Grundwasser in Brandenburg - Ressource und zukünftige Herausforderungen für eine nachhaltige Entwicklung - Ressource und zukünftige ...
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Grundwasser in Brandenburg -
Ressource und zukünftige Herausforderungen
für eine nachhaltige Entwicklung
Prof. Dr. Irina Engelhardt
Institut für Angewandte Geowissenschaften, Fachgebiet Hydrogeologie
18. September 2021 22. NABU-Naturschutztag, Potsdam 1
© P. Hepach
Herausforderungen für die Wasserwirtschaft in Brandenburg
Naturräumlich bedingt geringes Wasserdargebot
Klimaveränderungen werden einen erheblichen Einfluss auf den Wasserhaushalt
in der Region haben
Erhöhte Verdunstung
Mehr Extremsituationen: Hochwasser vs. Niedrigwasser
Es kommt bereits jetzt zu Nutzungskonflikten und Einschränkungen
Beispiel Straussee
Trockenjahre 2018 bis 2020
Zusätzliche Herausforderungen für den Wasserhaushalt der Region durch den
bevorstehenden Kohleausstieg und Strukturwandel
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 2
Geomorphologie in Brandenburg
Komplizierte Genese:
Brandenburgs jetziges Landschaftsbild ist das Ergebnis
verschiedener Aufschüttungs- und Abtragungsprozesse
während des Vorrückens und Abschmelzens von
mehrphasigen Inlandsvereisungen
Zwei morphologische Einheiten:
Hochflächen & Niederungen (Urstromtäler)
Geomorphologische Gliederung in Brandenburg
© LBGR, 2010 Schematische Darstellung der Glazialen Serie
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt
© Klett Verlag 3
Hydrogeologie in Brandenburg
Die an der Oberfläche anstehenden geologischen
Schichten bestehen zu 95 % aus Lockersedimenten
Häufig chaotische Lagerungsformen
In Tiefen < dm bis etwa 100 m befinden sich
weiträumig ausgebildete & ergiebige Porengrundwasserleiter
in diesen Schichten
Darunter treten bis ca. 80 m mächtige Tone und
Schluffe als Grundwasserstauer auf und dienen als
Abdichtung zu den Salzwasserstockwerken
Schematische Darstellung der Grundwasserleiter-
komplexe (GWLK) in Brandenburg © LBGR, 2010
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 4
Entwicklungspfaden von Emissionen und
Klimatrends in Brandenburg Konzentrationen an Treibhausgasen:
“viel, etwas & kein Klimaschutz”
Datenquelle: Climate Service Center Germany (GERICS), 2021
Temperatur Niederschlag
© GERICS, 2021 © GERICS, 2021
Das bedeutet u.a. eine Zunahme der: Sommertage (>25 °C), Tendenz zur Zunahme der Niederschläge, jedoch große
Heißen Tage (>30 °C), Tropischen Nächte (>20 °C) Veränderlichkeit von Jahr zu Jahr (Niederschlagsvariabilität)
Bzw. eine Abnahme der: Frosttage (0 °C) und Eistage (
Wasser in Brandenburg: ein Hot Spot in Deutschland
Mittlere Jahressumme der klimatischen Wasserbilanz [mm] ©PIK,2013
2001-2010 2041-2050
Klimatische Wasserbilanz
Differenz aus gemessenem Niederschlag und
berechneter potentieller Verdunstung
Negative Bilanz = erhöhtes Potential für
Wasserstress & hohen Bewässerungsbedarf
In Brandenburg
Aktuell 1981-2010 [ZALF, 2015]: -165 mm
Trend 2041-2015 [PIK, 2013]: bis -300 mm
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 6
Wasserbedarf in Brandenburg (2016)
Datenquelle: Amt für Statistik Berlin-Brandenburg, 2019
Öffentliche Wasserversorgung Nichtöffentliche Wasserversorgung
Wassergewinnung gesamt: 155 Mio. m³/a Eigengewinnung gesamt: 500 Mio. m³/a
Sonstige
Angereichertes 2% Wirtschaftszweige
Grundwasser Uferfiltrat
Oberflächengewässer in Brandenburg: Flusssysteme
Brandenburg ist ein Land mit einem ausgedehnten Gewässersystem.
