Als schematisierte Modellvorstellung des hydrogeologischen Systems bilden Grundwassermodelle in Thüringen die Grundwasserströmung, die Grundwasserstände und den Stofftransport eines Untersuchungsgebietes rechnerisch ab und machen so nicht direkt messbare Größen wie Fließgeschwindigkeit und Volumenstrom sichtbar. In Thüringen prägen Buntsandstein, Muschelkalk und Zechstein den Untergrund, weshalb die Grundwasserverhältnisse von Region zu Region stark schwanken. Die AKVO GmbH begleitet entsprechende Fragestellungen mit numerischer Grundwassermodellierung und bringt im Werra-Gebiet bereits seit 2013 Erfahrung aus laufenden Modelluntersuchungen ein.
Die AKVO GmbH als Ingenieurgesellschaft für Umwelt, Energie und Wasser mit Sitz in Berlin und Niederlassung in Leipzig erstellt numerische Modelle zur Berechnung von Grundwasserströmung sowie Stoff- und Wärmetransport und verbindet diese mit geologischen 3D-Modellen. In Thüringen unterstützt AKVO damit von lokalen Projektmodellen bis zu großräumigen Analysen für einen nachhaltigen Wasserhaushalt.
Grundwassermodelle in Thüringen leisten eine belastbare Entscheidungsgrundlage
Grundwassermodelle in Thüringen liefern ein rechnerisches Abbild der hydrogeologischen Verhältnisse und dienen als Entscheidungshilfe für Wasserwirtschaft, Bau und Sanierung. Sie berechnen Grundwasserströmung, Grundwasserstände und Stofftransport in einem definierten Gebiet und übersetzen Messdaten in belastbare Prognosen.
Ein Grundwassermodell beschreibt die physikalischen Strömungsvorgänge eines Grundwasserstroms mathematisch und stützt sich dabei auf die geologischen Gegebenheiten, die Grundwasserneubildung und die hydraulischen Randbedingungen eines Untersuchungsgebiets. Aus diesen Eingangsdaten entstehen Erkenntnisse zu Fließrichtungen, Grundwasserbilanzen und den Auswirkungen geplanter Eingriffe. Die AKVO GmbH nutzt für diese Modellierung unter anderem FEFLOW (DHI) und Visual MODFLOW (Waterloo Hydrogeologic).
Weil die Aussagekraft eines Modells unmittelbar an der Kenntnis des Untergrunds hängt, entscheidet die geologische Ausgangslage Thüringens über den Modellansatz.
Grundwasserleiter prägen den Untergrund in Thüringen
Der Untergrund Thüringens gliedert sich in mehrere Grundwasserleiter mit sehr unterschiedlichem Verhalten, von gut durchlässigen Porengrundwasserleitern bis zu heterogenen Kluft- und Karstsystemen. Diese geologische Vielfalt bestimmt, wie sich Wasser im Untergrund bewegt und wie ein Modell aufgebaut werden muss.
Im Thüringer Becken und in den Flusstälern speichern quartäre Lockergesteine als Porengrundwasserleiter das oberflächennahe Grundwasser, das sich mit klassischen numerischen Ansätzen gut beschreiben lässt. In den Muschelkalk- und Zechsteinregionen dominieren dagegen Kluft- und Karstgrundwasserleiter, in denen Wasser bevorzugt entlang von Klüften fließt und zahlreiche Quellen speist. Für die Modellierung solcher Einheiten sind eine sorgfältige Erkundung und eine angepasste Parametrisierung nötig, damit die Berechnung die realen Verhältnisse trifft.
Die Hydrogeologie Thüringens mit ihren unterschiedlichen Grundwasserkörpern bildet damit den Rahmen, innerhalb dessen sich der passende Modelltyp bestimmen lässt.
Diese Grundwassermodelle und Modelltypen gibt es
Grundwassermodelle unterscheiden sich vor allem nach Modellansatz und Ziel, von der qualitativen Modellvorstellung bis zum rechenintensiven numerischen Strömungsmodell. Die Wahl des Typs richtet sich nach Fragestellung, Datenbasis und geforderter Genauigkeit.
