 209,3 Mio. m³ Trinkwasser. Die Trinkwassergewinnung erfolgt dabei zu ca. 70 % aus Uferfiltrat und ca. 30 % aus Grundwasser. Eine der größten Herausforderungen in Bezug auf die TrinkwEGV besteht in Berlin darin, dass für die ober- und unterirdischen EZG der Wasserfassungen mit einer Gesamtfläche von insgesamt 2.450 km² (entspricht der dreifachen Fläche Berlins) verschiedenste Gefährdungskategorien bewertet werden müssen.

Die Berliner Wasserbetriebe führen bereits seit vielen Jahren im Rahmen ihres Water-Safety-Plans (WSP) eine systematische qualitative Risikobewertung der Trinkwasserressource innerhalb der Wasserschutzgebiete (insgesamt ca. 225 km²) durch. Im Gegensatz zum WSP erfolgt im Rahmen der TrinkwEGV eine flächenbasierte Bewertung des gesamten EZG einer Wassergewinnungsanlage (siehe Abbildung). Dabei gibt die TrinkwEGV durch den knappen Umfang nur einen Rahmen vor, der durch Behörden und Betreiber gefüllt werden muss, welche bislang keine bis wenig Erfahrungen mit der Umsetzung haben. Im folgenden Beitrag sollen die Vorgehensweise und Erfahrungen der Berliner Wasserbetriebe dargestellt werden.

In neun Wasserwerken wird das Rohwasser aus den teilweise urban beeinflussten EZG naturnah aufbereitet. Da bei der Uferfiltration das Wasser der Oberflächengewässer indirekt über das Grundwasser wasserwirtschaftlich genutzt wird, wurden für die Risikoabschätzung neben den unterirdischen auch die dazugehörigen oberirdischen EZG erfasst und dokumentiert. Anschließend wurden aufgrund der vorwiegend städtisch geprägten EZG, 70 Gefährdungskategorien ermittelt und bewertet.

In diesem Vortrag werden zunächst die Ergebnisse der intensiven Abstimmungen mit den zuständigen Behörden z.B. zu Festlegungen der Einzugsgebietsgröße oder dem Umfang der zu betrachtenden Parameter des Untersuchungsprogramms vorgestellt. Weiterhin werden Einblicke in die Datenbeschaffung, die Nutzung von Leitfäden und Merkblättern, sowie die Übertragung der WSP-Ergebnisse in die flächenspezifische Gefährdungsanalyse gegeben.

Anschließend werden am Beispiel des Wasserwerkes Beelitzhof die ermittelten Gefährdungsträger und -ereignisse sowie die GIS-basierte Risikoanalyse und -bewertung mit der Software Riskplus^© aufgezeigt und die sich daraus ergebenen Maßnahmen vorgestellt.

Mit diesem Vortrag soll gezeigt werden, dass die TrinkwEGV ein wertvolles Instrument ist, um den Ressourcenschutz voranzutreiben, aber noch viele Herausforderungen bei der Umsetzung existieren.

Die Trinkwassereinzugsgebieteverordnung (TrinkwEGV) verpflichtet Betreiber von Wassergewinnungen zur Bewertung ihrer Einzugsgebiete und zur Übermittlung der Ergebnisse an die zuständige Wasserbehörde. Diese bilden die Grundlage für Untersuchungsprogramme und das behördliche Risikomanagement.

Am TZW wurde eine praxisnahe Methodik zur semi-quantitativen Risikobewertung entwickelt (Brauer et al. 2024; Brauer et al. 2019) und in der Softwarelösung RiskPlus (www.riskplus.info) umgesetzt (Sturm et al. 2024). Diese berücksichtigt die Schutzwirkung des Einzugsgebiets und fand Eingang ins technische Regelwert (DVGW 2021, 2024).

RiskPlus integriert bodenkundlich-hydrogeologische Daten zur Durchlässigkeit des Grundwasserleiters in Anlehnung an (Ad-hoc-Arbeitsgruppe Hydrogeologie 1997) und zur Schutzwirkung der Grundwasserüberdeckung, vgl. (Hölting et al. 1995). Die Schutzwirkung des Einzugsgebiets ergibt sich aus der Rohwasserschutzwirkung (basierend auf kf-Wert und Fließzeit, vereinfacht ausgedrückt durch die Schutzzone) und Schutzwirkung der Grundwasserüberdeckung (vgl. Abb.). Die Daten stammen aus Gutachten der Betreiber, der HÜK (BGR 2019) und von Geologischen Landesämtern.

Aktuelle Erfahrungen aus über 100 Projekten mit RiskPlus am TZW zeigen, dass die Methodik praxistauglich ist. Unsicherheiten bei den Daten zur intrinsischen Vulnerabilität konnte durch eine geeignete Gewichtung begegnet werden. Anwender wünschen zunehmend die Integration lokaler, hochauflösender Daten, was bei der Weiterentwicklung von RiskPlus berücksichtigt wird.

Literatur:

Ad-hoc-Arbeitsgruppe Hydrogeologie (1997): Hydrogeologische Kartieranleitung. Geologisches Jahrbuch, Reihe G, Heft 2

BGR (2019): Hydrogeologische Übersichtskarte 1:250.000 von Deutschland (HÜK250) (WMS). https://geoportal.bgr.de/

Brauer, F.; Sebastian Sturm; Fischer, T.; Brauer, T.; Kawerau, L. (2024): Umsetzung des Risikomanagements für Trinkwassereinzugsgebiete. In: Wasserwirtschaft - Wassertechnik 2024 (7-8), S. 16–20

Brauer, F.; Sturm, S.; Kaupe, M.; Schiffmann, S. (2019): Mehrwert des Risikomanagements für den Wasserversorger. In: DVGW energie | wasser-praxis (12).

DVGW (2021): DVGW-Information WASSER Nr. 105. Sicherheit in der Trinkwasserversorgung - Risikomanagement im Normalbetrieb für Einzugsgebiete von Grundwasserfassungen zur Trinkwassergewinnung. Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches

DVGW (2024): Merkblatt W 1004 Bewertung von Trinkwassereinzugsgebieten gemäß TrinkwEGV. Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches (DVGW-Regelwerk. Technische Regel)

Hölting, B.; Haertle, T.; Hohberger, K.-H.; Nachtigall, K. H.; Villinger, E.; Weinzierl, W. et al. (1995): Konzept zur Ermittlung der Schutzfunktion der Grundwasserüberdeckung. In: Geologisches Jahrbuch, Reihe C (63), S. 5–24

Sturm, S.; Witzig, C.; Fischer, T.; Brauer, F. (2024): Die Softwarelösung für intelligentes Risikomanagement in der Wasserversorgung. In: gwf-Wasser | Abwasser (10), S. 32–36

TrinkwEGV (11.12.2023): Verordnung über Einzugsgebiete von Entnahmestellen für die Trinkwassergewinnung (Trinkwassereinzugsgebieteverordnung - TrinkwEGV). BGBl 2023, 346.

Die Trinkwassereinzugsgebieteverordnung verpflichtet Wasserversorger, Risiken für die Rohwasserbeschaffenheit an ihren Wasserfassungen zu bewerten und geeignete Maßnahmen zur Gefahrenabwehr einzuleiten. Die grundsätzliche Vorgehensweise bei der Gefährdungsanalyse ist im DVGW-Merkblatt W 1004 beschrieben, die konkrete Ausgestaltung obliegt jedoch den ausführenden Stellen. Dies führt zu einem erheblichen Interpretationsspielraum – insbesondere bei der Bewertung des Ausgangsrisikos und noch stärker bei der Einschätzung der natürlichen Schutzwirkung im Einzugsgebiet. Die Ergebnisse sind daher oft subjektiv geprägt und zwischen Wasserversorgern kaum vergleichbar.

Wir beraten zahlreiche Wasserversorger in Mecklenburg-Vorpommern und angrenzenden Bundesländern und sind in diesem Zusammenhang mit der Erstellung der Unterlagen gemäß Verordnung beauftragt. Unser Ziel ist eine möglichst objektive, nachvollziehbare und reproduzierbare Bewertung.

Dazu haben wir – basierend auf der verfügbaren Datenlage – einen Katalog zur Bewertung des Ausgangsrisikos entwickelt. Im Fokus steht zudem die Quantifizierung der natürlichen Schutzwirkung. Hierfür wurde ein methodischer Ansatz erarbeitet, der flächenhaft verfügbare hydrogeologische Daten optimal nutzt und sowohl horizontale als auch vertikale Fließprozesse berücksichtigt.

Der Weg von der Gefahrenquelle bis zur Fassung wird in drei Transferbereiche untergliedert:

a) vertikaler (oft ungesättigter) Fluss bis zum obersten Grundwasserleiter

b) vertikale Interaktionen im gesättigten Bereich, Speisung tieferer Grundwasserleiter

c) horizontaler Transport im genutzten Grundwasserleiter

Für die Einsickerung ins Grundwasser (a) können landesweit vorliegende Daten zur Schutzfunktion der Überdeckung verwendet werden, die in drei Klassen gruppiert sind („günstig“, „mittel“, „ungünstig“) [1].

Wenn ein unterer oder auch ein stark gespannter Grundwasserleiter durch die Wasserfassung erschlossen wird, müssen zusätzlich die vertikalen Fließbewegungen im Grundwasser berücksichtigt werden. Diese stehen in einem engen Zusammenhang zur Speisung des genutzten Grundwasserleiters (b). Je stärker der horizontale Grundwasserabstrom oberhalb des Nutzhorizonts, desto geringer ist die Gefahr durch vertikale Einsickerung. Die Schutzwirkung unterschiedlicher Grundwasserspeisungstypen wird in Anlehnung an Hennig & Hilgert [2] quantifiziert.

Die horizontale Fließzeit vom Standort der Gefährdung bis zum Schwerpunkt der Entnahmestellen (c) wird über einen geohydraulischen Ansatz in Abhängigkeit von den hydrogeologischen Parametern geschätzt.

Aus den Schutzfaktoren der drei Transferbereiche wird ein Risiko-Reduktionsfaktor berechnet und es erfolgt eine Priorisierung der Risiken. Die entwickelte Methodik ist weitgehend automatisierbar und ermöglicht eine einheitliche und nachvollziehbare Bewertung aller durch uns bearbeiteten Wasserfassungen. In der Abbildung ist das Ergebnis der Priorisierung beispielhaft dargestellt.

Ziel des Vortrags ist es, die Methodik vorzustellen und die zusammengefassten Ergebnisse aus der Anwendung auf insgesamt 61 Wasserfassungen zu präsentieren.

[1] www.umweltkarten.mv-regierung.de

[2] Hennig & Hilgert: Speisung bedeckter Grundwasserleiter im norddeutschen Lockergestein – Eine Auswertung für Mecklenburg-Vorpommern. Brandenburgische Geowissenschaftliche Beiträge, Heft 1/2 / 2018, 27-37

Rückblickend auf zwanzig Jahre Erfahrung mit Pestizidverboten in den Grundwasserschutzgebieten Luxemburgs, stellen sich folgende Probleme heraus:

1. Ein landesweites Verbot von einem Wirkstoff erhöht die Durchbruchswahrscheinlichkeit von Ersatzstoffen, weil diese durch das Verbot vermehrt angewendet werden.

2. Die Verbote kommen zu spät um das Grundwasser proaktiv zu schützen, weil sie erst ausgesprochen werden, nachdem eine Verunreinigung in den Grundwasserfassungen festgestellt wurde.

Dementsprechend besteht die neue Strategie der luxemburgischen Wasserverwaltung darin,die lokale Merkmale von jeder Schutzzone bei der Risikobewertung zu berücksichtigen. Das bedeutet insbesondere, die tatsächliche Pestizidanwendung pro Schutzgebiet zu erfassen (Wirkstoff UND Dosis). Dafür wird mit der Hilfe der landwirtschaftlichen Beratern eine Liste der Produkte pro Kultur verfasst, die dann benutzt wird, um die Auswaschung mit einem physikalisch-basierten Modell abzuschätzen. Daraufbasierend wird eine Kombination von verschiedenen agronomischen Massnahmen erarbeitet, mit dem Ziel die Anwendung der Risikosubstanzen langfristig unter der errechneten kritischen Schwelle zu halten, beziehungsweise zu bringen, bevor sie das Grundwasser verunreinigen.

Sowohl der Schutz der öffentlichen Trinkwasserversorgung als auch der Bau und die Erhaltung von Straßen sind Aufgaben der Daseinsvorsorge, die von der öffentlichen Verwaltung auf der Grundlage gesetzlicher Regelungen wahrzunehmen sind. Der steigende Wasserbedarf, die Lage von Straßen innerhalb bestehender, neu ausgewiesener oder angepasster Wasserschutzgebiete, die Anforderungen an die Wasserqualität und das zunehmende Verkehrsaufkommen führen zu einer Überlagerung von Belangen des Gewässerschutzes und straßenbaulichen Aufgaben.

Zur Umsetzung des Trinkwasserschutzes an Straßen werden im Arbeitskreis „Straßen in Wasserschutzgebieten“ der Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) Technische Regelwerke erarbeitet, die die Gewinnung aus Grundwasser, Quellen, Oberflächengewässern und Talsperren berücksichtigen. Der Arbeitskreis ist ein paritätisch aus Vertretern der Wasserwirtschaft und des Straßenwesens zusammengesetztes Gremium.

Die „Richtlinien für bautechnische Maßnahmen an Straßen in Wasserschutzgebieten (RiStWag)“ der FGSV (aktuell von 2016) sind beim Neu-, Um- und Ausbau von Straßen anzuwenden. Um einen wirksamen Trinkwasserschutz im Bereich von Straßen sicherzustellen, geht das in den RiStWag dargestellte Schutzkonzept über die allgemeinen gewässerschutzrechtlichen Vorgaben der „Richtlinien für die Entwässerung von Straßen (REwS)“ hinaus. Beide Richtlinien sind vom Bundesverkehrsministerium für Bundesfernstraßen verbindlich eingeführt, ebenso von vielen Bundesländern für die Straßen in ihrem Zuständigkeitsbereich.

Die „Hinweise für Maßnahmen an bestehenden Straßen in Wasserschutzgebieten (H BeStWag)“ befassen sich mit Maßnahmen zum Trinkwasserschutz an bestehenden Straßen. Dafür galten bisher die BeStWag 1993, sie wurden überarbeitet und neu als H BestWag 2025 herausgegeben.

Diese beschreiben Möglichkeiten zur Identifizierung und Bewertung von Streckenabschnitten bestehender Straßen, von denen Gefährdungen für die Trinkwassergewinnung ausgehen. Als Beitrag zum Risikomanagement nach TrinkwEGV für die Nutzungsart Straße wird eine Methodik vorgestellt, die es ermöglicht, eine einzugsgebiets- oder straßennetzbezogene Betrachtung der linienhaft verteilten Risiken durch Stoffeinträge im Normalbetrieb sowie Havarien vorzunehmen.

In Anlehnung an DVGW W 1004 (M) werden diese Gefährdungen nach Schadensausmaß und Eintrittswahrscheinlichkeit bewertet und mit der Vulnerabilität der Trinkwassergewinnung mit den Teilaspekten Grundwasservulnerabilität und Rohwasservulnerabilität (= Gesamtvulnerabilität) kombiniert. Hierfür werden hydrogeologische, straßenbauliche, verkehrliche sowie ggf. die hydrologischen Faktoren, die speziell für die Trinkwassergewinnung aus Talsperren relevant sind, miteinander verschnitten. Die Methodik wurde durch mehrere Wasserversorger getestet und wird anhand eines Praxisbeispiels vorgestellt.

Die H BeStWag erläutern Möglichkeiten zur Dringlichkeitsreihung der identifizierten Gefährdungsstellen und nennen Schutzmaßnahmen, die an bestehenden Straßen umgesetzt werden können. Diese können betrieblicher, verkehrsregelnder, verkehrstechnischer und/oder bautechnischer Art sein und einzeln oder ggf. kombiniert zum Einsatz kommen. Art und Umfang der im Einzelfall in Betracht kommenden Maßnahmen hängen von den vor Ort vorliegenden Gefährdungen ab und sollten durch die Straßenbauverwaltung anhand der örtlichen Situation mit Wasserbehörden und Wasserversorgern abgestimmt werden.

Die städtischen Grundwasserstände im Großraum Doha, Qatar, steigen in mehreren Stadtteilen an; die Ursachen des steigenden Grundwasserspiegels sind unklar. Zum Management der gefährdeten städtischen Infrastruktur ist deshalb eine forensische Aufklärung dominierender Wasserzuflüsse erforderlich. Verschiedene Quellwasserarten könnten zu einem lokalen/regionalen Grundwasseranstieg beitragen: Trinkwasser (PWN), Abwasser (SWR), behandeltes Abwasser (TSE) und Bewässerungswasser (IRR). Um die Ursachen schwankender Grundwasserstände zu identifizieren, wurde eine umfassende Tracerstudie durchgeführt.

Verschiedene Tracer wie stabile Wasserisotope, Tritium, Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) und Schwefelhexafluorid (SF₆), Süßstoffe sowie Anionen und Kationen wurden analysiert, um anthropogene und natürliche Zuflüsse in das oberflächennahe Grundwassersystem zu identifizieren und zu unterscheiden. Für die oben genannten Eintragsquellen und das Basisgrundwasser (SGW) wurden repräsentative Tracerprofile definiert. Anschließend wurden diese Quelltyp-Tracerprofile mit Grundwasserproben aus Problemzonen korreliert, um die Grundwasserzuflüsse zu priorisieren.

Der erhaltene Datensatz bestätigt eindeutig Zuflüsse aus verschiedenen Quellen. Insbesondere Süßstoffe erwiesen sich als wertvolle funktionelle Tracer zur Unterscheidung von behandeltem und unbehandeltem Abwasser sowie natürlichem Grundwasser. Lokal unterschiedliche Grundwasserzuflüsse führten zu einem komplexen Muster von Tracersignalen, die anhand statistischer Bewertungskriterien ausgewertet wurden. Eine integrierte Klassifizierung der potenziellen Zuflüsse erfolgte durch Diskriminanzanalysen und andere multivariate statistische Methoden. Die Dateninterpretation und -bewertung wurde zusätzlich durch numerische Grundwasserströmungsmodelle unterstützt. Diese bestätigten die unterschiedliche Bedeutung der PWN-, SWR‑, TSE- und IRR-Zuflüsse in das flache Grundwassersystem auf verschiedenen räumlichen Skalen. Die endgültige Bewertung der Zuflüsse (siehe Abbildung) führte schließlich zu spezifischen Empfehlungen für das lokale Grundwassermanagement.

Viel wurde im Vorfeld über die Chancen und die einzusetzenden Ressourcen für die Risikobewertung nach Trinkwassereinzugsgebieteverordnung (TrinkwEGV) diskutiert. In der Rückschau auf die Erfahrungen aus dem ersten Bearbeitungszyklus soll die Frage beleuchtet werden, ob die TrinkEGV umsetzungs- und praxistaugliche Chancen für die Wasserversorger und Behörden bietet. Ein besonderer Fokus soll zum einen auf hydrogeologischen Aspekten, zum anderen aber auf Risikomanagementmaßnahmen gelegt werden. In Anlehnung an Arbeitssicherheitsprinzipien (TOP – technische Reduktion, dann organisatorische Reduktion des Risikos und erst im letzten Schritt der Schutz durch eine persönliche Schutzausrüstung), werden dabei zuerst Maßnahmen zur Vermeidung zukünftiger Risiken beleuchtet, gefolgt von Maßnahmen zur Risikominimierung der bestehenden Risiken. Zuletzt wird das Untersuchungsprogramm als Risikomanagementmaßnahme herangezogen. Es werden konkrete Maßnahmenvorschläge vorgestellt, die in Zusammenarbeit mit den Wasserversorgern und Behörden entstanden sind.

Im Rahmen der repräsentativen vorläufigen Sicherheitsuntersuchungen (rvSU) in Schritt 2 der Phase I des Standortauswahlverfahrens werden Gebiete hinsichtlich ihrer Eignung für die Endlagerung hochradioaktiver Abfälle bewertet. Die Bewertung basiert auf regulatorischen Vorgaben (StandAG; EndlSiUntV; EndlSiAnfV). Dabei nehmen hydrogeologische Aspekte im Standortauswahlverfahren an mehreren Stellen eine zentrale Rolle ein. Dazu zählen:

• die Beschaffung und Auswertung hydrogeologischer Daten und regionaler Beschreibungen,
• die Beschreibung möglicher zukünftiger geogener Entwicklungen des Endlagersystems (FEP-Kataloge),
• die Modellierung des Radionuklidtransports,
• die Anwendung und Interpretation hydrogeologischer Bewertungskriterien sowie der Indikatoren der geowissenschaftlichen Abwägungskriterien (geoWK).

Eine wesentliche Herausforderung bei der Durchführung der Arbeiten in der ersten Phase des Standortauswahlverfahrens ist die begrenzte Datenlage, welche bei hydrogeologischen Modellierungen und Bewertungen zu Ungewissheiten führt und deren Aussagekraft beschränkt. Erst in der zweiten Phase des Verfahrens können neue Daten durch Erkundungsarbeiten für die Standortregionen erhoben werden.

Im Rahmen der in Phase II anzuwendenden weiterentwickelten vorläufigen Sicherheitsuntersuchungen (wvSU) müssen sowohl eine Reihe zusätzlicher Themen mit Bezug zur Hydrogeologie bewertet werden als auch die bereits existierenden Themen in deutlich höherer Detailtiefe behandelt werden. Zu nennen sind dabei z.B. Dilatanz, Fluiddruck, Kritikalität, Dosis, Biosphäre und Hydrochemie sowie Weiterentwicklungen in der Modellierung, beispielsweise die Erstellung von dreidimensionalen THMC-Modellen unter Berücksichtigung möglicher Entwicklungen des Endlagersystems.

Von großer Bedeutung für eine optimale Bearbeitung dieser Themen ist die Verwendung effizienter Werkzeuge für die Datenanalyse und Wissensorganisation. Hinsichtlich der Durchführung der numerischen Simulationen ist ebenfalls die Anwendung effizienter Verfahren wichtig. Von zunehmender Bedeutung ist dabei die Einbeziehung von Methoden des Maschinellen Lernens.

Literaturverzeichnis

EndlSiAnfV: Endlagersicherheitsanforderungsverordnung vom 6. Oktober 2020 (BGBl. I S. 2094). EndlSiAnfV.

EndlSiUntV: Endlagersicherheitsuntersuchungsverordnung vom 6. Oktober 2020 (BGBl. I S. 2094, 2103). EndlSiUntV.

StandAG: Standortauswahlgesetz vom 5. Mai 2017 (BGBl. I S. 1074), das zuletzt durch Artikel 8 des Gesetzes vom 22. März 2023 (BGBl. 2023 I Nr. 88) geändert worden ist. StandAG, zuletzt geprüft am 17.01.2025.

Im Rahmen des Standortauswahlverfahrens für ein Endlager für hochradioaktive Abfälle werden als mögliche Wirtsgesteine Steinsalz, Tongestein und Kristallingestein betrachtet. Kristallingestein nimmt unter den möglichen Wirtsgesteinen für die Endlagerung hochradioaktiver Abfälle eine besondere Rolle ein. Es zeichnet sich durch seine hohe Festigkeit, hohe Gesteinsstabilität, geringe Wärmeempfindlichkeit sowie eine geringe Wasserdurchlässigkeit aus. Allerdings weisen kristalline Gesteine häufig Diskontinuitäten wie Klüfte oder Störungen auf. Je nach deren Eigenschaften – etwa Häufigkeit, Größe, Vernetzung, Öffnungsweite oder Füllung – können sie die Wasserführung im Gestein beeinflussen. Diese strukturellen Besonderheiten haben daher einen maßgeblichen Einfluss auf die Bewertung potenzieller Standorte im Kristallingestein. Die Kenntnis über die Grundwasserströmungsverhältnisse und die potenziellen Transportpfade freigesetzter Radionuklide im Umfeld eines möglichen Endlagerstandorts für radioaktive Abfälle ist ein zentraler Aspekt sowohl im Standortauswahlverfahren als auch für den Sicherheitsnachweis eines Endlagers.

Seit 1994 wird der Open-Source-Simulationscode d³f++ (distributed density driven flow) (Fein et al., 1999; Schneider et al., 2020) in gemeinsamen Projekten der GRS und verschiedenen Universitäten entwickelt. Ziel ist es, die dichteabhängige Grundwasserströmung sowie den Radionuklidtransport unter Berücksichtigung aller relevanten Wechselwirkungen für die Langzeitsicherheitsanalyse in großen, hydrogeologisch komplexen Gebieten und über lange Zeiträume effizient zu modellieren. In den letzten Jahren wurde der Code insbesondere für die Simulation von Strömungsprozessen in geklüfteten Gesteinen weiter optimiert.

Vorgestellt werden Ergebnisse verschiedener sicherheitsanalytischer Untersuchungen im Kristallingestein (Müller et al., 2025: Vorhaben SUSE, BMUKN FKZ 02E11577), Ergebnisse zur Modellierung und Analyse der Integrität eines einschlusswirksamen Gebirgsbereichs im Kristallingestein (Vorhaben CHRISTA-III, BMUKN FKZ 02E12042) und Modellrechnungen für den „Performance Assessment (PA) Task“ für Kristallingestein des internationalen DECOVALEX-Projektes (Vorhaben HYMNE-II, BMUKN FKZ 02E12012).

Fein, E., Schneider, A. (eds.): d³f – Ein Programmpaket zur Modellierung von Dichteströmungen. Abschlussbericht. Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) mbH, GRS-139, Braunschweig 1999.

Müller, Chr., Flügge, J., Burlaka, V., Hassanzadegan, A., Johnen, M., Leonhard, J., Meleshyn, A., Richter, L., Wang, X., Wunderlich, A., Zhao, H.: Safety Analytical Investigations on Repository Systems in Crystalline Rocks. Abschlussbericht. BGETECHNOLOGY, BGE TEC 2025-01, Peine, 2025

Schneider, A., Conen, N., Gehrke, A., Hilbert, J., Knodel, M., Kröhn, K.-P., Lampe, L., Larisch, L., Lemke, B., Nägel, A., Schön, T., Salfelder, F., Stepniewski, M., Wittum, G., Zhao, H.: Hydrogeological Modelling at a Regional Scale. Abschlussbericht, Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) gGmbH, GRS-750, Braunschweig, 2023.

Hydromechanische Prozesse wie die Scherung von Klüften spielen in verschiedenen geowissenschaftlichen Anwendungen, wie beispielsweise der nuklearen Endlagerung, eine große Rolle und können zu einer spannungsabhängigen Öffnung oder Schließung von Klüften führen. Die vorliegende Studie zielt darauf ab, die scherungsinduzierte Permeabilitätsentwicklung einer natürlichen Sandsteinkluft unter Verwendung eines gekoppelten Modellierungsansatzes zu untersuchen. Durch die Kombination eines mechanischen DEM-Modells mit einem hydraulischen FE-Modell lassen sich während der Scherung drei normale spannungsbezogene hydromechanische Regime identifizieren. Unter niedrigen Normalspannungen (< 4,0 MPa) wird die Permeabilität während der Scherung aufgrund der Dilatation auf den intakten Unebenheiten (Rauigkeiten) erhöht. Mit zunehmender Normalspannung brechen diese Unebenheiten und es bilden sich Fließwege, was zu einem normalspannungsbezogenen Übergang von der Öffnung zur Kluftschließung führt. Dieser Übergang wird bei der Zugfestigkeit des Gesteins bei ca. 4,0 MPa beobachtet. Eine Normalspannung von mehr als 4,0 MPa führt zu einem fast vollständigen hydraulischen Verschluss der Klüfte. Unsere Ergebnisse zeigen, dass es während der Scherung von Klüften sowohl zur Erhöhung als auch zum vollständigen Verlust der Permeabilität kommen kann.

Die Schachtanlage Asse II bei Wolfenbüttel ist ein über 100 Jahre altes Salzbergwerk, in dem bis 1964 Stein- und Kalisalze abgebaut wurden. Im Zeitraum von 1967 bis 1978 wurden im Auftrag des Bundes rund 47.000 m³ schwach- und mittelradioaktive Abfälle eingelagert. Seit 1988 fließen NaCl- und CaSO₄-gesättigte Grundwässer aus dem Deckgebirge der Schachtanlage Asse II zu.

Erklärungen zur Herkunft des Lösungszutritts blieben seit seiner Entdeckung 1988 zunächst vage. In den letzten 5 Jahren konnten jedoch umfangreiche Erkundungsprogramme neue Erkenntnisse liefern. Vor allem die Ergebnisse der 3D-Seismik liefern ein deutlicheres Bild über den strukturellen Aufbau des Grenzbereiches Salinar/Hutgestein und der Lagerungsverhältnisse der Schichten sowie des tektonischen Inventars des mesozoischen Deckgebirges.

Hierbei konnten eine Reihe von bisherigen Erkenntnissen deutlich plausibler eingeordnet werden. So konnten über ¹⁴C ermittelte Grundwasseralter im Deckgebirge geringdurchlässigen Störungen, die vielfach eine V-Form ausgehend vom Hutgestein zur Oberfläche bilden, zugeordnet werden. Über Zeiträume in der Größenordnung 1-4 · 10³ a fließen meteorische Wässer langsam dem Salzspiegel zu, wobei sie zunehmend mineralisiert werden. An der Basis des Hutgesteins selbst befindet sich eine Karststruktur, welche Subrosionsgerinne genannt wird. Die Durchlässigkeit dieses Subrosionsgerinnes erreicht im Nordwesten der Asse-Struktur k_f-Werte in der Größenordnung von 3 ·10^-3 m/s, welche durch Tracer-Versuche in den 1980ern ermittelt wurden. Der Grundwasserdruckspiegel in diesem Subrosionsgerinne ist vergleichsweise niedrig gegenüber denjenigen in den mesozoischen Formationen des Deckgebirges.

Die im Subrosionsgerinne fließenden Grundwässer haben im Nordwesten eine Verbindung zur Oberfläche. In diesem Bereich fällt die Asse morphologisch zum Braunschweig-Gifhorn-Trog hin ab. Die mit der Trogbildung verbundenen Staffelstörungen schaffen eine hydraulische Verbindung zur Oberfläche. Die Folge sind Quellaustritte mit teilweise erhöhter Mineralisierung, wobei aufgrund der quartären Überdeckung von Mischsignaturen auszugehen ist, was sich auch in der isotopischen Zusammensetzung der Quellwässer zeigt.

Im zentralen Teil der Asse besteht die Vermutung, dass das Subrosionsgerinne sowohl eine Anbindung an die 1906 ersoffene Schachtanlage Asse I (über den Hauptanhydrit) als auch an die Schachtanlage Asse II (über den Rötanhydrit der Südflanke) hat.

Die Auswertung der 3D-Seismik zeigt ein deutliches Relief im Bereich der Hutgesteinsbasis, so dass das Subrosionsgerinne ein verzweigtes System bildet.

Neben dem holozänen System Oberfläche-Störungen-Subrosionsgerinne befinden sich im Deckgebirge in den Tiefbohrungen, die im Unteren Muschelkalk verfiltert sind, stark mineralisierte Tiefenwässer mit erheblich erhöhten ⁴He-Gehalten, was auf fossile Grundwässer pleistozänen Alters schließen lässt. Eine Interaktion zwischen diesen beiden Grundwassersystemen gilt als unwahrscheinlich.

Bildunterschrift: Vereinfachtes geologisches Modell auf Basis der Ergebnisse der 3D-Seismik (Schnitt senkrecht zum Streichen der Asse) und interpretierte Fließpfade sowie die Lage ausgewählter Bohrungen, Schächte und Grundwassermessstellen.

In das ehemalige Salzbergwerk Schachtanlage Asse II bei Wolfenbüttel (siehe Kurzfassung Führböter et al.) fließen seit 1988 gesättigte Salzlösungen aus dem Deckgebirge zu. Im Rahmen der hydrogeologischen Standortüberwachung werden die Grundwässer und Salzlösungen im triassischen Deckgebirge und der Lösungszutritt in die Schachtanlage untersucht. Seit 2008 sind auch verschiedene natürliche Radionuklide der Uran- und Thorium-Zerfallsreihen Teil des Untersuchungsprogramms.

Im Folgenden stehen die natürlichen Radionuklide des Radiums (Ra-224, Ra-226, Ra-228) sowie Radon (Rn-222) im Vordergrund: Aus dem Verständnis der Prozesse, die ihre Genese und ihren Transport bestimmen, können Erkenntnisse (a) zum hydrogeologische Systemverständnis der Asse im Allgemeinen und (b) speziell zur Herkunft des Lösungszutritts abgeleitet werden.

