Grundwassertemperatur 2020

Kartenbeschreibung

Temperaturprofile

Die Eindringtiefe der jahreszeitlichen Temperaturschwankungen und damit die Tiefenlage der neutralen Zone wird maßgeblich durch die geogenen Faktoren wie den Grundwasserflurabstand, 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 20 m (Henning & Limberg, 2012).

In Abbildung 6 ist für drei Temperaturmessstellen in unterschiedlichen stadtklimatischen Zonen, die zeitliche Variation des Temperaturverlaufs in den ersten 25 m unter der Geländeoberkante in der ungesättigten Zone und dem Grundwasser erfüllten Bereich dargestellt. Für jede Messstelle werden 6 Messungen aus dem Jahr 2020 dargestellt, wobei die Zunahme der Farbintensität den Fortschritt des Jahres angibt. Die Messungen finden in der Regel im Februar, April, Juni, August, Oktober und Dezember statt. Der Grundwasserflurabstand beträgt in Abhängigkeit von der geomorphologischen Lage zwischen 5 und 20 m.

Abb. 6: Jahreszeitliche Temperaturschwankungen des Untergrundes an drei Temperaturmessstellen (70001, 70006, 70009) in unterschiedlichen stadtklimatischen Zonen; die Zunahme der Farbintensität zeigt den Fortschritt im Jahresverlauf (Februar, April, Juni, August, Oktober und Dezember)

In Abhängigkeit vom jeweiligen Standort der Messstelle zeigen sich deutliche Unterschiede in den beobachteten Temperaturen sowie auch im Temperaturverlauf mit zunehmender 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 Januar 2020 bis Dezember 2020 resultieren.

Tab. 1: Gegenüberstellung ausgewählter Temperaturkennwerte aus Temperaturmessstellen in unterschiedlichen Besiedlungsbereichen im Jahr 2020

Aus Tabelle 1 wird ersichtlich, dass generell mit zunehmender Besiedlungsdichte, ausgedrückt durch die stadtstrukturelle Lage, eine Zunahme der Grundwassertemperaturen in der neutralen Zone (vgl. Abb. 6) zu beobachten ist.

Es lässt sich grob ein Temperaturbereich für die unterschiedlichen Besiedlungsbereiche für verschiedene Zeitpunkte aus den vorhandenen Temperaturkarten ableiten (vgl. Tab. 2). Es ist deutlich zu erkennen, dass sich alle Bereiche über den betrachteten Zeitraum erwärmt haben.

Tab. 2: Temperaturentwicklung in der neutralen Zone in Abhängigkeit von unterschiedlichen Besiedlungsdichten

Die Auswertung von Langzeituntersuchungen an Messstellen im Innenstadtbereich zeigen, dass langfristig auch mit einer Beeinflussung der Grundwassertemperaturen in größeren Tiefen zu rechnen ist. Die Abbildung 7 kann dies beispielhaft an Temperaturprofilen verdeutlichen, die in einer Grundwassermessstelle zwischen 1984 und 2021 aufgenommenen wurden.

Abb. 7: Ergebnis einer Langzeittemperaturuntersuchung in der Grundwassermessstelle 7063 (Dieselstraße, Berlin Neukölln)

Die gemessenen Temperaturprofile in den Jahren 1984 und 1993 zeigen ab ca. 20 m Tiefe in etwa den gleichen Temperaturverlauf. Die nachfolgenden Messungen der Jahre 2000, 2010, 2015 und 2021 zeigen eine Zunahme der oberflächennahen Temperaturen, welche mit der Tiefe abklingt.

Ein Vergleich mit dem angenommenen „ungestörten“ Temperaturverlauf zeigt bis in ca. 70 m Tiefe einen deutlichen Anstieg der Untergrundtemperatur. In 40 m Tiefe beträgt dieser Temperaturunterschied im Vergleich zur Messung 1993 ca. 1 K. Dieser beobachtete Temperaturanstieg ist auf eine Veränderung des Lokalklimas durch vermutlich eine größere Wohnbebauung zurückzuführen, die in den 1960 bis 1970er Jahren in unmittelbarer 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 (Henning Energie- und Umweltberatung (2010)).

