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Grundwassertemperatur 2012

Kartenbeschreibung

Temperaturprofile

Die Eindringtiefe der jahreszeitlichen Temperaturschwankungen und damit die Tiefenlage der neutralen Zone wird maßgeblich durch die geogenen Faktoren wie den Flurabstand, die thermische Leitfähigkeit und Wärmekapazität der Gesteine sowie die Grundwasserneubildung bestimmt. In Berlin liegt die neutrale Zone in Abhängigkeit von den oben genannten Verhältnissen in Tiefen zwischen ca. 15 und max. 25 m (Henning & Limberg, 2012).

Bildvergrößerung: Abb. 5: Jahreszeitliche Temperaturschwankungen des Untergrundes in der ungesättigten und gesättigten Bodenzone.
Abb. 5: Jahreszeitliche Temperaturschwankungen des Untergrundes in der ungesättigten und gesättigten Bodenzone.
Bild: Umweltatlas Berlin

In Abbildung 5 ist für drei Spezial-Temperaturmessstellen in unterschiedlichen stadtklimatischen Zonen, die zeitliche Variation des Temperaturverlaufs in den ersten 40 m unter der Geländeoberkante im grundwasserungesättigten und -gesättigten Untergrund dargestellt. Der Grundwasserflurabstand beträgt in Abhängigkeit von der geomorphologischen Lage zwischen 5 und 10 m.

In Abhängigkeit vom jeweiligen Standort der Messstelle zeigen sich deutliche Unterschiede in den beobachteten Temperaturen sowie auch im Temperaturverlauf mit zunehmender Tiefe unterhalb der neutralen Zone zwischen ca. 10 und ca. 15 m Tiefe unter der Geländeoberkante.

Im oberflächennahen Bereich (< 5 m Tiefe) treten die niedrigsten Untergrundtemperaturen in der Regel im Frühjahr (Februar bis Mai) und die höchsten im Herbst (September bis Oktober) auf.

In der Tabelle 1 sind für die oben dargestellten Messstellen in einer tabellarischen Übersicht die Temperaturkennwerte gegenübergestellt, die aus Messungen im Beobachtungszeitraum zwischen Februar 2008 bis März 2010 resultieren (Henning & Limberg, 2012).

Bildvergrößerung: Tab. 1: Gegenüberstellung ausgewählter Temperaturkennwerte in unterschiedlichen Besiedlungsbereichen
Tab. 1: Gegenüberstellung ausgewählter Temperaturkennwerte in unterschiedlichen Besiedlungsbereichen
Bild: Umweltatlas Berlin

Aus Tabelle 1 ist zu ersehen, dass generell mit zunehmender Besiedlungsdichte, ausgedrückt durch die stadtstrukturelle Lage, eine Zunahme der Grundwassertemperaturen (vgl. Abb. 5) zu beobachten ist.

Es lässt sich grob folgende Einteilung für die unterschiedlichen Besiedlungsbereiche vornehmen (Tab. 2):

Bildvergrößerung: Tab. 2: Temperaturen in der neutralen Zone in Abhängigkeit von unterschiedlichen Besiedlungsdichten
Tab. 2: Temperaturen in der neutralen Zone in Abhängigkeit von unterschiedlichen Besiedlungsdichten
Bild: Umweltatlas Berlin

Die Abbildung 6 zeigt ein Beispiel für den Temperaturverlauf mitten in einer dichten Industrieansiedlung mit mehreren großen Abwärmeproduzenten; zudem liegt in unmittelbarer Nähe ein Oberflächengewässer. Die höchsten Grundwassertemperaturen sind im Winter und die niedrigsten im Sommer zu beobachten. Da das Oberflächengewässer durch Kühlwassereinleitungen, insbesondere während der Wintermonate, stark erwärmt wird, erhöht sich durch infiltrierendes Oberflächenwasser auch die Grundwassertemperatur. Im Jahr 1991 war über das ganze Jahr in einer Tiefe zwischen 10 und 20 m unter Geländeoberkante eine Temperaturanomalie mit jahreszeitlichen Temperaturschwankungen von nur ca. 1 K zwischen 14,5 °C und 15,5 °C zu beobachten.