Ra-226 und Rn-222 sind Teil der Uran-238-Zerfallsreihe, während Ra-228 und Ra-224 zur Thorium-232-Zerfallsreihe gehört (siehe Abbildung). Die Mutternuklide (Ra-226: 1600 a; Ra-228: 5,75 a) weisen jeweils eine bedeutend längere Halbwertzeit auf als die Tochternuklide (Rn-222: 3,82 d; Ra-224: 2,63 d). Die Massenkonzentration dieser Radionuklide ist so gering, dass sie i.d.R. nur gammaspektroskopisch durch ihre Aktivität bestimmt werden können. Die wesentlichen Prozesse zur Genese und zum Transport der natürlichen Radionuklide in Lösungen sind (i) Verwitterung, (ii) alpha-Rückstoß aus dem Zerfall von Uran- und Thoriumnukliden in Gesteinen des Deckgebirges (das Zechsteinsalinar ist i.d.R. nahezu frei von diesen Nukliden), (iii) Sorption und Ausfällung sowie (iv) Produktion und Zerfall.

Innerhalb oberflächennaher Gebirgsbereiche der Asse sind die Aktivitätskonzentrationen (AKZ) der natürlichen Radionuklide in den Grundwässern i.d.R. sehr gering (<Nachweisgrenze oder etwas darüber), was in erster Linie durch die starke Sorption bei den chemisch-physikalischen Bedingungen und der geringen Mineralisierung der Wässer bedingt ist.

In tieferen Bereichen des Deckgebirges (>300 m u. GOK) zeigen die Lösungen, bedingt durch die geringe Sorption bei den dort hoch mineralisierten Lösungen, tendenziell höhere AKZ der natürlichen Radionuklide, wobei:

1. im Unteren Muschelkalk die hohe AKZ von Ra-226 (bis 12.7 Bq/l) bei tiefen Ra-228/Ra-226-Verhältnissen, die typische Zusammensetzung (Th-arm, U-reich) der Kalksteine widerspiegelt und
2. im Buntsandstein die moderat hohe AKZ des Ra-228 und tiefere AKZ des Ra-226 (hohes Ra-228/Ra-226), die Th-reiche Gesteinszusammensetzung reflektiert. Die AKZ-Verhältnisse der Tochter- zu Mutternukliden (z.B. Ra-224/Ra-228) sind hier oft nahezu ausgeglichen, was für ein sog. Dauergleichgewicht spricht (stationäre Bedingungen).

Am Lösungszutritt in der Schachtanlage zeigen sich moderat hohe AKZ der langlebigen Radionuklide, wobei die AKZ von Ra-226 etwas unter der des Ra-228 liegt. Damit ist ihre Radionuklidsignatur gut vergleichbar zum Buntsandstein im Deckgebirge, schließt aber eine signifikante Zumischung von Lösung aus dem Muschelkalk aus. Dahingegen sind die kurzlebigen Radionuklide (Ra-224, Rn-222) erhöht, was ein markantes Ungleichgewicht der Verhältnisse Tochter-/Mutternuklid bedingt. Dies deutet auf eine schnelle Lösungsbewegung im Deckgebirge unterhalb des Salzspiegels (~Jahre) und eine kurze Aufenthaltszeit im Zechsteinsalinar (~Tage–Wochen).

Bildunterschrift: Systematik der wesentlichen Prozesse beim Transport der natürlichen Radionuklide in Lösung entlang der U-238- und Th-232-Zerfallsreihe.

Dieser Tagungsbeitrag soll exemplarisch an einer Tonformation aufzeigen, welcher Informationszugewinn mittels Messung und Interpretation der im Porenwasser (PW) gelösten Edelgase (He, Ne, Ar, Kr und Xe) aus einer vergleichsweise oberflächennahen Abfolge der Opalinuston-Formation (< 250m) bei Blumberg-Hondingen, Baden-Württemberg, möglich wird. Dazu wurden Edelgasprofile im PW eines Bohrkerns analysiert, der die gesamte Opalinuston-Formation durchdringt [1]. Ziel der Untersuchungen war die Charakterisierung des Transportregimes einer solchen Tonbarriere. Insgesamt wurden vierzehn Porenwasserproben zwischen 93 m und 236 m Bohrtiefe entnommen, die meisten davon aus dem Opalinuston. Das Probenahmeverfahren folgte den Richtlinien für Bohrkernproben der jüngsten Nagra-Tiefbohrkampagne [2], die ihrerseits verfeinerte Verfahren von ursprünglich in Deutschland [3,4] und der Schweiz [5] entwickelten Methoden waren.

Wir zeigen Tiefenprofile von ⁴He-Konzentrationen und ³He/⁴He- und ⁴⁰Ar/³⁶Ar-Isotopenverhältnissen, Wassergehalt, U-, Th- und K-Konzentrationsdaten. Darüber hinaus vergleichen wir die Daten mit numerischen Simulationsergebnissen des reaktiven 1D-Stofftransports über die 134 m mächtige Opalinuston-Formation mittels PREEQC. Diese Daten werden von einer vollständigen Reihe von Ne-, Ar-, Kr- und Xe-Konzentrationen und Isotopenverhältnissen von ^20,21,22Ne, ^36,38,40Ar und ^{128,129,130,131,132,134,136}Xe flankiert. Die analysierten Edelgasprofile können durch Diffusion als alleinigem Transportprozess vollständig erklärt werden. Auf Basis der beiden radiogenen Edelgasisotope ⁴He und ⁴⁰Ar, die im Untergrund durch natürlichen radioaktiven Zerfall entstehen und sich im PW akkumulieren können, werden Modellalter für das PW in der Opalinuston-Formation von 2,5 bis 3 Millionen Jahre berechnet. Da die Ne-Produktion im Untergrund vernachlässigbar klein ist und nachweislich keine Probenahmeartefakte vorliegen, interpretieren wir die beobachtete Ne-Untersättigung als das Resultat der Exklusion gelöster Komponenten im Porenraum im Verlauf der Kompaktion der Tonsedimente. So werden erstmals effektive Porositäten aus Edelgasdaten bestimmt, und zwar entlang eines ganzen Tiefenprofils, vergleichbar wie dies bereits für Anionen gezeigt wurde [6]. Schließlich zeigen die Elementkonzentrationen von ²⁰Ne, ³⁶Ar, ⁸⁴Kr und ¹³²Xe ein systematisches Fraktionierungsmuster, welches gut mit Modellierungen von sich sukzessive entleerenden engen Porenraum-Systemen übereinstimmt [7]. Wir interpretieren, dass sich seit der Kompaktion der Sedimente zwar für die Ne-Konzentration im gesamten 124 m langen Profil, nicht aber für die Xe-Konzentration ein diffusives Gleichgewicht mit der Atmosphäre einstellen konnte.

[1] K. Leu et al. 2023. Z. Dt. Ges. Geowiss. 174(1), 53-67, doi: 10.1127/zdgg/2023/0373.

[2] D. Rufer, M. Stockhecke 2021. NAB 19-13, Rev.1, NAGRA, Wettingen, Switzerland.

[3] J. Lippmann et al. 1997. Proc. Isotope Techn. Study of Past & Current Environ. Changes, Vienna, Austria, IAEA-SM-349/36.

[4] K. Osenbrueck, J. Lippmann, C. Sonntag 1998. Geochim. Cosmochim. Acta 62(18), 3041-3045, doi: 10.1016/S0016-7037(98)00198-7.

[5] A. P. Ruebel, et al. 2002. Geochim. Cosmochim. Acta 66(8), 1311-1321,
doi: 10.1016/S0016-7037(01)00859-6.

[6] C. Zwahlen, T. Gimmi, A. Jenni et al. 2024. Applied Geochemistry 162, 105841,
doi: 10.1016/j.apgeochem.2023.105841.

[7] T. Torgersen, B.M. Kennedy, M.C. van Soest 2004. Earth Planet. Sci. Lett. 226, 477-489, doi: 10.1016/j.epsl.2004.07.030.

Tongesteine sind extrem gering durchlässig und können bei Wasserzutritt ein ausgeprägtes Quellverhalten aufweisen, welches Wegsamkeiten in Diskontinuitäten verschließt („Selbstabdichtung“). Diese Eigenschaften machen sie zu einem vielversprechenden Wirtsgestein für geologische Tiefenlager. Beim Gesteinsquellen kommt es zu einer Quelldehnung und/oder die Spannungszustände ändern sich aufgrund des Quelldrucks. Beide Prozesse – das Entstehen von Quelldrücken und Quelldehnungen – haben Einfluss auf die Durchlässigkeit des Gesteins und können somit auch die Fließprozesse im Gestein beeinflussen. Das Verständnis dieser hydromechanisch gekoppelten Prozesse ist für die Planung und den sicheren Betrieb eines Tiefenlagers von großer Bedeutung.

Wir haben einen neuartigen Durchfluss-Quellversuch entwickelt. Dieser ermöglicht die gleichzeitige Ermittlung der gesättigten Durchlässigkeit, der Spannung und der Quelldehnung von Tonsteinproben während des Quellens. Der Versuchsaufbau berücksichtigt die anisotropen Eigenschaften von Tonsteinen und geht davon aus, dass der Wasserfluss überwiegend parallel zur Schichtung verläuft, das Quellverhalten jedoch senkrecht zur Schichtung am stärksten ausgeprägt ist. Mittels Durchfluss-Mehrstufen-Quellversuchen wurde der Zusammenhang zwischen der gesättigten Permeabilität, der Quelldehnung und dem Spannungszustand untersucht. Das Hauptziel dieses Beitrags ist es, den Versuchsaufbau und die Durchführung der Quellversuche vorzustellen. Die Arbeiten haben jedoch auch zu ersten Ergebnissen geführt. Überraschenderweise blieb die gesättigte Permeabilität während der Durchfluss-Quellversuche nahezu konstant. Wir interpretieren dies als eine Zunahme der Permeabilität durch ein Erweitern der wasserwegsamen Diskontinuitäten (Schichtungsfugen) bei Entlastung, welche durch eine Abnahme der Permeabilität wegen des Schließens dieser Diskontinuitäten durch den Quellprozess kompensiert wird. Es sind jedoch weitere Experimente erforderlich, um unsere ersten Ergebnisse mit einer größeren Versuchsdatenbasis zu bestätigen.

Interaktionen zwischen Grundwasser (GW) und Oberflächenwasser (OW) sind schon seit geraumer Zeit ein Thema der hydrologischen Forschung. Die frühen, wegweisenden Arbeiten von J. Toth (1963) und später T. Winter (1999) haben die Koexistenz lokaler und regionaler Grundwasserstömungsmuster aufgezeigt und dargelegt, wie Oberflächengewässer ein integraler Bestandteil dieser Strömungsmuster sind. Trotz dieser frühen, integralen Betrachtungsweise herrscht häufig noch eine eher vereinfachte Darstellung von Grund- und Oberflächenwasser vor, in der von zwei getrennten Komaprtimenten ausgegangen wird, die über oft nur vage definierte Austauschmechanismen miteinander interagieren. Deartige Konzeptionalisierungen finden sich in vielen hydrologischen Modellen. Sie sind jedoch potentiell irreführend, da sie implizieren, dass beide Kompartimente eigenständig und nur lose gekoppelt sind. Der Übergang zwischen GW und OW im hydrologischen Kreislauf ist jedoch eher als ein hydrologisches Kontinuum zu verstehen, in dem sich Wasser zwischen Oberflächengewässern (Flüsse, Seen, Feuchtgebiete) und oberflächennahen Grundwasserleitern dynamisch hin und her bewegt. So kann oberflächennahes Grundwasser in einer Flussaue in einem Moment zu Flusswasser werden und im nächsten wieder in den Auengrundwasserleiter zurückkehren, mit Bedeutung für den Austausch von Wasser und Stoffen sowie biogeochemische Stoffumsätze. Während vereinfachte Konzeptionalisierungen des GW-OW Kontinuums, z.B. für die Simmulation des Abflusses im Fluss, akzeptabel sein mögen, so greifen sie meist zu kurz, wenn Stoffflüsse und deren Dynamiken beschrieben werden sollen, da diese häufig durch hydrolgische und biogeochemische Prozesse im Übergang zwischen OW und GW bestimmt werden. In unseren Bemühungen, gekopplete hydrologische und biogeo­chemische Prozesse in temperierten, eher humiden Regionen besser zu verstehen, sollten wir zu einer Betrachtung des GW-OW-Systems als ein hydrologisches Kontinuum zurückfinden. Mittels einer Studie zum Export von gelöstem organischen Kohlenstoff (dissolved organic carbon – DOC) aus einem Einzugsgebiet (EZG) im Harz möchte ich diese Perspektive untermauern und darlegen, wie auf Basis detaillierter, lokaler Felddaten und eines vollintegrierten, numerischen GW-OW-Modells ein vereinfachtes, konzeptionelles Model zur Quantifizierung des DOC-Exports aus dem EZG physikalsich nachvollziehbarer und damit besser gemacht werden konnte.

Toth, J. (1963) A Theoretical Analysis of Groundwater Flow in Small Drainage Basins, Journal of Geophysical Research, 68(16)

Winter, T. (1999) Relation of streams, lakes, and wetlands to groundwater flow systems, Hydrogeology Journal, 7:28-45

In einem 150 km2 großen Projektgebiet in der voralpinen Seenregion um den Seeoner Klostersee werden zwischen 2015 und 2021 Niedrigstgrundwasserstände verzeichnet. Obwohl die Jahresniederschläge 2016 und folgende die langjährigen mittleren Jahresniederschläge erreichen oder sogar überschreiten, können sich die niedrigen Grundwasserstände aber erst Ende 2023 wieder erholen. Es wird deshalb vermutet, dass die Ursachen für die niedrigen Grundwasserstände nur indirekt an den niederschlagsarmen Jahren liegen. Frühere Trockenperioden zeigen, dass sich das System erholen konnte. Voruntersuchungen zeigen, dass das Gesamtsystem vermutlich durch die Kausalkette Niederschlag / Verdunstung - Quellen - Moorspeicher - Seen - Grundwasserneubildung definiert werden muss und die hydrogeologischen Zusammenhänge wesentlich komplexer sind, als sie allein über die Wasserbilanz derzeit zu erfassen sind. Die Interpretation wird zusätzlich durch eine mit großen Unsicherheiten behaftete konzeptuelle Modellvorstellung erschwert. Eine schlüssige Erklärung der aktuellen sensitiven Grundwasserverhältnisse auf klimatische Entwicklungen und eine Quantifizierung liegt deshalb noch nicht vor.

Um ein verbessertes Verständnis zu erlangen, wird in mehreren Stufen ein gekoppeltes 2D-Oberflächenströmungs-/3D-Grundwassermodell (HYD/GWM) erstellt.

Die erste Stufe ist die Erstellung eines hochaufgelösten HYD-Modells mit HydroAs, um aus der Simulation von verschiedenen Regenereignissen Abminderungen zu quantifizieren. Diese tragen während Regenereignissen wesentlich zur Grundwasserneubildung bei. Das HYD integriert Verrohrungen, zeitabhängige Wehrsteuerungen, wassertiefenabhängige Rauheiten, bekannte Quellzuflüsse und weitere hydraulisch relevante Strukturen.

Die derart quantifizierte und höchst variable Grundwasserneubildung wird anschließend in einem mit FEFLOW erstellten GWM als maßgebende hydraulische Belastung definiert. Das GWM weist sowohl horizontal als auch vertikal eine hohe Auflösung von lokal unter 1 m auf, um die komplexen Vorgänge in der ungesättigten Zone abbilden zu können. Zusätzlich zur werden die Oberflächenwasserstände aus dem HYD entnommen und dem Grundwassermodell zeit- und ortsabhängig als Randbedingungen aufgebracht. Die derart simulierten Grundwasserpotenziale werden mit anhand beobachteter Zeitreihen validiert.

Die Ergebnisse der beiden separaten Modelle zeigen, dass dieses Vorgehen zwar praktisch funktioniert, die statische Definition von Randbedingungen aber keine ausreichend genauen Ergebnisse liefert, die zur Verbesserung der hydrogeologischen Modellvorstellung beitragen.

Deshalb werden in einer dritten Stufe die beiden Modelle explizit und bidirektional über ein Modul gekoppelt. Der Vorteil ist, dass das HYD und das GWM in der Funktionalität erhalten bleiben und separat für Studien genutzt weiterhin werden können. Die bisher erhaltenen Ergebnisse sind vielversprechend und deuten an, dass eine Modellkalibrierung über Anpassung der hydraulischen Parameter der gesättigten und ungesättigten Zone möglich ist. Zentrale Herausforderungen sind die Fließprozesse in HYD und GWM und die Integration des Moorgebietes in die Modellierung.

Aus diesem Vorgehen folgt eine signifikante Verbesserung der Modellvorstellung und zusätzlich eine Quantifizierung des verfügbaren Grundwasserdargebots. Damit bildet die gekoppelte Modellierung eine maßgebliche Grundlage zur Sicherung der nachhaltigen Nutzung und zur Stärkung der Klimaresilienz im hochsensiblen Projektgebiet.

Dimensioning groundwater discharge

Excessive nutrient inputs and the resulting eutrophication are major challenges for surface water quality. As groundwater is the main diffuse nutrient source, its contribution must be quantified over time. Using the eutrophic Elbe River as a case study, this project examined spatial and temporal patterns of diffuse groundwater discharge and its impact on benthic and planktonic eutrophication.

Groundwater discharge along a 450 km free-flowing section of the German Elbe was identified using hydraulic head gradients. Discharge volumes were estimated via a multi-method approach: flux balance, inverse geochemical and tritium modelling, and Darcy calculations [1]. Discharge varied widely, with effluent conditions mostly from early summer to autumn and inverse gradients in spring and winter. The highest discharge likelihood was found in upland areas, decreasing downstream. Notably, cropland drainage channels in the lowlands contributed significantly, while groundwater added around 40 m³/s during low flow. To place these fluxes in a temporal context, a lumped parameter model was applied. Tracers (³H/³He, SF₆, CFCs, and ¹⁴C) indicated groundwater ages of 0–41 years [2]. This young system is partly denitrified and shows minor mixing with older water. It suggests that nutrient concentrations will decline in the future, as the fertiliser peak from the GDR era has passed.

Groundwater-Affected Eutrophication

Nutrients from groundwater can stimulate benthic algae directly, and, once in the water column enhance planktonic algae, particularly under phosphorus (P) limitation. This study tested groundwater effects on benthic algae via field experiments and modelled its impact on planktonic algae in the lower Elbe. Ecological effects were analysed using local (biofilm) and regional (phytoplankton) parameters - key indicators of eutrophication [3]. Biofilms were recorded seasonally on artificial substrates across river stretches influenced differently by groundwater. P limitation effects on plankton under low flow were assessed using stoichiometric modelling based on in-river algae and nutrient data.

Findings show that biofilms are mainly shaped by seasonality, aquifer type, and groundwater flux. Groundwater impact is highest in autumn in loose rock aquifers and in summer across all types. Major influencing factors include temperature, conductivity, turbidity, and nutrient levels. Regarding phytoplankton, groundwater-borne P contributes 1.5 t/day during low flow across the 450 km stretch. This translates to 46 t/day of additional particulate organic carbon under nutrient-limited conditions, significantly increasing eutrophication potential.

Literature:

[1] Zill, Julia, et al. "A way to determine groundwater contributions to large river systems: The Elbe River during drought conditions." Journal of Hydrology: Regional Studies 50 (2023): 101595.

[2] Zill, Julia, et al. "Will groundwater-borne nutrients affect river eutrophication in the future? A multi-tracer study along the Elbe River." EGUsphere (2025): 1-23. Under review

[3] Zill, Julia, et al. "Contribution of groundwater-borne nutrients to eutrophication potential and the share of benthic algae in a large lowland river." Science of The Total Environment 951 (2024): 175617.

Die nordwestdeutsche Küstenregion ist geprägt durch die Grünlandwirtschaft. Ermöglicht wird diese durch eine intensive Entwässerung der verbreiteten Marsch- und Moorböden sowie in Teilen der Böden der Geest. Das Entwässerungssystem besteht im Wesentlichen aus einem engmaschigen und weiterverzweigten Netz aus Gräben und bildet damit einen riesigen Oberflächengewässerkörper. Neben Gräben werden Marschböden häufig zusätzlich über oberirdische Grüppen und Moorböden über unterirdische Drainagerohre entwässert. In den Böden der Geest finden sich ebenfalls immer wieder Drainagerohre oder sogenannte Bedarfsgrüppen, die anders als die Grüppen in der Marsch, nur temporär Wasser in die angrenzenden Gräben ableiten. Sowohl die Bedarfsgrüppen als auch die Grüppen und Drainagerohre bilden Austragspfade für Nährstoffe wie Stickstoff (N) in die angrenzenden Gräben. Vor allem grünlandbewirtschaftete Flächen entwässernd, bildet das Grabensystem die erste Schnittstelle zwischen Landwirtschaft und Oberflächengewässer.

Vor dem Hintergrund fortlaufender Überschreitung von Zielwerten für N in Flüssen, die in die Nordsee münden, gilt es weiterhin die N-Einträge zu reduzieren. Um dieses Ziel in der nordwestdeutschen Küstenregion zu erreichen, ist es notwendig die N-Einträge in die Entwässerungsgräben zu minimieren. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieser Studie im Einzugsgebiet der Jade untersucht, welche Faktoren auf die N-Austragskonzentrationen aus Grünlandflächen Einfluss nehmen und wie sich diese auf die Konzentrationen in den Gräben auswirken. An insgesamt 49 Untersuchungsstandorten, die sich auf die unterschiedlichen Landschaftsräume der nordwestdeutschen Küstenregion (Geest, Moor, Marsch) verteilen, wurden dazu Ammonium- und Nitratkonzentrationen in den Wässern von Bedarfsgrüppen, Grüppen, Drainagen und Gräben analysiert.

Die Ergebnisse zeigen insgesamt eine Standortabhängigkeit der Austragskonzentrationen. So nimmt der Gehalt an organischer Substanz der Böden aber auch die Bewirtschaftungsweise Einfluss auf die Ammonium- und Nitratkonzentrationen in den Wässern der Bedarfsgrüppen-, Grüppen-, Drainage und Grabenwässer. Darüber hinaus nehmen auch grabeninterne Prozesse Einfluss auf die gelösten N-Konzentrationen in den Grabenwässern.

Methan (CH₄) ist nach CO₂ das zweitwichtigste Treibhausgas, das eine erhebliche globale Erwärmung verursacht. Obwohl Binnengewässer nur etwa 4 % der terrestrischen Oberfläche bedecken, tragen sie mindestens 25 % zu den landbasierten Treibhausgasemissionen bei. Flüsse stellen dabei aufgrund ihrer hohen räumlich-zeitlichen Heterogenität eine hohe Unsicherheitsquelle im globalen Methanbudget dar. Ein vertieftes Verständnis des Methankreislaufs in Flüssen ist daher entscheidend für die Entwicklung von Strategien zur Abschwächung ihrer Auswirkungen auf die globale Erderwärmung.

Die hyporheische Zone (HZ), der Übergangsbereich zwischen Grund- und Oberflächenwasser, ist ein Hotspot mikrobieller Aktivität. Dort wird unter anoxischen Bedingungen organische Substanz mikrobiell zu CH₄ umgesetzt. Während des konvektiv-diffusiven gesteuerten Transportes von CH₄ durch die HZ kann das gelöste Gas dabei aerob mit Sauerstoff oder anaerob mit Nitrat, Nitrit, Eisen und Sulfat zu CO₂ oxidiert werden. Einige Studien zeigten dabei, dass zahlreiche Parameter wie die Temperatur (T), die mikrobielle Gemeinschaft, das Redoxpotential (E_h) oder die Verfügbarkeit von Elektronenakzeptoren den Methankreislauf in der HZ bestimmen.

In unserer Feldstudie haben wir an zwei morphologisch unterschiedlichen Standorten eines Fließgewässers tiefenaufgelöste Probenehmer (Peeper) installiert, um die geochemischen Gradienten zu erfassen. In den kiesdominierten Sedimenten wurde auf Grund des dominierenden konvektiven Transportes O₂, NO₃⁻ und SO₄²⁻ bis in tiefere Zonen der HZ nachgewiesen und keine Methanbildung beobachtet. Im Gegensatz dazu konnte in feinkörnigeren Sedimenten die Bildung von CH₄ nachgewiesen werden und durch δ¹³C-CH₄ Messungen, der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft und die Modellierung eine Methanoxidation vermutlich auch mit Nitrat gezeigt werden.

Wir schlagen auf Grund unserer Ergebnisse vor, dass der Einfluss der Sedimentstruktur ausschlaggebend für die Ausprägung des geochemischen Gradienten, der biogeochemischen Prozesse und die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften im Sediment ist und Proxys wie T und E_h nur indirekt die Prozesse in der HZ kontrollieren.

Die Trinkwasserversorgung der Stadt Görlitz basiert ausschließlich auf der Nutzung von Grundwasser. Das natürliche Dargebot wird dabei durch MAR-Maßnahmen erhöht. Die zunehmende Häufigkeit von Dürren und Hochwasserereignissen wirkt sich jedoch negativ auf die Quantität und Qualität der verfügbaren Grundwasserressourcen aus und birgt Risiken für die lokale Trinkwasserversorgung. Dies erfordert Strategien und Anpassungsmaßnahmen, um die Resilienz der zukünftigen Trinkwasserversorgung zu stärken. Die vorliegende Studie fokussiert sich auf die Charakterisierung der räumlich und zeitlich variierenden Interaktion zwischen Oberflächengewässern und dem oberen Grundwasserleiter am MAR-Standort Görlitz mittels Umweltracer-Monitorings in unterschiedlichen hydrologischen Systemzuständen. Die räumlich und zeitlich aufgelösten Monitoringdaten demonstrieren das dynamische Zusammenspiel der verschiedenen Strömungskomponenten: der landseitigen Grundwasserzustrom, das Uferfiltrat aus der Lausitzer Neiße und die Versickerung durch die künstlich angelegten Infiltrationsteiche. Eine weitere Besonderheit dieses Standorts ist, dass die Fassungszone unmittelbar an der Lausitzer Neiße liegt und bei Hochwasser regelmäßig großflächig überflutet wird. Einzelne Hochwasserereignisse zeigen deutliche Signale in den kontinuierlich überwachten Grundwassermessstellen und Fassungsanlagen. Dies belegt den direkten Einfluss des versickerten Hochwassers durch die partiell durchlässige Deckschicht des Grundwasserleiters. Im Rahmen des laufenden Forschungsprojekts CRossWATER, das durch das EU-Interreg-Förderprogramm finanziert wird, werden auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse weiterführende Detailuntersuchungen konzipiert und das lokale Monitoring-Netzwerk optimiert, um den Einfluss des Oberflächengewässers auf das Grundwasser hinsichtlich Quantität und Qualität besser überwachen und verstehen zu können.

Managed Aquifer Recharge (MAR) has been widely used in various contexts throughout the world to overcome temporal scarcity in water supply for drinking, irrigation, or livestock. In scientific context, different methods prove successful to assess appropriate locations for MAR within a catchment, e.g. multi-criteria decision analysis, regional water budget analysis, numerical simulation or decision tree application. However, MAR is also considered a valuable method to support WASH-services (WAter, Sanitation & Hygienics) humanitarian context to overcome water shortages, despite the additional challenges due to data scarcity, planning uncertainties and time constraints.

Within the project presented here, a stepwise guideline is presented for humanitarian decision makers and local experts, assessing the potential and feasibility of MAR in their context. The stepwise procedure includes recommendations for three stages: initial evaluation, feasibility assessment and concept design. Furthermore, the reader is guided through various options for data gathering and interpretation, aiming at an appropriate MAR suitability and feasibility evaluation with the available data.

The procedure is demonstrated on a case study in Dollow, Somalia. The town plays a crucial role as a regional hub for the humanitarian support with more than 50,000 inhabitants and almost 140,000 internally displaced people (IDPs). The water supply relies strongly on the transboundary alluvial aquifer, shared by Somalia, Ethiopia and Kenya, which interacts strongly with the Dawa river. Water, sanitation and hygienics-services (WASH) are provided by different humanitarian actors.

Even though the aquifer offers sufficient yield for the moment, concerns are growing with regard to longer periods of dryness and the long-term impact of increased water abstraction. MAR is generally considered an appropriate countermeasure, but impact and feasibility need to be assessed beforehand. Following the aforementioned guideline, a monitoring and exploration campaign is developed, including site exploration with straightforward geophysics (i.e., transient electromagnetics), water level monitoring and local questionnaire surveys. The obtained data are interpreted with a simple numerical model of the subcatchment.

The study highlights the potential of MAR for humanitarian context as well as the importance of appropriate evaluation beforehand, including demand quantification, socio-economic analysis and hydro(geo)logical process modeling under challenging conditions to identify the main drivers for a successful MAR implementation.

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.

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.

In der modernen Wasserwirtschaft stellt die Digitalisierung einen entscheidenden Faktor dar, um das komplexe System Grundwasser besser zu verstehen und aktuellen Herausforderungen wie dem Klimawandel und gestiegene Erwartungen an Transparenz zu begegnen. Mit einer zunehmenden Datenmenge aus Sensoren wird es zusätzlich unerlässlich, diese Daten effizient und intelligent zu nutzen.

Was braucht man, um Daten automatisiert zu verarbeiten und Erkenntnisse aus diesen zu gewinnen? Mensch und Technologie! Die Abteilung Wasserwirtschaftliche Information des Oldenburgisch-Ostfriesischen Wasserverbands (OOWV) hat dies erkannt und einen kontinuierlichen Transformationsprozess eingeleitet.

Die Einführung neuer Rollen wie Data Manager, Data Engineer, Data Scientist und Solution Architect ist essentiell. Diese Experten bilden das Fundament des datenorientierten Teams, das für die kurzfristige Beschaffung, Pflege und Bereitstellung von Daten genauso verantwortlich ist wie für den Aufbau von langfristigen Datenpipelines, die Entwicklung von Informationssystemen und die Analyse von Daten. Weiterbildungen im Bereich Datenpipelines, Machine Learning und weiteren Themen sind ebenfalls wichtiger Bestandteil des Veränderungsprozesses und garantieren, dass das Team auf dem neuesten Stand bleibt.

In einer Kooperation zwischen dem OOWV und der smart data worx GmbH entwickeln wir darüber hinaus anhand eines konkreten Use-Cases eine innovative, cloud-fähige Data-Science-und-Engineering-Plattform. Um KRITIS-Sicherheitsstandards zu erfüllen sowie die Integration in bestehende heterogene IT-Landschaften zu ermöglichen, wird eine spezialisierte Plattform für die Wasserwirtschaft benötigt. Kubernetes bildet die Basis für eine resiliente Infrastruktur, während containerisierte Entwicklungsumgebungen flexibles Arbeiten ermöglichen. Datenpipelines werden transparent und effizient z.B. durch Apache Airflow und DuckDB gestaltet. KI-Modelle werden nachvollziehbar mittels MLflow und BentoML betrieben, und die Integration von Large Language Models (LLMs) erlaubt eine sichere Anwendung von Chatbots.

Die Digitalisierung in der Wasserwirtschaft erfordert eine umfassende Transformation, die sowohl menschliche als auch technologische Elemente einbezieht. Der kontinuierliche Wandel hin zu datenorientierten Ansätzen und die Integration moderner Technologien bieten wertvolle Chancen, um das Verständnis und Management von Grundwassersystemen nachhaltig zu verbessern. Dieser Ansatz leistet nicht nur einen Beitrag zur Optimierung bestehender Systeme, sondern ermöglicht auch die Anpassung an zukünftige Anforderungen und Herausforderungen.

Die Bereitstellung von Daten ist häufig ein Spagat zwischen Geschwindigkeit und Datenqualität. Die Grundwasserstandsdaten des landesweiten Messnetzes des Landes Berlin werden im Wasserportal (https://wasserportal.berlin.de/start.php) mit einem Tag Zeitversatz als (quasi ungeprüfte) Rohdaten veröffentlicht. Das bisherige Plausibilisierungsverfahren beanspruchte durch die manuelle Prüfung viel Arbeitszeit, so dass geprüfte Grundwasserstandsdaten erst zu einem späteren Zeitpunkt zur Verfügung standen. Wünschenswert wäre jedoch eine weitgehend automatisierte Plausibilisierung als Qualitätskontrolle, die bereits in den Datenflow integriert ist, die Prüfroutine beschleunigt und die Datenqualität verbessert wird.

Es wurde daher ein Werkzeug entwickelt, das auf Grundlage unterschiedlicher Methoden und unter Einbeziehung verschiedener externer Datensätze die Plausibilisierung von Rohdaten weitgehend automatisiert. Neben der Beschleunigung lag der Hauptfokus auf der Entwicklung eines methodisch umfangreichen Prüfverfahrens, das eine hohe Aussagekraft sicher gewährleistet. Dazu wurde eine multifaktorielle Entscheidungsmatrix erstellt, die neben der absoluten Änderung der Messwerte, Daten benachbarter Messstellen, Niederschlagsdaten und statistischer Berechnungen auch hydrogeologische Zusammenhänge berücksichtigt. Ebenso wurden bei der Methodenentwicklung Heterogenitäten der hydraulischen Verhältnisse und die räumliche wie zeitliche anthropogene Beeinflussung der Grundwasserstände einbezogen.

