Als rechnerisches Abbild der hydrogeologischen Verhältnisse bildet ein Grundwassermodell den Grundwasserstand, die Fließrichtungen und die Grundwasserneubildung eines Gebietes ab und liefert so die Grundlage für Prognosen. In Nordrhein-Westfalen prägt vor allem das Rheinische Revier die Hydrogeologische Situation. Die jahrzehntelange Grundwasserabsenkung durch die Grubenwasserhaltungen geht nun in einen großflächigen Wiederanstieg über. Die AKVO GmbH unterstützt entsprechende Vorhaben mit numerischen Grundwasserströmungs-, Stoff- und Wärmetransportmodellen und verbindet die Modellierung mit geologischen 3D-Modellen.
Die AKVO GmbH mit Sitz in Berlin und Leipzig erstellt numerische Modelle zur Berechnung von Grundwasserströmung sowie Stoff- und Wärmetransport. Diese Methodik lässt sich auf die Grundwasserverhältnisse in NRW übertragen, von den Bergbauregionen bis zu den Trinkwassergewinnungsgebieten.
Grundwassermodelle in Nordrhein-Westfalen leisten eine belastbare Entscheidungsgrundlage
Grundwassermodelle in Nordrhein-Westfalen liefern ein rechnerisches Abbild der hydrogeologischen Verhältnisse und dienen als Grundlage für Wasserversorgung, Bergbaufolgen und Natur. Sie berechnen Grundwasserströmung, Grundwasserstände und Stofftransport und machen so nicht direkt messbare Größen sichtbar.
Ein Grundwassermodell beschreibt die physikalischen Vorgänge eines Grundwasserstroms mathematisch und stützt sich dabei auf Geologie, Grundwasserneubildung und hydraulische Randbedingungen. Aus diesen Daten entstehen Informationen zu Fließrichtungen, zum Grundwasserdargebot einer Region und zu den Auswirkungen geplanter Eingriffe. Als bevölkerungsreichstes Land Deutschlands verbindet NRW dabei eine hohe Nutzungsdichte mit sehr unterschiedlichen hydrogeologischen Regionen.
Grundwassermodelle ersetzen dabei keine Messstellen. Vielmehr ergänzen beide Instrumente einander: Messstellen liefern reale Werte für bestimmte Orte und Zeitpunkte, während Modelle diese Daten zusammen mit weiteren hydrogeologischen Informationen nutzen, um räumliche Zusammenhänge abzubilden und Prognosen für unterschiedliche Szenarien zu erstellen. Messdaten sind zugleich eine wesentliche Grundlage für die Kalibrierung und Überprüfung eines Modells.
Weil kein anderes Thema den Wasserhaushalt in NRW so stark verändert hat, steht das Rheinische Revier am Anfang jeder regionalen Betrachtung.
Das Rheinische Revier prägt das Grundwasser in NRW
Das Rheinische Revier prägt das Grundwasser in NRW durch die großflächige Absenkung für den Braunkohletagebau in Hambach, Garzweiler und Inden. Mit dem Kohleausstieg wird die Sümpfung zurückgefahren, sodass der Grundwasserstand ab etwa 2030 großräumig wieder ansteigt.
Über Jahrzehnte hat die Sümpfung den Grundwasserspiegel weiträumig gesenkt und das Wasser in Vorfluter abgeleitet. Nach dem Tagebauende werden die früheren Grundwasserstände weitgehend wieder erreicht, rund um die künftigen Tagebauseen bleiben sie jedoch niedriger als zuvor. Wo überwiegend Sande und Kiese anstehen, verlaufen die Bodenbewegungen weitgehend umkehrbar, während mächtige Ton- und Kohleschichten den Prozess verlangsamen. Vergleichbare Folgen des Bergbaus bearbeitet AKVO auch in anderen Braunkohlerevieren mit reaktiven Stofftransportmodellen.
Der Grundwasserwiederanstieg im Rheinischen Revier hat weitreichende Folgen
Der Grundwasserwiederanstieg im Rheinischen Revier kann in tief liegenden Siedlungsbereichen zu Vernässungen führen, weshalb die künftigen Grundwasserstände genau prognostiziert werden. Im Projekt Flurabstandsprognose untersuchte das Landesamt für Natur und Umwelt von 2016 bis 2022 die zu erwartenden Verhältnisse.
Die dabei entwickelten Methoden verbinden die Grundwasserneubildung mit Bodenbewegungen und liefern Karten der künftigen Flurabstände. Solche Prognosen zeigen, wo Vernässungen die Nutzung von Flächen einschränken könnten und welche Maßnahmen nötig werden. Genau diese vorausschauende Bewertung ist ohne ein belastbares Grundwassermodell nicht möglich, weshalb der methodische Aufbau eines solchen Modells den Ausschlag gibt.
