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Zu erwartender höchster Grundwasserstand (zeHGW) 2018

Methode

Die hier veröffentlichte Karte wurde in einzelnen Abschnitten entsprechend der unterschiedlichen geologischen Einheiten in Berlin in der Reihenfolge

  1. Urstromtal
  2. Panketal
  3. Teltow-Hochfläche und Nauener Platte

entwickelt, wobei z.T. unterschiedliche Methoden angewandt wurden.

Urstromtal

Für das Gebiet des Berliner Urstromtals ist die zeHGW-Karte mit Hilfe eines numerischen Grundwasserströmungsmodells entwickelt worden. Das war deshalb erforderlich, weil wegen der langen z.T. starken anthropogenen Beeinflussung der Grundwasseroberfläche die Berechnung einer solchen Karte nur auf der Grundlage gemessener Grundwasserstände im Sinne der o.g. zeHGW-Definition nicht möglich ist.

Ein numerisches Modell erlaubt die ortsdiskrete Simulation von Grundwasserständen unter vorgegebenen geohydraulischen Randbedingungen. Hierzu zählen die Grundwasserneubildung, die u.a. eine Funktion des Niederschlags ist, und die Spiegelhöhen der Oberflächengewässer. Beide unterliegen natürlichen und auch künstlich bedingten Schwankungen. In unserem Klimabereich findet z.B. die Grundwasserneubildung im Wesentlichen im Winterhalbjahr statt, was zur Folge hat, dass die höchsten Grundwasserstände innerhalb eines Jahres üblicherweise im Frühjahr auftreten. Häufig tragen relativ hohe Wasserspiegel der Oberflächengewässer (hier Spree, Havel und ihre Nebengewässer) in dieser Zeit zu den hohen Grundwasserständen zusätzlich noch bei. Besonders hohe Grundwasserstände werden beobachtet, wenn die Niederschlagsmenge über mehrere aufeinander folgende Jahre deutlich über dem langjährigen Mittel liegt. In solchen extremen Feuchtperioden ist dann der höchste Grundwasserstand im betrachteten Gebiet zu erwarten.

Beginnend 2003 ist ein numerisches Grundwasserströmungsmodell entwickelt worden, das langfristig für das gesamte Berliner Gebiet zur Klärung wasserwirtschaftlicher Fragen auf Landesebene zur Verfügung stehen soll. 2008 war dieses Modell soweit gediehen, dass damit für das Gebiet des Berliner Urstromtals eine zeHGW-Karte angefertigt werden konnte, die nachfolgend von den Fachleuten der Senatsverwaltung für Grundwasserauskünfte benutzt und dadurch einer intensiven Praxisprüfung unterzogen worden ist.

Die Entwicklung der zeHGW-Karte für das Berliner Urstromtal ist in Limberg, Hörmann & Verleger (2010) beschrieben und wird hier zusammengefasst:

Das numerische Modell, für das das Programmsystem MODFLOW verwendet wurde, ist so angelegt, dass es die gesamte Fläche Berlins umfasst (Abbildung 3).

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Abb. 3: Bereich des Grundwasserströmungsmodells zur Entwicklung der zeHGW-Karte für das Berliner Urstromtal
Bild: Umweltatlas Berlin

Das Gebiet des Berliner Urstromtals ist vertikal in mehrere Modellschichten unterteilt, von denen die oberste für den – hier im Regelfall ungespannten – Hauptgrundwasserleiter steht, dessen höchster Grundwasserstand berechnet werden soll.

Horizontal ist das Modell in Rechteckzellen unterteilt. Die Zellgröße variiert zwischen 50 × 50 und 100 × 100 Meter.

