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Landesamt für
Natur und Umwelt
des Landes
Schleswig-Holstein
Zur Abschätzung der Grundwasserneubildungsrate
für wasserwirtschaftliche Planungsräume
Erläutert am Beispiel des Raumes
Südost-Holstein (östlich von Hamburg)
von
Dr. Roland Otto
Flintbek, im Dezember 1997
i
Inhaltsverzeichnis
Seite
1.
Einführung
1
1.1
Aufgabenstellung und Ziele
2
1.2
Lage des Untersuchungsraumes
3
1.3
Geologischer, geomorphologischer und hydrologischer Überblick
5
2.
Untersuchungsmethodik und Abgrenzung zu anderen
Berechnungsverfahren
8
2.1
Diskretisierung der Untersuchungsgebiete
17
2.2
Datengrundlage und Bilanzzeitraum
18
2.3
Einsatz eines 3-D-Tabellenkalkulationsprogrammes zur flächendifferenzierten Berechnung der Grundwasserneubildung
20
3.
Das Grundwasserneubildungsmodell Großhansdorf
23
3.1
Berechnung des Wasserüberschusses auf Grundlage thematischer
und topographischer Karten
25
3.1.1
Schichtenfolge und Flächennutzung
25
3.1.2
Verdunstung von offenen Wasserflächen
28
3.1.3
Abgrenzung von Flächen mit geringem Grundwasserflurabstand und
deren Einfluss auf die Gebietswasserbilanz
29
3.1.4
Die Auswirkung von Oberflächenversiegelung auf die
Grundwasserneubildung
31
3.1.5
Ermittlung des langjährigen Gebietsniederschlages
32
3.1.6
Berechnung des Wasserüberschusses
35
3.2
Ermittlung und Regionalisierung des mittleren langjährigen
Oberflächenabflusses
40
3.2.1
Hydrologie der Oberflächengewässer im Modellteilgebiet Großhansdorf
mit Analyse des Abflusses bei Trockenwetter
40
3.2.2
Analyse des Abflusses nach MAILLET
44
3.2.3
Der langjährige Abflussgang an den Pegeln Bünningstedt
und 1100.4 (Ortsumgehung Ahrensburg)
51
3.2.3.1 Ermittlung der Wasserstands-/Abflussfunktion
52
3.2.3.2 Korrektur der Abflussdaten mit Hilfe einer Verkrautungsfunktion
57
3.2.3.3 Ergänzung lückenhafter Abflusszeitreihen mittels linearer Regression
59
3.2.4
Auftrennung des Gesamtabflusses in einen oberirdischen und
einen grundwasserbürtigen Anteil (Ao/Au)
61
ii
Seite
3.2.5
Regionalisierung des oberirdischen Abflusses unter Berücksichtigung der Geländeformen und des Versiegelungsgrades
62
3.3
Grundwasserneubildung und Gebietswasserbilanz
68
3.3.1
Abschätzung der Grundwasserneubildungsrate als Differenz zwischen
Wasserüberschuss und oberirdischem Abfluss
68
3.3.2
Umverteilung der Grundwasserneubildung durch lateralen Grundwasserabstrom innerhalb der Deckschichten des Hauptgrundwasserleiters
70
3.3.3
Langjährige Grundwasserentnahmen im Modellteilgebiet Großhansdorf
74
3.3.4
Systemeigenschaften und Wasserbilanz des Modellteilgebietes
Großhansdorf
76
4.
Grundwasserneubildungsmodell für das gesamte Untersuchungsgebiet "Südost-Holstein"
78
4.1
Berechnung des Wasserüberschusses auf Grundlage
thematischer und topographischer Karten
80
4.2
Ermittlung und Regionalisierung des mittleren langjährigen
Oberflächenabflusses
88
4.2.1
Hydrologie der Oberflächengewässer im Gesamtgebiet
Südost-Holstein
91
4.2.2
Auftrennung des Gesamtabflusses in einen oberirdischen und einen
grundwasserbürtigen Anteil (Ao/Au) unter Berücksichtigung des Deckschichtaufbaus
94
4.3
Abschätzung der Grundwasserneubildungsrate für das Gesamtgebiet
Südost-Holstein
98
4.3.1
Ermittlung der Grundwasserneubildung in Anlehnung an das
Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH (Variante 0)
98
4.3.2
Abschätzung der Grundwasserneubildungsrate unter Berücksichtigung
des Deckschichtaufbaus (Modellvarianten A - C)
100
4.4
Grundwasserentnahmen im Gesamtgebiet Südost-Holstein
und ihre regionale Verteilung
103
4.5
Gegenüberstellung von Grundwasserneubildungsraten und Grundwasserentnahmen einschließlich Gebietswasserbilanz
106
5
Ausblick
111
6.
Zusammenfassung
113
7.
Schriftenverzeichnis
116
8.
Verzeichnis der Tabellen, Abbildungen und Anlagen
129
- Anlagen im gesonderten Anlagenband -
1
1. Einführung
Zu den durch das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) den Ländern übertragenen Aufgaben gehört die wasserwirtschaftliche Rahmenplanung. Diese soll die für die Entwicklung der Lebens- und Wirtschaftsverhältnisse notwendigen wasserwirtschaftlichen Voraussetzungen
sichern. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass sie gleichzeitig alle gesamtwasserwirtschaftlich relevanten Fragen in einem Planungsraum betrachtet und somit die Grundlage für eine
langfristige wasserwirtschaftliche Ordnung bildet. Dieses bedeutet, dass die zu erwartenden
Anforderungen an den Wasserhaushalt abgeschätzt und die durch unterschiedliche Nutzungsinteressen möglicherweise entstehenden Konflikte gelöst werden können.
Einen wichtigen Bestandteil der wasserwirtschaftlichen Rahmenplanung stellen Grundwasserbewirtschaftungspläne dar. Sie dienen dem Schutz des Grundwassers als Bestandteil
des Naturhaushaltes, der Schonung der Grundwasservorräte und sollen zudem den Nutzungserfordernissen Rechnung tragen. Eine der wesentlichen Ausgangsgrößen für diese
Planungen ist das natürliche Grundwasserdargebot, welches im Rahmen von Erkundungsprogrammen ermittelt wird. Umfangreiche Untersuchungen zum Wasserhaushalt und zur
Grundwasserbeschaffenheit sowie der Einsatz numerischer Grundwassermodellierung machen es möglich, die Auswirkungen tatsächlicher und angenommener Grundwasserentnahmen für einen Untersuchungsraum offenzulegen. Die Erkundungsprogramme liefern damit
die naturwissenschaftliche Grundlage für die Bewirtschaftungsplanung.
Die Frage, in welchem Umfang das so ermittelte Grundwasserdargebot der Nutzung zur
Verfügung steht, kann jedoch unmittelbar nicht beantwortet werden. Jede Grundwassernutzung stellt einen Eingriff in den Wasserhaushalt dar, welcher zwangsläufig zu wie auch immer gearteten Veränderungen des Naturzustandes führt. Die Entscheidung, inwieweit diese
Veränderungen ökologisch und ökonomisch tolerierbar sind, fällt nicht in die Zuständigkeit
der Naturwissenschaften, sondern muss in Abgleich der Interessen aller Beteiligten basierend auf den gewonnenen naturwissenschaftlichen Erkenntnissen und gesetzlichen Regelungen getroffen werden.
In Schleswig-Holstein ist seit Jahren ein leichter Anstieg des Wasserverbrauchs zu verzeichnen. Dieses ist auf den Bevölkerungszuwachs und die sich ändernden Lebensgewohnheiten zurückzuführen. Im Untersuchungsgebiet, das im Wesentlichen die Kreise Herzogtum
Lauenburg und Stormarn umfasst, betrug die Rohwasserförderung im Jahre 1975 etwa
33,6 Mio. m³, im Jahre 1991 39,9 Mio. m³. Dieses entspricht einer Zunahme von 6,3 Mio. m³,
wobei die Freie und Hansestadt Hamburg einen Teil ihres Wasserbedarfs aus dem Untersuchungsraum deckt. Im gleichen Zeitraum waren vermehrt Nutzungseinschränkungen aus
hydrochemischer Sicht wie ein örtlicher Anstieg der Nitrat- und Pflanzenschutzmittelgehalte
im oberflächennahen sowie Grundwasserversalzung im tiefen Grundwasser zu verzeichnen.
Da dem zunehmenden Wasserbedarf nur ein begrenztes Grundwasserdargebot gegenübersteht, wurden mehrere Grundwasseruntersuchungsprogramme initiiert, die zum Ziel haben,
2
zunächst einmal im Nachbarraum zu Hamburg das nutzbare Grundwasserdargebot im Hinblick auf die Grundwasserbewirtschaftungsplanung zu ermitteln. Die Größe dieses Dargebotes ist von einer Vielzahl von Faktoren wie der Grundwasserneubildung, Grundwasserzuund abströme über Ränder des Untersuchungsraumes, Grundwasserabfluss in die Vorfluter
sowie von bestehenden Grundwasserentnahmen abhängig. Die in diesem Bericht vorgestellten Untersuchungsergebnisse sind Bestandteil des Untersuchungsprogramms zur Ermittlung
des nutzbaren Grundwasserdargebotes im östlichen Nachbarraum zu Hamburg, SüdostHolstein (Untersuchungsprogramm Südost-Holstein i.w.).
1.1 Aufgabenstellung und Ziele
Das Grundwasseruntersuchungsprogramm Südost-Holstein hat zum Ziel, gesicherte Erkenntnisse über die Größe und Verteilung des Grundwasserdargebotes zu erhalten, Grundwasserneubildungs- und -ergänzungsprozesse zu erfassen und die örtlich differenzierte
Grundwasserneubildungsrate zu ermitteln. Darüber hinaus sollte mit Hilfe eines numerischen
Grundwassermodells die Auswirkung von bestehenden und zukünftigen Grundwasserentnahmen auf den Grund- und Gesamtwasserhaushalt abgeschätzt werden. Diese Wasserhaushaltsuntersuchungen werden die Grundlage für die langfristige wasserwirtschaftliche
Planung liefern und darüber hinaus Hilfestellung geben für Entscheidungen im Rahmen
wasserrechtlicher Verfahren (Benutzungen des Grundwassers, Festsetzungen von Trinkwasserschutzgebieten).
Eine wichtige Ausgangsgröße für die Quantifizierung des Wasserhaushalts eines Gebietes
ist die Grundwasserneubildung in ihrer örtlichen Verteilung. Zu ihrer Ermittlung galt es, ein
Verfahren zu finden, welches eine flächendifferenzierte Berechnung für größere Gebiete mit
vertretbarem Arbeitsaufwand zulässt. Geeignet erschien der Ansatz von JOSOPAIT &
LILLICH (1975) in der Weiterentwicklung von OTTO (1992), nach welchem für bestimmte
Boden- und Nutzungsarten zunächst der Wasserüberschuss des Untersuchungsraumes
bestimmt wird. Dieser Wasserüberschuss ist derjenige Anteil des Niederschlages, der weder
oberirdisch abfließt noch verdunstet. Da die Grundwasserneubildungsrate die Differenz zwischen Wasserüberschuss und oberirdischem Abfluss ist, war in einem weiteren Schritt die
örtliche Verteilung des oberirdischen Abflusses zu ermitteln. Da die an den Gewässerpegeln
erhobenen Abflussdaten als mittlere Tagesabflüsse (MQ-Werte) vorliegen und nur für die
Gesamtheit eines Einzugsgebietes gelten, musste eine Lösung gefunden werden, diesen
Abfluss zunächst in einen unterirdischen und einen oberirdischen Anteil aufzutrennen und
danach zu regionalisieren. Letzteres wurde in Anlehnung an JOSOPAIT & LILLICH (1975)
realisiert, die den oberirdischen Abfluss eines Einzugsgebietes nach der Geländemorphologie differenzieren. Hierzu war es auch erforderlich, unvollständige Abflusszeitreihen mittels
Regressionsrechnungen zu extrapolieren.
3
Vor allem im Bereich größerer Ortschaften (Ahrensburg, Bargteheide, Schwarzenbek,
Geesthacht u.a.) weist das Untersuchungsgebiet einen mitunter hohen Grad an Oberflächenversiegelung auf. Dieses führt zu einer Abminderung des Wasserüberschusses und
damit auch der Grundwasserneubildung, da ein Teil des Niederschlags unmittelbar als oberirdischer Abfluss aus dem System herausgeführt wird.
Alle dem Berechnungsgang zugrunde liegenden Daten wie auch die resultierende Grundwasserneubildungsrate verstehen sich als langjährige Mittelwerte (Untersuchungszeitraum:
12 Jahre). Es wird also von quasistationären Verhältnissen ausgegangen, d.h. temporäre
Vorratsänderungen im Grundwasserleiter bleiben unberücksichtigt (stationäre Verhältnisse).
Auf Grund der Gebietsgröße wurde auf engräumige Detailuntersuchungen verzichtet, da
sich punktuell ermittelte Grundwasserneubildungswerte infolge der in der Fläche sehr heterogenen Verteilung der Ausgangsdaten nur mit großer Fehlerbandbreite regionalisieren lassen. Da in bezug auf die Grundwasserneubildung langjährige Mittelwerte gefordert waren,
erschien auch die Durchführung kurzzeitiger Feldversuche als nicht sinnvoll. Ferner musste
das Verfahren der bestehenden, mitunter sehr lückenhaften Datenbasis Rechnung tragen.
Daraus resultierte die Maßgabe, den Berechnungsgang so zu gestalten, dass sich alle Ergebnisse bei einem erweiterten Kenntnisstand ohne großen Aufwand aktualisieren lassen.
1.2 Lage des Untersuchungsgebietes
Der wasserwirtschaftliche Planungsraum Südost-Holstein liegt östlich von Hamburg im Gebiet der Kreise Herzogtum Lauenburg und Stormarn (Abb. 1.1). Für das gestrichelt umgrenzte Gebiet wurde ein hydrogeologisches Erkundungsprogramm durchgeführt (AGSTER
1996). Seine Umrandung orientiert sich im Süden am Verlauf der Elbe, im Westen und Osten an den Landesgrenzen zu Hamburg und Mecklenburg-Vorpommern sowie im Norden an
der Trave. Es umfasst eine Fläche von insgesamt 1445 km². Die dicke, ausgezogene Linie
grenzt den Teil des Untersuchungsgebietes ab, für den ein grobdiskretisiertes numerisches
Grundwassermodell ausgearbeitet wurde (HOFFMANN 1996a,b). Das Modell soll dafür eingesetzt werden, den großräumigen Wasserkreislauf flächendifferenziert zu quantifizieren
sowie potentielle Grundwassergewinnungsgebiete auszuweisen. Seine Größe beträgt 1200
km². Für ein kleineres Teilgebiet wurden mit Hilfe eines feindiskretisierten Grundwassermodells die Grundwasserströmungsverhältnisse nachgebildet. Dieses Modellteilgebiet Großhansdorf ist in Abb. 1.1 im Nordwesten als Quadrat dargestellt. Es liegt im Bereich der Ortschaften Ahrensburg, Großhansdorf und Bargteheide und ist ca. 110 km² groß (vgl. auch
Abb. 1.2). Für letzteres Gebiet sowie für das Gesamtgebietsmodell wurden die Grundwasserneubildungsberechnungen nach dem o.a. Verfahren, jedoch mit unterschiedlicher Auflösung, durchgeführt. Während im Gesamtgebiet die Rasterelementgröße bei 16 km² lag, betrug sie im Modellteilgebiet Großhansdorf 0,25 km².
4
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Geesthacht
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Freie und Hansestadt
Hamburg
MecklenburgVorpommern
Niedersachsen
0
5
10km
Lauenburg
Abb. 1.1: Karte des Untersuchungsraumes mit Lage der Untersuchungsgebiete für
die Grundwasserneubildungsberechnungen. Das gestrichelt umgrenzte Gebiet wurde
hydrogeologisch erkundet. Die Modellgebiete sind geradlinig abgegrenzt.
Das Gesamtuntersuchungsgebiet umfasst, ganz oder teilweise, folgende Blätter der topographischen Karte 1:25.000 (siehe nächste Seite):
5
2226
2326
2426
Wakendorf
Fuhlsbüttel
Wandsbek
2227
2327
2427
2527
Bargteheide
Ahrensburg
Glinde
Bergedorf
2228
2328
2428
2528
2628
Eichede
Trittau
Schwarzenbek
Geesthacht
Artlenburg
2229
2329
2429
2529
2629
Krummesse
Nusse
Siebeneichen
Büchen
Lauenburg
Das Modellteilgebiet Großhansdorf (Abb. 1.2) liegt im Bereich der Blätter Bargteheide
(2227), Eichede (2228), Ahrensburg (2327) und Trittau (2328).
Abb. 1.2:
Lageplan des Modellteilgebietes Großhansdorf nordöstlich von Hamburg.
1.3 Geologischer, geomorphologischer und hydrologischer Überblick
Die Landschaft Schleswig-Holsteins wird in entscheidender Weise durch die Ablagerungen
der pleistozänen Vereisungen geprägt. Die glazialen Gesteinsserien erreichen in elstereiszeitlichen Rinnen nicht selten Mächtigkeiten von über 400 m. Wie SCHMIDTKE (1992: S. 8)
anschaulich zeigt, liegt die Quartärbasis im Normalfall unter dem heutigen Meeresspiegelniveau. Denkt man sich die eiszeitlichen Sedimente weg, wäre Schleswig-Holstein heute bis
auf wenige Inseln aus voreiszeitlichem Untergrund von einer vereinigten Nord- und Ostsee
überflutet. Ablagerungen der Weichseleiszeit finden sich vor allem im nördlichen und östli-
6
chen Schleswig-Holstein östlich der Linie Flensburg - Schleswig - Rendsburg - Neumünster Bad Segeberg - östlicher Stadtrand von Hamburg - nördlich Schwarzenbek und Büchen. Es
handelt sich vorwiegend um junge Grund- und Endmoränen, die der Landschaft, auch in
weiten Teilen des Untersuchungsgebietes, einen kuppigen Habitus verleihen (Abb. 1.3).
Westlich davon, in Richtung Westküste und Unterelbe, schließen sich ausgedehnte Sanderflächen an. Grund- und Endmoränenablagerungen der Saaleeiszeit finden sich vor allem an
der Westküste sowie im südwestlichen und südöstlichen Schleswig-Holstein (vgl. GRIPP
1949, 1964).
Der für wasserwirtschaftliche Fragestellungen relevante, tiefere Untergrund wird vornehmlich
durch Schichten miozänen Alters aufgebaut. Es sind dies die Unteren und Oberen Braunkohlensande, die in weiten Teilen des Untersuchungsgebietes durch den Hamburger Ton
getrennt und den oberen Glimmerton abgedeckt sind. Die Grundwasserregeneration in diesen Grundwasserleitern findet an Salzstockrändern oder über die o.a. elstereiszeitlichen
Rinnenstrukturen statt. Im Süden des Untersuchungsgebietes finden sich die Salzstrukturen
Juliusburg und Hohenhorn, im Zentrum die Struktur Witzhave-Siek, im Nordost die Struktur
Nusse-Eckhorst und im Nordwesten die Sülfelder Salzstruktur. Die wichtigsten elstereiszeitlichen Rinnensysteme sind die Lauenburger, die Geesthachter und die Trittauer Rinne im
südlichen sowie die Todendorfer und Bargteheider Rinne im mittleren und nördlichen Teil
des Gebietes. Eine umfassende Beschreibung der geologischen Schichtenfolge im Untersuchungsraum Südost-Holstein mit Angaben zu ihrer Lithologie, Genese und Verbreitung findet sich bei AGSTER (1996).
Das Untersuchungsgebiet verfügt über ein dichtes Gewässernetz, welches während der letzten Eiszeiten, vor allem im ausgehenden Weichselspätglazial, angelegt wurde. Die meisten
Vorfluter weisen weite Täler auf, die in ihrer Form durch die Schmelzwassermassen des
abtauenden, weichseleiszeitlichen Gletschers entstanden sind. Das dominierende, geomorphologische Element ist das Urstromtal der Elbe, welches den Untersuchungsraum im Süden begrenzt. Die Elbe selbst ist der Hauptvorfluter des Untersuchungsgebietes, in den die
meisten Oberflächengewässer entwässern. Im Osten wird das Untersuchungsgebiet durch
das Stecknitztal und den Elbe-Lübeck-Kanal begrenzt. Im Norden entwässert der Untersuchungsraum über die Beste und Trave in die Ostsee, während die Gewässer am Westrand
in die Alster münden, oder aber über die Wandse ebenfalls in die Elbe. Einer der größten
Vorfluter des Untersuchungsgebietes ist die Bille, deren Einzugsgebiet mit 335 km² etwa ein
Drittel des Untersuchungsraumes umfasst. Die Elbeniederung sowie das Stecknitz-, Alsterund Bestetal stellen in bezug auf die grundwasserhydraulischen Verhältnisse Druckentlastungszonen dar. Dieses führt dazu, dass diese Gebiete auch aus den pleistozänen und tertiären Grundwasserleitern angeströmt werden.
7
Abb. 1.3:
Verbreitung der weichseleiszeitlichen Moränen im östlichen Schleswig-Holstein
nach GRIPP 1949 (vgl. auch WOLDSTEDT & DUPHORN 1974). In der Legende
bedeuten: A 1-7 = Ältere, M = Mittlere, J = Jüngere Endmoränen, N = NunatakMoränen.
8
2. Untersuchungsmethodik und Abgrenzung zu anderen Berechnungsverfahren
Zur Ermittlung der Grundwasserneubildungsrate eines Gebietes wurden eine Vielzahl von
Verfahren entwickelt, denen je nach Fragestellung, Klimabereich, Gebietsgröße, Bilanzzeitraum und geologisch/hydrologischen Gegebenheiten die unterschiedlichsten Ansätze zugrunde liegen (vgl. ARBEITSKREIS GRUNDWASSERNEUBILDUNG DER FACHSEKTION
HYDROGEOLOGIE DER DEUTSCHEN GEOLOGISCHEN GESELLSCHAFT 1977;
SIMMERS 1988). In der DIN 4049-3 ist Grundwasserneubildung definiert als Zugang von
infiltriertem Wasser zum Grundwasser, d.h. die Grundwasserneubildung ist die Wassermenge, welche aus dem Sickerraum über den Kapillarraum an der Grundwasseroberfläche in
den Grundwasserraum übertritt. Zu ihrer messtechnischen Erfassung eignen sich am ehesten Lysimeter, also bauliche Anlagen, in denen der Sickerwasseranteil zur Aufstellung von
Mengen- oder Stoffbilanzen aufgefangen wird. Nach anderen Verfahren wird die Grundwasserneubildung auf indirektem Wege ermittelt. Sie ergibt sich z.B. aus der Wasserhaushaltsgleichung, wenn Niederschlag, Verdunstung und Oberflächenabfluss bekannt sind. Auch ist
versucht worden, die Grundwasserneubildungsrate eines Gewässereinzugsgebietes über
eine Analyse von an Oberflächengewässerpegeln aufgezeichneten Abflussganglinien zu
bestimmen. BRÜHL, BÜTOW & PRELLER (1977) schätzen die Grundwasserneubildungsrate mit Hilfe mathematischer Analysen von Grundwasserstandsganglinien ab (vgl. auch
BURRE 1960; BÜTOW 1975, 1976; EINSELE 1975; JOHANSSON 1987; PRELLER 1978).
Seit einigen Jahren sind auch mathematische Modelle zur Simulation des Bodenwasserhaushalts gebräuchlich, welche auf klimatologischen, bodenphysikalischen und Bodennutzungsdaten aufbauen. Mit ihnen läßt sich der zeitliche Verlauf der Evapotranspiration in Abhängigkeit vom Bewuchs, der kapillare Aufstieg aus dem Grundwasser in die ungesättigte
Zone sowie die Durchsickerung derselben nachbilden. Hinweise auf die Grundwasserneubildungsrate ergeben sich auch aus der hydrochemischen Zusammensetzung von Grund- und
Niederschlagswasser (vgl. JOHANSSON 1988: 250 ff.). SCHULZ (1972, 1973) errechnet
z.B. die Grundwasserneubildungsrate für ein Untersuchungsgebiet in Schleswig-Holstein
aus dem Verhältnis der Chloridgehalte von Niederschlags- und Grundwasser. THORNBURN
et al. (1991) versuchen die Grundwasserneubildung semi-arider Gebiete aus der Chloridverteilung im Porenwasser der Böden abzuleiten. Eine anschauliche Zusammenstellung der
o.a. und weiterer Methoden findet sich bei ALLISON (1988), JOHANSSON (1987, 1988)
sowie BRÜHL & STOLL (1993).
WEGEHEKEL (1995) beschreibt einige der derzeit gebräuchlichen Wasserhaushaltsmodelle
und weist explizite darauf hin, dass sich deren Einsatzmöglichkeit nach der zu lösenden
Fragestellung unter Berücksichtigung der Datenlage richtet. Er zeigt darüber hinaus auf,
dass auch bei einfachen Modellansätzen ein sehr differenzierter Datenbestand erforderlich
ist, ohne den sich die Modelle weder belegen noch kalibrieren lassen (vgl. auch
GROSSMANN 1996). Dieses sind neben detaillierten Witterungsdaten auch die bodenphysikalischen Systemeigenschaften wie z.B. die Kornverteilung, das Porenvolumen, die Feldkapazität, Lagerungsdichte, Bodenfeuchte u.v.m. Da die Verdunstung von Landflächen beson-
9
ders abhängig ist von der Art des Bewuchses und der Pflanzenentwicklung, müssen auch
detaillierte Flächennutzungsdaten vorliegen.
SCHROEDER & HAMELS (1987) verglichen die Ergebnisse zweier unterschiedlicher Bodenwasserhaushaltsmodelle mit Messwerten aus der Lysimeteranlage Senne. Zur Berechnung der Grundwasserneubildungsrate verwendeten sie einerseits ein Speichermodell, welches die Sickerwasserrate aus dem zeitlichen Verlauf von Niederschlag und Verdunstung
(Tagesmittelwerte) unter Berücksichtigung der Feldkapazität und des permanenten Welkepunktes errechnet, andererseits ein physikalisch-deterministisches Modell, das auf dem
DARCY-Gesetz unter Beachtung des Kontinuitätsprinzips basiert. Sie kommen zu dem
Schluss, dass die mit beiden Modellansätzen berechneten jährlichen Sickerwassermengen
mit den gemessenen gut übereinstimmen. Allerdings läßt sich der zeitliche Verlauf der Versickerung in ausreichender Genauigkeit nur mit dem physikalisch-deterministischen Modell
nachbilden (vgl. auch SCHROEDER & BRAUN 1976; KOITZSCH et al. 1980).
WESSOLEK et. al (1985) sowie RENGER et al. (1986) setzten für ihre Evapotranspirationsund Grundwasserneubildungsuntersuchungen im Fuhrberger Feld nördlich Hannover ebenfalls ein physikalisch-deterministisches Bodenwasserhaushaltsmodell ein. Auch hier galt es,
einen Zusammenhang zwischen klimatischen Daten, bodenpyhsikalischen Charakteristika
und Bodennutzungsarten herzustellen. Beide Autoren weisen darauf hin, dass eine Simulation von Verdunstung, Versickerung und Grundwasserneubildung nur möglich ist, wenn die
o.a. Ausgangsdaten in Form von Zeitreihen (Tageswerte) vorliegen. Gerade im Hinblick auf
den Bewuchs müssen der Grad der Bodenüberdeckung, der Verlauf der Pflanzenentwicklung, die Durchwurzelungstiefe in Abhängigkeit vom Pflanzenwachstum u.v.m. bekannt sein.
Als meteorologische Ausgangsgrößen seien hier erwähnt der Niederschlag, die Temperatur,
relative Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit, die Sonnenscheindauer sowie die Globalstrahlung. Zur Kalibrierung eines solchen Modells sind darüber hinaus umfangreiche
Felduntersuchungen in bezug auf die Ermittlung der realen Evapotranspiration sowie Bodenfeuchtemessungen erforderlich.
WESSOLEK, RENGER & STREBEL (1987) setzten ihr Bodenwasserhaushaltsmodell erfolgreich zur Berechnung der Auswirkungen landwirtschaftlicher Beregnungsmaßnahmen auf
den Gebietswasserhaushalt ein. Es diente als ein Hilfsmittel zur Abschätzung von Beregnungsmenge und -zeit, um z.B. unproduktive Auswaschungsverluste zu vermeiden (vgl.
auch RENGER & STREBEL 1980; WESSOLEK & RENGER 1993; RENGER & WESSOLEK
1993). Darüber hinaus wurde versucht, die Untersuchungsansätze auch auf Ballungsräume
zu übertragen. Als Testgebiete wurden hierbei die westlichen Stadtbezirke von Berlin gewählt (RENGER et al. 1987). Neben der o.a. detaillierten hydrologischen Datengrundlage
war hierfür eine Aussage über den Grad der Oberflächenversiegelung erforderlich, welche
für
den
Berliner
Raum
kartenmäßig
erfasst
vorliegt
(SENATOR
FÜR
STADTENTWICKLUNG UND UMWELTSCHUTZ BERLIN , ABT. III, 1985).
10
Auf den Untersuchungsraum Südost-Holstein lassen sich die o.a. Modellansätze nur schwer
übertragen, da in dem insgesamt 1445 km² großen Gebiet vom Deutschen Wetterdienst
(DWD) nur 2 Klimamessstationen betrieben werden. Die Station Lauenburg liegt im Südzipfel des Untersuchungsgebietes, nahe der Elbe. Die Station Ahrensburg-Wulfsdorf befindet
sich an der Westgrenze des Gebietes, nordöstlich von Hamburg. Eine dritte Station, außerhalb des Gebietes bei Mölln gelegen, wird von der Landwirtschaftskammer SchleswigHolstein betrieben. Mit diesen wenigen Messstationen läßt sich ein flächendifferenzierter
klimatologischer Datensatz in ausreichender Genauigkeit nicht erstellen. Darüber hinaus
liegen für das Untersuchungsgebiet keine Boden- und Bodennutzungskarten vor, aus denen
z.B. ein so wichtiger Modellparameter wie die nutzbare Feldkapazität des effektiven Wurzelraumes (nFKWe) bestimmt werden könnte. Selbst wenn Bodenkarten im Maßstab 1:25.000
vorliegen würden, könnten die bodenphysikalischen Systemeigenschaften nur stark vereinfacht und schematisiert in ein Bodenwasserhaushaltsmodell einfließen, da sich auch bei
diesem Maßstab keine hochauflösenden Geländeinformationen ableiten lassen. Informationen über die land- und forstwirtschaftliche Nutzung des Gebietes sowie über den Grad der
Oberflächenversiegelung standen nur in Form der Topographischen Karte 1:25.000 zur Verfügung, die ja bekanntermaßen die Flächennutzungssituation zum Zeitpunkt der Kartenerstellung dokumentiert und besonders die Art der landwirtschaftlichen Nutzung nur vereinfacht wiedergibt. Auch hieraus ergäben sich bezüglich einer Modellierung Einschränkungen
in der Datengrundlage. Auf Grund der Orographie stellt der Oberflächenabfluss im Untersuchungsraum bei Wasserhaushaltsbetrachtungen ein wichtiges Bilanzglied dar und muss
daher zwingend berücksichtigt werden. Auch dieses beeinträchtigt z.B. die Anwendbarkeit
des WESSOLEK/RENGER-Verfahrens, da dort als Randbedingung Ao= 0 angenommen
wird (vgl. auch ALBRECHT & GROSSMANN 1995).
Den Ansätzen von WESSOLEK folgend haben ALTHOFF et al. (1995) versucht, die Grundwasserneubildungsrate für das hessische Ried mit Hilfe von geographischen Informationssystemen mit sehr feiner Diskretisierung (Zellengröße 25x25m) zu berechnen. Hierbei zeigt
sich dem Leser allerdings, dass Generalisierungen gerade im Hinblick auf die klimatologische Datenbasis (z.B. Regionalisierung der Verdunstung nach HAUDE) große Unsicherheiten in bezug auf die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erzeugen (hierzu auch ALBRECHT
& GROSSMANN 1995).
RENGER, STREBEL & GIESEL (1974b) berechnen die Grundwasserneubildung (GWN) für
ausgewählte Gebiete der Bundesrepublik über die klimatische Wasserbilanz nach folgender
Gleichung:
11
GWN = N - (Ereal + As - Zs + ∆S)
mit
N
Ereal
As
Zs
∆S
=
=
=
=
=
Niederschlag
akt. Evapotranspiration
Grundwasserzustrom
Grundwasserabstrom
Speicherungs- bzw. Wassergehaltsänderungen in der ungesättigten Zone
Geht man von den vereinfachenden Randbedingungen aus, dass Grundwasserzu- und abströme die gleiche Größenordnung besitzen und dass bei Jahreswasserbilanzen Speicheränderungen in der ungesättigten Zone dann unberücksichtigt bleiben können, wenn der
Ausgangswert auf den Winterausgang gelegt wird (vgl. RENGER, STREBEL & GIESEL
1975: S. 167 ff.), reduziert sich die Gleichung auf:
GWN = N - Ereal
Es wird allerdings auch hier vorausgesetzt, dass der oberirdische Abfluss Ao vernachlässigt
werden kann.
An anderer Stelle wird aufgezeigt, dass sich mit Hilfe von Einzugsgebietswasserbilanzen
Rückschlüsse auf den Wasserkreislauf ziehen lassen. So stellen BAUMANN, SCHEKORR &
SCHENDEL (1970) bei vielen Gewässereinzugsgebieten in Schleswig-Holstein fest, dass die
Differenzen von Niederschlag und Gesamtabfluss nicht den von ihnen zugrunde gelegten
Verdunstungswerten entsprechen und schließen daraus, dass vielfach die unterirdischen
Einzugsgebiete der Gewässer nicht mit den oberirdischen übereinstimmen. SCHEKORR
(1971, 1972) ermittelte über eine erweiterte Wasserhaushaltsgleichung die Grundwasserneubildungsrate für drei kleine Einzugsgebiete in Schleswig-Holstein. ENGELBART &
MÜLLER (1975) berechneten das nutzbare Grundwasserdargebot im Planungsraum Untere
Leine (Niedersachsen) ebenfalls aus einer differenzierten Wasserhaushaltsgleichung. Sie
trafen allerdings die Annahme, dass für längere Bilanzzeiträume Speicheränderungen im
Grundwasserleiter sowie in der ungesättigten Zone vernachlässigt werden können, so dass
sich ihr Ansatz letztlich wie folgt darstellt:
GWN = N - V - Ao
Die Grundwasserneubildung ist demnach also derjenige Anteil des Niederschlages, der weder verdunstet noch oberirdisch abfließt. In bezug auf den oberirdischen Abfluss mussten sie
in ihrem Planungsraum feststellen, dass Abflussdaten flächendeckend nicht vorhanden waren. Basierend auf Erfahrungswerten wurden daher für den Ao-Abfluss Werte von 5-10% des
Niederschlages angenommen.
PREUSS (1978a) setzt für seine Wasserhaushaltsuntersuchungen in Schleswig-Holstein ein
Flussgebietsmodell ein, welches die hydrologischen Prozesse in einem Gewässereinzugsgebiet in ihrer Gesamtheit modellmäßig erfasst. Ausgehend von einem Niederschlagsereig-
12
nis wird die Verdunstung, das Auffüllen des Bodenspeicherraums, die Versickerung zum
Grundwasser sowie der Vorfluter-Abfluss einzugsgebietsbezogen simuliert (vgl. auch
PREUSS 1977; PREUSS 1978b). Hierbei definiert er die Grundwasserneubildung als dieje-
nige Wasserhöhe, die von dem gesamten infiltrierten Wasser nach Abzug der Verdunstungshöhe und der Abflusshöhe übrigbleibt (PREUSS 1980: S. 2). Diese Betrachtungsweise führt
dazu, dass in einem idealen Gewässereinzugsgebiet, dessen oberirdische und unterirdische
Wasserscheiden identisch sind, das gesamte, der Grundwasseroberfläche zugesickerte Infiltrationswasser als unterirdischer Abfluss Au dem Vorfluter zu- und in diesem abfließt. Ist
das modellierte Einzugsgebiet groß genug, ist die Gebietswasserbilanz ausgeglichen, d.h.
die von PREUSS definierte Grundwasserneubildung geht gegen null. Für die wasserwirtschaftliche Planung hingegen ist die Grundwasserneubildungsrate im Sinne der DIN 4049-3
maßgeblich (s. Kap. 2). Darüber hinaus sind Kenntnisse über die Auswirkungen von Grundwasserförderungen auf den grundwasserbürtigen Vorfluter-Abfluss von besonderem Interesse, so dass der Gesamtabfluss unbedingt in einen oberirdischen und unterirdischen Anteil
differenziert werden muss.
Die Verfahren zur Ableitung der Grundwasserneubildungsrate anhand von Abflussganglinien
sind einschlägig bekannt (vgl. NATERMANN 1958; SCHROEDER 1952; WUNDT 1958,
1967). Es wird dabei angenommen, dass der an einem Abflusspegel beobachtete Basisabfluss der Grundwasserneubildungsrate im Einzugsgebiet entspricht. Während SCHROEDER
Au = MoMNQ =
∑ MoNQ
------------nMo
und NATERMANN den Anteil des grundwasserbürtigen Abflusses mit Hilfe von Trockenwetterfalllinien vom Gesamtabfluss abtrennen (vgl. auch DAVIS & DE WIEST 1967: 32 ff.;
DYCK 1978: 358 ff.), geht WUNDT von den gewässerkundlichen Hauptzahlen, den monatlichen Niedrigwasserabflüssen (MoNQ), aus. Er postuliert, dass der Mittelwert der monatlichen Niedrigwasserabflüsse (MoMNQ) in einem mehrjährigen Betrachtungszeitraum (nMo)
annähernd dem grundwasserbürtigen Abfluss und damit der Grundwasserneubildungsrate
entspricht (vgl. auch LINGEMANN 1972; BAYERISCHES LANDESAMT FÜR
WASSERWIRTSCHAFT 1996). Dieser Abflussanteil errechnet sich wie folgt:
KILLE (1970) greift zur Au-Abtrennung das WUNDTsche Verfahren auf, weist aber darauf
hin, dass die monatsbezogen ermittelten Niedrigwasserabflüsse eines Gewässers besonders während längerer Regenperioden mitunter auch Oberflächen- und Zwischenabfluss
enthalten können. Um diese Abflussanteile vom grundwasserbürtigen Abfluss abzutrennen,
schlägt er vor, die monatlichen Niedrigwasserabflüsse der Größe nach geordnet aufzutragen. Macht man dieses, ist zu beobachten, dass der untere Abschnitt der Punktewolke fast
immer einen geradlinigen Verlauf besitzt (siehe Abb. 2.1).
13
5,0
M onat liche Niedrigwasserabf lüsse (1980-1991, sort iert )
B ille, Pegel Reinbek
MoNQin m³/s
4,0
3,0
2,0
ad
ich sg er
A u sg le
M oMNQ
e
1,0
0,0
1
Abb. 2.1:
11
21
31
41
51
61
71
81
91
A nzahl der M onat e
101
111
121
131
141
Monatliche Niedrigwasserabflüsse des Pegels Reinbek (Bille), der Größe
nach sortiert. Die MoNQ-Werte oberhalb der Ausgleichsgeraden deuten
nach KILLE (1970) auf Anteile von Oberflächen- und Zwischenabflüssen
hin.
SCHROEDER (1955) hatte schon früher festgestellt, dass die unteren Bereiche der Dauerlinien des Trockenwetterabflusses den Habitus einer Geraden besitzen und bezeichnete diese Gerade als Begrenzungslinie des reinen Grundwasserabflusses. KILLE betrachtete das
der Größe nach geordnete Datenkollektiv der MoNQ in analoger Weise. Er extrapolierte die
für den unteren, quasi linearen Abschnitt konstruierte Ausgleichsgerade über die gesamte
Punktfolge (Bilanzzeitraum) und bestimmte die Fläche unter der Geraden als mittleren
Grundwasserabfluss. Dieser entspricht der Mittelordinate der Ausgleichsgeraden in der
Abb. 2.1. Die MoNQ-Werte oberhalb der Ausgleichsgeraden definierte er als Niedrigwasserabflüsse mit Anteilen von Oberflächen- und Zwischenabflüssen.
Die Datengrundlage der o.a. Berechnungsverfahren bilden Abflussdaten, die mit Hilfe von
gewässerkundlichen Messeinrichtungen (Pegel, Wehr etc.) gewonnen werden. Es ist daher
bei der Bewertung solcher Messergebnisse zu beachten, dass an einem Messstandort nicht
unbedingt der gesamte Abfluss aus dem Einzugsgebiet erfasst wird. DÜRBAUM & LILLICH
(1969) weisen darauf hin, dass neben dem Au-Abfluss im Vorfluter die unterirdisch abströmenden Grundwassermengen AGW ein nicht zu vernachlässigendes Bilanzglied darstellen
können. Sie führen aus, dass sich der durchströmte Querschnitt nicht immer nur auf das
Schotterbett des Gewässers beschränkt. Je nach den geologischen Verhältnissen kann
Grundwasser auch in breiter Front seitlich der Messeinrichtung vorbeiströmen (vgl. auch
SCHEKORR 1972). Die quantitative Erfassung dieses Abstroms setzt allerdings voraus,
dass die Grundwasserstände im Umfeld der Messstelle bekannt sind.
14
Auch im Rahmen der Grundwasserneubildungsuntersuchung im Raum Südost-Holstein ist
es erforderlich, für die Einzugsgebiete der Oberflächengewässer den Gesamtabfluss in einen unterirdischen und einen oberirdischen Anteil aufzutrennen. Da auch in SchleswigHolstein Regenperioden zu beobachten sind, welche länger als einen Monat andauern, ist
bei Anwendung des WUNDTschen Ansatzes zu besorgen, dass der abgetrennte Au-Anteil
noch erhebliche Anteile an Oberflächen- und Zwischenabfluss enthält. Aus diesem Grund
empfiehlt sich zur Bestimmung von Ao das Verfahren nach KILLE (Ao = Ages - Au). Da im Berechnungsgang zur Ermittlung der Grundwasserneubildung nur die Bestimmung des Oberflächenabflusses erforderlich ist, spielt der von DÜRBAUM & LILLICH (1969) angesprochene
eventuell nicht erfasste, pegelnahe Grundwasserabstrom bilanzmäßig keine Rolle.
