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Geothermie

„Geothermie“ oder „Erdwärme“ ist die unterhalb der Oberfläche der festen Erde gespeicherte Energie in Form von Wärme und zählt zu den regenerativen Energien. Diese beruht im Wesentlichen auf der von der Sonne eingestrahlten Wärmeenergie und dem nach oben gerichteten, terrestrischen Wärmestrom. Die von der Sonne eingestrahlte und von der Erdoberfläche an die Atmosphäre wieder abgegebene Wärmeenergie beeinflusst hierbei maßgeblich die Temperaturen im oberflächennahen Bereich bis etwa 15 bis 20 Metern Tiefe. Hier finden jahreszeitlich bedingte Temperaturschwankungen statt. In größerer Tiefe ist nur noch der terrestrische Wärmestrom maßgebend. Ursache ist die bei der Erdentstehung freigewordene Energie und der Zerfall radioaktiver Isotope. Mit der Tiefe nehmen die Temperaturen hier um durchschnittlich etwa 3 °C pro 100 Meter Tiefe zu. Man spricht auch von der „geothermischen Tiefenstufe“ oder dem „geothermischen Gradienten“. In einer Tiefe von etwa 20 m ist eine unbeeinflusste Temperatur von ca. 9 °C zu erwarten, in 100 m 12 °C und in 1.000 m etwa 40 °C. Der Transport der Wärme erfolgt durch Wärmeleitung von Teilchen zu Teilchen (Konduktion), aber auch durch bewegte Teilchen, also durch Grundwasserfluss (Konvektion). Berlin hat sich vorgenommen, bis spätestens im Jahr 2045 klimaneutral zu werden. Um dies zu erreichen, gilt es, gerade auch die Wärmeversorgung in der Stadt auf erneuerbare Energiequellen umzustellen. Denn fast die Hälfte des gesamten Berliner Endenergiebedarfs entfällt auf die Raumwärme und Warmwasserversorgung von Gebäuden. Bereitgestellt wird diese Wärme derzeit noch zu mehr als 90 Prozent über fossile Energieträger, also Kohle, Erdgas und Öl. Dies muss sich schnellstmöglich ändern. Dabei kann die Tiefe Geothermie – die emissionsfreie Förderung und Nutzung heißen Wassers aus tiefen Bodenschichten – eine wichtige Rolle spielen. Das genaue Potenzial im Berliner Untergrund ist noch unklar und muss erst präzise erkundet werden. Doch schon jetzt schätzen Geologen auf Grundlage bisheriger Erkenntnisse, dass bis zu einem Fünftel der benötigten Wärme mit Hilfe Tiefer Geothermie zur Verfügung gestellt werden könnte, etwa in Nah- und Fernwärmenetzen, über die Berliner Haushalte versorgt werden. Die Technik dazu ist bewährt und wird deutschlandweit in Dutzenden von Anlagen erfolgreich angewandt. Bild: SenMVKU Tiefe Geothermie. Erdwärme für Berlin Tiefe Geothermie, also Wärme, die in den Tiefen der Erde verfügbar ist, soll ein essenzieller Teil der Berliner Wärmeversorgung werden. Wir haben die wichtigsten Details für Sie zusammengestellt. Weitere Informationen Um das geothermische Potenzial von Berlin zu ermitteln, wurde in den Jahren 2009 bis 2012 die „Potenzialstudie zur Nutzung der geothermischen Ressourcen des Landes Berlin“ aufgeteilt in drei Module erarbeitet. Die Ergebnisse zu Modul 1, Grundlagenermittlung , und zu Modul 2, Ermittlung des geothermischen Potenzials und dessen Darstellung, bildeten Grundlagen für die Darstellung der Potenzialkarten . Die Arbeiten zu Modul 3, Thermisch-hydraulische Modellierung, sind in der Zusammenfassung der Berichte (Modul 1 bis 3) enthalten, die nachfolgend als Download zur Verfügung steht. Im Jahr 2023 wurde eine aktualisierte Potenzialstudie zur Mitteltiefen Geothermie in Berlin erstellt, welche die Ergebnisse aus verschiedenen Forschungsprojekten der vorangegangenen 10 Jahren berücksichtigt. Aus dem Verbundprojekt „TUNB – Potenziale des unterirdischen Speicher- und Wirtschaftsraumes im Norddeutschen Becken“ ist ein dreidimensionales Modell des Norddeutschen Beckens verfügbar, welches für den Raum Berlin mittels zusätzlicher Daten aus 2D/3D-Seismik und Bohrungen verfeinert wurde. Anschließend erfolgte eine geothermische Parametrisierung der potenziellen Nutzhorizonte, wobei vor allem auf die Ergebnisse der Verbundprojekte Sandsteinfazies, GeoPoNDD und MesoTherm zurückgegriffen wurde. Die aktualisierte Potenzialstudie und die Daten des 3D-Untergrundmodells stehen nachfolgend als Download zur Verfügung. Die Studie untersucht die hydrochemischen Rahmenbedingungen für die Nutzung des Mittleren Buntsandsteins im Raum Berlin für die tiefe Geothermie. Im Fokus steht das Risiko von Salzausfällungen in hochsalinen Thermalwässern sowie deren Einfluss auf Betrieb und Wirtschaftlichkeit geothermischer Dubletten. Auf Basis einer umfassenden Datenrecherche und Modellbetrachtung werden Fluidzusammensetzungen, Mineralisationsgrade und mögliche Ausfällungsprozesse bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass insbesondere bei hohen Temperaturen, starker Abkühlung und bestimmten Betriebsbedingungen Risiken für Halit- und Sulfatausfällungen bestehen. Die Studie liefert damit wichtige Grundlagen für die Planung, Auslegung und sichere Nutzung geothermischer Anlagen in Berlin. Im Ballungsraum von Berlin ist die Temperatur des Untergrundes durch den Menschen tiefgreifend erwärmt. Der Anstieg der durchschnittlichen Oberflächentemperatur durch die globale Klimaerwärmung hat diesen Prozess zusätzlich noch verstärkt. Dies zeigen langjährige Temperaturmessungen in Grundwassermessstellen unter einer Tiefe von 20 m unter Gelände, unterhalb der jahreszeitliche Temperatureinflüsse durch die Sonne ausgeschlossen sind. In einigen Innenstadtgebieten sind Temperaturbeeinflussungen bis in über 80 m nachgewiesen. Die flächenhaft im Untergrund des Landes Berlin durchgeführten Temperaturmessungen zeigen deutlich, dass im zentralen Innenstadtbereich die Durchschnittstemperatur des Untergrundes und damit auch des Grundwassers zum Teil um mehr als 4 °C gegenüber den dünner besiedelten Randbereichen anthropogen bedingt erhöht ist. Die Temperaturmessungen belegen auch, dass sich dieser Temperaturanstieg zunehmend auch flächenhaft in größeren Tiefen bemerkbar macht. Dies zeigt die Karte für den Bezugshorizont 0 m NHN (Normalhöhennull), das entspricht je nach Lage im Stadtgebiet einer Tiefen von 35 bis 55 m Tiefe. Näheres zu dieser Thematik kann dem Umweltatlas Berlin und der Veröffentlichung zur Veränderung des Temperaturfeldes von Berlin ( BRB Henning & Limberg ) entnommen werden. Grundsätzlich ist die Art und Weise der Nutzung geothermischer Energie von der Temperatur des Vorkommens abhängig. Die oberflächennahe Erdwärme (z.B. bis 100 m) lässt sich derzeit wegen ihrer geringen Temperatur von 8 bis 12 °C nur in Verbindung mit einer Wärmepumpe nutzen, die die erforderliche Wärme für die Raumheizung und die Wassererwärmung erzeugt. Da mit zunehmender Tiefe die Temperatur des Untergrundes ansteigt, kann ab einer bestimmten Tiefe (ab etwa 1.000 m) die Untergrundwärme auch direkt (ohne Wärmepumpe) genutzt werden. Ist eine Stromerzeugung mit Dampfturbinen beabsichtigt, sind in der Regel Temperaturen von über 100 °C notwendig. Die dafür geeigneten Nutzungshorizonte liegen in unserer Region in der Regel drei bis fünf Kilometer unter der Erdoberfläche. In Berlin wird fast ausschließlich die oberflächennahe Geothermie genutzt, d. h. bis zu einer maximalen Tiefe von 100 m. Dafür steht ein ganzes Spektrum von technischen Möglichkeiten zur Verfügung. Alle diese Verfahren benötigen eine Wärmepumpe, die in der Lage ist, die relativ niedrige Temperatur des Untergrundes bzw. des Grundwassers in diesen Tiefen von 8– 2 °C mit Hilfe von elektrischer Energie auf ein für Heizzwecke geeignetes höheres Temperaturniveau zu bringen. Weitere Informationen zur Erdwärmenutzung Zur Erhöhung der Planungssicherheit dieser Erdwärmesondenanlagen werden im Umweltatlas Berlin Potenzialkarten zur spezifischen Wärmeleitfähigkeit und speziell für Einfamilienhäuser zur spezifischen Entzugsleistung dargestellt. Hierin sind die dafür maßgeblichen geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse subsummiert. Da der Einbau von Erdwärmesondenanlagen in den Untergrund potenziell mit einem Risiko der Grundwassergefährdung verknüpft ist, werden zum Schutz des Grundwassers bei der Errichtung einer solchen Anlage hohe wasserrechtliche Anforderungen an das Bohrverfahren, die anschließende Bohrlochabdichtung, Drucktests, Dokumentation etc. gestellt. Neuere Forschungsergebnisse, Schadensfälle sowie die stark gestiegene Anzahl der Erdwärmesondenanlagen bestätigen diese Gefährdung immer wieder. Weitere Informationen zur Anzeigepflicht für Bohrungen Da Berlin sein Trinkwasser zu 100 % aus dem Grundwasser und fast ausschließlich aus dem eigenen Stadtgebiet bezieht, werden deshalb bei der Errichtung einer Erdwärmesondenanlage in dem dafür erforderlichen wasserbehördlichen Erlaubnisverfahren zum Schutz des Grundwassers besonders hohe Anforderungen gestellt. Näheres kann dem “Merkblatt für Erdwärmesonden und Erdwärmekollektoren mit einer Heizleistung bis 30 kW” entnommen werden. Pflichtenheft zur Methodik und Dokumentation thermohydrodynamischer Modellierungen im Rahmen des wasserrechtlichen Erlaubnisverfahrens zum Betrieb von Erdwärmesondenanlagen mit einer Heizleistung von >30 kW Kartenwerke zur Grundwassertemperatur Kartenwerke zum Geothermischen Potenzial Geothermisches Potenzial – Karten aktualisiert im Geoportal verfügbar Auf der Basis von ca. 14.950 Bohrungen der Bohrungs­datenbank der AG Landesgeologie der Senatsverwaltung für Mobilität, Verkehr, Klimaschutz und Umwelt wurden zwölf Karten neu berechnet. Die verfeinerten Planungshilfen für die Auslegung von Erdwärme­sonden­anlagen stehen für die Tiefenklassen 0–40 m, 0–60 m, 0–80 m und 0–100 m zur Verfügung. Weitere Informationen Karten im Umweltatlas Berlin