Das Werkzeug wurde als Python-package umgesetzt und in die Grundwasserplattform ENOLA integriert. Die Plattform wurde in das zentrale Datenprocessing des Landesmessnetzes eingebunden. Ein interaktives Interface in Form einer kartenbasierten Webapp ermöglicht die übersichtliche Darstellung der Ergebnisse sowie die manuelle Nachkontrolle und ggf. Korrektur von Messwerten und Ergebnissen. Die App wird auf einem hausinternen Server betrieben und kann von berechtigten NutzerInnen im Intranet über einen Browser genutzt werden. Über eine API-Schnittstelle werden die plausiblen Messwerte zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt.

Durch die Integration des Plausibilisierungstools in das Messnetz der Landesgeologie Berlin werden eingehende Daten weitgehend automatisiert geprüft. Zukünftig können (automatisiert) plausibel geprüfte Daten direkt im Wasserportal veröffentlicht werden, wodurch die Datenqualität der bereitgestellten Daten verbessert wird.

Grundwassermodelle sind in Infrastrukturprojekten mit Grundwasserinteraktion unverzichtbare Werkzeuge für Planung, Bau und Betrieb. Sie liefern Prognosen, Risikoabschätzungen und Entscheidungsgrundlagen. Leitlinien wie die DVGW W107 oder die Australian Groundwater Modelling Guidelines beschreiben einen überwiegend linearen Modellierungsprozess: Konzeptualisierung, Datenerhebung, Kalibrierung und Validierung erfolgen sequenziell. Für solche linearen Abläufe bieten die verwendeten Software-Werkzeuge optimale Unterstützung. Demgegenüber unterliegen Modelle als digitale Zwillinge eines Bauprojekts oder eines Anlagenbetriebs durch Planungsänderungen und im Zeitverlauf zunehmende Erkenntnisse über das reale System durch Messungen oder Erkundungsprogramme einem ständigen Anpassungsdruck. Die Anforderungen und Risiken im Ablauf der Grundwassermodellierung weisen dabei zahlreiche Parallelen zu Prozessen im Release-Management in der Softwareentwicklung auf.

Anhand des Beispiels der Grundwasserströmungsmodellierung für Planung und Bau der 2. S-Bahn-Stammstrecke in München werden diese Parallelen evident. In diesem Projekt begleitet die Modellierung alle Planungs- und Bauphasen und umfasst dabei in unterschiedlichsten Detailgraden unter anderem Grundwasseraufstauberechnungen, Auslegung von Grundwasserüberleitung, Wasserhaltung und Versickerungsanlagen, Untersuchung geothermischer Nutzung und Planung von Monitoringkonzepten. Bauseits kommen unterschiedlichste Techniken zum Einsatz, die in der Modellierung adäquat reflektiert werden müssen: Horizontal- und Vertikalfilterbrunnen, Entwässerungslanzen, offene und Deckelbauweise mit Bohrpfahl-, Schlitz-, Schmal- und Spundwänden, Tunnelvortriebsmaschinen, bergmännischer Vortrieb mit und ohne Druckluftbeaufschlagung, Bodenvergütung, Injektionen, etc.

Anhand des Projektbeispiels wird deutlich, wie es durch pragmatische Adaption des Modellierungsprozesses unter Übernahme von Methoden aus der Softwareentwicklung sowie sinnvolle Ergänzung der eingesetzten Standard-Werkzeuge gelingen kann, trotz der hohen Dynamik Auftraggebern, Planenden und Ausführenden gegenüber jederzeit kurzfristig fachlich aussagefähig zu sein – aber auch, wo noch methodische Defizite und Potenzial zur Weiterentwicklung bestehen.

Understanding and representing subsurface heterogeneity is highly relevant yet remains a significant challenge in developing reliable groundwater flow models. In this work, a novel stochastic subsurface modelling approach, tailored to unconsolidated sediments, which are characterized by high complexity and heterogeneity in terms of its geological structure and hydraulic properties, based on ArchPy framework for hierarchical 3D geological modelling, is proposed and tested for the drinking water supply area of the city of Görlitz, in framework of the project CRossWATER, which is funded by the EU-Interreg-Poland-Saxony-Programme. A large borehole dataset served as the basis for developing a geologically informed underground model. After pre-processing and reinterpreting this dataset, an ensemble of stochastic realizations is generated to represent different possible configurations of geological units, lithofacies distributions, and associated hydraulic property fields by applying the ArchPy framework. These ensembles collectively account for both structural and parametric uncertainty in the modelled domain. Subsequent analyses explored probability-based and information-theoretic measures, such as entropy metrics, to assess spatial uncertainty and evaluate the degree of confidence in subsurface representations. Ultimately, this work aims to enhance understanding of spatial hydrogeological uncertainty arising from sedimentary processes, heterogeneity, and anisotropy, and to evaluate how these factors influence not only geological interpretations but also subsequent analyses of groundwater flow and transport processes. The approach and workflow presented here primarily serves as a foundation for the future exploration and reduction of uncertainty in hydrogeological modelling for the groundwater resource management in Görlitz, which can easily be transferred to other study areas with similar characteristics and data availability.

In diesem Vortrag soll eine Softwarelösung – MIKE Mine – als Beispiel für die Umsetzung digitaler Workflows in der Grundwasserwirtschaft vorgestellt werden. Die Softwarelösung ist eine cloudbasierte Web-Plattform.

Manuelle und automatisierte Datenerfassung

Mit der Softwarelösung wird eine manuelle als auch automatisierte Erfassung von grundwasserrelevanten Daten ermöglicht. D.h. dem User soll ermöglicht werden Daten manuell in das System zu laden. Dies könnten beispielsweise Stichtagsmessungsdaten sein. Zum anderen soll über Schnittstellen wie API oder ftp-Verbindungen eine automatisierte Datenerfassung ermöglicht werden. Z.B. können über die Schnittstellen aktuelle Regendaten, Datenlogger oder Daten von betrieblichen Infrastrukturen automatisiert eingeladen werden.

Modelle und Modellergebnisse

Ein wichtiger Baustein für die Grundwasserwirtschaft sind mittlerweile Grundwassermodelle. Darum können mit der Softwarelösung MIKE Mine auch Grundwassermodelle (FEFLOW und MODFLOW USG) in das System geladen werden. Die Modelle können, limitiert auf bestimmte Funktionen, über die Web-Plattform bedient werden. Die Ergebnisse der Simulationen werden im System hinterlegt und werden somit für den User über die Web-Plattform zugänglich gemacht. Auch wiederkehrende automatisierte Modellläufe sind mit dem System möglich.

Eine gemeinsame Datenbank für Messungen und Modelle

Wie oben beschrieben, werden sowohl Messdaten als auch Modelldaten im System gespeichert. D.h. die Daten liegen in einer gemeinsamen Datenbank auf der Cloud. Dadurch kann das Modell jederzeit mit den aktuellen Messdaten verglichen werden und dessen Prognosefähigkeit ständig überprüft werden.

Transparenz

Die Web-Plattform verfügt über ein User Management. Verschiedene Personen können auf die Plattform zugreifen. Es können auch weitere Stakeholder oder Behörden eingeladen werden. Dadurch kann die Transparenz erhöht werden, da die Daten sowie Modellergebnisse immer für alle verfügbar ist. Vor allem die Modellergebnisse werden oft nur in Berichten dargestellt. In diesem System sollen auch die gesamten Modellergebnisse transparent offengelegt werden. Verschiedene Funktionalitäten, wie Dashboards, Zeitreihenanalysen oder Kartenansichten, ermöglichen eine einfache Interaktion mit den vorhandenen Daten. Auch kann so ein Grundwassermonitoring vorgenommen werden.

Interaktion mit Grundwassermodellen

Oftmals sind Grundwassermodelle nur von Experten verwendbar. Mit der hier vorgestellten Softwarelösung wird ermöglicht einfache Modellszenarien in FEFLOW und MODFLOW USG über die Web-Plattform zu erstellen und rechnen zu lassen. Dadurch wird auch nicht-Experten ermöglicht, die oftmals teuren Modelle zu nutzen. Ein Praxisbeispiel ist das Testen von Brunnenstandorten von neuen Wasserrechtsanträgen.

Surrogatmodelle bzw. datenbasiertes Machine Learning

Datenstrukturen sind die Voraussetzung für Surrogatmodelle und datenbasiertes Machine Learning. Mit der Softwarelösung sind sowohl Messdaten als auch Modelldaten in einer gemeinsamen Datenbankstruktur auf der Cloud. Alle Modellszenarien und deren Ergebnisse sind somit in einer brauchbaren Struktur, um damit Surrogatmodell aufzusetzten. Über verschiedene Skripte (z.B. Python) können die Daten für die Surrogatmodellerstellung verwendet werden. Gleichzeitig kann über die Datenbankstruktur auch datenbasiertes Machine Learning oder Zeitreihen-Forecasting durchgeführt werden.

River systems form key interfaces between terrestrial landscapes and the atmosphere, where weathering-derived and groundwater-transported carbon is transformed, retained, or released as CO₂. To investigate these dynamics in a transboundary river system, we conducted five spatially and seasonally resolved sampling campaigns in 2023 and 2024 along the Danube River, Europe´s second-longest river. We quantified the dominant dissolved inorganic carbon fraction (DIC; >90 % of total carbon), its stable isotope composition (δ13C_DIC), and calculated aqueous CO₂partial pressure (pCO_2(aq)) along the Danube´s main stem and selected major tributaries.

The upper Danube near its two springs exhibited the highest DIC concentrations (up to 5.3 mmol L^-1), indicating strong contributions from groundwater discharge and carbonate weathering. Associated δ13C_DIC values became progressively enriched downstream (from -13.3 towards -8.7 ‰), consistent with preferential loss of ¹²CO₂ via outgassing. Correspondingly, pCO_2(aq) values were predominantly oversaturated relative atmospheric CO₂ (>421 µatm), reaching a maximum of 3770 µatm, demonstrating persistent outgassing across seasons. Temporary near-equilibrium conditions occurred only at two downstream locations during summer, likely linked to enhanced photosynthesis and reduced turbulence. Overall, the Danube functions as a groundwater-influenced, year-round net source of CO₂, with limited seasonal buffering capacity. Downstream evolution of the carbon system is dominantly shaped by initial groundwater input, followed by continuous degassing. This novel high-resolution dataset provides a robust baseline for improving carbon budget estimates in Europe and other large river systems worldwide. It further supports future integrations of groundwater-river CO₂ interactions into continental-scale monitoring and modeling frameworks.

Granitic headwater streams are not only interfaces between groundwater and surface water but also represent poorly understood but highly reactive components of the terrestrial carbon cycle. Especially their low buffering capacity makes these environments particularly sensitive to short-term hydrological and biogeochemical fluctuations. This study examined how groundwater discharge and episodic high-flow events affect the hydrochemistry and CO₂ dynamics in a forested, high-gradient headwater stream (White Main, Fichtelgebirge Mountain, Bavaria). Over a sampling period of 15 months, baseflow conditions showed a downstream (spring to pond) decline in partial pressure (pCO₂), CO₂ fluxes (F_CO2), accompanied by increasing δ¹³C_DIC, reflecting rapid degassing from CO₂-rich groundwater. However, during episodic high-flow events, pCO₂ and F_CO2 rose sharply at downstream sites, coinciding with brown water coloration and distinct charge balance anomalies. These event signatures indicate an increased coupling between stream water and organic-rich soil layers. This leads to the mobilization of Fe-Al-bearing colloids, clay minerals, and natural organic matter (NOM), which temporarily modify proton balances, alkalinity, and carbonate equilibria. The resulting short-term CO₂ supersaturation demonstrates that hydrological pulses can bias apparent carbon fluxes in low-buffered headwaters. Recognizing this reactive soil-stream coupling is essential for correctly scaling CO₂ emissions from inland catchments.

Groundwater quality in Sri Lanka shows wide variations due to local and regional-scale geo-climatic changes. Here, we present groundwater hydrogeochemical and dissolved CO₂ variations in newly defined hydro-geo-climatic regions in Sri Lanka. Summary parameters with electrical conductivity (EC) and total hardness (TH) were used as primary indicators for 1318 groundwater samples from shallow aquifers spread over the country. Furthermore, we calculated dissolved CO₂ in groundwater (n = 667) with temperature, pH and alkalinity. Our analysis indicates that groundwater in the dry zone showed higher median EC and TH (740 µScm^-1 and 199 mg L^-1) values than in the intermediate (400 µScm^-1 and 120 mg L^-1) and wet zones (146 µScm^-1 and 53 mg L^-1). Groundwater in the northern sedimentary terrain showed extreme EC of up to 34000 µScm^-1 and TH of up to 3819 mg L^-1 with medians of 1006 µScm^-1 and 261 mg L^-1, respectively. Because of the low weathering rate of the basement minerals in the central part of Sri Lanka (Highland complex), groundwater showed the lowest EC and TH values compared to the other regions. Groundwater CO₂ values were varied from 0.01 to 4.82 mmol L^-1 and the wet zone-Wanni complex showed a higher median (1.06 mmol L^-1), while the dry zone-Vijayan complex showed a lower median (0.08 mmol L^-1). Future increased monitoring would also benefit groundwater management issues in relation to climate change and population growth in the country.

Mineral Trapping zur Speicherung von CO2 in tiefen geologischen Reservoiren (Carbon Capture & Storage, CCS) ist die langfristig stabilste Variante der CO2-Speicherung, im Vergleich zur Lösung in Tiefenwässern (solubility trapping) und residualer Phase superkritischen CO2s (residual trapping). Dazu müssen die Gleichgewichtsbedingungen im Tiefenwasser hin zur Ausfällung von Karbonatmineralen verschoben werden. Numerische Modelle hierzu, wie MIN3P oder PHREEQC sind dabei gut geeignet, hydrochemische Gleichgewichte unter Reservoirbedinungen von bis zu 300°C und 1000 Atmosphären zu berechnen. Am Beispiel des stillgelegten Heletz-Ölfeldes in Israel, in einer Sandsteinformation, wurde das Potential der mineralischen Abscheidung von CO2 simuliert. Dabei sind die Sättigunsindizes (SI) der Minerale langfristig in der Sequenz Ankerit > Dolomit > Calcit > Magnesit stabil, jedoch das Mineral Dawsonit nur in frühen Stadien, wenn Na+ in hoher Konzentration vorhanden ist. Die Ungewissheit der Modellvorhersagen wurde durch Hauptkomponentenanalyse und Sensitivitäts-Koeffizienten bestimmt. Eine große Variabilität im Auftreten von Dolomiten lässt sich durch Salinitätsunterschiede und die inhärenten Ungenauigkeiten der Berechnung der Aktivitätskoeffizienten zwischen den verwendeten hydrochemischen Datenbanken erklären.

Geological CO₂ sequestration in shallow and deep aquifers is governed by coupled thermo-hydro-mechanical-chemical (THMC) processes that control injectivity, plume migration, and the effectiveness of trapping and containment. This contribution summarizes recent advances in cyclic gas (CO₂) injection in low-permeability hydrocarbon reservoirs to extract transferable lessons for aquifer CO₂ storage. CO₂ injection/soaking experiments on intact and fractured mudrocks and siltstones under high-pressure (≈14 MPa) and high-temperature (≈70 °C) conditions were conducted across multiple cycles, paired with core-scale simulations. These experimental and modeling data documented fracture conductivity and compressibility hysteresis as well as phase-dependent (gas vs. liquid) fracture conductivity and relative permeability between multiple cycles.

Two findings were directly relevant to groundwater–CO₂ systems. First, matrix–fracture conductivity contrast was strongly phase-sensitive: gas-phase fracture conductivity was significantly, by up to an order of magnitude, larger than liquid-phase fracture conductivity, implying faster CO₂ pressure diffusion and preferential fracture migration during injection. Second, fracture compressibility and stress path induced dynamic aperture changes that manifested as fracture conductivity and compressibility hysteresis, possibly altering injectivity and the stability of residual CO₂ trapping through the injection/pressure-falloff sequence. Compositional data analysis across multiple cycles revealed pressure- and temperature-dependent hydrocarbon partitioning that analogously governs CO₂–brine–rock interactions in aquifers (e.g., dissolution and wettability shifts). Microscale imaging (scanning electron microscopy coupled with elemental analysis) indicated chemo-mechanical effects on wettability that, in turn, control flow pathways and effective relative permeability.

Translating these results to aquifer storage, a customized THMC modeling framework is proposed that (1) treats fracture transmissivity as stress- and phase-dependent and (2) includes hysteresis in fracture transmissivity and relative permeability for injection and pressure-falloff sequences. Insights from the core-scale CO₂ injection experiments and modeling suggest practical designs for pulse scheduling, pressure ramping, and fracture-sensitive monitoring, to optimize the injectivity–containment trade-off while enhancing residual, solubility, and (where relevant) mineral trapping.

By bridging cyclic CO₂ injection with groundwater storage physics, this contribution demonstrates how core-scale experimental and modeling data can calibrate predictive THMC models for CO₂ sequestration in aquifers, ultimately supporting safer, and more efficient carbon storage strategies.

References

Ghanizadeh et al. 2021. Experimental and computational evaluation of cyclic solvent injection in fractured tight hydrocarbon reservoirs. Nature Scientific Reports, 11 (1), 9497.

Ghanizadeh et al. 2023. Evaluation of Produced Hydrocarbons Composition During Cyclic CO₂ Injection (Huff-N-Puff) in Artificially-Fractured Shale Core Sample. SPE Canadian Energy Technology Conference and Exhibition, Calgary, Alberta, Canada, March 2023. Paper Number: SPE-212720-MS.

Ghanizadeh et al. 2025. Natural Fracture Compressibility and Permeability Hysteresis: Liquid vs. Gas. SPE Canadian Energy Technology Conference and Exhibition, Calgary, Alberta, Canada, March 2025. Paper Number: SPE-223996-MS.

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.

Die extremen Trockenperioden und das Absterben der Fichtenwälder beeinflussen die Ökosysteme im Harz erheblich. Die Auswirkungen dieser Ereignisse auf die chemischen Eigenschaften des Harzer Wassers sind jedoch schwer abzuschätzen. Hydrochemische Untersuchungen an den Teichen des Oberharzer Wasserregals reichen bis ins Jahr 2015 zurück (Bozau et al. 2015, Schäfer et al. 2024) und zeigen, dass während der langen Trockenperioden der letzten Jahre in den meisten Teichen ein Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit zu beobachten ist. Beobachtungen an der Quelle Innerstesprung seit 2010 dokumentieren Austrocknungsereignisse in den Jahren 2016, 2018, 2020 und 2022 sowie eine Korrelation zwischen Trockenperioden bzw. Niederschlagsereignissen und der Mineralisation (Bozau et al. 2024).

Ein weiterer Aspekt der klimainduzierten Veränderungen betrifft die Schichtung der Wassersäule in den Oberharzer Teichen, von denen einige auch als Trinkwasserreservoir dienen. Seit 2018 kam es in der Region zu Problemen mit getrübtem Trinkwasser, die jedoch kürzlich durch eine angepasste Wasseraufbereitung behoben werden konnten (Schrader et al. 2023). Auch internationale Beobachtungen und Modellvorhersagen zeigen eine Tendenz zu persistenteren Schichtungsereignissen in Seen (Woolway et al. 2021). Seit 2023 werden die Wassersäulen ausgewählter Oberharzer Teiche (Kiefhölzer, Langer und Oberer Grumbacher Teich) mit unterschiedlichen morphologischen Eigenschaften (Tiefe, Fläche) und verschiedener wasserchemischer Zusammensetzung untersucht. Während der Sommermonate zeigte sich in allen drei Teichen eine deutliche Temperaturschichtung mit Oberflächentemperaturen über 20 °C und etwa 10 °C am Grund. Am Kiefhölzer und Langer Teich wurde dies von einer mit zunehmender Tiefe deutlichen Zunahme der Mineralisation, einem Abfall des pH-Wertes sowie der Ausbildung eines anoxischen Hypolimnions begleitet, was durch einen H₂S-Geruch etwa einen Meter über dem Sediment angezeigt wurde. Parallel dazu stiegen die Eisen- und Mangan-Gesamtkonzentrationen und die reduzierten Spezies (Fe²⁺ und Mn²⁺) in Richtung Gewässergrund an. Die starken Regenfälle im Jahr 2024 sowie die recht wechselhaften Temperatur- und Niederschlagsverhältnisse im Sommer 2025 führten im Vergleich zum Sommer 2023 zu einer schwächer ausgeprägten Schichtung der Teiche.

Bozau, E., Licha, T., Stärk, H.-J., Strauch, G., Voss, I., Wiegand, B. (2015): Hydrogeochemische Studien im Harzer Einzugsgebiet der Innerste. Clausthaler Geowiss. 10, 35-46.

Bozau, E., Schäfer, T., Licha, T. (2024): Spring water monitoring in the Upper Harz Mountains: Precipitation, runoff and specific electrical conductivity. Sci. Total Environ. 939, 173565. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.173565

Schäfer, T., Bozau, E., Hutwalker, A. (2024): Reservoir lakes in the Upper Harz Mountains (Germany): GIS Implementation and hydrochemical development. EGU General Assembly, Vienna, Austria, 14–19 Apr 2024, EGU24-5085. https://doi.org/10.5194/egusphere-egu24-5085

Schrader, D., Herberger, T., Kiechle, C. (2023): Oberflächenwasseraufbereitung im Harz – Fallstudie Clausthal-Zellerfeld. DVGW energie I wasser-praxis 74, 14-19.

Woolway, R.I., Sharma, S., Weyhenmeyer, G.A. et al. (2021): Phenological shifts in lake stratification under climate change. Nat. Commun. 12, 2318. https://doi.org/10.1038/s41467-021-22657-4

Die TrinkwEGV lässt für die Risikobewertung der Einzugsgebiete eine große Bandbreite an Bearbeitungsansätzen und -tiefen zu. Es gilt, daraus eine praktikable und bezahlbare Lösung mit Mehrwert für den Trinkwasserschutz zu finden. Wir stellen die GIS-basierte Umsetzung eines semi-quantitativen Ansatzes für Karst- und Kluftgrundwasserleiter vor.

Das Ergebnis besteht sowohl aus einem textlichen Teil in Gutachtenform als auch einem begleitenden Projekt in QGIS und ist sowohl an den Ansprüchen der prüfenden Behörde als auch an denen der Wasserversorger ausgerichtet.

Das Einzugsgebiet wird als hydrogeologisches System beschrieben und die Plausibilität und Kohärenz der vorhandenen Unterlagen zum Einzugsgebiet geprüft. Diese Analyse stellt die Basis für die Risikobewertung und die Entwicklung von Risikomanagementvorschlägen dar.

Innerhalb des semi-quantitativen Ansatzes der Risikobewertung müssen alle Gefährdungsträger im Einzugsgebiet ermittelt und kategorisiert werden. Diese werden hinsichtlich ihres Schadensausmaßes und der Eintrittswahrscheinlichkeit in je drei Kategorien eingeteilt (gering – mittel – hoch). Aus dieser Einstufung ergibt sich das Ausgangsrisiko. Um anschließend die von den konkreten Gefährdungsereignissen ausgehenden Risiken für das Rohwasser in der Trinkwasserfassung bestimmen zu können, wird die Schutzwirkung des Grundwasserleiters anhand von fünf Abstufungen bewertet (sehr gering – gering – mittel – hoch – sehr hoch). Die stärkere Differenzierung der Schutzwirkung im Vergleich zu Eintrittswahrscheinlichkeit und Schadensausmaß trägt den Möglichkeiten der hydrogeologischen Expertise Rechnung.

Anhand eines konkreten Beispiels wird gezeigt, wie die Ermittlung der Schutzwirkung in Karst- und Kluftgrundwasserleitern aufgrund hydrogeologischer Kriterien gelingen kann.

Die GIS-basierte Umsetzung einer semi-quantitativen Risikobewertung mit einem 3x3x5-Matrix wird als reproduzier- und übertragbare Lösung vorgestellt, die die Anforderungen der TrinkwEGV für den Erkenntnisgewinn im Sinne des Trinkwasserschutzes nutzt.

Hydrogeologische Strömungs- und Transportmodelle sind zentrale Werkzeuge für das Risikomanagement in Trinkwassereinzugsgebieten, insbesondere in Gebieten mit festgestellter Kontamination des Grundwassers. Doch wie belastbar sind sie, und inwiefern können sie als Grundlage für langfristige Entscheidungen durch Behörden, Betreiber und Planungsbüros dienen? Der Vortrag präsentiert einen systematischen Abgleich zwischen den Ergebnissen von 3-D-Grundwassermodellen im Einzugsgebiet eines Wasserwerks mit Konzentrationen und Frachten, welche durch das begleitende Monitoring in den Jahren nach der Grundwassermodellierung gemessen wurden.

Die statistische Auswertung von Grundwassermonitoring ermöglicht die Validierung oder Falsifizierung von Modellierungen. Die Kommunikation der daraus abgeleiteten Unsicherheiten gegenüber zuständigen Behörden bietet eine robuste Grundlage zur Einschätzung von Risiken. Wenn Grundwassermodelle als wesentliche Grundlage für Entscheidungen über den Betrieb von Wasserwerksbrunnen und Grundwasserreinigungsanlagen dienen, sollten regelmäßige Revisionen dieser Modelle mit Anpassung an gemessene Stoffkonzentrationen stattfinden, insbesondere wenn die nachfolgend gemessenen Konzentrationen nicht den prognostizierten Werten entsprechen.

Gemessene Kontaminationsdaten können Grundwassermodelle nicht nur bestätigen, sondern auch die Grundlage deren Weiterentwicklung bilden. Ein datengestützter Reality-Check verbessert Modellprognosen und schafft belastbare Entscheidungsgrundlagen für Schutz- und Sanierungsstrategien in Trinkwassereinzugsgebieten – ein gesamtgesellschaftliches Anliegen, welches insbesondere in belasteten Grundwasserleitern hohe Relevanz besitzt.

Eine besondere hydrogeologische Situation ist in einem 25 km nördlich von Leipzig liegendem Gebiet in der Region in und um Bad Düben zu beobachten. Dort treten auf einem Gebiet von ca. 20 km² gespannte Grundwässer auf. Diese Grundwässer habe ein so hohes hydraulisches Potential, dass sie über Tage treten, also artesisch sind. Historisch waren Steighöhen bis 12m!! zu verzeichnen.

Im Rahmen einer wissenschaftlichen Arbeit werden an der TU Bergakademie Freiberg diese gespannten und zum Teil artesischen Grundwässer in einem ca. 300 km² großen Untersuchungsgebiet untersucht.

Das artesische Druckpotential wurde erst 1898 im Rahmen von Braunkohlenerkundungsbohrungen zufällig entdeckt, kam 1974 durch nahenden Bergbau, Schaffung einer Trinkwasseranlage und Niederschlagsarmut zum erliegen und entwickelte sich allmählich wieder ab 1990/91 mit der Stilllegung der in der Nähe befindlichen Braunkohlengruben und Rückgang des Wasserverbrauchs.

Der stratigraphische Ursprung der Arteser liegt im tertiären GWL 4/5. Auf Grund intensivster Braunkohlenerkundung zu Zeiten der DDR ist im Untersuchungsgebiet ein sehr reichlicher Datenfundus vorhanden. In einer 13jährigen monatlichen Messreihe wurden im Untersuchungsgebiet an Messstellen des GWL 4/5 die Grundwasserstände gemessen und aktuelle Hydroisohypsenpläne erstellt. Diese stehen im Vergleich mit einer 10jährigen Niederschlagsmessreihe (Isohyetenplan). Interessante Ergebnisse sind bei Niederschlagsereignissen zu beobachten, welche vermutlich im Zusammenhang mit einer in unmittelbarer Nähe befindlichen, bis in den GWL 4/5 reichenden glazigenen Rinne stehen. Das Einzugsgebiet der Wässer für den GWL 4/5 ist hauptsächlich aus nordöstl. und südl. Gebieten anzunehmen.

An den im Untersuchungsgebiet fließenden Oberflächenwässern wurden im Sommer/Herbst 2025 Duchflußmessungen durchgeführt, welche durch weitere Messungen im Frühjahr 2026 erweitert werden sollen.

Das Untersuchungsgebiet abdeckend, wurden an allen GWL über dem Rupelton (als untere hydraulische Basissperre des GWL 4/5) chemische Analysen durchgeführt. Hierbei wurde eine gewisse Kontinuität im GWL 4/5 festgestellt, welche aber durch punktuell stark abweichende Werte aus der Dübener Rinne unterbrochen wird.

Das durch eine ¹⁴C-Zerfallsrechnung berechnete Wasseralter für einen homogenen Grundwasserleiter liegt für eine Messstelle (freilaufender Brunnen) in Bad Düben bei 270 Jahren und deckt sich mit einer Messung aus einer 4 km südwestl. befindlichen Wasserfassung Prellheide.

An einem sehr frühen Zeitpunkt der Forschungen im Untersuchungsgebiet wurde auf Grund älterer Literatur davon ausgegangen, dass die im Norden von Bad Düben befindlichen Aufstauchungszonen bei Bad Schmiedeberg ursächlich verantwortlich sein sollten für die artesischen Verhältnisse bei Bad Düben. Diese Aussage kann so nicht mehr bestätigt werden. In Anlehnung an dem älteren Wissen wurde bei näherer Untersuchung der Aufstauchungszone festgestellt, dass bis zur Erdoberfläche aufgestauchte Tonschichten in engem Zusammenhang mit dem Auftreten ausgedehnter Farngürteln in diesen Bereichen stehen. Eine durchgeführte Farn-Kartierung der gesamten Schmiedeberger Aufstauchungszone und angrenzender Gebiete spiegelt den geologischen Untergrund mit seinen aufgepressten (Ton-) Schichten sehr gut wider.

Parallel zu den geowiss. Untersuchungen wurden touristische Untersuchungen mit dem Inst. f. nachhaltigen Tourismus in Wernigerode (Prof. Zeiss) auf einen evtl. Namenszusatz „Arteserstadt“ durchgeführt.

Robust numerical groundwater models are useful tools for predicting aquifer behavior under increasing water stress and usage conflicts. In this work, we present the technical development of current numerical groundwater flow modelling for the aquifer used for the drinking water supply for the city of Görlitz in in framework of the project CRossWATER, which is funded by the EU-Interreg-Poland-Saxony-Programme, highlighting its evolution from a basic steady-state setup to an advanced transient simulation framework using MODFLOW 6. Initial modelling began with a steady-state MODFLOW-NWT model based on limited geological detail and conventional boundary conditions. The model was later converted to a transient configuration, with monthly stress periods and daily time steps. Model calibration and residual analysis revealed shortcomings in geological representation and boundary condition realism. In response, the model was comprehensively updated. A 3D subsurface model based on a large set of borehole logs (developed via ArchPy and stochastic variogram-based simulations) provided a refined hydrostratigraphic framework. The domain was expanded using long-term average groundwater contours and regional geological maps, and information. The boundary conditions were upgraded to enable more flexible inflow estimation and a more realistic representation of surface water bodies interacting with the studied aquifer. The updated model was migrated to MODFLOW 6, using an unstructured vertex grid. A high-resolution mesh was used in the core domain and along key boundaries, while a coarser mesh was applied to the outer zones. This enabled detailed simulations to be performed at a reduced computational cost. Preliminary results show improved spatial groundwater level distribution and enhanced responsiveness to transient conditions. The general development of this model has provided an opportunity to make key methodological advances and gain early insights into groundwater flow dynamics. Future steps will focus on in-depth model evaluation and model application in water resource planning under climate stress. The numerical groundwater flow model introduced here will serve as a foundation to support robust decision-making for groundwater resource management for the city of Görlitz.

Im Rahmen eines gemeinsamen Projekts der Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg (LUBW), des Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau (LGRB) und der Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner GmbH (kup) wird auf Basis eines über die Landesgrenze hinaus abgestimmten Hydrogeologischen Modells ein numerisches Grundwassermodellsystem für Baden-Württemberg erstellt. Es besteht aus einem nördlichen und südlichen Modell. Für das Quartär des Oberrheingrabens existieren zwei länderübergreifende Grundwassermodelle (Elsass / Rheinland-Pfalz & Hessen), an welche angebunden wird.

Aufgrund der komplexen (hydro-)geologischen Verhältnisse wird die landesweite Grundwassermodellierung getrennt in zwei überregionalen Modellen umgesetzt. Das Modell für den Teil Süd umfasst den Oberjura-Aquifer sowie die tertiären und quartären Sedimente im Molassebecken (Alpenvorland), während das Modell Teil Nord die Formationen der Trias und des Mittleren und Unteren Jura, die quartären Talfüllungen sowie das Kristallin abbildet.

