Einleitung

Die wasserwirtschaftliche Rahmenplanung in Europa sieht sich im Angesicht des globalen Wandels mit großen Unsicherheiten konfrontiert (European Environment Agency 2017; Riedel und Weber 2020). Verringerte Sommerniederschläge und längere Trockenperioden unter Einflüssen des Klimawandels sowie ein gesellschaftlich getriebener Anstieg des Wasserbedarfs könnten langfristig ein nachhaltiges Gleichgewicht zwischen Wasserbedarf und Wasserverfügbarkeit in Deutschland stören (BMU 2019; Scheihing 2019; Fliß et al. 2021; Wunsch et al. 2022). Die Wasserverfügbarkeit wird dabei auch durch Wasserqualitätsanforderungen eingeschränkt (Eschenbach et al. 2018; Knoll et al. 2019; Wriedt et al. 2019; Wriedt und Randt 2019; Kubier et al. 2021; Tzemi und Mennig 2022).

Zusätzliche Herausforderungen des Grundwassermanagements in Ostfriesland stellen die küstennahe, geogene Grundwasserversalzung (Siemon et al. 2020; González et al. 2021a, et al. 2021b) sowie das weit verzweigte künstlichen Entwässerungssystem in den Marschbereichen (Tetzlaff et al. 2008) dar. Aufgrund des steigenden Meeresspiegels und einer erwarteten Verlagerung der Niederschläge vom Sommer in den Winter, muss in Zukunft mit einer zum Teil deutlich erschwerten Binnenentwässerung über Siele gerechnet werden (Kebschull et al. 2017; Scheihing 2019). Intensive Trockenphasen in den Jahren 2018 und 2019 zeigten darüber hinaus, dass der Grundwasserspiegel auch in der Oldenburgisch-Ostfriesischen Geest weiträumig auf neue Allzeit-Minima fallen kann (NLWKN 2020). Die mögliche Entwicklung von Wasserstoffproduktionsstandorten entlang der ostfriesischen Nordseeküste erhöht zusätzlich die Unsicherheiten in Bezug auf den zukünftigen, regionalen Wasserbedarf. Dem erfolgreichen Zusammenspiel von Wasserversorgern, Entwässerungsverbänden und wasserwirtschaftlich-relevanten Behörden fällt im Management dieser wachsenden wasserwirtschaftlichen Herausforderungen immer größere Bedeutung zu, um dem Anspruch einer langfristig nachhaltigen Wasserbewirtschaftung gerecht zu werden (BMU 2019; Riedel und Weber 2020; Bender et al. 2021).

Vor allem im Bereich des Grundwassermanagements sind Modellrechnungen ein unerlässliches Planungswerkzeug, um zukünftige Szenarien einzugrenzen und die fachliche Entscheidungsbasis für ein nachhaltiges Ressourcenmanagement zu stärken (Gorelick und Zheng 2015; Panteleit et al. 2018; Herrmann et al. 2021). Im Angesicht der beschriebenen Herausforderungen erfordern geeignete Lösungen regionale, integrierte Ansätze unter Einbezug unterschiedlicher Interessensgruppen (Bender et al. 2021; NMU 2022; Scheihing et al. 2022a). Es braucht daher dauerhaft etablierte regionale hydro(geo)logische Modelle, welche in der Lage sind, die unterschiedlichen wasserwirtschaftlichen Einflusssphären beteiligter Akteure zu integrieren, auch um gemeinsame Vorgehen zu informieren und abzustimmen (Gorelick und Zheng 2015). Bisherige Bemühungen in diesem Bereich waren oft auf wissenschaftliche Fragestellungen fokussiert (González et al. 2021a).

Im vorliegenden Artikel stellen wir ein Grundwasserströmungsmodell für die ostfriesische Halbinsel vor, welches einen ersten Schritt hin zu einem solchen angewandten, regional integrierten Grundwassermanagement darstellt. Das präsentierte Strömungsmodell soll langfristig dazu dienen, Eingriffe und Auswirkungen auf den Grundwasserhaushalt im Rahmen des globalen Wandels in Ostfriesland besser zu verstehen. Dabei gilt es vor allem, Folgen des Klimawandels sowie die Wechselwirkungen der Eingriffe unterschiedlicher Grundwassernutzer im Modell abzubilden. Damit ist das Modell in Übereinstimmung mit dem aktuellen niedersächsischen Wasserversorgungskonzept, dass die Notwendigkeit formuliert die landesweite Grundwasserbewirtschaftung unter Berücksichtigung regionaler Aspekte und zukünftiger Herausforderungen weiterzuentwickeln (NMU 2022).