Eine zentrale Frage bei der Bilanzierung des Gebietswasserhaushalts ist die Ermittlung der
Verdunstung. Auch hier gibt es eine Vielzahl von Berechnungsverfahren, denen mittelbar
oder unmittelbar klimatologische Daten zugrunde liegen (u.a. BLANEY & CRIDDLE 1950;
PENMAN 1948; HAUDE 1955; THORNTHWAITE 1948; TURC 1954; UHLIG 1959). Ebenso
sind direkte Verdunstungsmessungen (z.B. Class-A-Pan) wie auch indirekte Messungen
(Lysimeter) gebräuchlich. Die ersteren Bestimmungsverfahren stützen sich im Wesentlichen
auf die Berechnung von Energiebilanzen, wobei häufig nur die Vorgänge am Phasenübergang von freier Wasseroberfläche zur Luft betrachtet werden. Für die Berechnung wird eine
Vielzahl von Parametern benötigt, von denen jedoch nur wenige als Messgrößen vorliegen.
Wenngleich ein enger Zusammenhang zwischen der eingestrahlten Sonnenenergie und der
Verdunstung besteht, erschweren andere Faktoren wie z.B. die Ausbildung der Flächen, von
denen das Wasser verdunstet, die Art und Dichte des pflanzlichen Bewuchses, die Art und
Intensität des örtlichen Luftaustausches sowie die Verfügbarkeit von Wasser eine funktionelle Ableitung. Es werden daher bei diesen Verfahren nicht messbare Einflussgrößen in Form
empirischer Beziehungen in die Berechnungsformeln eingebracht (vgl. MATTHESS &
UBELL 1983: S. 277 ff.). Ausgehend von der berechneten potentiellen Verdunstung wird
über abmindernde Faktoren die reale Verdunstung abgeschätzt.
Zur Ermittlung einer regional differenzierten Verdunstungsrate versagen jedoch diese Verfahren in der Regel, weil z.B. die klimatischen Ausgangsdaten, die von Natur her eine große
örtliche Variabilität besitzen, nicht flächenhaft vorliegen (s.o.). Bei wasserwirtschaftlichen
Fragestellungen ist jedoch gerade die Regionalisierung der wasserhaushaltlichen Bilanzgrößen von entscheidender Bedeutung. Die Ergebnisse von Lysimeterauswertungen, d.h. die
funktionellen Zusammenhänge zwischen Niederschlägen, Sickerwasseranteil und Verdunstung, lassen sich schon eher in die Fläche eines Untersuchungsgebietes übertragen, wenn
dort Klimabereich, Boden- und Nutzungsarten dem Lysimeteraufbau entsprechen (BRÜHL &
STOLL 1993; JOSOPAIT & LILLICH 1975; PROKSCH 1990; SCHROEDER 1990;
SCHROEDER & WYRWICH 1990). Den Grundwasserneubildungsberechnungen im Untersuchungsraum Südost-Holstein wurden die statistischen Lysimeterauswertungen von DYCK
& CHARDABELLAS (1963) zugrunde gelegt.
15
Die Einschränkungen, welche mit der Anwendung von Lysimetergleichungen auf wasserhaushaltliche Fragestellungen verbunden sind, werden von MATTHESS & UBELL
(1983: 373 ff.) umfassend diskutiert. Sie weisen darauf hin, dass die funktionellen Beziehungen zwischen Niederschlag und Sickerwasseranteil in Form von Geradengleichungen die
tatsächlichen Verdunstungs- und Versickerungsprozesse in einem Lysimeter nur sehr vereinfachend wiedergeben. In realiter sind sie sehr komplex. Geht man von Geradengleichungen aus, so hängt deren Steigung von der Bodenart in den Lysimetern und vom Bewuchs
ab. Die große Streubreite der Niederschlag-/Sickerwasser-Wertepaare, wie sie allgemein
beobachtet wird, ist hierbei auf die Bandbreite der Kornzusammensetzungen innerhalb einer
Bodenart und die unterschiedlichen Porenvolumina (Lagerungsdichten) zurückzuführen. Die
Art der Vegetation und deren Wachstumsstand führen ebenfalls zu einer starken Streuung
der Wertepaare. So ist zu beobachten, dass die jährliche Sickerwassermenge unter aufwachsenden Laubbäumen bei gleichbleibender Niederschlagshöhe mit deren zunehmendem
Alter immer geringer wird, weil sowohl Interzeptionsverdunstung als auch Transpiration zunehmen (SCHROEDER 1980). Darüber hinaus muss bedacht werden, dass Bodenfeuchteänderungen im Lysimeter die Höhe des Sickerwasseranteils beeinflussen. Es wird erst
dann zur Sickerwasserbildung kommen, wenn der Boden bis zur Feldkapazität aufgefüllt ist;
d.h. Speicheränderungen im Lysimeter führen ebenfalls zu einer Streuung der jährlich ermittelten Niederschlags-/Sickerwasser-Wertepaare.
Die von DYCK & CHARDABELLAS (1963) gefundenen Lysimetergeraden geben die mittlere langjährige Reaktion eines bestimmten Klima-/Vegetations-/Bodensystems wieder. Da für
das Untersuchungsgebiet Südost-Holstein die Boden- und Nutzungsarten anhand von Karten ebenfalls nur grob abgeschätzt werden konnten (s. Kap. 3), war die Anwendung des
DYCKschen Ansatzes, mit allen Einschränkungen in bezug auf die Aussagegenauigkeit,
gerechtfertigt. Wird z.B. die Boden- und Nutzungsart für Teile des Untersuchungsgebietes
als Sand mit Wald angesprochen, so ist darunter Sand mit seinem gesamten Korngrößenspektrum zu verstehen.
Im Rahmen des hier vorgestellten Berechnungsverfahrens zur Ermittlung der Grundwasserneubildungsrate wird für den Untersuchungsraum zunächst der Wasserüberschuss (WÜ)
auf Basis der o.a. Lysimetergeraden als Funktion des Niederschlages (N) ermittelt (vgl.
JOSOPAIT & LILLICH 1975; OTTO 1992). Der Wasserüberschuss ist hierbei im langjährigen Mittel der Anteil des Niederschlages, der nicht verdunstet. Er entspricht in Abflusslosen
Gebieten der Sickerwassermenge Sw:
WÜ = N - V ;
WÜ = Sw
wenn Ao = 0 .
16
Da auf Flächen mit geringem Grundwasserflurabstand die Verdunstung größer ist als auf
grundwasserfernen Standorten, wird für diese Bereiche der Wasserüberschuss entsprechend dieser zusätzlichen Verdunstung abgemindert. Für offene Wasserflächen wird die
Verdunstung nach PENMAN angesetzt. Die Grundwasserneubildungsrate erhält man, in
dem die Differenz zwischen dem Wasserüberschuss und dem oberirdischen bzw. oberflächennahen Abfluss gebildet wird. Während JOSOPAIT & LILLICH (1975) den Ao-Abfluss
pauschal als Funktion der Hangneigung und Infiltrationskapazität des Bodens in die Berechnungen einfließen ließen, wurde hier versucht, das oberirdische Abflussgeschehen mit Hilfe
von an gewässerkundlichen Pegeln ermittelten Abflussdaten sowie hydrologischen Sondermessprogrammen zu erfassen und regional zu differenzieren.
Die Erfassung und rechnerische Verarbeitung aller Eingangsdaten erfolgte zellenbezogen in
Form einer Zahlenmatrix mit einem 3-D-Tabellenkalkulationsprogramm, welches auf einfache Art und Weise die rechnerische Verknüpfung mehrerer Arbeitsblätter wie auch mehrerer
Dateien erlaubt. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass bei jeder Änderung der Ausgangsdaten (z.B. Niederschlagsverteilung, Flächennutzung, Abflussverteilung, Verdunstungswerte, Funktionsgleichungen der Lysimetergeraden u.a.) die Grundwasserneubildungsverteilung vom Programm unmittelbar neu berechnet wird.
17
2.1 Diskretisierung der Untersuchungsgebiete
Orientiert an den jeweiligen Fragestellungen wurden die beiden Untersuchungsgebiete (vgl.
Kap. 1.2, Abb. 1.1) in unterschiedliche, quadratische Raster zerlegt. Im Bereich des Modellteilgebietes Großhansdorf stand die Nachbildung der Grundwasserströmungsverhältnisse
mittels eines numerischen Grundwassermodells im Vordergrund. Die Zellengröße sowohl
des Grundwasserneubildungs- wie auch des Grundwasserströmungsmodells (HOFFMANN
1996a,b) betrug 500·500 m bei einer Dimensionierung von 21·21 Zellen. Am Südrand des
Gebiets wurde das Untersuchungsgebiet um einige Rasterelemente in Form eines Rechtecks ausgeweitet (Abb. 2.2). Diese Gebietserweiterung war erforderlich geworden, um abschätzen zu können, wieviel neugebildetes Grundwasser maximal von Süden her über den
Modellgebietsrand in das Gebiet einströmen kann.
Abb. 2.2:
Diskretisierung der Untersuchungsgebiete. Während das Gesamtgebiet in
Zellen mit einer Rasterweite von 4·4 km zerlegt wurde, beträgt die Rasterweite des Modellteilgebietes Großhansdorf 0,5·0,5 km (strichpunktiert der
Umriss des numerischen Grundwasserströmungsmodells).
18
Das grobgerasterte Grundwasserneubildungsmodell (HOFFMANN 1996 a,b) diente vornehmlich dazu, für insgesamt fünf Teilgebiete Wasserbilanzen unter Einbeziehung der
Grundwasserneubildung, der Fließverhältnisse (horizontal/vertikal) sowie der Zu- und Abströme zu erstellen. Die Rasterweite dieses Modells betrug 2 km. Die Inputgröße Grundwasserneubildung wurde hierbei aus zeitlichen Gründen als Mittelwert für Flächenintegrale von
jeweils 4·4 km bestimmt.
2.2 Datengrundlage und Bilanzzeiträume
Für die Grundwasserneubildungsberechnung wird eine Vielzahl von geologischen und hydrologischen Informationen benötigt (s.o.). Zu Beginn der Untersuchungen musste festgestellt
werden, dass hinsichtlich der verfügbaren Daten sowohl für den Bereich des Modellteilgebietes als auch für das Gesamtgebiet erhebliche Defizite bestanden. So lagen z.B. für den gesamten Untersuchungsraum keine bodenkundlichen Karten im Maßstab 1:25.000 vor. Die
geologischen Auswertungen im Modellteilgebiet basieren auf drei mitunter recht alten geologischen Karten 1:25.000, die den südlichen und östlichen Teil des Untersuchungsgebietes
abdecken (Blatt 2327, Ahrensburg; Blatt 2228, Eichede; Blatt 2328, Trittau) sowie einer Manuskriptkarte des ehemaligen Geologischen Landesamtes S.-H. für den Nordwesten (Blatt
2227, Bargteheide). Die oberflächennah anstehende geologische Schichtenfolge wurde nur
in bindige und nicht bindige (sandige) Sedimente unterteilt, weil sich weitere Unterscheidungen aus dem Datenmaterial nicht ableiten ließen. Der Differenzierung zwischen Sanden und
Nichtsanden für das Gesamtgebiet liegt die Geologische Karte 1:200.000, Blatt CC 2326
Lübeck, sowie eine Karte zur Beschaffenheit der oberflächennahen Schichten (bis 2 m u.
Gel.) zugrunde (s. Agster 1996).
Die Verbreitung von Gebieten mit geringen Grundwasserflurabständen wurde für beide Modellgebiete aus den topographischen Karten 1:25.000 bzw. 1:50.000 sowie aus den o.a.
geologischen Karten abgeleitetet. Für das Modellteilgebiet Großhansdorf wurde der Flächenanteil an offenen Wasserflächen ebenfalls anhand der topographischen Karte 1:25.000
ermittelt. Gleiches gilt für den Grad der Oberflächenversiegelung durch Überbauung. Die
Verteilung der Niederschläge basiert auf Daten des deutschen Wetterdienstes.
Wie die Abb. 1.1 zeigt, umfasst das Untersuchungsgebiet die Einzugsgebiete mehrerer größerer Gewässer. Die Linau, die Steinau (Elbe), der Südteil des Elbe-Lübeck-Kanals und die
Stecknitz entwässern den Südosten des Untersuchungsgebietes, die Steinau (Trave), die
Grienau sowie der Nordteil des Elbe-Lübeck-Kanal den Nordosten. Der Norden des Gebietes wird von der Trave mit ihren Nebenflüssen Barnitz, Sulsbek und Beste durchflossen. Den
Westteil des Untersuchungsgebietes entwässern die Aue (Hunnau), Wandse und Glinder
Au, während der Süden und die Mitte des Gebietes vom Einzugsgebiet der Bille mit ihren
Nebenflüssen eingenommen wird.
19
Das Abflussgeschehen wurde im Untersuchungsgebiet zeitweilig mit insgesamt 21 Abflusspegeln erfasst. 7 der 21 Abflusspegel wurden speziell für die vorgestellten Untersuchungen
errichtet. 9 Pegel werden durch den Gewässerkundlichen Dienst des Landes SchleswigHolstein betreut, 5 weitere von der Umweltbehörde der Freien und Hansestadt Hamburg,
Amt für Umweltschutz, betrieben. Unvollständig vorliegende Datenreihen mussten mittels
linearer Regression auf den Bilanzzeitraum extrapoliert werden. Da für die Hamburger Pegel
mitunter nur Wasserstandsdaten vorlagen, wurden für diese aus Einzel-Abflussmessungen
W/Q-Kurven erstellt, um so für den Hamburger Randbereich zumindest Abflussschätzwerte
zu erhalten.
Im Modellteilgebiet Großhansdorf wurden an 41 z.T. eigens eingerichteten Abflussmessstellen mehrere Stichtagsabflussmessungen bei Niedrigwasser durchgeführt. Ziel war es, über
den Vergleich der Abflussmengen bzw. -spenden einzelner Gewässerabschnitte Erkenntnisse über die hydrogeologischen Zusammenhänge im Untersuchungsgebiet zu erlangen. Insbesondere sollten die Teile des Untersuchungsgebietes abgegrenzt werden, in denen kein
hydraulischer Kontakt zwischen den Vorflutern und dem modellierten, oberflächennahen
Grundwasserleiter bestanden (OTTO 1988a,b,c, 1989a,b).
Das vorgestellte Berechnungsverfahren eignet sich nur für die Bestimmung einer langjährigen, mittleren Gundwasserneubildungsrate, da Speicheränderungen sowohl im Bodenbereich als auch im Grundwasserleiter unberücksichtigt bleiben. Die Grundwasserneubildungsberechnungen für das Modellteilgebiet Großhansdorf basieren auf Niederschlags- und
Abflussdaten einer 13-Jahreszeitreihe, die mit Hilfe eines Zufallsgenerators aus einer 20Jahreszeitreihe (1971-1990) ausgewählt wurde. Dem Grundwasserneubildungsmodell Gesamtgebiet Südost-Holstein liegen Niederschlags- und Abflussmittelwerte der Abflussjahre
1980 - 1991 zugrunde. Die hydrologische Einordnung des Bilanzzeitraumes in den langjährigen klimatologischen Gang veranschaulicht die Abb. 2.3 auf S. 20.
In dieser Darstellung wurde der Niederschlagsgang der Station Trittau (Südost-Holstein) den
Gebietsniederschlägen im Pinneberger und Lübecker Raum gegenübergestellt. Der Betrachtungszeitraum erstreckt sich von 1954 bis 1991. Die Zeitreihen wurden mit Hilfe gleitender
Mittelwertsbildung (5 Jahre) geglättet. Die durchgezogenen Geraden repräsentieren die
arithmetischen Mittelwerte des obigen Zeitraums (Pinneberger Raum: 781 mm/a; SüdostHolstein: 759 mm/a; Lübecker Raum: 643 mm/a). Während von 1970 bis 1978 eher trockene Jahre zu verzeichnen waren, lagen die Niederschläge ab 1979 bis 1991 deutlich über
dem langjährigen Mittel. Der für das Modellgebiet Großhansdorf verwendete Gebietsniederschlagswert (778 mm/a) ist etwas höher als der langjährige Mittelwert der Station Trittau. Für
den Bilanzzeitraum des Grundwassermodells Gesamtgebiet (Abb. 2.3: schwarzer Balken)
betrugen die mittleren Jahresniederschläge im westlichen Hamburger Umland etwa 810 mm,
in Südost-Holstein 782 mm/a und in Lübeck 688 mm. Die Grundwasserneubildungsverteilung wurde also für eine relativ feuchte Klimaperiode abgeschätzt. Anhand der Abbildung
20
erkennt man auch, dass die Niederschlagshöhen im Lübecker Raum deutlich geringer sind
als im Hamburger Umland (130-150 mm/a).
Ganglinie des Niederschlages im Zeitraum von 1954-1991
Vergleich Hamburger Umland mit dem Lübecker Raum
950
Langjähriger Mittelwert
1954-1991
900
Niederschlag in mm
850
800
Hambur ger Umlan d
750
WS T r ti t au
700
650
Lü becker Raum
600
B ilanzzeitraum
550
500
1954
1956
1958
1960
1962
1964
1966
1968
1970
Gleitender Mittelwert v. 4 Stationen im westl. Hamburger Umland
1972
1974
Abf lußjahre
1976
1978
1980
1982
1984
1986
1988
1990
Gleitender Mittelwert von 3 Stationen im Lübecker Raum
Gleitender Mittelwert der Station Trittau
D: \ A M I DA T \ E B _SE H\ SE _A B B _N. WK 3
Abb. 2.3:
Ganglinien des Niederschlages im Großraum Pinneberg, im Untersuchungsgebiet Südost-Holstein sowie im Lübecker Raum. Der Bilanzzeitraum fällt in
eine Periode, in der die Jahresniederschläge oberhalb des 37-Jahres-Mittels
(Großraum Pinneberg: 781 mm/a; Südost-Holstein: 759 mm/a; Lübecker
Raum: 643 mm/a) liegen.
2.3 Einsatz eines 3-D-Tabellenkalkulationsprogrammes zur flächendifferenzierten Berechnung der Grundwasserneubildung
Zur Berechnung der Grundwasserneubildungsrate wurde das Tabellenkalkulationsprogramm
LOTUS 1-2-3 unter der WINDOWS-Benutzeroberfläche eingesetzt. Andere kommerzielle
Anwendungsprogramme wie z.B. QUATTRO PRO (Borland) oder EXCEL (Micro Soft) eignen sich hierzu in gleicher Weise. Eine Tabellenkalkulationsdatei besteht aus einem oder
mehreren Arbeitsblättern (Spreadsheets). Ein Arbeitsblatt wiederum setzt sich aus 8192 Zeilen und 255 Spalten, also insgesamt aus 2.088.960 Zellen, zusammen. Die einzelnen Zellen
untereinander wie auch Zellen verschiedener Arbeitsblätter oder auch Zellen verschiedener
Dateien können beliebig miteinander verknüpft werden. Hierfür stehen alle gängigen mathematischen Funktionen zur Verfügung. Ferner ist eine Zielsuche-Option implementiert, die
im Berechnungsgang zur Ermittlung der Grundwasserneubildungsrate vornehmlich zur Ermittlung der Abflussverteilungen eingesetzt wurde. Mit Hilfe dieser Optionen kann das Er-
21
gebnis eines funktionalen Verknüpfungsschemas von Zellen durch iterative Variation von
ergebnisbeeinflussenden Variablen automatisch an einen Vorgabewert angepasst werden.
Nachstehend ist dieses anhand eines einfachen Beispiels erläutert (Abb. 2.4):
1
2
3
4
5
Abb. 2.4:
A
B
C
D
E
Ao
=
A1
+
A2
=
25
=
40
A1
Vo rgabewert für A o
Erläuterung der Zielsucheoption eines Tabellenkalkulationsprogrammes
anhand eines einfachen Beispiels.
In der Zeile 2 der Abbildung ist eine einfache algebraische Gleichung dargestellt. Der Wert
der Variablen A1 ist fest vorgegeben und beträgt 25. Die Zielvariable Ao (= A1 + A2) soll den
Wert 40 einnehmen, und zwar durch Anpassung der Variablen A2. Das Programm variiert
nun die Variable A2 iterativ solange, bis Ao den Vorgabewert erreicht hat. Das Ergebnis ist
in diesem Fall 15. Solche Rechenoperationen und Programmabläufe können hierbei mit Hilfe
von Macros über Tastenkombinationen recht einfach gesteuert werden.
Alle zur Grundwasserneubildungsermittlung benötigten Flächeninformationen wurden für die
Rasterzellen der Untersuchungsgebiete (Abb. 2.2) in der zugehörigen Tabellenkalkulationsdatei arbeitsblattweise abgelegt. So enthalten z.B. die ersten vier Arbeitsblätter zellenbezogen die prozentualen Anteile von Sandflächen mit Acker/Grünland, Sandflächen mit Wald,
Lehmböden mit Acker/Grünland sowie Lehmböden mit Wald einschließlich der zugehörigen
Lysimetergleichungen (Abb. 2.5). Mit den übrigen rasterzellenbezogenen Informationen (s.
Kap. 3) und der Niederschlagsverteilung wird so für jede Zelle erst der Wasserüberschuss,
dann die Grundwasserneubildung berechnet. Das Tabellenkalkulationsprogramm aktualisiert
bei jeder Änderung in einem der Arbeitsblätter alle vorhandenen Zellverknüpfungen. Auf
diese Art und Weise ist es auch möglich, für die Boden- und Nutzungsarten im Sinne einer
Sensitivitätsanalyse andere Lysimetergleichungen zu verwenden. Man braucht nur die Steigung (hier 1,1) und den Y-Achsenabschnitt in den jeweiligen Arbeitsblättern zu verändern.
Auch ist die Verwendung nichtlinearer Funktionsgleichungen möglich. Die Berechnungsergebnisse lassen sich separat als Zahlenmatrix abspeichern, so dass ein unmittelbarer Vergleich unterschiedlicher Rechenvarianten möglich ist.
22
Wie die Dateien zur Grundwasserneubildungsberechnung aufgebaut und die einzelnen Zellen miteinander rechnerisch verbunden sind, ist in den nachfolgenden Kapiteln dargelegt.
Zunächst wird das feindiskretisierte Grundwasserneubildungsmodell "Großhansdorf" beschrieben, anschließend das Modell für das Gesamtgebiet "Südost-Holstein". In beiden Fällen werden abschließend Gebietswasserbilanzen aufgestellt und die Befunde aus wasserwirtschaftlicher Sicht bewertet.
Flächenanteile von Lehmböden mit Wald:
5,6 %.
Funktion zw ischen Sickerw asser und Niederschlag:
1
2
3
4
1
0,00
0,20
0,00
0,00
2
0,00
0,00
0,00
Sw =
1,1 * N -
3
4
5
6
7
8
9
10
0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,08 0,00 0,00
0,00 0,00 0,02 0,00 0,51 0,34 0,03 0,00
0,00 0,00 0,08 0,15 0,84 0,54 0,19 0,00
Flächenanteile von Lehmböden mit Acker und Grünland:
1
2
3
4
1
0,39
0,02
0,16
0,06
2
0,68
0,69
0,62
11
0,00
0,00
0,00
Sw =
3
4
5
6
7
8
0,85 0,74 0,44 0,89 0,90 0,82
0,60 0,90 0,90 0,76 0,41 0,34
0,96 0,70 0,63 0,57 0,00 0,12
Flächenanteile von Sandböden mit Wald:
9
0,53
0,45
0,39
578
12
13
0,00 0,00
0,00 0,00
0,00 0,00
54,5 %.
1,1 * N 10
0,57
0,54
0,12
Blatt B
1
2
3
4
1
0,00
0,00
0,00
0,02
2
0,00
0,00
0,00
11
0,60
0,45
0,16
Sw =
3
4
5
6
7
8
9
0,00 0,00 0,08 0,00 0,00 0,02 0,00
0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,19 0,05
0,00 0,00 0,00 0,00 0,16 0,27 0,11
Flächenanteil Sand mit Acker und Grünland:
Blatt D
558
12
13
0,60 0,54
0,22 0,66
0,10 0,10
2,0 %.
1,1 * N 10
0,00
0,00
0,00
Blatt A
Abb. 2.5:
1
2
3
4
1
0,50
0,56
0,72
0,81
2
0,32
0,31
0,36
0,58
3
0,15
0,40
0,01
0,01
4
0,26
0,10
0,24
0,00
5
0,47
0,00
0,11
0,00
6
0,11
0,14
0,01
0,07
7
0,10
0,00
0,00
0,37
11
0,00
0,00
0,00
Sw =
8
0,07
0,13
0,01
0,00
9
0,32
0,18
0,02
0,24
Blatt C
474
12
13
0,00 0,00
0,00 0,00
0,00 0,12
32,0 %
1,1 * N 10
0,04
0,00
0,50
0,34
11
0,01
0,00
0,58
0,24
433
12
0,30
0,58
0,59
0,22
13
0,46
0,34
0,60
0,49
Ausschnitte aus den ersten vier Arbeitsblättern des Grundwasserneubildungsmodells. Abgebildet ist die prozentuale Verteilung von Boden- und
Nutzungsarten, bezogen auf eine jede Rasterzelle.
23
3.
Das Grundwasserneubildungsmodell Großhansdorf
Im Jahr 1988 wurde damit begonnen, für den zwischen den Städten Bargteheide, Ahrensburg und Großhansdorf gelegenen Untersuchungsraum ein Grundwassermodell zu erarbeiten (HOFFMANN 1996a,b). Das damalige Landesamt für Wasserhaushalt und Küsten S.-H.
in Kiel übernahm dabei die Ermittlung der Grundwasserneubildung nach dem unter Kap. 2
beschriebenen Verfahren. Im Vorwege dazu wurden die für das Untersuchungsgebiet vorhandenen Altdaten aufgearbeitet und dem Modellbauer zugänglich gemacht. Dieses waren
im Wesentlichen Abflussinformationen aus Gütelängsschnitten und eigens durchgeführten
Stichtagabflussmessungen sowie Gelände- und Gewässerhöhendaten (OTTO 1988a,b,c;
1989a). Im Dezember 1988 lag die erste Grundwasserneubildungsberechnung nach
JOSOPAIT & LILLICH (1975) vor. Alle im Berechnungsgang verwendeten Flächeninformationen wurden manuell oder zeichnerisch ermittelt. Den Oberflächenabflüssen als Funktion
der Hangneigung lagen die von JOSOPAIT & LILLICH empfohlenen Zahlenwerte zugrunde
(OTTO 1988d). Im November 1989 wurde eine überarbeitete Variante der Grundwasserneubildungsverteilung vorgelegt. Im Gegensatz zur ersten Version orientierte sich die Regionalisierung des mittleren langjährigen Abflusses nicht mehr nur an der Geländemorphologie des Untersuchungsgebietes, sondern basierte auch auf den gewässerkundlichen Hauptzahlen des Pegels Bünningstedt, dessen oberirdisches Einzugsgebiet einen großen Teil des
Modellteilgebietes erschließt (OTTO 1989b). Der Bilanzierungszeitraum erstreckte sich über
13 Jahre, von 1971 bis 1983.
Ebenfalls im Jahre 1989 wurden im Untersuchungsgebiet in Zusammenarbeit mit dem Institut für Angewandte Geologie geothermische Untersuchungen durchgeführt. Diese hatten
zum Ziel, die hydraulische Wechselwirkung zwischen flachen und tiefen Grundwasserleitern
zu erkunden sowie Grundwasserneubildungsgebiete abzugrenzen (vgl. OTTO 1996; OTTO
et al. 1996; PEKDEGER, MELCHERT & GUTZEIT 1990).
Mit der Anschaffung eines 3D-Tabellenkalkulationsprogrammes im Januar 1990 wurden zunächst nur die Ergebnisse einzelner Berechnungsschritte in Form eines Rasters mit quadratischen Zellen erfasst und in Arbeitsblätter (Spreadsheets) übertragen. Über eine Differenzenbildung zwischen dem manuell ermittelten Wasserüberschuss und der Abflussverteilung ergab sich so eine rasterzellenbezogene Grundwasserneubildungsverteilung. Die Umsetzung des gesamten Berechnungsganges scheiterte jedoch an der damaligen HardwareAusstattung des Landesamtes für Wasserhaushalt und Küsten S.-H. (PC 80286 mit 1MB
RAM). Dieses wurde erst möglich, als im September 1990 ein PC mit einem 80386Prozessor und einem ausreichend dimensionierten Arbeitsspeicher angeschafft wurde. Die
im August 1991 fertiggestellte Berechnungsvariante (JOSOLILL.WK3) enthielt den gesamten, auf ein Zellenraster bezogenen Berechnungsgang einschließlich der Oberflächenversiegelung nach SCHOSS (1977).
24
Im Mai 1992 wurde auf Anforderung des Modellaufstellers (Univ. Hannover: Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und landwirtschaftlichen Wasserbau) eine Bandbreitenabschätzung der Grundwasserneubildung erstellt. Hierbei wurden die Grundwasserneubildungsverhältnisse für extreme Klimaperioden (Trockenperiode 1974-1976; Feuchtperiode 1987-1988)
simuliert und die so gewonnenen Ergebnisse mit den Werten des 13-Jahreszeitraumes verglichen (OTTO 1992c). Danach reduzierte sich die Grundwasserneubildungsrate im Bereich
des Modellteilgebietes Großhansdorf in der Trockenperiode auf 15 mm/a, während sie im
Feuchtzeitraum auf 203 mm/a anstieg.
Im Juli 1992 wurde ein Bericht über die methodische Vorgehensweise bei der Ermittlung der
langjährigen Grundwasserneubildungsrate erarbeitet (OTTO 1992a).
Zur Ermittlung der potentiellen Bandbreite einer 13-Jahreszeitreihe innerhalb zweier Dekaden (1971-1990) wurden im Oktober 1992 mit Hilfe einer Zufallsstatistik Niederschlagsdaten
aller im Umfeld des Modellteilgebietes Großhansdorf gelegenen Niederschlagsstationen
untersucht (OTTO 1992b). Die Ergebnisse (Schwankungsbreite < ± 2,5 %) wurden vom Modellaufsteller zur Beurteilung des Bilanzzeitraumes benötigt.
Ebenfalls in 1992 entstand in bezug auf die Grundwasserneubildungsberechnung eine umfangreiche Sensitivitätsanalyse (OTTO 1992d). Im Gegensatz zum pauschalisierten Ansatz
nach JOSOPAIT/LILLICH orientierte sich die Abflussverteilung an den gewässerkundlichen
Hauptzahlen des im Untersuchungsgebiet liegenden Pegels Bünningstedt, wobei von der
Wasserüberschußverteilung sowohl die oberirdischen als auch die Gesamtabflüsse in Abzug
gebracht wurden. Für den ersten Fall wurde angenommen, dass die Vorfluter hydraulischen
Kontakt zum modellierten Grundwasserleiter haben (Effluenz), im zweiten Fall befindet sich
die Vorfluterebene oberhalb des modellierten Wasserleiters (kein hydraulischer Kontakt oder
Infiltration). Ferner wurden grundwasserbeeinflußte Flächen mit einer zusätzlichen Verdunstung beaufschlagt und die Auswirkung auf die Grundwasserneubildungsverteilung diskutiert.
Darüber hinaus kamen im Hinblick auf die Verdunstungsermittlung die Lysimetergleichungen
nach PROKSCH (1990) zur Anwendung. In anderen Varianten wurden die Lysimetergleichungen nach DYCK & CHARDABELLAS (1963) sowie die Niederschlagsverteilung um ±10
% variiert.
Für die Berechnungsvarianten wurden rasterzellenbezogen statistische Parameter wie Minimum, Maximum, Mittelwert und Standardabweichung berechnet. Es zeigte sich, dass bei der
vorliegenden Variation der Parameter die Bandbreite insgesamt recht groß ist. So betrug die
Standardabweichung im Mittel etwa 54 mm/a. Das Minimum der Grundwasserneubildungsrate lag bei 97 mm/a, das Maximum bei 254 mm/a. Für die mittlere Grundwasserneubildungsrate ergab sich ein Wert von 183 mm/a.
Im nächsten Schritt wurde die Verteilung der Minima mit der berechneten Grundwasserneubildungsrate derjenigen (plausibelsten) Variante verglichen, welcher die ursprüngliche Nie-
25
derschlagsverteilung sowie die Abflussdaten des Pegels Bünningstedt zugrunde lagen. Die
Abweichung betrug im Mittel 77 mm/a, wobei sie örtlich von 17 - 122 mm/a schwankte. Gleiches trifft in analoger Weise für die Maxima zu. Vergleicht man nun den Mittelwert aller Varianten mit den Ergebnissen der o.a. plausibelsten, so sind die Unterschiede eher gering. Der
Mittelwert aller Varianten lag etwa 9 mm/a über dem der plausibelsten Variante (vgl. OTTO
1992d).
Im Februar 1993 wurde das Grundwasserneubildungsmodell um den südlichen Anschlussbereich des Modellteilgebiets Großhansdorf ergänzt. Ziel war es, den südlichen Zustrom in
das Untersuchungsgebiet, der sich aus der Kontrollfunktion des Grundwassermodells ergab,
zu quantifizieren (OTTO 1993). Darüber hinaus wurde das Grundwasserneubildungsmodell
um eine Umverteilungsoption ergänzt. Nach AGSTER (1993) muss nämlich davon ausgegangen werden, dass die für die ungesättigte Zone ermittelte Grundwasserneubildungsrate
auf dem Wege zum modellierten Grundwasserleiter innerhalb der Deckschicht horizontal
umverteilt wird. Der Grad der Umverteilung in Prozent läßt sich mit dem Grundwasserneubildungsmodell beliebig einstellen.
Die Umverteilungsoption war die letzte Änderung, die auf Wunsch des Modellaufstellers vorgenommen wurde. Mit dieser Berechnungsvariante (Dateiname: GWN_END2.WK3) wurde
die Grundwasserneubildungsberechnung für das Modellteilgebiet Großhansdorf abgeschlossen. Diese letzte Modellversion ist Bestandteil dieses Berichtes und wird im Nachfolgenden
detailliert erläutert.
3.1 Berechnung des Wasserüberschusses auf der Grundlage thematischer und topographischer Karten
3.1.1 Schichtenfolge und Flächennutzung
Die oberflächennahe Schichtenfolge des Modellteilgebietes Großhansdorf kam vornehmlich
während der letzten Vereisung vor ca. 14000-18000 Jahren (Frankfurter Stadium der
Weichseleiszeit) zur Ablagerung. Es sind sandig-kiesige, z.T. tonige Endmoränenablagerungen sowie eine aus Geschiebemergeln und -lehmen ausgebildete Grundmoräne. Örtlich
treten zudem Beckentone auf. Flachere Depressionen, welche früher mit Wasser gefüllt waren, sind im Laufe des Holozäns unter Bildung von Flachmoortorfen verlandet. Organische
Ablagerungen und bindige Sedimente finden sich ebenfalls in den Talauen. Die Gesamtmächtigkeit der pleistozänen Ablagerungen beträgt außerhalb der elstereiszeitlichen Rinnen
bis zu 100 m, wobei die Geschiebemergel bis zu 40 m mächtig sein können. In den Rinnen
erreicht die Quartärbasis Tiefen von -250 m NN (vgl. AGSTER 1996).
26
Auf Basis der geologischen Karten 1:25.000 Bl. Ahrensburg, Bl. Trittau und Bl. Eichede (vgl.
RANGE 1935a,b; WOLFF 1912) sowie einer Manuskriptkarte des Geologischen Landesamtes Schleswig-Holstein (Bl. Bargteheide) wurden Art und Verbreitung der oberflächennah
anstehenden, geologischen Schichtenfolge zunächst auf eine Transparentfolie übertragen,
auf der auch die Modellgebietsgrenzen eingezeichnet waren. Hierbei wurde nur zwischen
Sand- und Lehmböden unterschieden. Unter "Sandboden" ist Sand in seinem gesamten
Korngrößenspektrum zu verstehen. Auf Grund der Datenlage konnte keine weitere Differenzierung, wie etwa bei SCHROEDER & WYRWICH (1990) beschrieben, vorgenommen werden. Es wurden auch die Areale als Sandflächen eingestuft, in denen "Sand über Geschiebemergel" auskartiert worden war, da für den Infiltrationsprozeß und die Evapotranspiration
der oberflächlich anstehende Sand maßgeblich ist. Unter "Lehm" fallen die an der Oberfläche anstehenden Geschiebelehme bzw. -mergel und Beckentone, aber auch die Hochflutlehme in den Talauen sowie anmoorige Böden bis hin zu Moorbildungen.
Die Flächennutzung wurde anhand der topographischen Karte 1:25.000 ermittelt. Vier Nutzungsarten konnten hierbei unterschieden werden:
-
ackerbaulich genutzte Gebiete, Gartenflächen, Grünland,
Waldgebiete (undifferenziert),
versiegelte Flächen (Ortschaften, Verkehrsflächen etc.),
offene Wasserflächen.
Ackerbaulich genutzte Gebiete und Grünland wurden zu einer Gruppe zusammengefasst, da
sie sich in bezug auf die mittlere Gebietsverdunstung ähnlich verhalten (DEUTSCHER
VERBAND FÜR WASSERWIRTSCHAFT UND KULTURBAU, 1984). Selten findet man im
Untersuchungsgebiet Gärten mit dichtem Baumbestand (erhöhte Verdunstung). Daher wurden auch die Gartenflächen der ersten Gruppe zugeordnet. Forstwirtschaftlich genutzte Gebiete ließen sich ebenfalls nicht weiter unterteilen. Einerseits sind Wälder mit unterschiedlichem Baumbestand und Alter anhand der topographischen Karte nicht eindeutig gegeneinander abzugrenzen, andererseits findet man im Untersuchungsgebiet ohnehin meistens
Mischwald vor. Der Grad der Oberflächenversiegelung konnte anhand der topographischen
Karten zumindest grob abgeschätzt werden (vgl. Kap. 3.1.4).
Die Transparentfolie mit der geologischen Schichtenverbreitung wurde nun mit der Flächennutzungskarte zur Deckung gebracht und für jede einzelne Zelle des Rasters der prozentuale Anteil von Schicht- und Nutzungsart ermittelt. Diese Vorgehensweise soll am Beispiel einer Rasterzelle des Grundwasserneubildungsmodells Ellerbeker Rinne nachstehend erläutert werden (S. 27, Abb. 3.1).
Die Abbildung zeigt im Ausschnitt die Bilsbek, einen Nebenfluss der Pinnau. Für die mit A
abgegrenzten Areale wurde oberflächennah Sand auskartiert, welcher ackerbaulich oder als
Grünland genutzt wird. In der Mitte des Bildes befindet sich auf der Sandfläche ein Wäldchen (Signatur B). In der eigentlichen Bilsbekniederung wurden Hochflutlehme und Ge-
27
Abb. 3.1:
Rasterzelle 11/24 des Grundwasserneubildungsmodells 'Ellerbeker Rinne' mit
Verbreitung der geologischen Schichten,
unterteilt nach Nutzungsarten. Die Seitenlänge beträgt 500 m.
schiebemergel mit Grünlandnutzung angetroffen, welche die Signatur C erhielten. Oben
rechts ist ein kleiner See zu sehen (E). Die Gruppe Wald auf lehmigem Boden ist im Bereich
dieser Zelle nicht vorhanden. Ebenso gibt es keine versiegelten Flächen.
Prozentual ergibt sich für diese Rasterzelle folgende Verteilung (Systemeigenschaft):
(A)
(B)
(C)
(D)
(E)
(-)
Sandboden mit Acker/Grünland:
Sandboden mit Wald:
Lehmboden mit Acker/Grünland:
Lehmboden mit Wald:
offene Wasserflächen:
versiegelte Flächen:
23 %
4%
67 %
0%
6%
0%
Diese Flächeninformation wurde nun zur Berechnung der Grundwasserneubildung in die
Arbeitsblätter des Grundwassermodells (Dateiname: GWN_END2.WK3) wie folgt eingegeben:
- Das erste Arbeitsblatt (A) enthält zellenbezogen die prozentualen Flächenanteile von
Sandböden mit Acker, Grünland und Gartennutzung (Anl. 1 u. Abb. 2.5). Darüber hinaus
enthält das Arbeitsblatt die Funktionsgleichung zwischen Wasserüberschuss und Niederschlag (Lysimetergeradengleichung) sowie eine Angabe zum Prozentsatz der o.a. Sandflächen am gesamten Untersuchungsgebiet.
Oberflächennah befinden sich größere zusammenhängende Sandflächen im Nordwesten
des Untersuchungsgebietes südwestlich von Bargteheide sowie zwischen Ahrensburg
und Bargteheide südlich Hammoor. Darüber hinaus wurde im westlichen und südlichen
Ahrensburg sowie im Bereich der Ortschaften Großhansdorf, Schmalenbek und Lütjensee eine sandige Deckschicht auskartiert (vgl. auch AGSTER 1996).
28
- Das Arbeitsblatt B erfasst die Anteile von Sandböden mit Wald (Anl. 2). Diesem Arbeitsblatt ist wiederum neben den prozentualen Waldanteilen, bezogen auf die einzelnen Rasterzellen, die Lysimetergleichung für Sandböden mit Waldnutzung nach DYCK &
CHARDABELLAS (1963) zu entnehmen. Es ist augenfällig, dass der Anteil von Sandflächen mit Waldbewuchs im Untersuchungsgebiet gering ist. Während 27,3 % der Fläche
des Untersuchungsgebietes als Sandgebiete mit Acker- und Grünland ausgewiesen sind,
sind dies bei bewaldeten Sandflächen nur 8,2 %. Einzelne Rasterzellen mit mehr als 50
% Waldnutzung auf Sand sind nur in der Mitte des Untersuchungsgebietes zwischen
Hammoor und Großhansdorf sowie in Großhansdorf selbst zu verzeichnen, zudem südlich von Lütjensee (vgl. Abb. 1.2).
- Die Flächenanteile von Lehmböden mit Acker, Grünland und Gartennutzung wurden ähnlich wie die für die Bodenart Sand ermittelt. Auch hier wurde davon ausgegangen, dass
die Gebietsverdunstung dieser drei Nutzungsarten auf Lehm annähernd gleich ist. Zunächst wurden alle Lehmflächen abgegrenzt, welche die o.a. Nutzungsmerkmale besitzen. Danach erfolgte für jede einzelne Rasterzelle die Ermittlung des prozentualen Flächenanteils dieser Boden- und Nutzungsart sowie die Übertragung dieser Zahlenwerte in
das Arbeitsblatt C der Tabellenkalkulationsdatei (Anl. 3). Das Arbeitsblatt D (Anl. 4) erfasst in analoger Weise Lehmböden mit Wald.
Der Anteil der Lehmböden an der Gesamtfläche des Untersuchungsgebietes beträgt
63,8 %. Hiervon werden 60,0 % ackerbaulich oder als Grünland genutzt, während 3,8 %
auf Waldgebiete entfallen. Diese kleinen Waldgebiete auf Lehm befinden sich nördlich
Todendorf sowie östlich von Hoisdorf.
