Grundwasserneubildung

Das Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH (1975) wurde zur Abschätzung der Grundwasserneubildung im Maßstab 1:200.000 für das niedersächsische Flachland entwickelt. Die Methodik geht davon aus, dass vor allem der Niederschlag, die Bodenart und der Bewuchs die Grundwasserneubildungsrate steuern. Anhand bodenkundlicher und geologischer Kar-ten werden grundwassernahe Standorte (d. h. hier befindet sich der Grundwasserspiegel in der wechselfeuchten Bodenzone) abgegrenzt. Die geologischen Einheiten werden zu den Einheiten Sand, Geschiebelehm und Sandlöß zusammengefasst. Aus topographischen Karten erfolgt die Ableitung der Landnutzung für die drei Klassen Acker- bzw. Grünland, Heide und Wald.

Der Wasserüberschuss (= Differenz aus mittlerem Jahresniederschlag und realer Evapotranspiration) entspricht bei fehlender Grundwasserbeeinflussung der Sickerwassermenge, die aus Lysimetergleichungen (DYCK & CHARDABELLAS 1963) berechnet werden kann. Für grundwasserbeeinflusste Böden werden je nach Bodentyp und Flurabstand (dies ist der Höhenunterschied zwischen Erdoberfläche und Grundwasseroberfläche) entweder Pauschalwerte für den Wasserüberschuss eingesetzt (150 – 200 mm/a) oder aber ein Betrag von 50 mm/a von der errechneten Sickerwasserhöhe abgezogen, um die durch die Grund-wasserbeeinflussung erhöhte Verdunstung zu berücksichtigen.

Zur Abschätzung des oberirdischen Abflusses werden vier Gebietstypen verwendet: Bereiche mir sehr hohen, hohen bis mittleren, gelegentlichen und keinem Oberflächenabfluss. Je nach Relief (Oberflächengestalt des Geländes), Bebauung, Infiltrationsvermögen, Entfernung zum Vorfluter und dem Flurabstand erhalten die Gebiete Werte zwischen 0 und 200 mm/a. Die Grundwasserneubildungsrate errechnet sich schließlich aus der Differenz von Wasserüberschuss und Oberflächenabfluss.

Ein großer Schwachpunkt dieses Ansatzes liegt darin, dass bei der Klassifizierung der Landnutzung weder Acker- und Grünland noch Laub-, Nadel- bzw. Mischwald differenziert werden.

Das Verfahren nach DÖRHÖFER UND JOSOPAIT (1980) wurde im Maßstab von 1:200.000 entwickelt. Als Eingangsgrößen gehen die Kenngrößen Evapotranspiration, Niederschlag, Grundwasserflurabstand und Relief ein. Grundsätzlich können mit diesem Verfahren beliebige Niederschlagswerte verarbeitet werden. Es wird jedoch die Nutzung der mittleren Niederschlagshöhen aus mehrjährigen Zeitreihen empfohlen. Das Verfahren eignet sich sowohl für Lockergesteins- wie auch Festgesteinsbereiche. Es kam bisher überwiegend in Niedersachsen zur Anwendung (MEYER & TESMER 2000).

Das Verfahren nutzt den direkten Zusammenhang im humiden Klima (zwischen 600 und 1.000 mm/a), wo steigende Niederschlagshöhen mit steigenden Abflusshöhen einhergehen. Zusätzlich wird der Einfluss des Grundwassers auf die Verdunstungsvorgänge berücksichtigt. Des Weiteren wird eine Beziehung zwischen der Bodenart, dem Bewuchs und der realen Evaporationshöhe hergeleitet. Zur Untersuchung der Abhängigkeit der Verdunstung von der mittleren Korngröße des Bodens greift man auf Lysimeterdaten zurück.

Den Nutzungsarten Acker-/Grünland, Wald und vegetationslosem Boden werden Verdunstungswerte in 12 Evaporationsstufen (ET-Stufen), beginnend mit 225 mm/a unter Verwen-dung von 25 mm/a-Schritten, zugeordnet. Grundwassernahe Böden (Flurabstand von <0,8 m) liegen unabhängig von der Nutzungsart in der höchsten Stufe 575-600 mm/a.

Zur Berücksichtigung des Direktabflusses werden Teilflächen verschiedene Abflussstufen zugeordnet, die das Verhältnis von Gesamtabfluss zu unterirdischem Abfluss (AGes/AU) widerspiegeln. Sie stellen ein Maß für die Reliefenergie bzw. den Grundwasserflurabstand dar. Dabei wird davon ausgegangen, dass hohe Direktabflüsse sowohl bei steilem Relief wie auch bei grundwassernahen Böden auftreten.