ca. 75 % des Niederschlags verdunstet im Elbe-Einzugsgebiet, ca. 80 % im Oder-Einzugsgebiet
© S. Banusch
Langer See, LK Märkisch-Oderland
Wasserhaushaltsgrößen nach
Einzugsgebiet
© Neumann & Wycisk, 2003
Gewässernetz in Brandenburg © LBGR, 2010
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 8
Niedrigwasser im Einzugsgebiet der Spree
Abflussdiagramm der Tagesmittelwerte im Hydrologischen Jahr
von Nov. 2018 bis März 2021
Niederschlagssummen der letzten drei Jahre:
2018: 390 mm
2019: 505 mm
2020: 508 mm
Datenquelle: MLUK, Pressekonferenz 15.02.2021
© rbb/D. Jorewitz
© LfU, März 2021
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 9
Oberflächengewässer in Brandenburg: Seen
Peetschsee
(Oberhavel) Parsteiner See (Barnim)
© rbb24.de Beispiel Straussee (MOL)
Seddiner See © rbb24.de
(Potsdam-Mittelmark) Fresdorfer See
(Potsdam-Mittelmark)
© ZDF 21.12.2020
© ZDF 21.12.2020
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt © OpenStreetMap & GeoBasis-DE/LGB 10Klimatrends im Einzugsgebiet des Straussees
Die Darstellung der klimatologischen Parameter der DWD Station Lindenberg
(Meteorologisches Observatorium) zeigen den großen Einfluss der Verdunstung
© aib
1,37°C 117 mm
Jährliche mittlere Tagestemperatur [°C] Jährliche potentielle Verdunstung
15 Erwärmung 1000 nach Penman [mm] Erhöhung
800
10 600
400
5
200 © S. Banusch
0 0
1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012 2016 2020 1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012 2016 2020
Stark abhängig
Jahressumme Niederschlag [mm] Hohe Jahressumme der Klimatischen vom
1000
Variabilität 200 Wasserbilanz [mm] Niederschlag
800 0
600
-200
400
-400 © P. Nussbaum
200
0 -600
1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012 2016 2020 1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012 2016 2020
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 11Beispiel Straussee
Der Straussee (LK Märkisch-Oderland) hat in den vergangenen 12 Jahren knapp 8% seines
Wasservolumens verloren.
Einziger oberirdischer Abfluss des Straussees
Entwicklung der Pegelstände [m] im Kontext der Temperaturentwicklung am nahe des Fähranlegers „Stadtseite“ (09.06.2021)
Straussee/Spielplatz „Fichteplatz“
2 30
1,8 25
1,6 20
1,4 15
Temperatur [°C]
1,2 10
Pegelstand [m]
1 5
0,8 0
0,6 -5
0,4 -10 © S. Banusch
0,2 -15
0 -20 Wasservolumen im Straussee:
01.01.2009 16.05.2010 28.09.2011 09.02.2013 24.06.2014 06.11.2015 20.03.2017 02.08.2018 15.12.2019 28.04.2021
Pegel Temperatur 2009: ca. 15,6 Mio. m³
© Hirsch, 2021 2021: ca. 14,3 Mio. m³
Pegel fällt mit einem Zeitversatz von 3-4
Monaten vor dem Erreichen der maximal Verlust von 1,3 Mio. m³ (≈ 8 %)
18.09.2021 -Temperaturen
Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 12Die Komponenten des natürlichen Wasserkreislaufes
© klassewasser.de
Niederschlag
Evapotranspiration
Abfluss
Versickerung
Grundwasserneubildung, die „Nachhaltigkeitskomponente“:
Maß für die natürliche Erneuerbarkeit der Grundwasserressource einer Region
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 13Grundwasserneubildung
Mittlerer jährlicher Niederschlag [mm] Mittlere jährliche Grundwasserneubildung [mm]
1961-1990 © KIT © BGR 1961-1990
In Brandenburg
Niederschlagssumme: 550 mm/Jahr
1971-2000 [GERICS, 2021]
Grundwasserneubildung: 82 mm/Jahr
1991-2010 [LfU, 2015]
15 % des Niederschlags
Platz 15 der Bundesländer (vor S.-A.)
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 14Grundwasserneubildung
Wie wird die Grundwasserneubildung in Brandenburg aktuell bestimmt?