3.1.2 Verdunstung von offenen Wasserflächen
Für die Verdunstung von offenen Wasserflächen (Binnengewässer) wurde ein Schätzwert
von 500 mm/a angenommen, welcher im Rahmen des Seenprogramms Schleswig-Holstein
des Landesamtes für Wasserhaushalt und Küsten S.-H. ermittelt wurde. Er stellt, bezogen
auf die Verdunstungsberechnung z.B. nach PENMAN (1948, 1954, 1956, 1963) die untere
Grenze der möglichen Verdunstungsbandbreite dar (HILDEBRAND 1992, mdl. Mitt.).
Die offenen Wasserflächen wurden mit Hilfe der Topographischen Karten 1:25.000 abgegrenzt und als Prozentwerte auf das Knotenraster übertragen. Es werden insgesamt nur
0,6% des Untersuchungsgebietes von ihnen eingenommen. Größere Seeflächen finden sich
im Nordwesten des Gebietes bei Delingsdorf sowie im Südosten bei Hoisdorf und Großensee.
29
Der Wasserüberschuss offener Wasserflächen errechnet sich wie folgt:
WÜoff. Wasserfl. = N - Eo
mit
N = Niederschlag
und
Eo = Verdunstungsschätzwert.
3.1.3 Abgrenzung von Flächen mit geringem Grundwasserflurabstand und deren Einfluss
auf die Gebietswasserbilanz
Die Beziehungen zwischen Sickerwasseranteil und Niederschlag, welche von DYCK &
CHARDABELLAS (1963) mit Hilfe statistischer Auswertungen von Lysimeterdaten gewonnen wurden, können nicht ohne weiteres auf Gebiete mit geringem Grundwasserflurabstand
übertragen werden. Als Folge des kapillaren Aufstiegs aus dem Grundwasser bis in die effektive Wurzelzone steht der Vegetation für die Verdunstung mehr Wasser zur Verfügung
als im Bereich grundwasserferner Standorte. Erreicht das Kapillarwasser die Erdoberfläche,
führt dieses zu einer erhöhten Bodenevaporation. Nach JOSOPAIT & LILLICH (1975) müssen daher solche Gebiete mit einer zusätzlichen Verdunstung von bis zu 150 mm/a beaufschlagt werden. Eine ähnliche Größenordnung wird von ALAILY et al. (1986) sowie
WESSOLEK et al. (1985) in bezug auf den Zusammenhang zwischen Grundwasserneubildung und Grundwasserflurabstand beschrieben. So fanden sie heraus, dass unter Ackerflächen bei Grundwasserflurabständen kleiner 1 m mit einer zusätzlichen Verdunstungsrate
von bis zu 100 mm/a bei entsprechender Abminderung der Grundwasserneubildung zu
rechnen ist. KAVIANI (1973) untersuchte mit Hilfe mehrerer bewachsener Lysimeter den
Tab. 3.1:
Zusammenhang zwischen der Verdunstung aus dem Grundwasser
(in mm/a) und dem Grundwasserflurabstand für mehrere Lysimeterstandorte im Raum westlich von Hannover nach KAVIANI, 1973 (Bodenart: schluffig-lehmiger Sand).
Bodenart: S,u,l
Grundwasserflurabstand/Verdunstung
aus dem Grundwasser (in mm/a)
Grundwasserflurabstand
50 cm
100 cm
120 cm
150 cm
1968
1969
1970
295,6
293,8
315,2
106,9
80,7
90
60,2
-51,7
12,8
4,8
12,9
Mittelwert der Verdunstung
301,5
92,5
55,9
10,2
30
Zusammenhang zwischen Grundwasserflurabstand und Verdunstung aus dem Grundwasser. Die Kleinlysimeter waren mit Bodenmonolithen (ungestört) aus schluffigem und lehmigem Sand gefüllt. Nach SCHULTZE & MUHS (1967) beträgt die kapillare Steighöhe eines
solchen Substrats zwischen 0,3 und 1,0 m. Für sein Testgebiet westlich von Hannover ergaben sich für die Kalenderjahre 1968 bis 1970 folgende aus dem Grundwasser stammenden
Verdunstungsmengen in mm/a (Tab. 3.1). Während die Verdunstung aus dem Grundwasser
bei 50 cm Grundwasserflurabstand in den Jahren 1968-1970 etwa 300 mm betrug, ging sie
bei 150 cm Flurabstand bis auf 10 mm zurück. Bei 100 cm Grundwasserflurabstand betrug
sie 92 mm/a.
WOHLRAB et al. (1992) geben als Verdunstung einer Wiese auf einem grundwasserfernen
Standort im Mittel 445 mm/a an, für eine grundwasserbeeinflußte Wiese 515 mm/a (Messzeitraum: Abflussjahr 1979-1984). EGGELSMANN (1973) bezifferte die mittlere Verdunstungsrate einer sumpfigen Wiese (Niedermoor) mit 550 mm/a. Die aufgeführten Beispiele
dokumentieren, dass die Erhöhung der Verdunstung bei geringen Grundwasserflurabständen standortspezifisch ist und ihre Höhe von vielen Komponenten abhängt. Für das Untersuchungsgebiet wurde angenommen, dass sie bei geringen Grundwasserflurabständen etwa 90 mm/a höher ist als im Bereich grundwasserferner Standorte. Dieser Wert orientiert
sich an der o.a. Literatur.
Im Untersuchungsgebiet ist ein Grundwassermessstellennetz, mit Hilfe dessen sich die Flurabstände z.B. in den Niederungsgebieten konstruieren lassen, nicht vorhanden. Auch liegt
keine bodenkundliche Kartierung vor, aus der die Verteilung von Grundwasserböden entnommen werden kann. Es wurde daher der Grad der Grundwasserbeeinflussung aus den
topographischen und geologischen Karten abgeleitet. So finden sich Areale mit geringem
Grundwasserflurabstand vornehmlich in den Talniederungen der Oberflächengewässer, besonders dort, wo auf den topographischen Karten Drängräben eingezeichnet sind. Gleiches
gilt für Gebiete mit der Kartensignatur "Moor, Moos, Bruch" sowie für Vernässungszonen. In
den geologischen Karten sind Gebiete mit grundwasserbeeinflußten Böden unter den Bezeichnungen "Moorbildungen" bzw. "Anmoorige Bildungen" zusammengefasst. Diese decken sich meist mit den anhand der topographischen Karten auskartierten Flächen und wurden ebenfalls für die Abgrenzung grundwasserbeeinflußter Böden herangezogen.
Für jede einzelne Rasterzelle des Untersuchungsgebietes wurde so der prozentuale Anteil
der Flächen mit Grundwasserbeeinflussung abgeschätzt und im Arbeitsblatt E der Tabellenkalkulation abgelegt (Anl. 5). Durch die Multiplikation eines jeden Feldes dieser Zahlenmatrix
mit einem variabel implementierten "zusätzlichen Verdunstungswert" (hier 90 mm/a für 100
% Grundwasserbeeinflussung, s.o.) ergibt sich im selben Arbeitsblatt eine weitere Zahlenmatrix, welche die zusätzliche Verdunstung in mm/a enthält (vgl. Anl. 6). Diese entspricht
dem Betrag, um den der Wasserüberschuss einer jeden Zelle abgemindert werden muss.
31
10,5 % der Fläche des Untersuchungsgebietes werden von Bereichen mit geringem Grundwasserflurabstand eingenommen. Daraus resultiert unter den o.a. Randbedingungen eine
zusätzliche Verdunstung von etwa 9,5 mm/a. Das Gros dieser Flächen ist entlang der Talung der Aue, vor allem in deren Unterlauf, zu suchen. Weitere Flächen befinden sich zwischen Oetjendorf und Todendorf, südlich von Mollhagen (Gölmer Moor) sowie westlich und
östlich von Bargteheide (Abb. 1.2). Auch das Ahrensburg-Stellmoorer Tunneltal, das sich
vom südlichen Stadtrand von Ahrensburg bis Hamburg Rahlstedt erstreckt, weist in weiten
Teilen Areale mit geringem Grundwasserflurabstand auf (vgl. KÖLLING & SCHLÜTER
1988).
3.1.4 Die Auswirkung von Oberflächenversiegelung auf die Grundwasserneubildung
Die Anlage von Siedlungen, Industrie- und Verkehrsflächen führt zunehmend zu einer Versiegelung der Erdoberfläche. Dadurch wird der Wasser- und Wärmehaushalt der oberflächennahen Schichtenfolge nachhaltig verändert. So kommt es z.B. im Großraum Berlin als
Folge der Urbanisierung zu einer nachweisbaren Erwärmung der oberflächennahen Schichtenfolge bis in Tiefen von 100 m (OTTO et al. 1996). Darüber hinaus führt die Versiegelung
der Erdoberfläche zu einer Verminderung der Grundwasserneubildung und der Verdunstung, verbunden mit einer Erhöhung des Oberflächenabflusses (BAUMGARTNER &
LIEBSCHER 1990). Ein großer Teil des auf die Erdoberfläche auftreffenden Niederschlages
wird über die Dachentwässerung und Regenwasserkanalisation direkt und ohne nennenswerte Retention in die Vorfluter abgeleitet. Hierbei erhöht sich der Abflussbeiwert bei gleichzeitiger Abnahme der Laufzeiten der Hochwasserwellen (WITTENBERG 1974). Allerdings
können die durch Versiegelung entstandenen Grundwasserneubildungsdefizite unter Umständen durch Leckagen in den urbanen Wasserversorgungs- und Abwassernetzen ausgeglichen werden (vgl. LERNER 1990).
Auch PREUSS (1978b) hat im Rahmen seiner wasserhaushaltlichen Modellierung des Billeeinzugsgebietes östlich von Hamburg festgestellt, dass mit zunehmender Verstädterung des
Einzugsgebietes ein deutlicher Rückgang von Verdunstung und Grundwasserneubildung bei
einem gleichzeitigen Anstieg des Abflusses zu erwarten ist.
Anhand der topographischen Karten wurde für das Untersuchungsgebiet der Grad der
Überbauung ermittelt. Demnach ist für 10,6 % der Fläche eine in den meisten Fällen lockere
Bebauung ausgewiesen. Zur Ermittlung der Grundwasserneubildungsrate mussten die mit
dieser Oberflächenversiegelung verbundenen Auswirkungen auf den Wasserhaushalt berücksichtigt werden. Dieses geschah in Anlehnung an JOSOPAIT & LILLICH (1975), indem
für diese Flächen ein Oberflächenabfluss angesetzt wurde, der dem von Hangflächen entspricht (B-Flächen).
32
3.1.5 Ermittlung des langjährigen Gebietsniederschlages
Die Gesamtheit des Niederschlags eines Gebietes setzt sich aus vielen Einzelkomponenten
zusammen, die sich durch die nachstehenden Gleichungen ausdrücken lassen:
N = NF + NT + NS + I
NB = N - EI
mit
N
NB
NF
NT
NS
I
EI
Gebietsniederschlag, Freilandniederschlag
Bestandesniederschlag
durch den Vegetationsbestand gefallener Niederschlag,
von der Vegetation abgetropfter Niederschlag (Traufwasser),
Stamm- und Stengelablauf,
Interzeption
Interzeptionsverdunstung
Für großräumige Wasserhaushaltsbetrachtungen ist eine Differenzierung in die obigen Niederschlagskomponenten mit Ausnahme der Interzeption nur von geringem Interesse. Letztere Interzeptionsverluste, also die Verdunstung unmittelbar von der Pflanzenoberfläche, nehmen, wie SOMMER-VON JARMERSTED (1992) beschreibt, in Abhängigkeit von der Niederschlagshöhe Größenordnungen von bis zu 30% des Freilandniederschlages ein. BENECKE
& VON DER PLOEG (1978) geben für die Kronen-Interzeptionsverdunstung alter Fichtenbestände 4,7 mm, für Buchenbestände 2,6 mm pro Einzelniederschlag an. Die Interzeptionsverdunstung konnte und brauchte im Rahmen der vorgestellten Untersuchungen als Bilanzglied nicht ermittelt werden, da bei der Verwendung von Lysimetergleichungen zur Bestimmung des Wasserüberschusses diese Verluste bereits berücksichtigt sind.
Die Berechnungsgrundlage zur Ermittlung des Gebietsniederschlages bildeten die Daten
von insgesamt 12 Niederschlagsmessstationen des Deutschen Wetterdienstes und der
Hamburger Wasserwerke. Ihre Lage ist der Abbildung 3.2 zu entnehmen, die mittleren Niederschlagshöhen der Jahre 1971-1990 der Tab 3.2. Aus diesen Niederschlagszeitreihen
wurden jeweils 400 willkürlich ausgewählte 13-Jahreskombinationen zusammengestellt und
von diesen der Mittelwert einschließlich Standardabweichung berechnet. Dieses geschah zur
Ermittlung der in den Niederschlagsdaten enthaltenen Bandbreite bezogen auf die Länge
des Bilanzzeitraumes. Mit einer Standardabweichung < ± 3% ist die mittlere Abweichung der
Niederschlagsdaten von ihrem Mittelwert gering. Dieses gilt ebenso für die Bandbreite der
aus den o.a. Ergebnissen berechneten Grundwasserneubildungsraten. Da der Aufsteller
(vgl. HOFFMANN 1996a,b) des Grundwassermodells solch geringe Unterschiede in den
Ausgangsdaten anhand seiner Modellergebnisse nicht verifizieren konnte, beschränkt sich
dieser Bericht auf die Darstellung der Grundwasserneubildungsraten bei Zugrundelegung
der mittleren Niederschlagshöhen.
33
Tab. 3.2:
Mittlere Jahresniederschläge der Niederschlagsstationen im Umfeld des Modellteilgebietes Großhansdorf sowie die Jahresmittelwerte des Abflusses am Pegel
Bünningstedt für den Zeitraum 1971-1990.
Nr.
Ab- Borstel Bad BargflussOldes- tejahr
loe
heide
Todendorf
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
1971
1972
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
Stein- Ahren Trittau Rein- Wald- Großhorst s- burg
bek dörfer hansdorf
Gro- Glinde Abßenfluss
see
Pegel
Bünningstedt
[mm/a] [mm/a] [mm/a] [mm/a] [mm/a] [mm/a] [mm/a] [mm/a] [mm/a] [mm/a] [mm/a] [mm/a] [l/s]
682
701
715
803
688
611
780
838
663
1011
1001
753
852
776
680
839
952
916
702
778
642
696
541
852
643
523
740
772
652
905
913
622
762
703
677
772
843
883
714
694
638
677
636
873
727
607
813
844
668
951
975
693
802
823
725
847
891
867
708
832
662
715
651
950
770
635
816
772
641
979
978
677
778
810
664
821
938
830
719
786
547
641
534
888
638
523
694
743
616
875
956
687
758
758
668
772
921
841
733
762
593
653
650
902
679
607
771
880
648
974
987
696
857
849
728
812
927
812
743
866
599
641
637
904
709
608
757
780
716
945
1019
636
788
786
716
760
933
771
810
796
625
643
614
888
623
562
693
861
737
933
961
679
767
836
664
772
879
806
749
763
610
738
693
914
693
561
772
904
734
993
1056
774
875
889
754
889
981
919
865
863
637
705
639
975
730
625
789
817
653
948
950
619
774
833
690
794
878
822
709
795
653
668
667
929
745
638
884
828
742
978
1074
681
843
850
749
749
872
749
787
787
603
638
596
857
721
540
719
834
767
916
1001
649
765
761
681
773
875
777
724
700
370
178
161
533
605
298
377
408
379
411
620
360
620
430
361
429
490
603
325
363
Mittelwert
20 Jahre
787
727
780
780
728
782
766
753
824
769
794
745
416
Mittelwert
1931-1960
1951-1980
1971-1983
734
783
777
719
731
713
750
753
762
--771
680
688
700
780
-761
742
744
749
720
727
737
--794
--759
--795
--739
--409
786
727
779
780
728
782
765
752
825
769
794
744
417
Standardabw.
20
19
18
19
21
20
19
18
23
18
19
19
22
Mittelwert der
400 Kombin.
zuzgl. Stdabw.
abzgl. Stdabw
806
766
746
708
797
761
798
762
749
707
802
762
784
746
770
734
848
802
787
751
813
775
763
724
439
395
Mittelwert von
400
13-JahresKombinationen
34
Söhren
HL-Schönböken
Kreis Segeberg
Borstel
Hansestadt
Lübeck
Bad Oldesloe
Steinhorst
Bargteheide
Todendorf
Waldörfer
Ratzeburg
Großhansdorf
Nusse
Ahrensburg
Großensee
Kreis Stormarn
Trittau
Mühlenrade
Breitenfelde
Kreis
Hzgt. Lauenburg
Glinde
Reinbek
Langenlehsten
Schwarzenbek
HH-Reitbrook
Geesthacht
Hamburg
Elbe
0
Abb. 3.2:
Lütau
Niedersachsen
5
Lauenburg
10km
Lage der Niederschlagsstationen im Bereich des Untersuchungsgebietes
Südost-Holstein. Die Namen der Stationen, deren Daten im Modellteilgebiet
Großhansdorf Verwendung fanden, sind in der Abb. unterstrichen.
Der Abb. 3.2 ist zu entnehmen, dass nur drei Stationen (Bargteheide, Todendorf, Großhansdorf) innerhalb der Untersuchungsgebietsgrenzen des Modellteilgebiets Großhansdorf lie-
35
gen. Die übrigen 9 Stationen scharen sich mehr oder weniger nahe der Grenze des Gesamtuntersuchungsraumes. Dieses führt dazu, dass bei der Regionalisierung der Niederschläge
die innenliegenden Stationen ein besonderes Gewicht bekommen. Alle Niederschlagswerte
wurden konventionell (HELLMANN-Niederschlagsmesser, Höhe 100 cm über dem Boden)
ermittelt.
Die regionale Verteilung der langjährigen Niederschlagsmittelwerte, welche knotenbezogen
für die Berechnung des Wasserüberschusses benötigt werden, wurden mit Hilfe eines geostatistischen Computerprogramms (SURFER) ermittelt. Das Surfergrid wurde so dimensioniert, dass es bezogen auf die Hoch- und Rechtswerte sowie auf die Zellengröße dem
Grundwasserneubildungsraster in der Tabellenkalkulationsdatei entsprach. Die in eine X/YMatrix umgewandelten Berechnungsergebnisse konnten so recht einfach über den Weg
einer ASCII-Datei in das Arbeitsblatt F der Grundwasserneubildungsdatei GWN_END2.WK3
(Anl. 7) importiert werden. Als Interpolationsverfahren wurde KRIGING (linear) gewählt.
Der so ermittelte mittlere Gebietsniederschlag für die 13-Jahreszeitreihe beträgt 778 mm/a
bei einer Standardabweichung von ± 0,7%. Der niedrigste Wert liegt bei 760 mm/a, der
höchste bei 792 mm/a. Während die Niederschlagshöhe im Nordwesten und Südosten des
Untersuchungsgebietes größer als der Mittelwert ist, liegt sie im Nordosten und in der Mitte
des Gebietes darunter. Im Bereich der Station Großensee steigen die Niederschläge bis auf
794 mm/a an (Anl. 7; Abb. 1.2).
3.1.6 Berechnung des Wasserüberschusses
Nach Auswertung der geologischen und topographischen Karten (vgl. Kap. 3.1) wurde nun
der rasterzellenbezogene Wasserüberschuss in Anlehnung an das Verfahren von
JOSOPAIT & LILLICH ermittelt. Der Wasserüberschuss WÜ einer Rasterzelle ist hierbei
diejenige Wassermenge, die im langjährigen Mittel weder verdunstet noch oberirdisch oder
nahe der Bodenoberfläche abfließt. Ist dieser Direktabfluss vernachlässigbar klein, entspricht der Wasserüberschuss der Sickerwasserhöhe. Seine Berechnung basiert auf den
Ergebnissen von Lysimeterauswertungen. Für die Bodenarten Sand und Lehm mit Acker/Grünland- und Waldnutzung wurden Funktionsgleichungen zwischen Niederschlag und
Wasserüberschuss aufgestellt. Es handelt sich dabei um lineare Beziehungen, die im Wesentlichen auf einer statistischen Auswertung der Daten vieler Lysimeteranlagen nach
DYCK & CHARDABELLAS (1963) basiert. Mit Hilfe des für jede Rasterzelle ermittelten Gebietsniederschlagswertes wurde so die Höhe des Wasserüberschusses in Abhängigkeit von
der Boden- und Nutzungsart berechnet. In bezug auf die Anwendbarkeit und den Geltungsbereich des Berechnungsansatzes sei auf die ausführliche Diskussion in Kap. 2 (S. 9) verwiesen.
36
Wenngleich sich SCHROEDER (1980) kritisch zur Anwendung von Lysimetergeradengleichungen äußert, sind auch bei seinen 1990 vorgestellten Verdunstungsuntersuchungen an
der Lysimeteranlage St. Arnold bei Rheine durchaus signifikante lineare Abhängigkeiten
zwischen dem Niederschlag und der Sickerwasserhöhe zu erkennen. Allerdings beschränkt
sich der Geltungsbereich dieser Lysimetergeradengleichungen auf langjährige Mittelwerte,
da nur so die Einflüsse der Wassergehaltsänderungen im Bodenspeicher vernachlässigt
werden können (stationäre Verhältnisse).
Der vorgestellten Grundwasserneubildungsberechnung liegen unter Berücksichtigung der
Schichtenfolge und Flächennutzung folgende Funktionsgleichungen zugrunde (vgl. DYCK &
CHARDABELLAS 1963):
Sandböden mit
Acker und Grünland:
Wald:
WÜ = 1,1 ⋅ N - 433
WÜ = 1,1 ⋅ N - 474
Lehmböden mit
Wald:
WÜ = 1,1 ⋅ N - 558
WÜ = 1,1 ⋅ N - 578
Demnach ist der Wasserüberschuss bei Sandböden mit Acker und Grünland am höchsten,
da die Verdunstung vergleichsweise gering ist und zudem der Niederschlag schnell versickern kann (Feldkapazität gering). Bei Lehmböden mit Waldnutzung hingegen ist der Wasserüberschuss am geringsten, da die nutzbare Feldkapazität solcher Böden groß ist und
somit infiltriertes Niederschlagswasser den Pflanzen länger zur Verfügung steht. Hinzu
kommt, dass die Verdunstungsrate (Transpiration, Interzeptionsverdunstung) im Bereich von
Wäldern, besonders von Nadelwäldern, im Vergleich zu Acker- und Grünland groß ist.
In den Arbeitsblättern A bis D der Datei GWN_END2.WK3 sind für jede Rasterzelle des Untersuchungsgebietes die Flächenanteile von Sand- und Lehmböden mit Acker/Grünlandnutzung oder Wald abgelegt (vgl. Anl. 1, 2, 3, 4). Am oberen Rand der Arbeitsblätter ist auch die lineare Funktionsgleichung zur Berechnung des Wasserüberschusses angegeben. Die Steigung der Geraden sowie der Y-Achsenabschnitt sind frei wählbar.
Zur Berechnung des Wasserüberschusses (Arbeitsblatt G, Anl. 8) wurden zunächst die Zahlenfelder der Blätter A bis D zellenweise über eine Formel miteinander verknüpft, deren
Glieder aus den o.a. Funktionsgleichungen und dem für die Rasterzelle ermittelten Niederschlagswert bestehen. Mit Fproz als prozentualer Flächenanteil von geologischer Schicht und
Nutzungsart gilt somit für jede Rasterzelle:
WÜ*Zelle =
Σ
Fproz ⋅ WÜ(N) ,
A-D
oder detaillierter ausgedrückt:
WÜ*Zelle
=
FSand/Acker, Grünland ⋅ WÜ Sand/Acker, Grünland + FSand/Wald ⋅ WÜ Sand/Wald
+
FLehm/Acker, Grünland ⋅ WÜ Lehm/Acker, Grünland +
FLehm/Wald
⋅ WÜ Lehm/Wald
37
Die obige Gleichung muss nun noch um den Wasserüberschuss im Bereich der offenen
Wasserflächen ergänzt werden. Wie im Kap. 3.2 dargelegt, berechnet sich dieser als Differenz zwischen dem Niederschlag N und dem Schätzwert der Verdunstung, multipliziert mit
dem prozentualen Flächenanteil der Wasserflächen. In der unten stehenden Gleichung ist
mit WÜ* die auf S. 36 unten stehende Wasserüberschußkomponente gemeint. Für jede
Rasterzelle gilt demnach
WÜ**Zelle
mit
= WÜ*Zelle + Foff. Wasserfl. ⋅ WÜoff. Wasserfl.
WÜoff. Wasserfl. = N - Eo
Eo
ca. 500 mm/a (vgl. Kap. 3.1.2)
Wie im Kap. 3.3 beschrieben, kommt es bei geringem Grundwasserflurabstand zu einem
kapillaren Aufstieg von Grundwasser bis in die Durchwurzelungszone und höher. Dadurch
nehmen die Pflanzenverdunstung und Bodenevaporation zu. Gegenüber grundwasserfernen
Standorten kann diese Verdunstungserhöhung bis zu 150 mm/a betragen. Für das Untersuchungsgebiet wurde in diesem Fall eine Verdunstungserhöhung von 90 mm/a angenommen.
Der Wasserüberschuss einer jeden Rasterzelle, die grundwasserbeeinflußte Flächenanteile
aufweist, muss daher um den Betrag dieser zusätzlichen Verdunstung reduziert werden.
Wenn z.B. eine Rasterzelle zu 50% Gebiete mit geringem Grundwasserflurabstand enthält,
so resultiert daraus eine Abminderung des Wasserüberschusses um 45 mm/a. Als Formel
ausgedrückt ergibt sich:
mit
WÜZelle
= WÜ**Zelle - AgG ⋅ Ez
AgG
=
prozentualer Flächenanteil mit geringem Grundwasserflurabstand
Ez
=
Zusätzliche Verdunstung bei geringem Grundwasserflurabstand (i.M. 90 mm/a).
Die oben beschriebenen Flächenanteile der Boden- und Nutzungsarten und der offenen
Wasserflächen müssen als Summe 1 ergeben. Die Fläche AgG ist nicht Bestandteil der Flächenaufteilung einer jeden Rasterzelle. Geringe Grundwasserflurabstände und dadurch erhöhte Verdunstungsraten können in allen o.a. Teilflächen auftreten.
Die für jede Rasterzelle des Arbeitsblattes G implementierte Formel zur Berechnung des
Wasserüberschusses lautet vollständig:
38
WÜZelle
=
FSand/Acker, Grünland ⋅ WÜSand/Acker, Grünland + FSand/Wald ⋅ WÜSand/Wald +
FLehm/Acker, Grünland ⋅ WÜLehm/Acker, Grünland + FLehm/Wald ⋅ WÜLehm/Wald +
Foff. Wasserfl. ⋅ (N - Eo) - AgG ⋅ Ez
mit
FSand/Acker, Grünland + FSand/Wald+ FLehm/Acker, Grünland + FLehm/Wald + Foff. Wasserfl.+ FVeff = 1
und
WÜZelle
=
Gesamtwasserüberschuß einer Zelle
WÜSand/Acker, Grünland =
Wasserüberschuss auf Sandböden mit Acker- und Grünlandnutzung
FSand/Acker, Grünland
=
proz. Flächenanteil von Sandböden mit Acker und Grünland
N
=
Niederschlag der Rasterzelle
Foff. Wasserfl.
=
proz. Flächenanteil von offenen Wasserflächen
Eo
=
Schätzwert der Verdunstung von offenen Wasserflächen
AgG
=
Flächenanteil von Gebieten mit geringem Grundwasserflurabstand
Ez
=
Zusätzliche Verdunstung bei geringem Grundwasserflurabstand (z.B. 90 mm/a).
In der Tabellenkalkulationsdatei werden alle Summanden der o.g. Gleichung über die Zelladressen, in denen die entsprechenden Informationen abgelegt sind, verknüpft. Für die Rasterzelle 1/1 (Nordwestecke des Gebietes) lautet die Verknüpfungsformel:
WÜZelle 1/1 =
+
A:B6*(A:$L$3*H:B6-A:$N$3)
(Lys.-Gl. 1)
+
B:B6*(B:$M$3*H:B6-B:$O$3)
(Lys.-Gl. 2)
+
C:B6*(C:$M$3*H:B6-C:$O$3)
(Lys.-Gl. 3)
+
D:B6*(D:$M$3*H:B6-D:$O$3)
(Lys.-Gl. 4)
+
-
E:B45
F:B48
(WÜ off. Wasserfl.)
(zus. Verd. bei niedr.
Grundwasserflurabst.)
Dieses Verknüpfungsschema braucht nur einmal und zwar für nur eine Zelle in das Arbeitsblatt J der Grundwasserneubildungsdatei eingegeben werden und kann dann von dieser
Zelle aus auf das gesamte Rasterfeld kopiert werden. Hierbei erhalten die Nachbarzellen
automatisch einen um "1" oder einen Buchstaben (A B) erhöhten Zellindex, wie das nachstehende Beispiel zeigt:
39
WÜZelle 1/1 =
+
A:B6*(A:$L$3*H:B6-A:$N$3) + B:B6*(.. usw.) + ..
[Zelle 1/1]
WÜZelle 1/2 =
+
A:C6*(A:$L$3*H:C6-A:$N$3) + B:C6*(.. usw.) + ..
[Zelle östl. 1/1]
WÜZelle 2/1 =
+
A:B7*(A:$L$3*H:B7-A:$N$3) + B:B7*(.. usw.) + ..
[Zelle südl. 1/1]
Die mit "$" versehenen Zelladressen verändern sich durch den Kopiervorgang nicht (feste
Zelladressen). Es sind die in den Arbeitsblättern A, B, C und D implementierten Parameter
der Lysimetergleichungen.
Gemäß Anl. 8 beträgt der mittlere Wasserüberschuss im Modellteilgebiet Großhansdorf
330 mm/a. Die Bandbreite erstreckt sich von 230 mm/a bis 477 mm/a bei einer Standardabweichung von ca. 15 %. Im Bereich der Talauen (Hunnau/Aue) mit geringem Grundwasserflurabstand sowie in Moorgebieten (z.B. Hammoor, Gölmer Moor) bewegt er sich in einer
Größenordnung von 200-300 mm/a. Grundwasserferne Standorte mit sandig ausgebildeter
Deckschicht weisen hingegen mit über 400 mm/a einen hohen Wasserüberschuss auf. Es
wäre hier der Bereich Timmerhorn südwestlich von Bargteheide sowie der gesamte Südteil
des Untersuchungsgebietes zu nennen. Hier erstreckt sich von Siek bis Ahrensburg ein
sandig-kiesiger Endmoränenzug, der NN-Höhen bis zu 85 m erreicht.
40
3.2
Ermittlung und Regionalisierung des mittleren langjährigen Oberflächenabflusses
Die Grundwasserneubildung errechnet sich aus der Differenz zwischen dem Wasserüberschuss und dem oberirdischen bzw. oberflächennahen Abfluss Ao (vgl. Kap. 2, S. 9 ff.).
Während sich der Wasserüberschuss in der oben gezeigten Art und Weise flächendifferenziert ermitteln läßt, liegen Abflussdaten nur als Einzugsgebietsintegrale vor, d.h. die an einen
Pegelstandort aus der Wasserstandskurve abgeleiteten Tagesmittelwerte des Abflusses
beziehen sich auf die Gesamtheit des oberirdischen Einzugsgebietes.
Um den oberirdischen bzw. oberflächennahen Abfluss dennoch flächendifferenziert und bezogen auf die aus der Wasserüberschußberechnung vorgegebenen Rasterzellen regionalisieren zu können, musste der o.a. mittlere Abfluss zunächst in einen oberirdischen und einen unterirdischen, grundwasserbürtigen Anteil aufgeteilt werden. Der aus dieser Berechnung resultierende oberirdische Abfluss wurde in Anlehnung an das Verfahren von
JOSOPAIT & LILLICH (1975), orientiert an der Reliefenergie des Untersuchungsgebietes,
auf Tal-, Hang-, Hoch- und versiegelte Flächen aufgegliedert.
Im Bereich des Modellteilgebietes Großhansdorf wird vom gewässerkundlichen Dienst
Schleswig-Holsteins ein Pegel zur Ermittlung von Abflüssen betrieben (Pegel Bünningstedt).
Sein Einzugsgebiet umfasst etwa 50 % der Fläche des Modellteilgebietes (110 km²), d.h. die
Hälfte dieses Gebietes ist, bezogen auf den Bilanzzeitraum, mit Abflussdaten abgedeckt.
Darüber hinaus war die Frage zu klären, ob im Untersuchungsgebiet Bereiche vorhanden
sind, wo kein hydraulischer Kontakt zwischen dem modellierten Grundwasserleiter und den
Vorflutern besteht oder wo influente Verhältnisse vorherrschen. In diesen Gebietsteilen
muss zur Berechnung der Grundwasserneubildung nicht der oberirdische und oberflächennahe, sondern der Gesamtabfluss vom Wasserüberschuss in Abzug gebracht werden (s.u.).
Die Abflussermittlung im Untersuchungsgebiet umfasste nicht nur die Auswertung und Regionalisierung von Daten des o.a. Pegels Bünningstedt. Es wurde darüber hinaus ein umfangreiches hydrologisches Messprogramm zur Erkundung der gebietsspezifischen Abflussverhältnisse durchgeführt sowie ein temporärer Abflusspegel östlich von Ahrensburg errichtet
und 18 Monate lang betrieben (vgl. OTTO 1989b).
3.2.1 Hydrologie der Oberflächengewässer im Modellteilgebiet Großhansdorf mit Analyse
des Abflusses bei Trockenwetter
Die Lage der Oberflächengewässer einschließlich ihrer oberirdischen Einzugsgebiete AEo,
welche im Rahmen des o.a. hydrologischen Messprogramms untersucht wurden, ist der
41
Wasserscheide Nordsee/Ostsee
Wasserscheide
Nordsee/Ostsee
Abb. 3.3:
Lage der Einzugsgebiete der Oberflächengewässer im Modellteilgebiet Großhansdorf, welche in das hydrologische Messprogramm einbezogen wurden.
Dargestellt sind die Abflussspenden der Teileinzugsgebiete, welche im Rahmen der Stichtagabflussmessung am 1.9.1988 ermittelt wurden
(LANDESAMT FÜR WASSERHAUSHALT UND KÜSTEN S.-H. 1989).
42
Abb. 3.3 zu entnehmen. Ihre Gesamtfläche beträgt 196 km2 und geht damit über die des
Modellteilgebietes (Abb. 3.3: Kasten) weit hinaus. Die Hauptvorfluter des Gebietes sind die
Ammersbek (Hunnau, Aue) mit ihren Quellflüssen sowie die Beste. Der Südosten des Gebietes gehört zum Einzugsgebiet der Bille, der südliche Rand zum Einzugsgebiet der
Wandse. Die oberirdische Wasserscheide zwischen Elbeeinzugsgebiet und Ostseeküste
verläuft von Bargteheide nach Süden bis 1 km westlich Beimoor und von dort über Todendorf zur östlichen Grenze des Untersuchungsgebietes. Sie ist in der Abbildung als dicke,
durchgezogene Linie gekennzeichnet.
In der Tab. 3.3 sind die Hauptvorfluter aufgeführt, welche das Untersuchungsgebiet entwässern. Die einzelnen Gewässerabschnitte wurden in der Tabelle wie auch in Abb. 3.3 mit 4stelligen Nummern versehen. Die erste Ziffer bezeichnet den Hauptvorfluter, die nächsten
drei je nach Ordnung die Nebengewässer. Wurden an einem Gewässerabschnitt gleicher
Ordnung mehrere Abflussmessungen gemacht, wurde dies durch eine an die 4-stellige
Nummer angehängte Ziffer (z.B. 1100.1 o. 1100.2) zum Ausdruck gebracht.
Tab. 3.3:
Ergebnisse der Stichtagabflussmessung vom 1.9.1988 bei Niedrigwasser im Modellteilgebiet Großhansdorf.
Messstelle
AEO
AEO in %
QSt
qSt
[km²]
von
A
[l/s]
[l/s/km²]
EOges.
________________________________________________________________
1000.1
2100.3
2200.4
2300.1
3000.1
4000.1
5110.1/
5210.1
5120.1
6000.1
Gewässer
Ammersbek
Beste
Tremsb. Au
Süderbeste
Bredenbek
Wandse
Großensee
97,42
23,07
25,71
2,51
7,07
14,4
11,39
50,0
11,8
13,2
1,3
3,6
7,4
5,8
286,0
43,0
18,0
10,0
29,0
0,0
36,0
2,9
1,9
0,7
4,0
4,1
0,0
3,2
Lütjensee
10,35
5,3
18,0
1,7
Stellmoorer
2,82
1,4
2,0
0,7
Quellfluss
________________________________________________________________
Summe
194,74
100,0
442,0
Am 30.6. und 1.9.1988 wurden im Bereich des Modellteilgebietes Großhansdorf an 41 nahezu gleichmäßig über das Gebiet verteilten Gewässerpunkten Stichtagabflussmessungen bei
Niedrigwasser durchgeführt. Ziel der Untersuchung war es, über den Vergleich von Abflusszuwachs und Abflussspenden einzelner Gewässerabschnitte Hinweise auf die hydrologischen und hydrogeologischen Zusammenhänge im Untersuchungsgebiet zu erlangen. Es
sollten insbesondere Gebiete mit geringem Niedrigwasserabfluss oder Abflussrückgang von
Bereichen mit hohen Abflussspenden abgegrenzt werden. Die zweite Stichtagabflussmes-
43
sung hatte den Zweck, unter optimierten Messbedingungen die Ergebnisse der ersten
Messkampagne zu stützen (vgl. OTTO 1988c, 1989a).
Die Messstellenstandorte der Messung vom 1.9. entsprachen denen der Stichtagabflussmessung vom 30.6.1988. Im Vorfeld der zweiten Messungen wurden zur Optimierung der
Messbedingungen die Gewässerquerschnitte behelfsmäßig ausgebaut. Um die für die
Messgeräte erforderliche Mindestwassertiefe von 6 cm zu gewährleisten, mussten stellenweise die Gewässerquerschnitte eingeengt und zudem die Ufer im Messprofil senkrecht verbaut werden. In schmalen Gewässern mit schlammiger Gewässersohle verbesserten sich
die Messbedingungen nach dem Einbau von U-Profilen aus Schaumbeton. Im Gegensatz
zur ersten Stichtagabflussmessung wurde der Abstand der Messlotrechten enger gewählt.
Die Messungen selbst wurden in einer länger anhaltenden Trockenperiode durchgeführt. So
betrugen die Monatssummen der Niederschläge im Juni 1988 41,5 mm, im August 47,5 mm.
Die Niederschläge verteilen sich auf wenige Tage, wobei im Juni der höchste Tagesniederschlag 8,6 mm, im August 23,1 mm betrug. Insgesamt liegen die monatlichen Niederschläge
im Juni und August deutlich unter den langjährigen Monatsmittelwerten (Juni: 85 mm; August: 74 mm).
Die Ergebnisse der Stichtagabflussmessungen sind in der Abb. 3.3 dargestellt. Da die Messfehler auf Grund der geringen Wasserführung relativ hoch waren, wurden die Ergebnisse
zwar zahlenmäßig dargestellt, jedoch nur qualitativ ausgewertet. Die größten Abflussspenden treten am Westrand des Untersuchungsgebietes im Unterlauf der Ammersbek (Messstelle 1000.1) auf, ebenso im Einzugsgebiet der Bredenbek (3000.1). In diesen orographisch
tiefgelegenen Teileinzugsgebieten sind die oberflächennahen, jungpleistozänen Geschiebemergel und -lehme, welche den oberen pleistozänen Hauptgrundwasserleiter (HWL) abdecken, erodiert oder kamen nicht zur Ablagerung. Demzufolge streichen dort die Schichten
des HWL an der Erdoberfläche aus, so dass es zu einer erhöhten Grundwasserabfluss auch
in trockenen Klimaperioden kommt. Der Norden und der Südosten des Gebietes (Süderbeste, Lütjensee/Großensee) weisen ebenfalls höhere Abflussspenden auf. Auch hier liegen die
zugehörigen Messstellen auf einem relativ niedrigen Geländeniveau.
Im mittleren und südlichen Teil des Untersuchungsgebietes, d.h. im oberirdischen Einzugsgebiet der Ammersbek (auch Hunnau/Aue), sind die Abflussspenden gering. Zum Teil herrschen sogar influente Verhältnisse. Es handelt sich geologisch um einen sandig/kiesigen
Endmoränenzug, der NN-Höhen von bis zu 70 m erreicht. Der hohe Grundwasserflurabstand
bewirkt, dass die Gewässer nur nach längeren Regenperioden Wasser führen. Die hohe
negativ Abflussspende am Westrand des Gebietes (Abb. 3.3: Einzugsgebiet 1100.6) wurde
entlang der Aueniederung im Umfeld des Schlosses Ahrensburg gemessen. Da hier die
Ammersbek aufgestaut wird und es dadurch vermutlich zu einer unterirdischen Umläufigkeit
bzw. Grundwasserabstrom kommt, ist dieser Wert mit großer Unsicherheit behaftet. Der
Ostteil des Untersuchungsgebietes weist geringe bis mäßige Abflussspenden auf. Hier ent-
44
wässern kleinere, lokal begrenzte Grundwasserleiter im Hangenden des Hauptwasserleiters
in die Vorflut.
Betrachtet man die Einzugsgebiete der Hauptvorfluter, so liegt die Abflussspende der Ammersbek (Hunnau/Aue) bei 2,9 ls-1km-2 , die der Bredenbek bei 4,1 ls-1km-2 (vgl. Tab. 3.3).
Die gleiche Größenordnung weisen der Großensee sowie die Süderbeste auf. Die Wandse
am Südrand des Untersuchungsgebietes war zum Zeitpunkt der Stichtagabflussmessung
versiegt.
3.2.2 Analyse des Abflusses nach MAILLET
Während einer Trockenwetterperiode verringert sich der Abfluss eines Gewässers nach den
Gesetzmäßigkeiten einer Exponentialfunktion (MAILLETsches Gesetz, Gl. 1, 1a). Der zu
einem Zeitpunkt t gemessene Abfluss Qt setzt sich hierbei aus den unterschiedlichsten Abflusskomponenten (Qoberirdisch, QInterflow, QDrän u.a.) zusammen. Über die Scharung geradliniger, parallel verlaufender Ganglinienabschnitte im einfach-logarithmischen Netz läßt sich das
Leerlaufverhalten eines Einzugsgebietes differenzieren (Abb. 3.4, 3.5).
Abb. 3.4:
Abflußganglinie der Ammersbek (Hunnau/Aue) am Pegel Bünningstedt im
Zeitraum von September 1988 bis Juli 1989.
