Geophysik & Monitoring

„PMT-Wasser“ - Prozessbasiertes Management-Tool zur nachhaltigen Sicherung von Rohwasserressourcen für die öffentliche Trinkwasserversorgung am Beispiel des WW Colbitz

Zusammenfassung

Die Prognose der Erneuerungsraten von Rohwasserressourcen für die Trinkwasserversorgung basiert bis heute maßgeblich auf statistisch begründeten Bemessungsparametern, die aus Beobachtungen vergangener Jahrzehnte abgeleitet wurden bzw. werden. Die Voraussetzung zeit-invarianter Klimaverhältnisse ist jedoch bereits heute in Deutschland nicht mehr gegeben.

Gesamtziel des Vorhabens war die Bereitstellung von Wissens- und Entscheidungsgrundlagen zur Ermittlung des zukünftigen Wasserdargebots und zur Ableitung von Handlungsstrategie zu dessen nachhaltiger Sicherung unter den Bedingungen des sich abzeichnenden Klimawandels. Dies betraf sowohl rechnerische (Software) als auch messtechnische Verfahren (Monitoring).

Methodisch wurden eine Defizitanalyse bestehender Ermittlungsverfahren durchgeführt, ein prozessorientiertes Ermittlungsverfahren auf Basis der Richards-Gleichung und der Unterteilung in Hydrotope, sowie eine innovatives Monitoringkonzept erarbeitet, das die Einzelprozesse zu überwachen gestattet, die anteilig zu den Erneuerungsraten der Rohwasserressourcen bei bestimmten Landnutzungen beitragen. Es wurden Maßnahmen zum Rückgangsausgleich zusammengestellt und die Wirkungen dieser Maßnahmen auf die Grundwasserneubildungsprozesse an exemplarischen Beispielen analysiert. Diese Arbeitsmittel wurden im prozessbasierten Management-Tool „PMT-Wasser“ zusammengefasst.

 

Monitoringziel und Untersuchungsgebiet

Das Monitoringkonzept ist darauf ausgelegt, die Einzelprozesse zu überwachen, die anteilig zu den Erneuerungsraten der Rohwasserressourcen in den Bildungsgebieten beitragen. Insbesondere gilt es dabei diejenigen Anteile messtechnisch zu erfassen, die klimabedingten Änderungen und geänderter Landnutzung unterworfen sind.


Standort A: Brunnen der Westfassung                                   

Dieser Standort liegt in unmittelbarer Nähe eines Brunnens der Westfassung des WW Colbitz. Er befindet sich in leicht welligem, unbewaldetem Heideland. Die für die Untersuchung interessante vadose Zone wird von Feinsanden dominiert und reicht bis etwa 11m uGOK.


Standort B: Lysimeterstation                                 

Dieser Standort liegt auf dem Gelände der vom Landesbetrieb für Hochwasserschutz und Wasserwirtschaft (LHW) betriebenen Lysi-meterstation Colbitz. Das Messgebiet liegt auf einer Waldlichtung. Die vadose Zone ist hier von Mittelsanden geprägt und reicht bis ca. 8m uGOK. Die GWN liegt bei diesem Standort rund 35 % niedriger als an Standort A. Der Standort bietet die Möglichkeit die Daten der Lysimeterstation inklusive der angeschlossenen Wetterstation zu nutzen.

 

Installation von Bodenwassermessstellen

Das Monitoringkonzept beinhaltet Langzeitmessungen an zwei innovativen Boden-wassermessstellen. Durch Kombination verschiedener physikalisch begründeter Messverfahren sollen die klimabeeinflussten Wasserhaushaltskomponenten direkt erfasst werden. Es wird punktuelle mit der Frequenzbereichs Reflektometrie (FDR), Tensiometern und Temperatursensoren gemessen. Mit der Geoelektrik an der Ober-fläche erhält man integrale Ergebnisse für verschiedene Tiefen entlang eines Profils.

Basierend auf Unterschieden in der elektrischen Leitfähigkeit erlaubt die Geoelektrik die Lokalisation von Wasser im Boden und damit die Bestimmung der Wassersättigung und Fließbewegungen. Zahlreiche Elektroden entlang einer Profillinie im Abstand von 0,5 m können so angesteuert werden, dass oberflächennahe Bereiche bis hin zum Grundwasserspiegel erfasst und aufgelöst werden können.
Die Frequenzbereichs Reflektometrie (FDR) ermittelt den volumetrischen Wassergehalt des Bodens im Bereich jeder Sonde durch den Einfluss der Bodenfeuchte auf die Signalausbreitung in unisolierten elektrischen Leitern. Die Einbautiefe der drei Sonden beträgt 0,3 m, 0,9 m und 1,5 m.
Tensiometer bestimmen die Saugspannung des Bodens. Wasser in einer Keramik wird bei hohen Saugspannungen herausgesogen. Dieser Sog wird gemessen. Es lassen sich so auch Strömungen erkennen. Die Einbautiefe ist analog zu den FDR Sonden.

Die autonom operierende, über eine Datenfernübertragung gesteuerte, Bodenwassermessstelle übermittelt ihre Daten regelmäßig zur Auswertung.

 

Software "PMT-Wasser"

Das Management-Tool wurde exemplarisch im Einzugsgebiet des Wasserwerks Colbitz getestet. Im Ergebnis des Projektes steht mit dem „PMT-Wasser“ ein entscheidungsorientiertes Management-Tool zur Verfügung, mit dessen Hilfe

  • das zukünftige Wasserdargebot in den sich naturräumlich und sozioökonomisch wandelnden und durch vielfältige Nutzungsinteressen gekennzeichneten Einzugsgebieten von Rohwasser ermittelt undangemessene Ausgleichsmaßnahmen für eine klimabedingte und
  • nutzungsbedingte Veränderung der verfügbaren Rohwasserressourcen anhand ihrer prognostizierten Wirkung abgeleitet werden können.

Den Betreibern von Wasserwerken ermöglicht dieses Arbeitsmittel ihre Rohwasserressourcen zu erhalten, nachhaltig zu bewirtschaften und die Überwachungs- und Steuersysteme zu optimieren.

Die folgende Abbildung zeigt einen Screenshot der Software "PMT-Wasser", in der die Projektergebnisse umgesetzt sind.

Dank

Die zugrundeliegenden FuE-Arbeiten wurden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung unter dem Fkz.02WQ1103 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

Projektgruppenleiterin

Dr. rer. nat. Susann Berthold
E-Mail: sberthold@dgfz.de
Tel.: 0351/4050-673

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