Research group (FOR) 2694: Large-Scale and High-Resolution Mapping of Soil Moisture on Field and Catchment Scales - Boosted by Cosmic-Ray Neutrons, Messung von Bodenwasser und Schnee mittels nicht-invasiver Detektion von Neutronen an der Landoberfläche (CRNS) zur Bestimmung von Grundwasserneubildung auf Feldskala bis hin zur Größe von Kleineinzugsgebieten

Grundwasserneubildung ist eine wichtige Komponente des natürlichen Wasserkreislaufs, die eine zentrale Bedeutung für die nachhaltige Nutzung der Grundwasserressourcen hat. Zukünftige Landnutzungsänderungen und Verschiebungen durch den Klimawandel erfordern mehr denn je detailliertes Wissen über räumliche Verteilung, Intensität und zeitliche Variabilität der Grundwasserneubildung, ebenso, wie der Eintrag von Düngemitteln und Agrochemikalien ins Grundwasser. Ihre Abschätzung und Messung ist jedoch schwierig, da sie räumlich und zeitlich sehr variabel ist, große Gebiete betrifft und nicht direkt von der Landoberfläche messbar ist. Die Anwendung von Messungen des natürlichen Neutronenhintergrunds an der Landoberfläche (CRNS) könnte erstmalig konkret dazu genutzt werden, Grundwasserneubildungsraten für größere Flächen als bisher abzuschätzen. Durch die hohe Sensitivität und die räumliche Mittelung der Methode kann nicht nur die Dynamik der Bodenfeuchte im Oberboden repräsentativ und nicht-invasiv erfasst werden, sondern ebenso Schnee, der als saisonaler Wasserspeicher einen relevanten und kurzfristigen Beitrag zur Grundwasserneubildung liefern kann. Die Forschungsfragen dieses Teilprojekts der Forschergruppe 'Cosmic Sense' konzentrieren sich darauf, 1) wie die gewonnenen CRNS Daten zur Abschätzung der Grundwasserneubildung eingesetzt werden können, auch wenn mit CRNS allein bisher noch keine komplette Wasserbilanz des gesamten Bodenkompartiments möglich ist; 2) diese Abschätzung bei der experimentellen Untersuchung mehrerer, unterschiedlicher Standorte einzusetzen und zu validieren; und 3) über CRNS erstmalig auch Schnee in die Bilanzierung einzubeziehen und Schneewasseräquivalente für hydrologische Modelle zur Verfügung zu stellen. Für die Interpretation der experimentellen Daten werden sowohl die Ergebnisse eindimensionaler Simulationen der Bodenwasserströmung herangezogen als auch der Vergleich mit einer hydrogeophysikalischen Messung der Wasserverteilung im Boden bis zum Grundwasser (in einem anderen Teilprojekt). Bei den beiden Großversuchskampagnen der Forschergruppe wird die Grundwasserneubildung für das am jeweiligen Standort (in einem anderen Teilprojekt) installierte großflächige CRNS-Bodenfeuchte-Netzwerk über diese Methodik ermittelt. Die räumliche Verteilung und zeitliche Dynamik der Grundwasserneubildungsrate wird dann in einem numerischen Grundwassermodell für das Gebiet zusammengeführt und beides wird zur Überprüfung der Gesamtwasserbilanz des Gebietes im jeweiligen Großversuch dienen.