45
Abb. 3.5:
Abflussganglinie der Ammersbek (Hunnau/Aue) an der Messstelle 1100.4,
Ortsumgehung Ahrensburg, im Zeitraum von September 1988 bis Juli 1989.
Mathematisch lassen sich diese Zusammenhänge wie folgt ausdrücken:
(Gl. 1)
(Gl. 1a)
Qt
bzw.
Qt
=
=
-αt
Q0 · e
-αt
Q0 · e
(MAILLETsches Gesetz)
-α1t
[ + Q01 · e
+ ... ]
daraus folgt für den Auslaufkoeffizient α
(Gl. 2)
ln Qt =
(Gl. 3)
α
=
ln Q0 - α · t
(ln Q0 - ln Qt)/t
(Erläuterung der Formelzeichen siehe S. 46 u.)
Die Auslaufkoeffizienten α, welche sich als logarithmische Steigung dieser Auslauffunktionen ergeben (Gl. 2 u. 3), geben Auskunft über das Retentions- und Speichervermögen des
Einzugsgebietes. Ist der Auslaufkoeffizient groß, so ist das Retentions- und Speichervermögen klein. Von gleichem Aussagewert sind die Halbwertszeiten t½, d.h. die Zeiten, in denen
46
sich der Abfluss an einer Abflussmessstelle um die Hälfte verringert (Gl. 4). Der noch abflussfähige Wasservorrat QAb ist das Wasservolumen, welches bei Trockenwetter ab einer
bestimmten Zeit t über den Vorfluter aus dem Einzugsgebiet abfließen kann (Gl. 5-8). Sowohl die Auslaufkoeffizienten, die Halbwertszeiten und die noch Abflussfähigen Restmengen
geben auch Auskunft über Art und Speichervolumen der Grundwasserleiter im Einzugsgebiet.
Für die Halbwertszeit t½ mit Qt = ½Q0 gilt:
(Gl. 4)
t½
=
ln 2/α .
Der noch abflussfähige Grundwasservorrat QAb errechnet sich gemäß
(Gl. 5)
QAb
mit
t1
⌠
-αt
=  Q0 · e dt
⌡
t0
⌠ -ax
-ax
 e dx = - 1/a · e ± C
⌡
und
a
mit Q0 = const.
b
⌠
 f(x) dx = F(b) - F(a).
⌡
Daraus folgt für QAB:
(Gl. 6)

 t1
QAb = -Q0/α ·  e-αt 

 t0
-αt0
für t0 = 0
gilt: e
(Gl. 7)
bzw.
= 1,
QAb = -Q0/α ·
für t1 = ∞


 e-αt1 - e-αt0 


-αt1
gilt: e
=0
QAb = lim -Q0/α · (-1)
t1→∞
Q0
QAb = 
α
(Gl. 8)
mit
Qt
Q0
QAb
t
α
:
:
:
:
:
Abfluss zum Zeitpunkt t
Abfluss bei t = 0
abflussfähiger Wasservorrat
Zeit
Auslaufkoeffizient
3 -1
[m s ]
3 -1
[m s ]
3]
[m
[d]
-1
[d ]
47
Die Analyse der Trockenwetterabflusskurven nach MAILLET wurde bislang vorwiegend für
Einzugsgebiete mit Festgesteinsgrundwasserleitern angewendet (vgl. HOFFMANN 1973,
WEYER 1972, UDLUFT 1972, KARRENBERG & WEYER 1970, TOUSSAINT 1981).
EINSELE (1978) sowie UDLUFT & BLASY (1975) diskutieren zudem Ergebnisse aus Einzugsgebieten mit pleistozänen Lockergesteinsgrundwasserleitern. Hierbei deutet sich an,
dass die von diesen Autoren dargestellten Ergebnisse einer großen Schwankungsbreite unterliegen und somit auf schleswig-holsteinische Verhältnisse nicht ohne weiteres übertragbar
sind.
Ein Vergleich der Abflussganglinien der Ammersbek (Hunnau/Aue) am Pegel Bünningstedt
und der Messstelle 1100.4 (Ortsumgehung Ahrensburg) sollte Aufschluss über die Entwässerungsmechanismen und den Wasserkreislauf der Einzugsgebiete geben. Zur kontinuierlichen Aufzeichnung des Wasserstandes an vorgenannter Messstelle wurde zum 1.9.1988
behelfsmäßig ein Schreibpegel installiert, welcher den Wasserstandsgang mit Hilfe einer
Druckdose aufzeichnete. Der Gang des Abflusses an beiden Pegelstandorten ist für den
Zeitraum von September 1988 bis Juli 1989 in den Abbildungen 3.4 und 3.5 dargestellt. Die
ebenfalls abgebildete Niederschlagsverteilung basiert auf Daten der Klimastation Ahrensburg des Deutschen Wetterdienstes.
Einzugsgebiet
Beste / Trave
Einzugsgebiet
Alster
Bünningstedt
Am
Hume
nn rsb
au e
k
ek
rsb
me nau
Am Hun
Ortsumgehung
Ahrensburg
p
Ho
ba
fen
ch
Teileinzugsgebiet
Unterlauf
Einzugsgebiet
Wandse
Abb. 3.6:
Teileinzugsgebiet
Oberlauf
Einzugsgebiet
Bille
Einzugsgebietgrenze
Nordsee / Ostsee
Einzugsgebiet der Hunnau
Gewässer
Grenze des Teileinzugsgebietes
Lage der Einzugsgebiete der Pegel Bünningstedt und Ortsumgehung Ahrensburg. Das Modellteilgebiet Großhansdorf ist als Quadrat dargestellt.
48
Das Einzugsgebiet des Pegels Bünningstedt umfasst ca. 63 km², das des Pegels 1100.4 als
Teileinzugsgebiet des ersteren ca. 42 km², d.h. das Teileinzugsgebiet im Unterlauf der Ammersbek (Hunnau/Aue) ist etwa 21 km² groß (vgl. Abb. 3.6).
Die Abflussganglinien beider Pegel zeigen während des Winterhalbjahres (11/88-4/89) einen
vergleichbaren Verlauf. Insgesamt sind die Abflüsse hoch. Der mittlere Winterabfluss der
-1
-2
Ammersbek beträgt am Pegel Bünningstedt 407 l/s, am Pegel 1100.4 245 l/s (6,4 ls km
-1
-2
bzw. 5,8 ls km ). In den Sommermonaten des Messzeitraumes (9/88-10/88, 5/89-7/89) differieren hingegen die Abflüsse sehr stark. Der MQSommer beträgt am Pegel Bünningstedt
-1
-2
-1
-2
287 l/s (4,5 ls km ), am Pegel 1100.4 54 l/s (1,3 ls km ). In den Sommermonaten fielen
etwa 390 mm Niederschlag, im Winter 330 mm.
Als Folge der hohen Evapotranspiration während der warmen Jahreszeit geht die Grundwasserneubildungsrate auf null zurück. In dieser Zeit werden die Oberflächengewässer fast
ausschließlich durch Grundwasser gespeist. Der hohe Sommerabfluss im Unterlauf der
Ammersbek deutet darauf hin, dass hier das Gewässer hydraulisch an den ergiebigen, pleistozänen Hauptgrundwasserleiter (HWL) angebunden ist. Die geringen Sommerabflüsse im
Oberlauf sind ein Indiz dafür, dass hier nur die hangenden, lokal begrenzten Grundwasserleiter in den Vorfluter exfiltrieren. Durch die Grundwasserabsenkung des Wasserwerks
Großhansdorf sowie die topographische Hochlage in Teilen des Einzugsgebietes liegt nämlich die Vorflutersohle oberhalb der Grundwasseroberfläche des HWL.
Auch hinsichtlich ihres Abflussverhaltens unterscheiden sich beide Einzugsgebiete
(Tab. 3.4). Trägt man die an den Pegeln ermittelten mittleren täglichen Abflüsse einfachlogarithmisch auf, lassen sich in Phasen von Trockenwetterabfluss - es gilt dann das o.a.
MAILLETsche Gesetz - für die Hunnau am Pegel Bünningstedt 5 Scharen von geradlinigen
Ganglinienabschnitten unterscheiden (Abb. 3.4). Für die Ammersbek am Pegel Ortsumgehung Ahrensburg (1100.4) sind es nur 2 (Abb. 3.5).
Die Ganglinienabschnitte 1 bis 4 in Abb. 3.4 stellen eine Summation von Basis-, Zwischenund Oberflächenabfluss gemäß Gl. 1a dar. Bei der vorliegenden Untersuchung wurde eine
rechnerische Abtrennung dieser Abflusskomponenten nicht durchgeführt, da es bei der vorliegenden Datenbasis als nicht sinnvoll erschien.
49
Tab. 3.4: Auslaufkoeffizienten und Halbwertszeiten des Abflusses der Ammersbek (Hunnau/Aue) an den Pegeln Bünningstedt und Ortsumgehung Ahrensburg (1100.4).
Pegel Bünningstedt
hydrologische
Kenngrößen
Q0
Qt
∆t
[l/s]
[l/s]
[d]
Gerade
1
1500,0
60,0
9,8
Gerade
2
1000,0
50,0
16,5
Gerade
3
1000,0
30,0
46,5
Gerade
4
750,0
50,0
59,0
Gerade
5
140,0
20,0
87,0
α
t½
[1/d]
[d]
3,3·10
2,1
-1
1,8·10
3,8
-1
7,5·10
9,2
-2
4,6·10
15,1
-2
2,2·10
31,0
-2
Ortsumgehung
Ahrensburg
(1100.4)
Gerade Gerade
1
2
1000,0
1900,0
30,0
45,0
17,0
30
-1
2,1·10
3,4
-1
1,2·10
5,6
Gemäß Tab. 3.4 umfassen die Auslaufkoeffizienten α der Ammersbek am Pegel Bünningstedt eine Spanne von 3,3·10-1d-1 (Direktabfluss) bis 2,2·10-2d-1 (Basisabfluss). Die
Halbwertszeiten des Abflusses, d.h. die Zeit, in der sich der Abfluss um die Hälfte verringert
(Gl. 4), liegen zwischen 2 und 31 Tagen. In den Ganglinienabschnitten (1) und (2) dokumentiert sich der Oberflächenabfluss, während die Halbwertszeiten von 9 und 15 Tagen (Abb.
3.4: Ganglinienabschnitte 3 und 4) auf Zwischenabfluss (Interflow) und Dränwässer zurückzuführen sind. Der Ganglinienabschnitt (5) stellt den Basisabfluss dar, in diesem Fall den
Abfluss aus dem pleistozänen Hauptgrundwasserleiter.
Die Abflussganglinie des Oberlaufs zeigt nur 2 Scharen von geradlinigen Ganglinienabschnitten, welche zueinander parallel verlaufen (Abb. 3.5). Die Auslaufkoeffizienten betragen
2,1·10-1d-1 (1) bzw. 1,2·10-1d-1 (2), die zugehörigen Halbwertszeiten 3,4 bzw. 5,6 Tage (Tab.
3.4). Auch dieser Kurvenverlauf ist auf Oberflächenabflüsse und Dränwässer zurückzuführen. Ein Basisabfluss, der mit dem Ganglinienabschnitt (5) in Abb. 3.4 vergleichbar wäre,
konnte nicht beobachtet werden. In der Vegetationsperiode geht hingegen der Abfluss auf
fast null zurück. Nur starke Niederschläge machen sich in Form kurzzeitiger Abflussspitzen
bemerkbar. Es zeigt sich also, dass das Speichervermögen des Einzugsgebietes im Oberlauf der Ammersbek gering ist. Sommerniederschläge (Abb. 3.5: rechter Ganglinienabschnitt) verdunsten oder fließen als oberirdischer Abfluss unmittelbar ab. In den Wintermonaten (Abb. 3.5: linker Ganglinienabschnitt) entwässern nach vorangegangener Auffüllung
nur lokal begrenzte, hangende Grundwasserleiter.
Ein weiterer Parameter zur Kennzeichnung des Auslaufverhaltens eines Grundwasserleiters
ist der noch abflussfähige Wasservorrat QAb eines Einzugsgebietes zu einem Zeitpunkt t. Er
berechnet sich als bestimmtes Integral der Auslauffunktion (Gl. 1, 5 u. 8) von t = 0 bis t = ∞.
Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung wurde QAb für 2 Zeitpunkte berechnet, die jeweils am Ende einer Trockenperiode im Winter- und im Sommerhalbjahr lagen.
50
Tab. 3.5: Abflussfähige Grundwasservorräte der Ammersbek (Hunnau/Aue) an
den Pegeln Bünningstedt und 1100.4 an den Stichtagen 12.2.1989
und 23.6.1989.
Pegel Bünningstedt
Q12.2.89
Q23.6.89
= 0,154 m³/s
= 0,122 m³/s
α
= 2,6·10 s
QAB 12.2.
QAB 23.6.
= 592.000 m³
= 469.000 m³
-7
-1
Pegel Ortsumgehung
Ahrensburg (1100.4)
abzügl. Einleitungen
Q12.2.89
= 0,064 m³/s
Q23.6.89
= 0,032 m³/s
-7
-1
α
= 2,6·10 s
QAB 12.2.
QAB 23.6.
= 246.000 m³
= 132.000 m³
Q12.2.89
Q23.6.89
= 0,085 m³/s
= 0,006 m³/s
α
= 1,4·10 s
QAB 12.2.
QAB 23.6.
=
=
-6
-1
60.700 m³
4.300 m³
Gemäß Tab. 3.5 beträgt QAb am Pegel Bünningstedt am 12.2.1989 592.000 m3, am
3
23.6.1989 469.000 m . Bringt man die in die Vorflut eingeleiteten Wassermengen (Kläranlage Ahrensburg) zum Abzug, reduziert sich QAb auf 246.000 m3 im Winter und 123.000 m3 im
Sommer. Obwohl der Pegel 1100.4 nur 4.5 km oberhalb des Pegels Bünningstedt liegt, sind
hier die Abflussfähigen Grundwasservorräte deutlich geringer. Ab dem 12.2.1989 können
3
3
hier nur 60.700 m entwässern, ab dem 23.6.1989 nur noch 4.300 m . Es bestätigt sich also,
dass oberstromig des Pegels 1100.4 kein Grundwasser aus dem pleistozänen Hauptgrundwasserleiter in den Vorfluter übertritt. Ursache hierfür ist die Absenkung der Grundwasseroberfläche im Bereich der Ost-/Westgalerie des WW Großhansdorf, die entlang der Ammersbek gebaut wurde und ihr Wasser aus dem pleistozänen Hauptgrundwasserleiter fördert.
Im Grundwasserneubildungsmodell Großhansdorf wurden daher die beiden Teileinzugsgebiete hinsichtlich des Oberflächenabflusses unterschiedlich bewertet. Da im Oberlauf der
Ammersbek das in den Vorfluter exfiltrierende Grundwasser demzufolge nicht aus dem modellierten Grundwasserleiter stammen kann, wurde diese Abflusskomponente als Interflow
dem oberirdischen Abfluss zugeschlagen. Daraus folgt, dass zur Grundwasserneubildungsberechnung in diesem Teil des Einzugsgebietes vom Wasserüberschuss die Gesamtabflussspende Mq in Abzug gebracht wurde. Die Stichtagabflussmessungen zeigten, dass sich
der Nordostteil des Untersuchungsgebietes (Einzugsgebiet der Beste) hydrologisch ähnlich
verhält wie der Oberlauf der Ammersbek. Es wurde daher postuliert, dass auch hier kein
Kontakt zwischen Vorflut und HWL besteht.
Im Unterlauf der Ammersbek (Hunnau/Aue) lag der Ao-Anteil des Abflusses bei etwa 60%
des langjährigen Mq-Wertes.
51
3.2.3 Der langjährige Abflussgang an den Pegeln Bünningstedt und 1100.4 (Ortsumgehung Ahrensburg)
In Schleswig-Holstein wird vom Landesamt für Natur und Umwelt (LANU) gemeinsam mit
den Ämtern für Land- und Wasserwirtschaft (ÄLW) ein Abflussmessstellennetz betrieben. Es
dient dazu, das Abflussverhalten einzelner Fließgewässer sowie zusammenhängender Gewässersysteme zu ermitteln. Hierbei sind Kenntnisse über Wasserstandshöhen und Abflussmengen im Hinblick auf wasserbauliche Maßnahmen und Hochwasserschutz von besonderem Interesse. Darüber hinaus bilden die Abflussdaten die Beurteilungsgrundlage in
bezug auf mögliche Auswirkungen von Gewässerbenutzungen (z.B. Be- und Entwässerung
landwirtschaftlicher Flächen, Einleitungen etc.) und Maßnahmen zur Gewässerregeneration.
In Verbindung mit hydrochemischen Wasseruntersuchungen sind Aussagen zum Stoffhaushalt der Gewässer möglich.
Die Planung des Pegelmessnetzes, die Digitalisierung der Pegelaufzeichungen einschließlich Datenaufbereitung und -korrektur sowie das Führen der gewässerkundlichen Statistik
einschließlich problembezogener Datenanalysen fallen hierbei in den Aufgabenbereich des
LANU. Die gerätetechnische Betreuung der Pegel sowie die Messwerterfassung vor Ort obliegt dem jeweiligen Amt für Land- und Wasserwirtschaft.
Mit dem Messnetz, bestehend aus ca. 90 Dauerpegeln, werden etwa 40 % der Landesfläche
Schleswig-Holsteins erfasst. 20 weitere Pegelanlagen werden im Rahmen von Sonderuntersuchungen temporär betrieben. Für weitere 40 % des Landes lassen sich Vorfluterabflüsse
mit Hilfe von Pegelaufzeichnungen nicht bestimmen, weil dort der Einfluss der Gezeiten
(Nordseeküste) oder der Rückstau durch Ostseeeinfluss die Ermittlung einer Wasserstands/Abflussbeziehung verhindert, d.h. die Wasserstandsganglinien können nicht in Abflussganglinien umgesetzt werden (s.u.). Für einige Pegel liegen die Wasserstands- und Abflussdaten bereits seit Ende des 19. Jahrhunderts vor. Der größte Teil des Messnetzes wurde
jedoch in den 50er-Jahren dieses Jahrhunderts in Betrieb genommen. Während die Wasserstands- und Abflussdaten vor 1971 als Tagesmittelwerte in Listenform vorgehalten wurden, werden sie ab diesem Zeitpunkt in digitaler Form abgelegt.
Der Vorfluterabfluss mit all seinen Einzelkomponenten (Ao, Au, AInterflow) stellt im Rahmen der
Grundwasserneubildungsermittlung ein wichtiges wasserhaushaltliches Bilanzglied dar. Als
oberirdischer Abfluss ist hierbei derjenige Anteil des Gesamtabflusses zu verstehen, welcher
nach einem Niederschlagsereignis unmittelbar an oder sehr nahe der Erdoberfläche abfließt.
Der unterirdische Anteil entsteht durch die Exfiltration von Grundwasser in die Vorfluter. Der
Abflussgang eines Gewässers wird in der Regel mit Hilfe gewässerkundlicher Pegelanlagen
an einem definierten Gewässerquerschnitt ermittelt. Die am Pegel aufgezeichneten Wasserstände (W) werden dabei mit Hilfe einer Wasserstands-/Abflussbeziehung in Abflussmengen
(Q) umgesetzt. Eine messtechnische Auftrennung in einen oberirdischen und einen unterirdischen Anteil ist nicht möglich. Daher müssen die für das Pegeleinzugsgebiet ermittelten,
52
mittleren Abflüsse (MQ-Werte) rechnerisch oder graphisch in einen oberirdischen und einen
unterirdischen Anteil aufgeteilt werden. Hier bieten sich z.B. die Verfahren nach
NATERMANN (1958), WUNDT (1955, 1967) oder KILLE (1970) an. Für die vorgestellte
Grundwasserneubildungsberechnung kamen die Ansätze nach WUNDT und KILLE zur Anwendung, die den unterirdischen (grundwasserbürtigen) Anteil des Abflusses aus der Höhe
der monatlichen Niedrigwasserabflüsse ableiten. Eine anschauliche Beschreibung der einzelnen Abflusskomponenten einschließlich einer Zusammenstellung von Berechnungsverfahren findet sich auch bei KOEHLER (1971).
Im Modellteilgebiet Großhansdorf wird seit 1958 der Pegel "Bünningstedt" zur Abflussermittlung betrieben. Seit 1981 werden seine Wasserstands- und Abflussdaten im DEUTSCHEN
GEWÄSSERKUNDLICHEN JAHRBUCH, UNTERES ELBEGEBIET, veröffentlicht (Hrsg: FHH, Behörde
für Wirtschaft, Verkehr und Landwirtschaft, Strom und Hafenbau). Am Zusammenlauf von
Hopfenbach und Hunnau, unmittelbar an der östlichen Ortsumgehung von Ahrensburg (Abb.
3.3 u. 3.6), wurde im August 1988 eine weitere Abflussmessstelle mit Schreibpegel errichtet
und von September 1988 bis Juli 1990 in das hydrologische Messprogramm einbezogen. Da
für die Wasserhaushaltsuntersuchungen langjährige Mittelwerte des Abflusses benötigt wurden (1971-1990), musste die am Pegel Ortsumgehung Ahrensburg ermittelte Abflusszeitreihe mit Hilfe von linearer Regression extrapoliert werden.
3.2.3.1
Ermittlung der Wasserstands-/Abflussfunktion
Die Wege zur Ermittlung einer Wasserstands-/Abflussfunktion sind im Bericht "Empfehlung
für die Ermittlung von Abflusskurven" des LANDESAMTES FÜR WASSERHAUSHALT UND
KÜSTEN S.-H. (1978) anschaulich beschrieben. Die dortige Vorgehensweise wurde auch
auf die Wasserstandsaufzeichnungen der Pegel "Bünningstedt" und "Ortsumgehung
Ahrensburg" angewandt.
Abb. 3.7:
Querschnittsfläche F eines Gewässers mit Lage der Messlotrechten und
Messpunkte.
53
Im Gegensatz zur kontinuierlichen Registrierung der Wasserstände W an Pegeln können die
Abflüsse Q im Allgemeinen nur durch Einzelmessungen des Durchflusses bei bestimmten
Wasserständen W ermittelt werden. Der Durchfluss hängt hierbei von der Querschnittsfläche F des Gewässers, dem Wasserstand W und der Fließgeschwindigkeit v ab. Da das
Fließverhalten eines Gewässers auf Grund von Reibungseinflüssen (Sohlreibung, Verkrautung etc.) nicht gleichmäßig ist, muss zur Durchflussermittlung die Fließgeschwindigkeit
möglichst an vielen, über den Querschnitt verteilten Punkten, die auf mehreren Messlotrechten angeordnet sind, gemessen werden (Abb. 3.7). Aus den Fließgeschwindigkeiten und den
zugehörigen Profiltiefen wird für jede Messlotrechte die Geschwindigkeitsfläche konstruiert
und deren Größe (f-Wert) bestimmt (Abb. 3.8). Die einzelnen f-Werte werden nun in einem
Diagramm über den zugehörigen Messlotrechten aufgetragen. Danach wird unter Einbindung der Gewässerbreite die Einhüllende (f-Kurve) gezeichnet. Den Durchfluss erhält man
z.B. durch Planimetrieren der Fläche unter der f-Kurve (Abb. 3.9).
Abb. 3.8:
Konstruktion der Geschwindigkeitsfläche auf einer Messlotrechten (entnommen: BRETSCHNEIDER; LECHER & SCHMIDT
1993).
Abb. 3.9:
Messquerschnitt und Konstruktion
der f-Kurve. Die Integration der
Fläche unter der Kurve (Schraffur)
ergibt den Durchfluss (entnommen:
BRETSCHNEIDER;
LECHER & SCHMIDT 1993).
54
Aus einer genügend großen Anzahl von Abflussmessungen bei verschiedenen Wasserständen an einem Pegel lassen sich Beziehungen zwischen Wasserständen und Abflüssen herstellen. Die gewonnen Wertepaare (W/Q) werden im Allgemeinen in einem rechtwinkligen
Koordinatensystem aufgetragen. Eine durch diese Punkteschar gelegte ausgleichende Linie
stellt die Abflusskurve dar. Je mehr Abflussmessungen besonders im Hoch- und Niedrigwasserbereich vorliegen, desto genauer läßt sich die Abflusskurve bestimmen. Ursache der
Streuung der Wertepaare ist die Abhängigkeit des Abflussvorganges vom Zustand der jahreszeitlich wechselnden Verkrautung im Gewässer (Abflusshemmung). Aus den Messungen
allein läßt sich daher nie exakt eine Abflusskurve bestimmen, so dass zusätzlich auf rechnerische Verfahren zur Berücksichtigung der Abflusshemmung zurückgegriffen werden muss.
Aus den Koordinaten der Abflusskurve wird die Abflusstafel erstellt, die der Ermittlung des
zum jeweiligen Wasserstand gehörenden Abflusses dient. Diese Methode der Abflussermittlung kann nur bei kraut- und rückstaufreien sowie bei tideunbeeinflussten Fließgewässern
angewendet werden.
In bezug auf die Aufstellung der W/Q-Beziehung wird in der schleswig-holsteinischen Wasserwirtschaftsverwaltung den Ansätzen von HAHN (1951) gefolgt, der als W/Q-Beziehung
eine Parabelfunktion höherer Ordnung vorschlägt. Der Abfluss Q ist hierbei die abhängige,
der Wasserstand W o die unabhängige Variable:
Q = f(W o)
mit
Q
k
Wo
b
=
=
=
=
bzw.
b
Q = k · Wo
Abfluss
Konstante (Streckung der Abszisse)
auf den Punkt Q = 0 reduzierter Wasserstand
Pegelspezifischer Exponent
Logarithmiert man diese Gleichung, ergibt sich:
lg Q = lg k + b · lg W o
Ersetzt man lg Q durch y, lg k durch a und lg W o durch x, resultiert daraus eine Geradengleichung in der Form
y = a + b · x.
Der Index a ist der Abszissenabschnitt bei x = 0, b die logarithmische Steigung
(Abb. 3.10: A). Die beiden Unbekannten a und b dieser Gleichung werden unter den vorgenannten Abhängigkeiten mittels linearer Regression ermittelt.
Wenn HAHN hierbei entgegen dem mathematischen Brauch die Abszisse mit y und die Ordinate mit x bezeichnet, liegt das daran, dass er die unabhängige Variable stets als x und die
55
abhängige als y definiert hat. Ferner hat er die Wasserstände (bzw. ihre Logarithmen) entsprechend der räumlichen Vorstellung senkrecht und die Abflüsse aus gleichem Grunde
immer waagerecht aufgetragen.
Abb. 3.10: Zusammenhänge zwischen Wasserstand und Abfluss an einem Pegel. Zeichnung A zeigt den Abfluss als Funktion des Wasserstandes, Zeichnung B den
Wasserstand als Funktion des Abflusses.
Besteht ein funktionaler Zusammenhang zwischen W und Q, so müssen die Funktion und
ihre Umkehrfunktion zu den gleichen Ergebnissen führen. Dieses ist jedoch naturgemäß
nicht der Fall. Daher berechnet HAHN auch die lineare Regression für die Umkehrfunktion,
d.h. die Abflüsse Q (bzw. ihre Logarithmen) sind die unabhängigen und die Wasserstände W die abhängigen Variablen. Daraus folgt, dass x = lg Q zur Abszisse und y = lg W o
zur Ordinate wird (vgl. Abb. 3.10: B):
W o = f(Q)
bzw.
Wo = (1/k · Q)
1/b
HAHN nimmt nun an, dass der wahrscheinlichste Zusammenhang zwischen beiden Funktionen liegt, d.h.
_
lg QFunktion 1 + lg QFunktion 2
lg Q = 
2
und bestimmt daraus die Funktionsgleichung der Abflusskurve, die der Abflusstafel zugrunde gelegt wird.
Die W/Q-Messungen vor Ort werden von den Ämtern für Land- und Wasserwirtschaft
durchgeführt und dem LANU samt den Pegelaufzeichnungen turnusmäßig zugeleitet. Der
Pegel "Bünningstedt" wird vom ALW Lübeck betreut, der temporär betriebene Pegel "Ortsumgehung Ahrensburg" vom LANU selbst. Die Messungen in verkrautungs- und rückstau-
56
freien Zeiten bilden hierbei die Datenbasis zur Aufstellung der W/Q-Funktion, die in der Abteilung Gewässer des LANU mit Hilfe eines EDV-Programms erarbeitet wird.
Die Abb. 3.11 zeigt die Abflusskurve des Pegels Bünningstedt. HAHN (1951) folgend sind
die Wasserstände in der y-Richtung, die Abflüsse in der x-Richtung aufgetragen. Augenfällig
ist, dass sich das Abflussverhalten ab November 1990 änderte, so dass eine neue Abflusskurve berechnet werden musste. Dieses ist vermutlich auf Veränderungen im Gewässerquerschnitt in der Nähe des Pegels zurückzuführen. Während die erste Kurve zweigeteilt
war, d.h. die Berechnungen nach HAHN für zwei W/Q-Wertemengen durchgeführt wurden,
setzt sich die bis heute gültige Kurve aus drei Kurvenabschnitten zusammen. Bei der Umsetzung der Wasserstände in Abflüsse prüft der Rechner anhand vorgegebener Grenzwasserstände, welche der drei Funktionsgleichungen der Berechnung zugrunde gelegt wird.
Die Wasserstands- und Abflussdaten der Pegel werden mit Hilfe einer Datenbank in Form
von Tagesmittelwerten vorgehalten.
28,9
Abflußkurve am Pegel Bünningstedt
Wasserstand, bezogen auf m NN
28,8
28,7
28,6
Abflußkurve bis 31.10.1990
28,5
28,4
28,3
28,2
Abflußkurve ab 1.11.1990
28,1
28,0
27,9
0,01
0,1
Abfluß in m³/s
1
10
Abb. 3.11: Die nach HAHN (1951) berechneten Abflusskurven des Pegels Bünningstedt.
Dargestellt sind alle W/Q-Wertepaare sowie die Funktionswerte der beiden
gemittelten Abflusskurven (Kurve 1 gilt bis zum 31.10.1990, Kurve 2 ab dem
1.11.1990).
57
3.2.3.2 Korrektur der Abflussdaten mit Hilfe einer Verkrautungsfunktion
Die Beziehung zwischen Wasserstand und Abfluss unterliegt bei den meisten Fließgewässern einer mehr oder weniger großen zeitlichen Veränderung. Während der Vegetationsperiode (Mai/Juni bis Oktober) können sich die hydraulischen Verhältnisse als Folge des Pflanzenwachstums ändern. Durch den Pflanzenwuchs wird die Querschnittsfläche des Gewässers eingeengt, so dass bei gleichem Abfluss ein höherer Wasserstand zu beobachten ist.
Auch die winterliche Vereisung eines Gewässers kann eine Veränderung der W/QBeziehung bewirken. Klingen diese Einflüsse ab, gilt wieder die vorherige W/Q-Beziehung,
d.h. der Vorgang ist reversibel.
Im Falle dauerhafter Veränderungen der hydraulischen Verhältnisse müssen mehrere Abflusskurven und Abflusstafeln aufgestellt werden, die nur für die jeweiligen Zeiträume gültig
sind (vgl. Abb. 3.11: Abflusskurve bis 31.10.1990/ab 1.11.1990). Besonders größere, schiffbare Flüsse unterliegen in bezug auf ihr Abflussverhalten einem steten Wandel. So zeigen
BAUMGARTNER & LIEBSCHER (1990) am Beispiel des Rheins bei Worms anschaulich,
wie sich die W/Q-Beziehung eines Gewässers durch Sohlerosion und erhöhte Fließgeschwindigkeiten verändern kann (Abb. 3.12). Bei gleichem Abfluss lag der Wasserstand zu
Beginn des vorherigen Jahrhunderts mehr als 1 Meter über dem heutigen. Augenfällig ist
auch der Kurvenknick im letzten Jahrzehnt des letzten Jahrhunderts, der vermutlich auf den
Ausbau des Rheins als Schifffahrtsweg und dem damit verbundenen Anstieg der Fließgeschwindigkeit zurückgeführt werden kann.
Abb. 3.12:
Zeitliche Veränderung der Wasserstände bei gleichen Abflüssen
am Pegel Worms/Rhein von
1821-1970 (nach BAUMGARTNER & LIEBSCHER 1990).
58
Bei kleineren Gewässern im norddeutschen Flachland sind die Einflüsse der Verkrautung
auf das Abflussverhalten und damit auf die W/Q-Beziehung von besonderer Relevanz. Es
wurde daher im damaligen Landesamt für Wasserhaushalt und Küsten S.-H. ein Verfahren
entwickelt, mit Hilfe dessen Verkrautungseinflüsse rechnerisch kompensiert werden können.
Der Umfang des Pflanzenwuchses an der Sohle und an den Böschungen richtet sich in erster Linie nach Dauer und Stärke der Lichteinwirkung. Dieses sogenannte Krautwachstum
beginnt in den Monaten März/April und erreicht seinen Höchstwert im August/September.
Die Intensität des Bewuchses ist abhängig vom Witterungsverlauf, d.h. das Kraut wächst in
einem lichtreichen Sommer reichlicher und schneller als in einem lichtarmen, meist regnerischen Sommer. Entsprechend wechselt der Einfluss des Krautes auf die Wasserstände
nicht nur jahreszeitlich, sondern auch von Jahr zu Jahr. Ein objektives Maß für die Stärke
der Verkrautung gibt es jedoch nicht. Das bedeutet für die wasserwirtschaftliche Praxis, dass
der Abfluss beim Erstellen von Wasserstandslisten nicht unmittelbar aus einer Abflusstafel
oder -kurve entnommen werden kann. Vielmehr muss er erst mit einem Verkrautungsfaktor
korrigiert werden, um so Fehler möglichst zu vermeiden. Zu seiner Ermittlung wird zunächst
die Abflusskurve für den ungehemmten Abfluss berechnet (vgl. Abb. 3.11). Danach werden
die Abflussdaten für den aktuellen Berechnungszeitraum (z.B. Abflusshalbjahr) tabellarisch
zusammengestellt und die prozentuale Abweichung der gemessenen Abflüsse von denen
der mit Hilfe der Abflusskurve errechneten ermittelt.
In einem Diagramm werden die prozentualen Abweichungen beider Q-Werte in der yRichtung, das zugehörige Datum in x-Richtung aufgetragen, mit einem Linienzug verbunden
und anschließend digitalisiert. Daraus resultiert ein täglicher Verkrautungsfaktor, mit dem die
über die Abflusskurve errechneten Abflusshöhen entsprechend der nachstehenden Gleichung korrigiert werden.
f
Qgem. - Q ber.
= ---------------- =
Q ber.
Qgem.
------- - 1
Q ber.
Q tats. = Q ber. + f · Q ber.
mit
f
Qgem.
Qber.
Qtats.
=
=
=
=
Verkrautungsfaktor
gemessener Abfluss
berechneter Abfluss
mit Hilfe des Verkrautungsfaktors korrigierter Abfluss
Bei diesem Verfahren werden die tatsächlich aufgezeichneten Wasserstände, also die Ausgangs- oder Grunddaten, nicht verändert. Dieses ermöglicht eine Neuberechnung der Ab-
59
flüsse z.B. auf der Basis eines erweiterten Datenbestandes. Die Abweichungskurve, d.h. die
zeitliche Folge der Verkrautungsfaktoren, gilt aus den o.a. Gründen nur für jeweils ein Jahr.
3.2.3.3
Ergänzung unvollständiger Abflusszeitreihen mittels linearer Regression
Da die Grundwasserneubildungsberechnungen für den Bilanzzeitraum von 1980 - 1991
durchgeführt wurden, musste die am Pegel "Ortsumgehung Ahrensburg" ermittelte Abflusszeitreihe entsprechend extrapoliert werden. Dieses geschah mit Hilfe linearer Regression.
Die Datengrundlage bildeten die mittleren Tagesabflüsse des Zeitraums vom 1.9.1988 bis
31.7.1990, also insgesamt 699 Datenpaare. Der Regressionskoeffizient r lag bei 0,86. Die
Daten hierzu finden sich in der Datei Q_AUE.WK3. In der Abb. 3.13 ist der Zusammenhang
beider Abflüsse als Streudiagramm dargestellt. Jeder Punkt repräsentiert den für beide Pegel errechneten mittleren Tagesabfluss an einem bestimmten Tag im o.a. Zeitraum.
Lineare Regressio n der A bflußdaten
Pegel Bünningst edt / Or t sumgehung Ahrensburg
Lineare Regressio n der A bflußdaten
Abfluß Ortsumgehung Ahrensburg in l/s
Abfluß Ortsumgehung Ahrensburg in l/s
1000
Pegel Bünningst edt / Ort sumgehung Ahrensbur g
1000
800
800
600
600
400
400
200
200
0
0
Q_A UE . WK
03
Q_A UE . WK 3
0
200
200
400
600
Abf
luß
Bünningst
edt
in
l/ s
400
600
Abf luß Bünningst edt in l/ s
800
800
1000
1000
Abb. 3.13: Streudiagramm der Abflüsse bis 1000 l/s, welche an den Pegeln "Ortsumgehung
Ahrensburg" und "Bünningstedt" ermittelt wurden.
Wenngleich ein signifikanter Zusammenhang zwischen beiden Größen besteht, ist die
Streuung der Wertepaare nicht unbeträchtlich. Dieses ist u.a. darauf zurückzuführen, dass
die Niederschlagshöhe eines Regenereignisses nicht gleichmäßig über das Einzugsgebiet
verteilt ist. Fällt im Unterlauf mehr Niederschlag als im Oberlauf, treten dort zwangsläufig
höhere Abflussspenden auf. Darüber hinaus sind die am Pegel "Ortsumgehung" aus den
60
Wasserständen abgeleiteten Abflüsse mit einer großen Fehlerbandbreite behaftet, da für die
Erstellung der Abflusskurve nur wenige W/Q-Messungen zur Verfügung standen. Dadurch
konnten z.B. die Verkrautungseinflüsse nur unzureichend kompensiert werden. Auch die
Tatsache, dass die Abflüsse als Mittelwert eines Tages (0 - 24 Uhr) berechnet werden, kann
dann zu einer größeren Streubreite des Wertepaare im obigen Diagramm führen, wenn eine
Hochwasserwelle den oberstromigen Pegel vor 24 Uhr passiert hat, den unterstromigen aber
erst danach, also am nächsten Tag.
Für die Grundwasserneubildungsberechnung wird sowohl der mittlere Abfluss MQ als auch
der oberirdische Anteil Ao benötigt. Der MQ-Wert ist das arithmetische Mittel des Bilanzzeitraumes. Der oberirdische Abfluss wird aus den monatlichen Niedrigwasserabflüssen abgeleitet (s. Kap. 3.2.4). Diese hydrologischen Hauptwerte mussten nun im Falle des Pegels
"Ortsumgehung Ahrensburg" ebenfalls mit Hilfe linearer Regression für den Bilanzzeitraum
ermittelt werden. Anhand der zeitgleich vorliegenden Abflussdaten beider Pegel wurde zunächst geprüft, ob der aus Tageswerten berechnete MoNQ-Wert von dem aus Monatswerten ermittelten abweicht. Dieses war für den o.a. Zeitraum nicht der Fall. Beide Berechnungsvarianten lieferten mit 170 mm/a das gleiche Ergebnis. Für die Extrapolation der
MoNQ-Werte auf den 12-jährigen Bilanzzeitraum wurden daher die monatlichen Mittel- und
Niedrigwasserabflüsse des Pegels "Bünningstedt" als Ausgangsdaten zugrunde gelegt.
Die Ergebnisse der Regressionsrechnungen sind in der nachstehenden Tabelle 3.6 aufgeführt. Die Lage der zugehörigen Einzugsgebiete findet sich in der Abb. 3.6. Der Gesamtabfluss am Pegel Bünningstedt beträgt für den o.a. Zeitraum 377 l/s. Dieses entspricht einer
mittleren Abflussspende von 188 mm/a. Von diesem Gesamtabfluss entfallen 149 l/s auf den
Unterlauf (Teileinzugsgebiet Ahrensburg), 228 l/s auf den Oberlauf. Im Unterlauf entspricht
dieses einer Abflussspende von 221 mm/a. Das Einzugsgebiet des Oberlaufes liefert eine
Abflussspende von 171 mm/a.
Tab. 3.6: Abflussdaten der Aue (Pegel Bünningstedt/Pegel Ortsumgehung
Ahrensburg) für die Abflussjahre 1980-1991.
Gesamtgebiet
FEinzugsgeb.
MQ
Mq
Au
Au-Spende
Ao
Ao-Spende
63,30
0,377
188
Teileinzugsgebiet Unterlauf
21,28
0,149
221
Teileinzugsgebiet Oberlauf
42,02
0,228
171
0,054
141
m³/s
mm/a
m³/s
79
0,095
km²
mm/a
0,228
171
m³/s
mm/a
61
3.2.4 Auftrennung des Gesamtabflusses in einen oberirdischen und einen grundwasserbürtigen Anteil (Ao/Au)
Die Grundwasserneubildung berechnet sich als Differenz zwischen dem Wasserüberschuss
und dem oberirdischen Abfluss. Im Ostteil des Untersuchungsgebietes wurde der Gesamtabfluss als oberirdischer Abfluss bzw. Interflow bewertet, da hier die Vorflutebene oberhalb
des modellierten Grundwasserleiters liegt. Somit kann kein Grundwasser aus diesem Wasserleiter in die Vorfluter exfiltrieren (vgl. Kap.3.2.2). Nach Tab. 3.6 beträgt der Mq (entspr.
Ao-Abflussspende) 171 mm/a.
Im Unterlauf der Aue, d.h. im Teileinzugsgebiet "Unterlauf" nach Abb. 3.6, wurde aufgrund
der topographischen Tieflage des Gebietes ein hydraulischer Kontakt zwischen dem modellierten Wasserleiter und der Vorflutebene postuliert. So war z.B. das Grundwasser im Bereich der Kläranlage Ahrensburg, die westlich von Ahrensburg an der Aue liegt, artesisch
gespannt. Als Verfahren für die Ao-/Au-Abtrennung wurde der Ansatz nach KILLE (1970)
gewählt, der auf den WUNDTschen Überlegungen aufbaut, dass zumindest der niedrigste
Abfluss eines Monats (MoNQ) aus dem Grundwasser stammen müsse. Da SchleswigHolstein ein niederschlagreiches Land ist, kann davon ausgegangen werden, dass es auch
Monate gibt, in denen der Vorfluterabfluss an jedem Tag Anteile an Oberflächen- und Zwischenabfluss enthält. Diese Abflusskomponeten werden nach KILLE graphisch eliminiert.
Die Beschreibung dieses hydrologischen Analyseverfahrens findet sich in Kap. 2 (S. 13).