In der hydrogeologischen Praxis Thüringens prägen drei Modellansätze das Vorgehen, die inhaltlich aufeinander aufbauen:
- Konzeptionelle Modelle: Sie beschreiben Geologie, Grundwasserleiter, Grundwasserhemmer und Randbedingungen qualitativ und bilden die Grundlage jeder numerischen Modellierung.
- Analytische Modelle: Sie nutzen vereinfachte Gleichungen für klar abgegrenzte Fragen, etwa den Zusammenhang zwischen Entnahme und Grundwasserstand, und eignen sich für überschlägige Berechnungen.
- Numerische Modelle: Sie lösen die Strömungsgleichungen für jedes Element eines Modellnetzes und bilden die Grundwasserdynamik eines ganzen Untersuchungsgebietes ab.
Numerische Strömungsmodelle lassen sich zu Stoff- und Wärmetransportmodellen erweitern, wenn nicht nur die Frage nach der Grundwasserströmung, sondern auch nach der Ausbreitung von Stoffen oder Wärme beantwortet werden soll. Großräumige Untersuchungsgebiete werden dabei in Teilgebiete zerlegt, sodass sich jedes Teilgebiet mit einer eigenen räumlichen Auflösung rechnen lässt. Ob ein Modell stationär oder instationär gerechnet wird, hängt davon ab, ob zeitabhängige Größen wie schwankende Grundwasserstände berücksichtigt werden müssen. Grundlage dafür, wie numerische Modelle grundsätzlich aufgebaut sind, liefert unsere Darstellung der numerischen Modellierung von Grundwasser.
Diese Daten bilden die Grundlage der Grundwassermodellierung
Die Grundlage jeder Grundwassermodellierung sind Messdaten aus dem Untersuchungsgebiet, ergänzt um geologische und hydrologische Kenntnisse. Ohne belastbare Datenbasis bleibt jedes Modell eine unbestätigte Annahme.
Für ein tragfähiges Modell tragen Fachleute mehrere Datenquellen des Untersuchungsgebietes zusammen, deren Dichte über die erreichbare Genauigkeit entscheidet:
- Grundwasserstände: Zeitreihen aus Messstellen als zentrale Größe für Kalibrierung und Plausibilität
- Bohrungen und Profilschnitte: Kenntnisse über Schichtaufbau und Geologie des Untergrunds
- Brunnen und Entnahmedaten: Angaben zu Grundwasserentnahmen aus Wasserversorgung, Landwirtschaft und Industrie
- Grundwasserneubildung und Wasserbilanz: Niederschlag, Verdunstung und Abfluss als Randbedingungen
- Gewässerdaten: Wechselwirkung zwischen Grundwasser, Bächen, Vorflutern und Oberflächengewässern als hydraulische Randbedingungen
In Thüringen betreibt das Thüringer Landesamt für Umwelt, Bergbau und Naturschutz (TLUBN) die staatlichen Grundwassermessnetze und stellt Grundwasserdaten über Kartendienste bereit, die als Datenbasis für Modelluntersuchungen dienen. Weil einzelne Messstellen den Grundwasserspiegel nur punktuell erfassen, verbindet ein Modell diese Werte zu einem flächenhaften Bild des gesamten Grundwasserkörpers.
Grundwassermodelle in Thüringen werden anhand von Messdaten kalibriert
Die Kalibrierung gleicht die berechneten Grundwasserstände so lange an gemessene Zeitreihen an, bis Modell und Beobachtung in akzeptabler Bandbreite übereinstimmen. Erst die anschließende Validierung an unabhängigen Zeiträumen belegt, dass die Prognosen auch außerhalb des Kalibrierzeitraums tragen.
Bei der Kalibrierung passen Fachleute die Parameter des Modells, etwa Durchlässigkeit und Speicherkoeffizienten, schrittweise an, bis die Berechnung die realen Grundwasserverhältnisse abbildet. Eine transparente Darstellung der verbleibenden Unsicherheiten verhindert, dass Modellergebnisse als Scheingenauigkeit missverstanden werden. Genau diese belegte Belastbarkeit macht ein Modell erst als Entscheidungshilfe brauchbar und eröffnet die konkreten Anwendungsgebiete.