Die weitere Modellierung geschah in folgenden Schritten:

  • Modellkalibrierung
    Nach Vorgabe der bekannten bzw. geschätzten geohydraulischen Randbedingungen (Vorfluthöhen, Grundwasserentnahmen, Grundwassereinleitungen etc.) wurde das Modell im Wesentlichen durch Variation einer vorgegebenen Verteilung der Wasserleitfähigkeit mit Hilfe hydraulisch stationären Berechnungen kalibriert. Dazu sind die Mittelwerte der Daten hinsichtlich der Grundwassernutzung und der Grundwasserstände des Jahres 2004 gewählt worden. Das Jahr 2004 kann klimatisch als durchschnittlich angesehen werden.
  • Modellverifizierung
    Unter Modellverifizierung versteht man hier einen Test des Modells dahingehend, ob es in der Lage ist, eine vom Kalibrierungszeitraum abweichende bekannte Beanspruchungssituation des Grundwassers (z.B. geänderte Grundwasserentnahmen) bezüglich der tatsächlich beobachteten Grundwasserhöhen hinreichend genau wiederzugeben. In diesem Fall wurden die Grundwasserstände für das Jahr 2001 mit dem Modell berechnet, das sich insbesondere in der Verteilung der Grundwasserförderung von der des Jahres 2004 unterscheidet. Die Abweichungen der modellberechneten Grundwasserstände von den beobachteten konnten als relativ gering bewertet werden. Damit hat das Modell einen wesentlichen Qualitätstest bestanden.
  • Modellsimulation des zu erwartenden höchsten Grundwasserstands und Plausibilisierung
    Nach der Verifizierung sind verschiedene Modellsimulationen zur Berechnung des höchsten Grundwasserstandes vorgenommen worden. Dazu mussten zusammengefasst drei Arten von hydraulischen Randbedingungen entsprechend verändert werden. Diejenigen, die der Modellkalibrierung und auch der Verifizierung zugrunde liegen, gelten für klimatisch durchschnittliche Jahre und eine bestimmte Grundwasserbeanspruchung. Die drei Randbedingungen sind:
    • die Grundwassernutzung
      Gemäß der zeHGW-Definition finden in diesem Szenario weder Grundwasserentnahmen noch Einleitungen in das Grundwasser statt. Das gilt sowohl für die Wasserwerke als auch andere Entnahmen wie für die Eigenwasserversorgung, Sanierungen oder Baumaßnahmen.
    • die Höhe der Vorflut für das Grundwasser
      Die Definition der Spiegelhöhen der Vorflutgewässer für den sog. HGW-Fall geschah über die Auswertung von Pegelständen.
    • die Grundwasserneubildung
      Beim Eintreten des höchsten Grundwasserstandes muss die Grundwasserneubildung deutlich über ihrem langjährigen Mittel liegen. Zur Abschätzung wurden einige orientierende Modellsimulationen mit nachfolgender Plausibilitätsprüfung anhand ausgewählter gemessener Grundwasserstände vorgenommen. In deren Ergebnis ist die Grundwasserneubildung für den HGW-Fall – je nach ihrer örtlich differenzierten Höhe – bis zu 15 % über dem langjährigen Jahresmittel angesetzt worden.

Nach Fertigstellung dieser vorläufigen zeHGW-Karte folgte eine intensive Plausibilitätsprüfung anhand der Daten von rd. 2.200 Grundwassermessstellen und eine Vielzahl anderer Daten und Informationen (Lage der zur Plausibilitätsprüfung benutzten Grundwassermessstellen s. Abb. 4). Anschließend waren nur noch geringe Modifikationen der Karte erforderlich.

Zu diesen Modifikationen zählte auch die Einführung der Darstellung von sog. Uferstreifen entlang einiger Oberflächengewässer. In diesen auf der Karte gesondert ausgewiesenen Flächen sind zeHGW-Werte festgelegt, die nicht unmittelbar durch das großräumige Grundwasserströmungsmodell berechnet worden sind. Das war insofern notwendig, als in einigen ufernahen Bereichen starke kurzfristige Erhöhungen der Vorflutspiegel zu einer Anhebung der Grundwasseroberfläche in Ufernähe führen können, die mit der hydraulisch stationär berechneten Karte nicht bzw. nicht sicher genug abgedeckt werden. Gesonderte zeHGW-Werte wurden auch für einzelne Flächen ausgewiesen, in denen die modellberechnete Karte aufgrund einer vergleichsweise geringen Modelldiskretisierung möglicherweise zu unsichere Werte zeigt, z.B. im Umfeld von Schleusen und in einigen Uferbereichen am Tegeler See. Die Festlegung dieser zeHGW-Werte geschah auf der Grundlage von gemessenen höchsten Pegelständen der Oberflächengewässer und z.T. überschlägigen hydraulisch instationären Berechnungen.