Au-Analyse nach KILLE
Teileinzugsgebiet "Unterlauf"
0,400
MoNQ in m³/s
0,300
0,200
0,100
MoMNQ = 54 l/s
0,000
0
50
Anzahl der MoNQ
100
150
Abb. 3.14: Niedrigwasseranalyse nach KILLE (1970) für das Teileinzugsgebiet "Unterlauf" gemäß Abb. 3.6. Der grundwasserbürtige Anteil des Abflusses beträgt
54 l/s (vgl. Tab. 3.6), der mittlere Gesamtabfluss 149 l/s (Datei: Q_ABURG.WK3).
62
Die Abb. 3.14 zeigt das Datenkollektiv der monatlichen Niedrigwasserabflüsse des Teileinzugsgebietes "Unterlauf", der Größe nach geordnet. Die MoNQ-Werte errechnen sich hierbei als Differenz zwischen den MoNQ-Werten des Gesamteinzugsgebietes, bezogen auf
den Pegel Bünningstedt, und den mit Hilfe der Regressionsrechnung ermittelten MoNQWerten des Teileinzugsgebietes "Oberlauf".
MoNQTEGUnterlauf = MoNQgesamt - MoNQTEG Oberlauf
Die Extrapolation des Abflusses mittels Regressionsrechnung führt zu einer nicht unerheblichen Ergebnisbandbreite, je nachdem welches Regressionsmodell (linear/nicht linear) gewählt wird (OTTO 1995). Besonders problematisch ist die Auftrennung des Abflussmittelwertes in einen unterirdischen und einen oberirdischen Anteil anhand extrapolierter Daten. Legt
man nun der Au-Abtrennung nach KILLE korrelierte Abflussdaten zugrunde, wird die Größe
des grundwasserbürtigen Abflusses in nicht unerheblichem Maße durch die Entwässerungscharakteristik des Bezugseinzugsgebietes bestimmt, welche trotz möglicher räumlicher Nähe nicht mit der des Zieleinzugsgebietes übereinzustimmen braucht. Solche Unsicherheiten
in der hydrologischen Datenbasis lassen sich nur umgehen, wenn das Abflussgeschehen im
Untersuchungsraum mit Hilfe mehrerer Pegel langfristig und flächendifferenziert aufgezeichnet wird (vgl. BUCK et al., 1977). Für den Oberlauf der Aue ist diese Problematik nicht von
Relevanz, weil hier eine Ao-/Au-Auftrennung aus den vorgenannten Gründen nicht erforderlich
war.
3.2.5
Regionalisierung des oberirdischen Abflusses unter Berücksichtigung der Geländeformen und des Versiegelungsgrades
Um flächendifferenzierte Abflussspenden zu ermitteln, wurde in das Grundwasserneubildungsmodell (Datei: GW_END2.WK3) ein einfaches Abflussmodell integriert. Das Abflussmodell berechnet für alle Rasterzellen des Untersuchungsgebietes den langjährigen Oberflächenabfluss in Abhängigkeit von den Geländeformen und unter Berücksichtigung des
Versiegelungsgrades durch Überbauung. Als Ausgangsdaten dienten die an den Abflusspegeln für die jeweiligen Teileinzugsgebiete ermittelten Abflussspenden.
Diese rasterbezogene Verteilung des Abflusses wird im Grundwasserneubildungsmodell in
den Arbeitsblättern H-L ermittelt (vgl. Anl. 9-13). Das Arbeitsblatt H enthält knotenbezogen
den oberirdischen Abfluss des Teileinzugsgebietes "Unterlauf" im Westen des Untersuchungsgebietes (vgl. Abb. 3.6 u. Anl. 9). Der östliche Teil ist in zwei Teilbereiche aufgegliedert. Im Nordosten liegt das Einzugsgebiet der Beste, im Südosten das der Aue (Teileinzugsgebiet "Oberlauf"). Für die beiden letztgenannten Bereiche wurde auf Grund der hohen
Grundwasserflurabstände die o.a. Randbedingung angenommen, dass die Vorflutebene
nicht im hydraulischen Kontakt mit dem modellierten Grundwasserleiter steht, d.h. der mittle-
63
re Abfluss ist dem oberirdischen Abfluss einschließlich Interflow gleichzusetzen. Beide Einzugsgebiete sind als Arbeitsblätter I und J im Grundwasserneubildungsmodell implementiert
(Anl. 10 u. 11). Das Arbeitsblatt K (Anl. 12) fügt die Arbeitsblätter H-J zusammen. Es enthält
den knotenbezogenen oberirdischen und oberflächennahen Abfluss des gesamten Modellteilgebietes.
Das Arbeitsblatt L ist die zentrale Steuerdatei zur Berechnung der Abflusshöhe (Anl. 13). Es
wird dabei von der Annahme ausgegangen, dass sich die langjährige oberirdische Abflussspende nicht gleichmäßig über das Untersuchungsgebiet verteilt. Die Talauen weisen besonders hohe Abflussspenden aus, da hier der Direktabfluss hoch ist und auch das zur Versickerung gelangende Niederschlagswasser auf kurzem Wege in die Vorfluter abfließt (z.B.
als Interflow oder durch Dränung). Geneigte Flächen wie Talhänge zeichnen sich im Vergleich zu hochgelegenen ebenen Bereichen ebenfalls durch einen höheren Oberflächenabfluss aus. Der Direktabfluss der versiegelten Flächen entspricht nach JOSOPAIT & LILLICH
(1975) dem der Hangflächen. Darüber hinaus fanden die vorgenannten Autoren im Rahmen
ihrer Wasserhaushaltsuntersuchungen in Niedersachsen heraus, dass der langjährige
Oberflächenabfluss im Bereich von Talflächen etwa 150-200 mm/a beträgt. Auch
DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) bestätigen, dass Talauen mit geringem Grundwasserflurabstand ein hohes A/Au-Verhältnis besitzen, d.h. für diese Bereiche wird, auch wenn das
Gefälle vergleichsweise gering ist, ebenfalls ein hoher Oberflächenabfluss angenommen.
Auf Hang- und versiegelte Flächen entfielen nach JOSOPAIT & LILLICH 100 mm/a und auf
Hochflächen 30 mm/a. Dabei gingen sie von einem mittleren Jahresniederschlag von 700
mm aus.
KARL, PORZELT & BUNZA (1985) fanden experimentell heraus, dass der Direktabfluss an
der Erdoberfläche bei Starkregen nur sekundär von der Hangneigung abhängig ist. Mehr
Gewicht haben Einflussgrößen wie Bodenart, Bodenbewirtschaftung und Feuchtegehalt.
Insbesondere im Bereich von Waldstandorten ist der Oberflächenabfluss gering. Allerdings
beziehen sich ihre Untersuchungsergebnisse auf einzelne, mit einer Beregnungsanlage
künstlich erzeugte Starkregen. Auch SCHWARZ (1985) stützt diese These. Angaben zum
langjährigen Abflussverhalten ihrer Testflächen werden nicht gemacht.
Im Rahmen der hier vorgestellten Untersuchungsergebnisse beinhaltet die in den Arbeitsblättern H-K berechnete Abflussspende auch die Wassermenge, die innerhalb eines Rasterelementes (500x500 m) in das System hinein und wieder heraus fließt. Es ist daher nicht
unwahrscheinlich, dass auch bewaldete Teile des Aue-Einzugsgebietes oberirdisch und
oberflächennah entwässern. Insofern widersprechen die vorgenannten Annahmen nicht dem
Ansatz von JOSOPAIT & LILLICH (1975). In diesem Zusammenhang sei auch auf
LIMPRICH (1970) verwiesen, der verschiedene Methoden zur Ermittlung der Grundwasserneubildungsrate unter Einbeziehung des Gewässerabflusses diskutiert.
64
SCHROEDER & WYRWICH (1990) postulieren im Rahmen ihrer in Nordrhein-Westfalen
durchgeführten Grundwasserneubildungsberechnung, dass der Direktabfluss AD unmittelbar
abhängig vom Wasserüberschuss ist und quantifizieren ihn nach folgender Formel:
mit
AD
=
(N - V) · p/100
N
V
p
=
=
=
Niederschlag
Verdunstung
Prozentsatz des Direktabflusses.
Die Größe p schwankt hierbei in Gebieten mit Acker- und Grünlandnutzung von 0% für
grundwasserferne Sandstandorte bei geringem Gefälle und 50% für semiterrestrische Böden (Grundwasserböden). Dieses würde z.B. für die Abflussspende einer Talaue im Untersuchungsgebiet eine Größenordnung von 100 mm/a - 200 mm/a bedeuten. Allerdings erscheint der empirische Anteil dieses Ansatzes sehr hoch, so dass er im Rahmen der hier
vorgestellten Untersuchungen nicht zur Anwendung kam.
SPENGLER (1979) gibt den Direktabfluss im Gebiet der ehemaligen DDR pauschal mit 10%
des Gesamtabflusses an und weist gleichzeitig darauf hin, dass der hypodermische Abfluss
(Interflow) messtechnisch nicht zu erfassen ist. Diese postulierten "10%" werden auch von
ENGELBART & MÜLLER (1975) aufgegriffen, jedoch nicht näher verifiziert. Auch dieser
Ansatz ist für die Grundwasserneubildungsmodellierung des Untersuchungsgebietes zu undifferenziert. DEUMLICH & FRIELINGHAUS (1994) ermittelten für ein norddeutsches Jungmoränengebiet Oberflächenabflüsse von bis zu 55 mm/a. Insgesamt unterliegen ihre experimentellen Ergebnisse einer sehr hohen Schwankungsbreite (punktuelle Untersuchungsbefunde). Da sie den Direktabfluss im Hinblick auf Bodenerosion im Bereich landwirtschaftlicher Flächen untersuchten, wurde eine Quantifizierung des Interflows nicht vorgenommen.
GURTZ et al. (1990) trennen die einzelnen Abflusskomponenten mit Hilfe von Ganglinienanalysen. Für das ca. 55 km² große Einzugsgebiet des Saidenbaches im Erzgebirge kommen
sie zu dem Ergebnis, dass auf den Oberflächenabfluss im langjährigen Mittel 60 mm/a (13%
von Qgesamt) entfallen, auf den Interflow 159 mm (35% von Qgesamt).
Die von den vorgenannten Autoren publizierten Daten zum Oberflächenabfluss beinhalten
eine große Bandbreite, die darauf zurückzuführen ist, dass deren Randbedingungen zur
Abflussermittlung (Charakteristik des Einzugsgebietes, Klimabereich, Betrachtungszeitraum
u.v.m.) sehr unterschiedlich waren. Eine Übertragung dieser Einzelergebnisse auf das Untersuchungsgebiet war daher nicht möglich. Am ehesten erschien der Ansatz von
JOSOPAIT & LILLICH (1975) geeignet, da dieser der in diesem Bericht vorgestellten Untersuchungsproblematik am nächsten kam. Allerdings war eine Anpassung an die geographischen und hydrologischen Besonderheiten des Untersuchungsgebietes erforderlich.
65
In Anlehnung an das JOSOPAIT/LILLICH-Verfahren wurde für jedes Rasterelement des
Modellteilgebietes Großhansdorf der prozentuale Anteil an Hoch-, Hang-, Tal- und versiegelten Flächen abgeschätzt. Hierbei wurden die Talflächen als A-Flächen, die Hänge und Ortschaften als B-Flächen und die Hochflächen als C-Flächen bezeichnet. Jede Rasterzelle
wurde entsprechend den prozentualen Anteilen mit einem Hoch-, Hang- und Talflächenabflusswert belegt. Als Beispiel soll die Zelle in Zeile 7, Spalte 9, der Anlage 9 dienen.
Die Rasterzelle setzt sich wie folgt zusammen:
A-Flächen (Tal):
FA =
B-Flächen (Hang/vers. Fl.):
FB =
C-Flächen (ebene Hochlagen): FC =
15 %
5%
80 %
qTal =
qHang =
qHoch =
237 mm/a
162 mm/a
92 mm/a
Die jeweiligen Abflussspenden sind im selben Arbeitsblatt oberhalb der Rasterelemente dargestellt. Die mittlere Abflussspende q der Zelle 7/9 errechnet sich als
qZelle7/9 = FA · qTal + FB · qHang + FC · qHoch
.
Das Ergebnis beträgt 117,25 mm/a. Für die drei Teileinzugsgebiete wird jeweils auch die
mittlere Abflussspende mit Hilfe einer eingebauten Funktion (@MITTELWERT[Zelladressen])
berechnet und auf den Anlagen 9-11 links oberhalb der Rasterelemente ausgegeben.
Die Zellen mit A-, B- und C-Flächenabflüssen der Arbeitsblätter H-J sind direkt mit der Steuerdatei im Arbeitsblatt L (mittlere Tabelle in Anl. 13) verknüpft. Ändern sich die A-B-C-Werte
im Arbeitsblatt L, so geschieht dies gleichermaßen in den Arbeitsblättern H-J. Dieses bewirkt
wiederum, dass sich in diesen Arbeitsblättern auch die Abflusshöhe der Rasterzellen und
damit der Abflussmittelwert verändert. Das Arbeitsblatt L steuert also die Rechenergebnisse
der Arbeitsblätter H-J.
Im unteren Teil des Arbeitsblattes L sind die Vorgabewerte des Abflusses abgelegt, der aus
den Abflussauswertungen resultiert (vgl. Anl. 13). Für das Teileinzugsgebiet "Unterlauf" sind
dies 141 mm/a, für das Teileinzugsgebiet "Oberlauf" sowie für das Beste-Einzugsgebiet im
Nordosten jeweils 171 mm/a. Um den Zellenabfluss der Arbeitsblätter H-J an diese Vorgabewerte anzupassen, wird die "Zielsuche-Option" des Tabellenkalkulationsprogrammes benutzt. Ziel ist es, dass der Abflussmittelwert des jeweiligen Teileinzugsgebiets den gleichen
Wert einnimmt wie der im Arbeitsblatt L abgelegte Vorgabewert aus den hydrologischen
Analysen. Um dieses zu erreichen, wird die Höhe der Abflussspenden der A-, B- und CFlächen solange iterativ variiert, bis die beiden Größen übereinstimmen. Im Fall des Teileinzugsgebietes "Unterlauf" müssen zu den von JOSOPAIT & LILLICH (1975) gefundenen Abflussspenden jeweils 61,9 mm/a addiert werden, damit die mittlere Abflussspende des Teileinzugsgebietes den Vorgabewert von 141 mm/a erreicht. In den Talauen erhöht sich der
Abfluss von 175 mm/a auf 237 mm/a. Hang- und versiegelte Flächen weisen einen Abfluss
von 162 mm/a auf. In den Teileinzugsgebieten "Aue Oberlauf" und "Beste" liegen diese Be-
66
aufschlagungswerte etwa 40 mm/a höher (Anl. 13: mittlere Tabelle). Im Vergleich zur von
JOSOPAIT & LILLICH (1975) vorgefundenen Gebietsniederschlagshöhe (700 mm/a) liegt
die des Untersuchungsgebietes um 78 mm/a höher. Dieses könnte bei gleichem Wasserüberschuss der Grund für die im Modellteilgebiet erhöhten Abflussspenden sein.
Dass die oberirdischen Abflussspenden in den drei Einzugsgebieten nicht gleich sind, ist
vornehmlich auf nicht behebbare Defizite bei den hydrologischen und hydrogeologischen
Daten zurückzuführen (Anl. 13: untere Tabelle). Einerseits sind diese Abweichungen auf die
mit einer Fehlerbandbreite behafteten Extrapolation der Abflussdaten des Pegels "Ortsumgehung Ahrensburg" zurückzuführen, andererseits wurden die unterirdischen Einzugsgebietsgrenzen anhand der oberirdischen Wasserscheiden, bezogen auf die Pegel "Bünningstedt" und "Ortsumgehung Ahrensburg", festgelegt. Diese Grenzen entsprechen jedoch
nicht exakt der Grenzlinie zwischen dem Infiltrationsgebiet im Oberlauf und Exfiltrationsgebiet im Unterlauf der Aue. Hinzu kommt, dass diese Grenze abhängig ist von der Höhe der
Grundwasserentnahmen entlang der Brunnengalerien Ost/West des Wasserwerks Großhansdorf, die parallel zur Aue verlaufen. Die Unterschiede in bezug auf die Abflussklassen
(A-B-C-Flächenabflüsse) begründen sich in analoger Weise.
Obwohl sich daraus im Hinblick auf die Grundwasserneubildungsverteilung Unsicherheiten
ergeben, nähern sich die hier dargestellten Abflussverteilungen eher dem Natursystem an,
als wenn den Berechnungen integrale Einzugsgebietsmittelwerte zugrunde gelegt würden.
Vorgenanntes impliziert nämlich, dass aus hochgelegenen Teilgebieten, die keine perennierenden Gewässer aufweisen, genauso viel abfließen würde wie z.B. aus Talauen, die sich in
der topographischen Karte durch eine Vielzahl von Gewässerarmen, Drängräben usw. auszeichnen. Gebiete mit höherer Reliefenergie weisen ebenfalls deutlich höhere Abflussspenden auf als gewässerfreie, ebene Hochlagen. Die Reliefenergie ist hierbei als maximaler
Höhenunterschied bezogen auf die Fläche von 1 km² definiert. Ihre Einheit ist "Meter pro
km²".
Die Abflussverteilung des gesamten Untersuchungsgebietes ist im Arbeitsblatt K (Anl. 12)
zusammengestellt. Die Abb. 3.15 veranschaulicht die Befunde. Demnach liegt der Mittelwert
der Ao-Abflussspenden bei 161 mm/a, das Minimum bei 92 mm/a und Maximum bei 265
mm/a. Im Bereich Großhansdorf/Oetjendorf entlang der Auetalung sind die Abflussspenden
größer 180 mm/a, ebenso am Ostrand des Untersuchungsgebietes (Gölmer Moor) sowie am
Nordrand (Bargteheide Ost/Hammoor). Der Nordwestteil des Untersuchungsgebietes weist
hingegen Abflussspenden auf, die deutlich unter 120 mm/a liegen. Gleiches trifft auf den
Südosten (Lütjensee) und den Südwesten (Siek/Stapelfeld/Braak) zu. Ebenso wie im Nordwesten sind dort die geologischen Deckschichten sandig ausgebildet, verbunden mit einer
topographischen Hochlage.
67
Abb. 3.15:
Die hypothetische Ao-Abflussverteilung im Modellteilgebiet Großhansdorf. In den Talauen betragen die Abflussspenden bis zu 265 mm/a, während sie im Bereich ebener
Hochflächen bei geringer Gewässernetzdichte unter 100 mm/a liegen.
68
3.3
Grundwasserneubildung und Gebietswasserbilanz
3.3.1 Abschätzung der Grundwasserneubildungsrate als Differenz zwischen Wasserüberschuss und oberirdischem Abfluss
Die im Arbeitsblatt M der Datei GW_END2.WK3 dargestellte Grundwasserneubildungsverteilung (vgl. Anl. 14) errechnet sich als Differenz zwischen dem zellenbezogen ermittelten
Wasserüberschuss und Abflussspende einer jeden Rasterzelle:
GWNZelle = WÜZelle - Ao Zelle
[mm/a]
Große Grundwasserneubildungsraten ergeben sich für Rasterelemente mit überwiegend
sandigen Deckschichten und Acker-/Grünlandnutzung. Dort ist die mittlere Jahresverdunstung vergleichsweise niedrig und der Wasserüberschuss demzufolge hoch. In Gebieten mit
hohem Oberflächenabfluss und geringem Grundwasserflurabstand, z.B. in Tälern und Niederungen, sind die Grundwasserneubildungsraten hingegen niedrig bis hin zu negativen
Wasserbilanzen, d.h. Verdunstung und Oberflächenabfluss sind größer als der Niederschlag. Die mittlere Grundwasserneubildungsrate im Modellteilgebiet Großhansdorf beträgt
168 mm/a. Dieses sind 21,6% des mittleren Jahresniederschlags N. Der höchste Wert liegt
bei 374 mm/a (48% von N).
Die Talniederung der Aue in der Mitte des Untersuchungsgebietes wie auch der Oberlauf
der Tremsbütteler Au im Norden zeichnen sich durch vergleichsweise niedrige Grundwasserneubildungsraten aus. Gleiches trifft im Südwesten für das Tal des Hopfenbaches, im
Südosten für den Bereich des Hoisdorfer Sees sowie für das Hammoor im Nordosten zu
(vgl. Abb. 3.16: gelbe u. rote Flächen).
Im Gebiet zwischen Timmerhorn, Delingsdorf und der südlichen Stadtgrenze von Bargteheide sind hohe Grundwasserneubildungsraten zu verzeichnen. Gleiches ist im Forst Hagen im
Süden von Ahrensburg sowie im Bereich des Höhenzuges zwischen Siek und Lütjensee im
Südosten des Untersuchungsgebiets zu beobachten. Diese Gebiete sind wenig versiegelt,
besitzen ein geringes Gefälle und weisen einen sandigen Deckschichtaufbau auf, so dass
ein größerer Anteil des Niederschlages zur Versickerung gelangen kann (Abb. 3.16: blaue
Flächen). Als Folge davon sind keine perennierenden Oberflächengewässer vorhanden.
Im Bereich des Wasserwerks Bargteheide, das am südlichen Stadtrand von Bargteheide
liegt, lassen auch die Grundwasserbeschaffenheitsbefunde Rückschlüsse auf die Regeneration der dort bewirtschafteten Grundwasserleiter zu. Es wurde hier seit den 70er Jahren ein
stetiger Anstieg der Nitratgehalte im Grundwasser beobachtet. In Zusammenschau mit der
Tatsache, dass trotz einer Grundwasserförderung von etwa 800.000 m³/a die entnahmebedingte Absenkung des Grundwassers lokal begrenzt ist, kann daraus geschlossen werden,
dass hier die Zusickerung zum bewirtschafteten Grundwasserleiter über die sandige
69
Abb. 3.16:
Schätzwerte der Grundwasserneubildung im Modellteilgebiet Großhansdorf. Hohe
Grundwasserneubildungsraten finden sich südwestlich von Bargteheide sowie am Südrand des Untersuchungsgebietes. Entlang der Aue sind die Grundwasserneubildungsraten hingegen gering.
70
Deckschicht besonders hoch ist. Dieses führt zu einer verstärkten Verlagerung von Nitrat
aus den landwirtschaftlich intensiv genutzten Flächen in das Grundwasser. Im unmittelbaren
Einzugsgebiet des Wasserwerks Großhansdorf, das ca. 5 km südöstlich liegt, sind die
Deckschichten tonig ausgebildet. In den Brunnen konnten bislang keine nennenswerten Nitratkonzentrationen nachgewiesen werden, da die Fließwege des Grundwassers zu den
Brunnen wesentlich länger und die Verweilzeiten im Untergrund zwischen der Neubildung
und der Entnahme groß sind (vgl. HAMBURGER WASSERWERKE 1996). Darüber hinaus
wird das Einzugsgebiet des Wasserwerks Großhansdorf landwirtschaftlich eher extensiv
genutzt (Wald/Weidewirtschaft).
Zur Einordnung der für das Modellteilgebiet abgeschätzten Grundwasserneubildungswerte
sind nachfolgend die Erkenntnisse von Untersuchungen aus anderen Teilen Norddeutschlands aufgeführt. DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) berechnen für das Einzugsgebiet der
Hase am Pegel Herzlake, nordöstlich Lingen/Ems, eine langjährige Grundwasserneubildungsrate von 177 mm/a. Dieser Wert entspricht bei vergleichbaren Klimadaten etwa dem
des Untersuchungsgebietes. ALTMANN & BÜNZ (1971) stellen für das Entzugsgebiet der
Böhme, Lüneburger Heide, unter Anwendung des Verfahrens nach NATERMANN (1958)
folgende Wasserbilanz auf: Niederschlag 807 mm/a, Gesamtabfluss 405 mm/a, oberirdischer Abfluss 117 mm/a, Grundwasserneubildung (= unterirdischer Abfluss Au) 288 mm/a.
EINSELE & SCHULZ (1973a,b) ermitteln für sandige Waldstandorte im Bereich des Segeberger Forstes eine Neubildungsrate von 240 mm/a, für landwirtschaftlich genutzte Gebiete
360 mm/a. Lehmige Vergleichsflächen liefern hingegen nur Werte um 130 mm/a. Auch diese Untersuchungsbefunde stimmen mit denen des Untersuchungsgebietes gut überein.
Nach FRIEDRICH (1961) liegen die Sickerwasserraten für sandige Standorte mit Ackerund Grünlandnutzung bei 271-307 mm/a, für Bereiche mit feinsandigem Lehm bei 142-186
mm/a. Die dargestellte Bandbreite von Grundwasserneubildungswerten aus dem norddeutschen Raum zeigt, dass die für das Modellteilgebiet Großhansdorf gewonnenen Untersuchungsergebnisse in einem durchaus realistischen Rahmen liegen.
3.3.2 Umverteilung der Grundwasserneubildung durch lateralen Grundwasserabstrom innerhalb der Deckschichten des Hauptgrundwasserleiters
Der vom Grundwassermodell Großhansdorf simulierte Hauptgrundwasserleiter (HOFFMANN
1996a) reicht in der Regel nicht bis an die Erdoberfläche, sondern wird von einer jungpleistozänen, heterogen aufgebauten Schichtenfolge überlagert. Diese zeichnet sich durch
einen engräumigen Wechsel von sandigen und bindigen Ablagerungen aus. Dieses führt
dazu, dass im Bereich undurchlässiger Zwischenschichten schwebende, lokal begrenzte
Grundwasserleiter vorhanden sind. Statt den Hauptgrundwasserleiter direkt zu ergänzen,
strömt das sich neu gebildete Grundwasser auf diesen Trennschichten zunächst horizontal
ab, um dann entweder über sandige Fenster dem Hauptgrundwasserleiter zuzufließen oder
71
in die Vorflut zu exfiltrieren. In bezug auf die Rasterelemente des Grundwassermodells kann
es also durch diesen oberflächennahen Grundwasserabstrom zu einer lokalen Umverteilung
der Grundwasserneubildung kommen. Das Prinzip dieser Umverteilung zeigt der schematisierte Schichtenschnitt in der Abb. 3.17.
Abb. 3.17: Prinzipskizze der horizontalen Umverteilung der Grundwasserneubildung
GWN bei bindig ausgebildeten Zwischenschichten. Die Quadrate sollen die
Rasterelemente des Grundwassermodells symbolisieren. Die Grundwasserneubildung der Elemente i+1 und i+2 wird dem Element i als Grundwasserregeneration GWN* zugeschlagen.
Dargestellt ist ein sandiger Grundwasserleiter, der im rechten Teil des Bildes durch eine bindige Trennschicht in einen liegenden und einen hangenden Abschnitt aufgegliedert ist. Die
Rasterelemente des Grundwassermodells, die den Hauptgrundwasserleiter simulieren, sind
als Quadrate in der Bildmitte angedeutet. Die Grundwasserneubildung GWN der Gebietsteile i+1 und i+2 entsteht oberhalb der bindigen Trennschicht und wirkt sich damit auf den
Hauptgrundwasserleiter unmittelbar nicht mehr aus. Für diese Zellen des Grundwassermodells ist die Grundwasserregeneration gleich null (GWN*i+1 = 0, GWN*i+2 = 0). Oberhalb der
Trennschicht strömt das Grundwasser dem Gefälle entsprechend in Richtung des Rasterelements i. Da dort die Trennschicht auskeilt und somit ein unmittelbarer hydraulischer
Kontakt zum Hauptgrundwasserleiter besteht, muss hier als Grundwasserregeneration die
Summe der Grundwasserneubildungswerte der Rasterelemente i bis i+2 angesetzt werden.
GWN*i = GWNi + GWNi+1 + GWNi+2
72
Die Grundwasserneubildung der Rasterelemente i+1 und 1+2 wird also in das Rasterelement i umverteilt.
Die untersuchungsgebietsbezogenen Umverteilungskriterien wurden von AGSTER (1993)
ausgearbeitet. AGSTER grenzte zunächst die Untersuchungsgebietsflächen ab, die einen
heterogenen Deckschichtaufbau, also einen Wechsel von sandigen und bindigen Schichten,
aufwiesen und stellte sie in Form einer Karte dar. Ein weiteres Kriterium für die Umverteilung
der Grundwasserneubildung war eine sandige Geländeoberfläche, da ein seitlicher Grundwasserabstrom nur dort auftreten kann, wo auch die Grundwasserneubildung ausreichend
hoch ist. In Bereichen mit bindiger Geländeoberfläche sind Verdunstung und Oberflächenabfluss hoch, die Grundwasserneubildung gering. Die Untersuchungsgebietsbereiche mit sandiger Geländeoberfläche wurden wiederum in Form einer Karte erfasst. Weiterhin wurde
postuliert, dass Umverteilung dort möglich ist, wo der Grundwasserflurabstand im Hauptwasserleiter groß ist. AGSTER konstruierte daher auf der Basis der HWL-Potentiale des
Jahres 1990 eine Flurabstandskarte, wobei er für den für die Umverteilung maßgeblichen
Mindestgrundwasserflurabstand eine Tiefe von 15 m annahm.
Die Wahrscheinlichkeit, dass neugebildetes Grundwasser umverteilt wird, ist für die Flächen
groß, für die mindestens zwei der drei o.a. Kriterien zutreffen. Unter dieser Maßgabe wurden
die drei Karten verschnitten und so die Umverteilungsflächen festgelegt. Die Richtung der
Umverteilung wurde anhand der Morphologie abgeschätzt, da davon ausgegangen werden
kann, dass in oberflächennahen Stau- und Grundwasserhorizonten Potentiale und Geländehöhen miteinander korrespondieren.
In einem abschließenden Schritt wurden die Flächen mit wahrscheinlicher Umverteilung auf
das Knotenraster des Untersuchungsgebietes übertragen. Ein Ausschnitt dieser Karte, und
zwar den Bereich Siek/Lütjensee/Großensee/Hammoor, zeigt die Abb. 3.18. Das Grundwasser, das im Bereich der schraffierten Rasterelemente neugebildet wird, wird nicht dem entsprechenden Rasterelement des Grundwassermodells gutgeschrieben, sondern der Zelle,
auf die die jeweilige Pfeilspitze zeigt.
Das Umverteilungskonzept von AGSTER wurde im Grundwasserneubildungsmodell mit Hilfe
einfacher Zellverknüpfungen umgesetzt. In der Anlage 15 ist das Arbeitsblatt O des Modells
(GW_END2.WK3) abgebildet, das die knotenbezogenen Grundwasserneubildungswerte mit
Umverteilungsoption enthält. Mit gelber Farbe sind die "Quellzellen" dargestellt, deren
Grundwasserneubildung auf die Nachbarzellen (blau) verteilt wird. Die rechnerische Verknüpfung wurde so gestaltet, dass der Grad der Umverteilung zwischen 0% und 100% frei
gewählt werden konnte. Dieser Umverteilungsfaktor c befindet sich im Arbeitsblatt O oberhalb der Zahlenmatrix. Die Anlage 15 zeigt den Fall, dass 50% der Grundwasserneubildung
dem HWL zuströmt, 50% den Nachbarzellen entsprechend den Abb. 3.17 und 3.18 (c = 0,5).
73
Abb. 3.18: Schema der Grundwasserneubildungsumverteilung. Aus den schraffierten
Rasterelementen strömt das neugebildete Grundwasser oberflächennah
den Pfeilen folgend in die benachbarten Rasterelemente.
In Teilbereichen wird durch den Umverteilungsprozess neugebildetes Grundwasser über die
Modellränder aus dem Modellgebiet herausgeführt. Dieses trifft vor allem für die Südostecke, den Nordostrand und den mittleren Westrand des Untersuchungsgebietes zu. Während die mittlere Grundwasserneubildungsrate ohne Umverteilung (c = 0) bei 168 mm/a
(5,32 l/s/km²) liegt (vgl. Anl. 16), reduziert sie sich bei 100% Umverteilung (c = 1) durch das
Abfließen über die Modellränder auf 151 mm/a (4,79 l/s/km²; vgl. Anl. 17). Besonders wirkt
sich dieses auf die Wassermengen aus, die von Süden in das Modellteilgebiet hereinströmen. Während der hypothetische Südzustrom ohne Umverteilung etwa 60 l/s beträgt, verringert er sich durch die Umverteilung auf 26 l/s, entsprechend 44%.
74
Die lokale Umverteilung des neugebildeten Grundwassers führte auch dazu, dass sich die
vom Grundwassermodell berechneten Standrohrspiegel in analoger Weise veränderten. So
waren vor allem im Südosten des Gebietes Abweichungen von bis zu ± 60 cm zu verzeichnen (HOFFMANN 1994).
3.3.3 Langjährige Grundwasserentnahmen im Modellteilgebiet Großhansdorf
Das Modellteilgebiet Großhansdorf wird wasserwirtschaftlich intensiv genutzt. Zwei Wasserwerke sowie 5 Firmen entnahmen im Zeitraum von 1980 bis 1991 aus den pleistozänen und
tertiären Grundwasserleitern im Jahresdurchschnitt 11,9 Mio. m³ Grundwasser. Die Entnahmedaten, die im Landesamt für Natur und Umwelt des Landes S.-H. in Form einer Datenbank vorgehalten werden (LANDESAMT FÜR NATUR UND UMWELT DES LANDES
SCHLESWIG-HOLSTEIN 1997), sind in der Tab. 3.7 zusammenfassend dargestellt. Die
größte Entnahme wurde durch die Hamburger Wasserwerke getätigt, die mit ihrem Wasserwerk Großhansdorf zur Trinkwasserversorgung der Umgebung und Hamburgs ca.
9,9 Mio. m³/a Grundwasser förderten. Das Wasserwerk Bargteheide, welches von der
Schleswag betrieben wird, erreichte eine durchschnittliche Jahresentnahmemenge von
950.000 m³. Beide Wasserwerke wie auch die Firmen BAT/Laue, Asmussen und Neubert
fördern ihr Grundwasser aus dem pleisto-/pliozänen Hauptgrundwasserleiter. Die Firmen
Zipperling und Springer entnehmen Grundwasser aus den Oberen Braunkohlensanden des
Miozäns. Die mittlere Jahresentnahme betrug hier im Bilanzzeitraum 854.000 m³.
Tab. 3.7:
Mittlere Grundwasserentnahmen für den Bereich des Modellteilgebietes Großhansdorf in den Jahren 1980-1991 (Quelle: LANU 442).
Wasserwerk
Datenbankdatei
Zipperling
Springer
BAT/Laue
WW Bargteheide
Fa. Asmussen
Fa. Neubert
WW Großhansdorf
Galerie Ost
Galerie West
Galerie Nord
GWE4752.DBF
GWE4753.DBF
GWE4754.DBF
GWE4760.DBF
GWE4761.DBF
GWE4837.DBF
GWE4923.DBF
Mittlere Gesamtentnahme
1980-1991
Entnahmemenge [m³/a]
HWL
OBKS
290578
563432
124001
951511
11494
82635
9898005
(2677998)
(2996811)
(4223195)
11067645
854010
75
14
10
Millionen
Grundw asserentnahme [m³/a]
G W E 4 9 2 3 S. W K 3
12
8
6
4
2
0
1980
1981
1982
1983
1984
1985
G a le rie No rd
G a le rie We st
1986
1987
1988
1989
1990
1991
G a le rie O st
WW G ro ßh a n sd o rf g e sa m t
Abb. 3.19: Zeitliche Entwicklung der Grundwasserentnahmen des Wasserwerks Großhansdorf im Zeitraum 1980-1991 (LANDESAMT FÜR NATUR UND UMWELT
DES LANDES SCHLESWIG-HOLSTEIN 1997). Dargestellt sind die Entnahmemengen der Brunnengalerien sowie die Gesamtentnahme.
GW E 4 9 2 3 S. W K 3
1200
1000
Tausend
Grundw asserentnahmen [m³/a]
1400
800
600
400
200
0
1980
1981
1982
1983
1984
WW Ba rg te h e id e
Fa . A . Sp rin g e r
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
Fa . Zip p e rlin g
B A T /Fa . L a u e
Abb. 3.20: Grundwasserentnahmen des Wasserwerks Bargteheide sowie der Firmen
Springer, Zipperling und BAT/Laue für den Zeitraum von 1980-1991
(LANDESAMT FÜR NATUR UND UMWELT DES LANDES SCHLESWIGHOLSTEIN 1997).
76
Die Zeitliche Entwicklung der Grundwasserförderung in den Jahren 1980-1991 ist in den
Abbildungen 3.19 und 3.20 dargestellt. Die Gesamtentnahme des Wasserwerks Großhansdorf ging demnach von 11,8 Mio. m³ im Jahre 1981 auf etwa 10,0 Mio. m³ im Jahr 1991 zurück. Die niedrigste Förderrate war mit 8,3 Mio. m³ im Jahr 1987 zu verzeichnen. Vor allem
die Grundwasserförderung der Brunnengalerien West und Ost wurde von 1981 bis 1991 von
8,5 Mio. m³ auf 4,6 Mio. m³ reduziert, während die Entnahme der Brunnengalerie Nord von
2,3 Mio. m³ auf 5,3 Mio. m³ gesteigert wurde. Dieser Trend setzte sich bis in das vergangene
Jahr fort. Die Gesamtentnahme lag 1996 bei 10,2 Mio. m³, während die Entnahme aus der
Brunnengalerie Nord 6,3 Mio. m³ erreichte. Damit ist die Entnahmehöchstmenge gemäß
Wasserrechtsantrag (6,5 Mio. m³) fast ausgeschöpft.
Die Grundwasserförderung des Wasserwerks Bargteheide ist in den vergangenen Jahren
stark angestiegen (Abb. 3.20). Während die Entnahmemenge im Jahre 1980 bei 664.000 m³
lag, nahm sie bis zum Jahr 1990 mit 1,2 Mio. m³ auf fast das Doppelte zu. Danach blieb die
Grundwasserförderung nahezu konstant. Die wasserrechtlich zugebilligte Entnahmehöchstmenge (1,7 Mio. m³) wurde also bei weitem nicht erreicht. Die Grundwasserentnahme der
Fa. Springer ist im Untersuchungszeitraum nahezu konstant. Erst ab 1993 verringert sie sich
von 590.000 m³ auf 385.000 m³. Die Entnahmemenge der Firmen BAT/Laue und Zipperling
blieb bis zu den Jahren 1988/1989 konstant, ging danach aber stark zurück (Abb. 3.20).
3.3.4 Systemeigenschaften und Wasserbilanz des Modellteilgebietes Großhansdorf
Die integrale Wasserbilanz des Modellteilgebietes Großhansdorf errechnet sich für eine stationäre Bilanzierung, d.h. ohne Vorratsänderungen im Grundwasserleiter zu berücksichtigen,
nach folgender Gleichung:
bzw.
mit
N
V
Au
Ao
QE
R
N =
V + Au + Ao + QE + R
R =
N - V - Au - Ao - QE
=
=
=
=
=
=
Gebietsniederschlag
Gebietsverdunstung (WÜ = N-V)
Spende des unterirdischen Abflusses
Spende des oberirdischen Abflusses
Grundwasserentnahmen
verbleibender Bilanzrest
Die Bilanzglieder werden automatisch als Mittelwerte der jeweiligen Arbeitsblätter des
Grundwasserneubildungsmodells berechnet und über Zellverknüpfungen tabellarisch im
Arbeitsblatt P des Grundwasserneubildungsmodells zusammenfassend dargestellt (Anl. 18).
Gemäß dieser Auflistung beträgt die Gesamtgröße des Untersuchungsgebietes 110,25 km²
(441 Rasterzellen) zuzüglich der 66 Rasterelemente des südlich gelegenen Anschlussgebietes (8,5 km²). 35,5 % dieser Fläche werden von Sandböden eingenommen, etwa 63,9 % von
77
Lehmböden. Der Anteil an offenen Wasserflächen beträgt 0,6 %. 10,5 % der Böden des
Gebietes sind als "grundwasserbeeinflusst" einzustufen. In diesen Bereichen ist der Grundwasserflurabstand gering, so dass die Pflanzen entweder direkt über ihre Wurzeln oder
durch kapillaren Aufstieg mit Grundwasser versorgt werden. Die Sandflächen werden zu
77% als Acker- und Grünland, zu 13% als Wald genutzt. In den Bereichen mit lehmigen
Deckschichten liegt die Acker-/Grünlandnutzung bei 94%.
Im Zeitraum von 1980 bis 1991 fielen im Untersuchungsgebiet durchschnittlich 778 mm Niederschlag pro Jahr. Davon verdunsteten 448 mm/a, so dass eine überschüssige Wassermenge von 330 mm/a übrig bleibt. Von diesem Wasserüberschuss flossen 161 mm/a oberirdisch oder oberflächennah ab. Gemäß dem Verfahren von JOSOPAIT/LILLICH resultiert
daraus eine Grundwasserneubildungsrate von 168 mm/a, entsprechend 21,6% vom Niederschlag. Dieser Grundwasserneubildungsrate stehen Grundwasserentnahmen in Höhe von
108 mm/a gegenüber, d.h. im Modellteilgebiet Großhansdorf werden 64% der Grundwasserneubildungsrate als Grundwasser gefördert. Unter der Annahme, dass ein Teil der
Grundwasserneubildungsrate über die Modellgebietsgrenzen umverteilt wird (s.S. 70), entsprechen die Grundwasserentnahmen 72% der Grundwasserneubildung. Im Modellteilgebiet
wird also ein großer Teil der Grundwasserneubildung durch die Wasserfassungsanlagen
abgeschöpft. Nachhaltige Auswirkungen auf die hydrologischen Verhältnisse, besonders auf
den grundwasserbürtigen Basisabfluss, können daher nicht ausgeschlossen werden. Besonders im Bereich der Brunnengalerien des Wasserwerks Großhansdorf wird die Grundwasseroberfläche des bewirtschafteten Grundwasserleiters deutlich unterhalb des Vorflutniveaus abgesenkt. Grundwasserflurabstände von mehr als 7 m entlang der Aueniederung
(Ammersbek) sind nicht selten. Dieses führt dazu, dass in den Sommermonaten während
längerer Trockenperioden der Abfluss auf Null zurückgeht.
Der verbleibende Bilanzrest R (Anl. 18) beinhaltet all diejenigen Wasserhaushaltskomponenten, die für das Untersuchungsgebiet im Rahmen dieser Untersuchung nicht ohne weiteres
bestimmt werden konnten. Dieses sind z.B. Grundwasserzu- und abströme über die oberirdischen Einzugsgebietsgrenzen, vertikale Grundwasserströmung in liegende Grundwasserleiter). Auch methodisch bedingte Unschärfen, z.B. die hypothetischen Annahmen in bezug
auf die Abflussverteilung, sind in diesem Bilanzrest enthalten. Zudem besitzen die von
DYCK & CHARDABELLAS (1963) anhand von Lysimeterdaten abgeleiteten und auf das
Untersuchungsgebiet übertragenen Zusammenhänge zwischen Sickerwasserrate und Niederschlag eine mitunter große Streuung, die sich auf die Fehlerbandbreite der Bilanzergebnisse auswirkt. Dieser Bilanzrest beträgt im Modellteilgebiet 32 mm/a. Bezogen auf die Niederschlagshöhe sind dies 4%.