Die Ableitung der Grundwasserneubildungshöhe (Stufen von je 50 mm/a) erfolgt schließlich unter Einbeziehung der ET-Stufe, der Abflussstufe und der Höhe der korrigierten Niederschlagsmenge.

Das Verfahren wird durch die verschiedenen Eingangsparameter limitiert. So wird häufig bei der Klassifikation von Forststandorten nicht zwischen Laub-, Nadel- und Mischwald unterschieden, was sich negativ auf die Berechnung der Evaporation auswirkt. Zudem ist die Ableitung des Versiegelungsgrades aus topographischen Karten in vielen Fällen nicht möglich. Die Erhebung der Reliefenergie aus digitalen Höhenmodellen oder topologischen Karten ist z. T. ebenfalls mühsam. Trotz dieser Einschränkungen ist das Verfahren allgemein anerkannt und wurde z. B. bei wasserwirtschaftlichen Rahmenplanungen angewendet (HAAS 1987). GROSSMANN (1997) kritisierte bei der flächendifferenzierten Berechnung der Grundwasserneubildungsrate im Großraum Hamburg, dass bei der generalisierten Verwendung der Kategorie „grundwassernahe Böden“ nicht zwischen den einzelnen Nutzungstypen unterschieden wird.

Das Verfahren nach SCHROEDER & WYRWICH (1990) ist eine Weiterentwicklung des Verfahrens nach DÖRHÖFER UND JOSOPAIT (1980). Mit ihm wird die Sickerwasserrate flächendifferenziert in einem Raster von 2 km Kantenlänge ermittelt. Anwendung fand es in Teilen Nordrhein-Westfalens.

Die mittlere unkorrigierte Jahresniederschlagsmenge leitet man aus Gleichenkarten (diese zeigen die Flächenhafte Verteilung der Niederschlagsmengen) im Maßstab 1:200.000 ab. Landnutzung und Bodengruppen werden aus den entsprechenden Karten im Maßstab 1:50.000 entnommen. Hierbei wird der Boden in terrestrische Sandböden, terrestrische Lehmböden, sowie semiterrestrische Böden (Aueböden, Gleye, Marschen) mit flach anste-hendem Grundwasser bzw. lang anhaltendem Stauwasser unterteilt. Bei der Landnutzung unterscheidet man zwischen Acker-/Grünland, Nadelwald, Mischwald, Laubwald, Gewässer und versiegelten Flächen.

Die Verdunstungswerte richten sich nach den verschiedenen Nutzungsarten. Diese werden in Abhängigkeit von der Bodengruppe pauschal aus Tabellen zugeordnet.

N: Niederschlagsmenge in mm/a

Zur Abschätzung des Direktabflusses werden neben der Reliefenergie auch Bewuchs und Bodengruppe herangezogen. Aus Tabellen ist der prozentuale Anteil des Direktabflusses am Wasserüberschuss zu entnehmen. Für bebaute Flächen wird davon ausgegangen, dass jegliches Wasser, das nicht verdunstet, direkt abfließt. Unter Waldgebieten und auf Wasserflächen findet kein Direktabfluss statt.

Bei der Berechnung der Direktabflussanteile bleiben Ackerfurchen und abflusslose Senken unberücksichtigt (BORK 1988). Während Ackerfurchen den Oberflächenabfluss begünstigen, vermindern abflusslose Senke diese Abflusskomponente. GROSSMANN (1997) stellte darüber hinaus fest, dass bei Messstationen, an denen Niederschlagshöhen um 600 mm/a gemessen wurde, eine zu geringe Grundwasserneubildungsrate berechnet wird.

Das Verfahren nach MEßER (1997) ist eine Weiterentwicklung des Verfahrens nach SCHROEDER & WYRWICH (1990) und wurde für den urbanen Raum konzipiert. Das Verfahren berücksichtigt den Boden, die Nutzung sowie den Versiegelungsgrad, der in Versiegelungsstufen angegeben wird. Im Gegensatz zu SCHROEDER & WYRWICH erfolgt die Bestimmung des Direktabflussanteiles nicht über Spannbreiten sondern mit fest tabellierten Werten für die jeweilige Reliefenergie. Für bebaute Gebiete und Parkanlagen werden hierzu Mischvegetationen eingeführt. Zudem erfolgt eine differenzierte Betrachtung der Flurabstände, da die Bodentypen in den Bodenkarten wegen anthropogener Veränderungen nicht mehr den tatsächlichen Verhältnissen entsprechen.