Die Grundwassermodelle liefern eine konsistente Vorstellung zur Grundwasseroberfläche im oberen Hauptgrundwasserleiter, eine Interpretation der Druckhöhen in weiteren hydrogeologischen Einheiten, eine geschlossene Grundwasserbilanz für das gesamte Land und die maßgeblichen hydrogeologischen Einheiten, Teilbilanzen für Naturräume, Vorfluter oder Grundwasservorkommen und Randbedingungen für lokale detaillierte Betrachtungen. Die beiden numerischen Grundwassermodelle (Nord/Süd) dienen als Planungsinstrument für wasserwirtschaftliche Fragestellungen, mit deren Hilfe sich großskalige Betrachtungen für wasserwirtschaftliche Entscheidungen und Bewirtschaftungen unterstützen lassen. Beispiele hierfür sind:

- Auswirkungen von Klimaänderungsprojektionen auf die Grundwasserverhältnisse

- Generelle Veränderung von Grundwassernutzungen

- Grundlagenermittlung für das Reporting der Wasserrahmenrichtlinie

Die Modellierung ist zunächst auf Strömungsprozesse ausgerichtet. In einem ersten Schritt werden zeitlich konstante, d.h. stationäre Ansätze verwendet. Darauf aufbauend werden die Modelle für instationäre Prozesse unter Berücksichtigung der hydrologischen Schwankungen und zeitlichen Entwicklung der Nutzungen erweitert.

Die beiden numerischen Modelle basieren auf einem einheitlichen Modellraster von 100 x 100 m. Sie sind dreidimensional und berücksichtigen die Schichtlagerung des Hydrogeologischen Modells, das insbesondere auf dem Geologischen 3D-Landesmodell des LGRB basiert. Es kommt das vom United States Geological Survey (USGS) entwickelte Programmsystem MODFLOW 6 mit landeseigenen Erweiterungen zum Einsatz. Als wesentliche Zuflussrandbedingung wird den Modellen die Grundwasserneubildung aus GWN-BW[1] vorgegeben. Die landesweit vorliegenden Informationen zu den Gewässern und Quellen sowie Daten der Grundwasserentnahmen bilden weitere wesentliche Randbedingungen.

[1] https://umweltdaten.lubw.baden-wuerttemberg.de/w/grundwasserneubildung

Bodenwasserhaushaltsmodellierungen basierend auf dynamisch verändernden klimatischen Bedingungen sind von zentraler Bedeutung in der Bemessung der zukünftigen Dargebotsentwicklung von Grundwasserressourcen. Jedoch stellt die Einschätzung von Unsicherheiten dieser prognostizierenden Modellierungen eine wesentliche Herausforderung für die Planung klimaresilienter Wasserversorgungssysteme dar. Modellierte Grundwasserneubildungen (GWN) unterliegen der Streubreite der Klimaprojektionen als meteorologische Eingangsvariablen, welche aufgrund ihrer methodischen Grundlage (empirisch-statistische Projektionen vs. regionalisierte physikalische Klimamodelle) und den zugrunde liegenden Repräsentativen Konzentrationspfaden (RCP2.6, RCP4.5 & RCP8.5) variieren. Weitere Unsicherheiten der GWN entstehen durch die Nutzung unterschiedlicher Bodenwasserhaushaltsmodelle, die sich in ihrem Modellansatz (konzeptionell vs. physikalisch basiert) unterscheiden, woraus sich verschiedene maßstabsabhängige Eignungen im Zusammenhang mit den entsprechenden Eingangsparameter begründen.

Die Variabilität des modellierten Bodenwasserhaushalts durch Unterschiede des methodischen Ansatzes und meteorologischer Eingangsparameter wird anhand der Zielgröße GWN standortspezifisch für den Landkreis Mittelsachsen untersucht. Dazu wird an zwei ausgewählten Standorten, welche die naturräumliche und hydrogeologische Divergenz des Projektgebietes (Mittelsächsisches Lössgebiet & Osterzgebirge) repräsentieren, im Modellvergleich die Eignung verschiedener Bodenwasserhaushaltsmodelle zur Prognose der GWN geprüft. Dieser Vergleich umfasst neben der skalenabhängigen Anwendbarkeit die Genauigkeit in der Modellierung des Bodenwasserhaushalts aus erfassten Messdaten mit dem Hintergrund standortspezifischer Charakteristika, womit Sensitivitäten und Schwächen verschiedener Modelle erfasst werden. Neben dem Unsicherheitsfaktor des Modells wird der Einfluss verschiedener Projektionen des Klimaensembles auf die Unsicherheit in der Prognose der Zielgröße GWN untersucht, welche sich aufgrund der landschaftlichen Lage, den bodenphysikalischen Eigenschaften und Landnutzungen standortspezifisch auswirken.

Das Ziel dieser Untersuchungen ist ein verbessertes Verständnis über das methodische Vorgehen dynamischer Bodenwasserhaushaltsmodellierungen zur Prognose der Entwicklung des Grundwasserdargebots, um ein optimales Vorgehen aus Belastbarkeit, Einschätzung der Modellunsicherheit und Anwendungsorientierung zu konzipieren. Dieses dient als basisbildender Bestandteil in der Entwicklung eines vielseitig resilienten Wasserbewirtschaftungskonzeptes für den ländlichen Raum im Rahmen des Verbundprojektes SpeicherLand.

Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie wurde das Gebiet nordwestliche des Güterbahnhofs Seddin als grundsätzlich geeignet für die Entwicklung eine Industire- und Gewerbestandorts eingestuft. Es könnte sich als bedeutsamer Standort für nachhaltig produzierende Hochtechnologieunternehmen eignen; gleichzeitig könnte lokales Gewerbe angesiedelt werden. Der Standort befindet sich im Land Brandenburg, südwestlich von Berlin. Die vorliegende Bearbeitung beschäftigt sich mit der Frage der Wasserversorgung und Abwasserentsorgung der Potenzialfläche, um die Grundlage für mögliche weitere Planungsschritte zu schaffen. Weiterführund wurden die Auswirkungen der untersuchten Varianten auf umliegende Seen, welche von sinkenden Wasserständen betroffen sind, und den lokalen Wasserhaushalt untersucht.

Es wurde ein Wasserbedarf von 1,0 bis 3,0 Millionen Kubikmeter pro Jahr ermittelt. Die im Untersuchungsgebiet tätigen Wasserverbände verfügen nur über geringe Reserven an genehmigten Wasserentnahmemengen; die vorhandene Infrastruktur ist weitgehend ausgelastet.

Die Untersuchungen zeigen, dass die Wasserversorgung und Entsorgung der potenziellen Gewerbefläche als machbar einzustufen sind. Sowohl für die Wasserversorgung als auch für die Abwasserentsorgung wurden umsetzbare Optionen identifiziert.

Für die Wasserversorgung wurden zwei Varianten betrachtet. Im Bereich Hoher Fläming wurde ein möglicher Standort für eine Grundwasserentnahme identifiziert, wobei das Grundwasser über eine 27…37 km lange Rohrleitung zum Standort geleitet werden muss. Als Alternative wurde eine Oberflächenwasserentnahme aus der Nieplitz betrachtet. Dabei wird das entnommene Wasser in den Seddiner See geleitet, dort zwischengespeichert und zur potenziellen Gewerbefläche geleitet. Diese Variante erfordert geringe Investitionen; ihre genehmigungsrechtliche Situation ist jedoch sehr komplex. Für die Abwasserentsorgung wurden 4 Varianten untersucht und hinsichtlich des Einflusses auf den lokalen Wasserhaushalt untersucht.

In den vergangenen 10 Jahren sank der Seewasserspiegel des Seddiner Sees stark ab, was zu einer Verschlechterung seines ökologischen Zustands führte. Die Höhe des Seewasserspiegel hängt direkt vom Grundwasserstand ab. Um ein Austrocknen des Sees langfristig zu verhindern, sind Maßnahmen zur Stabilisierung der hydrologischen Verhältnisse erforderlich.

Die durchgeführte Wasserhaushaltsmodellierung ergab, dass die untersuchte Änderung der Landnutzung, von der derzeit vorhandenen Kiefern-Monokultur zu einer teilversiegelten Gewerbefläche, zu einem signifikanten Wasserüberschuss führt. Aufgrund der starken Reduktion der Verdunstung würde sich die Grundwasserneubildung deutlich erhöhen. Trotz der teilweisen Versiegelung der potenziellen Gewerbeflächen durch die Ansiedlung von Unternehmen ist mit einer um etwa 48 mm/a höheren Grundwasserneubildung als im Ist-Zustand zu rechnen. Der darüber hinaus abfließende Niederschlag von Dach- und Verkehrsflächen kann gefasst und verfügbar gemacht werden. Durch die betrachtete Landnutzungsänderung wird somit eine dauerhafte Stützung des lokalen Wasserhaushalts ermöglicht. Für die Versickerung und Oberflächenwasserableitung des infolge der Landnutzungsänderung zusätzlich verfügbaren Wasservolumens besteht eine Vielzahl machbarer Kombinationsmöglichkeiten. Klimatische Veränderungen wurden durch eine mittlere Klimaprojektion aus dem Brandenburgischen Klimaprojektionsensemble berücksichtigt.

Die Wasserversorgung der Europastadt Görlitz-Zgorzelec stützt sich auf das natürliche Grundwasservorkommen, Uferfiltrat aus der Neiße sowie eine künstliche Grundwasseran­reicherung über Infiltrationsteiche. Der von der Wasserversorgung genutzte, ungespannte Grundwasserleiter erstreckt sich grenzübergreifend zwischen Deutschland und Polen und ist überwiegend von quartären, glazialfluviatilen Sedimenten charakterisiert. Aktuelle Forschungs­ergeb­nisse weisen auf einen ungünstigen Entwicklungstrend der regionalen klimatischen Bedin­gungen hin. Negative Auswirkungen auf den lokalen Wasserhaushalt sind bereits heute spürbar. Ins­besondere hydrologische Extremereignisse wie langanhaltende Trocken­perioden und Hoch­wasser stellen eine Herausforderung für Management bzw. Schutz von Quantität und Qualität der lokalen Grund­wasser­ressource dar. Gegenstand des im Rahmen des EU-Interreg-Förderprogrammes Polen-Sachsen von 2025 bis 2027 geförderten Projektes CRossWATER soll deshalb eine Verbesserung der Klimaresilienz der Wasserversorgung der Europastadt Görlitz-Zgorzelec und die Entwicklung eines Konzeptes für die nachhaltige Nutzung des grenzübergreifenden Grundwassersystems sein. Das Projekt­konsortium besteht aus zwei universitären Forschungsinstituten (Technische Universität Dresden als Leadpartner und Schlesische Universität in Katowice), den Verwaltungsbehörden der Städte Görlitz und Zgorzelec sowie den lokalen Wasserversorgern, der Stadtwerke Görlitz AG und dem Wasserwerks- und Abwasserunternehmen PWiK „Nysa“ Sp. z o.o. in Zgorzelec. Das Projekt ist in vier Arbeitspakete (AP) untergliedert. Dabei fokus­siert AP 1 auf den Aufbau eines gemein­samen Über­wachungsnetzwerkes, AP 2 auf die Ent­wicklung eines GIS basierten Systems zum effizienten Daten- und Informationsaustausch und ein numerisches Modell zur Abbildung des grenzübergreifenden Grundwassersystems, AP 3 auf eine Risiko­bewertung der sich verändernden klimatischen Bedingungen in Bezug auf die Wasser­versorgung sowie die Erarbeitung von Vorschlägen für entsprechende Anpassungs­maß­nahmen und AP 4 auf die Entwicklung eines Leitfadens zur Umsetzung der Arbeits­ergeb­nisse in die wasser­wirtschaftliche Praxis. Insgesamt wird das Projekt einen wichtigen Beitrag zur Erhöhung der Sicherheit der zukünftigen Wasserversorgung der Europastadt Görlitz-Zgorzelec leisten.

Im Zuge des Klimawandels nimmt die Häufigkeit und Intensität von Extremen (Dürren, Hitzewellen, Hochwässer) zu. Die allgemein zunehmende Variabilität klimatisch-meteorologischer Bedingungen und insbesondere intensivere und länger anhaltende Trockenphasen, wie z.B. während der paneuropäischen Sommerdürren 2018-19, haben sich deutlich auf die Grundwasserrstände (GWS) in Deutschland ausgewirkt, wobei die Intensität und Dynamik der GWS-Änderungen eine starke räumliche Differenzierung zeigt (Ebeling et al. 2025). Derartige Bedingungen stellen eine neue Herausforderung für die Sicherstellung hinreichender Grundwasserresouren für Mensch und Umwelt zu verschiedenen Zeiten im Jahr und insbesondere während Dürreperioden dar. Um dieser Herausforderung zu begegnen, werden in der Nationalen Wasserstrategie (2023) Maßnahmen empfohlen, die den Rückhalt von Wasser in der Landschaft während Phasen hinreich­enden Wasserdargebots fördern. Methoden und Konzepte zur künstlichen Grund­wasseranreicherung (managed aquifer recharge – MAR) stellen derartige Maßnahmen und oft sehr wirksame Instrumente zur Stützung des Grundwasserhaushalts dar. Dabei kann das Spektrum der Methoden von kleineren lokalen Maßnahmen im landwirt­schaftlichen Raum (Dahlke et al. 2018; Levintal et al. 2023) bis hin zu großskaligen Anlagen mit Infiltrations­becken und Injektionsbrunnen reichen. In unserem Beitrag wollen wir verschiedene Optionen für MAR in Bezug auf beobachtete GWS-Dynamiken in Deutschland unter klimatischer Variabilität (Ebeling et al. 2025) genauer betrachten und bewerten. Dabei unterscheiden wir kürzer- und längerskalige GWS-Schwankungen und Trends und versuchen spezifische MAR-Maßnahmen zu identifizieren, die ungewollte Trends unter definierten Nutzungsanforderungen abmildern könnten.

Ebeling, P., Musolff, A., Kumar, R., Hartmann; A. & Fleckenstein. J.H. (2025) Groundwater head responses to droughts across Germany, Hydrology and Earth System Sciences, 29: 2925-2950, https://doi.org/10.5194/hess-29-2925-2025

Nationale Wassertrategie (2023), Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucher­schutz (BMUV), 11055 Berlin

Levintal, E., Kniffin, M.L., Ganot, Y., Marwaha, N., Murphy, N.P. and Dahlke, H.E., 2023. Agricultural managed aquifer recharge (Ag-MAR)—a method for sustainable groundwater management: a review. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 53(3), pp.291-314.

Dahlke, H.E., LaHue, G.T., Mautner, M.R., Murphy, N.P., Patterson, N.K., Waterhouse, H., Yang, F. and Foglia, L., 2018. Managed aquifer recharge as a tool to enhance sustainable groundwater management in California: examples from field and modeling studies. In Advances in chemical pollution, environmental management and protection (Vol. 3, pp. 215-275). Elsevier.

Die langfristige Sicherheit von Endlagern für nukleare Abfälle muss über geologische Zeiträume von bis zu einer Million Jahren bewertet werden. Klimatische Prozesse, insbesondere wiederkehrende Kaltzeiten und die Bildung von Permafrost, spielen dabei eine zentrale Rolle, da sie einen Einfluss auf die hydrogeologischen Bedingungen im Deckgebirge haben können. In diesem Kontext ist auch die Volumenänderungen durch Tau-Gefrier-Prozesse relevant , da diese die hydrogeologischen und mechanischen Eigenschaften des Gesteins verändern können.

Im Rahmen des Projekts „Volumenänderung durch Tau-/Gefrierprozesse im Kontext der Endlagersicherheit (VOLUME)“ werden experimentelle Untersuchungen und numerische Modellierungen durchgeführt, um die Auswirkungen von Tau-Gefrier-Vorgänge auf das Verhalten geologischer Formationen zu erfassen.

In Laborversuchen wurden kontrollierte Temperaturzyklen an Sandsteinproben durchgeführt, um das Verformungsverhalten und die Volumenänderungen zu quantifizieren. Erste Ergebnisse zeigen einen deutlichen Zusammenhang zwischen der Gefriertemperatur und dem Ausmaß der Volumenänderung, was wertvolle Erkenntnisse für die Modellkalibrierung liefert. In anschließenden numerischen Simulationen mit OpenGeoSys werden thermo-hydro-mechanische Prozesse weiter untersucht, um deren Auswirkungen auf die Hydrogeologie zu bewerten.

Zukünftige Untersuchungen werden den Probenumfang auf weitere Fest- und Lockergesteinsarten, wie kristallines Gestein, Sand und Ton, ausweiten, um materialspezifische Stoffgesetze für Frost-Tau-Zyklen zu identifizieren.

Natürliche Tracer wie Chlorid sind insbesondere für tonhaltige Formationen ein zentraler Bestandteil von Sicherheitsbewertungen geologischer Tiefenlager für hochradioaktive Abfälle. Deren Konzentrationsprofil im einschlusswirksamen Gebirgsbereich (ewG) entsteht durch Austauschprozesse zwischen dem ewG und angrenzenden Grundwasserleitern. Ihre Analyse eröffnet einen Blick in die Paläohydrogeologie eines Standorts und erlaubt Rückschlüsse auf den dominierenden Transportprozess über geologische Zeiträume. Der Nachweis eines diffusionsdominierten Systems als Hinweis auf die Langzeitstabilität des ewG ist ein maßgebliches Sicherheitskriterium, das sich anhand der Porenwasserchemie, insbesondere den Chlorid-Profilen, belegen lässt.

Numerische Transportsimulationen werden genutzt, um gemessene Porenwasserprofile von Chlorid zu reproduzieren. Meist beschränkt sich der modellierte Zeitraum auf die geologisch jüngere Vergangenheit, die durch direkte Messungen rezenter Grundwässer gestützt ist. Aussagen über die Entwicklung für weiter zurückliegende Zeiträume unterliegen größeren Ungewissheiten, weil Signale älterer hydrogeologischer Veränderungen überprägt worden sein könnten. Die paläohydrogeologische Entwicklung von der Ablagerung bis zur jüngsten Änderung der Bedingungen in den Grundwasserleitern wird deshalb häufig in einer Annahme zur anfänglichen Porenwasserzusammensetzung zusammengefasst. Hierfür wird oftmals die höchste gemessene Chlorid-Konzentration aus dem zentralen Bereich des ewG als erste Näherung genutzt. Für die Simulationen muss deshalb in der Regel das gemessene Profil vorliegen.

Die Verfügbarkeit und Qualität von Porenwasserdaten sind in der frühen Phase der Standortsuche für ein Endlager jedoch begrenzt. Nicht für jedes zu beurteilende Teilgebiet ist eine datengestützte Analyse von Tracerprofilen möglich. Angesichts dieser Einschränkung und der sicherheitsrelevanten Bedeutung von Chlorid-Profilen stellt sich die Frage, wie diese Datenlücken mithilfe vorhandener Informationen reduziert werden können.

In dieser Studie prüfen wir, inwieweit sich Chlorid-Profile mit numerischen Simulationen der gesamten paläohydrogeologischen Genese der relevanten Formationen reproduzieren lassen. Wir wenden diesen Ansatz exemplarisch auf die Schweizer Standortregionen an. Chlorid-Gehalte und Profilformen der dortigen Bohrungen unterscheiden sich teils erheblich. Schlüsselereignisse und charakteristische Unterschiede in der Paläohydrogeologie der Regionen werden aus unabhängigen geologisch-tektonischen, geomorphologischen, hydrogeologischen und hydrogeochemischen Indizien herausgearbeitet, parametrisiert und in Modellszenarien übersetzt. Mit numerischen Transportsimulationen bewerten wir, (1) inwieweit die Abweichungen der Chlorid-Profile auf paläohydrogeologische Faktoren zurückzuführen sind, (2) wie gut sich gemessene Profile mit dem konzeptionellen Verfahren annähern lassen, und (3) in welchen Fällen es sich für Sicherheitsbewertungen im Rahmen der Standortauswahl für ein geologisches Tiefenlager für hochradioaktive Abfälle in Deutschland nutzen lässt.

Groundwater models are central to demonstrating long-term containment in deep geological repositories within the multi-barrier concept, where geological, engineered, and geotechnical barriers jointly limit radionuclide release to the biosphere. In the German context, safety assessments must address a one-million-year evaluation period with stringent cumulative (≤ 10⁻⁴) and annual (≤ 10⁻⁹) fraction release constraints, sharpening requirements on model scope, coupling, and reliability.

This contribution summarizes current challenges and opportunities for groundwater flow and transport code development across crystalline, clay-rich, and salt host rocks. Key modeling challenges include 1) fracture-network representation, 2) variable boundary conditions over geological times, and 3) integration of multi-scale, coupled thermo-hydro-mechanical-chemical processes that govern low-concentration radionuclide migration over kilometer scales and up to a million years. Host-rock-specific flow regimes including saturated flow in fractured crystalline rocks, matrix-diffusion and sorption in clays, and extremely low hydraulic conductivity in low-permeability rocks (e.g., salts, granites) dictate the modeling task and code requirements.

We critically review the groundwater flow and transport codes used internationally for repository evaluations. The primary software platforms for the developed codes include MODFLOW, FEFLOW, SUTRA, HYDRUS, OpenGeoSys, COMSOL, CRUNCHFLOW, and SPRING, among others, mapped by their process coverage. Practical repository-scale groundwater models need to be capable of 1) representing regional 3D geology (e.g., faults, fractures), 2) performing saturated and unsaturated variable-density flow, and 3) coupling surface-water features (e.g., rivers) and transient recharge, to perform long-term prognoses using expanding time steps. Multi-component transport (e.g., tracers and radionuclides with decay chains) is handled via integrated transport modules (e.g. random-walk solute transport model). Global/local sensitivity analysis and automated calibration are generally feasible through built-in or external optimization frameworks, yet end-to-end workflows remain labor-intensive for multi-scenario uncertainty exploration.

We propose a selection framework linking host rock and assessment objectives to code capabilities: 1) fracture representation accuracy (continuum vs. discrete modeling), 2) scale-bridging and boundary evolution over geologic time, 3) variable-density flow and reactive transport, and 4) verification/validation against observations over million-year periods. Applying this framework clarifies trade-offs among variable software platforms and highlights development priorities, particularly THMC integration, and probabilistic workflows for radionuclide transport, for credible, regulation-ready safety assessment of deep geological repositories.

References

COMSOL AB. (2023). COMSOL Multiphysics Reference Manual.

FEFLOW, Finite Element Subsurface Flow & Transport Simulation System, WASY GmbH, Berlin, Germany, 2007.

König, C., Becker, M., Diehl, A., Seidel, T., Rosen, B., Rüber, O., and Zimmermann, C., (2018). SPRING - Simulation of Processes in Groundwater. Witten, 5. Edition.

Kolditz, O., et al. (2012). OpenGeoSys: An open-source initiative for numerical simulation of thermo-hydro-mechanical/chemical (THMC) processes in porous media. Environmental Earth Sciences, 67(2), 589–599.

Zur Identifikation von Rahmenbedingungen für den Nitratabbau im Grundwasser wurden innerhalb des Forschungsprojekts ArNO (Nitratbelastung in Einzugsgebieten) Daten der Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg zu Redoxparametern sowie Denitrifikationsdaten ausgewertet. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden auf einen Datensatz der GWD-WV (Grundwasserdatenbank Wasserversorgung) übertragen, um baden-württembergweit Messstellen mit potentiellem Nitratabbau zu identifizieren.

Ausgewertet wurden Redoxdaten der Jahre 2020 bis 2023 (LUBW und GWD-WV) und N₂-Excess-Daten (LUBW) aus 2023 und 2024. Für LUBW-Messstellen wurden Mindestanforderungen an den Ausbau gemäß ArNO-FactSheet (noch nicht veröffentlicht) berücksichtigt. Der Nitratabbau wurde nach Schwanekamp (2017) aus den N₂-Excess-Daten abgeschätzt. Die Auswertung beider Datensätze erfolgte auf Basis von Mediandaten mittels Python-Skript.

Anzeichen für Denitrifikation wiesen rund ein Viertel der LUBW-Messstellen auf. An diesen Messstellen lag der Sauerstoffgehalt stets ≤ 4 mg/L, der pH-Wert > 6,5 und der DOC-Gehalt > 0,7 mg/L („harte“ Kriterien). Hingegen scheinen Eisen- und Mangangehalte nur als „weiche“ Indikatorkriterien sinnvoll, da auch typische Werte für oxidiertes Grundwasser (< 0,1 mg/L bzw. < 0,05 mg/L) nicht eindeutig zwischen Messstellen mit und ohne Anzeichen für Denitrifikation trennten. Gleiches gilt für Nitratgehalte (< 10 mg/L), welche wenig selektiv für potentiell denitrifizierende Bedingungen waren.

Zur Auswertung des Denitrifikationspotentials in den Messstellen der Wasserversorger Baden-Württembergs (GWD-WV) wurden die identifizierten Kriterien herangezogen. Gemäß der „harten“ Kriterien zu Sauerstoff und pH-Wert waren in etwa 15 % der Messstellen Bedingungen vorhanden, die eine Denitrifikation ermöglichen. Wurden zusätzlich die (nicht eindeutigen) Grenzen von Eisen und Mangan herangezogen, so lag die Anzahl der Messstellen mit potentiellem Nitratabbau nur noch bei knapp 9 %. Gilt außerdem, dass der Nitratgehalt unter 10 mg/L liegen soll, so ergab sich nur noch für 3,5 % der Messstellen ein potentieller Nitratabbau.

Die Selektion der Messstellen mit potentiellem Nitratabbau anhand der hier identifizierten Kriterien wurde abschließend noch mit einer Auswertung über die Methode nach Wolters et al. (2022) und gemäß LAWA (2024) verglichen. Für knapp 7 % der Messstellen legen alle drei Methoden nahe, dass Denitrifikation potentiell stattfindet. Umgekehrt wurde für etwa 82 % der Messstellen berechnet, dass keine Denitrifikation möglich sein sollte. Die Messstellen mit potentiellem Nitratabbau liegen dabei insbesondere im nördlichen Oberrheingraben, aber auch verteilt vermehrt im nördlichen und vereinzelt im südlichen Baden-Württemberg.

Schwanekamp C. (2017): Bestimmung des Exzess-Stickstoffes in Grundwasser mit der N₂-Ar-Methode an ausgewählten Pilotmessstellen in Nordrhein-Westfalen, Masterarbeit

LAWA (2024): Kurzanleitung für die messstellenbezogene Ermittlung von Denitrifikations-Standortbedingungen Anlage1. Länderfinanzierungsprojekt Wasser-Boden-Abfall G 1.22, Entwurfsfassung

Wolters et al. (2022): The derivation of denitrification conditions in groundwater: Combined method approach and application for Germany, Ecological Indicators Vol. 144

Im Rahmen BMBF-Fördermaßnahme „Nachhaltige Grundwasserbewirtschaftung“ (LURCH) wird das FE-Projekt WaRM bearbeitet. Damit soll ein Beitrag zur nachhaltigen, flexiblen Grundwasserbewirtschaftung in Ballungszentren auf Basis eines Wassersystemmodells am Beispiel der Metropolregion Frankfurt/Rhein-Main mit den Hauptkomponenten: Modellierung, Maßnahmen und Governance erzielt werden. An dem entwickelten Wassersystemmodell Rhein-Main arbeiten neben der GICON Resources GmbH folgende Partner: Fraunhofer ISI, Technische Universität Darmstadt, BGS UMWELT, Hessenwasser GmbH & Co KG, das Hessische Landesamt für Naturschutz und Geologie (HLNUG), und die Nordwestdeutsche Forstliche Versuchsanstalt. Als Praxispartner sind das Hessische Umweltministerium (HMUKLV), die Stadt Frankfurt/Main und der Landkreis Groß-Gerau eingebunden.

Ein Teilprojekt betrifft die Ermittlung von repräsentativen Denitrifikationsraten in naturnahen Laborversuchen unter Wahrung der Maßstabsfaktoren zwischen Labor- und Feldbereich, für verschiedene Bodentypen und Bodenwassergehalte. Weitere Zielstellungen der Versuche sind die Ermittlung des Einflusses von Pflanzenschutzmitteln auf die Denitrifikationsraten und die Bildungsraten von N₂O- und N₂. Dafür wurde eine spezielle Versuchsanlage entwickelt und angewendet. Die damit ermittelten Denitrifikationsraten wurden an Felddaten geprüft, die an einer von der TU Darmstadt betriebenen Boden-Monitoringstation erhoben wurden. Im Ergebnis konnte festgestellt werden, dass mit den im Labormaßstab ermittelten Denitrifikationsraten eine Differenz zwischen Mess- und Modellergebnis von weniger als 10% ergaben. Im Vortrag werden die für dieses Ergebnis erforderlichen Problemlösungen zur Erzielung von repräsentativen Denitrifikationsraten im Labormaßstab, die ermittelten Abhängigkeiten der Denitrifikationsraten vom organischen Kohlenstoffgehalt, von der Bodenart, von Pflanzenschutzmitteln und vom Bodenwassergehalt sowie zu deren Übertragbarkeit auf andere Standorte dargestellt.

Nitrate contamination of groundwater remains a pressing environmental and public-health concern in regions affected by intensive agriculture and urbanization. This study investigates how temporally and spatially variable boundary conditions and groundwater regimes influence reactive nitrate transport, using the “Auf dem Grind” bank filtration well field (near City of Düsseldorf) as a conceptual case study. A one-dimensional reactive-transport framework was developed by coupling Phreeqc with a Python-based workflow implemented in Jupyter Notebook; this approach captures the essential processes of advection, dispersion and decay while avoiding the complexity of a fully coupled 3-D hydrodynamic model.
Model scenarios represent urban, agricultural and natural boundary conditions and include three groundwater-regime conditions (baseline, dry-season and flood) defined by combinations of Rhine stage and pumping intensity. The 1-D flow path is discretized into monthly travel-time cells; for each cell a scenario-specific Phreeqc input is autogenerated by the Python script, enabling iterative simulation of transport and biogeochemical kinetics. Key model inputs (recharge volumes, nitrate and DOC concentrations, hydraulic parameters) were compiled from monitoring data, regional studies and guideline values; sensitivity analysis identified the hydraulic conductivity of pond bottom sediments and DOC input per cell as a highly influential parameter.
Results indicate that denitrification is most probable in urban and pond zones, where persistent anoxic conditions and abundant organic substrates favor nitrate reduction. In pond-affected cells, two complementary mechanisms explain observed nitrate attenuation: (i) denitrification in oxygen-depleted bottom sediments reduces nitrate in pond water prior to recharge, and (ii) infiltration of organic-rich pond water to the sediment–aquifer interface can deliver labile carbon and microbial biomass that sustain subsurface denitrification. By contrast, agricultural sections show a slow net accumulation of nitrate: the modelled increase equals approximately 0.15 mg L⁻¹ yr⁻¹ under the agricultural scenario, consistent with the range reported for intensively farmed lands.
From a groundwater-management perspective, the study highlights practical mitigation options. Redistributing abstraction across multiple lower-yield wells (thereby reducing individual drawdown and increasing groundwater residence time) can enhance the aquifer’s intrinsic capacity for denitrification. Passive remediation measures, such as permeable reactive barriers or managed infiltration employing existing ponds, can replicate conditions that sustain denitrifying
communities without continuous operational input. Finally, the developed scripting workflow provides a simple, transparent tool for preliminary scenario analysis of nitrate reactive transport where detailed 3-D flow models are not available.

Pflanzenschutzmittel (PSM) werden flächenhaft vor allem in der Landwirtschaft eingesetzt und können, wie auch ihre (relevanten und nicht relevanten) Metaboliten, über die ungesättigte Zone in das Grundwasser eingetragen werden. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Transportdynamik und die Reaktivität bzw. Persistenz dieser Stoffe. Im Rahmen des Projektes „Wassersystemmodell Rhein/Main“ (WaRM) wurde das Verhalten und Vorkommen von Pflanzenschutzmittelwirkstoffen und deren Metaboliten auf unterschiedlichen räumlichen Skalen untersucht. Hierzu wurden sowohl punktuelle (prozessorientierte) als auch flächenhafte Untersuchungen im Hessischen Ried (Südhessen) durchgeführt. Zur Analyse des Verhaltens in der ungesättigten und gesättigten Zone wurden zwei hochauflösende Monitoringstationen auf landwirtschaftlichen Flächen errichtet. Die Standorte unterscheiden sich hinsichtlich der Anbaukultur, dem PSM- und Düngemitteleinsatz sowie der Bodeneigenschaften. Da sowohl der Applikationszeitpunkt als auch der eingesetzte Wirkstoff bekannt war, konnten die an den Standorten eingesetzten Pflanzenschutzmittelwirkstoffe und deren Metaboliten gezielt untersucht werden, wobei auch Stoffe aus früheren Anwendungen berücksichtigt wurden. Dies ermöglicht die eine differenzierte Betrachtung sowohl der unmittelbaren Stoffeinträge als auch der längerfristigen Persistenz und Verlagerung. Die Probenahme erfolgte nach der Applikation in Intervallen von wenigen Tagen und anschließend in wöchentlichen Abständen über einen Zeitraum von vier bis zehn Wochen. An den beiden Monitoringstationen wurden Sickerwasserproben mit Glassaugkerzen in verschiedenen Tiefen (10 cm, 20 cm, 50 cm, 150 cm) entnommen und im Anschluss auf Pflanzenschutzmittelwirkstoffe sowie deren Metaboliten analysiert. Darüber hinaus wurden die Konzentrationen der Hauptionen, Spurenelemente, die Bodenfeuchte und stabile Wasserisotope in der ungesättigten Zone und im Grundwasser in acht verschiedenen Tiefen zwischen 2,30 m u. GOK und 3,35 m u. GOK gemessen. Während an einem Standort keine Pflanzenschutzmittelwirkstoffe nachgewiesen werden konnten, wurden bei dem anderen Standort ein Wirkstoff sowie fünf von sechs untersuchten Metaboliten mit Konzentrationen bis zu 7,62 µg/l gemessen.