Das entwickelte stationäre Strömungsmodell erstreckt sich über eine Fläche von über 3000 km2 und berücksichtigt den oberen Grundwasserleiterkomplex der ostfriesischen Halbinsel mit einer maximalen Tiefe von etwa 200 m unter Geländeoberkante (u GOK) (Abb. 1). Das Strömungsmodell ist auf einem regionalen geologischen Modell aufgebaut, das unter Einbezug von mehr als 28.000 Bohrprofilen erstellt wurde. Ein Datensatz von über 800 Grundwasserstandszeitreihen diente der Modellkalibrierung. Das Ziel der Strömungskalibrierung war die Nachbildung der langjährigen mittleren Grundwasserstände in den drei unterschiedlichen Grundwasserleiterstockwerken. Soweit bekannt, ist das vorliegende Modell damit deutschlandweit eines der größten in der wasserwirtschaftlichen Praxis genutzten Grundwasserströmungsmodelle, sowohl in Hinblick auf die regionale Ausdehnung als auch in Bezug auf den Umfang der Eingangsdatensätze.

Abb. 1 Fig. 1
figure 1

Übersichtskarte zum Untersuchungsgebiet der ostfriesischen Halbinsel (ca. 3150 km2)

Overview map of the study area of the East Frisian Peninsula (approx. 3150 km2)

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Im Rahmen der Arbeit stellen wir die regionale Verbreitung und hydraulische Charakteristik der Aquifere unter Berücksichtigung der zwischen- und auflagernden Aquitarden dar, erörtern den regionalen Wasserhaushalt und diskutieren mögliche Anwendungsbeispiele sowie den Weiterentwicklungsbedarf des Modells. Aufgrund der hier detailliert dargelegten Modellentwicklung kann unser Fallbeispiel als Orientierung für die Ansätze, Chancen und Herausforderungen für andere vergleichbare Modellentwicklungsvorhaben dienen.

Die ostfriesische Halbinsel

Das vorliegende Untersuchungsgebiet umfasst die ostfriesische Halbinsel im Nordwesten von Niedersachsen. Es deckt eine Gesamtfläche von etwa 3150 km2 ab. Das Untersuchungsgebiet ist im Norden und Westen durch die Nordsee begrenzt. Die Geländehöhen variieren von unter −2 m Normalhöhenull (NHN) im Marschgebiet bis über 14 m NHN im südöstlichen Geestbereich. Im küstennahen Marschgebiet treten weithin geogen-bedingte Grundwasserversalzungen auf. Der Ostfriesisch-Oldenburgische Geestrücken verläuft in südöstlich-nordwestlicher Richtung durch das Untersuchungsgebiet und flacht dabei sukzessive ab. Das Untersuchungsgebiet fällt hydrographisch im Westen in das Flussgebiet der Ems, im Norden und Osten in das Küstengebiet der Nordsee und den Jadebusen. Die zur Nordsee hin gelegene Marsch wird ständig entwässert, um eine Landnutzung zu ermöglichen. Für die Marsch mit ihren gering durchlässigen holozänen Deckschichten wird nach niedersächsischen Wasserhaushaltsmodell mGROWA überwiegend eine Grundwasserneubildung von weniger als 50 mm/a bis zu 100 mm/a angegeben (Herrmann et al. 2013). Die Oldenburgisch-Ostfriesische Geest tritt dagegen morphologisch hervor und wird aus Sedimenten mit einer gegenüber den bindigen Deckschichten höheren hydraulischen Durchlässigkeit gebildet. Hier findet eine deutlich größere Grundwasserneubildung mit bis zu 400 mm/a statt.

Der wasserwirtschaftlich bedeutsame Untergrund im Untersuchungsgebiet wird im Wesentlichen von plio- bis pleistozänen Lockergesteinen aufgebaut und wurde u. a. in der hydrostratigraphischen Gliederung Niedersachsens beschrieben (LBEG 2011). Die Oberfläche der miozänen Abfolge, bestehend aus weitverbreiteten tonigen und schluffigen Ablagerungen (Oberer Glimmerton), ist im Untersuchungsgebiet als Aquiferbasis anzusehen. Während des anschließenden Pliozäns wurde durch das so genannte „baltische Flusssystem“ eine mächtige Sandabfolge über die miozänen Einheiten geschüttet (Streif 1990). Im Laufe des Quartärs wurde das Untersuchungsgebiet – unterbrochen von mehreren warmzeitlichen Perioden – mindestens zweimal von Gletschern überfahren. Über Schmelzwasserströme gelangten mächtige Sand-Kiesschüttungen (glazifluviatile Sedimente) in das Untersuchungsgebiet. Die Gletscher selbst hinterließen dabei Geschiebelehmdecken, die heute vielerorts zum Teil in Bohrungen (Geschiebelehm der Elster-Eiszeit) oder auch nahe der Geländeoberfläche (Geschiebelehm der Saale-Eiszeit) als grundwasserhemmende Einheiten auffindbar sind. Die Überprägung durch Gletscher führte zu der Ausbildung von Rinnenstrukturen, die zum Teil mit bindigen Sedimenten (Lauenburger Ton und Lauenburger Randfazies) aufgefüllt wurden und lokal zu einer stark ausgeprägten Heterogenität der hydraulischen Durchlässigkeit im Untergrund führen können.