Die Messungen von 2015 und 2021 zeigen einen weiteren Temperaturanstieg. Dieser Temperaturanstieg macht sich bis in Tiefen von rd. 80 m bemerkbar.

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

Abb. 8: Temperaturabweichung der Lufttemperatur und der Bodentemperatur in 12 m Tiefe an der Säkularstation Potsdam im Vergleich mit der globalen Temperaturentwicklung bezogen auf den Referenzzeitraum 1901 bis 2000

Die Abbildung 8 zeigt, dass seit Beginn der 1980er Jahre im Land Berlin und in dessen Umland ebenso wie auf globaler Ebene (rote Linie) ein deutlicher Anstieg der Lufttemperaturen zu beobachten ist. Dieser Temperaturanstieg von ca. 0,5 K im Jahr 1995 bzw. von mehr als 0,8 K im Jahr 2010 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 9 dargestellt. Die Bodentemperatur ist im Zeitraum zwischen 1984 und 2019 in Potsdam in 12 m Tiefe um ca. 1,4 K gestiegen (blaue Linie). In der Grundwassermessstelle 7063 (grüne Linie) in Berlin Neukölln stieg im Betrachtungszeitraum von 1984 bis 2021 die Temperatur in 20 m Tiefe ebenfalls um 1,4 K an. Die Messungen der Bodentemperatur in 12 m Tiefe an der Säkulärstation Potsdam wurden im Jahr 2019 eingestellt.

Abb. 9: Temperaturentwicklung an der Säkularstation Potsdam für die Bodentemperatur in 12 m Tiefe und für die Bodentemperatur in 20 m Tiefe an der Messstelle 7063, im Bezirk Neukölln, Dieselstraße, im Zeitraum zwischen 1984 und 2021

Kartenbeschreibungen

Allgemeines

In den Karten wird für das Land Berlin die Temperaturverteilung im Untergrund für fünf unterschiedliche Tiefen für die Bezugshorizonte 20 m, 40 m, 60 m, 80 m und 100 m unter Gelände und die mittlere Temperatur für den Tiefenbereich von 20 bis 100 m unter Gelände dargestellt. Es muss beachtet werden, dass die Isothermenverläufe in Abhängigkeit von der vorhandenen Messstellendichte relativ große Unsicherheiten aufweisen können.

Die Kartenangaben zur Temperaturverteilung sollten immer dann verwendet werden, wenn für den Standort keine repräsentativen 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. Grundsätzlich ist aber anhand der aufgeführten Karten eine erste Abschätzung der Temperaturverhältnisse an einem Standort für die Nutzung von geothermischer Energie möglich.

Es konnte ein erheblicher Einfluss auf das oberflächennahe Temperaturfeld durch die Uferfiltration im Bereich verschiedener Brunnengalerien der Berliner Wasserbetriebe festgestellt werden. Aufgrund der saisonalen Temperaturschwankungen von Oberflächengewässern sind vor allem Messstellen zwischen Förderbrunnen und Oberflächengewässern stark beeinflusst, weshalb diese Messungen nicht bei der Kartenerstellung berücksichtigt werden.

Temperaturen 20 m unter Geländeoberkante

Die aktuelle Temperaturverteilung (Messungen 2020) weist für den Bezugshorizont 20 m unter Geländeoberkante (Karte 2.14.1) teilweise deutliche Unterschiede zu der vorhergehenden Kartenausgabe von 2015. Diese sind u. a. darauf zurückzuführen, dass wesentlich mehr Messstellen, vor allem im Osten des Stadtgebiets für die Ermittlung der Temperaturverteilung verwendet wurden.

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, eine große Grünfläche im Innenstadtbereich, durchbrochen. Innerhalb dieser Wärmeinsel sind Temperaturanomalien mit Temperaturen von mehr als 14,5 °C zu beobachten.

