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Umweltatlas Berlin

02.19 Zu erwartender höchster Grundwasserstand (zeHGW) (Ausgabe 2015)

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Methode

Für die beiden Gebiete Urstromtal und Panketal wurden unterschiedliche Methoden angewandt.

Urstromtal

Für das Gebiet des Berliner Urstromtals ist die zeHGW-Karte mit Hilfe eines numerischen Grundwasserströmungsmodells entwickelt worden. Das war deshalb erforderlich, weil wegen der langen z.T. starken anthropogenen Beeinflussung der Grundwasseroberfläche die Berechnung einer solchen Karte nur auf der Grundlage gemessener Grundwasserstände im Sinne der o.g. zeHGW-Definition nicht möglich ist.

Ein numerisches Modell erlaubt die ortsdiskrete Simulation von Grundwasserständen unter vorgegebenen geohydraulischen Randbedingungen. Hierzu zählen die Grundwasserneubildung, die u.a. eine Funktion des Niederschlags ist, und die Spiegelhöhen der Oberflächengewässer. Beide unterliegen natürlichen und auch künstlich bedingten Schwankungen. In unserem Klimabereich findet z.B. die Grundwasserneubildung im Wesentlichen im Winterhalbjahr statt, was zur Folge hat, dass die höchsten Grundwasserstände innerhalb eines Jahres üblicherweise im Frühjahr auftreten. Häufig tragen relativ hohe Wasserspiegel der Oberflächengewässer (hier Spree, Havel und ihre Nebengewässer) in dieser Zeit zu den hohen Grundwasserständen zusätzlich noch bei. Besonders hohe Grundwasserstände werden beobachtet, wenn die Niederschlagsmenge über mehrere aufeinander folgende Jahre deutlich über dem langjährigen Mittel liegt. In solchen extremen Feuchtperioden ist dann der höchste Grundwasserstand im betrachteten Gebiet zu erwarten.

Beginnend 2003 ist ein numerisches Grundwasserströmungsmodell einwickelt worden, das langfristig für das gesamte Berliner Gebiet zur Klärung wasserwirtschaftlicher Fragen auf Landesebene zur Verfügung stehen soll. 2008 war dieses Modell soweit gediehen, dass damit für das Gebiet des Berliner Urstromtals eine zeHGW-Karte angefertigt werden konnte, die nachfolgend von den Fachleuten der Senatsverwaltung für Grundwasserauskünfte benutzt und dadurch einer intensiven Praxisprüfung unterzogen worden ist.

Die Entwicklung der zeHGW-Karte für das Berliner Urstromtal ist in Limberg, Hörmann & Verleger (2010) beschrieben und wird hier zusammengefasst:

Das numerische Modell, für das das Programmsystem MODFLOW verwendet wurde, ist so angelegt, dass es die gesamte Fläche Berlins umfasst (Abbildung 3).

Abbildung 3
Abb. 3: Bereich des Grundwasserströmungsmodells zur Entwicklung der zeHGW-Karte für das Berliner Urstromtal

Das Gebiet des Berliner Urstromtals ist vertikal in mehrere Modellschichten unterteilt, von denen die oberste für den – hier im Regelfall ungespannten - Hauptgrundwasserleiter steht, dessen höchster Grundwasserstand berechnet werden soll (s. Abbildung 4).

Abbildung 4
Abb. 4: Nord-Süd-Schnitt mit vertikaler Modelldiskretisierung

Horizontal ist das Modell in Rechteckzellen unterteilt. Die Zellgröße variiert zwischen 50 x 50 und 100 x 100 Meter.

Die weitere Modellierung geschah in folgenden Schritten:

Modellkalibrierung

Nach Vorgabe der bekannten bzw. geschätzten geohydraulischen Randbedingungen (Vorfluthöhen, Grundwasserentnahmen, Grundwassereinleitungen etc.) wurde das Modell im Wesentlichen durch Variation einer vorgegebenen Verteilung der Wasserleitfähigkeit mit Hilfe hydraulisch stationären Berechnungen kalibriert. Dazu sind die Mittelwerte der Daten hinsichtlich der Grundwassernutzung und der Grundwasserstände des Jahres 2004 gewählt worden. Das Jahr 2004 kann klimatisch als durchschnittlich angesehen werden.

