Die Höhe der Grundwasseroberfläche bzw. der Grundwasserdruckfläche ist für verschiedene wasserwirtschaftliche, ökologische und bautechnische Fragestellungen von Bedeutung. Insbesondere gilt das für ihren Maximalwert, den höchsten Wert, den der Grundwasserstand erreichen kann, der vor allem für die Bemessung von Bauwerken benötigt wird. Als Planungsgrundlage für die Auslegung einer Abdichtung des Bauwerks gegen „drückendes“ Wasser oder für die Bemessung der Gründung ist dieser Wert unabdingbar. Meist wird dieser Maximalwert anhand langjähriger Grundwasserstandsbeobachtungen ermittelt. Zurzeit werden im Berliner Stadtgebiet an rund 2000 Grundwassermessstellen Grundwasserstände (Standrohrspiegelhöhen) gemessen und in Form von Grundwasserstandsganglinien dargestellt (Beispiel s. Abbildung 1). Der Maximalwert einer solchen Ganglinie wird als höchster Grundwasserstand , abgekürzt HGW , bezeichnet. Der HGW ist damit also ein in der Vergangenheit gemessener Wert. Grundwasserstandsganglinien dreier Messstellen im Urstromtal: Der höchste Grundwasserstand (HGW) wurde zu unterschiedlichen Zeiten gemessen: Mst. 137: 1975, Mst. 5476: 2002 und Mst. 8979: 2011. Wenn an dem Ort, für den der höchste Grundwasserstand benötigt wird, keine Grundwassermessstelle mit hinreichend langer Beobachtungsdauer vorhanden ist, kann dieser Wert aus den höchsten Grundwasserständen benachbarter Messstellen durch Interpolation näherungsweise bestimmt werden. Ein solcher interpolierter Wert wird gleichfalls als HGW bezeichnet. Für viele Fragestellungen ist die Kenntnis eines höchsten, in der Vergangenheit eingetretenen Grundwasserstands zwar sehr hilfreich, aber nicht in allen Fällen voll befriedigend bzw. ausreichend. Soll der HGW beispielweise zur Bemessung einer Bauwerksabdichtung gegen drückendes Wasser benutzt werden, so muss dieser in der Vergangenheit beobachtete Wert selbstverständlich einer sein, der auch in Zukunft, d.h. innerhalb der Nutzungsdauer des Bauwerks, nicht überschritten wird und nur in extrem nassen Situationen auftreten kann. Wenn der beobachtete Grundwasserstandsgang im Wesentlichen durch natürliche Ursachen bedingt ist (jahreszeitlich unterschiedliche Grundwasserneubildung, Wechsel von niederschlagsarmen mit niederschlagsreichen Jahren) kann davon ausgegangen werden, dass er sich zukünftig ähnlich verhält. Das gilt auch im Fall anthropogener Eingriffe mit Auswirkungen auf die Grundwasseroberfläche, sofern diese dauerhaft sind, sich also in Zukunft nicht ändern werden. In weiten Teilen Berlins herrschen bereits seit Langem keine natürlichen Grundwasserverhältnisse mehr. Durch dauerhafte wie zeitlich begrenzte Eingriffe in den Grundwasserhaushalt ist die Höhe der Grundwasseroberfläche künstlich beeinflusst . Zu den dauerhaften Maßnahmen zählen: die Regenwasserkanalisation, die eine Verminderung der Grundwasserneubildung und damit eine Absenkung des Grundwasserstands zur Folge hat; die dezentrale Regenwasserverbringung über Versickerungsanlagen, wodurch die Grundwasseroberfläche in Abhängigkeit von den Niederschlagsereignissen örtlich angehoben werden kann; Dränagen und Gräben, mit denen der Grundwasserstand gebietsweise gezielt abgesenkt wurde; wasserbauliche Maßnahmen (Stauhaltungen, Ufereinfassungen, Gewässerbegradigungen), die sowohl zu einer Anhebung wie zu einer Absenkung des Grundwasserstandes führen können; in das Grundwasser hineinreichende Bauwerke, mit der Auswirkung eines Aufstaus des Grundwassers in Anstromrichtung bzw. einer Absenkung in Abstromrichtung. Zu den zeitlich begrenzten Maßnahmen bzw. denjenigen, die in ihrem Ausmaß stark variieren können, gehören: Grundwasserentnahmen für die öffentliche und private Wasserversorgung sowie zum Zweck der Wasserfreihaltung von Baugruben oder zur Altlastensanierung, die zur Absenkung der Grundwasseroberfläche führen; Grundwasseranreicherungen zur Erhöhung des Grundwasserdargebots für die öffentliche Wasserversorgung, die in der Umgebung der Anreicherungsanlagen den Grundwasserstand anheben; Reinfiltration von gehobenem Grundwasser, z.B. im Rahmen von Grundwasserhaltungsmaßnahmen für Bauzwecke, wodurch – meist örtlich begrenzt – ebenfalls die Grundwasseroberfläche angehoben wird. Durch diese Vielzahl