Der prognostizierte Klimawandel ist derzeit in aller Munde. Große Anstrengungen sollen unternommen werden, um die Auswirkungen zu minimieren. Doch erste Klimaveränderungen werden bereits registriert. Die Jahresdurchschnittstemperaturen erreichen immer häufiger Rekordwerte, und auch das aktuelle Frühjahr ist wieder sehr trocken gewesen. Kann man vorhersehen, welche Auswirkungen dies auf unser Grundwasser hat?
Deutschland wird bereits heute in verschiedenen Studien fast komplett als Trockenstressgebiet ausgewiesen. Bei befürchteter globaler Erwärmung um 3 K kommen noch einmal 2 Mio. ha im Westen und Süden des Landes hinzu. Eine Folge der klimatischen Änderungen wäre eine veränderte Niederschlagsverteilung in Raum und Zeit.
Nicht so eindeutig hingegen sind die Auswirkungen auf die Grundwasserneubildung. Verschiedene Einflussfaktoren können sich gegenseitig verstärken oder abschwächen. Kurzfristige hohe Niederschlagsraten erhöhen vor allem den oberirdischen Abfluss, da die Feldkapazität in den oberflächennahen Schichten bereits überschritten ist, während kurz darunter der Porenraum vor allem nach Trockenperioden mit Luft erfüllt ist. Höhere Temperaturen haben eine erhöhte Evapotranspiration zur Folge. Dies gilt vor allem für vegetationsreiche Zeiten mit sommerlichen Temperaturen. Höhere Temperaturen im Winterhalbjahr führen zudem zu einer verlängerten Vegetationsperiode mit entsprechender Grundwasserzehrung durch die Pflanzen.
Prognosemodell zur Grundwasserbildung
Es gibt daher aktuell zahlreiche Ansätze zur Prognose der Grundwasserneubildung beziehungsweise der Grundwasserstände in Abhängigkeit vom Klimawandel. Ein Ansatz sind hier Modellberechnungen, die prognostizierte Klimavariationen berücksichtigen. Ein anderer Ansatz wurde vom Karlsruher Institut für Technologie und der Bundesanstalt für Geowissenschaften gewählt. Hier wurden zahlreiche Messwerte des Grundwasserstands aus der Vergangenheit mit den entsprechenden historischen Wetterdaten verglichen. Die festgestellten Reaktionen des Grundwasserstands auf die Witterungsbedingungen wurden im Anschluss auf die prognostizierten Klimadaten angewendet. Daraus ergeben sich dann die prognostizierten Grundwasserstände bis zum Ende des Jahrhunderts für die ausgewählten Messstellen.
Beide Methoden zeigen fast flächendeckend, dass die Grundwasserneubildung beziehungsweise die Grundwasserstände im Sommer in der Zukunft geringer sein werden. Im Winter ist das Bild differenzierter: Während in einigen Bereichen auch hier weniger Grundwasser neu gebildet wird als in der Gegenwart, erfolgt in anderen Bereichen eine erhöhte Grundwasserneubildung. Teilweise kann diese sogar das Sommerdefizit überkompensieren. Wie so oft, kommt es also auf den Standort an. Für beide Studien gilt jedoch, dass sie sich auf die natürlichen Auswirkungen des Klimawandels auf das Grundwasser beschränken. So ist eine verstärkte sommerliche Nutzung des Grundwassers für industrielle, häusliche und landwirtschaftliche Zwecke in den Prognosen nicht berücksichtigt.
Wie hoch ist die Verdunstung?
In der Landwirtschaft von Bedeutung sind vor allem die zu erwartenden höheren Durchschnittstemperaturen. Diese gehen in der Vegetationsperiode mit höherer Verdunstung einher. So wird sowohl die Beregnungsintensität als auch der Bereich in dem beregnet wird, zukünftig steigen. Dieser schon zu beobachtende Trend führt bis ins Jahr 2050 voraussichtlich zu mehr als einer Verdopplung der Bedarfsmenge für die Feldberegnung.
Der zumindest in einigen Regionen geringeren Verfügbarkeit von Grundwasser steht somit zweifellos ein erhöhter Bedarf im Sommerhalbjahr gegenüber. In anderen Regionen hingegen gilt es, das verstärkt im Winterhalbjahr neu gebildete Grundwasser für den steigenden Bedarf im Sommer zu speichern. Zugleich dürfen durch Grundwasseranreicherungen keine Beeinträchtigungen für die Infrastruktur oder Bewirtschaftung von Feldern und Weiden erfolgen.