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Abb. 4: Lage der zur Plausibilitätsprüfung der zeHGW-Karte im Urstromtal benutzten Grundwassermessstellen
Bild: Umweltatlas Berlin

Zur Methode der zeHGW-Karte gehört auch ihre fortlaufende Prüfung, insbesondere nach der Beobachtung sehr hoher Grundwasserstände. Nach Fertigstellung der Karte sind im Zeitraum 2008 bis 2011 solche extrem hohen Grundwasserstände registriert worden. Die Prüfung mit diesen Grundwasserstandsdaten bestand die Karte mit sehr gutem Erfolg. Nachfolgend sind nur marginale Änderungen erfolgt. Die veröffentliche Karte ist nun so eingestellt, dass die an den einzelnen Messstellen maßgeblichen, d.h. als unbeeinflusst anzusehenden HGW mindestens 10 cm unter dem dargestellten zeHGW liegen.

Panketal

Für die Entwicklung der zeHGW-Karte im Gebiet des Panketals war anfangs die gleiche Methode wie für die des Urstromtals vorgesehen, nämlich mit Hilfe eines numerischen Grundwassersimulationsmodells. Demzufolge ist für dieses Gebiet zunächst ein gesondertes Grundwassermodell erstellt worden, das im Grundsatz für wasserwirtschaftliche Fragestellungen zur Verfügung steht und auch schon genutzt worden ist. Bereits bei den Arbeiten zu diesem Modell zeigte sich aber, dass die erforderliche Datenlage zur Hydrologie und Hydrogeologie in einigen Bereichen vergleichsweise gering ist. Die Berechnung einer vorläufigen zeHGW-Karte und deren kritische Prüfung führte zu der Bewertung, dass das Modell in diesen Teilbereichen die besonders hohen Qualitätsanforderungen, die an ein zeHGW-Modell zu stellen sind, gegenwärtig noch nicht erfüllt.

Da die anthropogene Beeinflussung des Grundwassers im Panketal anders als im Berliner Urstromtal relativ gering ist, können hier in direkterer Weise gemessene HGW-Werte bei der Entwicklung der zeHGW-Karte berücksichtigt werden. Die zeHGW-Karte für das Gebiet des Panketals umfasst nicht allein das Panketal im engeren Sinne, wie es auf der geologischen Karte von Berlin ausgewiesen ist, sondern auch einen kleinen angrenzenden Teil des Urstromtals. Es handelt es sich hierbei um einen Übergangsbereich zwischen beiden geologischen Einheiten, der hydrogeologisch eher dem Panketal mit seinem relativ gering mächtigen obersten Grundwasserleiter zuzurechnen ist.

Das methodische Vorgehen ist in Hörmann & Verleger (2016) beschrieben und wird hier wie folgt zusammengefasst:

1. Ganglinienanalyse

Alle Ganglinien der Grundwassermessstellen aus dem Archiv der Senatsverwaltung, die im Panketal-Grundwasserleiter (GWL 1.2 nach der Grundwasserleiternomenklatur von Limberg & Thierbach 2002) verfiltert sind (135), wurden auf ihre Eignung für den vorliegenden Zweck untersucht. Dazu zählte insbesondere eine Beurteilung der Grundwasserstände hinsichtlich einer möglichen künstlichen Beeinflussung und etwaiger Datenfehler. Wesentliches Ergebnis dieser Untersuchung war, dass die Grundwasserstände vor 1990 deutlich häufiger und meist auch stärker beeinflusst sind als in der Zeit danach. Eine wesentliche Ursache hierfür ist der Betrieb der Rieselfelder im nördlichen Teil des Panketals, der in den 1980er Jahren eingestellt wurde, und örtlich eine deutliche Anhebung des Grundwasserstands bewirkt hat. Die zur Zeit des Rieselfeldbetriebs gemessenen höchsten Grundwasserstände sind keine zu erwartenden höchsten Grundwasserstände. Im Ergebnis dieser Ganglinienanalyse sind nur Messdaten ab 1990 für die zeHGW-Bestimmung verwendet worden.