Um den flächenhaften Eintrag an Pflanzenschutzmittelwirkstoffe und deren Metaboliten zu betrachten, wurden an 15 Grundwassermessstellen im Hessischen Ried zusätzliche Untersuchungen durchgeführt. Die Analyse umfasste 17 Pflanzenschutzmittelwirkstoffe und 48 Metaboliten. Dieser Parameterumfang geht deutlich über den landesweit untersuchten Monitoringumfang des Landes Hessen hinaus. Nachgewiesen wurden zwei Pflanzenschutzmittelwirkstoffe mit Konzentrationen bis zu 0,28 µg/l und 33 Metaboliten an mindestens einer Messstelle mit Maximalkonzentrationen von 10,97 µg/l.

Brandenburg is one of the driest regions in Germany and is highly dependent on groundwater resources for both drinking water supply and irrigated agriculture. Groundwater levels in the state are falling, and climate change is expected to further exacerbate the situation. The groundwater recharge rate (GWR) is a key parameter for the sustainable management of groundwater resources. However, quantifying it remains a challenge as it cannot be measured directly on a field scale.

In this study, we use daily data from several cosmic-ray neutron sensors (CRNS), which provide non-invasive measurements of soil moisture in the near-surface root zone at the hectare scale, to calibrate the soil hydrological model HYDRUS-1D. This calibration yields scale-effective soil hydraulic parameters and allows us to derive the downward water flux below the root zone as an approximation of groundwater recharge (GWR) at the field scale.

The analysis is based on a unique six-year data set from the Potsdam Soil Moisture Observatory (PoSMO), collected at a densely instrumented agricultural research site. The approximately 10-hectare site, with a large number of agricultural plots, extends along a gentle slope towards a lake above a Pleistocene unconfined aquifer with a groundwater table depth of 1 to 10 meters. At the heart of the instrumentation are eight continuously operated CRNS in combination with more than 25 point-scale soil moisture profiles measuring at depths of up to 1 m. A variety of additional measurements, including soil texture, hydraulic properties, continuous soil moisture measurements at depth, and groundwater level monitoring, provide a solid basis for validating the model and recording the relevant hydrological processes at the site.

In various simulation experiments, we evaluate the added value of using different soil moisture products for model calibration. To analyze long-term trends and fluctuations in GWN, we drive the calibrated model with historical weather data from over 50 years. We investigate changes in GWN under different climatic conditions and discuss the associated uncertainties, particularly in relation to the site's scarce water balance.

Agriculture remains the backbone of Bangladesh`s economy and a vital source of livelihood for most of its population. While the country’s fertile soils and favorable climate allow year-round crop cultivation, the sector faces high pressure, due to rapid population growth, limited arable land, groundwater depletion and poor water quality (e.g., salinity in the coastal region), and adverse impacts of climate change including frequent and prolonged droughts as well as severe floods. Over the past three decades, irrigated land in Bangladesh has expanded from 2.58 million ha in 1990 to about 5.63 million ha in 2020, raising the share of irrigated land from 31 to 66% ^[1]. This rapid expansion – driven largely by the need to sustain rice production for a population that rose from 90 million in 1981^[2] to 165 million in 2022^[3], —has relied heavily on groundwater abstraction, often without a coordinated planning and assessment of water resources, leading to declining groundwater levels, irrigation inefficiencies, and rising energy costs for pumping.

Facing these issues requires a transition toward data-driven, science-based agricultural water management, where technology and knowledge integration play a central role. In response, the Web-based Agricultural Water Management Information System for Bangladesh (Web-AIS) project aim to provide a holistic framework that connects environmental data, modeling tools, and digital services into a unified platform. Web-AIS combines state-of-the-art technologies—including real-time sensor networks, remote sensing, and interoperable model integration—to enhance understanding of the water resources and guide sustainable irrigation planning. The project’s core components include integrated surface–subsurface modeling, crop and irrigation management modeling, and climate forecasting, collectively aiming to support informed decision-making for efficient water use.

Within this framework hydrogeology plays a vital role. Three numerical models of distinct regions, captures the diverse hydro-climatical settings across Bangladesh: (i) the central region (Manikganj – Dhaka), where continuous groundwater abstraction has caused a significant decline in water levels in Dhaka, and altering the magnitude and direction of the interaction between rivers and the shallow aquifer system; (ii) the northwestern region (Rajshahi Division), where prolonged dry-season pumping drives sustained declines in water tables; and (iii) the southern coastal region (Khulna – Satkhira), where salinity intrusion, brackish-water use (e.g. shrimp farming) threaten freshwater resources. Together, these models aim to quantify recharge dynamics, groundwater–surface-water interactions, groundwater depletion trends, and sustainable abstraction thresholds, forming the scientific basis for an integrated groundwater-management strategy under the Web-AIS framework.

References

^[1]Maniruzzaman, M., Biswas, J.C., Hossain, M.B. et al. Greenhouse gas emissions from dry season rice irrigation in Bangladesh. Mitig Adapt Strateg Glob Change 30, 8 (2025). https://doi.org/10.1007/s11027-024-10197-3

^[2]Bangladesh Bureau of Statistics. (2011). Statistical yearbook of Bangladesh. Statistical Division, Ministry of Planning, Government of the People’s Republic of Bangladesh.

^[3]Bangladesh Bureau of Statistics. (2024). Statistical yearbook of Bangladesh. Statistical Division, Ministry of Planning, Government of the People’s Republic of Bangladesh.

In oberflächennahen Grundwasserleitern können landwirtschaftliche Einträge durch Düngephasen, saisonale Prozesse oder Starkregenereignisse zu kurzfristigen und dynamischen Änderungen der Nitratkonzentration führen. Im landesweiten Grundwassermonitoring, das das Hessische Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG) zur Überwachung der Grundwasserqualität in Hessen durchführt, werden in der Regel jährliche Stichtagsproben entnommen. Diese Monitoring-Frequenz erlaubt die Beobachtung langzeitlicher Entwicklungen, wohingegen Aussagen zu dynamischen Prozessen nur bedingt möglich sind. In dieser Pilotstudie wird daher der Einsatz von Nitratsonden erprobt, um erste hochaufgelöste Daten zu gewinnen. Drei Grundwassermessstellen (GWM1 bis 3) im Hessischen Ried sind daher seit November 2023 mit Nitratsonden ausgestattet. Diese erfassen die Nitratkonzentrationen in einem Turnus von acht Stunden. Die Grundwassermessstellen sind mit Ausbautiefen von 12 (GWM1), 14 (GWM2) und 20 m u. GOK (GWM3) flach im Porengrundwasserleiter verbaut. Die Landnutzung im Bereich der Messstellen ist landwirtschaftlich und insbesondere durch den Anbau von Sonderkulturen geprägt. Zur Validierung der mit den Nitratsonden erfassten Daten wird monatlich das Grundwasser vor und nach dem dreifachen Austausch des Wasservolumens in den Grundwassermessstellen beprobt und auf die Hauptionen untersucht. Zusätzlich werden nach dem Austausch des Wasser Proben für die Bestimmung der Denitrifikation mittels der N₂/Ar-Methode entnommen.

Im Beobachtungszeitraum liegen die mittels Nitratsonden gemessenen Konzentrationen im Mittel bei 60 mg/l (GWM3), 130 mg/l (GWM1) und 170 mg/l (GWM2), wobei es z. T. deutliche Schwankungen während des Beobachtungszeitraums gibt. Die Spannweiten reichen von 50 bis 70 mg/l (GWM3), 80 bis 240 mg/l (GWM1) und 135 bis 190 mg/l (GWM2). Die Nitratkonzentrationen der im Labor analysierten Grundwasserproben von GWM1 und 2 sind mit einer mittleren Abweichung von rund 5 mg/l vergleichbar mit dem jeweils korrespondieren Wert der Nitratsonden. Bei GWM3 gibt es eine mittlere Abweichung von rund 20 mg/l zwischen den Daten der Nitratsonden und den Laboranalysen. Insgesamt zeigt die Beprobung, dass der dreifache Austausch des Wasservolumens in der Grundwassermessstelle einen Einfluss auf die Nitratkonzentrationen hat. Die im Labor analysierten Grundwasserproben, die vor dem Austausch entnommen wurden, weisen mittlere Nitratkonzentrationen von 85 mg/l (GWM3), 130 mg/l (GWM1) und 165 mg/l (GWM2) auf. Nach dem Austausch des Wasservolumens liegen die Nitratkonzentrationen im Mittel bei 80 mg/l (GWM3), 150 mg/l (GWM1) und 155 mg/l (GWM2). Die Ergebnisse aus der N₂/Ar-Analytik zeigen zudem, dass im Grundwasser an zwei der drei überwachten Messstellen (GWM1 und 2) ein Nitratabbau stattfindet. Die Menge des abgebauten Nitrats weißt ebenfalls Schwankungen während des Beobachtungszeitraums auf und liegt bei bis zu 30 mg/l. Im Zuge weiterer Auswertungen soll eine Korrelation zwischen der Schwankung der Nitratkonzentration und dem Nitratabbau geprüft werden.

Die in der Pilotstudie eingesetzten Nitratsonden erfassen wichtige dynamische Prozesse, die in einem jährlichen Monitoring mit Stichtagsmessungen unerkannt geblieben wären. Der Einsatz von Nitratsonden bietet durch das hochaufgelöste Monitoring somit eine gute Möglichkeit, Zusammenhänge zwischen Konzentrationsschwankungen und Ereignissen an der Oberfläche (Niederschlag/Landnutzung) zu identifizieren.

Grundwasser ist eine unverzichtbare Ressource – für die Trinkwasserversorgung, Landwirtschaft, Industrie und den Naturschutz. Doch weltweit geraten Grundwassersysteme zunehmend unter Druck: Klimawandel, steigender Wasserbedarf und konkurrierende Nutzungsinteressen führen in vielen Regionen zu sinkenden Grundwasserständen und qualitativen Verschlechterungen. Die Herausforderungen an eine nachhaltige Grundwasserbewirtschaftung sind komplex und drängend.

Vor diesem Hintergrund hat das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) die Fördermaßnahme „Nachhaltige Grundwasserbewirtschaftung (LURCH)" initiiert, welche Anfang 2023 startete. In zehn interdisziplinären Verbundprojekten sowie einem übergreifenden Vernetzungs- und Transfervorhaben (LURCHPlus) werden wissenschaftlich fundierte Lösungen für eine zukunftsfähige Grundwassernutzung in Deutschland erarbeitet. Die Fördermaßnahme adressiert drei zentrale Themenfelder:

a) Grundwasserquantität,
b) Grundwasserqualität und
c) integrierte, nachhaltige Bewirtschaftung.

Im Fokus stehen dabei sowohl die Verbesserung des Systemverständnisses als auch die Entwicklung praxistauglicher Strategien und Werkzeuge. Ziel ist es, Zielkonflikte zwischen Nutzungen zu erkennen und auszugleichen, Risiken frühzeitig zu identifizieren sowie ökologische und sozioökonomische Aspekte in die Grundwasserbewirtschaftung zu integrieren.

Da sich die Fördermaßnahme nun ihrem Ende nähert, stellt sich die Frage:
Welche Ergebnisse liegen vor? Welche neuen Erkenntnisse konnten gewonnen werden – und wie lassen sie sich in die Praxis überführen?

Der Beitrag gibt einen Überblick über den Stand der Projekte, identifiziert erste übertragbare Methoden und Technologien und zeigt auf, wo weiterer Forschungs- und Entwicklungsbedarf besteht. Zudem erläutert das Vorhaben LURCHPlus, wie Wissenstransfer und Projektsynergien gezielt unterstützt wurden – und welchen Mehrwert die Vernetzung für die Umsetzung in die Praxis bietet.

Ergänzend zum Beitrag findet auf der Konferenz die themenspezifische Session „Thema 12: Nachhaltige Grundwasserbewirtschaftung in Deutschland – Herausforderungen und Innovationen“ statt. Dort werden zentrale Ergebnisse aus den LURCH-Projekten vorgestellt und gemeinsam mit weiteren Akteuren – auch über die Fördermaßnahme hinaus – diskutiert.

Im Rahmen des Projekts GW4.0 entsteht ein webbasiertes Planungsinstrument, auf der Basis eines sich fortlaufend aktualisierenden Grundwassermodells für das Obere-Gäu und das Neckartal. Die fortlaufende Aktualisierung des Grundwassermodells erfolgt über eine Datenassimilation, wobei neben aktuellen Messwerten der Grundwasserstände auch Klimadaten des Deutschen Wetterdienstes zur Generierung der Grundwasserneubildung herangezogen werden.

Auf Grundlage des sich durch die Datenassimilation ermittelten aktuellen Zustands werden saisonale Prognosen erstellt. Diese berücksichtigen sowohl verschiedene hydrologische Szenarien der Grundwasserneubildung (Wasserdargebot) als auch den Wasserbedarf der im Modellgebiet ansässigen Wasserversorger. Nutzer können dabei Parameter wie Wasserbedarf, den Ausfall von Brunnen oder anderen Ressourcen individuell anpassen.

Das webbasierte Planungsinstrument wird in einer Cloud betrieben und bietet über ein Web-GIS-System Zugriff auf Messdaten und Simulationsergebnisse wie Grundwassergleichen und Ganglinien.

Ziele des webbasierten Planungsinstruments:

• Bereitstellung eines geeichten und durch Datenassimilation stets aktuellen Grundwassermodells („Living Model“)
• Bereitstellung von Monitoringdaten (Zeitreihen für Grundwasserstände, Entnahmen im Modellgebiet)
• Ergebnisse von regelmäßig durchgeführten saisonalen Prognoseszenarien
• Zusammenführung des hydrogeologischen Wissensstandes im Modellgebiet

Zielgruppen:

Die Zielgruppe des Planungsinstruments besteht im Wesentlichen aus Wasserversorgern und den wasserwirtschaftlichen Akteuren. Wasserversorgern wird ermöglicht durch Anpassung relevanter Parameter eigenständig Szenarien zu erstellen bzw. ihre bestehenden Bewirtschaftungspläne mit verschiedenen günstigen oder ungünstigen Prognosen des Wasserdargebots abzugleichen. Für wasserwirtschaftliche Fragestellungen, etwa im Rahmen von Wasserrechtsanträgen, liefert das Modell relevante Information wie gemessene und berechnete Grundwasserstände und den geologischen aufbau entlang von Schnitten.

Zukünftige Erweiterungen sind denkbar, etwa die manuelle Integration neuer Brunnen oder Grundwasserhaltungen durch die Nutzer, die dann in die Prognoserechnungen miteinfließen.

Das Projekt GW4.0 wird gefördert durch das Bundesministerium für ­Forschung, Technologie und Raumfahrt unter dem Förderkennzeichen 02WGW1670D.

Grundwasser ist eine wichtige globale Ressource für Industrie, Landwirtschaft, geothermische Nutzung und Trinkwasser und das weltweit größte terrestrische Süßwasser-Biom beherbergt. Der Klimawandel und anthropogene Aktivitäten verursachen vielfältige Veränderungen im System Grundwasser. Während die physikochemischen Folgen bereits weitreichend erforscht sind, sind die Konsequenzen für Grundwasserökosysteme kaum bekannt. Ein genaues Verständnis dafür, wie diese empfindlichen Ökosysteme auf verschiedene Stressoren, wie einen Temperaturanstieg, Sauerstoffmangel, eine veränderte Flächennutzung und chemische Verschmutzung reagieren, ist entscheidend für ein nachhaltiges Grundwassermanagement, insbesondere in Städten.

Unsere Studie liefert einen räumlichen und zeitlichen Überblick über die Grundwasserfauna (Stygofauna) in Berlin, mit dem Ziel Veränderungen aufgrund natürlicher oder anthropogener Einflüsse zu identifizieren. Dazu wurden die Stygofauna und (hydro-)geologische, standortspezifische, klimatische und physikochemische (Wasser-)Parameter an mehr als 300 Messstellen in Berlin analysiert. Zudem werden ökologische Bewertungsansätze angewendet und hinsichtlich ihrer Eignung und Robustheit bewertet.

Generell weisen die Messstellen in Berlin eine geringe Besiedlungsdichte auf, die Nematoden, Milben, Oligochaeten und Crustaceen enthält, aber von Oberflächen(nahen)-Arten dominiert ist. Die städtisch geprägte Landnutzung, der Gehalt an gelöstem Sauerstoff und der Austausch mit Oberflächengewässern sind wichtige Faktoren, die die Besiedlung der Messstellen durch Fauna beeinflussen. Im Allgemeinen weisen urbane Standorte mit niedrigem Sauerstoffgehalt und teilweise vorkommenden Schadstoffkonzentrationen ungünstige Lebensbedingungen auf. Im Gegensatz dazu enthalten Standorte außerhalb des Stadtzentrums, wie in Naturschutzgebieten und in der Nähe von Oberflächengewässern, eine vielfältigere Fauna mit mehr Individuen. Sechs Untersuchungsstandorte wurden für eine detaillierte Bewertung der relevanten Einflüsse auf die Stygofauna ausgewählt. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurde ein konzeptionelles Modell entwickelt, um faunistische Prozesse und Wechselwirkungen im Hauptgrundwasserleiter unter Berlin darzustellen. Jedoch sind bestehende Bewertungsansätze auf Berlin nicht anwendbar, da mehr als 90 % der Messstellen anoxische Verhältnisse aufweisen und eine Besiedlung nur sporadisch und meist lokal vorhanden ist.

Die Ergebnisse unserer Studie zeigen heterogene und zeitlich veränderliche Bedingungen im urbanen Grundwasser von Berlin als Lebensraum, die eine eindeutige Charakterisierung und Bewertung der ökologischen und faunistischen Bedingungen mit den bestehenden Bewertungsansätzen erschweren. Um die Dynamik in urbanen Zentren wie Berlin besser zu verstehen, wird ein neuer Ansatz benötigt, der weitere Parameter, wie Sauerstoffgehalt, Abstand zu Oberflächengewässern, Nahrungsangebot und die lokale Geologie, beinhaltet. Aus diesen Erkenntnissen soll dann ein Prognosemodell abgeleitet werden. Darüber hinaus sollten Informationen über urbane Grundwasserökosysteme für eine nachhaltige Nutzung des Untergrunds in die Stadt- und Energieplanung integriert werden. Zudem sind Studien mit großflächigen, wiederholten Messkampagnen erforderlich, um die Ergebnisse zu verifizieren und um die Funktion, Einflussfaktoren und Auswirkungen auf Grundwasserökosysteme zu untersuchen.

Die Bewertung der Grundwassergeschütztheit ist in humiden Klimaten mittlerweile weitgehend standardisiert. In einigen europäischen Ländern werden ähnliche Verfahren wie das in Hölting et al. (1995) dargestellte Verfahren eingesetzt. Für Karstgebiete gibt es Erweiterungen, die teilweise auf Tracerexperimenten beruhen (Goldscheider et al. 2000). In anderen Klimaten und anderen Ländern der Welt werden oftmals Verfahren eingesetzt, die der DRASTIC-Methode (Aller et al. 1987) ähneln und damit nur relative Einschätzungen darstellen, wie z.B. in Haidu & Nistor (2020). Das Problem in ariden Gebieten besteht insbesondere darin, dass die Grundwasserneubildung nicht gleichmäßig stattfindet und daher die Prozesse, die bei der Bewertung der intrinsischen Schutzfunktion berücksichtigt werden, deutlich anders sind als bei einem nahezu gleichmäßigen Transportprozess in der ungesättigten Zone. Stark schwankende Grundwasserflurabstände, wie sie insbesondere aus plötzlichen Extremereignissen resultieren, beeinflussen die Verweilzeit zusätzlich. Die klimatisch und hydrogeologisch bedingt wechselnden Eintragsbedingungen für Stoffe ins Grundwasser zeigen nicht nur einen ausgeprägteren Jahresgang sondern starke Veränderungen über Jahrzehnte, wie gravimetrische Fernerkundungsmethoden nachgewiesen haben (Lezzaik & Milewski 2017 und Liesch & Ohmer 2016). Relative Bewertungen wie Aller et al. (1987) sind zwar auch in diesen Gebieten und Klimaten grundsätzlich anwendbar, aber sie haben den entscheidenden Nachteil, keine Einschätzung der Verweilzeit geben zu können. Haidu, I, Nistor, M.-M. (2020) Groundwater vulnerability assessment in the Grand Est region, France. Quaternary International, 2020, 547, pp.86-100. Goldscheider N, Klute M, Sturm S, Hötzl H (2000) The PI method – a GIS-based approach to mapping groundwater vulnerability with special consideration of karst aquifers. Zeitschrift für angewandte Geologie, 46 (2000) 3: 157-166 Aller, L., Bennett, T., Lehr, J. H., Petty, R., and Hackett, G. (1987) DRASTIC: a standardized system to evaluate groundwater pollution potential using hydrogeologic settings: National Water Well Association, Worthington, Ohio, United States of America, http://rdn.bc.ca/cms/wpattachments/wpID3175atID5999.pdf.

Lezzaik, K & Milewski, A 2017 A quantitative assessment of groundwater resources in the Middle

East and North Africa region. Hydrogeol J (2018) 26:251–266

Seit Anfang der 90’er Jahren hat man in Dänemark das Grundwasser und damit auch die obersten 200 Meter der Geologie kartiert Hierbei wurden große Mengen von Daten generiert. Daten wie Bohrungen, Geophysik, aber auch Grundwassermodelle.

Es gibt an einigen Stellen eine Vielzahl von geologischen und hydrogeologischen Modellen für das gleiche Gebiet. Jeder dieser Modelle hat einen anderen Fokus und damit ist da ein Risiko, dass die geologischen Modelle sehr unterschiedlich sind.

Im Jahr 2018 beschloss, dass dänische Umweltamt ein Modell für Dänemark zu entwickeln. Verschiedene Consulter (hierunter auch Ramboll) und das Umweltamt hatten die Aufgabe innerhalb von 8 Monaten die besten Modelle in einem hydrostratigraphischen Modell – FOHM – zu sammeln. FOHM steht für „Fælles Offentlig Hydrostrategrafisk Model“ – „Gemeinschaftliches Öffentliches Hydrogeologisches Modell“.

Bei diesem Prozess wurden die verschiedenen Modelle nach Alter, die geologische Beschreibung usw priorisiert. Probleme entstanden, wo zwei oder mehr Modelle eine Gegend beschrieb.

Ziel dieses Modells war eine einheitliche Beschreibung zu haben und mit 45 Schichten war das möglich – heute besteht das Modell 72 Schichten. Die Netzgröße wurde auf 100 x 100 Metern gewählt.

Da nicht alle Modelle, die ins FOHM eingebaut wurde, von guter Qualität waren, ist das FOHM aufgebaut, so dass Gebiete herausgenommen werden können, geändert werden können und später wieder zurück ins FOHM geführt werden kann.Die durchgeführten Änderungen werden vom Umweltamt geprüft und genehmigt, bevor die Geologie zurück ins FOHM eingearbeitet wird..

Damit schaffte das Umweltamt ein Model, das lebendig ist und von allen Akteuren gebraucht wird – als Ausgangspunkt für Modelle oder für Randbedingungen in Grundwassermodellen.

Der Klimawandel führt in vielen Regionen Deutschlands zu einer Verringerung des verfügbaren Wasserdargebots. Um belastbare Aussagen über das Dargebot treffen zu können und Planbarkeit zu schaffen, müssen die Anforderungen und Datengrundlagen für die Vergabe von Wasserrechten angepasst werden.

Für größere Einzugsgebiete lässt sich die flächige Grundwasserneubildung meist nur modelltechnisch bestimmen. Der derzeit gängige Ansatz basiert auf Bodenwasserhaushaltsmodellen auf Landesebene (z. B. mGROWA, GWN-BW). Diese beruhen auf einem Bodenspeicheransatz und trennen die Abflussanteile in Direkt-, Zwischen- und Basisabfluss. Üblicherweise werden sie auf die Abflüsse der Hauptvorfluter kalibriert, während Grundwasserdaten, lokale Strömungsverhältnisse und Grundwasser-Oberflächen-Interaktionen unberücksichtigt bleiben. Dadurch lassen sich nur Rückschlüsse auf die Gesamtsumme von Evapotranspiration und Grundwasserneubildung ziehen. Wird die Evapotranspiration überschätzt, wird die Grundwasserneubildung zwangsläufig unterschätzt.

Zudem können anthropogene Einflüsse wie Wasserentnahmen, Bewässerung, oder wasserbauliche Maßnahmen nicht gegenüber einem natürlichen Wasserhaushalt bilanziert werden. Auch wird die Hydrogeologie stark vereinfacht, indem auf den obersten Grundwasserleiter beschränkt und Wechselwirkungen mit tieferliegenden Schichten und Abströme unterhalb des Gewässerbetts vernachlässigt werden. So lassen sich keine belastbaren quantitativen Aussagen über die Ursachen von Dargebotstrends treffen.

Eine der zuverlässigsten Methoden zur Ermittlung der Grundwasserneubildung stellen integrierte numerische Wasserhaushaltsmodelle dar. Sie bilden alle Kompartimente des Wasserkreislaufs physikalisch vollständig ab. Im Unterschied zu gängigen Verfahren erfolgt hier neben der Kalibrierung auf Abflüsse auch eine stationäre und instationäre Kalibrierung auf räumlich verteilte Grundwassermessstellen.

Ein integriertes Wasserhaushaltsmodell wird mithilfe spezialisierter Software (z. B. MIKE SHE, HydroGeoSphere) erstellt, die hydrologische und anthropogene Prozesse abbilden kann. Sind alle Prozesse bilateral gekoppelt und erfolgt eine instationäre Kalibrierung auf Abflüsse und Grundwasserstände, spricht man von einer integrierten Wasserhaushaltsmodellierung.

Diese erfordert die detaillierte Betrachtung dynamischer, saisonaler und lokaler Effekte – etwa Infiltration, Kapillar- und Speicherverhalten der ungesättigten Zone, Evapotranspiration, Oberflächenabfluss, Grundwasserströmung und Austauschprozesse mit Gewässern. Aufgrund der komplexen Wechselwirkungen der Prozesse kann nur durch ihr Verständnis und eine sorgfältige Parametrisierung eine hohe Modellgüte erreicht werden.

Der integrierte Ansatz ermöglicht eine räumlich und zeitlich hochaufgelöste Berechnung der Wasserbilanzkomponenten – einschließlich Grundwasserneubildung, Bodenspeicher, Gewässeraustausch, Evaporation, Transpiration, Entnahmen, Bewässerung und Direktabfluss. Damit können Behörden belastbare Werte für die Grundwasserneubildung und das verfügbare Wasserdargebot ableiten und nachhaltige Entscheidungen zur Vergabe von Wasserrechten treffen. Zugleich lassen sich Maßnahmen zur Erhöhung des Wasserdargebots entwickeln und quantifizieren, sodass betroffene Nutzerinnen und Nutzer durch nachweislich wirksame Maßnahmen ihre Wasserrechte langfristig sichern können.

ReArMo ist ein von der IHU neu entwickeltes, numerisches Spezialmodell zur Abbildung der Transportwege und Verteilung von Stickstoff (Nitrat und Ammonium) in der Boden- und Grundwasserzone unter den spezifischen landnutzungsabhängigen, bodengeologischen und geohydraulischen Bedingungen der Modellgebiete. Die Kalibrierung und Validierung der Modelle erfolgt unter Einbindung von realen Bewirtschaftungsdaten sowie Ergebnissen aus Boden, Sediment- (Tiefenprofile), Sicker- und Grundwasseruntersuchungen.

Arbeitsschwerpunkte sind:

- Stoffstrombilanz des Stickstoffs auf Betriebs- und Teilschlagebene

- Simulation des Wasser- und Stickstoffhaushaltes in der Bodenzone

- Simulation der zeitlichen und räumlichen Verteilung der Nitrat- und Ammonium-Konzentration im Grundwasser

- Möglichkeit zur Szenarienberechnung bei Änderungen der Landnutzung oder klimatischen Randbedingungen, beispielsweise zur Bewertung der Wirksamkeit der Richtlinie „Agrarumwelt- und Klimamaßnahmen“ (RL AUK/2015) auf die Nitratbelastung des Sicker- und Grundwassers in Grundwassereinzugsgebieten

Südwestlich von Merseburg (Saalekreis) befinden sich die ehemaligen Braunkohlentagebaue des Geiseltals, die sich in mehrere, jetzt geflutete, Tagebaurestlöcher mit den Gewässern „Geiseltalsee“, „Runstedter See“,Großkaynaer See“ und „Hassesee“ unterteilen. In den vergangenen Jahren wurden durch eine Reihe von hydrogeologischen Ar­beiten die Grundlagen für die bergbaulichen Sanierungsmaßnahmen und die Lösung von wasserwirtschaftlichen Fragestellungen im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung des Geiseltales geschaffen. Die Praxis hat gezeigt, dass die Planung und eine erfolgreiche Umsetzung von technischen Sanierungsmaßnahmen und wasserwirtschaftlichen Vorhaben ganz wesentlich von der Qualität der geowissenschaftlichen Grundlagendaten und der hydro­geologischen Untersuchungen sowie den Modellprognoseberechnungen zur Grund­wassersituation und zum Wasserhaushalt abhängig sind. Der Abriss zur Entwicklung des hydrogeologischen Modells zeigt am Praxisreferenz­objekt Geiseltal, welche geologisch-hydrogeologischen Untersuchungen und fun­dierten geowissenschaftlichen Erkundungs- und Forschungsarbeiten zur Vorbe­reitung sowie Umsetzung der bergbaulich-wasserwirtschaftlichen Sanierung des Braunkohlenbergbaugebietes notwendig waren. Zugleich wird im Überblick dar­gestellt, welchen wissenschaftlichen Beitrag die hydrogeologische Modellierung und numerische Grundwassermodellierung methodisch leistete und wie auf Grundlage der Untersuchungsergebnisse eine gravierende Senkung des materiell-technischen Gesamtaufwandes erzielt werden konnte. Dabei stellen das hydrogeologische Modell und die darauf basierenden Grund-und Oberflächenwasserströmungsmodelle, gekoppelt an entsprechende Monitoring- und Informationssysteme mit Datenbanken, effiziente, hydrogeologische Prognosewerkzeuge dar. Ohne diese geowissenschaftlichen Grundlagen ist eine qualifizierte, belastbare Darstellung, Analyse und Bewertung der Ausgangssituation sowie der zu erwartenden Prozesse, die sich mit der Flutung der Tagebaurestlöcher, der Entstehung von Gewässern und dem Grundwasseranstieg sowie der Gewässerbewirtschaftung verbinden, nicht machbar. Bei der Überwachung und Steuerung der hydrogeologischen und wasserwirtschaftlichen Prozesse der Flutung, dem Grundwasserwiederanstieg, der Gewässerentwicklung „Geiseltalsee“ und des Wasserhaushaltes sowie den Abflussbedingungen in den Bergbaufolgelandschaften des Geiseltales kommt den Geowissenschaften mit der Hydrogeologie, insbesondere in Hinblick auf die schrittweise Verifizierung der Modellprognoseberechnungen, auf Basis der hydrogeologischen und geotechnischen Monitoringmessdaten somit auch in der Zukunft eine entscheidende Begleitungs- und Steuerungsfunktion zur Gewässerbewirtschaftung sowie für die nachhaltige Gestaltung der Bergbaufolge zu. Die hydrogeologischen Berechnungsergebnisse aus der numerischen 3D-Grundwassermodellierung stellen, gekoppelt an 2D-Vertikalschittmodelle, außerdem wesentliche Eingangsdaten für geotechnische Berechnungen zur Bewertung der Standsicherheit von Böschungssystemen im Gewässerrandbereich des Geiseltalsees dar.Die hydrogeologische Modellierung zur Lösung von wasserwirtschaftlichen Problem­stellungen bei der bergbaulichen Sanierung des Braunkohlegebietes Geiseltales und die Umweltforschungsarbeiten zur Sicherung der subaquatischen Deponie im Tagebaurestloch Großkayna mit dem „Runstedter See“ wurden von Naturwissenschaftlern, Ingenieuren und Technikern durchgeführt. Das Vorhaben wird von der LMBV mbH durchgeführt.