Quecksilberisotopenverhältnisse als Werkzeug zur Bestimmung von Speziestransformationsprozessen in kontaminierten Boden-Aquifer-Systemen

Aufgrund seiner hohen Toxizität ist Quecksilber (Hg) immer noch ein großes Umweltproblem. Die Mobilität und Bioverfügbarkeit von Hg wird maßgeblich durch die chemisch-physikalischen Eigenschaften verschiedener Hg-Spezies (z.B. Hg(II)Cl2, Hg(0), HgS) bestimmt. Die Verteilung stabiler Hg-Isotope wird dabei in einem messbaren Ausmaß durch Speziestransformationsprozesse (z.B. Reduktion/Oxidation, Sorption, Fällung und Verflüchtigung) verändert, womit die Bestimmung des Hg-Umweltverhaltens durch Hg-Isotopenverhältnisse ein neues analytisches Werkzeug bietet. Verschiedene Spezies-Umwandlungsprozesse resultieren dabei in unterschiedlichen massenabhängigen und massenunabhängigen Fraktionierungs-Signaturen, die zum einen ein weiterreichendes Verständnis, zum anderen eine Quantifizierung der verschiedenen biogeochemischen Kontrollfaktoren ermöglichen. Zur Untersuchung der Isotopenfraktionierung durch Speziestransformationsprozesse in Boden-Grundwassersystemen wurden als natürliche Labore zwei Standorte ausgewählt, die durch die Anwendung von hochgiftigem HgCl2 zur Holzimprägnierung stark kontaminiert wurden und somit nur eine einzige Hg-Kontaminationsquelle aufweisen. Vorstudien belegen bereits das Auftreten verschiedener Speziestransformationsprozesse im Boden und Grundwasser und einer damit verbundenen Variation der Hg-Isotopie. Wir postulieren, dass die Hg-Isotopensignaturen im Boden und Grundwasser Hg-Speziestransformationsprozesse abbilden und somit eine Bestimmung dieser Prozesse an Fest-/Flüssigphasengrenzen sowie zwischen verschiedenen Hg-Festphasen-Pools möglich ist. Neben der Untersuchung umfangreicher Grundwasser - und Bodenproben sollen Labor-versuche zur Bestimmung der Hg-Fraktionierung während einzelnen Speziesumwandlungs-prozessen durchgeführt werden. Für ein tieferes Verständnis der biogeochemischen Prozesse der Hg-Speziesumwandlung im Grundwasser soll, basierend auf den gewonnenen Daten, darüber hinaus ein Modell zum reaktiven Hg-Transport im Grundwasser entwickelt werden, das auch die Implementierung der Isotopenfraktionierung beinhaltet. Die erstmalige Kombination von Hg-Speziationsverfahren (Pyrolyse-Thermodesorption) und der Hg-Isotopenbestimmung (Kaltdampf-MC-ICP-MS) in Flüssig-, Fest-, und Gasproben wird unsere Möglichkeiten die Mobilität und Speziation von Hg, nicht nur in den untersuchten kontaminierten Systemen, sondern auch in unbelasteten Boden-Grundwassersystemen signifikant verbessern. Im Gegensatz zur Anwendung von Hg-Isotopendaten zur Ermittlung von Kontaminationsquellen ist die Verwendung als Prozessanzeiger bisher nicht beschrieben. Zudem liegen in der Fachliteratur keine Daten zur Hg-Isotopie in Grundwässern vor.

Forschergruppe (FOR) 2630: Understanding the global freshwater system by combining geodetic and remote sensing information with modelling using a calibration/data assimilation approach (GlobalCDA), Verbesserung der globalskaligen hydrologischen Modellierung und des Verständnisses des globalen Süßwassersystems durch Modellentwicklung und Kalibrierung/Datenassimilierun

Ziel des Teilprojekts P2 ist es, zur Entwicklung eines flexiblen Ansatzes zur Kalibrierung und Datenassimilierung (C/DA) für das globale hydrologische Modell WaterGAP beizutragen, der es ermöglicht, dass WaterGAP Wasserflüsse und -speicherung dadurch realitätsnäher simulieren kann, dass multiple Beobachtungsdaten für Modellausgabevariablen bestmöglich genutzt werden. P2 wird zum Design und zur Evaluierung des C/DA-Ansatzes beitragen, Modellvarianten zur Verfügung stellen, C/DA-Ergebnisse validieren und die Unsicherheiten der Modellergebnisse evaluieren. Zusätzliches Ziel ist es, die Simulation hydrologischer Prozesse durch neue WaterGAP-Modellkomponenten zu verbessern, mit Fokus auf die Entwicklung und Integration eines globalen gradienten-basierten Grundwassermodells, das die Simulation der Grundwasser-Oberflächenwasser-Interaktionen verbessern und die Quantifizierung des kapillaren Aufstiegs ermöglichen soll. Daneben sollen ein Algorithmus für die Überflutung von Feuchtgebieten sowie Gletscherwasserbilanzen integriert werden. Bezüglich der Analyse von Wasserflüssen und -speicherung in großen kritischen Regionen wird P2 die Studie zur Region Tigris-Euphrates-Western Iran leiten.