Daten und Methodik

Geologische Modellierung

Die Modellerstellung des geologischen 3D-Modells erfolgte mit der Kartierungssoftware SubsurfaceViewer® MX.

Auf Basis des vorhandenen Bohrprofildatensatzes und eines hochaufgelösten digitalen Geländemodells (Tab. 1) wurde ein engmaschiges Netz von geologischen Profilschnitten erstellt, in denen jeweils die Schichtuntergrenzen für alle Modelleinheiten festgelegt wurden (Abb. 2). Bei der Erstellung dieses Profilschnittnetzes wurden nahezu alle der zur Verfügung stehenden relevanten Bohrungen direkt berücksichtigt. Die Profilschnittkonstruktionen erfolgten dabei unter ständigem Abgleich und Plausibilitätskontrollen mit den in Tab. 1 aufgeführten Eingangsdaten. Anschließend fand ebenfalls eine Einarbeitung von geophysikalischen Informationen aus dem Aero-Elektromagnetikdatensatz des D‑Aero Projektes der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) statt (Siemon et al. 2009, 2015, 2020), um die Auskartierung von tonigen und schluffigen Sedimenten gegen sandige Sedimente weiter zu verbessern. Bei der Einarbeitung der elektromagnetischen D‑Aero-Daten wurden für die Bereiche, die nicht durch eine geogene Salzwasserintrusion überprägt sind, folgende drei Klassengrenzen verwendet: (1) 8–25 Ωm – tonig, (2) 25–100 Ωm – tonig/schluffig, (3) > 100 Ωm – sandig. Auf Grundlage des so konstruierten Profilschnittnetzes wurde die räumliche Schichtverbreitungsgrenze für jede der Modelleinheiten, die in den Profilschnitten angelegt wurden, modelliert.

Tab. 1 Table 1 Genutzte Daten zur Erstellung des geologischen 3D-ModellsData used to create the 3D geological model
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Abb. 2 Fig. 2
figure 2

Erarbeitetes geologisches Profilschnittnetz der ostfriesischen Halbinsel

Developed geological profile section network of the East Frisian Peninsula

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Abschließend wurden die geologischen Einheiten auf Grundlage der niedersächsischen hydrostratigraphischen Gliederung (LBEG 2011) konzeptionell in ein hydrogeologisches Modell überführt (siehe Abschnitt „Ergebnisse“).

Erstellung und Aufbau des Strömungsmodells

Für die Strömungsberechnungen wurde das Programm MODFLOW in der Version 2005 des United States Geological Survey eingesetzt. MODFLOW ist ein dreidimensionales numerisches Modell zur Berechnung der gesättigten Grundwasserströmung. Das Programm arbeitet auf der Basis der Methode der Finite-Differenzen (blockzentriertes Rechteckgitter). Für den Aufbau des Modells und zur Eingabe sowie Kontrolle der Parameter wird der menügesteuerte Prä- und Postprozessor PMWIN in der Version 8 verwendet (Chiang und Kinzelbach 2005).

Zur Diskretisierung des numerischen Grundwasserströmungsmodells wurden Schichteneinteilungen gemäß Tab. 2 vorgenommen. Für den Aufbau des Strömungsmodells wurden in der Vertikalen die (hydro-)stratigraphischen Einheiten aus dem geologischen Untergrundmodell in ein System von sechs Rechenebenen (Layer) unterteilt. Die Unterkanten und damit auch die Mächtigkeiten der einzelnen Layer sind räumlich variabel und ergeben sich direkt aus den Mächtigkeiten der zu den jeweiligen Layern zusammengefassten Einheiten des geologischen Modells.

Tab. 2 Table 2 Gliederung des hydrogeologischen Untergrunds (oberer Grundwasserleiterkomplex) im StrömungsmodellOutline of the hydrogeological subsurface (upper aquifer complex) in the flow model
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Bezüglich der Festlegung von Modellrandbedingungen wurde wie folgt vorgegangen: Der Küstenverlauf der Nordsee wird aufgrund des guten hydraulischen Kontakts mit dem Grundwasser in Layer 2 als Festpotenzialrand (Randbedingung 1. Art oder Dirichlet-Randbedingung) im Strömungsmodell abgebildet. Die Grundwasserstände sind variabel und wurden aus Nordseepegeldaten des Wasser- und Schifffahrtsamt Emden abgeleitet. Der südliche Rand zwischen Bockhornerfeld und Dangast (Abb. 1) verläuft senkrecht zu den Grundwasserhöhengleichen und wird daher als Randstromlinie mit zeitlich konstantem Verlauf definiert (Randbedingung 2. Art ohne Durchfluss oder Neumann-Randbedingung). Ein Wasseraustausch über diesen Rand findet nicht statt. Die Basis des Modellgebiets ist ebenfalls für Wasser undurchlässig.