Disused mines offer a promising opportunity for sustainable underground thermal energy storage (MTES), repurposing legacy infrastructure to balance seasonal heat supply and demand. As part of the BMFTR-funded MineATES project, we implemented a test-scale MTES system in a controlled experimental drift section of the historic Reiche Zeche silver mine (Freiberg, Germany). Three thermal cycles, with peak water temperatures up to 39 °C and cooling down to 2 °C, were conducted in a 20 m³ basin embedded in grey gneiss at 147 m depth. Alongside detailed thermal monitoring, our focus was on hydrogeochemical responses of mine water and their engineering implications. Tracer dilution tests confirmed continuous groundwater inflow, contributing to advective heat loss but also influencing geochemical conditions. Heating triggered pronounced precipitation of minerals such as of iron oxides, accompanied by pH increase and enrichment of major ions (e.g., Ca²⁺, SO₄²⁻). Laboratory batch and column experiments with Freiberg gneiss and mine water supported in-situ observations, showing accelerated metal removal at elevated temperatures and leaching of specific elements from steel components. Fouling tests on stainless-steel heat-exchanger plates revealed up to 45 % thermal performance loss from scaling and biofilm growth, which was reduced by about 60 % using protective coatings. These results highlight that MTES in flooded mine environments must account for complex mine water–rock–infrastructure interactions, where hydrogeochemistry directly affects efficiency, maintenance, and operational stability.

In Untertagebergwerken, Gruben und Gasspeichern können Wasserzuflüsse oft nur als offener Zufluss, Tropfstelle oder Kondensat beprobt werden. Dies limitiert die Möglichkeiten von Isotopenmethoden zur Charakterisierung von Herkunft oder Alter auf Parameter, die unempfindlich für Atmosphärenkontamination sind, wie z.B. Wasserisotope (δ¹⁸O, δ²H und ³H), Kohlenstoffisotope (¹⁴C-DIC/δ¹³C) oder Isotopensignaturen von Strontium- und Sulfat (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, δ³⁴S/δ¹⁸O-SO₄). Da jedoch detaillierte Altersbestimmungen meist nur über die Kombination mit Gastracern, wie z.B. SF₆, ⁸⁵Kr, ³He_trit möglich sind, gestaltet sich die Anwendung von Isotopen bei Grubenwässern als herausfordernd. Die Fragestellungen hinter den Isotopenuntersuchungen sind hauptsächlich die Klärung, inwieweit es sich bei den Wasserzutritten um originäres Grund- oder Porenwasser der Grubenformation oder um jüngere Grundwässer bzw. evtl. sogar um schnell abfließende Niederschlags- oder Oberflächenwasserkomponenten handelt, die über durch Exposition und Abbautätigkeiten entstandene Wegsamkeiten zutreten.

Anhand von Beispielen wird gezeigt, dass je nach Gegebenheiten Diskretisierungen und relativ detailreiche Auswertungen möglich sind. So wird in einem Beispiel anhand der Kombination von hydrochemischer Zusammensetzung sowie den stabilen und radioaktiven Wasserisotopen eine Einordnung der Grundwasseraltersstrukturen von Wasserzuflüsse und eine Zuordnung des Haupt-Sümpfungswassers über eine Grube ermöglicht, die seit mehr als 100 Jahren in Betrieb ist.

Grubenwasser stellt eine nachhaltige, bisher nur gering genutzte Wärmequelle dar, die in geeigneten Regionen für große Wärmemengen technisch, wirtschaftlich und ökologisch erschließbar ist. Die Nutzbarmachung dieses Potenzials bietet zudem die Chance Grubenwässer als Energiespeicher für die thermische Energieversorgung auszulegen, Abwärmepotenziale oder saisonale Quellen, wie Solarthermie können zur Dekarbonisierung der Energieversorgung erschlossen werden, indem diese saisonal im Grubenwassergespeichert werden. Für die Inwertsetzung von Grubenwasser insbesondere in Bezug auf die Wärmespeicherung ist die Identifikation und Bewertung möglicher Standorte sowie die technische Integration solcher Systeme in die bestehenden bergbaulichen Strukturen wichtig.

Zur Ermittlung der Effizienz und zur Analyse der Funktionsweise von Grubenwasserwärmespeichern wurde im Forschungs- und Lehrbergwerk „Reiche Zeche“ (Erzbergbau Freiberg) ein Reallaborlabor errichtet, bei dem über einen mobilen Wärmepumpenversuchsstand zyklisch Wärme in ein Speicherbecken eingebracht oder entzogen wurde. Durch Messsensoren für Temperatur und Volumenstrom wurde die zeitliche Entwicklung der Wasser- und Gesteinstemperatur, sowie die ein- und ausgespeicherte Leistung ermittelt. Zusätzlich wurden technischen Komponenten wie Wärmepumpe, Wärmeübertrager und Rohrleitungen überwacht, um Schlussfolgerungen für den späteren Betrieb einer solchen Anlage zuziehen. Über einen Zeitraum von 1,5 Jahren wurden insgesamt 4 Heiz- und Kühlzyklen durchlaufen. Zudem konnten verschiedene Randparameter sowie Einflussfaktoren, einschließlich einer unbekannten Unterströmung im Wasser und Verluste an die Umgebungsluft, quantifiziert werden.

Bei den Versuchen konnten thermische Speicherwirkungsgrade von mehr als 50 % erzielt werden. Die Ermittlung der bilanziellen Wärmespeicherung sowie der Verluste erfolgte auf Grundlage der aufgezeichneten Daten. Mithilfe der Temperaturkurven konnten die Erwärmungs- und Abkühlungsprozesse in der Gesteinswand erfasst und die Entzugsprozesse über das Grubenwasser analysiert werden. Es kann gezeigt werden, dass die Verluste aus dem Wasser aufgrund von einer Strömung ca. 35% betragen. Die Resultate dienen als Grundlage für die Planung und Optimierung der Auslegung zukünftiger Anlagen und deren Speicherkapazität.

Die gewonnenen Ergebnisse dienen als Grundlage für Potenzialanalysen weiterer stillgelegter Bergwerke im Raum Sachsen und Thüringen. Sie können eine zentrale Rolle bei der Transformation der Energieversorgung dienen und zumindest anteilig eine saisonale Wärmespeicherung ermöglichen.

Geflutete Bergwerke sind in Deutschland weit verbreitete Hinterlassenschaften des historischen Bergbaus. In mindestens 14 Bundesländern existieren untertägige, wassergefüllte Grubenräume, über deren Zustand und Entwicklung jedoch nur fragmentarisches Wissen vorliegt. Daten wurden nie zentral erhoben, Zuständigkeiten liegen meist bei kommunalen Trägern, und eine kontinuierliche Überwachung findet in der Regel nicht statt. Gerade vor dem Hintergrund potenzieller Risiken für Grund- und Oberflächenwasser, aber auch möglicher Chancen für geothermische Nutzung, ergibt sich hier ein erheblicher Bedarf an neuen, kosteneffizienten Überwachungs- und Bewertungsmethoden.

Im Rahmen des Projekts werden die technische Machbarkeit und Praxistauglichkeit digitaler Monitoring- und Modellierungstechnologien in gefluteten Bergwerken exemplarisch erprobt. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung und Umsetzung eines integrierten Konzepts aus Hardware- und Softwarekomponenten, das verschiedene moderne Ansätze kombiniert: ein sensorgestütztes digitales Monitoring auf Basis des Internet of Things (IoT), die Anwendung von selbstlernenden Soft Sensors mittels künstlicher neuronaler Netze, sowie die Erstellung eines physikalisch-numerischen Modells der Thermohydraulik des wassergefüllten Bergwerks. Ein digitales Datendashboard dient als zentrale Platform zur Darstellung und Verwaltung der gesammelten Daten.

Zum Ausloten der technischen, organisatorischen und ökonomischen Machbarkeit eines solchen digitalen Gesamtsystems gehört auch die Untersuchung der Anforderungen an Datenqualität und -menge, die Prüfung der Übertragbarkeit des Ansatzes auf unterschiedliche Standorttypen sowie die Bewertung der Kosten- und Wartungseffizienz der eingesetzten Technologien. Die Ergebnisse sollen Praxispartnern eine skalierbare und automatisierte Methode an die Hand geben, um geflutete Bergwerke hinsichtlich Gefahrenpotenzial und Nutzungsmöglichkeiten digital zu überwachen und zu bewerten.

Die Gewinnung von Kaliumsalzen erzeugt große Mengen an festen Rückständen, die hauptsächlich aus Natriumchlorid und in geringerem Maße aus Magnesiumsulfat, Magnesiumchlorid und unlöslichen Tonmineralien bestehen. Diese salzhaltigen Rückstände wurden auf der Erdoberfläche aufgeschüttet und bilden Halden, die in einigen Fällen Höhen von bis zu 200 Metern erreichen können. In Mitteldeutschland prägen zahlreiche Kalirückstandshalden die Landschaft und fallen besonders durch ihr auffälliges Erscheinungsbild und das vollständige Fehlen von Vegetation auf. Die Halden bestehen aus Material mit hohem Salzgehalt, weshalb sie unter klimatischen Bedingungen, insbesondere bei Niederschlag, hydrologisch sehr aktiv sind. Wenn Regenwasser mit den salzhaltigen Rückständen in Kontakt kommt, kann insbesondere Natriumchlorid gelöst und mobilisiert werden. Das salzhaltige Sickerwasser kann in den Untergrund eindringen und das Grundwasser erreichen. Dies birgt das Risiko der Versalzung der umliegenden Aquifere sowie der Beeinträchtigung von Oberflächengewässern und angrenzenden Ökosystemen. Bodenabdeckungen mit schützender Vegetationsdecke sind eine potenzielle Maßnahme, um den Kontakt zwischen Regenwasser und salzhaltigen Rückständen zu reduzieren und dadurch die negativen Auswirkungen auf das Grundwasser zu begrenzen. In welchem Maße dieser Kontakt verhindert wird, hängt von den hydraulischen Parametern jedes Bodentyps, Abdeckungsschichten, von den lokalen klimatischen Bedingungen (Niederschlag, Evapotranspiration), und insbesondere von der Art und Verteilung der Vegetationsdecke ab. Das Ziel dieser Forschung ist es, die hydrologische Reaktion einer Vegetationsdecke auf einer repräsentativen Kalirückstandshalde unter klimatischen Bedingungen in Niedersachsen (Deutschland) zu quantifizieren. Die Abdeckung besteht aus einer oberen Bodenschicht, die das vegetative Wachstum ermöglicht, einer Zwischenschicht zur Formung und Stabilisierung der Böschungsgeometrie, einer Dränschicht und schließlich einer Abdichtungsschicht. Es wird untersucht, welche hydraulischen Parameter und welche Vegetationsdecke die Wasserströmung in einer Kalihalde am stärksten bestimmen und/oder begrenzen. Das wird untersucht mit der numerischen Simulationssoftware Advanced Terrestrial Simulator (ATS), die die Kopplung von Oberflächen- und Untergrundströmung sowie die Modellierung der Evapotranspiration ermöglicht, sowie mit der Software Parameter Estimation (PEST). Die Ergebnisse der 2D-Simulationen zeigen die Fähigkeit des Modells, die komplexen gekoppelten Prozesse von Oberflächenabfluss und Untergrundströmung unter Berücksichtigung des Einflusses der Vegetation darzustellen. Die simulierten Infiltrationsmuster liefern wertvolle Informationen zur Bedeutung der hydrologischen Bodenparameter und der Auswahl der Vegetationsdecke, was zur Entwicklung wirksamer Lösungen zum Schutz des Grundwassers in Gebieten mit Kalirückstandshalden beiträgt.

Das Steinhuder Meer ist mit einer Seefläche von 29,1 km² der größte Flachwassersee Deutschlands und liegt ungefähr 30 km nordwestlich von Hannover. Die mittlere Wassertiefe beträgt 1,35 m und das oberirdische Einzugsgebiet inklusive Seefläche hat eine Größe von 80 km². Es entstand zum Ende der Weichseleiszeit vor ca. 14 000 Jahren durch Thermokarst. Das Steinhuder Meer wird zu etwa einem Drittel aus Grundwasser gespeist (Paetzmann 2024). Durch die dadurch bedingte Nährstofffracht, insbesondere Phosphat, wird die Ökologie des Sees beeinflusst. Es ist derzeit nicht genau bekannt, wie, wo und wann dieser Eintrag stattfindet. Zur Lokalisierung von ufernahen Exfiltrationszonen wurden daher Seewasserproben auf stabile Isotope analysiert. Im Januar 2024 während flächendeckender Vereisung der Seeoberfläche wurden Wasserproben unter der Eisfläche entnommen.

An zwei Stellen am Nordufer sind Grundwasserzuströme bekannt. Mittels Seepagemeter (Lee 1977) und Temperaturlanzen wurden hier Exfiltrationsraten von maximal 33 l m^-2 d^-1 bestimmt (Abb. 1). Der Einbau der Temperaturlanzen erfolgte mittels Schutzrohr und Druckluftinjektion. Diese Technik wurde auch zur Beprobung des oberflächennahen Grundwassers genutzt.

Zudem wurde zwischen 2022 und 2024 exfiltrierendes Grundwasser während drei Kampagnen beprobt und analysiert. Im Fokus der Untersuchungen stehen der Eintrag von Nährstoffen ins Steinhuder Meer über den Grundwasserpfad und der Einfluss langer Trockenphasen auf die Beschaffenheit des Grundwassers. Die erste Beprobung (Herbst 2022) zeigt auffallend hohe Konzentrationen von Eisen und Sulfat durch Oxidation von Pyriten im Grundwasserleiter aufgrund von Sauerstoffeintrag bei fallendem Grundwasserstand. Während der folgenden Probenahmen, die bei höheren Grundwasserständen durchgeführt wurden, fallen diese Werte wieder. Die Konzentration von Phosphor als limitierendem Nährstoff im See ist im Mittel um 0,09 mg l^-1 etwas hoch. Schuster (2023) gibt als Sanierungsziel eine Konzentration von 0,05 mg/l Gesamtphosphor für das Seewasser an. Mit dieser Untersuchung wurden bekannte Exfiltrationszonen bestätigt, aber auch bisher unbekannte identifiziert.

Literatur:

Lee, D. R. (1977). A device for measuring seepage flux in lakes and estuaries 1. Limnology and Oceanography, 22(1), 140-147.

Paetzmann, H. (2024). Bestimmung des Grundwasserzustroms zum Steinhuder Meer mittels einer Wasserbilanz. Bachelorarbeit an der Leibniz Universität Hannover

Schuster (2023). Phosphoreinträge in das Steinhuder Meer & Entwicklung der Phosphorkonzentration im See – geplante Maßnahmenumsetzungen. Vortrag im Juni 2023

The terrestrial subsurface functions as a reactor that regulates the fate of biogeochemically reactive compounds. The dynamics of these biogeochemical transformations and the associated changes in concentrations of nutrients and toxic substances at various scales are highly relevant for ecology and water management. However, a quantitative assessment of these transformations and of the export of compounds from groundwater to surface waters is challenging due to the complex interplay of various reactive processes and hydrological cycles.

We use a numerical modeling approach to study the fate of organic carbon and nitrogen species in a mesoscale catchment (~850 km²) upstream of the Nägelstedt gauge of the river Unstrut in central Germany. A travel-time-based model approach is employed, in which results from a spatially distributed groundwater model are coupled with biogeochemical simulations describing the microbial-driven transformation of carbon and nitrogen species along different flow paths. The approach is inititially applied to a hillslope transect within the catchment, where extensive datasets are used to constrain and validate the model. Based on the simulation results for the transect, the approach is extrapolated to describe the fate of compounds in the catchment and their impact on river water quality.

Results of the simulations of the groundwater transect show the validity of the approach to describe the fate of biogeochemical compounds in the subsurface and allow to determine the impact of surface variations (land use change, climate effects) on compound concentrations in the subsurface. Depending on the depth and location of observation wells along the transect, residence times of compounds vary between less than a year and several decades, resulting in different sensitivities of well concentrations to surface conditions and to potentially pronounced legacy effects. The results for the catchment indicate that the dynamics of flow, transport and reaction have only a negligible effect on the export of compounds to the river. Changes in species input from the surface into the subsurface, whether due to climate or anthropogenic effects, can have more pronounced influence on catchment scale budgets than changes of in situ process dynamics.

Das Land Sachsen-Anhalt, vertreten durch den Landesbetrieb für Hochwasserschutz und Wasserwirtschaft Sachsen-Anhalt, plant die Errichtung des Flutpolders Axien-Mauken an der Elbe. Der geplante Polder wird südlich des Zusammenflusses von Schwarzer Elster und Elbe liegen.
Bei Auftreten eines 100-jährigen Hochwasserereignisses (HQ100) in der Elbe soll der geplante Polder in Betrieb gehen und den Hochwasserscheitel um ca. 0,2 m kappen. Innerhalb des Polders sollen auf einer Fläche von ca. 1695 ha ca. 52 Millionen Kubikmeter Wasser zwischengespeichert werden. Im Betriebszustand stellt der geflutete Polder eine Infiltrationsfläche für das zwischengespeicherte Wasser dar. Daraus ergeben sich im Vergleich zum Ist-Zustand erheblich veränderte Randbedingungen für das Grundwasser. In der Folge ändert sich auch die Gefährdungssituation für die zukünftig an den Polder grenzenden Ortslagen. Besonders hervorzuheben ist hier die Ortslage Mauken, welche dann im Hochwasserfall allseitig von Wasser umschlossen sein wird
Das Gebiet ist von einem komplexen Grabensystem durchzogen, das sowohl der Be- als auch Entwässerung dient. Die Gräben münden in den Altarm Kleindröbener Riß, dessen Vorflut durch das Schöpfwerk Klöden sichergestellt wird. Das Grabensystem und dessen Vorflut wird während der Polderflutung unterbrochen.
Für die betroffenen Ortslagen und weite Teile des Projektgebiets gibt es kaum langjährigen Grundwassermessdatenreihen. Die Auswirkungen eines Elbehochwassers auf die Ortslagen und das Projektgebiet sind daher nicht belastbar dokumentiert. Deswegen wurde zunächst ein Grundwassermessnetz errichtet, dessen Funktion einerseits die Beweissicherung im Ist-Zustand und andererseits die Datenerfassung für die Kalibrierung eines projektbegleitenden Grundwasserströmungsmodells ist. Perspektivisch soll mit dem Messnetz auch eine Beweissicherung des Plan-Zustandes erfolgen.
Zum Jahreswechsel 2023/2024 trat in der Elbe ein zweijähriges Hochwasser auf. Dies war das größte Hochwasserereignis seit 2013. Das Hochwasser führte zu einer Überflutung der Deichvorländer und löste ein Grundhochwasser im Projektgebiet aus. In der Folge des Hochwasserereignisses zeigte sich die komplexe Wechselwirkung zwischen der Elbe, dem Grundwasserleiter, dem Grabensystem, dem Altarm „Kleindröbener Riß“ und dem daran angeschlossenen Schöpfwerk Klöden.
Das projektbegleitende Grundwasserströmungsmodell wurde in Modflow 6 aufgebaut. Die Ziele der Grundwassermodellierung sind die möglichst belastbare Abbildung der Auswirkung eines HQ100 auf das Projektgebiet im Ist-Zustand und die Prognose der Auswirkung der Polderflutung auf die angrenzenden Ortslagen. Aus dem Vergleich der Ist- und Plan-Zustandsprognose wurde die Erfordernis nach zusätzlichen Binnenentwässerungsmaßnahmen abgeleitet. Das Ziel dieser Maßnahmen ist die höchsten prognostizierten Grundwasserstände des Ist-Zustandes während der Polderflutung zu halten. Das vorhandene Grabensystem soll zur Binnenentwässerung im Plan-Zustand mit genutzt werden. Die während der Polderflutung allseitig von Wasser umgebene Ortslage Mauken soll durch eine Ringdrainage mit angeschlossenem Pumpwerk vor dem aufsteigenden Grundwasser geschützt werden. Die für die Bemessung relevanten Förderraten wurden durch das Grundwassermodell prognostiziert. In die Schöpfwerksdimensionierung flossen auch die Ergebnisse eine Unsicherheitsbetrachtung mittels Monte-Carlo-Simulation ein.

Solute transport in rivers is partly driven by the exchange of water between rivers and their surrounding landscapes, a process known as river corridor exchange. The magnitude and spatial distribution of river corridor exchange across stream networks are strongly shaped by geomorphic features that influence local hydraulic gradients. However, despite a comprehensive understanding of these physical mechanisms, predicting solute transport across stream reaches remains challenging when based solely on models calibrated with slug tracers. This limitation arises because slug tracers primarily capture faster flow paths, overlooking longer transport timescales and thereby increasing parameter uncertainty. The goal of this study was to evaluate whether using multiple tracers for model calibration and linking results with geomorphic complexity, defined here by the sinuosity of a stream reach, reduces uncertainty in solute transport parameters. To achieve this, we calibrated a transient storage model (TSM) using either chloride slug injections alone or jointly with radon measurements and calculated parameter certainty. Radon was included as an additional tracer because it labels longer timescales, potentially offering insights beyond those obtained from slug tracer data alone. Chloride and radon measurements were conducted in multiple reaches across three streams in Germany and the United States that span a gradient of geomorphic complexity. For the first time, we show that the value of incorporating radon into TSM calibration, as reflected by higher parameter certainty, depends on the geomorphic complexity of these stream reaches. Parameter certainty is notably higher in reaches of higher geomorphic complexity, where transport timescales likely vary more widely than in simpler streams. This increased certainty arises because joint calibration combines the distinct transport timescales captured by chloride and radon, providing a more complete representation of solute transport timescales in systems of higher geomorphic complexity. These findings highlight that multi‐tracer approaches are needed to strengthen parameter certainty in solute transport models and advance our understanding of river corridor exchange.

Der Uferfiltrationsstandort Berlin Wannsee ist für eine nachhaltige Trinkwasserversorgung wichtig. Unsere Studie untersuchte Mischungen und Fließverhalten des Uferfiltrats im angrenzenden Aquifer. Hierbei wurden Mischungsverhältnisse in einem Förderbrunnen und Grundwassermessstellen bestimmt. Darüber hinaus wurden Fließgeschwindigkeiten des Uferfiltrats bis zum Erreichen der Grundwassermessstellen und des Brunnens evaluiert. Bei diesen Untersuchungen erwiesen sich stabile Wasserisotope als am besten geeignet für eine Massenbilanzierung von Mischungsverhältnissen. Für die Sommermonate 2024 und 2025 wurde eine Beimischung von Uferfiltrat zwischen 62 and 97 % nachgewiesen. Wegen zusätzlicher externer Einflüsse erwiesen sich andere konservative Tracer wie Chlorid (Cl^-), elektrische Leitfähigkeit (EC), und Gadolinium (Gd) als ungeeignet für Ermittlungen von Mischungsverhältnissen. Fließgeschwindigkeiten des Uferfiltrats im Aquifer wurden durch Zeitreihenkorrelation von Wasserisotopen untersucht und ergaben Fließzeiten zwischen 31 und 45 Tagen zu den im Mittel 50 m vom Ufer entfernten Grundwassermessstellen. Ähnliche Werte konnten durch vorhergehende Studien bestätigt werden. Folgeuntersuchungen sollten kontinuierliche Grundwasserprobenahme oder zumindest Messintervalle von 14 Tagen aufweisen und längere Untersuchungszeiträume mindestens einem hydrologischem Jahr mit Extremereignissen einbeziehen.

Stauanlagen unterbrechen die Durchgängigkeit von Fließgewässern. In geogen und montan belasteten Einzugsgebieten wie am Berthelsdorfer Hüttenteich führt dies zur Ablagerung von sulfidisch-silikatischen Sedimenten, welche mit Metall(oid)en (Al (maximal 30.400 mg/kg Trockenmasse), Fe (26.100 mg/kg), Pb (2.400 mg/kg), Zn (1.700 mg/kg), Cu (158 mg/kg), As (135 mg/kg), Cd (18 mg/kg)) angereichert sind. Da diese subhydrischen Sedimente den Stauraum reduzieren und damit die Funktionsfähigkeit der Stauanlagen gefährden, müssen sie aus dem Staukörper entfernt und im besten Fall einer Verwertung zugeführt werden.

Strategien zum Sedimentmanagement erfordern eine repräsentative Probennahme und chemische Charakterisierung des Sedimentkörpers. Das Prozessverständnis zur chemischen Bindung und Desorption der Metall(oid)e ist entscheidend für die Bestimmung der Mobilisierbarkeit. Davon hängt die Wahl geeigneter Verwertungs- und Aufbereitungsoptionen ab.

Um ein repräsentatives hochauflösendes Verständnis über die Lithologie sowie die räumliche Verteilung der Metall(oid)konzentration und -bindung in-situ zu erhalten, wurden tauchergestützt Einzel- und Mischproben entnommen, Eluatkonzentrationen (As, Ca, Cd, Co, Cu, Mg, Mn, Ni, Pb, Sb, Sn, Zn) bestimmt sowie korngrößenabhängig eine sequentielle Extraktion (Al, As, Ca, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, Zn) durchgeführt. Zur Charakterisierung der Desorptionskinetik der Metall(oid)e unter veränderten Bedingungen, wie sie z. B. ex-situ auf Schuttkörpern während der Drainierung der subhydrischen Sedimenten unter natürlichem Niederschlag als Teil einer Aufbereitungsmaßnahme auftreten, wurden im Labormaßstab Perkolationsversuche durchgeführt. Diese simulieren die Mobilisierung der Metall(oid)e durch Niederschlagswasser in einem Zeitraum von 1,5 Jahren, bestehend aus drei gravitativ induzierten Perkolationsphasen (12 h bis 24 h) und zwei Trockenphasen (24 h bis 36 h).

Die metall(oid)spezifischen Bindungsverhältnisse unterscheiden sich lateral nicht. Während die massedomierenden Metalle (Al, Fe, Mg) hochanteilig residual gebunden sind, sind nicht-massedominierende Metall(oid)e (z. B. As, Cd, Co, Cu, Ni, Pb, Zn) zu 31 % bis fast 100 % nicht-residual gebunden. Mit der Tiefe werden die nicht-residualen Konzentrationen aufgrund früherer Lösungsprozesse und zunehmenden reduzierenden Bedingungen abgereichert. Mit der Tiefe abnehmende Eluatkonzentrationen bestätigen dies. Die geringen Metall(oid)konzentrationen im Oberflächenwasser leiten eine langsame in-situ-Desorptionskinetik der Metall(oid)e zwischen Sediment und Oberflächenwasser ab. Hohe Eluatkonzentrationen von Zn (maximal 19 mg/l), Cd (212 µg/l), Ni (128 µg/l), Pb (118 µg/l), As (20 µg/l) und Sulfat (310 mg/l) zeigen jedoch im Lösungsgleichgewicht eine hohe potentielle Mobilisierbarkeit. Perkolierendes Niederschlagswasser löst mit dem First Flush signifikante Mengen an Metall(oid)en aus dem Sediment, welche die Eluatkonzentrationen übersteigen. Mit Ausnahme von As folgen dem First Flush exponentiell abnehmende gelöste Metall(oid)konzentrationen. Anschließende Trocken- und Perkolationphasen können zu einer kurzzeitigen Erhöhung der Konzentrationen führen.

Die Studie zeigt die Notwendigkeit von standortabhängigen Untersuchungen zur Desorptionskinetik von Metall(oid)en in subhydrischen Sedimenten, um die natürliche Mobilisierbarkeit dieser potentiellen Schadstoffe sowohl in-situ als auch im Rahmen von Aufbereitungsmaßnahmen ex-situ einzuschätzen.

Die Wechselwirkungen zwischen Grundwasser (GW) und Oberflächengewässern (OW) spielen eine zentrale Rolle bei der Grundwasserneubildung und damit für die nachhaltige Wasserversorgung. In Städten wie Freiburg, deren Trinkwasser überwiegend aus gewässernahen Grundwasserbrunnen gewonnen wird, sind die Austauschprozesse zwischen GW und OW besonders relevant. Sie beeinflussen sowohl die Wasserqualität, etwa durch den Eintrag unerwünschter Stoffe, als auch die verfügbare Wassermenge, beispielsweise durch das Trockenfallen von Flussabschnitten. Eine unzureichende Berücksichtigung dieser Prozesse kann erhebliche ökologische und ökonomische Folgen haben. Trotz ihrer Bedeutung bestehen weiterhin methodische Herausforderungen bei der flächendeckenden Erfassung des Austauschs.

Bisherige Untersuchungen beruhen überwiegend auf punktuellen Messungen der hydraulischen Konnektivität, die zwar lokal sehr präzise Daten liefern, aber nur begrenzt räumlich übertragbar sind. Lokale Anomalien können dabei zu einer Über- oder Unterschätzung des Gesamtsystems führen. Daher stellt sich die Frage, ob integrative Ansätze geeignet sind, den Austausch über größere Flussabschnitte hinweg besser abzubilden und charakteristische Muster sowie Kipppunkte im System zu identifizieren.

Diese Studie untersucht, ob differenzielle Abflussmessungen entlang ganzer Flussabschnitte den GW-OW-Austausch zuverlässig erfassen können. Dabei gehen zwar lokale Details verloren, das Gesamtsystem wird jedoch als Ganzes beschrieben. Ziel ist es, ein flächendeckendes Verständnis räumlicher Austauschmuster in der Region zu gewinnen, welches über Einzelmessungen nicht zu erreichen ist.

Zur Untersuchung wurden in drei kleinen bis mittelgroßen Flüssen im Großraum Freiburg (mittlerer Abfluss: 2-20 m³/s) wurden an aufeinander folgenden Messstationen Abflusswerte gemessen. Entlang der untersuchten Abschnitte wurden 20 temporäre Pegelmessstationen installiert, die über mehr als zwei Jahre hinweg kontinuierlich Wasserstände und Abflüsse aufzeichneten. Durch gleichzeitige Messungen an aufeinanderfolgenden Querschnitten wurde der Nettoaustausch zwischen Fluss und Grundwasser berechnet. Alle Flüsse liegen in Trinkwassergewinnungsgebieten mit starker hydraulischer Verbindung.

Die Kombination langzeitiger und hochfrequenter Daten ermöglicht eine detaillierte Analyse saisonaler und kurzfristiger Variabilität, etwa infolge von Niederschlagsereignissen oder Trockenperioden. Besonders aufschlussreich sind die beobachteten Schwellenwerte, bei denen sich die Austauschrichtung umkehrt, was einen signifikanten Unterschied in der Wasserchemie bewirken kann. Damit werden Prozesse sichtbar, die in punktuellen Messungen kaum erfasst werden.

Der integrierte Ansatz deckt den wichtigsten Teil der Freiburger Trinkwassergebiete ab und zeigt das Potenzial differenzieller Abflussmessungen zur quantitativen Bewertung des GW-OW-Austauschs. Die Ergebnisse bieten eine wichtige Grundlage um künftig informierte wasserwirtschaftliche und ökologische Entscheidungen zu treffen.

Als größter Flächenversorger Deutschlands sichert der Oldenburgisch-Ostfriesische Wasserverband (OOWV) durch den Betrieb von 15 Wasserwerken die Trinkwasserversorgung von über eine Million Menschen im Nordwesten Deutschlands. Im Bereich dieser Wasserwerke werden an etwa 2600 Grundwassermessstellen regelmäßig der Grundwasserstand und an etwa 500 Messstellen die Wasserqualität gemessen. Die Basis für eine belastbare Qualität der erhobenen Daten bilden dabei Messstellen, die sowohl funktionsfähig als auch für ihre unterschiedlichen Überwachungs- und Monitoringaufgaben geeignet sind.

Aufgrund der Vielzahl der Messstellen ist eine manuelle Eignungsprüfung zeitintensiv und ineffizient. Daher wurde ein systematischer Ansatz entwickelt, der auf automatische Überprüfungen der Messstellendaten setzt. Im ersten Schritt wurden essentielle Kriterien definiert, die jede Grundwassermessstelle erfüllen muss, wie etwa die Angabe von aktuellen Koordinaten oder das Vorhandensein einer hydraulischen Trennung in der Schüttung. Die Kriterien orientieren sich an bestehenden Regelwerken, werden aber in einigen Punkten erweitert. Für Grundwassergütemessstellen wurden zusätzliche Anforderungen formuliert, die für reine Grundwasserstandsmessstellen nicht erforderlich sind.

Im nächsten Schritt wird nun sukzessive ein OOWV-internes R-Paket ‚messstellencheck‘ entwickelt, in dem die automatischen Überprüfungen der Kriterien zusammengefasst werden. Das Ziel ist, dieses Paket regelmäßig auf die Messstellendaten anzuwenden, um die Qualität des Messnetzes langfristig zu sichern. Erste Implementierungen und deren Anwendung auf die Messstellen eines Wasserwerks haben bereits gezeigt, dass das Paket eine große Unterstützung bei der Überarbeitung des Messnetzes sowie bei der Datenpflege darstellt. Die Ergebnisse des Messstellenchecks fördern nicht nur die Klarheit darüber, welche Messstellen verlässlich sind und weiter betrieben werden sollten, sondern weisen auch auf Lücken in den Daten hin. Diese Daten können nun gezielt in der Datenbank nachgepflegt werden, indem sie aus anderen Quellen wie PDF-Dokumenten übertragen werden. Sollten trotz der Nacherfassung weiterhin Datenlücken vorhanden sein, können ggf. Überprüfungen vor Ort, wie z.B. Kamerabefahrungen, veranlasst werden um diese zu schließen.