Zu erwartender höchster Grundwasserstand (zeHGW) 2022

Die zeHGW-Karten für das Berliner Urstromtal, die Teltow-Hochfläche und die Nauener Platte, die mit Hilfe von numerischen Grundwasserströmungsmodellen entwickelt wurden (s. Methode), beruhen auf einer außerordentlich umfangreichen Datengrundlage. Zur Erfassung der hydrogeologischen Struktur des Hauptgrundwasserleiters im Berliner Urstromtal standen die Geologischen Schnitte der Landesgeologie zur Verfügung. Als Ergänzung dazu wurden zahlreiche tiefere Bohrungen aus der Datenbank der Landesgeologie ausgewertet. Für die Kalibrierung und Verifizierung der Grundwassermodelle wurden die Ausbaudaten von über 1300 Grundwassermessstellen und ihrer Grundwasserstandsdaten verwendet. Ferner standen Informationen über die Grundwasserförderungen aller Berliner Wasserwerke, Grundwasseranreicherungen sowie über sonstige Grundwasser-Entnahmen (Wasserhaltungen, Eigenwasserversorgungsanlagen, Altlastensanierungen) zu Verfügung. Wesentliche hydraulische Randbedingungen bilden die Oberflächengewässer, die die Vorflut für das Grundwasser darstellen. Hierzu ist eine Vielzahl von Daten – vor allem Pegelstände – und Informationen zum Ausbau der Gewässer verwendet worden. Die Daten für die Grundwasserneubildung wurden aus der Karte des Umweltatlas in das Modell implementiert (SenStadtUm 2012). Zur Plausibilisierung der berechneten zeHGW-Karte für den Bereich des Berliner Urstromtals wurden die Ganglinien von rd. 2.200 Grundwassermessstellen ausgewertet. Für die zeHGW-Karte im Gebiet der Teltow-Hochfläche und der Nauener Platte waren es rd. 1.100. Darüber hinaus konnte auf einen sehr umfassenden Fundus weiterer hydrogeologischer, wasserwirtschaftlicher, geographischer und historischer Informationsquellen zurückgegriffen werden. Zur Entwicklung der zeHGW-Karte für das Panketal wurden die Ganglinien von rd. 150 weiteren Grundwassermessstellen ausgewertet. Gleichfalls wurde umfangreiches Datenmaterial zur Geologie des Panketal-Grundwasserleiters, das bei der Senatsverwaltung vorliegt, genutzt. Für die Panke und einige ihrer Nebengewässer standen Pegeldaten zur Verfügung. Für den südöstlich des Panketals gelegenen Bereich der Barnim-Hochfläche wurde nach einer statistischen Analyse der Grundwasserstände von 43 repräsentativen Messstellen die zeHGW-Karte anhand der für die aktuellen Grundwassergleichenpläne genutzte, aus 98 Messstellen bestehende Datenbasis verwendet.