Modellverifizierung

Unter Modellverifizierung versteht man hier einen Test des Modells dahin gehend, ob es in der Lage ist, eine vom Kalibrierungszeitraum abweichende bekannte Beanspruchungssituation des Grundwassers (z.B. geänderte Grundwasserentnahmen) bezüglich der tatsächlich beobachteten Grundwasserhöhen hinreichend genau wiederzugeben. In diesem Fall wurden die Grundwasserstände für das Jahr 2001 mit dem Modell berechnet, das sich insbesondere in der Verteilung der Grundwasserförderung von der des Jahres 2004 unterscheidet. Die Abweichungen der modellberechneten Grundwasserstände von den beobachteten konnten als relativ gering bewertet werden. Damit hat das Modell einen wesentlichen Qualitätstest bestanden.

Modellsimulation des zu erwartenden höchsten Grundwasserstands und Plausibilisierung

Nach der Verifizierung sind verschiedene Modellsimulationen zur Berechnung des höchsten Grundwasserstandes vorgenommen worden. Dazu mussten zusammengefasst drei Arten von hydraulischen Randbedingungen entsprechend verändert werden. Diejenigen, die der Modellkalibrierung und auch der Verifizierung zugrunde liegen gelten für klimatisch durchschnittliche Jahre und eine bestimmte Grundwasserbeanspruchung. Die drei Randbedingungen sind:

  • die Grundwassernutzung
    Gemäß der zeHGW-Definition finden in diesem Szenario weder Grundwasserentnahmen noch Einleitungen in das Grundwasser statt. Das gilt sowohl für die Wasserwerke als auch andere Entnahmen wie für die Eigenwasserversorgung, Sanierungen oder Baumaßnahmen.
  • die Höhe der Vorflut für das Grundwasser
    Die Definition der Spiegelhöhen der Vorflutgewässer für den sog. HGW-Fall geschah über die Auswertung von Pegelständen.
  • die Grundwasserneubildung
    Beim Eintreten des höchsten Grundwasserstandes muss die Grundwasserneubildung deutlich über ihrem langjährigen Mittel liegen. Zur Abschätzung wurden einige orientierende Modellsimulationen mit nachfolgender Plausibilitätsprüfung anhand ausgewählter gemessener Grundwasserstände vorgenommen. In deren Ergebnis ist die Grundwasserneubildung für den HGW-Fall – je nach ihrer örtlich differenzierten Höhe – bis zu 15% über dem langjährigen Jahresmittel angesetzt worden.

Nach Fertigstellung dieser vorläufigen zeHGW-Karte folgte eine intensive Plausibilitätsprüfung anhand der Daten von rd. 2.200 Grundwassermessstellen und eine Vielzahl anderer Daten und Informationen (Lage der zur Plausibilitätsprüfung benutzten Grundwassermessstellen s. Abb. 5). Anschließend waren nur noch geringe Modifikationen der Karte erforderlich.

Zu diesen Modifikationen zählte auch die Einführung der Darstellung von sog. Uferstreifen entlang einiger Oberflächengewässer. In diesen auf der Karte gesondert ausgewiesenen Flächen sind zeHGW-Werte festgelegt, die nicht unmittelbar durch das großräumige Grundwasserströmungsmodell berechnet worden sind. Das war insofern notwendig, als in einigen ufernahen Bereichen starke kurzfristige Erhöhungen der Vorflutspiegel zu einer Anhebung der Grundwasseroberfläche in Ufernähe führen können, die mit der hydraulisch stationär berechneten Karte nicht bzw. nicht sicher genug abgedeckt werden. Gesonderte zeHGW-Werte wurden auch für einzelne Flächen ausgewiesen, in denen die modellberechnete Karte aufgrund einer vergleichsweise geringen Modelldiskretisierung möglicherweise zu unsichere Werte zeigt, z.B. im Umfeld von Schleusen und in einigen Uferbereichen am Tegeler See. Die Festlegung dieser zeHGW-Werte geschah auf der Grundlage von gemessenen höchsten Pegelständen der Oberflächengewässer und z.T. überschlägigen hydraulisch instationären Berechnungen.

Abbildung 5
Abb. 5: Lage der zur Plausibilitätsprüfung benutzten Grundwassermessstellen

Zur Methode der zeHGW-Karte gehört auch ihre fortlaufende Prüfung, insbesondere nach der Beobachtung sehr hoher Grundwasserstände. Nach Fertigstellung der Karte sind im Zeitraum 2008 bis 2011 solche extrem hohen Grundwasserstände registriert worden. Die Prüfung mit diesen Grundwasserstandsdaten bestand die Karte mit sehr gutem Erfolg. Nachfolgend sind nur marginale Änderungen erfolgt. Die veröffentliche Karte ist nun so eingestellt, dass die an den einzelnen Messstellen maßgeblichen, d.h. als unbeeinflusst anzusehenden HGW mindestens 10 cm unter dem dargestellten zeHGW liegen.

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