Das Verfahren nach RENGER & WESSOLEK (1990) basiert auf den Arbeiten von RENGER & STREBEL (1980), die aus Sickerwasser-Messdaten, unter Verwendung eines Bodenwasserhaushaltsmodells Regressionsbeziehungen für die mittlere jährliche Grundwasserneubildung ableiteten. Das daraus modifizierte Verfahren wurde für ebene Standorte im Lockergesteinsbereich, ohne Berücksichtigung des oberirdischen Abflusses und des Zwischenabflusses, entwickelt. Vereinfacht geht man hierbei davon aus, dass die Differenz zwischen Niederschlag und realer Verdunstung der Grundwasserneubildung entspricht. Als Voraussetzung hierfür muss der Bodenwasserspeicher zu Beginn der Vegetationsperiode bis zur Feldkapazität gefüllt sein, d. h. er kann noch bis zu 3 Tagen das Wasser gegen die Schwerkraft halten.

In die verwendeten Gleichungen gehen unkorrigierte Niederschlagshöhen und die potentielle Evaporation nach HAUDE ein. In Gebieten mit erhöhter Luftfeuchtigkeit kann der Einsatz des HAUDE-Verfahrens jedoch zu fehlerhaften Berechnungen führen. Das Verfahren wurde von WESSOLEK (1992) für lokale Verhältnisse erweitert und u. a. von KLAASSEN & SCHEELE (1996) in Hessen eingesetzt.

Das TUB-BGR-Verfahren (WESSOLEK et al. 2004) ist die Weiterentwicklung des Verfahrens nach RENGER & WESSOLEK (1990). Durch die Modifikation der bisher verwendeten Regressionsgleichungen kann das Verfahren nun bundesweit angewendet werden. Die Bearbeitung dazu wurde in Zusammenarbeit von der Technischen Universität Berlin (TUB) und der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) durchgeführt. An Stelle der Haude-Verdunstung wurde darüber hinaus die bundesweit einheitliche FAO-Gras-Referenzverdunstung verwendet.

Die acht Regressionsgleichungen berechnen die Sickerwasserraten für die Nutzungen Acker, Grünland, Nadel- und Laubwald jeweils für grundwassernahe sowie grundwasserferne Standortbedingungen. Davon abweichende Landnutzungsarten müssen in diese Systematik eingeordnet werden. Als Eingangsparameter werden folgende Größen verwendet: Mittlere korrigierte jährliche Niederschlagshöhe, Mittlere korrigierte jährliche Niederschlagshöhe des Sommerhalbjahres, mittlere jährliche potentielle Verdunstungshöhe als Gras-Referenzverdunstung, effektive Durchwurzelungstiefe, nutzbare Feldkapazität, mittlere Grundwassertiefstand.

Das Einschicht-Bodenwasserhaushaltsmodell (BWHM) wurde auf Basis von Abfluss- und Lysimetermessungen entwickelt. Es berechnet die Abhängigkeit von Klima, Landnutzung und Bodeneigenschaften durch die Bilanzierung des Wasserhaushaltes und der aktuellen Evapotranspiration für einen Bilanzierungsraum. Bei der Berechnung werden Landnutzungsklassen verwendet, die die phänologische Entwicklung der Pflanzen, Interzeptionsverdunstung für Waldflächen und den kapillaren Aufstieg für grundwasserbeeinflusste Böden berücksichtigen. Als klimatische Eingangsgrößen gehen standortkorrigierte Niederschlagswerte und die Grasreferenzverdunstung ein.

In einem zweiten Schritt findet eine Trennung der Abflusskomponenten (vgl. Abflussganglinie) in Basisabfluss und Direktabfluss statt. Dabei werden klimatische Verhältnisse, Landnutzung, Morphologie, Pedologie, Hydrologie und Hydrogeologie berücksichtigt. Zur Beschreibung wird der Baseflow-Index (BFI) verwendet, der das Verhältnis aus Basisabfluss (QBasis) und Gesamtabfluss (QGesamt) betrachtet. Im langjährigen Mittel kann die Grundwasserneubildung (GWNB) mit dem Basisabfluss gleichgesetzt werden.

Durch eine Regressionsanalyse wird ein statistischer Zusammenhang zwischen Einzugsgebietspezifischen BFI-Werten und unabhängigen Gebietsmerkmalen (Bodeneigenschaften, Geologie) gezogen und die BFI-Werte flächendifferenziert für ein vorgegebenes Raster berechnet.

Zur Modellierung der Grundwasserneubildung in Hessen kam ein zweistufiges GIS-gestütztes Verfahren zum Einsatz, bei dem ein empirisches BWHM nach GROSSMANN (1998) und DOMMERMUTH & TRAMPF (1991) mit einem speziell für Hessen entwickelten Regressionsmodell (HERGESELL & BERTHOLD 2005) gekoppelt wurde. Vergleichbare Verfahren wurden auf Bundesebene zur Erstellung des Hydrologischen Atlas von Deutschland (HAD) sowie auf Länderebene in Baden-Württemberg und Bayern angewendet.