Die Oberflächenentwässerung im Marschbereich des Untersuchungsgebietes erfolgt über ein verzweigtes Vorflutsystem. Da eine detaillierte Auflösung der einzelnen Drainagegräben im Strömungsmodell mangels geeigneter Daten nicht möglich ist, wird das entsprechende Vorflutsystem im Modell über eine flächenhafte Drainage abgebildet. Der Wasseraustausch erfolgt in Abhängigkeit der Lage und der äquivalenten hydraulischen Durchlässigkeit (Leakage-Koeffizient) der Drainage. Die Sohlhöhen wurden dabei mit 2 m unter Gelände angegeben. Aus vorliegenden Steuerungsdaten zu ausgewählten Sielen konnten überschlägige Abflussmengen abgeleitet werden, die im Rahmen der Modellkalibrierung Verwendung fanden (NLWK 2004). Nach NLWK (2004) kann der mittlere Gebietsabfluss der Marsch im Zeitraum 1993 bis 2003 mit 6,0 bis 12,3 l/(s · km2) angegeben werden.

Die Oberflächenfließgewässer auf der Geest hingegen werden als Leakagerand (Randbedingung 3. Art oder Cauchy-Randbedingung) behandelt. Gegenüber den Randbedingungen der ersten Art haben diese Ränder einen verringerten hydraulischen Kontakt zum Aquifer.

Für die Grundwasserneubildung im Modellgebiet wurde die vom LBEG herausgegebene Verteilung der mittleren Grundwasserneubildungsrate nach dem Verfahren von mGROWA für die hydrologische Periode 1991–2010 zugrunde gelegt (Herrmann et al. 2013).

Des Weiteren wurden alle bekannten wasserwirtschaftlichen Grundwasserentnahmen im Modell berücksichtigt. Diese Wasserentnahmen umfassen Entnahmen von Stadtwerken, wirtschaftlichen und industriellen Betrieben sowie Entnahmen aus den Wasserwerken des Oldenburgisch-Ostfriesischen Wasserverbandes (OOWV). Die Filterlagen aller Wasserwerksbrunnen erschließen dabei in der Regel den unteren Hauptgrundwasserleiter (siehe Abschnitt „Aquiferbeschaffenheit der ostfriesischen Halbinsel“).

Zur Kalibrierung des Strömungsmodells standen langjährige Datenreihen von über 330 Grundwassermessstellen aus dem Messnetz des OOWV zur Verfügung. Ergänzend wurden etwa 450 Messstellen aus den Messnetzen der Gas- und Elektrizitätswerke (GEW) Wilhelmshaven GmbH, der Stadtwerke Norden und Emden sowie etwa 50 Messstellen aus der laufenden Grundwasserüberwachung des Niedersächsischen Landesbetriebes für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz (NLWKN) herangezogen. Die Datenreihen bestehen überwiegend aus monatlichen Messdaten, die zur Beschreibung mittlerer Grundwasserverhältnisse über den Zeitraum der Abflussjahre 2001–2018 gemittelt wurden. Die Messstellen wurden entsprechend ihrer Filterlage den unterschiedlichen Modellschichten (Layern) zugeordnet.

Für die Modellerstellung wurden als Startwerte die in Tab. 2 angegebenen horizontalen kf-Werte verwendet. Die Zahlenwerte orientieren sich an Vorgaben der zuständigen Landesbehörde (LBEG 2011). Das Vorgehen bei der Modellkalibrierung und dem Modelltest wird in den Abschnitten „Modellkalibrierung“ und „Modelltest“ geschildert.

Ergebnisse

Aquiferbeschaffenheit der ostfriesischen Halbinsel

Mithilfe des entwickelten geologischen Modells und der offiziellen hydrostratigraphischen Einteilung Niedersachsens lässt sich die Aquiferbeschaffenheit der ostfriesischen Halbinsel beschreiben. Diese dient als Grundlage für die Konzeptionierung des daran anknüpfenden hydrogeologischen Strömungsmodells.

Die Modellbasis und damit die Basis des regionalen oberen Grundwasserleiterkomplexes wird durch die Oberkante der marinen miozänen Sedimentabfolge gebildet, deren glimmerhaltige Schluffe, Tone und Feinstsande aufgrund der lithologischen Ausbildung als Grundwasserhemmer eingestuft werden.