Kriterien zur Bewertung der Bodenfunktionen 2015

01.11.1 Regionale Seltenheit der Bodengesellschaften Beschreibung Im Interesse des Erhaltes einer großen Standortvielfalt ist es anzustreben, den Bestand möglichst vieler unterschiedlicher Böden zu sichern. Mit dem Kriterium Seltenheit wird die flächenmäßige Verbreitung einer Bodengesellschaft im Land Berlin beschrieben. Im Berliner Stadtgebiet treten Böden in unterschiedlicher Häufigkeit auf. Mit Hilfe der Bodengesellschaftskarte kann eine Übersicht über die Verbreitung und damit Seltenheit bzw. Häufigkeit von Bodengesellschaften gegeben werden. Eine Bodengesellschaft ist um so gefährdeter, je geringer ihr jeweiliger Flächenanteil ist, d.h. mit abnehmendem Flächenanteil steigt der Gefährdungsgrad. Die Bewertung der Seltenheit bezieht sich ausschließlich auf Bodengesellschaften und nicht auf einzelne Bodentypen. So können an sich seltene Bodentypen auch innerhalb von weniger seltenen bis häufig vorkommenden Bodengesellschaften auftreten und umgekehrt. Methode Die Ermittlung der flächenmäßigen Anteile der einzelnen Bodengesellschaften erfolgte mittels der im Informationssystem Stadt und Umwelt vorliegenden Daten zu den Flächengrößen. Flächen von Straßen und Gewässern wurden nicht berücksichtigt. Die Flächengrößen wurden für die einzelnen Bodengesellschaften aufsummiert und zur betrachteten Gesamtfläche in Beziehung gesetzt. Im Ergebnis liegen Werte zu den Flächenanteilen der jeweiligen Bodengesellschaften in Prozent der Gesamtfläche vor. Zur Bewertung der Seltenheit der Böden wurde die von Stasch, Stahr und Sydow (1991) dargestellte Verfahrensweise gewählt. Die Bewertung erfolgte nach dem flächenmäßigen Auftreten der Bodengesellschaften in Berlin. Die Einstufung der Seltenheit der Böden erfolgte in fünf Kategorien von “sehr selten” bis “sehr häufig” (Tab. 1). Die Sammelgesellschaften ( vgl. Karte 01.01 ) wurden, wie die zur Sammelgesellschaft gehörige Bodengesellschaft, mit der geringsten flächenhaften Verbreitung bewertet. Die Konzept-Bodengesellschaft 2471 [49a] wurde, wie die Bodengesellschaft 2470 [49], in die Kategorie “häufig” eingestuft. 01.11.2 Besondere naturräumliche Eigenart Beschreibung Die eiszeitlichen Ablagerungen haben dem Berliner Raum eine besondere naturräumliche Eigenart verliehen, die sich von anderen Landschaften Deutschlands deutlich unterscheidet. Auffällig im Landschaftsbild sind vor allem geomorphologische Besonderheiten wie Toteissenken, End- und Stauchmoränen, Dünen und ehemalige glaziale Schmelzwasserrinnen. Toteissenken entstanden durch später ausschmelzende Resteisblöcke der letzten Eiszeit und stellen heute runde, zum Teil noch wassergefüllte Vertiefungen dar, die grundwasserbeeinflusste Böden und Moorgesellschaften aufweisen. Lehmige Böden mit Sandkeilen, bei denen in der Späteiszeit Trockenrisse durch eingewehten Flugsand verfüllt wurden, liegen auf ungestörten Geschiebemergelhochflächen und sind im Luftbild als regelmäßiges Polygonnetz erkennbar. End- und Stauchmoränen sind Aufschüttungsmoränen, die sich bei einem Gleichgewicht von Nachschub und Abschmelzen des Eises an seinen Rändern bildeten. In der Landschaft stellen sie heute Höhenrücken und Hügel dar. Die spät- und nacheiszeitlichen Dünen sind noch deutlich in ihrer Form erkennbar, aber durch die Bedeckung mit Vegetation kaum noch in Bewegung. Die glazialen Schmelzwasserrinnen sind zum Teil erhalten und bilden Seenketten und Feuchtgebiete. Die Bodenentwicklungen und vorkommenden Bodengesellschaften, die eng mit der Morphologie und dem Ausgangsmaterial verknüpft sind, spiegeln hier die naturräumlichen Besonderheiten und Eigenarten wieder. Methode Es werden ausschließlich Bodengesellschaften berücksichtigt, die an eiszeitlich geprägte geomorphologische Besonderheiten gebunden sind und sich ungestört aus den eiszeitlichen Ablagerungen entwickeln konnten. Böden mit besonderer Eigenart dürfen anthropogen nur wenig überprägt sein, daher wurden nur naturnahe Bodengesellschaften berücksichtigt (vgl. Legende zu Karte 01.01 ). Böden aus Auffüllungen und Aufschüttungen oder umgelagertem Bodenmaterial erhalten keine Kennzeichnung der naturräumlichen Eigenart. Eine Zusammenstellung der Bodengesellschaften, die aufgrund ihres Ausgangsmaterials, ihrer besonderen Morphologie und der weitgehend ungestörten Bodenentwicklung eine naturräumliche Eigenart darstellen, ist in Tab. 1 zusammengefasst. Hierbei handelt es sich vor allem Moränenhochflächen mit Sandkeilen, Moränenhügel, Schmelzwasserrinnen mit Grundwasserböden und Mooren, Flussauen mit Auenböden, Mudden und Torfen sowie Dünen. Die in der Tab. 1 aufgeführten Bodengesellschaften erhalten eine positive Bewertung hinsichtlich der naturräumlichen Eigenart. Alle anderen Bodengesellschaften weisen keine besondere naturräumliche Eigenart auf. 01.11.3 Naturnähe Beschreibung Im Berliner Stadtgebiet sind Böden in großem Ausmaß durch menschliche Eingriffe stark verändert. Mit dem Kriterium Naturnähe wird das Ausmaß der Veränderungen gegenüber dem natürlichen Ausgangszustand beschrieben. Als Veränderungen werden in diesem Zusammenhang insbesondere Vermischungen der natürlichen Horizontierung der Böden, der Abtrag von Bodenmaterial oder die Überlagerung mit Fremdmaterialien verstanden. Stoffeinträge und Grundwasserabsenkungen bleiben hier unberücksichtigt. Mit Hilfe der Bodengesellschaftskarte und Angaben über die Flächennutzung wird eine Übersicht über das Ausmaß der anthropogenen Veränderungen und damit der Naturnähe von Böden und Bodengesellschaften in Berlin gegeben. Diesem Kriterium kommt insofern eine besondere Bedeutung zu, als davon auszugehen ist, dass sich natürliche Bodencharakteristika und die Vielfalt von Bodeneigenschaften vor allem an wenig veränderten Standorten erhalten haben, während der Einfluss des Menschen zu einer Homogenisierung von Bodentypen und deren Eigenschaften geführt hat. Bereits bei der Bildung der Legendeneinheiten der Bodengesellschaftskarte wird daher grob zwischen naturnahen und anthropogen geprägten Bodengesellschaften unterschieden. Methode Zur Ermittlung der Naturnähe wurden von Blume und Sukopp (1976) Hemerobiestufen für Böden in Anlehnung an den Hemerobiebegriff aus der Vegetationskunde eingeführt. Danach wurden verschiedene Landnutzungsformen nach dem Grad des Kultureinflusses auf Ökosysteme in sogenannte Hemerobiestufen eingegliedert. Dieses System nutzte Grenzius (1987) zur Beschreibung des anthropogenen Einflusses auf Böden und Bodengesellschaften in Hinsicht auf die Karte der Bodengesellschaften von Berlin (West) von 1985. In Grenzius (1987) wurde eine differenziertere Untergliederung der Hemerobiestufen in Abhängigkeit von Flächennutzungen durchgeführt (vgl. Tab. 1). Ausgangspunkt war, dass insbesondere die spezifischen Nutzungen der Flächen durch den Menschen Art und Umfang der Veränderung und Zerstörung des natürlichen Bodens verursachen. In der Tab. 1 ist die Einstufung der Flächen in Abhängigkeit von ihrer Nutzung durch die verschiedenen Autoren dargestellt. Da in Berlin völlig unveränderte Böden nicht mehr existieren, blieben die Kategorien der unveränderten oder sehr wenig veränderten Böden unberücksichtigt. Entsprechend wurden für die Bewertung der Berliner Böden die Kategorien unter Berücksichtigung der Einstufungskriterien von Blume (1990), Grenzius (1985) und Stasch, Stahr, Sydow (1991) neu festgelegt. Für die Bestimmung der Naturnähe der Böden wurden Daten zu Bodengesellschaften, Nutzung, Flächentyp und zum Versiegelungsgrad verwendet. Aus diesen Werten wurden in einem ersten Aggregationsschritt eine automatisierte Einstufung vorgenommen, indem bestimmten Kombinationen aus Bodengesellschaften, Nutzungen und Versiegelungsgraden, ggf. unter Verwendung des Flächentyps, die entsprechenden Bewertungen hinsichtlich der Naturnähe (Stufen 1-10 nach Grenzius entsprechend Tab. 1) zugeordnet wurden. Für ausgewählte Flächennutzungen wie z.B. Grün- und Parkanlagen, Brachflächen usw. war eine individuelle Bewertung der Naturnähe erforderlich. Böden von Park- und Grünanlagen und von Brachflächen können in sehr unterschiedlichem Umfang verändert worden sein. Während Böden in der Innenstadt in der Regel stark verändert bzw. auf anthropogen geschüttetem Material völlig neu entstanden sind, finden sich im Außenbereich bei gleicher Nutzung vielfach naturnahe Böden mit z.T. sehr geringen Veränderungen. Die Naturnähe dieser Flächen wurde daher individuell unter Zuhilfenahme topographischer Karten, Schutzgebietskarten und Gutachten ermittelt. Für die Darstellung in der vorliegenden Karte erfolgte eine Bewertung und Zusammenfassung in vier Stufen, von sehr gering bis hoch (vgl. Tab. 2). 01.11.4 Austauschhäufigkeit des Bodenwassers Beschreibung Die Austauschhäufigkeit des Bodenwassers gibt an, wie oft das in der belebten Bodenzone vorhandene Wasser durch das zugeführte Niederschlagswasser ausgetauscht wird. Je geringer die Austauschhäufigkeit, desto länger ist die Verweilzeit des Wassers im Boden. Längere Verweilzeiten wirken ausgleichend auf die Grundwasserspende und erlauben einen stärkeren Abbau bestimmter eingetragener Stoffe. Methode Die Austauschhäufigkeit des Bodenwassers wurde als Verhältnis (Quotient) zwischen der Versickerung (in mm pro Jahr, langjährige Mittelwerte) und der nutzbaren Feldkapazität des effektiven Wurzelraums (mm) berechnet. Die Versickerung wurde mit Hilfe des Abflussbildungsmodells ABIMO der Bundesanstalt für Gewässerkunde als Differenz zwischen Niederschlag und Verdunstung errechnet. In dieses Modell gehen flächendifferenzierte Daten zu Niederschlag, Flächennutzung, Vegetationsstruktur, Feldkapazitäten (aus den Bodenarten) und Flurabständen (Abstand der Erdoberfläche zum Grundwasser) ein (Glugla et al 1999) (vgl. Karte 02.13.4 ). Für die Ermittlung der Versickerung im Zusammenhang mit der Bewertung von Bodenfunktionen blieb der Einfluss der Versiegelung hier unberücksichtigt, d.h. die Berechnung erfolgte unter der Annahme gänzlich unversiegelter Verhältnisse. In der Nachbarschaft versiegelter Böden erhöhen sich die Austauschhäufigkeiten durch abfließendes Niederschlagswasser nochmals deutlich. Die nutzbare Feldkapazität des effektiven Wurzelraumes wurde aus der Bodengesellschaftskarte und den Flächennutzungen unter Verwendung der bei Grenzius (1987) angegebenen schematischen Bodenprofile der Bodengesellschaften abgeleitet. Da die Austauschhäufigkeit des Bodenwassers nur selten ermittelt wird, liegen keine allgemeingültigen Bewertungsmaßstäbe vor. Die in Berlin ermittelten Werte wurden daher so bewertet, dass die einzelnen Stufen einen ähnlichen Flächenanteil im Stadtgebiet einnehmen. 