Das R-Paket 'messstellencheck' trägt damit entscheidend zur effizienten und gezielten Eignungsprüfung der Grundwassermessstellen bei. Diese digitale Lösung verbessert die Datenqualität und unterstützt die kontinuierliche Pflege der Messnetze, indem sie gezielt Lücken aufdeckt und Handlungsbedarfe identifiziert. Dadurch können Instandhaltungsmaßnahmen optimiert und Entscheidungen fundierter getroffen werden, was wiederum die Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit der Wasserversorgung stärkt.

Das Grundwassermonitoring basiert in Deutschland bislang weitgehend auf konventionellen Mess- und Berichtsverfahren, die auf regional verteilten Messstellen und periodischen Datenerhebungen beruhen. Diese etablierten Strukturen liefern grundlegende Informationen zu Wasserständen und hydrochemischen Parametern, schöpfen jedoch das Potenzial moderner digitaler Technologien bisher nur begrenzt aus. Die Digitalisierung eröffnet umfangreiche Möglichkeiten, die Qualität und den Nutzen des Monitorings deutlich zu steigern. Digitale Plattformen können unter anderem:

• Messnetze mit Echtzeit-Sensorik verknüpfen,
• Daten standardisieren,
• Routinen für die Plausibilisierung automatisieren,
• Beobachtungsdaten nahtlos mit Modellen verknüpfen,
• Datensicherheit gewährleisten und
• Informationen für Beteiligte und Betroffene transparent bereitstellen.

ENOLA ist eine Monitoringplattform für integriertes und kooperatives Grundwassermanagement von der Datenaufnahme bis zur Entscheidungsfindung. Essentielle Aufgaben für Hydrogeolog*innen und Akteur*innen aus der Wasserwirtschaft lassen sich darin intuitiv, schnell und vernetzt erledigen:

Erfassen – Verwalten – Analysieren – Auswerten – Diskutieren – Entscheiden

Die Akteure und Beteiligten können sowohl individuell als auch kooperativ im Team mit Echtzeitdaten arbeiten – vom kleinen Bauprojekt bis zum Landesmessnetz. Dabei greifen sie auf dieselben Daten zu („Single Source of Truth“). Die Daten sind unabhängig von Ort, Gerät sowie Betriebssystem nutzbar und liegen sicher auf DSGVO-konformen Servern in Deutschland. Durch effektive IT-Sicherheit, wie ISO/IEC 27001 zertifiziertes Datenhosting und Zwei-Faktor-Authentifizierung, sind die Daten vor unerlaubten Zugriffen geschützt.

In ENOLA sind Auswertungen (z.B. Bewertung hoher und niedriger Grundwasserstände) automatisiert, sodass Grundwasserdaten so inwertgesetzt werden können wie Wetterdaten. Dies erlaubt nicht nur die frühzeitige Erkennung hydrogeologischer Trends und eine schnellere Reaktionsfähigkeit bei kritischen Entwicklungen, sondern auch eine effizientere Planung von Maßnahmen zur Stabilisierung des Wasserhaushalts. Relevante Stakeholder können dabei nach Bedarf eingebunden werden und die Datenaufnahme sowie daraus abgeleitete Sachverhalte und Fakten transparent kommuniziert werden. Das stärkt das Vertrauen in hydrogeologische Projekte und steigert damit deren Akzeptanz.

Die Vorteile von ENOLA zusammengefasst:

• Kooperatives und integriertes Projektmanagement in der Hydrogeologie
• Zeitersparnis durch voll digitale und nahtlose Arbeitsprozesse
• Höhere Inwertsetzung der Daten durch frühe Erkennung fehlerhafter Messungen
• Verbessertes Systemverständnis durch automatisierte Auswertungen
• Direkte Anbindung von numerischen oder KI-Modellen über offene API-Schnittstelle
• Stakeholdermanagement: Möglichkeit zur direkten und transparenten Kommunikation nach außen

Daten zu umweltrelevanten Schutzgütern und Ressourcen wie Wasser werden in Deutschland größtenteils auf Länderebene und damit dezentral erfasst. Für Nutzenden ist damit der Zugang erschwert, da die Daten weit verteilt und uneinheitlich abgelegt sind. Aus diesem Grund wurde am Umweltbundesamt das Nationale Zentrum für Umwelt- und Naturschutzinformationen gegründet, dessen zentrales Produkt, das Portal umwelt.info, einen einheitlichen Zugang zu allen öffentlich verfügbaren Umwelt- und Naturschutzdaten Deutschlands bieten soll.

Das Suchportal umwelt.info ist seit Anfang 2025 online und bietet bereits über 1.2 Millionen Datensätze aus 250 verschiedenen Quellen, wie Behörden, Wissenschaft und Zivilverwaltung an (Stand Oktober 2025). Im Bereich Wasser sind bereits 127.700 Grundwassermessstellen und 24.900 Flussmessstellen erfasst. Über diese Messstellen werden Metadaten bereitgestellt wie eine global eindeutige Messstellen-ID, eine Liste der Messgrößen, Zeitraum und Ortsdaten der Messungen, sowie Verknüpfungen zu den jeweiligen Grundwasser- und Flusswasserkörpern. Des Weiteren existieren R- und Python-basierte Downloadskripte mit denen, falls vorhanden, die Zeitreihen der Messungen heruntergeladen werden können. Aufgrund unseres Open-Source-Ansatzes ist außerdem eine einfache Anpassung dieser Skripte für spezifische Anwendungszwecke möglich. Unsere dokumentierte API erleichtert einen direkten Zugriff.  

Im Bereich Grundwasser bietet umwelt.info:

• Verstetigter, regelmäßig aktualisierter und ständig wachsender Metadatenindex

• Vereinfachte Recherchen z.B. für datengetrieben Modellierung und Analyse

• Unterstützung für das skalenübergreifendes Verschneiden von verschiedenen Datenquellen

• Übersicht über Datenquellen im Bereich Wasser z.B. für die Bewertung von WRRL-Maßnahmen, den Aufbau Digitaler Zwillinge, Prognosemodellierung für die Aquiferbeschaffenheit und Grundwasserverfügbarkeit

Das Poster gibt einen Überblick über die aktuell in umwelt.info abrufbare Datenlage zu Grundwassermessstellen in Deutschland. Nutzen Sie die Gelegenheit am Poster, um mit uns über Ihre Anwendungsfälle und mögliche Datenlücken ins Gespräch zu kommen - und wie umwelt.info helfen kann, diese zu schließen.

Das Portal ist unter der Adresse https://umwelt.info erreichbar, wobei die Suche einfach unter https://umwelt.info/suche zu finden ist. Um Transparenz, Nachnutzbarkeit und Zusammenarbeit zu fördern, ist sämtlicher Code unter einer Open Source Lizenz erhältlich. Das zentrale Repository ist unter https://gitlab.opencode.de/umwelt-info gehostet, während alle Python und R-Skripte unter https://gitlab.opencode.de/umwelt-info/data-stories zu finden sind. 

Knowing the groundwater levels in observation and production wells is the basis for almost all assessments of groundwater hydraulics. Traditionally, water levels are determined manually with dip meters or indirectly via pressure sensors below the water table. The methods have proven to be robust over years, but are often not applicable, because either the gadgets are (1) not available in the area, (2) too costly or (3) not applied adequately. Due to these obstacles, many well water levels are still not monitored appropriately until today and projects like the Global Groundwater Monitoring Network (GGMN) by IGRAC (2025) show large gaps in non-OECD countries.

The smartphone app “Groundwater Global” allows everybody with access to an observation well the determination of groundwater levels by using the phone’s speaker and microphone. The app is available for iOS and Android and offers good accuracy for basically all smartphones on the market, when the well setup is suitable. The suitability of a well is mainly determined by the well diameter, the type of casing and the filter screen. The app is complemented by a database system to store the measurement results and connect them to specific locations.

When factors like air temperature are considered, the well water level can be determined with an accuracy of ±2 cm down to a depth of 25 m below well head, independently from the phone type. This was confirmed in a laboratory study with 18 different phone types for different well pipe lengths and will be evaluated further in an upcoming field study.

The app allows groundwater monitoring even under difficult circumstances and can be considered a promising tool to assess water levels at single wells as well as to improve the coverage of projects on larger scale such as the GGMN by IGRAC (2025).

References:

IGRAC (2025) - The Global Groundwater Monitoring Network (GGMN). Retrieved from https://ggmn.un-igrac.org/ (Accessed [30-10-2025]). DOI: https://doi.org/10.58154/6Z0Y-DA34

While numerical groundwater models are widely used, analytic element models (AEMs) offer advantages for specific applications. A key advantage of AEMs is their continuous nature, which can represent model values at any spatial point without requiring a computational grid. However, AEMs have several limitations that restrict their universal applicability compared to numerical models. Coupling numerical models with AEMs can combine the strengths of both modeling approaches.

This presentation demonstrates how coupling MODFLOW 6 (MF6) with the AEM TTim can enhance various aspects of groundwater modeling. The coupling was implemented using pymf6, which enables runtime control of MF6 through dynamic reading and modification of model variables. The coupling process creates a new TTim model for each MF6 cell at every time step. The TTim model inherits properties and boundary conditions from the parent MF6 model. Consequently, each MF6 cell becomes a fully functional TTim model capable of representing spatial and temporal details within that cell for one time step. Multiple TTim models can be coupled, one per MF6 cell.

The first use case demonstrates runtime reduction by coupling a TTim model containing a well to a cell in a coarsely discretized MF6 model. The objective is to obtain more accurate water levels in the well. Rather than implementing grid refinement or converting from rectilinear discretization (DIS) to vertex-based (DISV) or unstructured discretization (DISU), we employed TTim coupling. Results show that the coupled model reproduces well water levels comparable to those from MF6 models with significantly finer discretization, substantially reducing computational time by orders of magnitude.

The second use case involves placing multiple TTim wells within a single MF6 cell. This approach enables representation of closely spaced wells in an MF6 grid that is much coarser than the inter-well distances. Model outputs include water levels for all wells and the drawdown distribution within the MF6 cell. pymf6 can dynamically adjust the pumping rate of wells in the MF6 cell based on TTim results during runtime. For instance, the MF6 pumping rate can be regulated to maintain water levels in one or more wells within specified constraints.

Additional TTim features enable further coupling applications. TTim line sinks could represent small drainage ditches interacting with groundwater. TTim area sinks could model multiple small-scale infiltration structures with different hydraulic properties within a single MF6 cell. TTim models could also provide outer boundary conditions for MF6 models, such as infinite boundaries. This approach could reduce the numerical model domain size by allowing boundary conditions to be positioned closer to the area of interest, with the coupled TTim model accounting for distance effects.

Die Versuchsstation Karolinenfeld der Bayerischen Staatsgüter (BaySG) liegt östlich von München. Dort werden im Rahmen des Projektes "Moorverträgliche Bewirtschaftungsmaßnahmen" verschiedene Untersuchungen zu einer moorverträglichen Nutzung mit angehobenen Grundwasserständen durchgeführt. Zukünftig plant die BaySG mit Unterstützung des Landesamtes für Landwirtschaft (LfL) die Wiedervernässung des gesamten Moorversuchgutes, um den teilweise schon stark degradierten Torfkörper zu erhalten.

Im Rahmen des Projekts KliMoBay hat die DHI WASY zusammen mit der TU München bereits ein integriertes Wasserhaushaltsmodell aufgebaut, welches in der Lage ist, die komplexen Wechselbeziehungen zwischen Niederschlag, Verdunstung, Oberflächenabfluss, Grundwasser, Drainagen und Torfböden unterschiedlicher Degradierungsstufe abzubilden. Das integrierte Wasserhaushaltsmodell wurden stationär und instationär anhand von Grundwasserständen und Gewässerabflüssen kalibriert und ist in der Lage alle hydrologischen Prozesse und baulichen Maßnahmen realitätsnah abzubilden.

Ziel der Machbarkeitsstudie war es mithilfe des Modells die Moorwasserstände in so vielen Bereichen wie möglich auf ein Optimum anzuheben. Gleichzeitig sollten mögliche Synergieeffekte erkannt und mögliche negative Auswirkungen auf Gewässerabflüsse und Anrainer untersucht werden. So konnte beispielweise der Rückhalt von Starkregenereignissen nicht nur dem Hochwasserschutz dienen, sondern auch dazu beitragen das Wasserdefizit in den heißen Sommermonaten ausgleichen.

Das Modell ist durch den Finite-Differenzen-Ansatz in separate Modellzellen unterteilt, sodass sowohl Änderungen im (Grund-) Wasserstand, Gewässerabfluss als auch in der Wasserbilanz für jedes beliebige Teilgebiet ausgewertet werden können. Somit konnten die Auswirkungen durch den Wehranstau des zentralen Vorfluters bei Starkregen sowohl auf die maximalen Grundwasserstände als auch auf die Gewässerabflüsse detailliert untersucht werden.

Durch die Anwendung des integrierten Wasserhaushaltsmodells, konnten ebenfalls die langfristigen, sekundären Effekte auf die Wasserbilanz analysiert werden. So zeigt der Vergleich der Wasserbilanz für das Referenzszenario mit aktiven Drainagen gegenüber dem Szenario ohne Drainagen einen starken Anstieg im Direktabfluss, dem Basisabfluss und der Evapotranspiration.

Die Ergebnisse der Machbarkeitsstudie zeigen sieben vielversprechende Maßnahmen auf, welche eine Wiedervernässung ermöglichen. Darauf konnte differenziert analysiert werden, welche Maßnahmen dabei einen positiven bzw. welche einen negativen Effekt auf das Abflussverhaltens der Gewässer in Bezug auf den Hochwasserschutz erwarten lassen. Für eine der untersuchten Flächen zeigte sich beispielsweise, dass eine Umnutzung als Polderfläche die zielführendste Lösung darstellt – deren Umsetzung nun auch geplant ist. Künftig soll der Überlauf dieser Polderfläche zum Erlbach gesteuert erfolgen. Die hierfür erforderliche Steuerung wird mithilfe des integrierten Modellansatzes entwickelt.

Die Maßnahmen, wie hier vorgestellt, sollen nach Klärung der Genehmigungen und Bürgerbedenken, Schritt für Schritt erprobt werden.

folgt

Der Klimawandel stellt die öffentliche Wasserversorgung vor große Herausforderungen. Sowohl Modellprojektionen als auch statistische Auswertungen und darauf aufbauende Prognosen gehen von Veränderungen des Wasserhaushalts aus. So zeigen einige Modellprojektionen eine Zunahme von längeren Dürrephasen, insbesondere in Bezug auf eine zurückgehende Grundwasserneubildung, sowie eine Zunahme extremer Niederschlagsereignisse und stärker ausgeprägter Nassjahre. Die Schwankungsbreite der Grundwasserneubildung ist deutlich höher als die klimatische Mittelwertvariation zwischen Einzeljahren. Die zunehmenden Extremereignisse (Hitze, Starkregen) begründen einen Anpassungsbedarf der öffentlichen Wasserversorgung. Aus möglichen Engpässen in Dürrephasen können neue Nutzungskonflikte entstehen oder bestehende Konflikte können sich verstärken.

Träger der öffentlichen Wasserversorgung sind zunächst die Kommunen. Insgesamt müssen sich die Kommunen auf die beschriebenen Veränderungen einstellen. Dazu müssen die Planung, die Struktur und die Vernetzung ihrer Wasserversorgungssysteme an die sich verändernden Gegebenheiten angepasst werden. Derzeit testen bzw. prüfen viele Kommunen die Ressourcenverfügbarkeit (Rohwasser/Trinkwasser), die Infrastruktur und gegebenenfalls die Lieferverträge auf ihre Resilienz gegenüber klimatischen Veränderungen in naher, mittlerer und ferner Zukunft.

Je nach Größe der Kommune und den naturräumlichen Gegebenheiten ergeben sich daraus unterschiedliche Handlungsbedarfe und Handlungsoptionen als Reaktion auf die prognostizierten Umweltveränderungen in der Zukunft. Insbesondere die (Grundwasser-)Dürrephase zwischen 2003 und 2022 in Deutschland sowie das trockene Frühjahr 2025 zeigen, dass mit Blick auf die Wasserverfügbarkeit und das Ziel einer sicheren öffentlichen Wasserversorgung die Resilienz der bestehenden Strukturen geprüft werden muss.

Dies betrifft vor allem kleinere und mittlere Kommunen, die sich bisher teilweise oder vollständig selbst mit Wasser versorgt haben. Sie leiten aus der sich verändernden Ausgangssituation besondere Handlungsbedarfe ab. Diesen Bedarfen werden Handlungsoptionen gegenübergestellt. Je nach Größe und Struktur der öffentlichen Wasserversorgung sowie den naturräumlichen Gegebenheiten umfassen die Handlungsoptionen rechtliche, wirtschaftliche, infrastrukturelle und kooperative Maßnahmen.

Anhand von generalisierten Wasserversorgungssystemen werden die kritischen Punkte einer Vielzahl von Versorgungssystemen beispielhaft dargestellt. Im Anschluss erfolgt die Analyse dieser kritischen Punkte unter Berücksichtigung einer lang anhaltenden Dürrephase. Aus der Systemanalyse werden Handlungsoptionen abgeleitet, die für die jeweilige Situation bestehen und präventiv, strukturell oder als Notmaßnahme umgesetzt werden können.

Auf Basis der Betrachtung des aktuellen Bedarfs, einer Zukunftsprognose des Bedarfs insgesamt sowie nach Nutzerkategorien unterschieden und unter Berücksichtigung der Projektionen der Klimaveränderung ergeben sich schließlich konkrete Handlungsempfehlungen für die öffentliche Wasserversorgung unter den jeweils beschriebenen Rahmenbedingungen.

An der Trinkwasserversorgung von Kommunen und Landkreisen sind häufig mehrere Wasserversorgungsunternehmen beteiligt, die z. T. wirtschaftlich miteinander verbunden sind (z.B. durch gegenseitige Lieferverträge) und nicht selten auf die gleichen Oberflächen- bzw. Grundwasservorräte zugreifen. Die Versorgungsgebiete der Trinkwasserversorger orientieren sich in der Regel an administrativen Grenzen (Kommunen, Landkreise, Bundesländer), weswegen die Trinkwasserversorgung in Deutschland bereichsweise sehr kleinteilig organisiert ist.

Demgegenüber stehen die Herausforderungen, vor denen die Wasserversorger aufgrund des Klimawandels stehen, und die sich nicht an administrative Grenzen oder organisatorische Vorgaben halten. Die besonderen Witterungslagen der zurückliegenden Jahre mit sowohl anhaltend heißen und trockenen Frühjahrs- und Sommerperioden als auch zunehmende Starkregenereignisse zeigen, dass sich die wandelnden klimatischen Bedingungen bereits auf die verfügbaren Trinkwasservorräte auswirken. Demgegenüber stehen häufig steigende Bedarfe. Mögliche Lösungsansätze können nicht allein in weiteren infrastrukturellen Maßnahmen bestehen bzw. von einzelnen Wasserversorgern für ihr individuelles Versorgungsgebiet implementiert werden. Aus diesem Grund haben sich 25 Trinkwasserversorger in der nördlichen Region Ostwestfalen-Lippe zum Ziel gesetzt, ein versorgungsgebietsübergreifendes Zukunftskonzept zu erarbeiten.

Kernelemente dieses Zukunftskonzeptes sind die Analyse der Ist-Situation und die Prognose der zu erwartenden Entwicklungen in den Bereichen Wasserdargebot (Oberflächen- und Grundwasser), Wasserbedarf (Trink- und Brauchwasser) und Wasserversorgungsinfrastruktur. Auf Basis dieser Ergebnisse wird ein Handlungsplan entworfen, um die zukünftige Wasserversorgung sicherzustellen.

Mit den Methoden der ‚Systems Dynamics‘ wird versucht, die Vielzahl der Faktoren und Parameter, aus denen das komplexe System ‚Wasserversorgung‘ besteht, auf die wesentlichen Schaltstellen zu reduzieren und so die Auswirkungen, die zukünftiges Handeln auf die regionale Wasserwirtschaft hat, vorab mittels eines Systemmodells abschätzen zu können. Dies soll auch dazu dienen, die Konsequenzen von Maßnahmen (bzw. deren Nicht-Ergreifung) einem breiteren Kreis an Interessenten (Politik, Wirtschaft, Bevölkerung) transparent und verständlich darstellen und erläutern zu können.

Das 2021 vom Ministerium für Land- und Ernährungswirtschaft, Umwelt und Verbraucherschutz (MLEUV) des Landes Brandburg eingeführte Landesniedrigwasserkonzept (LNWK) zielt auf ein systematisches und strukturiertes wasserwirtschaftliches und wasserrechtliches Handeln für ein nachhaltiges Niedrigwassermanagement in Brandenburg ab. Das LNWK ist auf die Umsetzungsebene von 16 Flussgebieten, orientiert an den WRRL-Planungseinheiten, ausgerichtet. Dass flussgebietsbezogene Niedrigwassermanagement soll in den Flussgebieten durch die regionalen Zuständigen für die Wasserwirtschaft und unter Beteiligung von Kommunen, Landwirten, Fischerei, Forstwirtschaft, Naturschutz und Öffentlichkeit erfolgen. Die Flussgebietskoordination und Projektmanagementmaßnahmen werden von 4 Ingenieur-Büros umgesetzt. Ziel ist eine gemeinsame und abgestimmte Flussgebietsbewirtschaftung, die auf die Stabilisierung des Landschaftswasserhaushaltes unter Berücksichtigung von Starkregen und Hochwasser ausgerichtet ist und das Management von Niedrigwassersituationen umfasst. Ein weiteres Ziel besteht in der Definition von fachübergreifenden Anforderungen.

Maßgebende Handlungsoptionen zur Niedrigwasservorsorge wie das Stützen von Grundwasserständen, die Erhöhung der Grundwasserneubildung und die Verbesserung des Landschaftswasserhaushaltes sind eng verknüpft mit der Grundwasserbewirtschaftung. Im Rahmen der Flussgebietsarbeit wurden alle wesentlichen Akteure befragt, Informationen gesammelt, Probleme analysiert, Handlungsoptionen abgeleitet und die Erkenntnisse in Flussgebietssteckbriefen zusammengefasst. Ein weiterer wichtiger Teil ist die Begleitung der Umsetzung des LNWK durch den Aufbau kontinuierlicher Kommunikationsstrukturen, der Entwicklung von Strategien für regionale Bewirtschaftungs-/Niedrigwasserkonzepte und die Unterstützung & Initiierung erforderlicher konkreter Maßnahmen, z.B. unter Nutzung der LWH-Förderrichtlinie oder weiteren Förderprogrammen des Landes Brandenburg. Wesentliche Einzelmaßnahmen sind die Sanierung von Stauanlagen, Anpassung von Poldern und Schöpfwerken, die Revitalisierung von Kleingewässern, Teichen und Söllen, die Rücknahme der Entwässerung von Hochflächen, Speisungsgebieten und Quellgebieten, z.B. durch die Anpassung von Drainagen, die Verkleinerung von Gewässerprofilen oder das Verplomben von Gräben, und eine angepasste Oberflächen- und Grundwasserbewirtschaftung.

Anhand eines Beispiel-Einzugsgebietes im Flussgebiet Mittlere Spree wird die Vorgehensweise der Ableitung und Beginn der Umsetzung von zielgerichteten Maßnahmen zur Verbesserung des Landschaftswasserhaushaltes, unter Beachtung der vorliegenden Datengrundlage, Einzugsgebietseigenheiten (z.B. bergbaulicher Einfluss, Stauregulierung,) und unter Beachtung weiterer Belange (z.B. weitere Nutzungsansprüche, Hochwasserschutz, WRRL, Grundwasserbewirtschaftung, bestehende Landnutzung) vorgestellt.

Vielerorts führen rückläufige Grundwasserneubildungsraten, hervorgerufen durch länger währende Trockenperioden [1] und veränderte Niederschlagsmuster infolge des Klimawandels, zu wachsenden Nutzungskonflikten hinsichtlich der Ressource Grundwasser. Gleichzeitig wird deutlich, dass die Nutzungsansprüche aus Landwirtschaft [2], öffentlicher Wasserversorgung und Industrie – ebenso wie der Bedarf an Wasser zum Schutz ökologisch sensibler Lebensräume – perspektivisch steigen werden. Damit gewinnen Maßnahmen für eine nachhaltige und effektive Grundwasserbewirtschaftung zunehmend an Bedeutung, um die Verfügbarkeit von Wasser – sowohl in quantitativer als auch in qualitativer Hinsicht – langfristig zu sichern.

Im Rahmen des Förderprogramms „Klimafolgenanpassung Wasserwirtschaft“ wird derzeit ein modellbasiertes Wassermengenmanagementkonzept für den Landkreis Grafschaft Bentheim aufgestellt. Die Grundlage bildet ein kreisweites, gekoppeltes Strömungsmodell. Die Modellierung wird unter Anwendung der Software HydroGeoSphere (HGS, [3]) durchgeführt. Diese ermöglicht die direkte Kopplung von gesättigter Zone, ungesättigter Zone und oberirdischem Abfluss auf Basis eines physikalisch begründeten, numerischen Ansatzes.

Für die Beschreibung des Ist-Zustandes erfolgte zunächst eine umfangreiche Datenrecherche. Den Zeitraum 2011 bis 2023 betrachtend wurden Informationen zu erteilten Wasserrechten, realen Entnahmen aus Grund- und Oberflächenwasser, (Grund)-Wasserständen sowie Abflüssen entlang der Vorfluter innerhalb der Modellkulisse zusammengetragen. Insgesamt zeigte sich ein deutlicher Trend zu steigenden Grundwasserentnahmen, der primär auf den erhöhten Wasserbedarf von Akteuren der Landwirtschaft zurückzuführen ist. Das Volumen der erteilten Wasserrechte stieg von rund 22 Mio. m³/a im Jahr 2011 auf etwa 31 Mio. m³/a im Jahr 2023 (Abb. 1). Die mit Abstand höchsten Entnahmedichten wiesen die Grundwasserkörper „Niederung der Vechte rechts“ und „Itter“ auf, was deren große wasserwirtschaftliche Bedeutung für den Landkreis Grafschaft Bentheim herausstellt.

Nach Kalibrierung und Validierung des gekoppelten Strömungsmodells erfolgen Prognoserechnungen unter Berücksichtigung anerkannter klimatischer Szenarien, aber auch unter Implementierung verschiedener wasserwirtschaftlicher Maßnahmen. Die Präsentation erster Ergebnisse im Rahmen der Tagung ist vorgesehen. Im Sinne eines partizipativen Ansatzes wurden lokale Akteure frühzeitig in die Projektarbeit eingebunden, um gemeinsam praxisnahe Handlungsoptionen zu entwickeln und deren Akzeptanz zu fördern. Ziel ist die Entwicklung robuster Bewirtschaftungsstrategien, die unter veränderten klimatischen Bedingungen langfristig tragfähig, ökologisch nachhaltig und sozial gerecht sind.

Literatur:

[1] Berghuijs, W.R., Collenteur, R.A., Jasechko, S. et al. (2024). Groundwater recharge is sensitive to changing long-term aridity. Nat. Clim. Chang. 14, 357–363 (2024).

[2] Niedersächsisches Ministerium für Umwelt, Energie und Klimaschutz (MU) (2024): Runderlass Mengenmäßige Bewirtschaftung des Grundwassers (RdErl. d. MU v. 23. April 2024 – 23‑62011/010). In: Niedersächsisches Ministerialblatt, Nr. 223.

[3] Brunner, P., Simmons, C. T. (2012). HydroGeoSphere: A fully integrated, physically based hydrological model. Groundwater, 50(2), 170-176.

Im mittleren Pegnitztal östlich von Nürnberg wird das Grundwasservorkommen im Sandsteinkeuper intensiv zur öffentlichen Trinkwasserversorgung genutzt. Neben konkurrierenden industriellen Entnahmen führen insbesondere anthropogene Belastungen in dicht besiedelten Industriegebieten zu einer erhöhten Gefährdung der Grundwasserqualität. Um die zukünftige Versorgungssicherheit und den nachhaltigen Umgang mit der Ressource Grundwasser zu gewährleisten, haben sich vier kommunale Wasserversorgungsbetriebe, die zusammen ca. 5 Mio m³/a Trinkwasser fördern, strategisch zusammengetan, um eine Wasserhaushalts- und Grundwassermodellierung für eine integrierte Betrachtung des verfügbaren Grundwasserdargebotes und des Wasserbedarfs im Nürnberger Land zu beauftragen. Zielstellungen sind, weiterhin regional und dezentral Trinkwasser für die Bürger aus den eigenen Trinkwasserfassungen zu produzieren und um mögliche Nutzungs- und Verteilungskonflikte untereinander aber auch in Bezug auf eine große angrenzende konkurrierende Nutzung erkennen und quantifizieren zu können. Das Projekt wurde intensiv durch das zuständige Wasserwirtschaftsamt und die Untere Wasserbehörde begleitet, da ein integraler Ansatz beim Wassermanagement aus behördlicher Sicht insbesondere auch vor dem Hintergrund der Trinkwassereinzugsgebietsverordnung (TrinkwEGV) als zielführend erachtet und unterstützt wird.

Es wurde ein hochwertiges hydrogeologisches Strukturmodell mit Leapfrog Works erstellt, das eine detailgetreue Abbildung der hydrogeologischen Verhältnisse ermöglicht und auch durch eine extrem feine Diskretisierung (1 m) z.B. die Interaktion zwischen Fließgewässern und Grundwasser hochgenau nachbilden kann. Das Wasserhaushaltsmodell und die Kopplung zum Gewässersystem wurden mit MIKE SHE und MIKE Hydro River umgesetzt (ca. 1940 km² Modellgebiet). Das Grundwasserströmungs­modell wurde in FEFLOW aufgebaut (ca. 990 km²). Das Modell bildet die hydraulischen Wechsel­wirkungen zwischen den einzelnen Gewinnungsgebieten und Grundwasserstockwerken detailliert ab. Insbesondere die komplexen, dynamischen Wechselwirkungen zwischen Grundwasser und Gewässern konnten mit diesem Modellierungsansatz abgebildet werden, die im Modellgebiet entscheidend für die effektiven Fließbewegungen, Einzugsgebiete und Austauschvorgänge sind.

Mithilfe des Modells konnten Einzugsgebiete und Wechselwirkungen verschiedener Grundwasser­nutzungen quantifiziert und Szenarien zur zukünftigen Entnahmesituation unter Berücksichtigung der Auswirkungen des Klimawandels simuliert werden. Wesentliche Ergebnisse sind:

• Grundwasserneubildungsrate mit Prognose der Entwicklung bis zum Jahr 2100,
• Wasserspiegel und Abflüsse in den Oberflächengewässern,
• Berechnung der Grundwasserströmung in einem hochkomplexen hydrogeologischen System,
• Veränderung von Zustrom- und Fassungsbereichen der Trinkwasserfassungen vor dem Hintergrund der prognostizierten Veränderung der Wasserhaushaltsglieder.

Zudem wurden mit Hilfe einer Stofftransportmodellierung potenzielle Gefährdungen durch bestehende Kontaminationen bewertet und hierbei auch die Auswirkungen von Veränderungen der Betriebsregimes einzelner Wasserfassungen auf die konkreten Wirkungspfade und Transportwege der Schadstoffausbreitung betrachtet.

Das entwickelte Modell stellt ein zentrales Werkzeug für das zukünftige Wasserressourcen- und Risikomanagement der beteiligten Versorger dar und ermöglicht eine fundierte Entscheidungsbasis für nachhaltige Bewirtschaftungsstrategien.

Die Region Borken in Norddeutschland steht angesichts des Klimawandels und eines steigenden Wasserbedarfs vor wachsenden Herausforderungen im Bereich der Wasserbewirtschaftung. Verlängerte und intensivere sommerliche Trockenperioden sowie extreme Starkregenereignisse treten zunehmend häufiger auf und führen zu Sorgen hinsichtlich Wasserknappheit und Hochwasserrisiken. Diese Veränderungen betreffen insbesondere Landwirte, Trinkwasserversorger und private Industriebetriebe, die sich zunehmend um mögliche Einschränkungen bei Wasserentnahmerechten sorgen. Die Bewältigung dieser Herausforderungen erfordert eine ganzheitliche Strategie für das Wassermanagement.

Daher wurde ein integriertes Wasserbilanzmodell entwickelt, um die regionale Wasserressourcenplanung zu unterstützen und aktuellen sowie zukünftigen Herausforderungen zu begegnen. Es ist geplant, dieses Modell zu einem operationellen System weiterzuentwickeln, das eine Echtzeitüberwachung und -steuerung der Wasserressourcen ermöglicht. Dieser innovative Ansatz soll eine dynamische Bewirtschaftung des Grundwassers ermöglichen. Das verfügbare Dargebot ist kein starrer Mittelwert mehr, sondern kann durch lokale Maßnahmen zur Grundwasseranreicherung („MAR“) künstlich erhöht werden.