Der bewirtschaftete untere Hauptgrundwasserleiter im Untersuchungsgebiet wird durch pliozäne Sande gebildet. Dieser untere Hauptgrundwasserleiter wird im Strömungsmodell als Layer 6 bezeichnet (Abb. 3). Er weist vereinzelte Tonlinsen auf. Über dem Hauptgrundwasserleiter folgt der Tergaster Ton, der als Aquitarde aufgefasst werden muss (Layer 5). Er ist nicht flächendeckend ausgebildet. Elster-zeitliche Sande bilden den oberen Hauptgrundwasserleiter, der im Modell als Layer 4 geführt wird und zusammen mit dem unteren Hauptgrundwasserleiter (Layer 6) nahezu flächendeckend angetroffen wird (Abb. 4c, e). Der untere Grundwasserleiter erstreckt sich dabei über Tiefenlagen von −40 bis über −200 m NHN und weist Mächtigkeiten von überwiegend 40 bis 160 m auf (Abb. 4e, f). Der obere Grundwasserleiter weist in der Regel eine geringere Mächtigkeit auf mit etwa 10 bis 80 m (Abb. 4c). Die Tiefenlage seiner Basis befindet sich unterdessen etwa bei −20 bis −80 m NHN (Abb. 4d). Der untere Grundwasserleiter wird überlagert vom elsterzeitlichen Geschiebelehm, dem Lauenburger Ton und der Lauenburger Randfazies, welche im Strömungsmodell als Aquitarde umgesetzt sind (Layer 3). Ein oberflächennaher Grundwasserleiter, bestehend aus Saale-Sanden, wird im Strömungsmodell als Layer 2 geführt (Abb. 3). Er ist vornehmlich im westlichen Teil der Halbinsel ausgebildet mit geringen Mächtigkeiten von etwa 0 bis 20 m (Abb. 4a). Der folgende saalezeitliche Geschiebelehm bildet eine oberflächennahe Aquitarde (Layer 1 im Strömungsmodell).

Abb. 3 Fig. 3
figure 3

Regionaler geologischer Profilschnitt aus dem entwickelten geologischen 3D-Modell. Der Verlauf des Profilschnittes ist in Abb. 1 dargestellt

Regional geologic profile section from the developed 3D geologic model. The location of the profile section is shown in Abb. 1

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Abb. 4 Fig. 4
figure 4

Verbreitung, Mächtigkeit und Tiefenlage der im Strömungsmodell geführten Grundwasserleiter, a–b oberflächennaher Hauptgrundwasserleiter (Layer 2), c–d oberer Hauptgrundwasserleiter (Layer 4), e–f unterer Grundwasserleiter (Layer 6)

Distribution, thickness, and depth of aquifers modelled in the flow model, a–b near-surface aquifer (layer 2), c–d upper main aquifer (layer 4), e–f lower main aquifer (layer 6)

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Modellkalibrierung

Die Kalibrierung der Strömungsmodells verfolgte das Ziel der Nachbildung der langjährigen mittleren Grundwasserstände in den drei unterschiedlichen Grundwasserleiterstockwerken über die Periode von November 2001 bis Oktober 2018. Dazu wurden 817 Messstellendatensätze genutzt. Der Modellschicht 2 (saalezeitliche Sande) waren 254 Messstellen zugeordnet, der Modellschicht 4 (elsterzeitliche Sande) 371 Messstellen, und der Modellschicht 6 (pliozäne Sande) 192 Messstellen.

Als Gütekriterien der Kalibrierung dienten die statistischen Kennzahlen root mean square error (RMSE), relativer Fehler, mean absolute error (MAE) und die Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) (Moriasi et al. 2007). Die Gütekriterien wurden zur Bewertung der Modellgüte jeweils als Mittelwert über die jeweilige Modellschicht herangezogen. Die Normalverteilung der Fehlerwerte je Modellschicht wurde in einem separaten Arbeitsschritt bestätigt.

Im Zuge der Kalibrierung wurden bei der manuellen Kalibrierung folgende Parameter angepasst:

  • Mittlere hydraulische Durchlässigkeiten der einzelnen stratigraphischen Einheiten (globale Anpassung, Bandbreiten siehe Tab. 2)

  • Hydraulische Durchlässigkeiten in Teilbereichen der einzelnen Schichten (lokale Anpassung, Bandbreiten siehe Tab. 2)

  • Vertikale Anisotropie der einzelnen Modellschichten (globale und lokale Anpassung)

  • Anbindung der Fließgewässer an den Grundwasserleiter (globale Anpassung)

  • Leakage-Koeffizienten der flächenhaften Drainagen in der Marsch (globale Anpassung)

Für die Messstellen, die in den oberflächennahen Saale-Sanden verfiltert sind (Modellschicht 2), war die Nachbildung der Wasserstände mit einem relativen Fehler von 5,4 % möglich (Abb. 5a). Der RMSE liegt hier bei 0,92 m, der MAE bei 0,74 m und die NSE liegt bei 0,91. In dieser Schicht gibt es einige Messstellen mit relativ hohen Wasserständen, die im Modell trotz Parameteranpassung zu niedrig berechnet wurden. Ein möglicher Grund dafür könnte eine zu hoch angesetzte Grundwasserneubildung sein, die dem genutzten Eingangsdatensatz des Modells mGROWA entstammt.