Abb. 6: Jahreszeitliche Temperaturschwankungen des Grundwassers in der Messstelle 4110 in unmittelbarer Nähe zu einem ganzjährig erwärmten Oberflächengewässer
Abb. 6: Jahreszeitliche Temperaturschwankungen des Grundwassers in der Messstelle 4110 in unmittelbarer Nähe zu einem ganzjährig erwärmten Oberflächengewässer
Bild: Umweltatlas Berlin

In der Abbildung 7 sind die Temperaturprofile von ausgewählten Messstellen im Bezirk Berlin Mitte in einem Gebiet von ca. 3 × 3 km Fläche dargestellt, die in den Jahren 2012 und 2013 gemessen worden sind. Die Abbildung zeigt eine deutliche Beeinflussung der Untergrundtemperatur bis in Tiefen von mehr als 100 m unter der Geländeoberfläche. Die gemessenen Temperaturen bewegen sich in einem Temperaturbereich zwischen 11 und 15 °C. Die Messstelle mit der stärksten Temperaturbeeinflussung liegt in der Nähe von einem Oberflächengewässer (hier: violette Linie in der Abbildung 7).

Abb. 7: Temperaturprofile von ausgewählten Messstellen im Stadtzentrum von Berlin (Bezirk Berlin Mitte)
Abb. 7: Temperaturprofile von ausgewählten Messstellen im Stadtzentrum von Berlin (Bezirk Berlin Mitte)
Bild: Umweltatlas Berlin

Die Auswertung von Langzeituntersuchungen an Messstellen im Innenstadtbereich zeigen nach Henning Energie- und Umweltberatung (2010), dass langfristig auch mit einer Beeinflussung der Grundwassertemperaturen in größeren Tiefen zu rechnen ist. Die Abbildung 8 kann dies beispielhaft an Temperaturprofilen verdeutlichen, die in einer Grundwassermessstelle zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommenen wurden.

Abb. 8: Ergebnis einer Langzeittemperaturuntersuchung an der Messstelle 7063
Abb. 8: Ergebnis einer Langzeittemperaturuntersuchung an der Messstelle 7063
Bild: Umweltatlas Berlin

Die gemessenen Temperaturprofile in den Jahren 1984 und 1993 zeigen für die neutrale Zone in ca. 18 m Tiefe und dem tieferen Untergrund (mehr als 20 m Tiefe) in etwa den gleichen Temperaturverlauf. Ein Vergleich mit dem angenommenen „ungestörten“ Temperaturverlauf zeigt bis in rd. 70 m Tiefe einen deutlichen Anstieg der Untergrundtemperatur. In 40 m Tiefe beträgt dieser Temperaturunterschied noch rd. 0,5 K. Dieser bis Anfang der 1990er Jahre beobachtete Temperaturanstieg ist auf Veränderung des Lokalklimas zurückzuführen, die vermutlich auf eine größere Wohnbebauung zurückzuführen, die in den 1960 bis 1970er Jahren in unmittelbar Nähe errichtet worden ist. Der „ungestörte“ Temperaturverlauf wurde aus dem Bohrprofil, der für den Standort angenommenen mittleren Wärmestromdichte und der ungestörten mittleren Oberflächenjahrestemperatur theoretisch berechnet.

Zwischen 1993 und 2010 ist ein weiterer Temperaturanstieg in der neutralen Zone um rd. 0,4 K zu beobachten. Dieser Temperaturanstieg macht sich bis in Tiefen von rd. 40 m bemerkbar.

Da im Umfeld der Messstelle in diesem Zeitraum keine signifikanten Veränderungen durch z. B. Bebauung zu beobachten waren, die eine Veränderung des Lokalklimas bewirken können, besteht in diesem Fall wahrscheinlich ein Zusammenhang mit den Auswirkungen der allgemeinen Klimaerwärmung.

Abb. 9: Temperaturabweichung der Lufttemperatur und der Bodentemperatur in 12 m Tiefe an der Säkularstation Potsdam im Vergleich mit der Temperaturentwicklung auf der nördlichen Halbkugel von 1920 bis 2004 bezogen auf den Referenzzeitraum 1961 bis 1990
Abb. 9: Temperaturabweichung der Lufttemperatur und der Bodentemperatur in 12 m Tiefe an der Säkularstation Potsdam im Vergleich mit der Temperaturentwicklung auf der nördlichen Halbkugel von 1920 bis 2004 bezogen auf den Referenzzeitraum 1961 bis 1990
Bild: HENNING & LIMBERG, 2012

Die Abbildung 9 zeigt, dass seit Beginn der 1980er Jahre im Land Berlin und in dessen Umland ebenso wie auf der gesamten nördlichen Erdhalbkugel ein deutlicher Anstieg der Lufttemperaturen zu beobachten ist. Dieser Temperaturanstieg von ca. 0,5 K führt zu einer merklichen Störung des Temperaturgleichgewichts im oberflächennahen Untergrund, der auch unterhalb der neutralen Zone bei zahlreichen Messstellen im Land Berlin zu beobachten ist. Ein Beispiel dafür ist in Abbildung 10 dargestellt.