78
4.
Das Grundwasserneubildungsmodell für das gesamte Untersuchungsgebiet "SüdostHolstein"
Im Anschluss an die Modellierung des Modellteilgebietes "Großhansdorf" wurde von
HOFFMANN (1996a,b) das Grundwasserströmungsmodell "Südost-Holstein" überarbeitet.
Die Lage dieses Modellgebietes ist den Abbildungen 1.1 (S. 6, durchgezogene Linie) und 2.2
(S. 17) zu entnehmen. Ziel war es, das bereits ausgearbeitete Grundwasserströmungsmodell für die tertiären Grundwasserleiter (HOFFMANN & KLÜCKMANN 1987) um die Quartärebene zu ergänzen, damit die Grundwasserströmungsverhältnisse, horizontal wie vertikal,
möglichst naturgetreu nachgebildet werden können. Darüber hinaus sollten für das gesamte
Untersuchungsgebiet sowie mehrere Teilräume Gebietswasserbilanzen aufgestellt werden.
Aus diesen Untersuchungsbefunden sollte abgeleitet werden, ob im Untersuchungsgebiet
Gebiete vorhanden sind, die für zukünftige Grundwasserentnahmen günstige geohydrologische Merkmale aufweisen. Als Eingangsgröße für die Grundwassermodellierung wurden
Erkenntnisse über die regionale Verteilung der Grundwasserneubildung benötigt.
In Analogie zum Modellteilgebiet "Großhansdorf" wurde auch für das Gesamtgebiet SüdostHolstein die Grundwasserneubildungsberechnung in Anlehnung an das Verfahren nach
JOSOPAIT & LILLICH (1975) durchgeführt (vgl. S. 9: Kap. 2). Hierzu wurde zunächst der
rasterzellenbezogene Wasserüberschuss als Funktion der Boden- und Nutzungsart berechnet. Die regionale Verteilung des oberirdischen Abflusses wurde mit Hilfe von Abflusspegeln
ermittelt (vgl. hierzu Kap. 3.2.3). Die Grundwasserneubildung ergab sich als Differenz zwischen diesem Wasserüberschuss und der Abflussspende.
Im Gegensatz zum Teilgebietsmodell Großhansdorf (Zellengröße 0,25 km²) wurde das Gesamtgebiet in quadratische Rasterelemente mit jeweils 16 km² Größe zerlegt. Bei einer Anzahl von 87 Elementen resultiert daraus eine Untersuchungsgebietsgröße von insgesamt
1392 km². Die Lage der Rasterelemente ist der Abb. 2.2 auf S. 17 zu entnehmen. Die Eckpunkte dieses Modellgebietsrasters sind durch folgende GAUSS/KRÜGER-Koordinaten (9°Streifen) festgelegt:
Rechtswert
Hochwert
--------------------------------------------------------------Südwesten:
3574.080
5930.300
Nordwesten:
3574.080
5962.300
Südosten:
3606.080
5914.300
Nordosten:
3606.080
5962.300
Die rechnerische Verknüpfung aller im Berechnungsgang benötigten Ausgangsgrößen erfolgte wiederum mit einem 3D-Tabellenkalkulationsprogramm. Die Grundwasserneubildungsmodellierung des Gesamtgebietes ist methodisch ähnlich aufgebaut wie das Modell
für den Untersuchungsraum Großhansdorf (vgl. S. 20: Kap. 2.3). Unterschiede gibt es nur
hinsichtlich des Abflusses. Während im Grundwasserneubildungsmodell "Großhansdorf" die
79
Abflussspenden innerhalb der Gewässereinzugsgebiete je nach Hangneigung differenziert
wurden, wurden sie im Gesamtgebietsmodell als auf die Messstellen bezogene Einzugsgebietsintegrale implementiert. Eine feinere Differenzierung war auf Grund der Rasterelementgröße (16 km²) nicht sinnvoll.
Es wurden insgesamt 5 Berechnungsvarianten ausgearbeitet. Vier von ihnen unterscheiden
sich durch eine unterschiedliche Bewertung der hydraulischen Leitfähigkeit der geologischen
Deckschicht. So wurde z.B. in Gebieten, in denen ein hydraulischer Kontakt zwischen
Grundwasserleiter und Vorfluter ausgeschlossen werden konnte, zur Grundwasserneubildungsberechnung (Regeneration) statt des Ao-Wertes der Mq-Wert vom Wasserüberschuss
subtrahiert. Die Vorgaben hierzu lieferte HOFFMANN (1996a). Darüber hinaus wurde der
Wasserüberschuss der einzelnen Rasterelemente auch mit Hilfe einer Verdunstungsberechnung nach TURC (1954) bestimmt (WÜ = N - VTURC). Letzteres diente der Abschätzung der
durch die Wahl der Untersuchungsmethode bedingten Bandbreite der Berechnungsergebnisse. Die Beschreibung der einzelnen Berechnungsvarianten sind in einem Bericht des
Landesamtes für Wasserhaushalt und Küsten S.-H. zusammengestellt (vgl. OTTO 1994).
Die Namen der zugehörigen Tabellenkalkulationsdateien sind in der Tab. 4.1 aufgeführt.
Eine detaillierte Beschreibung der vorgenannten Randbedingungen für die Grundwasserneubildungsmodellierung findet sich in den folgenden Ausführungen.
Tab. 4.1:
Name und Inhalt der für das Gesamtgebiet Südost-Holstein erstellten
Dateien zur Berechnung der Grundwasserneubildung.
Filename
Dateiinhalt
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------GWN_94AD.WK3
Berechnung der Grundwasserneubildung in Anlehnung an das
Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH 1975, Ao-/AuAuftrennung nach KILLE (1970)
GWN_94DD.WK3
Berechnung der Wasserüberschussverteilung mit Hilfe der Verdunstungsbestimmung nach TURC (1954).
GWN_94EA.WK3
Berechnung der Grundwasserneubildung. Die Kontrollfunktion
für das Grundwasserströmungsmodell wurde ohne Stützstellen
erstellt. Nur gesicherte Kontakte zwischen HWL und Vorflut
werden berücksichtigt.
GWN_94EB.WK3
für das Grundwasserströmungsmodell wurde ohne Stützstellen
erstellt. Alle nicht auszuschließenden und nicht einschätzbaren
Kontakte zwischen HWL und Vorflut werden als gesicherte Kontakte simuliert.
GWN_94EC.WK3
für das Grundwasserströmungsmodell wurde mit Stützstellen
erstellt. Alle nicht auszuschließenden und nicht einschätzbaren
Kontakte zwischen HWL und Vorflut werden als gesicherte Kontakte simuliert.
80
4.1
Berechnung des Wasserüberschusses auf Grundlage thematischer und topographischer Karten
Grundsätzliches zur Geologie und Geomorphologie des Untersuchungsraumes wurde bereits in den Kap. 1.3 (s. 7 ff.) und Kap. 3.1.1 (S. 25 ff.) abgehandelt und soll daher an dieser
Stelle nicht weiter ausgeführt werden (vgl. hierzu auch AGSTER 1996). Als Kartengrundlage
für alle Auswertearbeiten wurde die Topographische Karte im Maßstab 1:50.000 gewählt.
Das 1392 km² große Untersuchungsgebiet umfasst folgende Blätter der TK 50:
Nr.
L 2126
L 2326
L 2526
Blatt
Bad Segeberg
Hamburg-Fuhlsbüttel
Hamburg-Wandsbek
Nr.
L 2128
L 2328
L 2528
Blatt
Bad Oldesloe
Trittau
Geesthacht
Nr.
Blatt
L 2330
Ratzeburg
In Analogie zur Grundwasserneubildungsberechnung für das Modellteilgebiet "Großhansdorf" wurden die an der Erdoberfläche anstehenden geologischen Schichten in zwei Einheiten untergliedert, und zwar in "Sand" bzw. "Sand über Geschiebemergel/-lehm" sowie in
"nicht Sand". Zu der letzteren zählen z.B. Beckenablagerungen aus Schluffen und Tonen,
Geschiebelehme und -mergel. Diese flächenbezogenen Differenzierungen wurden aus den
Geologischen Übersichtskarten 1:200.000, Blatt CC 2326 Lübeck sowie Blatt CC 3126
Hamburg Ost abgeleitet. Darüber hinaus fand eine Karte zur "Beschaffenheit der oberflächennahen Schichten (bis 2 m u. Gel.)" im Maßstab 1:50.000 Verwendung (AGSTER 1994,
1996). Diese Karte wurde im Rahmen des Untersuchungsprogramms ausgearbeitet und
basiert im Wesentlichen auf einer Auswertung der geologischen Karten 1:25.000, soweit sie
für das Untersuchungsgebiet vorhanden waren, sowie auf Archivdaten. AGSTER unterschied hierbei zwischen "vorwiegend sandigen Ablagerungen" mit guter Durchlässigkeit,
"vorwiegend bindigen Ablagerungen" (tonig/schluffig) und den "Ablagerungen der Talauen
und Niederungen", welche meist sehr wechselhaft ausgeprägt sind und mitunter anmoorige
bis moorige Ablagerungen enthalten.
Gebiete mit geringem Grundwasserflurabstand wurden ebenfalls anhand der o.a. Karten
abgegrenzt. Besonders für Talauen und Niederungen wurden grundwasserbeeinflusste Böden postuliert, ebenfalls in Arealen, die in den topographischen Karten mit einer Moor/Sumpf- oder Dränagesignatur versehen waren.
Auch Hinweise zur Flächennutzung ergaben sich aus den topographischen Karten. Es wurden hierbei in Analogie zum Modellteilgebiet "Großhansdorf" drei Nutzungsarten unterschieden: Waldgebiete, Acker- und Grünland sowie versiegelte Flächen. Da die Überbauung in
den meisten Ortschaften des Untersuchungsgebietes nur locker ist, wurden diese Flächen
der Gruppe "Acker-/Grünlandnutzung" zugeschlagen.
81
Aus dem Vorgenannten resultieren nun durch Verschneiden der Boden- und Nutzungskarten
folgende Boden-/Nutzungstypen:
Sandböden mit
- Acker- und Grünlandnutzung
- Wald
Lehmböden mit
- Acker- und Grünlandnutzung
- Wald
Die regionale Verteilung dieser Boden-/Nutzungstypen ist in den jeweiligen Modelldateien (S.
S. 79) implementiert. In den Anlagen 19.1 - 19.3 sind die entsprechenden Arbeitsblätter dieser Dateien exemplarisch dargestellt. So enthält das Arbeitsblatt A der Datei
GWN_94AD.WK3 den Flächenanteil von Sandgebieten mit Acker-/Grünlandnutzung, das
Arbeitsblatt B den Flächenanteil von Sand mit Wald, Arbeitsblatt C Lehmböden mit Ackerund Grünlandnutzung sowie Arbeitsblatt D Lehmböden mit Wald. Das Arbeitsblatt E (Anl.
19.3) weist die prozentualen Anteile von Flächen mit geringem Grundwasserflurabstand einer jeden Rasterzelle aus, darüber hinaus die aus diesem Grundwassereinfluss gegenüber
grundwasserfernen Standorten entstehende zusätzliche Verdunstung in mm/a.
Durch die Größe der einzelnen Rasterelemente (16 km²) ist die räumliche Auflösung der
Systemeigenschaften im Modell niedrig, d.h. örtliche Besonderheiten können nicht mehr
abgebildet werden. Trotzdem sind regionale Unterschiede hinsichtlich der o.a. Boden- und
Flächennutzungstypen zu beobachten.
Größere Gebiete mit sandigen Deckschichten, welche ackerbaulich oder als Grünland genutzt werden, sind am Westrand des Untersuchungsgebietes auf der Linie GlindeAhrensburg-Bargfeld-Stegen zu finden. Auch im mittleren Teil zwischen Trittau und der
Bundesautobahn A 24 sowie am Ostrand im Bereich Niendorf-Klein-Pampau-Büchen tritt
diese Boden- und Nutzungsart mit einem Flächenanteil pro Rasterzelle von bis zu 78% auf.
Bezogen auf das gesamte Untersuchungsgebiet beträgt der Anteil der ackerbaulich genutzten Sandflächen (einschließlich Grünland) 28,7% (vgl. Anl. 19.1).
Größere waldbestandene Sandgebiete finden sich im Untersuchungsgebiet im Bereich des
Sachsenwaldes, d.h. zwischen der BAB 24 im Norden und den Ortschaften Schwarzenbek
und Reinbek im Süden. Auch im Südosten des Kreises Stormarn zwischen Lütjensee und
Hamfelde (westlich des Oberlaufs der Bille) befindet sich ein größeres Waldgebiet. Ansonsten treten waldbestandene Sandböden nur untergeordnet auf. Ihr Anteil an der Gesamtfläche des Untersuchungsgebietes beträgt etwa 9% (vgl. Anl. 19.1).
Im Untersuchungsraum Südost-Holstein werden die Lehmböden meist ackerbaulich genutzt.
In den Talauen und Niederungen ist vorwiegend Grünlandnutzung anzutreffen. Besonders
82
im Norden gibt es Rasterelemente, die über 90% Lehmböden mit Acker- und Grünlandnutzung aufweisen. Auch im Bereich südlich von Großhansdorf (Meilsdorf/Braak) sind vornehmlich ackerbaulich genutzte Gebiete mit Lehmböden verbreitet, desgleichen am Südrand des
Untersuchungsgebietes zwischen dem Geestrand und der Elbe. Insgesamt hat dieser Boden-/Nutzungstyp einen Anteil von 53% an der Fläche des gesamten Untersuchungsgebietes.
Waldbestandene Lehmböden treten im Untersuchungsgebiet nur untergeordnet auf. Man
findet diesen Boden-/Nutzungstyp im Sachsenwald zwischen Aumühle und Schwarzenbek
sowie südöstlich von Schwarzenbek. Auch im Nordwesten des Untersuchungsgebietes westlich von Bargteheide sind waldbestandene Lehmböden zu beobachten. Der höchste Anteil
an einem Rasterelement beträgt 59% (Sachsenwald), bezogen auf das Gesamtgebiet liegt
er bei 9,3% (vgl. Anl. 19.2).
Grundwasserbeeinflusste Böden, d.h. Flächen mit geringem Grundwasserflurabstand, sind
entlang der Oberflächengewässer in den Talauen zu finden. Größere Areale treten nur im
Süden des Untersuchungsgebietes in der Elbeniederung und dem Stecknitztal sowie im
Nordwesten in den Niederungsgebieten zur Alster hin auf. Da die Rasterelemente mit 16
km² recht groß sind, besitzen alle Elemente einen wenn auch geringen Prozentsatz an
grundwasserbeeinflussten Böden. Bei 5 von 87 Rasterelementen liegt er unter 5%, bei 29
zwischen 5-10%, bei 24 zwischen 10-15%, bei 16 zwischen 15 und 25%. Bei 13 Rasterelementen beträgt der Anteil über 25%. Im Mittel sind 12,6% der Gesamtfläche grundwasserbeeinflusst. Setzt man für 100% Grundwasserbeeinflussung eine zusätzliche Verdunstung
von 90 mm/a an (vgl. S. 29: Kap. 3.1.1 ff.), führt dieses zu einer Verdunstungssteigerung
von 11,4 mm/a.
Zur Berechnung des Wasserüberschusses wird neben den Boden- und Nutzungsarten auch
die regionale Verteilung des langjährigen Niederschlages benötigt. Die Lage der Stationen,
die zur Regionalisierung der Niederschläge berücksichtigt wurden, ist der Abb. 3.2 (S. 34) zu
entnehmen. Während für das Modellteilgebiet "Großhansdorf" zur Ermittlung der Sensitivität
der Eingangsgröße "Niederschlag" für jede Station von einem aus einer 20-Jahreszeitreihe
ausgewählten 13-Jahresmittelwert ausgegangen wurde (vgl. S. 32 ff.), liegen der Wasserüberschussberechnung für das Gesamtgebiet Südost-Holstein die jährlichen Niederschlagshöhen des Zeitraumes von 1980-1991 zugrunde (vgl. Tab 4.2). Dieses und die Regionalisierung auf ein gröberes Raster hat zur Folge, dass sich im Modellteilgebiet "Großhansdorf" als
Ausschnitt des Gesamtgebietes der Gebietsniederschlag 5% höher berechnet als im Teilgebietsmodell selbst (Datei GWN_END2.WK3).
Das arithmetische Mittel aller 24 Stationen für den Bilanzzeitraum von 1980 bis 1991 betrug
715 mm/a. Der niedrigste Wert dieses Zeitraumes lag bei 687 mm/a, der höchste bei
886 mm/a. Die Schwankungsbreite der einzelnen Jahressummen ist wesentlich größer. Der
niedrigste Wert mit 560 mm/a wurde im Jahr 1982 im Bereich der Station Lübeck-
83
Schönböken gemessen, der höchste Wert mit 1074 mm/a im Jahr 1981 von der Station
Großensee (Tab. 4.2).
Tab. 4.2:
Station
Jahressummen der Niederschläge (in mm/a) der 24 Messstationen, die zur Ermittlung des rasterzellenbezogenen Gebietsniederschlages für das Untersuchungsgebiet Südost-Holstein herangezogen wurden. Ihre Lage ist der Abb. 3.2
zu entnehmen (vgl. auch Anl. 19.4).
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990 1991
Mittelwert
1980-1991
Borstel
1011
Bad Oldesloe 905
Bargteheide
951
Todendorf
979
Steinhorst
875
Ahrensburg
974
Trittau
945
Reinbek
933
Walddörfer
993
Großhans948
dorf
Großensee
978
Glinde
916
Nusse
812
Schwarzen835
bek
Geesthacht
854
Lütau
768
Lauenburg
827
Breitenfelde
844
Mühlenrade
933
HL842
Schönböken
Ratzeburg
945
Söhren
945
Langenlehs837
ten
HH792
Reitbrook
1001
913
975
978
956
987
1019
961
1056
950
753
622
693
677
687
696
636
679
774
619
852
762
802
778
758
857
788
767
875
774
776
703
823
810
758
849
786
836
889
833
680
677
725
664
668
728
716
664
754
690
839
772
847
821
772
812
760
772
889
794
952
843
891
938
921
927
933
879
981
878
916
883
867
830
841
812
771
806
919
822
702
714
708
719
733
743
810
749
865
709
778
694
832
786
762
866
796
763
863
795
772
724
750
747
700
794
700
737
778
739
836
768
822
811
786
837
805
795
886
796
1074
1001
926
940
681
649
629
659
843
765
737
770
850
761
754
792
749
681
640
645
749
773
690
731
872
875
822
841
749
777
704
734
787
724
678
683
787
700
700
779
745
752
638
680
822
781
727
757
908
906
858
983
992
756
664
616
594
660
654
560
720
766
729
785
804
695
891
775
731
833
780
692
702
616
571
681
711
630
792
732
743
809
675
680
881
823
784
953
887
717
755
682
670
781
781
713
764
629
624
719
730
674
776
769
762
693
776
638
688
649
615
723
670
647
783
728
709
789
783
687
962
852
959
637
619
565
731
773
713
766
715
763
606
620
617
742
711
688
946
789
786
747
710
610
664
691
619
668
722
714
626
669
638
753
735
709
877
570
638
680
605
665
800
727
684
654
623
693
Für jeden Boden-/Nutzungstyp wurde der Wasserüberschuss als Funktion des Niederschlages (WÜ=f(N)) berechnet. Hierzu musste zunächst der rasterzellenbezogene Gebietsniederschlag ermittelt werden. Dieses geschah mit Hilfe des Computerprogramms SURFER der
Fa. GOLDEN SOFTWARE. Als Regionalisierungsverfahren wurde KRIGING gewählt. Die Datengrundlage bildeten die an den o.a. 24 Niederschlagsmessstationen ermittelten langjährigen
Stationsmittelwerte. Die Koordinaten der östlich gelegenen Stationen, welche im 12°-Streifen
des GAUSS/KRÜGER-Koordinatensystems lagen, wurden auf die des 9°-Streifens transformiert.
84
Trave
Bad Oldesloe
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rde
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Hansestadt
Lübeck
Gr
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Modellteilgebiet
Großhansdorf
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Kreis Stormarn
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Schwarzenbek
Reinbek
Geesthacht
Elbe
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Hamburg
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Lina
u
Lauenburg
Niedersachsen
0
Abb. 4.1:
5
10km
Isohyetenplan des Untersuchungsgebietes Südost-Holstein. Abgebildet ist auch
das Raster des Grundwasserneubildungsmodells sowie der Umriss des Modellteilgebietes Großhansdorf.
Die Ergebnisse sind in der Abb. 4.1 dargestellt. Die größten langjährigen Niederschlagshöhen mit über 850 mm/a sind im Nordwesten des Untersuchungsgebietes im Übergangsbereich der Niedrigen Geest zum östlichen Hügelland zu beobachten. Von dort aus nehmen sie
nach Osten, Südosten und Süden nahezu kontinuierlich ab. Im Elbtal südlich des Geestrandes liegen sie zwischen 700 und 750 mm/a, desgleichen in der Nordostecke nahe der Lübecker Bucht. Damit bestätigt sich für den Bilanzzeitraum von 1980-1991 ein Trend, welcher
generell in Schleswig-Holstein zu beobachten ist. Wolkenreiche Tiefdruckgebiete erreichen
Schleswig-Holstein in der Regel aus westlichen Richtungen und regnen sich über Land ab.
Daraus folgt, dass der mittlere, langjährige Gebietsniederschlag in den westlichen Landesteilen am höchsten, im Osten und Nordosten am geringsten ist. Dieses trifft auch für das
Untersuchungsgebiet Südost-Holstein zu, d.h. hohe Niederschläge auf der Luvseite des öst-
85
lichen Hügellandes, niedrige Niederschläge auf der Leeseite (Stecknitztal, Hansestadt
Lübeck).
Zur Ermittlung des rasterzellenbezogenen Gebietsniederschlages wurde das Schätzraster
des Regionalisierungsprogramms koordinatengerecht implementiert, d.h. die Koordinaten
des SURFER-Rasters entsprachen denen des Grundwasserneubildungsmodells. Die aus
der Regionalisierung resultierende Verteilung des Gebietsniederschlages wurde in das
Grundwasserneubildungsmodell als Arbeitsblatt G importiert (vgl. Anl. 19.5). Der mittlere
Gebietsniederschlag des Modellgebietes betrug 782 mm/a, das Minimum 687, das Maximum
886 mm/a. Auch die Niederschlagswerte der Rasterelemente dokumentieren die Tendenz,
dass die Niederschlagshöhe von Westen nach Osten abnimmt.
Mit der Ermittlung des Gebietsniederschlages waren die Voraussetzungen zur Berechnung
des rasterzellenbezogenen Wasserüberschusses geschaffen. Dieses geschah in Analogie
zum Teilgebietsmodell "Großhansdorf" (vgl. S. 35: Kap. 3.1.6). Auch für das grobgerasterte
Gesamtgebiet liegen für die jeweiligen Boden-/Nutzungstypen nachstehende Funktionsgleichungen zugrunde (vgl. DYCK & CHARDABELLAS 1963):
Sandböden mit
Wald:
WÜ = 1,1 ⋅ N - 433
WÜ = 1,1 ⋅ N - 474
Lehmböden mit
Wald:
WÜ = 1,1 ⋅ N - 558
WÜ = 1,1 ⋅ N - 578
Der Wasserüberschuss eines jeden Rasterelementes berechnet sich unter Berücksichtigung
der Systemeigenschaften des Untersuchungsgebietes und des zugehörigen Gebietsniederschlages gemäß:
WÜZelle =
FSand/Acker, Grünland ⋅ WÜ Sand/Acker, Grünland + FSand/Wald ⋅ WÜ Sand/Wald +
FLehm/Acker, Grünland ⋅ WÜ Lehm/Acker, Grünland + FLehm/Wald ⋅ WÜ Lehm/Wald AgG ⋅ Ez
mit
WÜZelle
=
Gesamtwasserüberschuss einer Zelle
WÜSand/Acker, Grünland =
Wasserüberschuss auf Sandböden mit Acker- und Grünlandnutzung als f(N)
FSand/Acker, Grünland
=
proz. Flächenanteil von Sandböden mit Acker und Grünland
N
=
Niederschlag der Rasterzelle
AgG
=
Flächenanteil von Gebieten mit geringem Grundwasserflurabstand
Ez
=
Zusätzliche Verdunstung bei geringem Grundwasserflurabstand
(z.B. 90 mm/a).
86
Die rasterzellenbezogene Beschreibung des Wasserüberschusses ist im Arbeitsblatt H des
Grundwasserneubildungsmodells (vgl. Anl. 19.6 oben) dargestellt. Danach beträgt der mittlere Wasserüberschuss im Bilanzzeitraum von 1980-1991 333 mm/a. Der niedrigste Wert liegt
bei 180 mm/a, der höchste bei 464 mm/a.
Höhere Wasserüberschüsse (>350 mm/a) treten meist in den Gebieten auf, in denen Sandböden mit Acker- und Grünlandnutzung angetroffen wurden. Es handelt sich hierbei um das
Gebiet westlich Bargteheide und Ahrensburg, den zentralen Teil des Untersuchungsgebietes
nördlich der Linie Reinbek-Schwarzenbek sowie zwei kleinere Areale südwestlich von Mölln
und nordöstlich von Geesthacht. Südlich des Geestrandes zur Elbeniederung hin sowie im
Nordosten des Untersuchungsgebietes liegen die Wasserüberschüsse pro Rasterelement
deutlich unter 300 mm/a.
Um zu prüfen, wie hoch die Ergebnisbandbreite des Wasserüberschusses sein kann, wenn
zu seiner Ermittlung andere Berechnungsverfahren eingesetzt werden, wurde eine auf die
Rasterelemente bezogene Verdunstungsberechnung nach TURC (1954) durchgeführt. Die
Differenz zwischen der Niederschlagshöhe und diesem Verdunstungswert VTurc ergibt den
Wasserüberschuss WÜTURC:
WÜTurc = N - VTurc
(Gl. 1)
Die hierzu von TURC (1954) empirisch aufgestellte Gleichung basiert allein auf dem mittleren jährlichen Niederschlag und der mittleren Jahrestemperatur (vgl. auch MATTHESS &
UBELL 1983). Bodenart, Flächennutzung und Grundwasserflurabstand werden nicht berücksichtigt. Die Funktionsgleichung lautet:
N
VTurc = ————————
—————
(Gl. 2)
√ 0,9 + N²/L²
mit
L
=
f(T)
=
300 + 25 T + 0,05 T³
VTurc =
mittlere jährliche Verdunstung [mm/a]
N
=
jährliche Niederschlagshöhe [mm/a]
T
=
mittlere Jahrestemperatur [°C]
Für jedes Rasterelement des Untersuchungsgebietes wurde so zunächst die Verdunstung
(Gl. 2), dann der Wasserüberschuss (Gl. 1) ermittelt. Die Berechnung erfolgte wieder mit Hilfe
des Tabellenkalkulationsprogramms. Als Temperatur wurde der arithmetische Mittelwert der
mittleren Jahrestemperatur der im Untersuchungsgebiet liegenden Klimamessstationen des
Deutschen Wetterdienstes für den Zeitraum von 1980-1991 zugrunde gelegt. Die mittlere
87
Jahrestemperatur aller Rasterelemente beträgt 8,25°C. Die Berechnung der Niederschlagshöhe eines jeden Rasterelements erfolgte wiederum mit Hilfe des KRIGING-Verfahrens
(vgl. Anl. 19.5).
Es wurde nun der nach TURC berechnete Wasserüberschuss mit dem nach JOSOPAIT &
LILLICH (1975) ermittelten verglichen. Die Anlage 20.1 zeigt eine Wertetabelle, aus der die
Größenordnung des Zusammenhangs zwischen Niederschlag, der Verdunstung nach TURC
und dem daraus resultierenden Wasserüberschuss hervorgeht. In analoger Weise ist in den
Anlagen 20.2 bis 20.5 eine Wertetabelle für die vier verwendeten Lysimetergleichungen aufgelistet (Datei GWN_94DD.WK3: Arbeitsblätter A-E). Bei einer fiktiven Niederschlagshöhe
von 780 mm/a - dieser Wert entspricht etwa dem mittleren Gebietsniederschlag des Untersuchungsgebietes - liegt der zugehörige Wasserüberschuss je nach Boden- und Nutzungsart zwischen 280 mm/a und 425 mm/a (Tab. 4.3). Der so nach TURC berechnete Wasserüberschuss liegt mit 332 mm/a innerhalb dieser Spanne.
Tab. 4.3:
Vergleich der nach JOSOPAIT & LILLICH 1975) berechneten Wasserüberschüsse mit dem nach TURC (1954) ermittelten Wert für eine Niederschlagshöhe von 780 mm/a.
Funktionsgleichung
Sand mit Acker/Grünland
Sand mit Wald
Lehm mit Acker/Grünland
Lehm mit Wald
Wasserüberschuss nach
TURC(1954)
WÜ = 1,1 · N - 433
WÜ = 1,1 · N - 474
WÜ = 1,1 · N - 558
WÜ = 1,1 · N - 578
WÜ = N - VTURC
Niederschlag
N (mm/a)
780
780
780
780
780
Wasserüberschuss WÜ
425
384
300
280
332
Die Wasserüberschussverteilungen beider Berechnungsvarianten sind im Arbeitsblatt I der
Datei GWN_94DD.WK3 zusammengestellt (vgl. Anl. 20.7). Unter Berücksichtung der zusätzlichen Verdunstung aus dem Grundwasser, die für Untersuchungsgebietsteile mit einem
Grundwasserflurabstand <1m postuliert wurde (Arbeitsblatt F; Anl. 20.6), ergibt sich für das
Untersuchungsgebiet nach JOSOPAIT & LILLICH (1975) ein mittlerer Wasserüberschuss
von 333 mm/a. Die Differenz zwischen der Niederschlagsverteilung und den nach TURC
(1954) berechneten Verdunstungshöhen führt zu einem integralen Wasserüberschuss
WÜTURC von 323 mm/a (Anl. 20.7: mittl. Tab. o.). Die Unterschiede zwischen beiden Verteilungen liegen zwischen -45 mm/a und +67 mm/a, entsprechend -18% und +17% bezogen
auf den Wasserüberschuss des jeweiligen Rasterelements. Der Wasserüberschuss nach
JOSOPAIT & LILLICH ist gegenüber der TURC-Variante dort niedriger, wo Lehmböden anstehen, und höher, wenn ein Rasterelement überwiegend ackerbaulich genutzte Sandflächen enthält. Die Abweichungen entstehen, weil das TURC-Verfahren die Einflüsse von Bodenart und Bodennutzung nicht berücksichtigt. Der Ansatz nach JOSOPAIT & LILLICH
88
(1975) erreicht daher eine größere Annäherung an das Natursystem als die vorgenannte
Variante, die deshalb letztendlich verworfen wurde.
4.2
Ermittlung und Regionalisierung des mittleren langjährigen Oberflächenabflusses
Zur Ermittlung der Grundwasserneubildungsrate wird für jedes Rasterelement die mittlere
oberirdische Abflussspende des Bilanzzeitraumes von 1980-1991 benötigt. Hierzu wurden
alle für das Untersuchungsgebiet vorhandenen Abfluss- und Wasserstandsdaten ausgewertet. Im Untersuchungsgebiet werden von den gewässerkundlichen Dienststellen Hamburgs
(Umweltbehörde Hamburg) und Schleswig-Holsteins (Landesamt für Natur und Umwelt S.H., Amt für Land- und Wasserwirtschaft Lübeck) insgesamt 20 Pegel betrieben. Ihre Lage
ist der Abb. 4.2 zu entnehmen. Von diesen entfallen 9 Pegel auf den gewässerkundlichen
Dienst in Schleswig-Holstein, weitere 7 Messstellen wurden im Rahmen des Untersuchungsprogramms Südost-Holstein errichtet und betreut (Abb. 4.2: unterstrichen), 4 Abflussmessstellen liegen auf Hamburger Staatsgebiet (Tab. 4.4; Abb. 4.2: kursiv).
Während für die Pegel des gewässerkundlichen Dienstes in Schleswig-Holstein vollständige
Datenreihen vorlagen (Tab. 4.4 dkl. schattiert), mussten die Abflussdaten für die Untersuchungsprogrammpegel, welche erst im Jahr 1985 errichtet wurden, mit Hilfe von linearer
Regression ergänzt werden (vgl. hierzu S. 59: Kap. 3.2.3.3). Dieses traf ebenfalls für die
zwei Hamburger Pegel "Wilhelm-Grimm-Straße" und "Wohldorfer Damm" zu. Für den Hamburger Pegel Brügkamp waren nur Wasserstandsdaten vorhanden. Diese wurden mit Hilfe
mehrerer W/Q-Messungen aus den Jahren 1982-1984 in Abflussschätzwerte umgesetzt,
allerdings ohne dass Verkrautung und sonstige den Gewässerquerschnitt betreffende Einflüsse berücksichtigt werden konnten. Die Pegelanlage an der Saselbek war anscheinend
schon lange ausser Betrieb, so dass hier von der Umweltbehörde Hamburg keinerlei Daten
geliefert wurden. Um dieses Einzugsgebiet dennoch mit Abflussdaten belegen zu können,
wurde als Abflussspende der Mittelwert der beiden benachbarten Einzugsgebiete angesetzt.
Abflussschätzwerte mussten auch für einige randlich gelegene Rasterelemente des Grundwasserneubildungsmodells angesetzt werden, weil hier keine Abflussdaten vorlagen. Für
den Ostrand wurde postuliert, dass hier die Abflussspenden denen der sich westlich anschließenden Einzugsgebiete der Pötrau und Steinau entsprachen. Für das Stecknitztal im
Südosten und das Elbtal im Süden wurden als Abflussspenden Literaturwerte für Niederungsgebiete angesetzt (weiteres hierzu im Kap. 4.2.1). Den nordwestlichen Randelementen
wurden die Abflussschätzwerte der Ammersbek (Pegel Brügkamp) zugeordnet, den nördlichen Randzellen die der Pegel Rehagen (Bunsbach) und Quellental (Norderbeste).
89
Tab. 4.4:
Zusammenstellung der im Untersuchungsgebiet betriebenen gewässerkundlichen Pegelanlagen, deren Daten zur Grundwasserneubildungsberechnung herangezogen wurden (Lage in Abb. 4.2). Die Pegel des gewässerkundlichen
Dienstes Schleswig-Holstein sind grau, die Hamburgs grün gekennzeichnet.
Programmpegel sind blau hinterlegt.
Pegel
Einzugsgebiet in
km²
Art des Pegels
Augraben
34,1
gewässerkdl.
Quellental II
Barnitz
58,8
Untersuchungsprog.
SE-Holstein
Q
AJ 85-91
Quellental
Beste
89
gewässerkdl.
Q
AJ 80-91
Lütau
Gewässer
verwendetes
Datenmaterial
Q
AJ 80-91
Dienst S.-H.
Dienst S.-H.
Hamfelde
Bille
66,5
Untersuchungsprog.
SE-Holstein
Q
AJ 85-91
Reinbek
Bille
28,1
Q
AJ 80-91
Sachsenwaldau
Bille
156,5
gewässerkdl.
Dienst S.-H.
gewässerkdl.
Dienst S.-H.
Q
AJ 80-91
Bunsbach
30,1
gewässerkdl.
Q
AJ 85-91
Rehagen
Dienst S.-H.
Ziegelhof
Bünningstedt
1Grinau
32,5
Untersuchungsprog.
SE-Holstein
Q
AJ 85-91
Hunnau/Aue
64
gewässerkdl.
Q
AJ 80-91
Q
AJ 80-91
Q
AJ 80-91
Dienst S.-H.
Lütau
Linau
56,2
gewässerkdl.
Dienst S.-H.
Witzeeze
Linau
15,7
gewässerkdl.
Dienst S.-H.
Neritz
Norderbeste
48
Untersuchungsprog.
SE-Holstein
Q
AJ 85-91
Breitenfelde
Priesterbach
32,8
Untersuchungsprog.
SE-Holstein
Q
AJ 85-91
Aumühle
Schwarze Au
83,9
gewässerkdl.
Q
AJ 85-91
Dienst S.-H.
Nusse
Steinau
75,2
Untersuchungsprog.
SE-Holstein
Q
AJ 85-91
Pötrau
Steinau
92,3
Untersuchungsprog.
SE-Holstein
Q
AJ 85-91
Ammersbek
13,9
gewässerkdl.
WS
W/Q
Q
AJ 78-89
AJ 82-84
AJ 80-91
Brügkamp
Dienst HH
Wohldorfer D.
Bredenbek
ausser Betrieb
Saselbek
19,9
gewässerkdl.
Dienst HH
gewässerkdl.
Schätz- wert
Dienst HH
WilhelmGrimm-Str.
An der Steinbek
Wandse
41,7
gewässerkdl.
Q
AJ 80-91
Q
AJ 71-83
Dienst HH
Glinder Au
57
gewässerkdl.
Dienst HH
Gr
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90
Neritz
Be
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Quellental
2
Quellental
Ziegelhof
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Rehagen
Bredenbek
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5
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Augraben
Witzeeze
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Niedersachsen
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n
Hamburg
10km
- im Rahmen des Untersuchungsprogrammes eingerichtete Pegel
Saselbek - Abflußmeßstellen der Umweltbehörde (W13) im östlichen Teil Hamburgs
Abb. 4.2:
Lage der Pegeleinzugsgebiete im Untersuchungsgebiet Südost-Holstein.
Ebenfalls abgebildet ist das Raster des Grundwasserneubildungsmodells.
91
4.2.1
Hydrologie der Oberflächengewässer im Gesamtgebiet Südost-Holstein
Die Ergebnisse der Abflussauswertungen sind im Arbeitsblatt J des Grundwasserneubildungsmodells festgehalten (vgl. Anl. 19.7: unten). Neben der Größe des jeweiligen Teileinzugsgebietes enthält diese Tabelle Angaben zum mittleren Abfluss MQ, bezogen auf den
Bilanzzeitraum, sowie zum unterirdischen und oberirdischen Abfluss (Au u. Ao). Zur Berechnung dieser Abflusskomponenten in Niederungsgebieten, die nicht mit Pegeldaten abgedeckt waren, wurde auf den Ansatz von JOSOPAIT & LILLICH (1975) zurückgegriffen (vgl.
hierzu auch Kap. 3.2.5). Vorgenannte Autoren sehen den oberirdischen Abfluss im weitesten
Sinn als Funktion der Reliefenergie an, wobei abflussreiche Talauen Gebieten mit hoher
Reliefenergie gleichgesetzt wurden. Ihre Untersuchungen in Niedersachsen lieferten für Talauen oberirdische Abflüsse von 150-200 mm/a, Hänge im Mittel 100 mm/a und Hochflächen
etwa 30 mm/a. Für jedes Rasterelement des Grundwasserneubildungsmodells wurde nun
der prozentuale Anteil an Tal-, Hang- und Hochflächen abgeschätzt und mit der jeweiligen
o.a. Abflussspende belegt. Der daraus resultierende Mittelwert aller Rasterelemente betrug
62 mm/a und war damit unrealistisch niedrig. Im Vergleich dazu beträgt der Mittelwert des
oberirdischen Abflusses aller in der Tab. 4.2 aufgeführten Einzugsgebiete 142 mm/a. Die
Vorgabewerte von JOSOPAIT & LILLICH wurden nun mit Hilfe einer im Tabellenkalkulationsprogramm implementierten "Zielsucheoption" solange beaufschlagt, bis der Mittelwert
des Abflusses der Rasterelemente dem integralen Wert der Pegeleinzugsgebiete entsprach.
Dadurch erhöhte sich der hypothetische Abfluss vernässter Talauen um 80 auf 255 mm/a
(vgl. Anl. 19.6 unten). Wenngleich der vorgenannte Wert sicher nicht dem realen oberirdischen Abfluss entspricht, wird durch die Anpassung an gemessene Abflussspenden eine
Annäherung an das Natursystem erreicht.
Die rasterzellenbezogene Verteilung des Oberflächenabflusses einschließlich Interflow ist in
der Anlage 19.7 (oben) sowie in der Abb. 4.3 dargestellt. Die niedrigste oberirdische Abflussspende des Bilanzzeitraumes von 1980-1991 liegt bei 45 mm/a, die höchste bei 272
mm/a, der Mittelwert bei 143 mm/a.
Niedrige Ao-Abflussspenden sind vor allem im Süden des Untersuchungsgebietes südlich
der Linie Aumühle-Schwarzenbek zu beobachten (Abb. 4.3). In diesem flachwelligen Altmoränengebiet ist die Reliefenergie vergleichsweise gering. Zudem stehen hier oberflächennah
vornehmlich Sande an, so dass es zu einer erhöhten Infiltration von Niederschlägen kommt.
Die höchsten Abflussspenden sind im Norden des Untersuchungsgebietes zu verzeichnen.
Hier sind oberflächennah bindige Sedimente wie Geschiebemergel und Beckentone verbreitet. Die Böden besitzen eine niedrige Infiltrationskapazität, so dass ein schnelles Versickern
von Niederschlagswasser verhindert wird. Dieses führt zu einem erhöhten Direktabfluss.
Auch die Niederungsgebiete im Nordwesten, im südlichen Stecknitztal und südlich des Geestrandes besitzen hohe Abflussspenden von 200 mm/a und mehr.
92
Bad Oldesloe
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Hansestadt
Lübeck
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G
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Kreis
Segeberg
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195
153
192
195
Bargteheide
158
176
187
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Barnit
255
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272
224
224
205
245
190
161
152
146
104
161
161
116
95
111
171
161Ste
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181
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154
p
109
Großh.-dorf
Modellteilgebiet
Großhansdorf
104
99
94
Kreis Stormarn
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124
137
130
86
229
45
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167
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Bille
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Aumühle
66
88
Geesthacht
Hamburg
65
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229
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94
69
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Abb. 4.3:
130
+
208
Abflußspende Ao
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Reinbek
Mü
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Schwarzenbek
171
Lauenburg
199
Niedersachsen
Rasterzellenbezogene Verteilung des oberirdischen und oberflächennahen
Abflusses im Untersuchungsgebiet Südost-Holstein (Angaben in mm/a, Bilanzzeitraum 1980-1991).
