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Aktuelles: Vernässungsdiskussion im Hessischen Ried: Wie wird die Infiltration gesteuert?
Geschrieben am 09.03.11  Optionen: Druckversion Artikel versenden

Steuerung InfiltrationDie Grundwasseranreicherung wird hochflexibel und angepasst an die wechselnden Grundwasserstände betrieben. Welche Grundlagen und welche Schritte erforderlich sind, wird ebenso beschrieben, wie die sichtbaren Erfolge.




1.    Nach Grundwasserständen gesteuerte Infiltration

Der Infiltrationsbetrieb unterscheidet sich grundsätzlich vom Entnahmebetrieb für die öffentliche Trinkwasserversorgung. Die öffentlichen Entnahmen erfolgen dauerhaft und schwanken dabei um  ca. -10% an Wintertagen bis +80% an heißen Sommertagen um den Mittelwert. Demgegenüber weist der Infiltrationsbetrieb regelmäßig längere Stillstandszeiten und um ein Vielfaches höhere Schwankungen auf. Dieser hochgradig variable Infiltrationsbetrieb ist erforderlich, um bei den dominanten und enormen Schwankungen der natürlichen Grundwasserneubildung, die vom Grundwasserbewirtschaftungsplan und den Infiltrationsbescheiden vorgegebenen Grundwasserstandsziele erreichen zu können. Die Bandbreite für die Infiltration kann nach den bisherigen Erfahrungen dabei von Null in mehrere Monate langen Stillstandszeiten bis über + 200% um den Mittelwert schwanken. Das aufbereitete Wasser wird vorwiegend über große Bohrungen in den Untergrund infiltriert (Abb. 1), nur geringe Anteile versickern in offenen Gräben.

Grundwasserstand nahe Allmendfeld

Abb.1: Infiltrationsorgan, aufgelöste Bauform  Bild größer

© Hessenwasser  2011

Aufgabe der Infiltrationssteuerung ist es, die Grundwasserstände soweit es möglich ist, innerhalb des Bewirtschaftungsbandes zu halten, das über die behördlichen Grundwasserstandsvorgaben und die natürlichen Schwankungsbreite abgegrenzt ist. 

Soweit es im Rahmen der begrenzten Möglichkeiten erforderlich ist, werden dabei die variablen anderen Einflüsse auf die Grundwasserstände abgemildert. Dafür ist eine zeitnahe Steuerung erforderlich, weil sich die witterungsbedingten Rahmenbedingungen von einem Trocken- in ein Nassjahr und umgekehrt, innerhalb weniger Monate grundlegend rasch verändern. Beispiele sind die Jahre 2003 und 2010.

Daher ist eine Steuerung nach monatlich gemessenen Grundwasserständen erforderlich, weil sich nur in den Wasserständen wirklich alle unterschiedlichen Einflüsse auf die Grundwasserstandsentwicklung in Echtzeit und entsprechend der realen standörtlich variablen Wirkungszusammenhängen abbilden lassen. Auch neue oder kurzzeitige Einflüsse unbekannter Herkunft werden über die Grundwasserstände in ihren Auswirkungen mit erfasst.

Zu den Rahmenbedingungen gehören z.B. örtlich unterschiedliche Grundwasserflurabstände und dadurch bedingte unterschiedlich lange Reaktionszeiten der Grundwasserstände, Einflüsse aus dem Untergrundaufbau, wie örtliche Stauwirkungen durch Tonschichten sowie die Reichweite von Absenkungen bzw. Aufspiegelungen. Weitere Rahmenbedingungen sind die Höhe bzw. das Ausbleiben der natürlichen Grundwasserneubildung als weitaus stärkstem Faktor, danach die Summe aller Entnahmen als nächstgrößerer Faktor. Die Infiltration bildet in dieser Reihe mit weitem Abstand in der Menge den kleinsten Faktor (vgl. Artikel Juli 2010).