Wasserhaushaltsmodell ArcEGMO
Topografie, Boden, Landnutzung, Gewässernetz, Oberirdische Einzugsgebiete,
Niederschlags- & Klimastationen [geoportal.brandenburg.de]
! Zu mittleren Jahressummen zusammengefasst
(z.B. 1991-2015)
Unterschätzt die zeitliche Dynamik
! Auf oberirdische Einzugsgebiete gemittelt
Natürliche Heterogenität vernachlässigt
© GeoBasis-DE/LGB
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 15Einflussfaktoren auf die Grundwasserneubildung
Die Abfolge der Glaziale Serie ist bedeutend für die Bodenbildung und die hydraulischen Verhältnisse:
Urstromtal Sander (Sand) Beispiel: Kiefernwälder
(Niedermoor, Talsedimente) Nährstoffarm & trocken, Geringes
Mosaik aus Acker- und Grünland, ausschließlich forstlich genutzt Wasserrückhaltevermögen
durchsetzt von Waldflächen © NABU
Grundmoräne (Geschiebemergel)
Vorwiegend ackerbaulich genutzt
© klassewasser.de
Beispiel: Warschau-Berlin
Urstromtal
Oberflächennahes
© reiseland-brandenburg.de
Grundwasser mit
Endmoräne (Sand, kiesig-steinig) Beispiel: Schorfheide bei Brodowin
freiem Grund-
Nährstoffreich, aber aufgrund
wasserspeigel
steiniger Böden & starkem Relief Tiefe Grundwasserleiter & gespannte
häufig Waldstandorte © reiseland-brandenburg.de Druckverhältnisse
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt Beispiel: Buchenwald Grumsin (UNESCO-Weltnaturerbe) 16Einflussfaktoren auf die Grundwasserneubildung
Abhängigkeit der Evapotranspiration (ET) von
Bodenart, Flurabstand & Vegetation
© Baumgartner & Liebscher, 1996
Zeitliche Abhängigkeit der Neubildung [Lee et al., 2014]
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt © Hergesell, 2003
17Kann das infiltrierte Niederschlagswasser auch den Grundwasserleiter
erreichen und damit die Ressourcen erneuern?
Ausschnitt aus „Hydrogeologischer Ost-West Schnitt 5810“
GWLK 1
GWLK 2
GWLK 3
Rupelton
© LBGR
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 18Ausgewählte Grundwasserstände in Brandenburg
Langjährige Entwicklung der Grundwasserspiegel (1970 bis 2008) Grundwasserstand seit 1968 bei Beiersdorf (NW vom Straussee)
unter forstlich genutzter Fläche in Brandenburg:
[Hannappel & Riek, 2011]
© Hirsch, 2021
Mittlere Grundwasserstandsänderung innerhalb der Hochflächen
Negativ-Trend
© LUGV, 2014
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt
19Besonderheiten im Wasserhauhalt der Region
Bergbaulich beeinflusster Wasserhaushalt im Lausitzer Revier
Entwicklung des Wasserdefizits
© LMBV, 2019 © LMBV, 2021
Zukünftige Herausforderungen durch den Braunkohleausstieg:
• Verstärkter Wasserbedarf zur Flutung der Tagebaurestlöcher
• Künstlich rhöhte Verdunstung des zur Flutung genutzten Grundwassers in den Bergbaufolgeseen
• Verringerte Stützung der Abflüsse von Spree & Schwarzer Elster durch Rückgang der Grubenwasser-
einleitung
• Gefährdung der Wassersicherheit von Berlin bei einem Rückgang der Spreeabflüsse
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt
20Trockenheit & Dürre der letzten 2000 Jahre
Anhand von Eichenholz (u.a. auch aus historischen Brunnen, Pfahlbauten und Kirchen) wurde das Klima in Europa zwischen 75 v. Chr. und
2018 rekonstruiert [Büntgen et al. 2021]:
• In der Vergangenheit gab
es auch in Deutschland
Dürren und eine
„Megadürre“ (1540)
• Neben Bränden,
versiegende Brunnen,
Quellen, Ernteausfällen
führte die Dürre 1540 auch
zu großen gesellschaft-
lichen Konflikten
© Ulf Büntgen
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 21Perspektiven für ein nachhaltiges Wassermanagement
Ziel: Wasserüberschüsse gezielt in der Landschaft zurückhalten, Oberflächenabflüsse reduzieren
Renaturierung: Feuchtgebiete von einem naturfernen in einen naturnahen Zustand versetzen
- Moore - - Flüsse und Bäche -
Wie ein natürlicher See oder ein Stausee Wenn angrenzende Flächen zur Verfügung
speichern auch Feuchtgebiete wie Moore stehen, können Renaturierungsmaßnahmen
oder Sumpfgebiete das Wasser in Zeiten mit neben der Gewässersohle auch weitere
starkem Abfluss, um es in Trockenperioden Uferbereiche einschließen.