Im östlichen Hügelland, also im Jungmoränengebiet der letzten Vereisung, sind die Abflussspenden sehr unterschiedlich. Dieses ist auf den heterogenen Deckschichtaufbau, d.h. auf
den schnellen lateralen wie vertikalen Wechsel von bindigen und sandigen Schichten zurückzuführen.
Wie uneinheitlich das Abflussverhalten der Oberflächengewässer im Untersuchungsraum
Südost-Holstein ist, zeigt auch das Verhältnis von oberirdischem zu unterirdischem Abfluss
93
in den jeweiligen Gewässereinzugsgebieten. Der niedrigste Wert beträgt 0,1, d.h. der oberirdische Abfluss hat nur einen Anteil von etwa 10% am Gesamtabfluss. Es handelt sich um
das Teileinzugsgebiet der Bille zwischen den Pegeln Reinbek und Sachsenwaldau. Aufgrund
der orographischen Tieflage am Rande der Geest kommt es hier bei artesischen Grundwasserverhältnissen zu einer starken Exfiltration von Grundwasser aus den pleistozänen und
tertiären Grundwasserleitern in die Vorfluter. Ähnliches gilt für die Teileinzugsgebiete der
Ammersbek (Aue) am Pegel Brügkamp (Alsterniederung) sowie der Linau am Pegel Witzeeze (Stecknitztal). Hier beträgt das Ao/Au-Verhältnis jeweils 0,4. Allerdings muss bedacht werden, dass extrem hohe grundwasserbürtige Abflussspenden kleiner Einzugsgebiete ihre
Ursache auch darin haben können, dass die unterirdischen Einzugsgebiete größer sein können als die den Berechnungen zugrunde gelegten oberirdischen.
Der Bunsbach am Pegel Rehagen südwestlich von Bargteheide sowie die Grinau am Pegel
Ziegelhof im Nordosten des Untersuchungsgebietes weisen ein Ao/Au-Verhältnis 3,7 bzw. 3,0
auf, d.h. der oberirdische Abfluss beträgt das Drei- bis Vierfache des unterirdischen. Während in weiten Teilen des Bunsbach-Einzugsgebietes die Grundwasseroberfläche unterhalb
des Vorflutniveaus liegt, ist im Einzugsgebiet der Grinau eine bindige Deckschicht verbreitet.
Beides führt zu einer Verminderung des grundwasserbürtigen Abflusses.
Im weiteren wurde geprüft, in welchem Maße die an die integrale Abflusshöhe des Untersuchungsgebietes angepasste Abflussverteilung nach JOSOPAIT & LILLICH (1975) von der
mit Hilfe von Pegeldaten regionalisierten Verteilung abweicht. Die Berechnungen hierzu
wurden im Arbeitsblatt K des Grundwasserneubildungsmodells (GWN_94AD.WK3) vorgenommen (vgl. Anl. 19.8). Die mittlere Abweichung beider Abflussverteilungen ist mit 1,2
mm/a gering, jedoch nicht gleich null. Sie entsteht dadurch, dass die Fläche der Pegeleinzugsgebiete nicht exakt mit der des Modellrasters übereinstimmt. Bei 53 von 87 Rasterelementen liegen die Abweichungen zwischen -10% und +20%. Augenfällig ist, dass die größten Differenzen im Norden des Untersuchungsgebietes auftreten, dort, wo großflächig bindige Deckschichten anstehen und das Abflussgeschehen maßgeblich beeinflussen. Das reliefenergiebasierte Abflussmodell weist hier wesentlich geringere Werte aus als tatsächlich
gemessen wurden. Umgekehrt sind die Verhältnisse im Gebiet zwischen Aumühle und
Schwarzenbek. Durch die große Infiltrationsrate von Niederschlagswasser im Bereich der
dort anstehenden Sande gelangt hier weniger Wasser zum Direktabfluss als das reliefenergiebasierende Abflussmodell ausweist. Die einzugsgebietsbezogene, auf Pegeldaten basierende Abflussverteilung bildet also das Abflussgeschehen naturnäher ab als der pauschalisierte Ansatz nach JOSOPAIT & LILLICH (1975). Es wurde daher allen folgenden Grundwasserneubildungsberechnungen der erstgenannte Ansatz zugrunde gelegt.
Die vorgenannten Überlegungen zeigen, dass die flächendeckende Erfassung des Abflussgeschehens im Rahmen wasserhaushaltlicher Untersuchungen von besonderer Wichtigkeit
ist. Abflussschätzungen anhand von Literaturangaben können zu einer hohen Bandbreite in
den Ergebnissen führen und so ihre Verwendbarkeit für wasserwirtschaftliche Planungs-
94
maßnahmen stark einschränken. Die Heterogenität der Abflussspenden im Untersuchungsraum Südost-Holstein (Anl. 19.7 unten) veranschaulicht auch, dass sich Abflussdaten nicht
ohne weiteres auf benachbarte Einzugsgebiete übertragen lassen. Daraus resultiert die Forderung nach einem flächendeckenden Pegelnetz.
4.2.2
Auftrennung des Gesamtabflusses in einen oberirdischen und einen grundwasserbürtigen Anteil (Ao/Au) unter Berücksichtigung des Deckschichtaufbaus sowie des
Grundwasserflurabstandes
Im weiteren wurde geprüft, wie sich die rasterzellenbezogene oberirdische Abflussspende
ändert, wenn für Teile der Gewässereinzugsgebiete ein Kontakt zwischen dem Hauptgrundwasserleiter und der Vorflut ausgeschlossen werden kann. Dieses würde für die betroffenen
Einzugsgebietsteile bedeuten, dass zur Ermittlung der "Grundwasserneubildung" in diesem
Grundwasserleiter (Grundwasserregeneration) nicht allein der oberirdische Abfluss vom
Wasserüberschuss abgezogen werden müsste, sondern der Gesamtabfluss. Die AuKomponente wäre dann, bezogen auf den Grundwasserleiter, als "Interflow" (Ai) zu definieren. Als Folge davon reduziert sich die Grundwasserneubildung gemäß GWN = WÜ - Ao - Ai.
Dieser Sensitivitätstest war besonders für den Aufsteller des numerischen Grundwasserströmungsmodells im Hinblick auf die Erstellung von Gebietswasserbilanzen von Interesse (HOFFMANN 1996a). Der Vorgenannte lieferte daher auch die Vorgaben in bezug auf die
hydraulischen Eigenschaften der Deckschicht und zur hydraulischen Funktion der Vorfluter
(Influenz/Effluenz).
Der obige Modellansatz wurde für Gebiete angenommen, in denen auf Grund von Bohrergebnissen geringdurchlässige, bindige Deckschichten auskartiert worden waren, sowie für
Einzugsgebiete mit influenten Vorflutverhältnissen. Letztere wurden mit Hilfe eines Grundwassergleichenplans (Kontrollfunktion Quartär) und den orographischen Vorfluterhöhen abgegrenzt.
Die das Grundwasser und den Wasserhaushalt betreffende Informationsdichte ist im Untersuchungsgebiet sehr unterschiedlich. So stehen Gebiete mit einer hohen Aufschlussdichte,
d.h. mit einem dichten Grundwasser- und Abflussmessstellennetz, Gebieten gegenüber, in
denen z.B. nur der Aufbau der geologischen Deckschicht und die Flächennutzung bekannt
ist. Dieses trifft auch für die Datengrundlage des obigen Modellansatzes zu. In Teilbereichen
des Untersuchungsgebietes konnten zur Verbreitung sandiger oder bindiger Deckschichten
nur Annahmen getroffen werden. Auch der Konstruktion der Grundwassergleichenpläne zur
Abgrenzung der influenten und effluenten Gewässerabschnitte lagen Datenbestände unterschiedlicher Qualität zugrunde. So wurde z.B. ein Grundwassergleichenplan ausschließlich
mit Hilfe oberflächennah verfilterter Grundwassermessstellen konstruiert, ein zweiter mit
Hilfe einer Vielzahl von zusätzlichen Stützstellen (Wasserstände in nicht eingemessenen
95
Hausbrunnen, Beregnungsbrunnen etc.). Dadurch kam es in einigen Einzugsgebieten zu
einer Verschiebung der hypothetischen "influent/effluent"-Grenze.
Zur Ermittlung der aus dieser unterschiedlichen Datendichte resultierenden Ergebnisbandbreite wurden drei Modellvarianten gerechnet, die im Folgenden mit "Variante A-C" bezeichnet werden. Diese Ergebnisse wurden mit den im Kap. 4.2.1 beschriebenen Untersuchungsbefunden verglichen.
Die Variante A geht hinsichtlich der Abgrenzung influenter und effluenter Gewässerabschnitte von einem Grundwassergleichenplan ohne Stützstellen aus. Darüber hinaus wurde
effluenter Vorfluterabfluss nur für solche Einzugsgebietsteile postuliert, in denen nachweislich ein hydraulischer Kontakt zwischen dem Hauptgrundwasserleiter (HWL) und dem Vorfluter vorhanden ist (Deckschicht sandig). Der Variante B liegt ebenfalls ein Grundwassergleichenplan zugrunde, der ausschließlich mit Hilfe von in Grundwassermessstellen gemessenen Potentialhöhen konstruiert wurde. Ferner wurden in Gebieten mit effluenten Verhältnissen alle nicht auszuschließenden und nicht einschätzbaren Kontakte zwischen HWL und
Vorflut als gesicherte hydraulische Kontakte simuliert.
Im Gegensatz zu den Varianten A und B basiert die Modellvariante C auf einem Grundwassergleichenplan, welchem neben gemessenen Grundwasserpotentialen auch Höhenhilfspunkte (Stützstellen) zugrunde gelegt wurden. Alle nicht auszuschließenden und nicht einschätzbaren Kontakte zwischen HWL und Vorflut wurden wiederum als tatsächliche hydraulische Kontakte angenommen. Weitere Erläuterungen zur Konstruktion dieser Grundwassergleichenpläne für den quartären Hauptgrundwasserleiter finden sich bei AGSTER (1996).
Die Modellrechnungen der Varianten A-C wurden mit Hilfe des Tabellenkalkulationsprogramms umgesetzt. Die Ausgangsbasis bildete die Datei GWN_94AD.WK3 (vgl. S. 79:
Tab. 4.1; OTTO 1994). Die o.a. Änderungen wurden jeweils im Arbeitsblatt N vorgenommen
und die geänderte Datei unter einem neuen Dateinamen (GWN_94EA.WK3,
GWN_94EB.WK3, GWN_94EC.WK3) abgespeichert (Tab. 4.1). Zur Berechnung wurde für
jedes Rasterelement einzugsgebietsbezogen der prozentuale Flächenanteil ermittelt, für den
nach den o.a. Maßstäben als Abflussspende nicht die oberirdische, sondern die mittlere Gesamtspende Mq anzusetzen war.
Die Vorgehensweise soll anhand des Arbeitsblattes N der Datei GWN_94EA.WK3 (Anl.
21.2) erläutert werden. Das Rasterelement B6 (Anl. 21.2 oben) weist folgende Zellformel mit
den Zelladressen L50, N50 und L51 auf:
Einzugsgebiets-Nr.
0,4*(0,74*L50)+0,6*(0,74*N50)+0,26*L51
Wandse
Glinder Au
96
Die Abflussspende berechnet sich mit Hilfe der Abflüsse zweier Pegeleinzugsgebiete. 74%
des Rasterelements entfallen auf das Einzugsgebiet der Wandse (Nr. 50 in Anl. 21.2 unten),
26% auf das der Glinder Au (Nr. 51). Diese Pegelnummern entsprechen den Zeilennummern im Arbeitsblatt N der o.a. Grundwasserneubildungsdateien. In der Spalte L ist der Abfluss Ao abgelegt, in der Spalte N der Gesamtabfluss MQ (= Ao+ im Arbeitsblatt N), jeweils
als Mittelwert des Bilanzzeitraumes 1980-1991. Daraus resultiert die Zellformel:
0,74*N50+0,26*L51
Die Einzugsgebietsanalyse für die Modellvariante A ergab nun, dass im Einzugsgebiet der
Wandse ein hydraulischer Kontakt zwischen dem Vorfluter und dem Grundwasserleiter nicht
immer geben ist. Für das Rasterelement B6 beträgt dieser Flächenanteil etwa 60%, d.h. es
musste hier zur Abflussberechnung der MQ-Wert angesetzt werden (0,60 · 0,74 · MQWandse).
Für das restliche Einzugsgebiet gilt: 0,40 · 0,74 · AoWandse. Der Rechenschritt für das Rasterelement B6 lautet vollständig und zusammengefasst:
0,444 · MQWandse + 0,293 · AoWandse + 0,260 · AoGlinder Au.
Als Abflussspende ergibt sich so ein Wert von 156 mm/a.
Alle Rasterelemente der Variante A, in denen in bezug auf den Abfluss Änderungen auftraten, sind in der Anlage 21.2 (oben) umrandet. Gegenüber der Ausgangsdatei
GWN_94AD.WK3 erhöhte sich im Gesamtgebiet der Oberflächenabfluss einschließlich Interflow von 143 mm/a auf 172 mm/a. Die niedrigste Abflussspende liegt bei 51 mm/a, die
höchste bei 356 mm/a. Gegenüber der Variante GWN_94AD.WK3 treten die größten Abweichungen in der östlichen Nordhälfte des Untersuchungsgebietes auf. Hier liegt die
Grundwasseroberfläche orographisch oberhalb des Druckspiegels des modellierten Hauptgrundwasserleiters. Am Westrand sowie in der Mitte des Untersuchungsgebietes östlich
Hamfelde verhindern bindige Deckschichten einen Austausch zwischen dem Vorfluter und
dem modellierten Grundwasserleiter.
Die Varianten B und C unterscheiden sich von der Variante A nur im mittleren Teil des Untersuchungsgebietes. Die Mittelwerte in Höhe von 167 mm/a (B) und 168 mm/a (C) liegen
nur unwesentlich unter dem der Variante A (vgl. Anl. 22.1 u. 23.1). Größere Abweichungen
von bis zu 100 mm/a treten nur im Oberlauf der Bille auf (vgl. auch Anl. 23.5). Hier wurde in
den Varianten B und C ein vermuteter hydraulischer Kontakt zwischen Vorfluter und Hauptgrundwasserleiter simuliert, d.h. die davon betroffenen Rasterelemente wurden mit dem AoWert der Bille belegt (Variante A: MQ). Vergleicht man die Abflussspenden der Varianten AC mit denen der Ausgangsdatei GWN_94AD.WK3, so ist die Abweichung bei 48 von 87
Rasterelementen kleiner als 10 mm/a, 8 Zellen weisen eine Differenz zwischen 10 und 20
mm/a auf. Bei 31 Elementen erhöht sich die Abflussspende um mehr als 20 mm/a, wobei die
Unterschiede bis zu 150 mm/a betragen. Betrachtet man die mittlere Abflussspende des
97
Gesamtgebietes, so ist sie durch die o.a. Änderung der Randbedingung um 18% höher als
bei der Ausgangsvariante.
Die vorgestellten Berechnungen unterstreichen, dass der Abfluss bei Wasserhaushaltsuntersuchungen ein äußerst sensitiver Parameter ist. An Pegeln ermittelte integrale Abflussdaten lassen sich nur mit hohem Aufwand und großer Unsicherheit innerhalb des Gewässereinzugsgebietes differenzieren. Der Abfluss setzt sich aus vielen Einzelkomponenten zusammen, die sich in der Regel nicht getrennt messen lassen. Dieses kann nur rechnerisch
geschehen und führt je nach Wahl des Verfahrens zu einer erheblichen Ergebnisbandbreite.
Auch die unterschiedliche Definition einzelner Abflusskomponenten, die - wie das obige Beispiel zeigt - auch von der zu lösenden Fragestellung abhängig ist, führt zu einer Streuung
der Ergebnisse.
Das Niederschlagswasser, welches innerhalb eines Rasterelementes versickert und das
Element über Quellen oder Vorfluter wieder verlässt, wird in der vorliegenden Untersuchung
als Oberflächenabfluss Ao und Interflow Ai bezeichnet. Die Größe beider Abflusskomponenten ist abhängig von der Zellgröße. Bei kleinen Rasterelementen (z.B. 25x25m) sind die Abflussspenden der einzelnen Zellen sehr unterschiedlich. Bei Rasterelementen, welche nicht
an einen Vorfluter angebunden sind, sind sie niedrig. Vorflutertangierende Rasterelemente
weisen hingegen hohe Abflüsse auf. Bei großen Rasterelementen sind die Unterschiede in
der Abflusshöhe eher ausgeglichen. Um die Ergebnisbandbreite zu minimieren, sollten
Wasserhaushaltsuntersuchungen auf einer guten hydrologischen Datenbasis aufbauen.
Hierfür ist ein dichtes Netz von Abflusspegeln erforderlich. Für das Untersuchungsgebiet
Südost-Holstein bedeutet dies, dass das bestehende Pegelnetz auch weiterhin betrieben
wird. Die Abflusspegel auf Hamburger Seite sollten schnellstmöglich baulich begutachtet
und für einen längerfristigen Betrieb eingerichtet werden. Die W/Q-Messungen sowie der
Pegelbetrieb sollten hierbei gemäß Pegelvorschrift (LAWA/BMV 1978) durchgeführt werden.
Zur Erfassung der hydraulischen Verhältnisse in Vorflutnähe ist auch ein Netz von vorfluternahen, oberflächennah verfilterten Grundwassermessstellen erforderlich. Nur so lassen sich
z.B. Teileinzugsgebiete mit influenten von jenen mit effluenten Verhältnissen abtrennen.
Im Rahmen der vorgestellten Grundwasserneubildungsberechnung hat sich der Einsatz eines Tabellenkalkulationsprogramms als vorteilhaft erwiesen, weil sich so die für das Verstehen des Natursystems wichtigen Bandbreitenbetrachtungen - auch hinsichtlich des Abflusses - in zeitverträglicher Form umsetzen lassen. Die vorliegenden Untersuchungsergebnisse
ermöglichten z.B. dem Aufsteller des numerischen Grundwasserströmungsmodells, eine
"worst case"-Analyse vorzunehmen, d.h. zu prüfen, in welchem Maße sich eine vorgegebene
Grundwasserförderung bei einer dem Bandbreitenspektrum entnommenen niedrigen
Grundwasserneubildungsrate auf das Natursystem auswirkt.
98
4.3
Abschätzung der Grundwasserneubildungsrate für das Gesamtgebiet Südost-Holstein
Die Ermittlung der Grundwasserneubildung geschah in Analogie zum Kap. 3.3.1 auf S. 68.
Im Folgenden werden die Ergebnisse der vier in der Tab. 4.1 aufgeführten Varianten
GWN_94AD.WK3, GWN_94EA.WK3, GWN_94EB.WK3 und GWN_94EC.WK3 diskutiert.
Alle vier Varianten gehen von ein und derselben Wasserüberschussverteilung aus. Sie unterscheiden sich nur in der Höhe der oberirdischen Abflussspenden. Die resultierenden
Grundwasserneubildungsverteilungen besitzen angesichts der Rasterelementgröße von 16
km² eine niedrige örtliche Auflösung. Sie geben daher nur den regionalen Trend wieder.
4.3.1
Ermittlung der Grundwasserneubildung in Anlehnung an das Verfahren nach
JOSOPAIT & LILLICH (Variante 0)
Die auf die Rasterelemente bezogene Verteilung der Grundwasserneubildungsraten wird im
Arbeitsblatt K der Datei GWN_94AD.WK3 berechnet und ist in der Anlage 19.8 abgebildet.
Ihre Spannweite reicht von -29 mm/a in der Elbeniederung bis hin zu 324 mm/a im Bereich
von Aumühle. Der Mittelwert liegt bei 189 mm/a, entsprechend 6,0 l/s/km². Dieses sind etwa
24% des Gebietsniederschlages. Alle vorgenannten Werte beziehen sich auf den Bilanzzeitraum von 1980 - 1991. In der Abb. 4.4 ist die hypothetische Grundwasserneubildungsverteilung im Untersuchungsgebiet in Form eines Isolinienplanes (strichpunktierte Linie) dargestellt. Der Nordosten sowie der Süden und Südosten zeichnen sich durch niedrige Grundwasserneubildungsraten aus. Bei drei Rasterelementen ist die Gebietswasserbilanz sogar
negativ, d.h. hier sind Verdunstung und Abfluss größer als der Niederschlag. Am Südrand
südlich des Geestrandes (Elbe- und Stecknitzniederung) ist der Grund dafür darin zu suchen, dass hier der Anteil an grundwasserbeeinflussten Flächen (geringe Grundwasserflurabstände) besonders hoch ist. Dieses führt dort zu einer überdurchschnittlich hohen Verdunstungsrate, weil der Vegetationsdecke durch den kapillaren Aufstieg aus dem Grundwasser zu jeder Zeit ausreichend Wasser zur Verfügung steht. Darüber hinaus liegt in diesem Bereich der Gebietsniederschlag mit 708-751 mm/a deutlich unterhalb des Gebietsmittelwertes von 782 mm/a. Im Norden und Nordosten führt die großflächige Verbreitung von
bindigen Deckschichten mit einer daraus resultierenden höheren Verdunstung zu einer Abminderung des Wasserüberschusses. Gleichzeitig ist hier der Ao-Anteil des Abflusses höher
als im übrigen Untersuchungsgebiet. Beides bewirkt eine niedrige Grundwasserneubildungsrate.
Am West- und Ostrand, zwischen Geesthacht und Schwarzenbek sowie im zentralen Bereich des Untersuchungsgebietes nördlich der Linie Aumühle-Schwarzenbek liegt die
Grundwasserneubildungsrate mit über 250 mm/a deutlich über dem Gebietsmittelwert von
189 mm/a. Dieses lässt sich zumindest im Mittelteil sowie im Osten und am Südrand mit der
großflächigen Verbreitung von Sandböden parallelisieren. Diese Befunde entsprechen de-
99
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Mölln
Priesterbac
h
Sch ie b e itz
n
Fribek
Kreis
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der
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B il
Glin
Glinde
Bille
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Modellteilgebiet
Großhansdorf
Kreis Stormarn
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Ste
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u
Großh.-dorf
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Wa
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Ho
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Hansestadt
Lübeck
- Lübec
k - Kana
Elbe
l
No
Gr
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Kreis
Segeberg
Sch
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Stein au
Aumühle
Mü
Schwarzenbek
Reinbek
hle
nb
e
k
Geesthacht
a
Lin
gr
Au aben
u
Elbe
u
Ste
ckn
itz
Lina
Hamburg
Lauenburg
250
0
Abb. 4.4:
Hypothetische Grundwasserneubildungsrate
5
10km
Niedersachsen
Verteilung der hypothetischen Grundwasserneubildungsrate im Untersuchungsgebiet Südost-Holstein. Dargestellt sind die Ergebnisse der Variante 0
(GWN_94AD.WK3; Angaben in mm/a; Bilanzzeitraum 1980-1991).
nen von EINSELE (1978), der für einen schleswig-holsteinischen, sandig-kiesigen Grundwasserleiter eine Grundwasserneubildung von 240 - 360 mm/a angibt. EINSELE weist hierbei explizite darauf hin, dass die Höhe der Grundwasserneubildung neben Klimafaktoren
hauptsächlich von der Vegetation und der Art und Mächtigkeit der Deckschichten abhängt.
100
SCHULZ (1972, 1973) bestimmt die Grundwasserneubildungsrate aus dem Verhältnis vom
Chloridgehalt des Niederschlages und dem des Grundwassers:
-
(N - Ao) · [Cl N]
GWN = —————————
[Cl G]
mit
N
Ao
[Cl G]
[Cl N]
=
=
=
=
Niederschlag (mm/a)
Oberirdischer Abfluss
Konzentration der Chloride im Grundwasser
Konzentration der Chloride im Niederschlag
Für den Segeberger Forst, einer saaleeiszeitlichen mit Nadelwald bestandenen Sanderfläche nördlich des Untersuchungsgebietes, errechnete er so für die Jahre 1971-1973 eine
Rate vom 191 mm/a. Die Niederschlagshöhe betrug hierbei 663 mm/a und war damit deutlich niedriger als das langjährige Mittel. Ausgehend von einer langjährigen Niederschlagshöhe von 800 mm/a schätzt er die mittlere Grundwasserneubildung auf 240 mm/a. Für zwei
weitere Testflächen, die vornehmlich ackerbaulich oder in Form von Grünland genutzt wurden, gibt er Grundwasserneubildungsraten von 360 und 130 mm/a an. Im ersten Fall handelt
es sich um ein Sandgebiet nahe Neumünster, im zweiten Fall um ein Moränengebiet in der
Nähe von Bad Bramstedt. Die Zahlen machen deutlich, dass sowohl die Flächennutzung als
auch die Art und Verbreitung der geologischen Deckschicht die Höhe der Grundwasserneubildung maßgeblich beeinflussen. Die Bandbreite der o.a. Grundwasserneubildungsraten
entspricht der im Rahmen dieser Untersuchung gefundenen.
4.3.2
Abschätzung der Grundwasserneubildungsrate unter Berücksichtigung des Deckschichtaufbaus (Modellvarianten A - C)
Im Kap. 4.2.2 (S. 98) wurden verschiedene Abflussvarianten, die sich aus einer unterschiedlichen Bewertung der hydraulischen Funktion der Deckschichten ergeben, dargestellt. Die
Änderungen in den Abflussverteilungen bewirken in gleichem Maße eine Erhöhung oder
Reduktion der Grundwasserneubildung, da beide Größen über eine Summengleichung miteinander verknüpft sind (GWN = WÜ - Ao). In der Tab. 4.5 sind nun die Ergebnisse aller vier
Berechnungsvarianten zusammengestellt (vgl. S. 79: Tab 4.1).
Die Grundwasserneubildungsraten der Varianten A-C liegen aus den vorgenannten Gründen
15% bzw. 13% unter der als Variante 0 vorgestellten Berechnungen (vgl. Kap. 4.3.1;
Tab. 4.5; Anl. 21.1-21.3; 22.1-22.3; 23.1-23.3). Besonders deutlich wird dieser Unterschied
bei den Minima. Hier ergibt sich eine Differenz von -24 mm/a.
101
Tab. 4.5:
Mittlere Grundwasserneubildungsrate der vier Berechnungsvarianten als Untersuchungsgebietsintegral einschließlich Minima und Maxima.
Variante
mittl. GWN
*)
Min
in mm/a
Max
%N
Modellvariante 0
189
-29
324
24
Modellvariante A
161
-53
318
20
Modellvariante B
165
-53
318
21
Modellvariante C
165
-53
318
21
*)
*) als Mittelwert aller Rasterelemente
Die regionale Verteilung der Grundwasserneubildungsdifferenzen zwischen den Berechnungsvarianten 0 und C (vgl. Tab. 4.1: GWN_94AD.WK3, GWN_94EC.WK3) ist in der
Abb. 4.5 dargestellt. In Analogie zum oberirdischen Abfluss wurden die größten Abweichungen im Norden des Untersuchungsgebietes festgestellt. Hier liegt die Grundwasserdruckfläche des pleistozänen Grundwasserleiters unterhalb des Vorflutniveaus, so dass für die tangierten Rasterelemente zur Berechnung der Grundwasserneubildungsrate anstatt Ao die
mittlere Abflussspende Mq vom Wasserüberschuss abgezogen werden musste (vgl. S. 96
ff.). Dieses bewirkt eine Abminderung der Grundwasserneubildungsrate von mehr als 120
mm/a. Am Westrand sind zudem bindige Deckschichten verbreitet. Die Abminderung beträgt
hier 60 mm/a. Während bei der Variante 0 die Grundwasserneubildungsrate als Mittelwert
aller Rasterelemente 24,2% des Niederschlages ausmacht, liegt sie bei den Modellvarianten
A-C zwischen 20,4 und 21,0%.
Zur Gegenüberstellung der rasterelementbezogenen Grundwasserneubildungsraten mit den
bestehenden Grundwasserentnahmen wurde die Modellvariante C ausgewählt (vgl.
Kap. 4.5). Aus der Sicht des oberflächennahen Wasserkreislaufs stellt diese Variante im
Hinblick auf die potentielle Grundwassernutzung den ungünstigeren Fall dar (worst case).
Das wiederum bedeutet, dass bei wasserwirtschaftlichen Planungsmaßnahmen zur Trinkwassergewinnung eine zusätzliche Sicherheit bei Eingriffen in den Wasserhaushalt besteht.
Ein Vergleich der MoMNQ-Werte der Gewässereinzugsgebiete mit den rasterzellenbezogenen Grundwasserneubildungswerten wurde nicht vorgenommen, weil sich die Lage der Einzugsgebiete und die der großen Rasterelement nicht entsprechen. Viele Rasterelemente
enthalten Anteile mehrerer oberirdischer Einzugsgebiete (vgl. Abb. 4.2). Hinzu kommt, dass
die MoMNQ-Spenden im Gegensatz zu den oberirdischen Abflussspenden auf die Größe
des unterirdischen Einzugsgebietes bezogen werden müssen. Die unterirdischen Wasser-
102
scheiden lassen sich jedoch auf Grund der geringen Datendichte nicht aus dem bestehenden Grundwassermessstellennetz ableiten.
Trave
Bad Oldesloe
er Beste
Hansestadt
Lübeck
Gr
ien
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No
au
Kreis
Segeberg
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Be
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Su
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Geesthacht
Lina
u
Stec
k
gr
Au abe
Elbe
au
nitz
Lin
n
Hamburg
Lauenburg
- 90
0
Abb. 4.5:
Differenz der Grundwasserneubildungsraten
5
10km
Niedersachsen
Differenz zwischen den Grundwasserneubildungsverteilungen der Berechnungsvarianten GWN_94AD.WK3 und GWN_94EC.WK3 in mm/a. Besonders
in der Nordhälfte und im Südwesten des Untersuchungsgebietes treten Abweichungen auf, die vornehmlich auf einen erhöhten Oberflächenabfluss zurückzuführen sind.
103
4.4
Grundwasserentnahmen im Gesamtgebiet Südost-Holstein und ihre regionale Verteilung
Für die Erstellung einer Gebietswasserbilanz wurden die Grundwasserentnahmedaten aus
dem Untersuchungsgebiet einschließlich der unmittelbaren Randbereiche zusammengestellt. Demnach wurden dort im Bilanzzeitraum von 1980-1991 nach einer statistischen Bestandsaufnahme 35 größere Grundwasserfassungsanlagen betrieben. Es sind dies 20 Wasserwerke sowie 15 gewerbliche Grundwasserentnahmen (vgl. Tab. 4.6; LANDESAMT FÜR
NATUR UND UMWELT S.-H. 1997).
Während die Entnahmemengen der Wasserwerke für den Bilanzzeitraum vollständig dokumentiert sind, liegen für die gewerblichen Fassungsanlagen z.T. nur lückenhafte Datenreihen oder Schätzwerte vor (s. Tab. 4.6: Bemerkungen). Dieses liegt darin begründet, dass für
zeitaufwendige Datenrecherchen bei den Wasserbehörden der Kreise oder vor Ort keine
ausreichenden Personalkapazitäten zur Verfügung standen. Abhilfe soll u.a. auch hier in
Zukunft das Wasserwirtschaftliche Fachinformationssystem des Landes (WaFIS) schaffen,
an dessen Aufbau derzeit im Landesamt für Natur und Umwelt gearbeitet wird.
Eine Übersicht über die jeweiligen Förderraten gibt auch die Abb. 4.6. Demnach förderten 13
der 35 Wasserfassungsanlagen im Bilanzzeitraum von 1980-1991 zwischen 100.000 und
500.000 m³/a. 11 Förderraten lagen unterhalb 100.000 m³/a, 12 darüber. Die durchschnittli-
Anzahl je Entnahmeintervall
14
13
12
10
8
6
6
4
2
0
2
0-10
6
4
3
10-50
2
50-100 100-500 500-1000 10005000
500010000
Mittlere Jahresentnahmen in Tsd. m³
Abb. 4.6:
Häufigkeitsverteilung der Wasserfassungsanlagen in Abhängigkeit von der
Entnahmemenge. Die Anzahl der Wasserfassungen pro Entnahmeintervall ist
oberhalb der Säulen als Ziffer dargestellt.
104
che Jahresentnahme lag bei 35,7 Mio. m³/a. Die größte Wassermenge mit durchschnittlich
9,9 Mio. m³ wurde vom Wasserwerk Großhansdorf gefördert, gefolgt vom Wasserwerk Glinde mit 7,8 Mio. m³/a, dem Wasserwerk Großensee (4,5 Mio. m³/a) und dem Wasserwerk
Walddörfer (2,1 Mio. m³/a). Die vorgenannten Wasserwerke, die alle von den Hamburger
Wasserwerken (HWW) betrieben werden, machen insgesamt 68% der Grundwasserförderung im Untersuchungsgebiet aus.
Tab. 4.6:
Zusammenstellung der Grundwasserentnahmen im Untersuchungsgebiet Südost-Holstein
sowie im unmittelbaren Randbereich für den Zeitraum von 1980-1991.
Datenbankdatei *.DBF
Grundwasserentnahmestelle
gemeldete Fördermenge
innerhalb und randlich des
Modellgebietes [m³/a]
4049
WW Krummesse/-Niemark
4250
WW Aumühle
MW 80-91
300.176
4251
WW Börnsen
MW 80-91
218.929
4253
WW Büchen
MW 80-91
296.126
4263
WW Richtweg
MW 80-91
240.746
4266
WW Krümmel
MW 80-91
1.698.088
4270
WW Gülzow
MW 80-91
99.298
4281
WW Lauenburg
MW 80-91
756.680
4288
WW Schwarzenbek
MW 80-91
742.213
4289
WW Sandesneben-Kalkkuhle
MW 80-91
994.410
4290
Jebens-Siedlung
MW 82-91
5.075
erst ab 82
4326
Fa. Trio-Eloxal
W 90
12.000
nur 90
4344
W 90
58.000
nur 90
4363
Fa. Mewa
EWO Wäscherei
GKSS
MW 82+89-91
73.985
Werte nur 82,89,90,91
4364
Fa. Wolff & Olssen
70.000
Schätzwert für 80-91
4752
Fa. Zipperling
MW 80-91
290.578
4753
Axel Springer
MW 80-91
563.432
4754
MW 80-91
124.001
MW 80-91
1.475.195
4760
BAT-Zigaretten 8088/Gewürzwerke Laue 89-91
WW Bad Oldesloe, WW Am
Ritzen
WW Bargteheide
MW 80-91
951.511
4761
Fa. Asmussen
MW 80-91
11.494
4764
WW Klein Barnitz
MW 80-91
729.010
4768
WW Glinde
MW 80-91
7.754.069
4772
WW Großensee
MW 80-91
4.508.260
4773
Gemeinde Großensee
MW 80-86
72.369
4777
WW Lütjensee
MW 80-91
242.094
4787
MW 80-90
114.635
ohne 87,88,89,91
4797
Blaue Quellen (BismarckQuellen)
MVA Stapelfeld
MW 81-90
223.035
keine Werte 88+89
4807
Meierei Trittau
MW 80-91
153.395
4815
WW Barkhorst
MW 80-91
282.831
4822
WW Walddörfer (SH)
MW 80-91
2.097.641
4823
WW Grabau
MW 80-91
49.331
4831
Allied-Signal (Jurid Werke)
MW 80-85
396.674
4833
BFA Ahrensburg
MW 82-91
103.963
4837
Gartenbau Neubert
MW 87-90
82.635
4923
WW Großhansdorf
MW 80-91
9.898.005
4755
Gesamtentnahme 1980-1991
(einschl. Schätzwerte)
3.000
Bemerkungen
35.692.882
Schätzwert für 80-91
nur bis 86,o.A. bis 88
nur 87-90 Werte
105
Reinfeld
Kreis Segeberg
u
na
r ie
rd
Bad Oldesloe
B
er este
Hansestadt
Lübeck
G
No
e
Trav
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Be
- Lübe
ck - Kanal
Elbe
k
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Ahrensburg
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Du
ac
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se
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u
Mölln
Priesterbach
Kreis
Stormarn
Trittau
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Bille
Großhansdorf
Mühl
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ba
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Bil F
Schie e itz
b n
Kreis Hzgt. Lauenburg
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Glinde
Glinder Au
Sch
w arze
Stein au
Au
Aumühle
Reinbek
Schwarzenbek
Büchen
Mü
hle
nb
ek
Geesthacht
Elbe
7,8 Mio
0,3 Mio
Abb. 4.7:
Ste
ck
gra
Au ben
Fördermengen
m3/a
nitz
au
Lin
Hamburg
Niedersachsen
0
5
10km
Lauenburg
Lage der Grundwasserentnahmen im Untersuchungsgebiet Südost-Holstein
und den unmittelbaren randlichen Anschlussbereichen. Die Symbolgröße ist
proportional zur Entnahmemenge gewählt.
106
In der Abb. 4.7 ist die Lage der in der Tab. 4.5 aufgelisteten Wasserfassungsanlagen in
Form von Haussymbolen dargestellt. Die Symbolgröße wurde hierbei proportional zur Entnahmemenge gewählt. Die großen Grundwasserentnahmen der Hamburger Wasserwerke
(HWW) befinden sich am Westrand des Untersuchungsgebietes nahe der Landesgrenze,
d.h. das Entnahmegebiet liegt in der Nähe des Versorgungsgebietes Hamburg. Eine Ausnahme bildet das Wasserwerk Großensee im nördlichen Zentralbereich des Untersuchungsgebietes, das sein Wasser aus den Unteren Braunkohlensanden des Miozäns fördert.
Weitere Grundwasserentnahmen finden sich am Südrand des Untersuchungsgebietes nahe
des Geestrandes. Hier wären die Wasserwerke Krümmel und Richtweg der Stadtwerke
Geesthacht, sowie die Wasserwerke der Städte Schwarzenbek und Büchen zu nennen, die
im Bereich des Grundwasserabstroms aus dem östlichen Hügelland und der saaleeiszeitlichen Altmoränenlandschaft in das Elbtal bzw. Stecknitztal plaziert sind.
4.5
Gegenüberstellung von Grundwasserneubildungsraten und Grundwasserentnahmen
einschließlich Gebietswasserbilanz
Die Anlagen 21.4, 22.4 und 23.4 liefern eine Zusammenstellung der Untersuchungsergebnisse der Grundwasserneubildungsvarianten A - C (vgl. S. 79: Tab. 4.1). Aus den auf S. 101
unten genannten Gründen (W ORST CASE-Annahme) wird an dieser Stelle nur das Gesamtergebnisse der Variante C diskutiert werden (Anl. 23.4). Darüber hinaus werden der auf die
Rasterelemente bezogenen Grundwasserneubildungsverteilung die langjährigen Grundwasserentnahmen gegenübergestellt und die Lage potentieller Grundwassergewinnungsgebiete
abgeschätzt.
Die Gesamtgröße des modellierten Untersuchungsgebietes beträgt bei 87 Rasterelementen
der Größe von 4x4 km 1392 km² (vgl. S. 17: Abb. 2.2). Der Anteil an Sandflächen, die mit
Ackerbau und Grünland genutzt werden, liegt bei 28,7%. Dieses entspricht einer Fläche von
400 km². Sandgebiete mit Waldnutzung nehmen 9,0% der Fläche ein, entsprechend
125 km². Der Anteil an Lehmböden (i.w.S.) beträgt 62,3%, wobei 738 km² mit Ackerbau und
Grünland, 129 km² mit Wald genutzt werden. Flächen mit geringem Grundwasserflurabstand
nehmen 12,6% der Flächen des Untersuchungsgebietes ein. Durch kapillaren Aufstieg aus
dem oberflächennahen Grundwasser erhöht sich dadurch die durchschnittliche Verdunstungsrate um 11,4 mm/a.
Gemäß der nachstehend aufgeführten Wasserhaushaltsgleichung ergibt sich für das Untersuchungsgebiet in seiner Gesamtheit folgende Wasserbilanz (vgl. Tab. 4.7):
N = E + Ao + Au + QE + R
107
Tab. 4.7:
Überschlägige Gebietswasserbilanz des Untersuchungsraumes SüdostHolstein für den Zeitraum von 1980 bis 1991.
N
Ao
WÜ
E
mittlerer Gebietsniederschlag
mittlere Abflussspende
mittlerer Wasserüberschuss
mittlere Evapotranspiration (E=N-WÜ)
782
168
333
449
mm/a
mm/a
mm/a
mm/a
GWN
Au
QE
R
mittlere Grundwasserneubildungsrate
mittlere Abflussspende
Grundwasserentnahmen
Bilanzrest
165
101
26
38
mm/a
mm/a
mm/a
mm/a
Der mittlere Gebietsniederschlag im o.a. Bilanzzeitraum beträgt 782 mm/a. Zieht man davon
den nach JOSOPAIT & LILLICH (1975) errechneten Wasserüberschuss (WÜ) von 333
mm/a ab, resultiert daraus eine Verdunstungshöhe von 449 mm/a. Der anhand der Abflusspegel ermittelte oberirdische bzw. oberflächennahe Abfluss beträgt 168 mm/a, so dass sich
für die Grundwasserneubildungsrate als Differenz zwischen WÜ und Ao ein Wert von 165
mm/a ergibt.
Von diesem neugebildeten Grundwasser gelangen 101 mm/a in die Vorfluter und fließen
dort als Au-Abfluss ab. Dieser grundwasserbürtige Anteil des Abflusses ist in den Randbereichen des Untersuchungsgebietes (Elb- und Stecknitztal, Beste- und Alsterniederung) größer
als die Grundwasserneubildungsrate, d.h. in diesen orographisch tief gelegenen Gebieten
kommt es zu einem massiven Abfluss von Grundwasser in die Vorfluter. Dieses Grundwasser entstammt vorwiegend dem mittleren Teil des Untersuchungsraumes. Die Grundwasserneubildungsrate ist in diesem Bereich deutlich höher als die Spende des grundwasserbürtigen Vorfluterabflusses. Dieses hat zur Folge, dass hier die Grundwasserstände in allen
Grundwasserstockwerken höher sind als in den Randbereichen. Von diesem Nährgebiet
strömt das Grundwasser allseitig den tiefer gelegenen Gebieten zu.
Im Untersuchungsgebiet werden 26 mm/a für die Trink- und Brauchwasserversorgung genutzt (Tab. 4.7). Bezogen auf die Grundwasserneubildungsrate sind dies 15,8%. Der somit
verbleibende Bilanzrest beträgt 38 mm/a. In ihm sind enthalten der unterirdische Grundwasserabstrom aus der Geest in das Elb- und Stecknitztal, der Abstrom aus dem oberen
Grundwasserstockwerk in tiefere Grundwasserleiter sowie Unschärfen, die sich aus dem
Berechnungsverfahren und der Datenlage ergeben (vgl. S. 77 unten).