So entsteht ein Grundwassermodell
Ein Grundwassermodell entsteht aus einer konzeptionellen Modellvorstellung, die schrittweise in ein numerisches Modell überführt wird. Zunächst beschreibt eine qualitative Modellvorstellung die Geologie und die Grundwasserleiter, bevor die numerische Erstellung folgt.
Auf dieser Grundlage berechnet ein numerisches Strömungsmodell die Grundwasserdynamik eines ganzen Gebietes, indem es die Strömungsgleichungen für jedes Element eines Modellnetzes löst. Randbedingungen wie Zu- und Abflüsse, Entnahmen und die Grundwasserneubildung steuern das Ergebnis, das anschließend an Messdaten kalibriert wird. Die AKVO GmbH nutzt für diese Modelle unter anderem FEFLOW und Visual MODFLOW.
Da jedes Modell nur so belastbar ist wie seine Eingangswerte, entscheidet die Datenlage über die Qualität der Ergebnisse.
Daten und Karten bilden die Grundlage
Die Grundlage jedes Grundwassermodells sind Messdaten, Karten und landesweite Datensätze aus Nordrhein-Westfalen. Der Geologische Dienst NRW stellt mit dem Projekt GROWA+ NRW einen flächendeckenden Datensatz zur Grundwasserneubildung bereit.
Für ein tragfähiges Modell tragen Fachleute mehrere Datenquellen zusammen, deren Umfang die Genauigkeit bestimmt:
- Grundwasserstände: Zeitreihen aus dem Messnetz als zentrale Größe für die Kalibrierung
- Grundwasserneubildung: der modellierte Datensatz aus GROWA+ NRW als Randbedingung
- Geologische Daten: Bohrungen und Karten zur Beschreibung des Untergrunds
- Grundwasserqualität: Laborwerte zu Nitrat und weiteren Stoffen
- Nutzungsdaten: Angaben zu Entnahmen aus Wasserversorgung, Industrie und Landwirtschaft
Über das landesweite Wasserinformationssystem ELWAS sind viele dieser Daten öffentlich einsehbar, was Transparenz für Planung und Bewertung schafft. Weil einzelne Messstellen den Grundwasserstand nur punktuell erfassen, verbindet ein Modell diese Werte zu einem flächenhaften Bild künftiger Entwicklungen. Damit ergänzen Grundwassermodelle die Funktionalität des Messnetzes, ohne die kontinuierliche Erfassung realer Grundwasserdaten zu ersetzen.
Grundwassermodelle in NRW werden vielseitig genutzt
Grundwassermodelle in NRW unterstützen die Wasserversorgung, die Bergbausanierung und den Schutz der Ressource Grundwasser. Sie liefern Prognosen zu Grundwasserständen und Fließrichtungen, wo einzelne Messwerte keine belastbare Aussage erlauben.
Die Anwendungsfelder von Grundwassermodellen lassen sich in der Planungspraxis gut clustern:
- Bergbaufolgen: Prognose des Grundwasserwiederanstiegs und der Vernässung im Rheinischen Revier
- Trinkwasser und Schutzzonen: Untersuchung von Einzugsgebieten und Schutz der Wasserversorgung
- Bau und Wasserhaltung: Bewertung von Grundwasserabsenkungen und ihren Auswirkungen auf die Natur
- Landwirtschaft: Betrachtung von Stoffeinträgen und ihrer Ausbreitung im Grundwasser
- Klimavorsorge: Prognosen zu den Entwicklungen von Grundwasserneubildung und Grundwasserstand
Über diese Anwendungen hinaus stützt ein Grundwassermodell die langfristige Bewertung des Grundwasserdargebots, da der Klimawandel die Grundwasserneubildung in vielen Regionen beeinflusst. Die Ergebnisse solcher Modelluntersuchungen können unmittelbar in Genehmigungen und wasserwirtschaftliche Planungen einfließen.
Grundwassermodelle haben Vorteile für Planung und Wasserwirtschaft
Grundwassermodelle führen unterschiedliche Mess- und Fachdaten in einem räumlichen Gesamtbild zusammen. Dadurch lassen sich nicht nur bestehende Grundwasserverhältnisse untersuchen, sondern auch mögliche Entwicklungen und die Auswirkungen geplanter Maßnahmen simulieren.
Zu den wesentlichen Vorteilen gehören:
- Räumliche Bewertung: Punktuelle Daten aus Messstellen lassen sich in einen größeren hydrogeologischen Zusammenhang einordnen.
- Belastbare Prognosen: Grundwasserstände, Fließrichtungen und weitere Entwicklungen können für unterschiedliche Szenarien berechnet werden.
- Vorausschauende Planung: Mögliche Auswirkungen von Entnahmen, Baumaßnahmen oder anderen Eingriffen lassen sich bereits vor der Umsetzung untersuchen.