Abb. 5 Fig. 5
figure 5

Modellierte gegen tatsächliche Grundwasserstände, a oberflächennaher Grundwasserleiter, b oberer Hauptgrundwasserleiter, c unterer Hauptgrundwasserleiter

Modeled versus actual groundwater levels, a near-surface aquifer, b upper main aquifer, c lower main aquifer

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Die Abweichung zwischen Messwerten und berechneten Wasserständen in den Messstellen, die in den Elster-zeitlichen Sanden (Modellschicht 4) verfiltert sind, zeigt die Abb. 5b. In der Schicht 4 befinden sich die meisten der Messstellen (360), die bei der Kalibrierung betrachtet wurden. In diesen Messstellen ist der relative Fehler mit 3,9 % geringer als in der Modellschicht 2. Hier liegt der RMSE bei 0,86 m, der MAE bei 0,58 m und die NSE bei 0,74.

Die Abweichung zwischen Messwerten und berechneten Wasserständen in den Messstellen, die in den Pliozän-zeitlichen Sanden (Modellschicht 6) verfiltert sind, zeigt die Abb. 5c. Der relative Fehler von 4,1 % bedeutet auch hier eine gute Nachbildung in dieser Schicht. Der RMSE wird in Modellschicht 6 mit 0,69 m ausgewiesen, der MAE mit 0,54 m und die NSE mit 0,93. Bei den Abweichungen nach oben oder unten ist in allen Modellschichten kein räumlicher Trend zu erkennen, der auf systematische Fehler hinweisen könnte. Der größte Anteil aller Messstellen (rd. 82 %) weist Abweichungen von < |1,0| m auf.

Unterschiede in den Güteparametern zwischen den einzelnen Modellschichten können verursacht werden durch die Anzahl der herangezogenen Messstellen, ihrer räumlichen Verteilung sowie lokale geologische Heterogenität, welche trotz des bereits sehr detaillierten geologischen Modells nicht im Strömungsmodell aufgelöst werden kann.

Modelltest

Die Güte eines kalibrierten Modells und damit auch seine Prognosefähigkeit kann mithilfe eines separaten Modelllaufs mit geänderten hydraulischen oder hydrologische Randbedingungen eingeschätzt werden. Dabei müssen sich die Randbedingungen des separaten Modelllaufs erheblich von denjenigen unterscheiden, die bei der Modellkalibrierung angesetzt waren. Der Modelltest verfolgt die Absicht, die Robustheit der Modellaussagen gegenüber wesentlichen Änderungen der hydraulischen und/oder hydrologischen Randbedingungen zu dokumentieren.

Im vorliegenden Fall wurde das kalibrierte Modell dazu verwendet, die Grundwasserstände für einen Strömungszustand der Vergangenheit zu berechnen, in der die Brunnen des Wasserwerks Sandelermöns noch nicht in Betrieb waren. Konkret wurden die berechneten Wasserstände mit den gemittelten Messwerten des Abflussjahres 1976 verglichen. Insgesamt standen dafür die Grundwasserstände aus 140 Messstellen zur Verfügung. Für die Berücksichtigung des Betriebes der übrigen Wasserwerke wurden jeweils die mittleren Förderraten des Abflussjahres 1976 angesetzt. Die übrigen Modellparameter wurden aus dem kalibrierten Modell übernommen. Beim Modelltest war der gemittelte relative Fehler über die 140 Messstellen mit 8 % etwas höher als der Fehler am Ende der Modellkalibrierung, wobei hier in Summe alle Messstellen innerhalb der grundwasserleitenden Stockwerke betrachtet wurden. Ein etwas erhöhter relativer Fehler ist im Rahmen des Modelltests zu erwarten. Durch die zentrale Lage des Wasserwerks Sandelermöns in Ostfriesland, ist der Modelltest als repräsentativ für den zentralen und östlichen Teil des Modellgebietes anzusehen. Weitere Modelltests im westlichen Bereich des Modellgebietes sind geplant und Teil einer Strategie zur fortwährenden Weiterentwicklung des Modells.

Ergebnisse des stationären Strömungsmodells

Die flächenhafte Verteilung der berechneten Grundwasserstände nach Abschluss der Kalibrierung ist als Grundwassergleichenplan für den unteren und oberen Hauptaquifer (Modellschicht 6) in Abb. 6 zu sehen. Daraus ist jeweils ein hydraulisches Gefälle von der höher gelegenen Geest hin in die Marsch ablesbar.

Abb. 6 Fig. 6
figure 6

Vergleich zwischen Grundwassergleichenplan gemäß des kalibrierten Strömungsmodells (MGW AJ 2001–2018) und einer kriging-basierten Auswertung für den unteren Hauptgrundwasserleiter (Layer 6)

Comparison between water tables according to the calibrated flow model (MGW AJ 2001–2018) and a kriging-based calculation for the lower main aquifer (Layer 6)

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Die stationäre Wasserbilanz für das kalibrierte Modell ist in Tab. 3 dargestellt. Der Bilanzzeitraum entspricht dem Zeitraum für die Kalibrierung, d. h. der Periode von November 2001 bis Oktober 2018. Der quantitativ bedeutendste Bilanzterm ist der Grundwasserzustrom über die flächenhafte Grundwasserneubildung durch Versickerung von Niederschlagswasser. Er macht mehr als 80 % (435 Mio. m/a) des gesamten Wasserumsatzes im Modellgebiet aus. Die Oberflächengewässer tragen über Versickerung mit 5 % (24 Mio. m/a) dagegen nur zu einem kleineren Teil des Zustroms bei. Etwa 13 % (68 Mio. m/a) des Zustroms im Modellgebiet stammt aus der Festpotenzialgrenze, die am Übergang des Modellgebiets in die Nordsee festgesetzt wurde.