Die gemäß Wasserrechtsbescheiden, Grundwasserbewirtschaftungsplan und Betriebsregelement einzuhaltenden Grundwasserstandsvorgaben wurden im Beitrag zu den Abschaltwerten erläutert. Wichtigste Grundlage ist der Richtwert mittlerer Grundwasserstände, der aus den Konfliktabwägungen des Grundwasserbewirtschaftungsplans das Grundwasserstandsniveau vorgibt, um den sich die Wasserstände entsprechend der natürlichen Schwankungsbreite bewegen. Der untere Grenzgrundwasserstand bildet die untere Grenze, die durch zu hohe Entnahmen in Trockenperioden nicht unterschritten werden darf. Spiegelbildlich dazu über dem Richtwert liegt die Oberlinie des unvermeidbaren Bewirtschaftungsbands. Darunter liegen die Abschaltwerte, die verpflichtend verhindern, dass bei hohen Grundwasserständen weiter infiltriert wird.


Grundwasserstandsvorgaben des Bewirtschaftungsplans

Abb. 2: Grundwasserstandsentwicklung zwischen Oktober 2009 und Oktober 2010 innerhalb, wie außerhalb des Einflussbereiches der Infiltration. Plan als PDF-Datei
© Hessenwasser 2011
2.    Grundlagenarbeiten und Mengenbestimmung

Grundlage für die fundierte und vorausschauende Infiltrationssteuerung des WHR ist die aktuelle Kenntnis der Grundwasserstandsentwicklung innerhalb, wie außerhalb des Infiltrationseinflusses. Diese wird monatlich an ca. 850 Grundwassermessstellen zwischen Lampertheim und Groß-Gerau sowie Bergstrasse und Rhein gemessen. Die erforderlichen Daten werden zwischen vielen Institutionen ausgetauscht. (Partner von Grundwasser-Online) und im Rahmen des hydrologischen Monitorings vom WHR durch die Betriebsführung Hessenwasser wasserwirtschaftlich ausgewertet und bewertet. Zu den Auswertungen der Grundwasserstände gehören Zeitreihenanalysen, wie Grundwasserstandsganglinien, flächenhafte Auswertungen wie Grundwasserflurabstandspläne und statistische Auswertungen von aktuellen Niederschlags- und Sicherwassermessungen sowie die Betriebsdaten der Infiltration und soweit verfügbar der Entnahmen. Ferner werden Korrelationsanalysen für die Vergangenheit und eine Prognose der weiteren Entwicklung erarbeitet.  Mit diesen aufwändigen Grundlagen erfolgt die fundierte Bestimmung der Infiltrationsmengen für die weitere Steuerung sowie deren teilräumliche Aufteilung. Monatliche Anpassungen gewährleisten ständige Aktualität.

Abbildung 2 (Plan als PDF-Datei, 1,4 MB) zeigt als ein Beispiel für die flächenhaften Auswertungen einen Grundwasserstandsvergleich zwischen Oktober 2010 und Oktober 2009. Blaue Farben markieren einen Grundwasseranstieg, hellgelbe Farben einen Rückgang. Diese Entwicklung wird anhand der Grundlagen interpretiert und Schlüsse für die weitere Infiltration abgeleitet.

Aus dieser Auswertung von Messwerten ist zu erkennen, dass im Umfeld der Infiltrationsanlagen nur ein geringer Grundwasseranstieg, teilweise sogar ein Rückgang stattgefunden hat. Die ab Juli 2010 vorgenommene Eindrosselung der Infiltration war somit bis Oktober bereits in den Infiltrationsbereichen wirksam und von der Menge her angemessen. Starke Grundwasseranstiege sind in Gebieten mit geringen Flurabständen und entlang des Rheins zu erkennen. Insbesondere hier, aber auch flächendeckend haben die natürlichen Einflüsse den deutlichen Grundwasseranstieg bewirkt. Aber in den Infiltrationsbereichen wurde dieser Anstieg durch entsprechend gedrosselte Infiltration abgeschwächt.