2. Festlegung der zeHGW-Werte

Für jede einzelne als geeignet erkannte Grundwassermessstelle ist der höchste Grundwasserstand (HGW) extrahiert worden. Zur Bestimmung des zeHGW wurde der HGW mit einem Zuschlag versehen:

zeHGW = HGW + Zuschlag

Der Zuschlag wurde aufgrund verschiedener Überlegungen zur Abschätzung der Zuverlässigkeit der Erfassung höchster Grundwasserstände festgelegt. Dabei wurden vor allem die Messhäufigkeit und die Dauer der Beobachtung der Grundwassermessstellen berücksichtigt. Der Mindestzuschlag auf den HGW beträgt 0,3 m. Dieser Wert gilt für Messstellen, die den Zeitraum von 2007 bis 2012 durch häufige Messungen gut erfassen. In diesem Zeitraum sind allgemein in Berlin die höchsten Grundwasserstände unter den derzeit herrschenden geohydraulischen Randbedingungen (vgl. zeHGW-Definition) beobachtet worden (s. Beispiel Abb. 5).

HGW-Werte von Grundwassermessstellen, die die Zeit allgemein hoher Grundwasserstände nicht erfassen und/oder eine kleinere Messfrequenz besitzen, sind mit Zuschlägen von 0,5 m bzw. 0,7 m versehen worden.

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Abb. 5: Beispiel einer Ganglinie aus dem Panketal mit HGW, zeHGW und Zuschlag
Bild: Umweltatlas Berlin

3. Berechnung der zeHGW-Karte

Auf der Grundlage von 105 geeigneten Grundwassermessstellen und ihren zeHGW-Werten als Stützpunkte ist die Verteilung des zeHGW ohne Berücksichtigung der Gewässer mit Hilfe des Programmsystems SURFER berechnet und in Form von Linien gleichen zeHGW dargestellt worden. Die Berechnungsmethode ist dieselbe, wie sie bei der aktuellen Grundwassergleichenkarte (Hannappel, Hörmann & Limberg 2007) benutzt wird.

Ferner ist grundsätzlich Folgendes zu bemerken:

Da die zeHGW-Karte für unterschiedliche Fragestellungen zur Verfügung gestellt wird, beinhalten die zu erwartenden höchsten Grundwasserstände keine anwendungsbezogenen pauschalen Sicherheitszuschläge, wie z. B. in den für die Errichtung von Bauwerken relevanten Regelwerken gefordert werden. Die für das Gebiet des Panketals teilweise differenzierten Zuschläge auf den HGW (0,3 bis 0,7 m, s. Methode) wurden lediglich wegen der unterschiedlich guten Erfassung höchster Grundwasserstände und der hier im Vergleich zum Urstromtal relativ hohen natürlichen Amplitude des Grundwassergangs gewählt. Im Urstromtal liegen die der zeHGW-Karte zu entnehmenden Werte mindestens 0,1 m über den höchsten, als maßgeblich bewerteten gemessenen höchsten Grundwasserständen. Ganz überwiegend liegt der zeHGW jedoch erheblich stärker über dem HGW, im Gebiet der Senktrichter der Berliner Wasserwerke im Meterbereich.

Damit handelt es sich also um mit rechnerischen Methoden auf der Basis umfangreicher Daten und einer Vielzahl anderer Informationen ermittelte Schätzwerte des zeHGW, die nach gegenwärtigem Wissenstand auf der „sicheren Seite“ liegen – in dem Sinne, dass sie aller Wahrscheinlichkeit nach nicht überschritten werden. Letzteres hat auf der anderen Seite zur Folge, dass sie nicht unbedingt in der angegebenen vollen Höhe eintreten müssen.