01.11.6 Nährstoffspeichervermögen / Schadstoffbindungsvermögen Beschreibung Das Speicher- und Bindungsvermögen beschreibt die Fähigkeit eines Bodens, Nähr- oder Schadstoffe an der organischen Substanz oder an den Tonmineralien des Bodens zu binden. Sie hängt vom Tongehalt, der Art der Tonminerale und dem Humusgehalt ab. Die organische Substanz in Form von Humus und Torf hat eine deutlich höhere Bindungsfähigkeit als Tonminerale. Diese ist jedoch vom pH-Wert abhängig und sinkt mit abnehmendem pH-Wert. Eine hohe Bindungsfähigkeit für Nähr- und Schadstoffe haben daher Böden mit hohem Tongehalt und einem hohem Anteil an organischer Substanz bei schwach saurem bis neutralem pH-Wert. Methode Das Nährstoffspeichervermögen / Schadstoffbindungsvermögen der Böden wird aus den Stufen der ermittelten effektiven Kationenaustauschkapazität, die die o. g. Kennwerte weitestgehend beinhalten, abgeleitet (vgl. Karte 01.06.9 ). Die Bewertung des Bindungsvermögens erfolgt in drei Stufen nach Tab. 1 aus den Stufen der effektiven Kationenaustauschkapazität, wobei die Stufen 1 und 2 als gering, 4 und 5 als hoch zusammengefasst wurden. 01.11.7 Nährstoffversorgung Beschreibung Die Nährstoffversorgung eines Standortes ergibt sich aus dem Vorrat an Nährstoffen und den für die Pflanzen verfügbaren Nährstoffen. Der Nährstoffvorrat besteht aus den vorhandenen Mineralen des Ausgangsgesteins, die bei Bodenverwitterung freigesetzt werden. Die aktuell verfügbaren Nährstoffe als basische Kationen Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Kalium (K) und Natrium (Na) in der Bodenlösung können aus der Summe der austauschbaren Kationen (S-Wert) (vgl. Karte 01.06.8 ) abgeleitet werden. Dabei kann nur eine Aussage über die Gesamtmenge der basischen Kationen getroffen und keine Angabe über das Verhältnis der Kationen untereinander gemacht werden. So kann z.B. ein Standort eine gute Nährstoffversorgung mit Ca und Mg, aber einen Mangel an K aufweisen. Die Nährstoffe Phosphor (P) und Stickstoff (N), die näherungsweise über den Gehalt der organischen Substanz bestimmt werden könnten, werden hier nicht berücksichtigt, sondern ausschließlich der Anteil basischer Kationen. Methode Um eine grobe Aussage über die aktuelle Nährstoffversorgung der Bodengesellschaften zu erhalten, werden die Stufen der Summe der austauschbaren Kationen des Oberbodens zur Bewertung herangezogen (vgl. Karte 01.06.8 ). Die vereinfachte Bewertung der Nährstoffversorgung durch die Basensättigung erfolgt nach Tab. 1 für die Stufen 1 bis 6 als nährstoffarm, für die Stufe 7 als Mittel und für die Stufen 8 bis 10 als nährstoffreich. 01.11.8 Wasserversorgung Beschreibung Die Wasserversorgung der Pflanzen durch den Boden wird durch seine Fähigkeit bestimmt, Niederschlagswasser im Wurzelbereich halten und wieder an die Pflanzenwurzeln abgeben zu können. Die Wassermenge, die der Boden festhalten kann, hängt von der Bodenart, dem Humusgehalt, der Lagerungsdichte und dem Grobbodenanteil ab. Bei Böden, die Grundwasseranschluss haben, kann das aus dem Grundwasser aufsteigende Kapillarwasser die Wasserversorgung der Pflanzen entscheidend begünstigen. Zur Bewertung der Böden hinsichtlich ihrer Wasserversorgung, wird die durchschnittliche nutzbare Feldkapazität der Flachwurzelzone herangezogen. Methode Die Wasserversorgung der Standorte und Bodengesellschaften wird aus der mittleren nutzbaren Feldkapazität (nFk) der Flachwurzelzone (0-3 dm) abgeleitet (vgl. Karte 01.06.2 ), da dieses Kriterium nur zur Bewertung der Ertragsfunktion für Kulturpflanzen (vgl. Karte 01.12.2 ) und der Lebensraumfunktion für naturnahe und seltene Pflanzengesellschaften (vgl. Karte 01.12.1 ) benötigt wird. Die Wasserversorgung für Tiefwurzler (> 3 bis 15 dm), wie z.B. Bäume, wird hier nicht eingeschätzt. Die Bewertung ergibt sich nach Tab. 1. Um den kapillaren Aufstieg zu berücksichtigen, wird bei einem Grundwasserflurabstand < 0,8 m die Bewertung um eine Stufe erhöht (wenn sie nicht bereits als hoch bewertet wird). 01.11.9 Filtervermögen Beschreibung Unter dem Filtervermögen eines Bodens wird die Fähigkeit verstanden, gelöste und suspendierte Stoffe im Boden festzuhalten und sie nicht in das Grundwasser gelangen zu lassen. Entscheidend ist dabei die Bodenart und die daraus ableitbare Geschwindigkeit mit der sich das Niederschlagswasser im Boden mit der Schwerkraft bewegt. Bei kiesigen und sandigen Böden mit hoher Wasserdurchlässigkeit ist daher das Filtervermögen gering, da im wassergesättigten Boden das Wasser über 2 Meter pro Tag wandert, während die Wanderungsgeschwindigkeit bei Böden aus Geschiebelehm nur rd. 0,1 bis 0,2 Meter pro Tag beträgt. Ob und wie viel Wasser sich aber tatsächlich in Richtung Grundwasser bewegt (abhängig von der Verdunstung / Vegetation), ist bei der Bewertung des Filtervermögens nicht berücksichtigt worden. Dies wird z.T. beim Kriterium Austauschhäufigkeit des Bodenwassers (vgl. Karte 01.11.4) berücksichtigt. Methode Das Filtervermögen der Böden wird anhand der gesättigten Wasserdurchlässigkeit (kf-Werte) ermittelt (vgl. Karte 01.06.10 ). Die Mächtigkeit der Filterstrecke bis zum Grundwasser findet bei diesem Verfahren keine Berücksichtigung. Die Bewertung erfolgt in drei Kategorien anhand Tab. 1. Dabei erhalten Böden mit hoher gesättigter Wasserdurchlässigkeit mit den kf-Stufen 4-6 ein geringes Filtervermögen und schwer durchlässige Böden mit den kf-Stufen 1-2 eine hohe Bewertung. 01.11.10 Bindungsstärke für Schwermetalle Beschreibung Die Bindung von Schwermetallen erfolgt durch Adsorption an Huminstoffe, Tonminerale und Sesquioxide. Die Löslichkeit der Schwermetalle ist von deren Gesamtgehalt und vom pH-Wert der Bodenlösung abhängig. Generell nimmt bei zunehmender Versauerung die Löslichkeit der Schwermetallverbindungen zu. Dies hängt damit zusammen, dass die Metalle dazu neigen, bei höheren pH-Werten stabile Oxide zu bilden oder durch Fällung schwer lösliche Bindungsformen, z.B. PbCaCO 3 , einzugehen. Als ein Kriterium zur Bewertung der Filter- und Pufferfunktion (vgl. Karte 01.12.3 ) wird die relative Bindungsstärke von Schwermetallen herangezogen. Die einzelnen Schwermetalle werden sehr unterschiedlich gebunden (DVWK, 1988). Cadmium geht vergleichsweise schnell in Lösung und ist als Hintergrundbelastung in Berlin verbreitet und hinsichtlich seiner Schädlichkeit relevant. Deswegen und in Anlehnung an die von der Behörde für Umwelt und Gesundheit Hamburg (2003) vorgeschlagene Methode wird hier die Bindungsstärke des leicht löslichen Cadmium als Maß der Bindungsstärke für Schwermetalle verwendet. Methode Zur Beurteilung der Empfindlichkeit der Böden gegenüber Metallbelastungen wurde von Blume und Brümmer (1987, 1991) ein Konzept entwickelt, das nun flächendeckend für Berlin angewandt wird. Prinzip der Prognose ist die relative Bindungsstärke einzelner Metalle in Abhängigkeit vom pH-Wert der Bodenlösung, ausgehend von den Verhältnissen eines sorptionsschwachen, humusarmen Sandbodens. Über Zu- und Abschläge werden höhere Humus-, Ton- und Eisenhydroxidgehalte berücksichtigt. Die Berechnung erfolgt bis 1 m Tiefe. Hierzu werden schrittweise Kennwerte für den Ober- und Unterboden in Abhängigkeit vom pH-Wert, vom Humusgehalt und vom Tongehalt ermittelt, deren Summe die Bindungsstärke BS SM ergibt. Dieser Wert erfährt noch eine Korrektur durch den Grobbodenanteil und die Horizontmächtigkeit und kann Werte zwischen 0 und 5 annehmen, die keine bis zu sehr hoher Bindungsstärke für Schwermetalle darstellen. 01.11.11 Puffervermögen im organischen Kohlenstoffhaushalt Beschreibung Der Boden stellt im globalen organischen Kohlenstoffkreislauf einen wesentlichen Puffer, teilweise auch eine Senke dar, die die Freisetzung von CO 2 verringert und dadurch einen Beitrag zur Minderung der globalen Erwärmung zu leisten vermag. Diese Leistung des Bodens ist an seinen Humus- und Torfanteil gebunden, der sich durch Einträge vor allem aus der Vegetation bildet. Eine Erhöhung dieses Anteils mindert die CO 2 -Freisetzung, wohingegen die Zersetzung von Humus und Torf eine CO 2 -Quelle darstellt. Unter natürlichen Bedingungen stellt sich langfristig meist ein Gleichgewicht zwischen Auf- und Abbau von Humus ein. Eine Erhöhung des Humus- und Torfanteils erfolgt bei sich entwickelnden, relativ jungen Böden und in intakten Mooren. Zerstörungen von Bodenstrukturen, intensive agrarische Nutzung und (bei Mooren) Entwässerung führen zum Abbau der organischen Substanz und somit zur Freisetzung von CO 2 und Methan (CH 4 ). Behutsame agrarische und gärtnerische Nutzung und spontane Entwicklung städtischer (Roh-) Böden führen zu einer Akkumulation organischer Substanz und stellen somit eine CO 2 -Senke dar. In Hinblick auf den organischen Kohlenstoffhaushalt könnten somit zwei Bodenformen mit hohem Puffervermögen ausgezeichnet werden: Rohböden, die bei ungestörter Entwicklung noch viel organischen Kohlenstoff zu binden vermögen sowie Böden mit aktuell hohem Humus- bzw. Torfgehalt, deren Störung bzw. Zerstörung zu einer Freisetzung von CO 2 führt. Ersteres, die Bindung von organischem Kohlenstoff in jungen Böden, ist ein langsamer Prozess, letzteres, die Freisetzung von CO 2 nach Zerstörung der Bodenstruktur, geschieht vergleichsweise schnell. Diese Freisetzung wird deswegen als vorrangig angesehen und hier deswegen als einziges Kriterium bewertet. Die insgesamt in den Berliner Böden gespeicherten Torf- und Humusmengen entsprechen ca. 17,6 Mio. t CO 2 . Die Berliner CO 2 -Emissionen betragen ca. 16,5 Mio. t/Jahr (Stand 2015, Amt für Statistik Berlin-Brandenburg, 2018). Methode Die Bewertung des Puffers bezüglich des organischen Kohlenstoffhaushaltes erfolgt auf Basis der Stufen des organischen Kohlenstoffvorrates (vgl. Karte 01.06.6 ).