möglicher künstlicher Maßnahmen mit Auswirkungen auf das Grundwasser wird deutlich, dass es im Einzelfall selbst für Fachleute mitunter schwierig zu beurteilen ist, ob und in welchem Ausmaß ein beobachteter (= gemessener) höchster Grundwasserstand (HGW) anthropogen beeinflusst ist und in wieweit ein solcher Wert auch für in die Zukunft gerichtete Fragestellungen verwendet werden kann. Um die Qualität des HGW-Wertes weiter zu erhöhen und sie für den Nutzer leichter verfügbar zu machen, ist eine Karte entwickelt worden, die den „ zu erwartenden höchsten Grundwasserstand “, abgekürzt „ zeHGW “, direkt angibt. Dieser ist folgendermaßen definiert: Der zu erwartende höchste Grundwasserstand (zeHGW) ist derjenige, der sich witterungsbedingt maximal einstellen kann. Er kann nach extremen Feuchtperioden auftreten, sofern der Grundwasserstand in der Umgebung durch künstliche Eingriffe weder abgesenkt noch aufgehöht wird. Nach dieser Definition handelt es sich um einen Grundwasserstand, der nach gegenwärtigem Wissenstand unter den folgenden geohydraulischen Randbedingungen nach sehr starken Niederschlagsereignissen nicht überschritten wird: einerseits den natürlichen Randbedingungen (z.B. Wasserdurchlässigkeit des Untergrundes) und andererseits den dauerhaft künstlich veränderten Randbedingungen (z.B. Stauhaltungen der Fließgewässer, s.o.). Höhere Grundwasserstände als der zeHGW können grundsätzlich zwar auftreten, aber nur in Folge weiterer künstlicher Eingriffe. Solche Eingriffe (z.B. Einleitungen in das Grundwasser) sind langfristig natürlich nicht vorhersehbar. Sie brauchen aber auch für die meisten Fragen insofern nicht berücksichtigt zu werden, als sie in jedem Fall einer wasserbehördlichen Erlaubnis oder Bewilligung bedürfen. Sinngemäß entspricht die Definition des zu erwartenden höchsten Grundwasserstands damit der Definition des „Bemessungsgrundwasserstands“ für Bauwerksabdichtungen gemäß BWK-Regelwerk, Merkblatt BWK-M8 (2009; BWK Bund der Ingenieure für Wasserwirtschaft, Abfallwirtschaft und Kulturbau e.V.). Der Begriff Bemessungsgrundwasserstand wird hier zu Gunsten des Begriffs zu erwartender höchster Grundwasserstand jedoch nicht verwendet, da die zeHGW-Karte auch für andere Fragen neben der nach einer erforderlichen Bauwerksabdichtung zur Verfügung gestellt wird. In diesem Zusammenhang wird auch darauf hingewiesen, dass die Festlegung von Bemessungsgrundwasserständen für Baumaßnahmen im Grundsatz dem Bauherrn bzw. seinem Fachplaner oder -gutachter obliegt. Da dies für den Einzelnen wegen der übergreifenden komplexen, durch den Menschen stark beeinflussten Grundwasserverhältnisse in Berlin allein auf der Grundlage von Grundwasseruntersuchungen am Ort der Baumaßnahme und dem engeren Umfeld mitunter nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand möglich ist, stellt das Land Berlin Informationen zum Grundwasserstand für den Bürger zur Verfügung. Die Arbeitsgruppe Landesgeologie der Senatsverwaltung für Umwelt, Mobilität, Verbraucher- und Klimaschutz gibt seit Jahrzehnten Auskünfte zum Grundwasser, damit auch zum höchsten Grundwasserstand (HGW), der von Fachleuten auf der Basis der vorliegenden Grundwasserstandsdaten ermittelt wird. Da der HGW entsprechend seiner Definition (s.o.) kein unbeeinflusster Grundwassersstand sein muss, wird angestrebt, für das gesamte Stadtgebiet eine Karte des zeHGW zu entwickeln, der für in die Zukunft gerichtete Fragestellungen (z.B. Bauwerksabdichtung) aussagekräftiger ist. Der Zugriff auf die Karte über das Internet erlaubt es dem Nutzer, den zeHGW für den gewünschten Standort abzulesen. Bisherige Wartezeiten, die durch die schriftliche Anfrage entstanden, entfallen dadurch. Die zeHGW-Karte ist für vier Gebiete Berlins verfügbar (s. Abbildung 2). Geologisch gesehen handelt es sich um das Gebiet des Berliner Urstromtals und das Gebiet des Panketals . Beide sind dadurch gekennzeichnet, dass ihr Untergrund oberflächennah ganz überwiegend durch gut wasserleitende Sande, aufgebaut ist und sich die Grundwasseroberfläche im Allgemeinen nur in geringer Tiefe (Grundwasserflurabstand wenige Meter, stellenweise auch weniger als einem Meter) befindet (SenStadtUm). Des Weiteren wurde die zeHGW-Karte für die