Zur Methode der Kartenentwicklung gehört auch die laufende Kontrolle, d.h. der Vergleich mit den aktuellen Grundwasserständen. Eine umfassende Prüfung der Karte, die auf der Datenlage bis 2007 beruht, ist im Jahr 2013 durchgeführt worden, nachdem in den Jahren 2008 und 2011 in Berlin extrem hohe Grundwasserstände registriert worden sind. Sie ergab, dass es auch in diesen äußerst niederschlagsreichen Zeiten nicht zu Überschreitungen dieser zeHGW-Werte gekommen ist.

Teltow-Hochfläche und Nauener Platte

Ab 2013 ist für den Bereich der Teltow-Hochfläche und der Nauener Platte mit der Entwicklung einer zeHGW-Karte begonnen worden. 2017 wurde sie für diese beiden hydrogeologischen Einheiten fertiggestellt und wird hier zusammen mit den zeHGW-Karten für das Urstromtal und das Panketal erstmalig veröffentlicht.

Die Methode der Kartenentwicklung entspricht im Grundsatz derjenigen, die auch bei der Urstromtalkarte angewendet wurde, d.h. die Karte wurde mit Hilfe eines numerischen Grundwasserströmungsmodell angefertigt. Wie im Urstromtal war hier die Verwendung eines Simulationsmodells wegen der langen anthropogenen Beeinflussung der Grundwasserstände, vor allem durch die Wasserwerke Beelitzhof, Tiefwerder und Kladow erforderlich. Im Folgenden werden die wesentlichen Unterschiede genannt:

Auf der Basis des vorhandenen vierschichtigen Grundwassermodells für Berlin ist eine weitere vertikale Differenzierung vorgenommen worden. Das Modell ist nun in acht Modellschichten unterteilt. Dies war insofern notwendig, da der hydrogeologische Schichtaufbau auf der Teltow-Hochfläche und der Nauener Platte erheblich komplexer ist als im Urstromtal. Einen Nord-Süd-Schnitt durch das Modell, wie es derzeit für das gesamte Berliner Landesgebiet vorliegt, zeigt die Abbildung 6. Die Modellschichten (Layer) L 1 bis L 6 stehen für den Hauptgrundwasserleiter, der örtlich in die Teilleiter GWL 2.1, GWL 2.2 und GWL 2.3 differenziert ist, die insbesondere in den Hochflächenbereichen durch gering wasserleitende Geschiebemergelschichten hydraulisch voneinander getrennt sind.

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Abb. 6: Schnitt durch das numerische Grundwasserströmungsmodell für das Land Berlin
Bild: Umweltatlas Berlin

Aufgrund der besseren Datenlage hinsichtlich der beobachteten Grundwasserstände ist das Jahr 2001 als Kalibrierungsjahr und das Jahr 2004 als Verifizierungsjahr verwendet worden.

Nach der Kalibrierung und Verifizierung erfolgte die zeHGW-Simulation wie für den Bereich des Urstromtals, wobei für die Plausibilisierung und eine erforderliche Nachkalibrierung des zeHGW-Modells die Daten von rd. 1100 Grundwassermessstellen benutzt wurden.

Die Plausibilitätsprüfung der Karte im Gebiet der Teltow-Hochfläche und der Nauener Platte ergab, dass anders als im Urstromtal auf die gesonderte Ausweisung von Uferstreifen entlang einzelner Gewässer verzichtet werden konnte. Eine nachträgliche Modifizierung der modellberechneten Karte wurde im Wesentlichen nur in einem kleinen Gebiet auf der Nauener Platte westlich von Kladow vorgenommen, wo einer hydrogeologischen Anomalie durch die Ausweisung von Flächen gleicher zeHGW-Werte auf der Basis beobachteter höchster Grundwasserstände Rechnung getragen wurde.