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

Unterhalb der ausgedehnten Waldgebiete im südöstlichen, nördlichen und nordwestlichen Stadtrandbereich sowie im Bereich des Grunewalds sind die Temperaturen geringer als 10,5 °C. Es sind einige Temperaturanomalien im Stadtgebiet mit weniger als 11,5 °C, wie z. B. der Britzer Garten, das Tempelhofer Feld oder die Jungfernheide zu beobachten. Diese Flächen weisen einen hohen Vegetationsanteil auf. Die Ursache für die nun erkannten/nachgewiesenen negativen Temperaturanomalien im Gegensatz zu der vorhergehenden Kartenausgabe von 2015 ist u. a. auf die höhere Messstellendichte zurückzuführen. Generell ergeben sich im dicht besiedelten Innenstadtbereich gegenüber dem Umland Temperaturerhöhungen im Grundwasser von mehr als 5 K.

Temperaturen 40 m, 60 m, 80 m und 100 m unter Geländeoberkante

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 u. a. anthropogen verursachte 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 im tiefen Untergrund zu vermuten.

Die dargestellten Temperaturverteilungen im tieferen Untergrund mit mehr als 80 m unter Geländeoberkante z. B. in den Ortsteilen Lichtenberg, Marzahn und Hellersdorf im Osten von Berlin sind aufgrund der geringen Anzahl an Messwerten mit relativ großen Unsicherheiten behaftet.

Durchschnittstemperatur 20 m bis 100 m unter Geländeoberkante

In Ergänzung zu den Karten für die Grundwassertemperaturverteilung für die unterschiedlichen Bezugshorizonte ist zusätzlich eine Karte für die Durchschnittstemperatur in dem Tiefenbereich 20 m bis 100 m erstellt worden. Die Karte dient u. a. als Hilfsmittel für die Auslegung von geothermischen Anlagen.

Die Karte zeigt, dass insbesondere der stark bebaute Innenstadtbereich Durchschnittstemperaturen von mehr als 11 °C aufweist. In den Außenbezirken liegen die Durchschnittstemperaturen bei ca. 10 °C bzw. in den unbebauten Randbereichen bei ca. 9 °C.

Im Zusammenhang mit dieser Karte wird darauf hingewiesen, dass aufgrund der lokalklimatischen Verhältnisse und der vorhandenen Messstellendichte die ausgewiesenen Durchschnittstemperaturen kleinräumig abweichen können. So ist in Gebieten mit hohen Grünflächenanteilen eine niedrigere Durchschnittstemperatur möglich, in Gebieten mit einer hohen Oberflächenversiegelung können auch höhere Durchschnittstemperaturen auftreten.

Zusammenfassung

Zusammenfassend ist festzustellen, dass sich im dicht besiedelten Innenstadtbereich gegenüber dem unbebauten Umland Temperaturerhöhungen im Grundwasser von mehr als 5 K ergeben können. Es besteht ein eindeutiger Zusammenhang mit den stadtklimatischen Verhältnissen an der Oberfläche. Dies belegen auch die Ergebnisse der regelmäßigen Messungen an den Temperaturmessstellen in unterschiedlichen stadtstrukturellen Bereichen.

Allgemein zeigt sich ein direkter Zusammenhang zwischen der oberflächennahen Grundwassertemperaturverteilung und der Flächennutzung im Land Berlin. Der Einfluss von Industrieansiedlungen, größeren Baukörpern, Abwärmeproduzenten, Oberflächenversiegelung, und anthropogen erwärmten Oberflächengewässern ist deutlich in den Temperaturverteilungen zu erkennen. Die genannten Faktoren haben einen wesentlichen Einfluss auf die Veränderung der Untergrundtemperatur. Ebenso kann gezeigt werden, dass Grünflächen negative Temperaturanomalien im Untergrund verursachen und folglich zu einer Abkühlung des Untergrundes beitragen bzw. einer weiteren Erwärmung entgegenwirken.

Auf der Grundlage von Daten aus Langzeituntersuchungen kann gezeigt werden, dass aufgrund der fortschreitenden baulichen Entwicklung aber auch der allgemeinen klimatischen Veränderungen von einer weiteren tiefgreifenden Erwärmung des oberflächennahen Untergrundes und auch des Grundwassers auszugehen ist.