südlich des Urstromtals anschließenden Bereiche der Teltow-Hochfläche und der westlich der Havel gelegenen Nauener Platte entwickelt. Im östlichen Teil ist die Hochfläche von relativ mächtigem Geschiebemergel bzw. Geschiebelehm der Grundmoräne bedeckt, die z. T. auch für gespannte Grundwasserverhältnisse verantwortlich sind, im westlichen Teil sind überwiegend mächtige Sandabfolgen vorhanden. Im Bereich der Nauener Platte sind Geschiebemergel und Schmelzwassersande gleichermaßen verbreitet. Kennzeichnend für das Gebiet südlich des Urstromtales ist, dass die Grundwasseroberfläche in einer Tiefe von meist deutlich größer 10 m, im Grunewald und auf der Wannseehalbinsel teilweise auch größer 20 m anzutreffen ist. Geringe Flurabstände finden sich dagegen entlang der oberirdischen Gewässer z. B. Havel, Grunewaldseen, aber auch im Gebiet um das Rudower Fließ, im südlichen Bereich von Lichtenrade und auf den ehemaligen Rieselfeldern Karolinenhöhe. Aktuell wurde die zeHGW-Karte für den nördlich des Urstromtales und südöstlich des Panketals angrenzenden Teil der Barnim-Hochfläche ergänzt. In diesem Bereich bestimmen die ausgedehnten Geschiebemergelkomplexe der weichsel- und saalekaltzeitlichen Grundmoränen, die zumeist mit Schmelzwassersanden wechsellagern, die hydrogeologischen Verhältnisse maßgeblich. Der Grundwasserleiter ist in diesem Bereich i. A. bedeckt und in weiten Teilen gespannt, z. T. auch artesisch, das hydraulische Gefälle ist vergleichsweise hoch. Der Grundwasserflurabstand kann mehrere zehner Meter erreichen. Da über den Grundmoränensedimenten häufig Decksande abgelagert sind, ist das Vorkommen von Schichtenwasser verbreitet. Für alle Gebiete, in denen z.T. methodisch unterschiedlich vorgegangen wurde, wird hier eine Karte der Grundwasserhöhen mit der Bezeichnung „Zu erwartender höchster Grundwasserstand (zeHGW)“ veröffentlicht.
Intensive agricultural production in the Hai River catchment had detrimental impacts on the quantity and quality of ground and surface water. High cropping intensity, irrigation and fertilizer applications of more than 300 kg N/ha resulted in a decrease of the ground water table by more than 30 m within the last decades and severe deterioration of water quality in the Piedmont Plain Region, a part of the Hai River catchment. The shortage of water resources in the Hai River basin not only hinders the development of the local economy, but also results in severe environmental problems such as:- subsidence of the ground surface due to over-exploitation of groundwater, - degradation of ecosystems, - shrinking of rivers and lakes, - non point source pollution of soil and ground water - serious water pollution in the main channels and tributaries. Sustainable land use in that region requires a sound knowledge of the effects of single management measures. However, subsoil heterogeneity is one of the major obstacles, impeding relating cause and effect at larger scales and to assess the effect of single management strategies. In this study, a three-step up-scaling approach is suggested that combines some innovative methodologies, and enables to grasp the heterogeneities usually encountered at the management scale. First, a recently developed robust methodology will be applied to determine deep percolation and groundwater recharge in situ without requiring a fully-fledged soil hydrological model. The results can be compared to seepage data from lysimeters of the Luancheng station. Moreover, spatial heterogeneities and temporal patterns can be determined and can be related to soil hydrological properties. Second, spatial functional hydrological heterogeneity can be assessed based on principal component analysis of time series of soil water content and groundwater recharge, allowing to up-scale detailed measurements from single field sites. Third, processes affecting groundwater quality, and exchange between groundwater and surface water can be investigated using non-linear PCA of soil water, groundwater, and stream water quality data, combined with stable isotope data. The outcome of the project is expected to provide valuable contributions to scale-specific simulation of water and solute fluxes at the management scale.