Tab. 3 Table 3 Grundwasserbilanz des kalibrierten ModellsGroundwater balance of the calibrated model
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Der wesentliche Teil (70 %, 361 Mio. m/a) des gesamten Zustroms in das Modellgebiet verlässt dieses wieder über die flächenhaften Drainagen in den Marschregionen. Weitere 22 % des Wasserzustroms (125 Mio. m/a) werden über die Oberflächengewässer in den Geestbereichen abgeführt. Ein sehr geringer Betrag strömt über die Festpotenzialgrenze aus dem Modellgebiet heraus.

Die Entnahmebrunnen der Wasserwerke und der gewerblichen Nutzer fördern insgesamt betrachtet 9 % der Grundwasserneubildung durch Niederschlag.

Diskussion und Schlussfolgerungen

Im vorliegenden Artikel besprechen wir die Entwicklung eines regionalen Grundwasserströmungsmodells für Ostfriesland. Das Strömungsmodell soll als Planungswerkzeug für ein regional integriertes Grundwassermanagement dienen.

Mit über 28.000 verarbeiteten Bohrprofilen und mehr als 800 Grundwasserstandszeitreihen zeigt der vorliegende Ansatz, dass die Entwicklung eines regionalen Strömungsmodells mit hohen Anforderungen an die Datenverfügbarkeit einhergeht. Die Kalibrierung des Modells ist mit einem mittleren relativen Fehler von jeweils 3,9 bis 5,4 % für die drei verschiedenen Grundwasserleiter gut gelungen. Mit einem mittleren relativen Fehler von etwa 8 % bestätigt der beschriebene Modelltest die Plausibilität und Eignung des Strömungsmodells für Vorhersagen von regionalen stationären Strömungsverhältnissen unter veränderten Entnahmebedingungen für den zentralen und östlichen Teil des Modellgebietes. Für die modelltechnischen Ansprüche, die sich aus lokalen Wasserrechtsverfahren ergeben, sind eine fallabhängige lokale Erhöhung des Detaillierungsgrades des Strömungsmodells sowie weitere Modelltests möglich.

Die größten modelltechnischen Unsicherheiten für die Strömungsmodellierung und die assoziierte Grundwasserbilanz (Tab. 3) ergeben sich aus der in weiten Teilen unbekannten Größe der künstlichen Gebietsentwässerung (Drainage) von Nutzflächen in den Marschbereichen. Die wichtigste Bemessungsgröße zur Einschätzung der entsprechenden Drainagemengen sind die jeweiligen Sielmengen entlang der Nordseeküste. Für viele Siele an der Nordsee liegen keine oder nur überschlägige Informationen zu tatsächlichen Sielmengen vor. Die gezielte Entwicklung von standortabhängigen Sielzugformeln oder die Erweiterung des bestehenden Ablussmonitorings würde Unsicherheiten im Bilanzterm der Drainage zukünftig weiter verringern und eine notwendige Datengrundlage für eine regionale instationäre Strömungsmodellierung liefern.

Das vorliegende Grundwasserströmungsmodell kann zukünftig dazu dienen, die regionale Auswirkung von Veränderungen im Grundwasserhaushalt durch natürliche oder anthropogene Faktoren, vorherzusagen. Im Folgenden beschreiben wir einige dieser Anwendungsfälle.

Ein Wasserbedarfsanstieg könnte den Bau eines zusätzlichen Wasserwerks zur Förderung von Grundwasser erforderlich machen oder eine weitere Erhöhung bestehender Grundwasserrechte an etablierten Wasserwerken forcieren. Das regionale Strömungsmodell ließe sich dazu nutzen, die Auswirkung einer Erhöhung der Grundwasserförderung auf Grundwasserstände und das regionale Strömungsbild zu ermitteln. Dadurch ließen sich, in Abhängigkeit von der Standortwahl, sowohl mögliche Überlagerungen von Grundwasserabsenkungen verschiedener Grundwassernutzer abschätzen als auch mögliche Veränderungen von Einzugsgebieten und assoziierten Wasserschutzgebieten prüfen. Die Standortwahl für ein neues Wasserwerk ließe sich dadurch also weiter optimieren. Lokale Modelle wären in diesem Szenario unter anderem in ihrer Aussagekraft zu den Auswirkungen auf andere Grundwassernutzer deutlich beschränkter. Sich überlagernde Absenkgebiete können vor allem einen negativen Einfluss auf grundwasserabhängige, ökologische Schutzgüter haben. Das regionale Modell würde es hier ermöglichen, Überlagerungseffekte zu prüfen und im besten Fall durch eine geeignete, modellunterstützte Standortwahl auszuschließen.