- Bewertung von Bergbaufolgen: Der langfristige Grundwasserwiederanstieg und mögliche Vernässungsbereiche können modellgestützt betrachtet werden.
- Klimavorsorge: Veränderungen der Grundwasserneubildung können in langfristige Szenarien einbezogen werden.
- Grundwasserschutz: Stofftransportmodelle unterstützen dabei, die Ausbreitung von Belastungen zu untersuchen und Schutzmaßnahmen zu planen.
Damit ergänzen Grundwassermodelle die kontinuierliche Überwachung durch Messstellen und schaffen eine zusätzliche fachliche Grundlage für Entscheidungen in Wasserwirtschaft, Umwelt- und Grundwasserschutz.
AKVO bringt Erfahrung für Grundwassermodelle in NRW mit
Die AKVO GmbH ist als Ingenieurgesellschaft auf numerische Grundwasserströmungs-, Stoff- und Wärmetransportmodelle spezialisiert und arbeitet deutschlandweit. In NRW wurden bereits Grundwasserströmungs- und Stofftransportmodelle im Rahmen von Planungen von Altlastensanierungen und Infrastrukturprojekten der DB Infra Go AG umgesetzt.
Als Fachleute in den Bereichen Geologie, Hydrogeologie und Hydrologie erstellt AKVO numerische Modelle mit FEFLOW und Visual MODFLOW auf Basis geologischer 3D-Modelle. Diese dokumentierten Kompetenzen decken die Fragestellungen ab, die auch in NRW auftreten, von den Bergbaufolgen im Rheinischen Revier über die Grundwasserneubildung bis zu Grundwasserabsenkungen im Bau. Die reaktive Stofftransportmodellierung in Bergbaufolgelandschaften gehört zu den belegten Arbeitsfeldern von AKVO.
AKVO als Partner für Grundwassermodelle in Nordrhein-Westfalen
Wer Grundwassermodelle in Nordrhein-Westfalen als Entscheidungsgrundlage für Wasserversorgung, Bergbausanierung, Bauvorhaben oder Klimavorsorge einsetzen möchte, findet in der AKVO GmbH einen erfahrenen Partner für numerische Grundwasserströmungs-, Stoff- und Wärmetransportmodelle auf Basis geologischer 3D-Modelle.
Ob Grundwasserwiederanstieg, Grundwasserabsenkung, Stofftransport oder langfristige Veränderungen der Grundwasserneubildung: AKVO verbindet hydrogeologische Daten mit numerischer Modellierung und schafft daraus belastbare Grundlagen für konkrete Planungsvorhaben. Wenn Sie ein Projekt in Nordrhein-Westfalen vorbereiten, sprechen Sie AKVO frühzeitig an. Gemeinsam können Modellansatz, Datenbasis und relevante Szenarien auf die Anforderungen Ihres Untersuchungsgebietes abgestimmt werden.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Wofür werden Grundwassermodelle in Nordrhein-Westfalen eingesetzt?
Grundwassermodelle kommen unter anderem in der Wasserversorgung, bei Bergbaufolgen, bei Bau- und Wasserhaltungsmaßnahmen, in der Landwirtschaft sowie im Grundwasserschutz zum Einsatz. Sie ermöglichen es, Grundwasserstände, Fließrichtungen und mögliche zukünftige Entwicklungen räumlich zu untersuchen.
Ersetzen Grundwassermodelle die Messstellen?
Nein. Grundwassermodelle und Messstellen erfüllen unterschiedliche, sich ergänzende Funktionen. Messstellen liefern reale Grundwasserdaten an bestimmten Orten und zu bestimmten Zeiten. Modelle nutzen solche Messwerte zusammen mit weiteren Daten, um räumliche Zusammenhänge darzustellen und Szenarien zu berechnen. Messdaten werden außerdem zur Kalibrierung und Überprüfung der Modelle benötigt.
Warum ist der Grundwasserwiederanstieg im Rheinischen Revier wichtig?
Für den Braunkohletagebau wurde der Grundwasserspiegel über Jahrzehnte großflächig abgesenkt. Mit dem Ende der Sümpfung steigt das Grundwasser langfristig wieder an. Grundwassermodelle helfen dabei, die Entwicklung der Grundwasserstände und mögliche Folgen wie Vernässungen frühzeitig abzuschätzen.
Welche Daten benötigt ein Grundwassermodell?
Zu den wichtigen Eingangsdaten gehören Grundwasserstände aus Messstellen, Angaben zur Grundwasserneubildung, geologische Daten und Bohrungen, Informationen zur Grundwasserqualität sowie Daten über Grundwasserentnahmen. Aus diesen Informationen entsteht eine Modellvorstellung, die anschließend in ein numerisches Modell übertragen und anhand realer Messwerte kalibriert wird.