Grundwassermodelle in Thüringen werden vielseitig eingesetzt
Grundwassermodelle in Thüringen unterstützen Entscheidungen in Wasserwirtschaft, Bau, Altlastensanierung und Geothermie. Sie liefern Prognosen zu Grundwasserständen, Fließrichtungen und Stoffausbreitung, wo einzelne Messwerte allein keine belastbare Aussage erlauben.
Die Einsatzmöglichkeiten von Grundwassermodellen reichen über mehrere Bereiche, die sich in der Planungspraxis gut clustern lassen:
- Trinkwasser und Schutzzonen: Abgrenzung von Wasserschutzgebieten, Bestimmung von Einzugsgebieten und Fließzeiten für Brunnen
- Bau und Wasserhaltung: Berechnung von Grundwasserabsenkungen bei Baugruben und Prognosen zu Auswirkungen auf Nachbarbebauung und Gewässer
- Altlasten und Sanierung: Modelluntersuchungen zur Ausbreitung von Schadstoffen und zur Planung hydraulischer Maßnahmen
- Wasserwirtschaftliche Planung: Bilanzierung von Grundwasserbilanzen, Optimierung von Brunnenstandorten und Bewertung von Nutzungsszenarien
- Geothermie und Temperatur: Wärmetransportmodelle für eine wasserschutzverträgliche geothermische Nutzung des Untergrunds
Zu Prognosezwecken lassen sich mit numerischen Modellen zudem die Folgen des Klimawandels auf Grundwasserneubildung und Grundwasserspiegel simulieren, grafisch aufbereiten und in Tabellen, Diagrammen und Karten auswerten. Wie eng die geothermische Nutzung mit dem Grundwasser verknüpft ist, zeigt unsere Arbeit zur Erdwärme aus dem oberflächennahen Untergrund.
Die Qualität des Grundwassers in Thüringen wird kontinuierlich überwacht
Die Überwachung der Qualität des Grundwassers erfolgt in Thüringen über die staatlichen Messnetze des TLUBN, die Grundwasserstände und chemische Kennwerte kontinuierlich erfassen. Grundwassermodelle ergänzen diese Überwachung, indem sie die Ausbreitung einer Belastung im Untergrund berechnen.
In landwirtschaftlich geprägten Regionen des Thüringer Beckens spielt die Nitratbelastung des Grundwassers eine besondere Rolle. Stofftransportmodelle bilden hier ab, wie sich eine Belastung entlang der Grundwasserströmung ausbreitet, und unterstützen so die Planung von Maßnahmen zum Schutz der Grundwasservorkommen. Weil jede Entnahme diese Verhältnisse verändert, ist die rechtliche Steuerung der Grundwassernutzung eng an solche Analysen gekoppelt.
Entnahme von Grundwasser in Thüringen unterliegt rechtlichen Vorgaben
Die Entnahme von Grundwasser stellt in Thüringen eine Benutzung nach dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG) dar und ist in der Regel erlaubnis- oder Anzeigepflichtig. Ob eine wasserrechtliche Zulassung erforderlich ist, hängt von Zweck, Entnahmemenge, Standort und den möglichen Auswirkungen auf den Wasserhaushalt ab.
Zuständig für die Zulassungsverfahren und die Erfassung der Grundwasserentnahmen ist in Thüringen das TLUBN, das Wasserentnahmen inzwischen elektronisch meldet. Ein Grundwassermodell liefert im Verfahren die fachliche Grundlage, um die Auswirkungen einer geplanten Entnahme auf Grundwasserstände und benachbarte Nutzungen nachvollziehbar zu prognostizieren. Wie belastbar solche Nachweise sein müssen, zeigt sich besonders an konkreten Projekten im Land.
AKVO verfügt über Erfahrung im Werra-Kalirevier
Die AKVO GmbH verfügt über Erfahrung mit hydrogeologischen Fragestellungen im Umfeld des Werra-Kalireviers. Für die Erweiterung der Rückstandshalde am K+S-Standort Hattorf in Philippsthal ist AKVO seit 2013 mit der Erstellung eines hydrogeologischen Modells sowie mit der Ausarbeitung von Antragsunterlagen befasst und schreibt das Modellvorhaben begleitend fort.