mit geringem Abfluss langsam wieder Hochwasser- und Naturschutz
abzugeben. Erhöhte Versickerung
Natürliche Speicher
Niedrigwasseraufhöhung
© Kaiser & Hattermann, 2021
© UBA, 2020
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 22Perspektiven für ein nachhaltiges Wassermanagement
Ziel: Grundwasserneubildung erhöhen
Künstliche Grundwasseranreicherung: Oberflächenwasser wird in den Untergrund infiltriert,
die Reinigungsleistung der Bodenpassage wird genutzt
und die mögliche Grundwasserentnahmemenge gesteigert
Wasserwerk Briesen (Spree)
© FWA
Schematische Beispiele für eine
kontrollierte Grundwasseranreicherung
© Government of Western Australia
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 23Perspektiven für ein nachhaltiges Wassermanagement
Ziel: Wasser aus wasserreichen Gebieten in Wassermangelgebiete umleiten
Wasserüberleitungen: z.B. zur Spree um Mindestabflüsse zu gewährleisten
© Koch, 2011
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 24Perspektiven für ein nachhaltiges Wassermanagement
Ziel: Nutzung neuer Wasserressourcen
Übersicht über die wesentlichen Komponenten eines Systems zur
Abwasserrecycling: Wiederverwendung von behandeltem Abwasser
zur landwirtschaftlichen Bewässerung © UBA, 2016
Zur landwirtschaftlichen Bewässerung:
- Sinnvoll bei längeren und häufig auftretenden
regionalen Trockenheitsphasen und
Niedrigwasserperioden
- Unter der Annahme einer Zunahme des
landwirtschaftlichen Bewässerungsbedarfs
- Zur Vermeidung von Nutzungskonflikten
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 25Perspektiven für ein nachhaltiges Wassermanagement
Ziel: Nutzung neuer Wasserressourcen
Abwasserrecycling: am Beispiel „SHAFDAN“ in Israel
• Anlage im Großraum Tel-Aviv (Israels größtem Ballungsgebiet)
zur Abwassersammlung, -aufbereitung & -wiederverwendung
• Derzeit werden ca. 370.000 m³/Tag kommunale Abwässer
behandelt
© Tahal Group
• Nutzung für die landwirtschaftliche Bewässerung in der Region
Negev mit extremer Wasserknappheit
• Angewendetes Verfahren: Soil Aquifer Treatment System (SAT)
Aquifer Mächtigkeit: 60-80 m
Recyceltes Wasservolumen: 100-130 Mio. m³/Jahr
[Elkayam et al.,2021]
© NRMMC-EPHC-NHMRC, 2009
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 26Forschungsprojekt SpreeWasser:N
Adaption an Wasser-Extremereignisse
gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
über 3 Jahre mit einem Fördervolumen von 3 Mio. €
Koordination: Prof. Dr. Irina Engelhardt
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 27Forschungsprojekt SpreeWasser:N
Ziele Fokusregion „Untere Spree“
I. Konzept für ein integriertes
Wasserressourcenmanagement (IWRM) zur
verbesserten Anpassung an klimatisch-
hydrologische Extreme
II. Identifikation neuer Wasserspeicher zur
Nutzung gegensätzlicher hydrologischer Extreme
III. Online-Dürre Frühwarnsystem und
Risikokommunikation zur Anpassung der
Landwirtschaft an den Klimawandel
IV. Vorschläge für ein Priorisierung der
Wassernutzung während Trockenzeiten
Datenquellen:
LGB / MLUK, 2008 / Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, 2012
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 28Werkzeuge der Hydrogeologie
SWAT Model
(Soil & Water Assessment Tool)
für die 1.600 km² Neubildungs-
Wasserhaushaltsmodell zone eines Karbonataquifer
Hoch aufgelöste zeitliche (täglich) und
räumliche Darstellung der Bilanzgrößen
des Wasserhaushalts
© Hepach, 2020
Grundwassermodellierung
Transientes 3D Grundwassermodell
3D hoch aufgelöste numerische (HydroGeoSphere) für einen
Modellierung der ungesättigten (Boden) 9.000 km² großen Karbonataquifer
und gesättigten (Grundwasser) Zone
© Bresinsky, 2020
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 29Forschungsprojekt SpreeWasser:N
Modellinstrumentarium zur Evaluierung von Lösungsansätzen
Klimaprojektion
Hydrologisches Modell
+
Bodenwasser Modell
+
Grundwasser Modell
+
Szenario-Analyse
+
Wasserwirtschaftliches
Modell
[geändert nach INKA BB, 2012]
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 30Stakeholder in SpreeWasser:N
Regionale Entscheidungsträger Entscheidungsträger
Wassernutzer - regional - - überregional -
18.09.2021 - Grundwassermanagement in Brandenburg - Irina Engelhardt 31© P. Hepach Kontakt: irina.engelhardt@tu-berlin.de
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