108
Reinfeld
Kreis Segeberg
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Hansestadt
Lübeck
au
Bad Oldesloe
Gr
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Geesthacht
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Elbe
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Lin
Hamburg
Niedersachsen
0
5
Fördermengen in m3/a
7,8 Mio
Abb. 4.8:
Lauenburg
10km
0,3 Mio
Grundwasserneubildungsrate im mm/a
325
200
100
Lage und Größenordnung der Grundwasserentnahmen (Haus-Signatur) im
Vergleich zur Grundwasserneubildungsrate (Dreiecke). Die drei Bilanzgebiete
sind farbig gekennzeichnet.
109
In der Abb. 4.8 sind Lage und Größenordnung der Grundwasserentnahmen als HausSignatur sowie die auf die Rasterelemente bezogenen Grundwasserneubildungsraten als
rote Dreiecke dargestellt. Die Abbildung zeigt, dass sich die Grundwasserentnahmen nicht
gleichmäßig auf das Untersuchungsgebiet verteilen. Besonders im Nachbarraum zu Hamburg wird ein Großteil der Grundwasserneubildungsrate durch Wasserwerke abgeschöpft
(Modellteilgebiet Großhansdorf: 64%). Das Wasserwerk Krümmel der Stadtwerke Geesthacht weist die größte Grundwasserförderung am Geestrand zur Elbe hin auf. Der Entnahme von im Mittel 1,7 Mio. m³/a steht im nördlichen Anstrombereich des Wasserwerkes eine
Grundwasserneubildungsrate (abzüglich Au-Abflussspende) von etwa 6,3 Mio. m³/a gegenüber, d.h. der tiefergelegene Nutzhorizont wird ausreichend aus dem hangenden Grundwasserleiter genährt. Dieses geschieht vermutlich über die Ostflanke der Geesthachter Rinne
sowie über sandige Fenster im oberen Glimmerton (vgl. PEKDEGER et al. 1996). Das ebenfalls am Geestrand gelegene Wasserwerk Lauenburg fördert etwa 750.000 m³/a, wobei die
Grundwasserneubildungsrate im Anstrombereich ca. 3,3 Mio. m³/a beträgt. Am Geestrand
entlang des Elbtales sind also die Verhältnisse für die Grundwassergewinnung aus der Sicht
des oberflächennahen Wasserkreislaufs günstig.
Für drei Teilgebiete, die in der Abb. 4.8 grün gekennzeichnet sind, wird nachfolgend eine
Wasserbilanz aufgestellt. Es sind dies Gebiete, die eine relativ hohe Grundwasserneubildungsrate aufweisen und zudem nicht zur Trinkwassergewinnung genutzt werden, weil sie
nicht in unmittelbarer Nähe zu einem urbanen Versorgungsgebiet (z.B. Hamburger Randgebiet) liegen. Anhand der Schätzwerte für Grundwasserneubildung und Au-Abfluss soll gezeigt werden, wie unterschiedlich diese Teilräume hinsichtlich einer potentiellen Trinkwassergewinnung bewertet werden müssen. Tiefenlage, hydraulische Eigenschaften und Verbreitung der nutzbaren Grundwasserleiter bleiben bei dieser Abschätzung unberücksichtigt.
Sie sind jedoch Bestandteil des numerischen Grundwassermodells, mit Hilfe dessen für Teile des Untersuchungsgebietes Grundwasserbilanzen erarbeitet wurden (vgl. HOFFMANN
1996a,b).
Der erste Bilanzraum ist 48 km² groß und liegt am Nordrand des Untersuchungsgebietes
nördlich von Bargteheide. Er ist in der Abb. 4.8 mit einer 1 gekennzeichnet. Der Schätzwert
der Grundwasserneubildungsrate beträgt etwa 10,9 Mio. m³/a, der grundwasserbürtige Abfluss 10,1 Mio. m³/a. Würden in diesem Raum größere Grundwasserentnahmen plaziert
werden, müsste hier mit einer unmittelbaren Rückwirkung auf den Vorfluterabfluss gerechnet werden.
Das zweite Gebiet mit einer Fläche von 208 km² liegt im zentralen Bereich des Untersuchungsgebietes und ist in Abb. 4.8 mit einer 2 gekennzeichnet. Es umfasst das Gebiet zwischen Aumühle, Schwarzenbek und Trittau. Hauptvorfluter sind die Schwarze Au sowie die
Bille. Die hypothetische Grundwasserneubildung beträgt 49,7 Mio. m³/a, der grundwasserbürtige Vorfluterabfluss 21,5 Mio. m³/a. Die verbleibenden 27 Mio. m³/a fließen als Grund-
110
wasserabstrom über die Ränder ab oder den liegenden Grundwasserleitern zu. Würde man
in diesem Gebiet ein größeres Grundwasserwerk betreiben, würde sich dieses vermutlich
nur mittelbar auf den oberflächennahen Wasserkreislauf auswirken. Dieses träfe besonders
für den südlichen Teil dieses Bereiches zu. Der Grundwasserabstrom aus der Geest in das
Elbtal hinein würde hier zwar durch eine solche Grundwasserentnahme reduziert. Die daraus
resultierenden Absenkungen im oberflächennahen Grundwasser wären jedoch so gering,
dass sie sich z.B. ökologisch nicht nachteilig auswirken würden (vgl. auch DEUTSCHER
VERBAND FÜR WASSERWIRTSCHAFT UND KULTURBAU 1987).
Im Gegensatz zum Gebiet 1 nördlich Bargteheide weist der dritte Bereich, der am Ostrand
des Untersuchungsgebietes westlich des Elbe-Lübeck-Kanals liegt, aus Sicht der oberflächennahen Wasserbilanz günstigere Wassergewinnungsmöglichkeiten auf (Abb. 4.8: 3). In
diesem ebenfalls 48 km² großen Gebiet beträgt die hypothetische Grundwasserneubildungsrate 12,8 Mio. m³/a. Ihr steht ein grundwasserbürtiger Vorfluterabfluss in Höhe von 3,8 Mio.
m³/a gegenüber. Das heißt, dass etwa 9 Mio. m³/a als Grundwasserabstrom über die Ränder abfließen, in den Elbe-Lübeck-Kanal exfiltrieren oder tieferen Grundwasserleitern zugehen, sofern ein entsprechendes Potentialgefälle besteht. Auch hier lässt sich bei günstigen
hydrogeologischen Verhältnissen Grundwasser gewinnen, ohne dass es zu nachteiligen
Auswirkungen auf das Natursystem kommt.
Die vorgenannten Zahlen stellen grobe Abschätzungen dar. Für die Abgrenzung potentieller
Grundwassergewinnungsgebiete reicht diese Betrachtungsweise nicht aus. Vielmehr muss
dazu der tiefere geologische Aufbau des Untersuchungsraumes, d.h. Art, Eigenschaften und
Verbreitung der Grundwasserleiter und -nichtleiter mitberücksichtigt werden (vgl. hierzu
AGSTER 1996). Ferner ist eine Vielzahl von hydrologischen Daten (Grundwasserstände,
Abflussdaten in Vorflutern, klimatologische Daten etc.) sowie die regionale Position, Tiefenlage und Grundwasserentnahmemenge bereits bestehender Wasserfassungsanlagen in die
Gebietsanalyse einzubeziehen. Doch erst mit Hilfe kalibrierter, numerischer Grundwasserströmungsmodelle lassen sich diese Datenmengen miteinander verknüpfen, so dass daraus quantitative Aussagen zum Grundwasserhaushalt und zur Grundwasserbewirtschaftung
abgeleitet werden können.
Die in dieser Untersuchung erarbeiteten Grundwasserneubildungsverteilungen stellen eine
modellhafte Annäherung an das Natursystem dar. Sie bilden die Datenbasis für ein numerischen Grundwasserströmungsmodell, welches im Rahmen der Grundwasserbewirtschaftungsplanung Südost-Holstein eingesetzt wird.
111
5.
Ausblick
In jüngster Vergangenheit wurde über Sinn und Zweck von Grundwasserneubildungsmodellen kontrovers diskutiert (vgl. HÖLTING 1997a; DÖRHÖFER & JOSOPAIT 1997; HÖLTING
1997b). Bei den in Südost-Holstein durchgeführten Wasserhaushaltsuntersuchungen hat
sich der vorgestellte modellhafte Ansatz zur Ermittlung einer flächendifferenzierten Grundwasserneubildungsrate bewährt. Es konnte mit Hilfe der erläuterten Berechnungsvarianten
aufgezeigt werden, welche Änderungen von Randbedingungen sich stark auf die Ergebnisse
der Grundwasserneubildungsberechnungen auswirken und welche weniger. Darüber hinaus
konnten mit verträglichem Arbeitsaufwand WORST-CASE-Abschätzungen vorgenommen werden, die im Hinblick auf wasserwirtschaftliche Planungsmaßnahmen von besonderer Bedeutung sind.
Bei der überschaubaren Anzahl von Rasterelementen (Modellgebiet Großhansdorf: 421;
Gesamtgebiet Südost-Holstein: 87) war der Einsatz eines 3D-Tabellenkalkulationsprogrammes, welches auf einfache Art und Weise die rechnerische Verknüpfung von Rasterelementen erlaubt, vorteilhaft, nicht zuletzt durch die Transparenz des Berechnungsganges. Allerdings führte die grobe Rasterung des Untersuchungsgebietes (16 km² pro Rasterelement) zu Unschärfen im Berechnungsergebnis, da nur die mittleren Systemeigenschaften der Rasterelemente in den Berechnungsgang einflossen.
Zur Erhöhung der Aussagekraft in bezug auf Fragen der Grundwasserbewirtschaftung ist
nun geplant, das numerische Grundwasserströmungsmodell Südost-Holstein in Form einer
feineren Diskretisierung zu überarbeiten. Dieses setzt die Berechnung einer ebenfalls feindiskretisierten Grundwasserneubildungsrate voraus, um Aussagen zum Wasserhaushalt
auch in seiner örtlichen Ausprägung machen zu können. Allerdings muss hierbei bedacht
werden, dass bei einer feinen Modellauflösung die Anzahl der Rasterelemente sehr groß
wird. Für das Untersuchungsgebiet Südost-Holstein mit einer Größe von 1392 km² und einer
Elementgröße von z.B. 500x500 m würde das zu einer Anzahl von 5568 Rasterelementen
pro Arbeitsblatt führen. Dieses ist mit einem Tabellenkalkulationsprogramm nicht mehr umsetzbar. Hinzu kommt, dass die Systemeigenschaften eines jeden Rasterelements durch
Verschneiden thematischer Karten mit anschließender Flächenbestimmung der Verschneidungskomponenten bislang manuell bestimmt wurden (z.B. Bodenarten/Flächennutzung:
Sandböden mit Wald - Sandböden mit Grünland). Auch dieses ist bei der Vielzahl der Rasterelemente mit vertretbarem Arbeitsaufwand nicht mehr möglich. Daher ist es für zukünftige
Untersuchungen sinnvoll, für die Datenhaltung, die Berechnungsgänge und Ergebnispräsentation geographische Informationssysteme (GIS) einzusetzen (vgl. z.B. ALBRECHT
GROSSMANN 1995; KLAASSEN & SCHEELE 1996).
Die wasserhaushaltlichen Untersuchungen haben gezeigt, dass dem Bilanzglied "Vorfluterabfluss" ein besonders hoher Stellenwert beizumessen ist. Die aus der Abflussermittlung
112
abgeleiteten Abflussspenden besitzen je nach Analyseverfahren eine besonders hohe Ergebnisbandbreite, die auch von der Position der Abflusspegel im Untersuchungsgebiet sowie
ihrer räumlichen Verteilung abhängig ist. Für die o.a. zukünftigen Wasserhaushaltsuntersuchungen muss das bestehende Abflussmessnetz weiterhin baulich instand und in Betrieb
gehalten und in Gebieten mit geringer Datendichte ggf. durch den Bau weiterer Abflusspegel
optimiert werden. Dieses gilt auch für das Pegelnetz, welches von der Freien und Hansestadt Hamburg betrieben wird. Auch sollten bezüglich der Regionalisierung von Abflüssen
moderne Techniken, besonders Abflussmodellierung, zum Einsatz kommen (LEMPERT,
OSTROWSKI & MÜLLER 1994; BREMICKER, LUDWIG & RICHTER 1997).
Die vorliegende Untersuchung greift in Modifikation auf das Verfahren nach JOSOPAIT &
LILLICH (1975) zurück. Wünschenswert wäre es, die hier erzielten Untersuchungsbefunde
mit den Ergebnissen anderer Berechnungsverfahren zu vergleichen und diese anhand der
resultierenden Ergebnisbandbreite wissenschaftlich und wasserwirtschaftlich zu bewerten.
113
6. Zusammenfassung
Das Grundwasseruntersuchungsprogramm Südost-Holstein hat zum Ziel, gesicherte Erkenntnisse über die Größe und Verteilung des Grundwasserdargebots zu erhalten, Grundwasserneubildungs- und -ergänzungsprozesse zu erfassen und die örtlich differenzierte
Grundwasserneubildungsrate zu ermitteln. Hierzu galt es, ein Verfahren zu finden, welches
eine flächendifferenzierte Berechnung für größere Gebiete mit vertretbarem Arbeitsaufwand
zulässt. Geeignet erschien der Ansatz von JOSOPAIT & LILLICH (1975) in der Weiterentwicklung von OTTO (1992), nach welchem für bestimmte Boden- und Nutzungsarten zunächst der Wasserüberschuss des Untersuchungsraumes bestimmt wird. Dieser Wasserüberschuss ist derjenige Anteil des Niederschlages, der weder oberirdisch abfließt noch verdunstet. Da die Grundwasserneubildungsrate die Differenz zwischen Wasserüberschuss
und oberirdischem Abfluss ist, war in einem weiteren Schritt die örtliche Verteilung des oberirdischen Abflusses zu ermitteln.
Für die Erfassung und rechnerische Verarbeitung aller Eingangsdaten wurde das Untersuchungsgebiet zunächst in Rasterelemente zerlegt. Im zwischen Ahrensburg, Großhansdorf
und Bargteheide gelegenen Teil des Untersuchungsgebietes (Modellteilgebiet Großhansdorf
i.w.) betrug die Rasterelementgröße 500x500 m, im Gesamtgebiet Südost-Holstein 4x4 km.
Die Berechnungen erfolgten zellenbezogen in Form einer Zahlenmatrix mit einem 3DTabellenkalkulationsprogramm, welches auf einfache Art und Weise die rechnerische Verknüpfung mehrerer Arbeitsblätter wie auch mehrerer Dateien erlaubt. Diese Vorgehensweise
hat den Vorteil, dass bei jeder Änderung der Ausgangsdaten (z.B. Niederschlagsverteilung,
Flächennutzung, Abflussverteilung, Verdunstungswerte, Funktionsgleichungen der Lysimetergeraden u.a.) die Grundwasserneubildungsrate in ihrer örtlichen bzw. regionalen Verteilung vom Programm unmittelbar neu berechnet wird.
Zur Berechnung der Grundwasserneubildung wurden Kenntnisse über den Aufbau der oberflächennahen Schichtenfolge und Böden, über die Nutzungsarten, den oberflächen- und
oberflächennahen Abfluss sowie den Gebietsniederschlag benötigt.
Die oberflächennahe Schichtenfolge des Modellteilgebietes Großhansdorf sowie des Mittelund Nordteils des Gesamtgebietes kam vornehmlich während der letzten Vereisung vor ca.
14000-18000 Jahren (Frankfurter Stadium der Weichseleiszeit) zur Ablagerung. Es sind
sandig-kiesige, z.T. tonige Endmoränenablagerungen sowie eine aus Geschiebemergeln
und -lehmen ausgebildete Grundmoräne. Örtlich treten zudem Beckentone auf. Flachere
Depressionen, welche früher mit Wasser gefüllt waren, sind im Laufe des Holozäns unter
Bildung von Flachmoortorfen verlandet. Organische Ablagerungen und bindige Sedimente
finden sich ebenfalls in den Talauen. Grund- und Endmoränenablagerungen der Saaleeiszeit
stehen vor allem im Süden des Gesamtgebietes etwa südlich des Verlaufs der Bundesautobahn A24 an der Erdoberfläche an.
114
Zur Berechnung der Grundwasserneubildung wurde sowohl im Modellteilgebiet als auch im
Gesamtgebiet nur zwischen sandigen und lehmigen Bodenarten unterschieden. Die Flächennutzung wurde in vier Gruppen unterteilt. Die erste Gruppe enthält ackerbaulich genutzte Gebiete, Gartenflächen und Grünland, die zweite Waldgebiete, die dritte versiegelte Flächen und die vierte offene Wasserflächen. Der Wasserüberschuss ist in Verbreitungsgebieten von Sandböden mit Acker und Grünland am höchsten, da die Verdunstung vergleichsweise gering ist und zudem der Niederschlag schnell versickern kann. In Gebieten mit
Lehmböden und Waldnutzung hingegen ist der Wasserüberschuss am geringsten, da die
nutzbare Feldkapazität solcher Böden größer ist und somit versickertes Niederschlagswasser den Pflanzen länger zur Verfügung steht. Hinzu kommt, dass die Verdunstungsrate im
Bereich von Wäldern auch durch die hohe Interzeptionsverdunstung im Vergleich zu Ackerund Grünland groß ist.
Der Mittelwert der oberirdischen Abflussspenden Ao liegt im Modellteilgebiet Großhansdorf
für den Bilanzzeitraumes von 1980-1991 bei 161 mm/a, das Minimum bei 92 mm/a und Maximum bei 265 mm/a. Im Bereich des grobgerasterten Gesamtgebietes beträgt die niedrigste oberirdische Abflussspende etwa 45 mm/a, die höchste 272 mm/a und der Mittelwert 143
mm/a. Hierbei zeigte sich, dass einzugsgebietsbezogene, auf Pegeldaten basierende Abflussverteilung das Abflussgeschehen naturnäher abbilden als pauschalisierte Ansätze oder
Abflussschätzungen anhand von Literaturangaben. Insgesamt ist die Höhe der Abflussspenden von Einzugsgebiet zu Einzugsgebiet sehr heterogen. Abflussdaten lassen sich daher
nicht ohne weiteres auf benachbarte Einzugsgebiete übertragen. Daraus resultiert die Forderung nach einem flächendeckenden Pegelnetz.
Im Bereich des Modellteilgebietes Großhansdorf fielen im Bilanzzeitraum von 1980 bis 1991
durchschnittlich 778 mm Niederschlag pro Jahr. Davon verdunsteten 448 mm/a, so dass
eine überschüssige Wassermenge von 330 mm/a übrig bleibt. Von diesem Wasserüberschuss flossen 161 mm/a oberirdisch oder oberflächennah ab. Gemäß dem Verfahren von
JOSOPAIT/LILLICH resultiert daraus eine hypothetische Grundwasserneubildungsrate von
168 mm/a, entsprechend 21,6% der Niederschlagshöhe. Dieser Grundwasserneubildungsrate stehen Grundwasserentnahmen in Höhe von 108 mm/a (entsprechend 11,9 Mio. m³/a)
gegenüber, d.h. im Modellteilgebiet Großhansdorf werden 64% der Grundwasserneubildungsrate als Grundwasser gefördert. Dieser hohe Nutzungsgrad wirkt sich nachhaltige auf
die hydrologischen Verhältnisse aus. Im Bereich der West-/Ostgalerie des Wasserwerks
Großhansdorf geht der grundwasserbürtige Basisabfluss der Ammersbek (Aue) während
längerer Trockenwetterphasen in den Sommermonaten auf nahezu null zurück.
Im Gesamtgebiet Südost-Holstein beträgt der mittlere Gebietsniederschlag im o.a. Bilanzzeitraum 782 mm/a. Zieht man davon den nach JOSOPAIT & LILLICH (1975) errechneten
Wasserüberschuss (WÜ) von 333 mm/a ab, resultiert daraus eine Verdunstungshöhe von
449 mm/a. Der oberirdische bzw. oberflächennahe Abfluss beträgt 168 mm/a, so dass sich
für die Grundwasserneubildungsrate als Differenz zwischen WÜ und Ao ein Wert von
115
165 mm/a ergibt. Von diesem neugebildeten Grundwasser exfiltrieren 101 mm/a in die Vorfluter und fließen dort als Au-Abfluss ab.
Im Untersuchungsgebiet werden 26 mm/a (35,7 Mio. m³/a) für die Trink- und Brauchwasserversorgung genutzt. Bezogen auf die Grundwasserneubildungsrate sind dies 15,8%. Der
somit verbleibende Bilanzrest beträgt 38 mm/a. In ihm sind enthalten der unterirdische
Grundwasserabstrom aus der Geest in das Elb- und Stecknitztal, der Abstrom aus dem oberen Grundwasserstockwerk in tiefere Grundwasserleiter sowie Unschärfen, die sich aus dem
Berechnungsverfahren und der Datenlage ergeben.
Der Nordosten sowie der Süden und Südosten des Untersuchungsgebietes zeichnen sich
durch niedrige Grundwasserneubildungsraten aus. Am Südrand südlich des Geestrandes
(Elbe- und Stecknitzniederung) ist der Grund dafür darin zu suchen, dass hier der Anteil an
grundwasserbeeinflussten Flächen besonders hoch ist. Dieses führt dort zu einer überdurchschnittlich hohen Verdunstungsrate. Darüber hinaus liegt in diesem Bereich der Gebietsniederschlag mit 708-751 mm/a deutlich unterhalb des Gebietsmittelwertes von
782 mm/a. Im Norden und Nordosten führt die großflächige Verbreitung von bindigen Deckschichten mit einer daraus resultierenden höheren Verdunstung zu einer Abminderung des
Wasserüberschusses. Gleichzeitig ist hier der Ao-Anteil des Abflusses höher als im übrigen
Untersuchungsgebiet. Beides bewirkt eine niedrige Grundwasserneubildungsrate. Am Westund Ostrand, zwischen Geesthacht und Schwarzenbek sowie im zentralen Bereich des Untersuchungsgebietes nördlich der Linie Aumühle-Schwarzenbek liegt die Grundwasserneubildungsrate mit über 250 mm/a deutlich über dem Gebietsmittelwert von 165 mm/a (Variante C). Dieses lässt sich zumindest im Mittelteil sowie im Osten und am Südrand mit der großflächigen Verbreitung von Sandböden parallelisieren. Auf Sandstandorten ist die Infiltrationsrate der Niederschläge auf Grund der hohen Sickerkapazität groß, der Oberflächenabfluss
gering.
Die resultierenden Grundwasserneubildungsverteilungen besitzen angesichts der Rasterelementgröße von 16 km² eine niedrige örtliche Auflösung. Sie geben daher nur den regionalen Trend wieder.
116
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für Wasserhaushalt und Küsten S.-H., Kiel unveröffentl.
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8. Abbildungs-, Tabellen- und Anlagenverzeichnis
Abbildungen
Abb. 1.1:
Karte des Untersuchungsraumes mit Lage der Untersuchungsgebiete für die
Grundwasserneubildungsberechnungen. Das gestrichelt umgrenzte Gebiet wurde hydrogeologisch erkundet. Die Modellgebiete sind geradlinig abgegrenzt.
Abb. 1.2:
Lageplan des Modellteilgebietes Großhansdorf nordöstlich von Hamburg.
Abb. 1.3:
Verbreitung der weichseleiszeitlichen Moränen im östlichen Schleswig-Holstein.
Die Vereisung reichte etwa bis zum Verlauf der Bundesautobahn A24 (GRIPP
1949, vgl. auch WOLDSTEDT & DUPHORN 1974). A = Ältere, M = Mittlere, J =
Jüngere Endmoränen, N = Nunatak-Moränen.
Abb. 2.1:
Monatliche Niedrigwasserabflüsse des Pegels Reinbek (Bille), der Größe nach
sortiert. Die MoNQ-Werte oberhalb der Ausgleichsgeraden deuten nach KILLE
(1970) auf Anteile von Oberflächen- und Zwischenabflüssen hin.
Abb. 2.2: Diskretisierung der Untersuchungsgebiete. Während das Gesamtgebiet in Zellen
mit einer Rasterweite von 4·4 km zerlegt wurde, beträgt die Rasterweite des Modellteilgebietes Großhansdorf 0,5·0,5 km.
Abb. 2.3: Ganglinien des Niederschlages im Großraum Pinneberg, Südost-Holstein sowie
im Lübecker Raum. Der Bilanzzeitraum fällt in eine Periode, in der die Jahresniederschläge oberhalb des 37-Jahres-Mittels (Großraum Pinneberg: 781 mm/a;
Südost-Holstein: 759 mm/a; Lübecker Raum: 643 mm/a) liegen.
Abb. 2.4: Erläuterung der Zielsucheoption eines Tabellenkalkulationsprogramms anhand
eines einfachen Beispiels.
Abb. 2.5: Ausschnitte aus den ersten vier Arbeitsblättern des Grundwasserneubildungsmodells. Abgebildet ist die prozentuale Verteilung von Boden- und Nutzungsarten,
bezogen auf eine jede Rasterzelle.
Abb. 3.1: Rasterzelle 11/24 des Grundwasserneubildungsmodells 'Ellerbeker Rinne' mit
Verbreitung der geologischen Schichten, unterteilt nach Nutzungsarten. Die Seitenlänge beträgt 500 m.
Abb. 3.2: Lage der Niederschlagsstationen im Bereich des Untersuchungsgebietes SüdostHolstein. Die Namen der Stationen, deren Daten im Modellteilgebiet Großhansdorf Verwendung fanden, sind in der Abb. unterstrichen.
Abb. 3.3: Lage der Einzugsgebiete der Oberflächengewässer im Modellteilgebiet Großhansdorf, welche in das hydrologische Messprogramm einbezogen wurden. Dargestellt sind die Abflussspenden der Teileinzugsgebiete, welche im Rahmen der
Stichtagabflussmessung am 1.9.1988 ermittelt wurden (LANDESAMT FÜR
WASSERHAUSHALT UND KÜSTEN S.-H. 1989).
130
Abb. 3.4: Abflussganglinie der Ammersbek (Hunnau/Aue) am Pegel Bünningstedt im Zeitraum von September 1988 bis Juli 1989.
Abb. 3.5: Abflussganglinie der Ammersbek (Hunnau/Aue) an der Messstelle 1100.4, Ortsumgehung Ahrensburg, im Zeitraum von September 1988 bis Juli 1989.
Abb. 3.6: Lage der Einzugsgebiete der Pegel Bünningstedt und Ortsumgehung Ahrensburg. Das Modellteilgebiet Großhansdorf ist als Quadrat dargestellt.
Abb. 3.7: Querschnittsfläche F eines Gewässers mit Lage der Messlotrechten und Messpunkte.
Abb. 3.8: Konstruktion der Geschwindigkeitsfläche auf einer Messlotrechten (entnommen:
BRETSCHNEIDER; LECHER & SCHMIDT 1993).
Abb. 3.9: Messquerschnitt und Konstruktion der f-Kurve. Die Integration der Fläche unter
der Kurve (Schraffur) ergibt den Durchfluss (entnommen: BRETSCHNEIDER;
LECHER & SCHMIDT 1993).
Abb. 3.10: Zusammenhänge zwischen Wasserstand und Abfluss an einem Pegel. Zeichnung A zeigt den Abfluss als Funktion des Wasserstandes, Zeichnung B den
Wasserstand als Funktion des Abflusses.
Abb. 3.11: Die nach HAHN (1951) berechneten Abflusskurven des Pegels Bünningstedt.
Dargestellt sind alle W/Q-Wertepaare sowie die Funktionswerte der beiden gemittelten Abflusskurven (Kurve 1 gilt bis zum 31.10.1990, Kurve 2 ab dem
1.11.1990).
Abb. 3.12: Zeitliche Veränderung der Wasserstände bei gleichen Abflüssen am Pegel
Worms/Rhein von 1821-1970 (nach BAUMGARTNER & LIEBSCHER 1990).
Abb. 3.13: Streudiagramm der Abflüsse, welche an den Pegeln "Ortsumgehung Ahrensburg" und "Bünningstedt" ermittelt wurden.
Abb. 3.14: Niedrigwasseranalyse nach KILLE (1970) für das Teileinzugsgebiet Ahrensburg.
Der grundwasserbürtige Anteil des Abflusses beträgt 54 l/s, der mittlere Gesamtabfluss 149 l/s (Datei: Q_A-BURG.WK3).
Abb. 3.15: Die hypothetische Ao-Abflussverteilung im Modellteilgebiet Großhansdorf. In den
Talauen betragen die Abflussspenden bis zu 265 mm/a, während sie im Bereich
ebener Hochflächen bei geringer Gewässernetzdichte unter 100 mm/a liegen.
Abb. 3.16: Schätzwerte der Grundwasserneubildung im Modellteilgebiet Großhansdorf. Hohe Grundwasserneubildungsraten finden sich südwestlich von Bargteheide sowie
am Südrand des Untersuchungsgebietes. Entlang der Aue sind die Grundwasserneubildungsraten hingegen gering.
Abb. 3.17: Prinzipskizze der horizontalen Umverteilung der Grundwasserneubildung GWN
bei bindig ausgebildeten Zwischenschichten. Die Grundwasserneubildung der
Rasterelemente i+1 und i+2 wird dem Element i als Grundwasserregeneration
GWN* zugeschlagen.
131
Abb. 3.18: Schema der Grundwasserneubildungsumverteilung. Aus den schraffierten Rasterelementen strömt das neugebildete Grundwasser oberflächennah den Pfeilen
folgend in die benachbarten Rasterelemente.
Abb. 3.19: Zeitliche Entwicklung der Grundwasserentnahmen des Wasserwerks Großhansdorf im Zeitraum 1980-1991 (Quelle: LANU 442).
Abb. 3.20: Grundwasserentnahmen des Wasserwerks Bargteheide sowie der Firmen Springer, Zipperling und BAT/Lau für den Zeitraum von 1980-1991 (Quelle: LANU
442).
Abb. 4.1: Isohyetenplan des Untersuchungsgebietes Südost-Holstein. Abgebildet ist auch
das Raster des Grundwasserneubildungsmodells sowie der Umriss des Modellteilgebietes Großhansdorf.
Abb. 4.2: Lage der Pegeleinzugsgebiete im Untersuchungsgebiet Südost-Holstein. Ebenfalls abgebildet ist das Raster des Grundwasserneubildungsmodells.
Abb. 4.3: Rasterzellenbezogene Verteilung des oberirdischen und oberflächennahen Abflusses im Untersuchungsgebiet Südost-Holstein (Angaben in mm/a, Bilanzzeitraum 1980-1991).
Abb. 4.4: Verteilung der hypothetischen Grundwasserneubildungsrate im Untersuchungsgebiet Südost-Holstein. Dargestellt sind die Ergebnisse der Variante 0
(GWN_94AD.WK3; Angaben in mm/a; Bilanzzeitraum 1980-1991).
Abb. 4.5: Differenz zwischen den Grundwasserneubildungsverteilungen der Berechnungsvarianten GWN_94AD.WK3 und GWN_94EC.WK3. Besonders in der Nordhälfte
und im Südwesten des Untersuchungsgebietes treten Abweichungen auf, die
vornehmlich auf einen erhöhten Oberflächenabfluss zurückzuführen sind.
Abb. 4.6: Häufigkeit der Wasserfassungsanlagen in Abhängigkeit von der Entnahmemenge. Die Anzahl der Wasserfassungen pro Entnahmeintervall ist oberhalb der Säulen als Ziffer dargestellt.
Abb. 4.7: Lage der Grundwasserentnahmen im Untersuchungsgebiet Südost-Holstein und
den unmittelbaren randlichen Anschlussbereichen. Die Symbolgröße ist proportional zur Entnahmemenge gewählt.
Abb. 4.8: Lage und Größenordnung der Grundwasserentnahmen (Haus-Signatur) im Vergleich zur Grundwasserneubildungsrate (Dreiecke). Die drei Bilanzgebiete sind
farbig gekennzeichnet.
132
Tabellen
Tab. 3.1: Zusammenhang zwischen der Verdunstung aus dem Grundwasser (in mm/a) und
dem Grundwasserflurabstand für mehrere Lysimeterstandorte im Raum westlich
von Hannover (nach KAVIANI, 1973).
Tab. 3.2: Mittlere Jahresniederschläge der Niederschlagsstationen im Umfeld des Modellteilgebietes Großhansdorf sowie die Jahresmittelwerte des Abflusses am Pegel
Bünningstedt für den Zeitraum 1971-1990.
Tab. 3.3: Ergebnisse der Stichtagabflussmessung vom 1.9.1988 bei Niedrigwasser im Modellteilgebiet Großhansdorf.
Tab. 3.4: Auslaufkoeffizienten und Halbwertszeiten des Abflusses der Aue an den Pegeln
Bünningstedt und Ortsumgehung Ahrensburg (1100.4).
Tab. 3.5: Abflussfähige Grundwasservorräte der Aue an Pegeln Bünningstedt und 1100.4
an den Stichtagen 12.2.1989 und 23.6.1989.
Tab. 3.6: Abflussdaten der Aue (Pegel Bünningstedt/Pegel Ortsumgehung Ahrensburg) für
die Abflussjahre 1980-1991.
Tab. 4.1: Name und Inhalt der für das Gesamtgebiet Südost-Holstein erstellten Dateien zur
Berechnung der Grundwasserneubildung.
Tab. 4.2: Jahressummen der Niederschläge (in mm/a) der 24 Messstationen, die zur Ermittlung des rasterzellenbezogenen Gebietsniederschlages für das Untersuchungsgebiet Südost-Holstein herangezogen wurden. Ihre Lage ist der Abb. 3.2
zu entnehmen (vgl. auch Anl. 19.4).
Tab. 4.3: Vergleich der nach JOSOPAIT & LILLICH 1975) berechneten Wasserüberschüsse mit dem nach TURC (1954) ermittelten Wert für eine Niederschlagshöhe von
780 mm/a.
Tab. 4.4: Zusammenstellung der im Untersuchungsgebiet betriebenen gewässerkundlichen
Pegelanlagen, deren Daten zur Grundwasserneubildungsberechnung herangezogen wurden (Lage in Abb. 4.2). Die Pegel des gewässerkundlichen Dienstes
Schleswig-Holstein sind mit einer Schattierung gekennzeichnet.
Tab. 4.5: Mittlere Grundwasserneubildungsrate der vier Berechnungsvarianten als Untersuchungsgebietsintegral einschließlich Minima und Maxima.
Tab. 4.6: Zusammenstellung der Grundwasserentnahmen im Untersuchungsgebiet Südost-Holstein sowie im unmittelbaren Randbereich für den Zeitraum von 19801991.
Tab. 4.7: Überschlägige Gebietswasserbilanz des Untersuchungsraumes Südost-Holstein
für den Zeitraum von 1980 bis 1991.
133
Anlagen (im separaten Anlagenband)
Anl. 1:
Rasterbezogene Flächenanteile von Sandböden mit Acker und Grünland.
Anl. 2:
Rasterbezogene Flächenanteile von Sandböden mit Waldnutzung.
Anl. 3:
Rasterbezogene Flächenanteile von Lehmböden mit Acker und Grünland.
Anl. 4:
Rasterbezogene Flächenanteile von Lehmböden mit Waldnutzung.
Anl. 5:
Rasterbezogene Flächenanteile mit grundwasserbeeinflussten Böden.
Anl. 6:
Abminderung des Wasserüberschusses im Bereich grundwasserbeeinflusster
Böden.
Anl. 7:
Regionale Verteilung des Gebietsniederschlages, ermittelt mit Hilfe von KRIGING.
Anl. 8:
Rasterbezogene Berechnung des Wasserüberschusses in Anlehnung an das
Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH (1975).
Anl. 9:
Schätzwerte des Oberflächenabflusses im Westteil des Untersuchungsgebietes,
bezogen auf die Rasterelemente des Grundwasserneubildungsmodells.
Anl. 10:
Schätzwerte des Oberflächenabflusses im Nordostteil des Untersuchungsgebietes, bezogen auf die Rasterelemente des Grundwasserneubildungsmodells.
Anl. 11:
Schätzwerte des Oberflächenabflusses im Südostteil des Untersuchungsgebietes, bezogen auf die Rasterelemente des Grundwasserneubildungsmodells.
Anl. 12:
Hypothetische Verteilung des Oberflächenabflusses im Modellteilgebiet Großhansdorf, bezogen auf die Rasterelemente des Grundwasserneubildungsmodells.
Anl. 13:
Steuerdatei zur Berechnung des Tal-, Hang- und Hochflächenabflusses in Anlehnung an das Verfahren nach JOSOPAIT & LILLICH (1975).
Anl. 14:
Hypothetische Verteilung der Grundwasserneubildung im Modellteilgebiet Großhansdorf.
Anl. 15:
Hypothetische Verteilung der Grundwasserneubildung im Modellteilgebiet Großhansdorf mit einer Umverteilung von 50% bei geringdurchlässigen Trennschichten gemäß Abb. 3.17.
Anl. 16:
Hypothetische Verteilung der Grundwasserneubildung im Modellteilgebiet Großhansdorf ohne Umverteilung.
Anl. 17:
Hypothetische Verteilung der Grundwasserneubildung im Modellteilgebiet Großhansdorf mit einer Umverteilung von 100% bei geringdurchlässigen Trennschichten gemäß Abb. 3.17.
Anl. 18:
Systemeigenschaften und Gesamtwasserbilanz des Modellteilgebietes "Großhansdorf" für den Bilanzzeitraum von 1980 bis 1991.
134
Anl. 19.1: Grundwasserneubildungsmodell Südost-Holstein: Arbeitsblätter A und B der Datei GWN_94AD.WK3, Boden- und Nutzungsarten.
Anl. 19.2: Grundwasserneubildungsmodell Südost-Holstein: Arbeitsblätter C und D der Datei GWN_94AD.WK3, Boden- und Nutzungsarten.
Anl. 19.3: Grundwasserneubildungsmodell Südost-Holstein: Arbeitsblatt
GWN_94AD.WK3, Grundwasserbeeinflusste Böden.
E
der
Datei
Anl. 19.4 Rechts- und Hochwerte sowie Jahressummen der Niederschläge (Zeitraum
1971-1992) der Niederschlagsstationen in und im nahen Umfeld des Untersuchungsgebietes Südost-Holstein (Arbeitsblatt F).
GWN_94AD.WK3, Berechnung des Gebietsniederschlages.
G
der
Datei
Anl. 19.6: Grundwasserneubildungsmodell Südost-Holstein: Arbeitsblatt H und I der Datei
GWN_94AD.WK3, Berechnung des Wasserüberschusses, Abflussverteilung in
Anlehnung an JOSOPAIT & LILLICH 1975.
Anl. 19.7: Grundwasserneubildungsmodell Südost-Holstein: Arbeitsblatt J der Datei
GWN_94AD.WK3, Berechnung des oberirdischen und oberflächennahen Abflusses.
GWN_94AD.WK3, Berechnung der Grundwasserneubildung.
K
der
Datei
Anl. 19.9: Systemeigenschaften und Gesamtwasserbilanz des Grundwasserneubildungsmodells "Südost-Holstein" für den Bilanzzeitraum von 1980 bis 1991.
Anl. 20.1: Wertetabelle zum Zusammenhang zwischen Niederschlag, Verdunstung nach
TURC (1954) und Wasserüberschuss (Datei GWN_94DD.WK3, Arbeitsblatt A).
Anl. 20.2: Zusammenhang zwischen Niederschlag, Verdunstung und Wasserüberschuss
auf der Basis der Lysimetergleichung für die Boden- und Nutzungsart "Sandboden mit Acker/Grünland" (Datei GWN_94DD.WK3, Arbeitsblatt B).
auf der Basis der Lysimetergleichung für die Boden- und Nutzungsart "Sandboden mit Wald" (Datei GWN_94DD.WK3, Arbeitsblatt C).
auf der Basis der Lysimetergleichung für die Boden- und Nutzungsart "Lehmboden mit Acker/Grünland" (Datei GWN_94DD.WK3, Arbeitsblatt D).
auf der Basis der Lysimetergleichung für die Boden- und Nutzungsart "Lehmboden mit Wald" (Datei GWN_94DD.WK3, Arbeitsblatt E).
135
Anl. 20.6: Verteilung der zusätzlichen Verdunstung aus dem Grundwasser bei geringem
Grundwasserflurabstand (Datei GWN_94DD.WK3, Arbeitsblatt F).
Anl. 20.7: Berechnung der Verdunstung und des Wasserüberschusses nach TURC (1954)
einschließlich Vergleich mit der nach JOSOPAIT & LILLICH (1975) ermittelten
Verteilung (Datei GWN_94DD.WK3, Arbeitsblatt I).
Anl. 21.1: Wasserüberschussverteilung der Modellvariante A, Bilanzzeitraum 1980-1991
(Datei: GWN_94EA.WK3).
Anl. 21.2: Knotenbezogene oberirdische Abflussspende des Untersuchungsgebietes, Modellvariante A.
Anl. 21.3: Knotenbezogene Grundwasserneubildungsverteilung des Untersuchungsgebietes, Modellvariante A, in mm/a und in Prozent vom Niederschlag.
Anl. 21.4: Grundwasserneubildung im Untersuchungsgebiet Südost-Holstein: Zusammenstellung der Ergebnisse der Berechnungsvariante A.
Anl. 22.1: Knotenbezogene oberirdische Abflussspende des Untersuchungsgebietes, Modellvariante B (Datei: GWN_94EB.WK3).
Anl. 22.2: Knotenbezogene Spende des unterirdischen Abflusses, berechnet als Differenz
zwischen Mq und Ao (Modellvariante B).
Anl. 22.3: Knotenbezogene Grundwasserneubildungsverteilung des Untersuchungsgebietes, Modellvariante B, in mm/a und in Prozent vom Niederschlag.
Anl. 22.4: Grundwasserneubildung im Untersuchungsgebiet Südost-Holstein: Zusammenstellung der Ergebnisse der Berechnungsvariante B.
Anl. 23.1: Knotenbezogene oberirdische Abflussspende des Untersuchungsgebietes, Modellvariante C (Datei: GWN_94EC.WK3).
Anl. 23.2: Knotenbezogene Spende des unterirdischen Abflusses, berechnet als Differenz
zwischen Mq und Ao (Modellvariante C).
Anl. 23.3: Knotenbezogene Grundwasserneubildungsverteilung des Untersuchungsgebietes, Modellvariante C in mm/a und in Prozent vom Niederschlag.
Anl. 23.4: Grundwasserneubildung im Untersuchungsgebiet Südost-Holstein: Zusammenstellung der Ergebnisse der Berechnungsvariante C.
136
Anl. 23.5: Vergleich der rasterelementbezogenen Ao-Abflussspenden der Berechnungsvarianten A-C des Grundwasserneubildungsmodells Südost-Holstein (Datei:
GWN_94EC.WK3: Arbeitsblatt N unten).

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Solzbacher, M. (2013) - Universität Freiburg

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