Auch am K+S-Standort Wintershall in Heringen bearbeitete AKVO seit 2014 geologische und hydrogeologische Fragestellungen. Auch dort wird ein Grundwasserströmungs- und Stofftransportmodell mit FEFLOW eingesetzt, um mögliche stoffliche Einflüsse auf das Schutzgut Wasser zu prognostizieren. Modellierung von Hochwasserschutzmaßnahmen in Eisfeld
AKVO modellierte die Auswirkungen von geplanten Hochwasserschutzmaßnahmen an der Werra auf das Grundwasser im Umfeld der Ortschaft Eisfeld. Komplexe geologische Verhältnisse und die Verbindung zeitlich schnell ablaufender Hochwassersituationen der Werra mit der vergleichsweise langsamen Grundwasserströmung waren die Herausforderungen dieses Projekts.
Grundwasserströmungsmodelle in Infrastrukurprojekten
Für verschiedene Projekte der DB erstellten und erstellen die Mitarbeitenden der AKVO GmbH komplexe Grundwasserströmungsmodelle. Z.B. wurden die Planung, Realisierung und nachfolgende Auswertung der Auswirkungen des Baus des Finnetunnels von 1994 bis 2013 durch heutige Mtarbeitende der AKVO GmbH modelltechnisch begleitet.
AKVO als Partner für Grundwassermodelle in Thüringen
Wer Grundwassermodelle in Thüringen als Entscheidungsgrundlage für Wasserwirtschaft, Bauvorhaben, Altlastensanierung oder Geothermie einsetzen möchte, findet in der AKVO GmbH einen erfahrenen Partner für numerische Grundwasserströmungs-, Stoff- und Wärmetransportmodelle auf Basis geologischer 3D-Modelle.
Wenn Sie ein Vorhaben in Thüringen vorbereiten, bei dem Grundwasserstände, Grundwasserentnahmen oder Stoffausbreitung eine Rolle spielen, sprechen Sie AKVO frühzeitig an. Gemeinsam prüfen wir Modellansatz, Datenbedarf und passende Szenarien für Ihr Untersuchungsgebiet und entwickeln daraus ein belastbares Grundwassermodell für Ihre Planung.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Was ist ein Grundwassermodell?
Ein Grundwassermodell bildet die hydrogeologischen Verhältnisse eines Untersuchungsgebietes rechnerisch ab. Dazu werden unter anderem Geologie, Grundwasserneubildung, hydraulische Randbedingungen und Messdaten berücksichtigt. Numerische Modelle können beispielsweise Grundwasserstände, Fließrichtungen, Grundwasserbilanzen und Stofftransporte berechnen.
Welche Daten werden für Grundwassermodelle in Thüringen benötigt?
Zu den wichtigen Eingangsdaten gehören Zeitreihen zu Grundwasserständen, Angaben aus Bohrungen und Profilschnitten, Brunnen- und Entnahmedaten, Informationen zur Grundwasserneubildung sowie Daten zu Oberflächengewässern. Die Qualität und Dichte dieser Daten haben unmittelbaren Einfluss auf die Aussagekraft des Modells.
Wofür können Grundwassermodelle in Thüringen eingesetzt werden?
Grundwassermodelle kommen unter anderem in der Wasserwirtschaft, beim Trinkwasserschutz, bei Bauvorhaben und Wasserhaltungen, in der Altlastensanierung sowie für geothermische Fragestellungen zum Einsatz. Darüber hinaus lassen sich mit numerischen Modellen verschiedene Nutzungsszenarien und mögliche Veränderungen des Grundwasserhaushalts untersuchen.
Warum müssen Grundwassermodelle kalibriert werden?
Bei der Kalibrierung werden berechnete Grundwasserstände mit tatsächlich gemessenen Daten verglichen. Modellparameter wie Durchlässigkeit oder Speicherkoeffizienten werden so angepasst, dass das Modell die realen Grundwasserverhältnisse möglichst belastbar abbildet. Eine anschließende Validierung dient dazu, die Prognosefähigkeit des Modells zusätzlich zu prüfen.