Abb. 10: Temperaturabweichung an der Säkularstation Potsdam für die Lufttemperatur in 2 m Höhe und die Bodentemperatur in 12 m Tiefe im Vergleich mit der Temperaturentwicklung auf der nördlichen Halbkugel. Die Temperaturabweichung wird auf den Temperaturmittelwert im internationalen Referenzzeitraum 1961 bis 1990 bezogen („Nulllinie“)
Abb. 10: Temperaturabweichung an der Säkularstation Potsdam für die Lufttemperatur in 2 m Höhe und die Bodentemperatur in 12 m Tiefe im Vergleich mit der Temperaturentwicklung auf der nördlichen Halbkugel. Die Temperaturabweichung wird auf den Temperaturmittelwert im internationalen Referenzzeitraum 1961 bis 1990 bezogen („Nulllinie“)
Bild: HENNING & LIMBERG 2012

Kartenbeschreibungen

In den Karten wird Temperaturverteilung im Untergrund für fünf unterschiedliche Tiefen unter Gelände für das Land Berlin dargestellt. Bei den Karten muss beachtet werden, dass die dargestellten Ergebnisse zur Temperaturverteilung nicht als punktbezogene Information, sondern als Tendenz zu verstehen sind.

Die Kartenangaben zur Temperaturverteilung sollten immer dann verwendet werden, wenn keine für den Standort und repräsentative Temperaturmessungen vorliegen. Es ist zu beachten, dass die Ergebnisse einer Temperaturmessung immer nur exakt für das aufgenommene Tiefenprofil gelten. Je nach Variabilität der Standortcharakteristik können schon wenige 100 m weiter andere Bedingungen vorherrschen, die zu einer Temperaturänderung im Untergrund führen. Ohne Berücksichtigung der Veränderungen kann dies bei einer Übertragung auch auf dicht benachbarte Standorte zu einer teilweise erheblichen Fehleinschätzung der Temperaturverhältnisse führen.

Die Aktualisierung der geothermischen Karte weist für den Bezugshorizont 20 m unter Geländeoberkante Unterschiede zur Kartenausgabe von 2011 auf. Diese sind u. a. darauf zurückzuführen, dass deutlich mehr Messstellen für die Ermittlung der Temperaturverteilung einbezogen worden sind und bei einigen älteren Messungen Messwertkorrekturen erforderlich waren.

Grundsätzlich ist anhand der aufgeführten Karten eine erste Abschätzung der Temperaturverhältnisse an einem Standort für die Nutzung von geothermischer Energie möglich.

Generell ist ein tendenzieller Temperaturanstieg vom Stadtrand zum Stadtzentrum hin zu beobachten. Der Temperaturverlauf im Nordosten zeigt einen kontinuierlichen Anstieg zum Stadtzentrum hin, während sich das übrige Stadtgebiet durch das Auftreten mehrerer kleinerer positiver und negativer Temperaturanomalien auszeichnet.

Das stark bebaute und versiegelte Stadtzentrum wird 20 m unter Geländeoberkante (Karte 02.14.1) von einer 12,5 °C – Isolinie eingeschlossen. Die im Stadtzentrum zu beobachtende Wärmeinsel mit Temperaturen von mehr als 12,5 °C wird durch den Großen Tiergarten, einer großen Grünfläche im Innenstadtbereich, durchbrochen. Innerhalb dieser Wärmeinsel sind Temperaturanomalien mit Temperaturen von mehr als 13,5 °C zu beobachten.

Außerhalb des Stadtzentrums korrelieren positive Temperaturanomalien ebenfalls mit hoch versiegelten Bereichen wie Nebenzentren und Industriegebieten.