Die Ozonierung ist eine etablierte Technologie zur effizienten Oxidation von organischen Spurenstoffen in der Wasseraufbereitung. Ein wesentlicher Nachteil bei der Anwendung von Ozon ist die Bildung von stabilen und potenziell toxischen Ozonungsprodukten (OPs). Kritisch sind wegen ihrer Langlebigkeit vor allem biologisch stabile OPs. Unmöglich kann die Reaktion aller relevanter CECs mit Ozon, die dabei entstehenden OPs und deren biologische Stabilität untersucht werden. Vielmehr ist es notwendig, basierend auf dem systematischen Studium funktioneller Gruppen Kenntnisse zu generieren, die auf andere Stoffe übertragbar sind. Bislang wurden solche systematischen Studien aber nicht durchgeführt. Noch größer ist die Wissenslücke bei den im Abwasser vorliegenden organischen Kohlenstoffverbindungen (engl.: effluent organic matter, EfOM). Zwar belegt die Ozonzehrung von EfOM dessen Reaktivität gegenüber Ozon, aber welche funktionellen Gruppen reagieren, welche Produkte gebildet werden und wie biologisch stabil diese sind, ist gerade für EfOM mit Heteroatomen (N, S) nicht untersucht. Dieses Vorhaben will beide Lücken durch ein komplementäres analytisches und experimentelles Vorgehen schließen, mit dem gemeinsamen methodischen Ansatz der Einführung einer Markierung in die OPs durch Verwendung von 18O-Ozon und der nachfolgenden Detektion und Identifizierung der OPs mithilfe der (ultra-hochauflösenden) Massenspektrometrie. Das Vorhaben basiert auf der zentralen Hypothese, dass die Reaktion von Ozon sowohl mit bestimmten funktionellen Gruppen organischer Spurenstoffe als auch mit äquivalenten Gruppen des EfOM zu einer vorhersagbaren Bildung von OPs führt. Es zielt darauf ab, i) unser Verständnis der Reaktivität verschiedener funktioneller Gruppen gegenüber Ozon zu verbessern, wobei der Schwerpunkt auf der Identifikation biologisch schwer abbaubarer Funktionen innerhalb der OPs liegt, ii) ozon-reaktive funktionelle Gruppen im EfOM basierend auf bestehendem Wissen zur Transformation von Spurenstoffen zu identifizieren, wobei der Schwerpunkt auf N- und S-haltigen funktionellen Gruppen liegt, welche potentiell chemisch stabile OPs bilden, und iii) die Bedeutung des EfOM im Hinblick auf die Bildung biologisch schwer abbaubarer OPs in der Ozonierung von Abwasser zu bewerten. Dazu soll der biologische Abbau der OPs anhand deren spezifischen funktionellen Gruppen in Säulen-Abbauversuchen und einer simulierten Grundwasseranreicherung untersucht werden. Mit dem neuen Ansatz der Markierung sind wir in der Lage, OPs von CECs ebenso wie von EfOM sicher zu detektieren, besser zu identifizieren und ihre Stabilität gut zu verfolgen. Das Vorhaben generiert ein systematisches und übertragbares Verständnis zur Bildung stabiler OPs basierend auf funktionellen Gruppen organischer Moleküle, von CECs wie von EfOM. Erst wenn die Stabilität der möglichen OPs untersucht ist, wird auch eine systematische toxikologische Bewertung der Ozonung als Wasseraufbereitungsmethode möglich.
Seit 1964 werden im Auftrag von Wasserwerken mikrobiologische und chemische Untersuchungen zur Uferfiltration im Rahmen von Trinkwasserversorgungsanlagen durchgefuehrt. Wird ein Uferfiltrat infolge zu grosser Belastung mit organischer Substanz anaerob, so entstehen mikrobiologische und chemische Produkte, die ihrerseits nach Mischung dieses Wassers mit sauerstoffhaltigen Hangwasser wiederum oxydiert werden und zur Massenvermehrung von Mikroorganismen fuehren.