Wassermanagement wird anspruchsvoller
Die Ansprüche an das Wassermanagement, um auch zukünftig möglichst alle Bedarfe decken zu können, werden also steigen. In vielen Bundesländern wird daher aktuell daran gearbeitet, ein zukunftsfähiges Konzept zur Wasserversorgung zu erstellen. Hierbei werden aktuelle und zukünftige Bedarfe und Dargebote möglichst regional differenziert gegenübergestellt, um erst einmal festzustellen, wie viel es überhaupt zu verteilen gibt. Aber nicht nur die vorhandene Menge ist entscheidend, auch die Qualität muss stimmen. In einigen Bereichen wird das eigentlich vorhandene Dargebot durch die unzureichende Wasserqualität begrenzt.
An der Küste ist hierbei die Grundwasserversalzung zu beachten, aber auch im Binnenland ist an einigen Stellen aufsteigendes Salzwasser über den Salzstöcken festzustellen. Wird in diesen Bereichen darüber liegendes Süßwasser entnommen, kann es durch die Druckentlastung schnell zu einer vollständigen Versalzung der Grundwasserleiter kommen. Ein in einem trockenen Sommer durch hohe Entnahmen versehentlich versalzener Grundwasserleiter benötigt dann lange Zeit, bis er wieder nutzbares Süßwasser führt. Hier sind bei den Entnahmen daher unbedingt Mindestwasserstände einzuhalten, die sicherstellen, dass unterliegendes Salzwasser nicht zu stark aufsteigt.
Wo besteht Handlungsbedarf?
Ein Handlungsbedarf ergibt sich in Bereichen, wo das Dargebot zukünftig an seine Grenzen stoßen könnte. Die Einführung von sparsamen Bewässerungsmethoden oder auch die Nutzung von alternativen Wasserquellen, wie zum Beispiel die Nutzung von gereinigtem Abwasser aus der Industrie oder kommunalen Klärwerken, können hier Lösungen darstellen.
Auch eine angepasste Wahl der Bewirtschaftung, wie zum Beispiel der Umbau von Nadel- zu Laubwald, kann durch die verringerte Verdunstung zu steigenden Grundwasserneubildungen führen. In den trockenen Bereichen Europas wird heute schon eine künstliche Grundwasseranreicherung durch die künstliche Infiltration von Wasser in die Grundwasserleiter durchgeführt. Niederschlagswasser aus dem Winterhalbjahr kann über Becken, Gräben und auch Brunnen im Untergrund gespeichert und bei Bedarf im Sommer dann wieder gefördert werden. Beim Neubau von Brunnen sollte eine mögliche zukünftige Nutzung zur Infiltration von Wasser in den Untergrund gleich mitbedacht werden.
Bei der Dimensionierung des Brunnens sind neben den benötigten Fördermengen auch etwaige Infiltrationsmengen zu berücksichtigen. Das Ziel hierbei ist ein möglichst geringer hydraulischer Widerstand des Brunnens. Dies garantiert einen nicht zu großen Aufstau, und eine freie Infiltration durch einen Überstau ohne zusätzlichen Energieaufwand wird möglich. Bei der Brunnendimensionierung sind vor allem die Filterlänge und der Brunnendurchmesser von entscheidender Bedeutung. Lange Filterstrecken, die sich über die gesamte Mächtigkeit des Grundwasserleiters erstrecken, erlauben zugleich einen gleichmäßigen und stufenweisen Austritt des Wassers zum Brunnen.
Auch der Brunnendurchmesser ist den Infiltrationsmengen anzupassen. Beim Einsatz von Tauchpumpen ist allerdings darauf zu achten, dass diese gekühlt werden müssen. Die Kühlung geschieht zumeist über das umströmende Grundwasser im Brunnenrohr. Ist dieser also zu groß, wird die Kühlung der Pumpe nicht mehr gewährleistet. Eine mögliche Lösung ist hier ein an die Pumpe angepasster Rohrdurchmesser mit einem größeren Ringraum, der mit einer Kiesschüttung hinterfüllt wird.
Die Kiesschüttung ist auf die Kornverteilung im Grundwasserleiter anzupassen. Das Filterkorn sollte maximal viermal so groß sein wie das abzuhaltende Korn, aber groß genug, um nicht selber durch die Filterschlitze des Brunnenrohres zu passen. Liegt im Grundwasserleiter ein sehr feines Korn vor, ist daher eine abgestufte Schüttung sinnvoll. Im äußeren Bereich des Ringraums wird eine feinere Kiesschüttung zum Abtrennen des Feinkorns eingesetzt, während im inneren Ringraum eine gröbere Kiesschüttung einen geringen hydraulischen Widerstand und damit geringe Aufstauhöhen beziehungsweise Absenkungen gewährleistet. Die geringeren Absenkungen bei der Grundwasserförderung reduzieren zugleich den Energiebedarf der Pumpe.