Unterhalb der ausgedehnten Waldgebiete im Stadtrandbereich von Südosten, Norden, Nordwesten und Südwesten liegen die Temperaturen im Bereich von 9,5 °C bzw. darunter. Ferner fallen negative Temperaturanomalien im Stadtgebiet von weniger als 10,5 °C mit Bereichen zusammen, die sich durch einen hohen Vegetationsanteil auszeichnen wie z. B. der Britzer Garten oder das Tempelhofer Feld.

Generell ergeben sich im dicht besiedelten Innenstadtbereich gegenüber dem Freiland Temperaturerhöhungen im Grundwasser von mehr als 4 °C.

Die weiteren Karten (Karten 02.14.3 – 02.14.6) zeigen die Grundwassertemperaturverteilung für die Bezugshorizonte 40 m, 60 m, 80 m und 100 m unter Geländeoberkante im Land Berlin. In diesen Tiefen ist eine Beeinflussung durch die täglichen und jahreszeitlichen Temperaturschwankungen ausgeschlossen. Es können sich jedoch in diesen Tiefen langfristig anhaltende Temperaturänderungen, die z. B. durch eine veränderte bauliche Entwicklung oder klimatische Veränderungen verursacht werden, bemerkbar machen.

Solche Temperaturanomalien sind insbesondere im Innenstadtbereich im Bezirk Mitte, aber auch an der südlichen Stadtgrenze in Berlin Lichterfelde am Teltowkanal mit einer langen baulichen bzw. intensiven industriellen Nutzung zu beobachten (Grundwassertemperaturverteilung für die Bezugshorizonte 80 m und 100 m).

Andere Temperaturanomalien wie z. B. im Südwesten von Berlin an der Grenze zu Potsdam, im nördlichen Grunewald im Bereich des Erdgasspeichers und in Lübars an der nördlichen Grenze von Berlin sind mit geologischen Strukturen im tieferen Untergrund verknüpft. Bei den benannten Temperaturanomalien ist ein Zusammenhang mit den im Großraum Berlin bekannten Salzkissenstrukturen zu vermuten.

Bei anderen Temperaturanomalien im tieferen Untergrund mit mehr als 80 m unter Geländeoberkante wie z. B. im Gebiet Rudow/Altglienicke im Südosten Berlins, in den Ortsteilen Lichtenberg, Marzahn und Hellersdorf im Osten und im Spandauer Stadtforst im Westen von Berlin ist die Ursache für das Auftreten erhöhter Untergrundtemperaturen noch nicht geklärt. In diesen Fällen, ist jedoch zu beachten, dass es sich hier zum Teil um Gebiete handelt, für die keine gemessene Temperaturdaten vorliegen und synthetischen Temperaturprofile für die Prognose der Temperaturverteilung herangezogen worden sind. Die Temperaturaussagen in diesen Bereichen sind mit relativ großen Unsicherheiten behaftet.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass sich im dicht besiedelten Innenstadtbereich gegenüber dem Freiland Temperaturerhöhungen im Grundwasser von mehr als 4 °C ergeben können und dieses somit deutlich erwärmt ist. Es besteht ein eindeutiger Zusammenhang mit den stadtklimatischen Verhältnissen an der Oberfläche. Dies belegen auch die Ergebnisse der regelmäßigen Untersuchungen an ausgewählten Spezial-Temperaturmessstellen in unterschiedlichen stadtstrukturellen Lagen.

Allgemein zeigt die oberflächennahe Grundwassertemperaturverteilung im Land Berlin einen Zusammenhang mit der Verteilung von Industrieansiedlungen, größeren Baukörpern, Abwärmeproduzenten, Oberflächenversiegelung, Freiflächen und anthropogen erwärmter Oberflächengewässer (s.a. Henning, 1990). Unter Berücksichtigung des Grundwasserströmungsfeldes kann davon ausgegangen werden, dass diese Faktoren einen wesentlichen Einfluss auf die Veränderung der Grundwassertemperatur haben. Da es in der Stadt in der Regel zu einer Überschneidung dieser Faktoren kommt, überlagern sich die Einflussgrößen gegenseitig.

Auf Grundlage von Daten aus Langzeituntersuchungen kann gezeigt werden, dass aufgrund der fortschreitenden baulichen Entwicklung aber auch der allgemeinen klimatischen Veränderungen von einer weiteren tief greifenden Erwärmung des oberflächennahen (kleiner 20 m Tiefe) als auch des tieferen Untergrundes (bis 100 m Tiefe) und somit auch des Grundwassers auszugehen ist.