Das Verfahren nach BAGROV-GLUGLA (BAGROV 1953, GLUGLA et al 1976) berechnet die Grundwasserneubildung auf Basis der potentiellen Evapotranspiration (nach TURC und PENMAN) sowie bewuchs- und bodenart-spezifischen Niederschlagswerten. Die Ermittlung erfolgt dabei über ein Nomogramm (GLUGLA & THIEMER 1971). Von der modifizierten Niederschlagshöhe wird der Direktabfluss subtrahiert, um den effektiven Niederschlag (Neff) zu erhalten. Das Verfahren berücksichtigt die Nutzungsarten vegetationsloser Böden sowie landwirtschaftliche, gärtnerische oder forstwirtschaftliche Nutzung. Aus Tabellenwerken und Diagrammen werden in Abhängigkeit von Bewuchs und Bodenart Effektivitätsparameter ermittelt.

Das Verfahren gilt zunächst nur für Flächen mit flurfernem Grundwasser. Bei Flächen mit flurnahem Grundwasser muss der dadurch entstehende Grundwassereinfluss anhand der mittleren effektiven Durchwurzelungstiefe, des mittleren Grundwasserstandes und der mittleren kapillaren Aufstiegshöhe berücksichtigt werden. Die aktuelle Verdunstung wird aus einem Nomogramm abgeleitet, für das ein Effektivitätsparameter sowie der Quotient aus Neff und ETPot herangezogen wird. Zieht man von Neff die aktuelle Verdunstung ab, so erhält man die Grundwasserneubildung.

Das Verfahren eignet sich gut für den Einsatz in Lockergesteinsbereichen. Es eignet sich für freie Grundwasserleiter bis zu einer maximalen Teufe von 30 m (BIERSTEDT 1991) und wird häufig im ostdeutschen Raum angewendet, wie bei der Erstellung des Umweltatlas von Berlin (2007) (http://www.stadtentwicklung.berlin.de/umwelt/umweltatlas).

Problematisch an dem Verfahren sind die aufwendige Handhabung bei der Ableitung des Effektivitätsparameters und der aktuellen Evapotranspiration aus Nomogrammen. Die Ableitung von Bodenkenngrößen, des Grundwasserflurabstandes und der kapillaren Aufstiegsrate aus Karten ist ebenfalls nicht trivial. Das Verfahren wurde z.B. in das Abflussbildungsmodell ABIMO implementiert, wodurch die Ableitung des Effektivitätsparameters per Software erfolgt (GLUGLA & FURTIG 1997).

Das Modell GROWA (Großräumiger Wasserhaushalt) ist ein GIS-gestütztes empirisches Modell zur flächendifferenzierten Bestimmung der mittleren mehrjährigen Wasserhaushaltsgrößen. Es wurde am Forschungszentrum Jülich im Hinblick auf die Anforderungen der EU-WRRL für das Flusseinzugsgebiet der Elbe entwickelt (KUNKEL & WENDLAND 1998) und vom LBEG Hannover modifiziert. Weitere Einsatzgebiete des Modells in angepasster Form waren u. a. Niedersachsen (DÖRHÖFER et al. 2001) und Nordrhein-Westfalen (BOGENA et al. 2003).

Bei dem Einsatz wird zunächst die reale Evapotranspiration nach RENGER & WESSOLEK (1996) für unterschiedliche Bodenbedeckungen berechet, wobei Einflussparameter wie Relief, Grundwassereinfluss und Versiegelung berücksichtigt werden. In einem zweiten Schritt wird die mittlere jährliche Gesamtabflusshöhe aus der Differenz zwischen Jahresniederschlag und realer Verdunstung ermittelt. Die Grundwasserneubildungshöhe wird indirekt durch die Auftrennung des Gesamtabflusses in Direktabfluss und Basisabfluss bestimmt. Als Teil des langjährigen Wasserhaushaltes entspricht der Basisabfluss dabei der Menge des neugebildeten Grundwassers. Die Gesamtabflussseparation wird im Modell GROWA auf der Grundlage statischer gebietsspezifischer Basisabflussanteile durchgeführt. Die relevanten Gebietskenngrößen werden unter Einbeziehung beobachteter Pegelmessungen auf Basis einer Zusammenhangsanalyse errechnet.

Die Eingangsdaten lassen die Darstellung von Grundwasserneubildungsraten im Maßstab 1:50 000 zu. Die Unterteilung in Lockergestein, Festgestein und Sonderflächen (versiegelt oder drainiert) ermöglicht eine detaillierte Beschreibung der Untergrundsituation im regionalen Maßstab. Gebiete für die in der Bodenkundlichen Karte (1:50.000) bis zu einer Tiefe von 2 m kein Festgestein beschrieben wurde, werden im Modell wie Lockergesteinsgebiete behandelt. Forstflächen werden immer als Nadelwald angesehen.