Hydraulische Messungen während des Elbe-Hochwassers im Sommer 2013

Erste Auswertungen der Messkampagnen von Bundes- und Landesbehörden bestätigen bisherige Modellrechnungen und verbessern das Verständnis von Hochwasserabläufen. Im Mai und Juni des Jahres 2013 traten in den deutschen Flussgebieten außerordentliche Hochwasser auf. Die Elbe wies in einigen Abschnitten neue Höchstwasserstände auf. Insbesondere aus der Saale strömten große Wassermassen in den Fluss ein, sodass das Hochwasser unterhalb der Saalemündung deutlich höher auflief als beim Sommerhochwasser 2002; bei Magdeburg-Buckau lag der Scheitel 75 cm über dem bisherigen Höchststand. Um die Elbe zu entlasten, aktivierte man den Elbe-Umflutkanal bei Magdeburg, sperrte Nebenflüsse ab und setzte die Havelniederung kontrolliert unter Wasser. Auch durch einige Deichbrüche wurden teilweise erhebliche Volumina aus der Elbe abgeführt. Das führte zu einem Absunk der Wasserspiegel im Bereich mehrerer Dezimeter. Trotzdem wurde in Magdeburg nach Angaben der Bundesanstalt für Gewässerkunde mit ca. 5.100 m3?s ein Hochwasser mit einem Wiederkehrintervall von 200 bis 500 Jahren erreicht. Mehrere Institutionen der Elbe-Anrainerländer und des Bundes führten Messungen während des Hochwassers durch. Die BAW benötigt insbesondere Messwerte von Oberflächen- und Grundwasser, um mit ihnen Modelle zu überprüfen. Hauptziel einer Messkampagne vom 7. bis 13. Juni 2013 war deshalb, zwischen Riesa bei Elbe (El)-km 106 und dem Wehr Geesthacht (El-km 586 ) nah am Hochwasserscheitel den Wasserspiegel etwa in der Flussachse zu messen. Begleitend wurden Durchflussmessungen durchgeführt, die dazu dienten, sowohl den Abfluss als auch Durchflussanteile und Fließgeschwindigkeiten zu ermitteln. Am 14. Juni 2013 wurden im Bereich der Deichrückverlegung Lenzen (bei El-km 480) zusätzlich Fließgeschwindigkeiten in den Deichschlitzen gemessen. Diese wurden durch punktuelle Grund- und Oberflächenwasser-Messungen ergänzt. Die Auswertung der Messungen wird noch geraume Zeit in Anspruch nehmen. Schon jetzt ist aber klar, dass die Ergebnisse von großem Nutzen sein werden, um die Prozesse in der Natur besser verstehen und beschreiben zu können. Auch tragen sie dazu bei, die Strömungsmodelle der (acronym = 'Bundesanstalt für Wasserbau') BAW zu validieren. Zwei erste Auswertungen machen dies deutlich.