Ein weitere Anwendungsfall ergibt sich aus den wasserwirtschaftlichen Anforderungen der europäischen Wasserrahmenrichtlinie bezüglich des Gebotes zur Sicherstellung eines guten mengenmäßigen Zustandes von ausgewiesenen Grundwasserkörpern. Regionale, kontinuierlich betriebene Strömungsmodelle, die verschiedene, administrativ ausgewiesene Grundwasserkörper umfassen, ließen eine noch verlässlichere Bewertung des mengenmäßigen Zustandes dieser Grundwasserkörper zu, als es die momentan durchgeführten Wasserbilanzrechnungen erlauben. Auch mögliche Änderungen der zukünftigen Grundwasserneubildung unter Einflüssen des Klimawandels ließen sich unmittelbar in ihrer Auswirkung auf regionale Strömungsverhältnisse und mengenmäßige Zustände analysieren.

Abschließend ließen sich mit dem vorliegenden Modell auch Auswirkungen einer künstlichen Grundwasseranreicherung auf die Strömungsverhältnisse und den mengenmäßigen Zustand des jeweiligen Grundwasserkörpers abschätzen.

Damit bildet das regionale Strömungsmodell eine bisher nicht dagewesene Grundlage, um das regionale Grundwassermanagement unter Einhaltung der rechtlichen Rahmenbedingungen mit einer Vielzahl von betroffenen Grundwassernutzern abzustimmen; so wie es auch das aktuelle niedersächsische Wasserversorgungskonzept vorsieht (NMU 2022). Das regionale Strömungsmodell versteht sich dabei als übergeordnetes Planungswerkzeug.

Offene Entwicklungsziele für das vorliegende Strömungsmodell gliedern sich in folgende Aufgabenfelder:

  • Entwicklung eines instationären, regionalen Grundwasserströmungsmodells

  • Kopplung des instationären, regionalen Grundwasserströmungsmodells mit einem regionalen hydrologischen Modell

  • Berücksichtigung von dichtegetriebenen Strömungsprozessen entlang der Salz-Süßwassergrenze

Mit der Erreichung dieser Entwicklungsziele würde sich eine Reihe von weiteren Anwendungsfeldern erschließen, beispielsweise ein verbessertes Management von Entwässerungsbedarfen und Wasserrückhaltemöglichkeiten unter Extrembedingungen wie Dürren oder Starkniederschlägen.

Einige der größten Unwegsamkeiten zur Erreichung der Modellentwicklungsziele sind jedoch Einschränkungen in der Datenverfügbarkeit. Zum einen fehlt es in einigen Gebieten an Abflussmessdaten mangels eines geeigneten Monitorings, und zum anderen sind die bereits erhobenen Daten aufgrund einer institutionellen Bindung oft nur schwer zugänglich. Ein durchdachtes Monitoring und niederschwellige Datenbereitstellungsprozesse gehören zu den wichtigsten Rahmenbedingungen, um die Anpassungsfähigkeit an die Folgen des Klimawandels und einen zunehmenden Wasserbedarf im Grundwassermanagement zu steigern (Ibisch et al. 2016; Upmanu Lall et al. 2020; Scheihing et al. 2022b). An diesem Beispiel wird deutlich, dass die Anstrengung regionale hydrologische und hydrogeologische Modelle zu entwickeln, interinstitutionell getragen werden und mit der Entwicklung einer gemeinsamen Datenpolitik einhergehen sollte, die einen unkomplizierten Datenaustausch ermöglicht. Als Antwort auf die wachsenden Herausforderungen im Bereich des Wasserversorgungsmanagements, werden daher auf interinstitutioneller Ebene neue Strukturen wachsen müssen, um dem Anspruch einer kontinuierlichen und institutionsübergreifenden Modellentwicklung, -aktualisierung und Informationsbereitstellung zwischen relevanten Akteuren gerecht zu werden.

Unser Fallbeispiel Ostfriesland legt nahe, dass es veränderte Rahmenbedingungen der Wasserbewirtschaftung unter Einflüssen des globalen Wandels ratsam machen können, für vulnerable wasserwirtschaftliche Regionen dauerhaft etablierte, gekoppelte Oberflächen- und Grundwassermodelle zu entwickeln. Diese sollten sukzessive in ihrem Umfang und ihrer Detailschärfe weitergeführt und weiterentwickelt werden, um als Planungswerkzeuge in der wasserwirtschaftlichen Praxis eingesetzt werden zu können (Gorelick und Zheng 2015). Solche Modelle sind nötig, um die unterschiedlichen wasserwirtschaftlichen Akteure und Vorhaben auf regionaler Ebene im Sinne einer nachhaltigen gesellschaftlichen Entwicklung abzustimmen. In diesem Kontext kann der vorliegende Fall als orientierendes Beispiel für die Ansätze, Chancen und Herausforderungen anderer Modellentwicklungsvorhaben dienen.