Veranlassung
Die Fördermaßnahme LURCH lässt sich in drei übergeordnete Themenfelder untergliedern. Dazu gehören:
- Quantitative Herausforderungen, in Bezug auf ein integriertes Systemverständnis der Grundwasserleiter unter Einbeziehung aller beeinflussenden natürlichen Schnittstellen (Oberflächengewässer, Grundwasserneubildung, saline Wässer, etc.) und aller Akteure und Funktionen (Trinkwasserversorgung, Land- und Forstwirtschaft, Industrie, Wärme- oder Kältespeicher, Ökosystemfunktionen)
- Qualitative Herausforderungen, z. B. stofflich (Nitrat, aktuelle Schadstoffe, Spurenstoffe, Krankheitserreger, künftige regulatorische Qualitätsparameter), analytisch (z. B. Non-Target Analytik, Indikatoren), technologisch (z. B. In-situ Behandlung, Überwachung)
- Herausforderungen der nachhaltigen Bewirtschaftung, multidimensionale und integrierte Bewirtschaftungsstrategien (z. B. Grundwasseranreicherung), wirtschaftliche Anforderungen (z. B. Investitions-/Betriebskosten) und Digitalisierungsmaßnahmen
Das Augenmerk der Fördermaßnahme liegt auf der Unterstützung der erfolgreichen Entwicklung, Demonstration und Umsetzung von anwendungsorientierten Lösungen, die in interdisziplinären Verbundprojekten wie KIMoDIs erarbeitet werden.
Um die verfügbaren Grundwasserressourcen optimal und nachhaltig zu nutzen, entwickelt das Projekt ein Monitoring-, Datenmanagement- und Informationssystem zur gekoppelten Vorhersage und Frühwarnung vor Grundwasserniedrigständen und -versalzung, das auf Methoden der KI basiert. Die Ergebnisse werden in einem nutzerspezifischen Entscheidungshilfe-Tool zusammengeführt, welches mittels verschiedener Klima- und Nutzungsszenarien standortspezifisch eine intelligente Planung von Gegenmaßnahmen ermöglichen soll.
Ziele
Ziele des Gesamtprojekts:
- Entwicklung eines auf KI basierenden Monitoring-, Datenmanagement- und Informationssystems zur kurz- (saisonal), mittel- (1 bis 10 Jahre) und langfristigen (bis 2100) Vorhersage von Grundwasserständen und -versalzung.
- Aufbau eines anwenderspezifischen Entscheidungs-Unterstützungssystems zur frühzeitigen Warnung vor Grundwasserniedrigständen und -versalzung sowie den damit verbundenen Schäden.
- Zusammenführung aller erforderlichen Messdaten in einem intelligenten Datenmanagementsystem.
- Berücksichtigung verschiedener Nutzungsszenarien zur standortspezifischen, intelligenten Planung von Gegenmaßnahmen.
- Die methodische Entwicklung und Demonstration des Ansatzes erfolgt überregional im Land Brandenburg, unter großräumiger Betrachtung aller Aspekte wie den Entnahmen für Trinkwasserversorgung, Industrie und Landwirtschaft, zeitlich hochaufgelöstem Monitoring der Bewässerungslandwirtschaft sowie der Gefahr durch Tiefenversalzung infolge von Übernutzung.
- Der entwickelte Ansatz wird in der Folge übertragen und getestet 1. auf regionaler Ebene, für ein Einzugsgebiet der Harzwasserwerke in Niedersachsen mit Fokus auf problematische Auswirkungen niedriger Grundwasserstände, und 2. auf lokaler Ebene, am Beispiel der Insel Langeoog mit Betrachtung der touristisch bedingten starken Variabilität des saisonalen Wasserbedarfs bei zunehmender Trockenheit sowie Gefährdung der Trinkwasserversorgung durch Versalzung.
Die BfG leitet das Arbeitspaket 4 „KI-gestützte Wasserhaushaltsmodellierung“. Hierfür gelten folgende Ziele:
-- Bereitstellung von simulierten und vorhergesagten Wasserhaushaltsgrößen für die Pilotregion „Untere Havel“, speziell für den Havelnebenfluss Nuthe und die Wasserversorgung Potsdam EWP.
- Berechnung der flächendifferenzierten und zeitlich hochauflösenden Wochenmittel der Grundwasserneubildung (GWN) mittels klassischer Verfahren und KI-basierter Algorithmen.
- Prozess- bzw. Konzeptmodell und KI-basierte Ansätze zur Berechnung der Grundwasser-Oberflächengewässer-Interaktion.
- Kurz-, Mittel- und Langfristvorhersagen der GWN mit einem hybriden Modellsystem.
- Zur Unterstützung der Machine Learning (ML)-Modelle zur Berechnung der Grundwasserneubildung werden