Errichtung einer Anlage zur Beheizung der Gewächshäuser einer Gärtnerei mittels erdgasbetriebener Wärmepumpen, die im Grundwasser gespeicherte Erdwärme nutzbar machen

Bei dem Pilotvorhaben der OCER Energie GmbH im niedersächsischen Zetel (Kreis Friesland/Niedersachsen), wird die im Grundwasser gespeicherte Erdwärme genutzt, um Gewächshäuser einer Gärtnerei ganzjährig, kontinuierlich mit Wärme zu versorgen. Damit kann im Vergleich zu einer herkömmlichen Erdgasheizung rund die Hälfte des Brennstoffs eingespart werden. Der Ausstoß an klimaschädlichem Kohlendioxid wird um rund 368 Tonnen pro Jahr verringert. Die im Rahmen des Vorhabens benötigte Wärmeenergie soll mittels erdgasbetriebener Wärmepumpen Brunnenwasser aus rund 30 Meter Tiefe, das ganzjährig ca. 10 Grad Celsius warm ist, gewonnen werden. Zusätzlich soll auch die Abwärme der Gasmotoren genutzt werden. Da an sonnenscheinreichen Tagen eine Beheizung der Gewächshäuser nicht nötig ist, wird die Wärme in dieser Zeit in Wassertanks gespeichert und je nach Bedarf zugeführt. Das Vorhaben kann ein Modell für eine Vielzahl von anderen Gärtnereien und Einrichtungen sein, bei denen die benötigte Energie oft die größten Kosten verursacht und Grundwasser in ausreichender Menge zur Verfügung steht.

Wasser- und Stoffflüsse an Rändern von Auengrundwasserleitern und ihre Kontrolle durch Untergrundstrukturen

In Flussauen von Flussmittelläufen in gemäßigten Klimazonen ist der Grundwasserstrom typischerweise vornehmlich talabwärts gerichtet. Die hydrologische Funktion der Auengrundwasserleiter hängt allerdings vom Vorhandensein hydrogeologisch relevanter Strukturen ab, und das Grundwassersystem wird stark durch Wasser- und Stoffflüsse über seine Ränder beeinflusst. Das beantragte Projekt zielt daher darauf ab, die hydrogeologischen Steuergrößen für diese Flüsse zu charakterisieren und die relative Bedeutung der Ränder für die Wasserbilanz und den Umsatz gelöster Stoffe in Auengrundwasserleitern zu ermitteln. Als Untersuchungsgebiet dient die Ammeraue bei Tübingen (Südwestdeutschland), die typisch für Auengebiete entlang von Flussmitteläufen in gemäßigten Klimazonen ist und bereits von den Antragstellern im Rahmen des SFB1253 CAMPOS untersucht wurde. Für die Modellierung und Vorhersage der hydrologischen Funktion des Auengrundwasserleiters und seiner Ränder ist es wichtig, die räumliche Lage, Geometrie und die Eigenschaften hydraulisch leitfähiger Strukturen an den Auenrändern zu erkunden. Unsere Untersuchungen zielen daher darauf ab, geologische Strukturelemente an den Auenrändern zu charakterisieren, die die Gesamtflüsse des Grundwassers und der darin gelösten Stoffe durch den Auengrundwasserleiter bestimmen. Hierfür entwickeln wir arbeits- und kosteneffiziente Methoden, mit denen sich die räumliche Ausdehnung und Geometrie der Ränder (mittels geophysikalischer Methoden) abbilden und die hydraulische Konnektivität zu den Auengrundwasserleitern (mittels hydraulischer Methoden) charakterisieren lassen. Mit besonderem Fokus auf die identifizierten hydrogeologisch relevanten Strukturelemente an den Auenrändern wollen wir die Wasserflüsse und die Stoffströme bestimmen, die die Ränder des Auengrundwasserleiters passieren, um ihre relativen Beiträge innerhalb des Auengrundwasserleiters zu quantifizieren. Wir untersuchen hierfür insbesondere die zeitliche Grundwasserdynamik, um zu bestimmen, unter welchen hydrologischen Bedingungen ein erhöhter Wasseraustausch stattfindet. Die experimentellen Projektergebnisse fließen in ein konsistentes numerisches Grundwassermodell ein, um hydrogeologische Messungen vorherzusagen und die Ergebnisse der dynamischen Austauschflüsse zu interpretieren. Schließlich werden wir die geologischen Informationen, die in den verschiedenen Untersuchungsschritten und in vorherigen Arbeiten gesammelt wurden, umfassend geologisch interpretieren. Dies ermöglichst es, die maßgeblichen geologischen Prozesse zu identifizieren, die das Vorkommen und die Wirkung durchlässiger Strukturen an den Rändern von Auengrundwasserleitern bestimmen sowie die Austauschprozesse über die Ränder kontrollieren. Dieser Ansatz erlaubt es, unsere Ergebnisse auf andere Standorte zu übertragen und zu verallgemeinern.

Integriertes und an Raum-Zeit-Messungsskalen angepasstes Global Random Walk - Modell für reaktiven Transport im Grundwasser

Zur Lösung von Fluss- und reaktiven Transportgleichungen in heterogenen Grundwassersystemen werden neue Global Random Walk (GRW) Algorithmen entwickelt und implementiert, die stabil und frei von numerischer Diffusion sind. Um das Auftreten von Interpolationsfehlern zu vermeiden, wird ein integriertes GRW-Lösungsverfahren entwickelt, das Geschwindigkeiten und Konzentrationen auf dem selben regulären Gitter berechnet. Wir nutzen grobkörnige (engl. Coarse grained) (CG) Mittelwerte in Raum und Zeit über die Trajektorien der berechneten Partikel, die die Konzentrationen der reaktiven chemischen Spezies in den GRWSimulationen beschreiben. Diese werden genutzt, um eine kontinuierliche Beschreibung der Transportprozesse zu erhalten. Nachdem die Mittelungsprozedur die Variation der simulierten Konzentrationen reduziert, genügt eine relativ kleine Anzahl von Monte Carlo - Simulationen, um die statistischen Kennzahlen zu gewinnen, und gleichzeitig der Auswirkung der Raum-Zeit-Skalen der hydrologischen Beobachtungen Rechnung zu tragen. Des weiteren können lokale Bilanzgleichungen für die CG Raum-Zeit-Mittel genutzt werden, um die hochskalierten Diffusionskoeffizienten und Reaktionsterme zu berechnen.

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