Für die Abbildung der komplexen Wechselwirkungen zwischen Grundwasser, Oberflächenwasser und ungesättigter Zone sind fortschrittliche Modellierungswerkzeuge erforderlich. Das hydrologische Modell für Borken basiert auf der Software MIKE SHE, die hochauflösende zeitliche und räumliche Simulationen erlaubt. Der integrierte Modellierungsansatz bietet detaillierte Einblicke in die Wasserbilanz des Einzugsgebiets und berücksichtigt alle Wechselwirkungen des hydrologischen Kreislaufs. Nur anhand dieses Ansatzes lassen sich die grundwasserseitigen Anreicherungen durch Kleinstaue im Fließgewässer zuverlässig bewerten.

Das Modell enthält ein dreidimensionales Grundwasserströmungsmodul, das auf einem hydrogeologischen Modell basiert und umfassende Einblicke in die Dynamik des Untergrunds liefert. Die ungesättigte Zone – ein entscheidender Bereich, der die Grundwasserneubildung sowie die Aufteilung von Niederschlägen in Versickerung und Abfluss beeinflusst – wird mit hoher Genauigkeit modelliert. Dabei werden Bodenparameter, Feuchtegehalt und Evapotranspiration berücksichtigt.

Zudem ist das Modell mit einem eindimensionalen Flussmodell auf Basis der MIKE+-Software gekoppelt. Diese Kopplung gewährleistet einen nahtlosen Austausch von Wasserflüssen zwischen Grundwasserleiter und Oberflächengewässern. Auch anthropogene Einflüsse wie Grundwasserentnahmen, Bewässerung, Entwässerungssysteme und wasserbauliche Steuerbauwerke sind in einem geschlossenen System berücksichtigt. Das Modell ist sowohl an Grundwasserstandsdaten als auch an Abflussmessungen von Flüssen kalibriert.

Das Modell wurde, wie beschrieben, kalibriert und wird bereits zur Bewertung verschiedener Rückhaltemaßnahmen eingesetzt. Mit diesem integrierten Modell erhalten die Akteure im Wassereinzugsgebiet Borken eine fundierte Entscheidungsgrundlage, um adaptive Wassermanagementstrategien zu entwickeln und die durch den Klimawandel bedingten Risiken wirksam zu minimieren.

Der Klimawandel bringt viele neue Herausforderungen für das Management des Grund­wasser­­vorrats. In Thüringen wird dafür im Kontext der Niedrigwasserstrategie ein landes­weites Grundwassermodell auf Basis von SPRING [1] gekoppelt mit dem Grund­wasser­neubildungsmodell RUBINFLUX [2] verwendet. Daraus ergibt sich ein prognose­fähiges Modell [3] für Untersuchungen der Einflüsse des Klimawandels auf Basis der RCPs des Mitteldeutschen Kernensemble [4]. Neben der eigentlichen Grundwasserneubildung sind weitere klimatische Parameter für die Einschätzung der Entwicklung des Grund­wasser­dargebots wichtig: Der Niederschlag liefert eine erste Einschätzung des prinzipiell verfügbaren Wassers, die klimatische Wasserbilanz liefert eine Übersicht über die Entwicklung des Wasservorrats im gesamten Jahr, der Trockenheitsindex tendenziell für den Sommer und die Anzahl Schneetage für den Winter. Schlussendlich hat dies alles einen Einfluss auf die Grundwasserstände. Jedoch sind alle diese Parameter räumlich stark variabel. Insbesondere für das Management der Grundwasserentnahmen sind die derzeit 391 hydrogeologischen Teileinzugsgebiete des Bundeslandes Thüringen von Relevanz. Mit dem neu entwickelten Programm können für beliebige Teilgebiete statistische Analysen aller Parameter durchgeführt werden, um die riesigen Datenmengen übersichtlich darzustellen. Diese werden automatisiert in Graphen aufgearbeitet und für die Nutzung im GIS georeferenziert. Mit nur wenigen Klicks kann die Arbeit von mehreren Wochen auto­matisiert werden. Für weitergehende Analysen stehen nun alle notwendigen Informationen übersichtlich im GIS zur Verfügung. Damit können Einzugsgebiete, die ein potentielles Risiko einer Übernutzung anzeigen, rechtzeitig erkannt und mögliche Maßnahmen getroffen werden. Im Vergleich zu den historisch gemessen Daten können die Klimaprognosen zudem automatisch korrigiert werden, um die entsprechenden Änderungssignale auszuwerten.

[1] delta h, SPRING 7 Benutzerhandbuch (ISBN: 978-3-00-073433-5), Witten, 2025.

[2] H. Zepp, C. König, J. Kranl, M. Becker, B. Werth und M. Rathje, „Implizite Berechnung der Grundwasserneubildung (RUBINFLUX) im instationären Grundwasserströmungsmodell SPRING. Eine neue Methodik für regionale, räumlich hochaufgelöste Anwendungen,“ Grundwasser - Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie, Bd. 22, Nr. 2, pp. 113-126, 2017.

[3] delta h, „Grundwasserströmungsmodell Thüringen. Bericht Modellaktualisierung 2024,“ Witten, Dezember 2024.

[4] delta h, „Grundwasserströmungsmodell Thüringen. Einfluss des Klimawandels auf das Grundwasser in Thüringen (Phase 4),“ Witten, Dezember 2024.

In der numerischen Grundwassermodellierung sind massive geologische Körper, wie z. B. Intrusionskörper aber auch manche stark und überkippt gefalteten sowie überschobenen Schichten oftmals schlecht abzubilden. Unstrukturierte Netze, mit denen auch Störungen gut abgebildet werden können, eröffnen hier zusätzliche Möglichkeiten. Mit einer verknüpften Parametrisierung können die resultierenden Modelle als Basis weiterer Modellierungen des Untergrundes dienen. Hierbei haben sich eher restriktive Interpolationsverfahren, wie z. B. das Nearest-Neighbour-Verfahren, besser bewährt als geostatistische Methoden, da die Kleinräumigkeit von Störungen und die Unregelmäßigkeit von Grenzflächen besser abgebildet werden können.

Technische Basis der Modellierungen sind GIS. Aufgrund der Universalität der verfügbaren Methoden und Standardformate der Werkzeuge können mit ihrer Hilfe die notwendigen Datengrundlagen für die Erstellung unstrukturierter Netze erstellt werden. Ganz wesentlich ist neben der Nutzung von Horizont-gebundenen Karten die Verarbeitung von Bohrinformationen. Für QGIS(OpenSource-Werkzeug) wurde die Erweiterung gis4geology programmiert, die die Erstellung von vertikalen Profilschnitten in den eigentlich horizontal orientierten GIS unterstützt. Hierbei können auch Bohrinformationen aus SEP3-konformen Datenbanken genutzt werden. Eine konstruktive Arbeitsweise, die die Einbeziehung vorhandener analoger, gescannter Daten ermöglicht (z. B. handgezeichnete oder skizzierte Profilschnitte), kann somit nicht nur für den Aufbau, sondern auch für Kalibrierung und Korrektur der Datenbasis angewendet werden.

Mit verschiedenen Werkzeugen wird eine attributierte Punktdatenbasis erzeugt und ein Volumenmodell über die Octree-Diskretisierung erstellt. Die Attribute werden als Parameter übernommen. Das Werkzeug arbeitet sehr rechenintensiv und unabhängig von einem GIS. Die Parallelisierung der Algorithmen sorgt für erträgliche Rechenzeiten, die von der Datenbasis als auch von der verwendeten Hardware abhängen.

Das Modell wird in einem wissenschaftlichen Standardformat (.vtu) erstellt, sodass die Visualisierung mit verschiedenen Werkzeugen, z. B. hochauflösenden Bildschirmen, 3D-Bildschirmen oder in einer Cave, erfolgen kann, was insbesondere Kalibrierung, Modellaktualisierung und Modellpflege ermöglicht. Zwar muss das Modell bei Veränderungen der Datenbasis neu berechnet werden, aber dies erfolgt automatisch, und ein Neubeginn ist nur bei gravierenden Abweichungen vom vorherigen Modell notwendig. Diverse Visualisierungswerkzeuge sind in der Lage, nicht nur die Modellgeometrien adäquat wiederzugeben, sondern auch beliebige Schnitte durch das Modell zu erstellen, um die geologische und hydrogeologische Arbeit zu erleichtern.

Für aktuelle numerische hydrogeologische Modellierungswerkzeuge können die Octree-Modelle aufgrund mangelnder Datenkompatibilität bisher nicht direkt übernommen werden. Einige wenige Softwarewerkzeuge (z. B. MODFLOW 6 oder Feflow 7.x) sind jedoch grundsätzlich in der Lage, unstrukturierte Netze zu verarbeiten. Entsprechende Konvertierungsprogramme sind in Arbeit, aber die Netzstrukturen befördern auch die Entwicklung und Anwendung neuer Berechnungsmethoden, die in den letzten Jahren entwickelt wurden.

Abb. 1: K_f-Werte des Randbereichs eines Rotliegend-Batholithen im Norden Halles mit Störungssystemen in den benachbarten Rotliegend-Sedimenten auf der Basis eines Octree-Netzes (in 10^-6 m/s).

Bioremediation ist eine vielversprechende Strategie für die nachhaltige Sanierung kontaminierter Standorte, insbesondere bei Kontamination mit organischen Kohlenwasserstoffen. Der Schlüssel zur Identifizierung optimaler Bedingungen und die Vorhersage des Abbaus im Untergrund ist das Verständnis der mikrobiologischen, geochemischen und physikalischen Transportprozesse sowie deren Zusammenhänge.

Im Rahmen des EU-geförderten Projekts MiBiRem, entwickeln wir ein Open-Source-Python-Framework MiBiPreT zur Analyse und Vorhersage von mikrobiologischen Abbau- und Transportprozessen. MiBiPreT besteht aus mehreren Paketen zur Datenanalyse, Interpretation und Modellierung hydrogeologischer/geochemischer Prozesse organischer Schadstoffe, mit Fokus auf aromatische Kohlenwasserstoffe, während des mikrobiellen Abbaus.

Wir stellen die einzelnen Pakete mibiscreen und mibitrans vor. Mibiscreen dient der mikrobiombasierten Felddatenanalyse im Rahmen der Sanierung. Es umfasst Screening-Methoden und Datenvisualisierung für geochemisches Screening, Metabolitenanalyse, Isotopenanalyse und multivariate Statistik. Mibitrans ist für die Modellierung von Stofftransport und biologischem Abbau konzipiert. Es basiert auf physikalisch basierten (semi-)analytischen Lösungen für den mehrdimensionalen Stofftransport. Der biologische Abbau kann sowohl als einfacher Zerfall erster Ordnung als auch als instantane, feldweite Reaktion auf Basis der Elektronenakzeptorkonzentrationen modelliert werden. Beide Pakete sind modular, umfassend getestet, gut dokumentiert und strukturiert, um eine einfache Anpassung und Anwendung in verschiedenen Feldsituationen zu ermöglichen. Wir werden ihre Anwendung anhand von Beispieldaten laufender Bioremediationsprojekte vorstellen um zu zeigen, dass beide Pakete - mit ein wenig Pythonkenntnissen - leicht zu nutzen sind, sowohl für Wissenschaftler als auch für Praktiker.

Daten zu umweltrelevanten Schutzgütern wie Wasser werden in Deutschland größtenteils auf Länderebene und damit dezentral erfasst. Aus Sicht der Nutzenden ist das nicht ideal, da der Zugang damit weit verteilt und uneinheitlich ist. Aus diesem Grund wurde am Umweltbundesamt das Nationale Zentrum für Umwelt- und Naturschutzinformationen gegründet, dessen zentrales Produkt, umwelt.info, einen einheitlichen Zugang zu allen öffentlich verfügbaren Umweltdaten Deutschlands bieten soll.

Das Suchportal umwelt.info ist seit Anfang 2025 online und bietet bereits (Stand Oktober 2025) über 1.2 Millionen Datensätze aus 250 verschiedenen Quellen, wie Behörden, Wissenschaft und Zivilverwaltung an. Im Bereich Wasser sind bereits 127.700 Grundwassermessstellen und 24.900 Flussmessstellen erfasst. Über diese Messstellen werden Metadaten bereitgestellt wie eine global eindeutige Messstellen-ID, eine Liste der Messgrößen, Zeitraum und Ortsdaten der Messungen, sowie Verknüpfungen zu den jeweiligen Grundwasser- und Flusswasserkörpern. Des Weiteren existieren Python-basierte Downloadskripte mit denen, falls vorhanden, die Zeitreihen der Messungen heruntergeladen werden können. Aufgrund unseres Open-Source-Ansatzes ist außerdem eine einfache Anpassung dieser Python-Skripte für spezifische Anwendungszwecke möglich. Zusätzlich ermöglicht unsere dokumentierte API einen direkten Zugriff.

In dieser Präsentation wird umwelt.info vorgestellt und eine Reihe von Möglichkeiten zu dessen Nutzung präsentiert. Im ersten Teil wird kurz die technische Basis erklärt, auf welchen Datenbestand wir zurückgreifen und wie dieser sich weiter entwickeln soll. Anhand einer App wird auch gezeigt, welche Daten zu verschiedenen Grundwassermessstellen vorliegen. Im zweiten Teil wird eine Demonstration von umwelt.info folgen. Es wird gezeigt, wie eine einfache Suche per Webbrowser möglich ist und wie diese ebenfalls per API erfolgen kann. Das Portal selbst ist unter der Adresse https://umwelt.info erreichbar, wobei die Suche einfach unter https://umwelt.info/suche zu finden ist. Um Transparenz, Nachnutzbarkeit und Zusammenarbeit zu fördern, ist sämtlicher Code unter einer Open Source Lizenz erhältlich. Das zentrale Repository ist unter https://gitlab.opencode.de/umwelt-info gehostet, während alle Python und R-Skripte unter https://gitlab.opencode.de/umwelt-info/data-stories zu finden sind.

Die softwaregestützte Bewertung von Grundwässern ist ein zentraler Bestandteil des Grundwassermonitorings und der Gefährdungsanalyse.
Für die Beurteilung des Vorliegens und der Intensität eines salinaren Stoffeintrags in Gewässer und Grundwasser nimmt die Software GEBAH (Genetische Bewertung von Analysen der Hydrosphäre) in Norddeutschland eine bedeutende Rolle ein. Mit Hilfe hydrogeochemischer Daten gelingt es, salinare Wasserintrusionen (Binnenversalzung, Küstenversalzung) konzentrationsunabhängig und damit frühzeitig zu erkennen. GEBAH wird in Brandenburg seit 2010 von Landesbehörden, Wasserversorgern und Ingenieurbüros eingesetzt. Auswertungen mit GEBAH sind hier etablierter Bestandteil des Grundwassermanagements, der Erkundung und Erschließung von Wasservorräten sowie der Wasserrechts- und Wasserschutzgebietsverfahren.
Im Zuge der Weiterentwicklung wird GEBAH vollständig in die Programmiersprache Python überführt und als cloudbasierte Software-as-a-Service (SaaS) bereitgestellt. Damit wird das bisherige auf VB6 basierende System in eine zukunftssichere, skalierbare Architektur überführt, die eine ortsunabhängige Nutzung, die automatisierte Datenübermittlung an das LBGR (im Sinne des Geologiedatengesetzes) und eine Integration in bestehende Fach- und Behörden-Workflows ermöglicht. Ziel ist die Schaffung einer digitalen Plattform, die den Betrieb, die Weiterentwicklung und die Qualitätssicherung der Bewertungsmethoden langfristig gewährleistet.
Die technische Umsetzung basiert auf einer serviceorientierten Drei-Schichten-Architektur mit klar getrennten Ebenen für Datenhaltung, Logik/API und Präsentation. Diese Struktur erlaubt eine hohe Modularität und erleichtert die Integration neuer Funktionen und Schnittstellen. Der Python-Kern implementiert sämtliche Bewertungsalgorithmen modular und stellt sie über eine standardisierte REST-API bereit. Damit können perspektivisch ggf. auch externe Anwendungen und Fachverfahren direkt auf die Bewertungsfunktionen von GEBAH zugreifen.
Die browserbasierte Webanwendung bietet moderne Benutzeroberflächen mit Kartenansichten, interaktive Visualisierungen und Plausibilitätsprüfungen. Ein integriertes Benutzer- und Rechtemanagement, Protokollierung und automatisierte Updates gewährleisten die Einhaltung aktueller IT-Sicherheits- und Datenschutzstandards. Kernkomponenten bilden Module zur Stammdaten- und Messdatenverwaltung, eine Administrationsoberfläche, die GEBAH-Auswertung sowie weitere anwendungsorientierte Funktionsmodule.
Die Cloud-Umgebung wird containerisiert bereitgestellt und kann wahlweise in öffentlichen oder behördeninternen Rechenzentren betrieben werden. Dieses Konzept ermöglicht eine effiziente Skalierung, eine zentrale Verteilung von Softwareupdates und den ortsunabhängigen Zugriff für unterschiedliche Nutzergruppen.
Mit der Neuentwicklung von GEBAH als Cloud-Dienst entsteht ein Werkzeug für hydrogeochemische Bewertungsprozesse, das klassische hydrogeochemische Fachlogik mit modernen Konzepten der Softwareentwicklung, Cloud-Technologien und Datenintegration verbindet. Die Plattform steht exemplarisch für den Übergang von spezialisierten Fachanwendungen hin zu integrierten digitalen Grundwassersystemen, die Daten, Modelle und Bewertungswerkzeuge in einer einheitlichen digitalen Umgebung zusammenführen.
Der Vortrag gibt Einblicke in das Projekt zur Transformation der GEBAH-Desktopanwendung in die Cloud und stellt die neue Fachanwendung vor.

Erhöhte Nitratkonzentrationen infolge intensiver landwirtschaftlicher Nutzung stellen eine persistente Belastung für die Grundwasserressourcen in Deutschland dar. Im Jahr 2022 wiesen 16 % aller Messstellen im Nitratüberwachungsnetz Nitratkonzentrationen über dem Trinkwassergrenzwert auf. Wegen des Nitrats befinden sich 22 % aller deutschen Grundwasserkörper in einem schlechten chemischen Zustand. Eine Herausforderung ist, dass die Nitratkonzentrationen im Grundwasser heterogen verteilt sind, was auf zeitlich-räumlich variable Einträge, Fließpfade und eine variable Effektivität der Denitrifikation zurückzuführen ist. Während bei der Quantifizierung der räumlichen und zeitlichen Verteilung der Stickstoffeinträge in den Boden Fortschritte erzielt werden konnten, ist die Denitrifikation im Grundwasser immer noch sehr schwer zu quantifizieren.

Hier präsentieren wir die Ergebnisse einer national-skaligen Untersuchung zur Denitrifikation im Grundwasser unter Verwendung der N₂/Ar-Methode. Diese Methode ermöglicht es, die Nitratkonzentration im Grundwasser im Ergebnis der Grundwasserneubildung, also vor der mikrobiellen Denitrifikation im Grundwasser zu quantifizieren. Durch den Vergleich mit den im Grundwasser gemessenen Nitratkonzentration lässt sich die Menge des im Grundwasser denitrifizierten Nitrats quantifizieren. In Deutschland werden momentan Anstrengungen unternommen, um die N₂/Ar-Methode flächendeckend anzuwenden. In dieser Studie haben wir die Ergebnisse von N₂/Ar-Messungen in mehr als 4000 Proben aus mehr als 2100 Messstellen analysiert.

Die Ergebnisse zeigen eine große räumliche Heterogenität der Denitrifikation im Grundwasser. Im Durchschnitt wurden durch die Denitrifikation 58 % der Nitrateinträge in das Grundwasser zurückgehalten. Grundwassermessstellen, die nahe beieinander lagen, wiesen nur innerhalb eines Radius von 20 km eine ähnliche Denitrifikation auf. Die höchste durchschnittliche Denitrifikation (Median > 90 %) wurde in den Grundwasserleitern des Nord- und Mitteldeutschen Lockergesteinsgebiets festgestellt. Diese oft pyrithaltigen, geologisch jungen Ablagerungen sind dafür bekannt, eine chemolithotrophe Denitrifikation zu ermöglichen. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit niedrigen Sauerstoffkonzentrationen im Grundwasser von <2 mg/l. Die geringste Denitrifikation im Grundwasser wurde in den Grundwasserleitern des Mitteldeutschen Bruchschollenlands festgestellt (Median <40 %). Dabei gilt es zu bedenken, dass bisher noch nicht alle hydrogeologischen Räume Deutschlands flächendeckend und statistisch robust beprobt und ausgewertet wurden.

Unsere Analyse zeigt erstmals eine breit angelegte und konsistente Quantifizierung der Denitrifikation im Grundwasser Deutschlands und deren Zusammenhänge mit hydrogeologischen Gegebenheiten.

Der Nitratabbau durch im Grundwasserleiter von Natur aus vorkommende Eisensulfid-Minerale, auch chemilthotrophe Denitrifikation genannt, wurde Anfang der 1980er Jahre erstmals aus dem Fuhrberger Feld bei Hannover beschrieben. Später stellte sich heraus, dass dieser Prozess nicht nur in Deutschland, sonden auch weltweit einer der bedeutendsten der Kontrolle der Ausbreitung von Nitrat ist. Erkauft wird der Nitratabbau durch eine Freisetzung von Sulfat und Eisen, sowie von problematischen Spurenelementen wie Arsen, Nickel, Kobalt und anderen. Letztere sind im Kristallgitte der Eisensulfide gebunden. Überraschenderweise gbt es aber vergleichweise wenige Untersuchungen darüber wie viel Pyrit in deutschen Grundwasserleitern im Mittel vorhanden ist. Dies wäre aber zur Abschätzung der potentiellen Nitratabbaukapazität eine sehr wichtige Information für die wasserwirtschaftliche Planung.

Daher wurden von ca. 15 Standorten aus ganz Norddeutschland frische Bohrkerne herangezogen. Diese stammten aus Lockergesteinen aus dem Quartär, dem Tertiär und der Oberkreide. Die Eisensulfide wurden durch Schweretrennung konzentriert und umfangreich optisch, mineralogisch und geochemisch untersucht.

Die Gehalte an Pyrit variieren zwischen der Nachweisgrenze und ca. 1,5 Gewichts-Prozent. Mit Hilfe der Raman-Spektroskopie konnte festgestellt werden, dass es sich bei Eisensulfiden im wesentlichen um Pyrit (FeS2) handelt, untergeordnet auch um Markasit. Unter dem Rasterelektronenmikroskop zeigte sich, dass Framboide, d.h. himbeerförmige Kristallite bzw. Aggregate davon die dominierende Form sind. Dies ehaben aber z.T. deutlich unterschiedliche Kristallitgrößen und damit reaktive Oberflächen. Untersuchungen mit der Elektronenstrahl-Mikrosonde zeigten, dass die Gehalte der Pyrite an Spurenelementen sehr ungleichmäßig sind, auch innerhalb einer Probe. Manche Pyrite einer Probe enhalten sehr hohe Konzentrationen, andere sind eher verarmt. In der Zusammenschau der Daten werden sich die Bandbreiten der Pyrite und ihrer reaktiven Eigenschaften abzeichnen, was für spätere Modellierungen zur Prognose der Nitratausbreitung in der Zukunft sehr nützlich sein wird..

Bevor es zum Nitrateintrag ins Grundwasser kommt, muss das Nitrat durch den Boden und die Drainzone (ungesättigte Sickerwasserzone unterhalb der Wurzelzone) gelangen. Dabei wird ein Teil des Nitrats durch die Denitrifikation zu Lachgas (N₂O) oder Distickstoff (N₂) abgebaut. Damit tragen der Boden und die Drainzone einen großen Teil dazu bei, das Grundwasser vor hohen Nitrateinträgen zu schützen. Die bisherige Forschung fokussierte sich auf den Boden und insbesondere auf den Oberboden. Für die Drainzone, auch tiefe vadose Zone oder Aerationszone genannt, fehlen bisher noch belastbare Daten. Dabei könnte dieser Bereich durch den Nitratabbau die Nitratauswaschung ins Grundwasser regulieren und damit besonders wichtig für den Grundwasserschutz sein.

Das Verbundprojekt DeniDrain konzentriert sich auf genau diese Zone. Im Projekt wird die Denitrifikation in der Drainzone gemessen und modelliert. Zu diesem Zweck werden typische Standorte in ganz Deutschland untersucht, die unterschiedliche für die Denitrifikation wichtige biogeochemische Bedingungen, repräsentieren. An diesen Standorten werden, mit der Rammkernsondierung, ungestörte Bodenmonolithe aus Tiefen zwischen 2 und 15 m Tiefe entnommen. Mithilfe der ¹⁵N-Gasflussmethode werden die aktuellen Denitrifikationsraten an den Bodenmonolithen in einem Mikrokosmos-Inkubationssystem bestimmt. Um zu ermitteln, welche Faktoren die Denitrifikation in der Drainzone beeinflussen, werden an einzelnen Standorten Versuche durchgeführt, bei denen der Sauerstoffgehalt sowie der Gehalt und die Qualität des gelösten organischen Kohlenstoffes variiert wird. Die Laborversuche liefern die Daten für die Entwicklung und Parametrisierung von Modellen für die Denitrifikation in der Drainzone. Dabei sollen Modelle, die für den Boden entwickelt wurden, für die Drainzone getestet und ggf. angepasst werden. Die Ergebnisse der ersten Standorte zeigen, dass Denitrifikation in der Drainzone stattfindet. Jedoch limitiert der für die denitrifizierenden Mikroorganismen verfügbare Kohlenstoff die Denitrifikationsrate.

Das Projekt wird gefördert durch das Bundesministerium für Landwirtschaft, Ernährung und Heimat aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages. Projektträger ist die Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung.

Das Nitratabbauvermögen wird im Wesentlichen durch Sulfide, wie Pyrit und organischen Kohlenstoff begrenzt. Beim Nitratabbau dürfen jedoch wichtige Umwelteinflussfaktoren nicht außer Acht gelassen werden. Diese Umweltfaktoren und Eigenschaften der Grundwasserleiter haben einen entscheidenden Einfluss auf die Effektivität des Nitratabbaus.

Zu diesen Umwelteinflussfaktoren gehören z.B. die Temperatur, pH-Wert und Salinität. Vorausgehende Studien haben gezeigt, dass diese Faktoren den Nitratabbau fördern oder hemmen können und es somit unterschiedliche optimale Bedingungen gibt. Trotz gleicher Menge an Reduktionsmittel (z.B. Sulfide oder organischer Kohlenstoff) kann der Nitratabbau daher unterschiedlich ablaufen.

In dieser Studie wurde der Einfluss der Porosität auf den Nitratabbau untersucht. Dafür wurden in Kreislaufsäulenversuchen Sedimente verschiedener Korngrößen verwendet (Grobschluff, Feinsand, Mittelsand, Grobsand und Feinkies) welches in unterschiedlichen Porositäten resultiert. Die weiteren Versuchsbedingungen waren vollständig identisch. Die Gehalte an Sulfiden und organischem Kohlenstoff liegen unter der Nachweisgrenze und es ist kein Nitratabbau durch diese Reduktionsmittel zu beobachten. Um auch mikrobiologisch gleiche Startbedingungen zu erhalten, wurde das Sediment vor Versuchsbeginn bei 200 °C im Trockenschrank sterilisiert. Die Säulenversuchen wurden mit natürlichem Grundwasser durchgeführt, welches eine hohe Eisen-II-Konzentration (bis zu 5 mg*L^-1) aufwies und dem Nitrat vor Versuchsbeginn in einer Zielkonzentration von 200 mg*L^-1 zugegeben wurde. In allen verwendeten Sedimenten ist ein Nitratabbau zu beobachten, welcher sich auch nach wiederholter Nitratzugabe weiter fortsetzt. Dieser Abbau erfolgt somit ohne eine Nitratabbaukapazität des Sedimentes aus Sulfiden oder organischem Kohlenstoff, welche ebenfalls nicht als externe Elektronendonatoren hinzugegeben werden. Es fällt auf, dass Nitrit mit Konzentration von > 100 mg*L^-1 während des Abbaus die dominante Stickstoffspezies ist. Bisherige Daten deuten darauf hin, dass der Nitratabbau durch Eisen-Ammox (Kappler et al., 2021) erfolgt, bei dem ausgefälltes Ferryhydrit (FeOOH) durch gebildetes Ammonium direkt wieder zu Fe²⁺ umgesetzt wird und somit erneut als Reduktionsmittel vorliegt. Hohe Konzentrationen von Nitrit sind eine weitere Folge dieser Reaktion. Durch diesen Prozess kann ebenfalls Ammonium entstehen. Weitere umfangreiche Sedimentanalyse (XRF, XRD, REM) vor und nach den Säulenversuchen werden zusätzliche Erkenntnisse über den ablaufenden Prozess liefern und eine Auswertung zwischen den einzelnen Korngrößen und Porositäten ermöglichen. Dazu gehört ebenfalls eine DNA-Sequenzierung der Mikrobiologie, um herauszufinden welche Mikroorganismen den Prozess katalysieren.

Kappler, A., Bryce, C., Mansor, M., Lueder, U., Byrne, J.M., Swanner, E.D., An evolving view on biogeochemical cycling of iron. Nat Rev Microbiol 19, 360–374 (2021). https://doi.org/10.1038/s41579-020-00502-7

Im Bereich der stark landwirtschaftlich genutzten Niederrheinischen Bucht (NRW) wird der in der Grundwasserverordnung festgelegte Schwellenwert für Nitrat von 50 mg/L im oberflächennahen Grundwasser häufig deutlich überschritten. Aus diesem Grund werden vermehrt tiefer gelegene Grundwasserleiter wasserwirtschaftlich genutzt. Über geologische Fenster kann es jedoch zu hydraulischen Kontakten zwischen oberflächennahen und tieferen Grundwasserleitern kommen, sodass nitrathaltiges Grundwasser in tiefere Grundwasserleiter einströmen kann.

Um ein besseres Verständnis für den Eintrag und Abbau von Nitrat in tieferen Grundwasserleitern zu entwickeln, wird beispielhaft der dritte Grundwasserleiter eines auf der Venloer Scholle gelegenen Standorts untersucht. Der Standort umfasst die Einzugsgebiete mehrerer Grundwassergewinnungsanlagen, die sich hinsichtlich der Verbreitung schützender Tonhorizonte unterscheiden. In den untersuchten Grundwasserleiter einströmendes Nitrat wird vor allem durch im Sediment vorhandene Pyrite reduziert (chemo-lithotrophe Denitrifikation). Durch den Verbrauch der Pyrite bei der Reaktion wird das Abbaupotential langsam aufgezehrt bzw. ist an einigen Stellen bereits erschöpft. Durch die ablaufende Pyritoxidation können ggfs. im Kristallgitter der Pyrite eingebaute Spurenstoffe (z.B. Arsen und Nickel) freigesetzt und mobilisiert werden.

Um den Nitrateintrag über hydraulische Fenster und den anschließenden Abbau besser zu verstehen, wurden 31 Grundwassermessstellen entlang ausgewählter Strompfade beprobt. Neben der Messung von Nitrat, weiterer Hauptionen und Spurenstoffen erfolgte an allen Proben die Analyse des Exzess-N₂ (N₂/Ar-Methode), als Maß des bereits abgelaufenen Nitratabbaus, sowie stabiler Isotope (²H, ¹⁸O). An zwölf Messstellen wurden zusätzlich Proben zur Bestimmung des Grundwasseralters (³H/³He-Methode) genommen.

Die δ²H und δ¹⁸O Werte bilden ein enges Cluster und folgen der globalen meteorischen Wasserlinie (GMWL). Daher ist anzunehmen, dass alle Proben meteorischen Ursprungs mit minimaler Verdunstung sind und einem gemeinsamen Neubildungsgebiet entstammen. Die N₂/Ar-Messungen zeigen deutlich, dass ein Nitrateintrag in den dritten Grundwasserleiter vor allem durch hydraulische Fenster erfolgt. Zusätzlich wird das Ausmaß der Denitrifikation im Abstrom hydraulischer Fenster aufgezeigt; beispielsweise werden Nitrateintragskonzentrationen von rund 75 mg/L vollständig reduziert. Die mittels der ³H/³He-Methode bestimmten Grundwasseralter liegen zwischen 25 und 50 Jahren, wobei die jüngsten Wässer im Bereich hydraulischer Fenster auftreten. Zwei der zwölf Proben weisen einen hohen Anteil an „altem“, tritium-freien Grundwasser auf, sodass die ³H/³He-Alter nur den geringen Anteil an jungem Grundwasser beschreiben. Die N₂/Ar-Verhältnisse dieser Proben sind nur geringfügig gegenüber dem Gleichgewichts-Verhältnis erhöht, woraus folgt, dass anthropogen beeinflusstes Grundwasser noch nicht in diese Aquiferbereiche vorgedrungen ist. Durch die Kombination der Grundwasseralter und der Exzess-N₂ Konzentrationen kann ein integraler Kennwert des Nitratumsatzes abschätzt werden. Es ergibt sich eine Spanne von 0,3 bis 3,7 µmol/kg/a. Diese Abschätzung wird derzeit durch Push-Pull Versuche zur ortspezifischen Ermittlung der Umsatzrate überprüft. Die gewonnenen Daten und Erkenntnisse sollen abschließend in einer reaktiven Stofftransportmodellierung zusammengeführt werden.