Die Mengenbestimmung startet stets mit einer Basisermittlung und es folgt eine Anpassung gemäß der aktuellen Situation und Prognose. Die Basismenge für mittlere Verhältnisse und damit für mittlere Richtwerte wurde für jeden einzelnen Infiltrationsbereich über Grundwassermodellberechnungen in den Wasserrechtsverfahren ermittelt. Diese Menge wird zeitlich entsprechend der voraussichtlichen Betriebszeit, also ohne den jährlichen Revisionszeitraum (meist im Januar/Februar) verteilt. Sodann erfolgen mehrere Anpassungsschritte:
  1. Liegen die Grundwasserstände über dem Richtwert wird die Menge vermindert, umso mehr, je höher der Grundwasserstand liegt. Nahe am Abschaltwert wird die Menge auf Null reduziert. Umgekehrt wird bei Grundwasserständen unterhalb des Richtwerts ein Aufschlag vorgenommen und bei Annäherung an den unteren Grenzgrundwasserstand die Infiltration maximiert.
  2. Wird bei den geplanten Entnahmemengen ein Rückgang erwartet, so findet bilanzneutral eine entsprechende Verminderung der Infiltrationsmenge statt. Wird eine höhere Entnahme erwartet, dann wird die Infiltrationsmenge bilanzneutral erhöht.
  3. Wird von der jahreszeitlichen oder witterungsbedingten Entwicklung her ein wesentlicher Anstieg der Grundwasserstände erwartet, wird die Infiltrationsmenge entsprechend angepasst, wie auch bei der Prognose wesentlich sinkender Wasserstände.
  4. Entsprechend der örtlichen besonderen Gegebenheiten jedes Teilraums (Infiltrationsbereich bis Einzelorgan) werden die Mengen räumlich und zeitlich unterschiedlich und flexibel auf die einzelnen Anlagenteile verteilt und eingesteuert.
  5. Mit den Messwerten des Folgemonats wird eine Verifizierung der Steuerung vorgenommen und die Grundlagen für deren Fortschreibung gelegt. Die Infiltrationssteuerung im Rahmen der Grundwasserbewirtschaftung und die Erfolgskontrolle im Rahmen des übergreifenden Grundwassermonitorings bilden einen Regelkreis.
Daneben sind noch weitere Faktoren zu berücksichtigen. Beispielswiese führt der Vorrang der landwirtschaftlichen Beregnung vor der Infiltration im Frühjahr und Sommer zeitweise zu Einschränkungen im Infiltrationsbetrieb, die wieder ausgeglichen werden.

3.    Infiltrationsbetrieb und seitherige Erfahrungen

Der vom Betriebsreglement und den Wasserrechtsbescheiden vorgegebene Infiltrationsbetrieb ist in diesen Grenzen hochgradig variabel und wird sowohl intern, als auch von den Aufsichtsbehörden intensiv überwacht. Abbildung 3 zeigt die starke monatliche Varianz der Infiltrationsmengen (grüne Säulen) gegenläufig und abmildernd zur Grundwasserstandsentwicklung (blaue Perlenschnur) am Beispiel des Infiltrationsbereichs Eschollbrücken/Pfungstadt und der Grundwassermessstelle 527150 in der Südgemarkung Griesheim. 2003 bis 2010 konnte durch die Infiltrationssteuerung der Grundwasserstand ca. +/-0,5 m um den Richtwert stabilisiert werden. Erst der extrem nasse Dezember brachte dann bis Januar 2011 einen Anstieg bis zum Abschaltwert. Entsprechend dem Betriebsregelement erfolgte die Außerbetriebnahme unterhalb der Hochstände des Jahrs 2001. Der untere Grenzgrundwasserstand wurde seit 1993 nicht mehr erreicht. Dies ist zum Einen auf die angemessene Infiltration zurückzuführen und zum Anderen darauf, dass in diesem Zeitraum keine mehrjährige Trockenperiode mehr aufgetreten ist. Infolge des Trockenjahrs 2003 wurden 2004 überdurchschnittliche Mengen infiltriert, in den Feuchtjahren 2008 und 2010 verringerte Mengen.


Grundwasserwasserstand östlich Geinsheim

Abb. 3: Beispiel für Grundwasserstandsentwicklung und Infiltrationssteuerung  Bild größer
© Hessenwasser 2011
Aus den Erfahrungen seit 1990 hat sich die grundwasserstandsgesteuerte Infiltration für die integrierte Grundwasserbewirtschaftung hervorragend bewährt. Alle Auflagen konnten sicher eingehalten werden. Nach über 20 Jahren liegen tiefgehende Betriebserfahrungen vor, die einen sichern Infiltrationsbetrieb und damit eine umweltverträgliche Wasserversorgung unter Erfüllung des Bewirtschaftungsplans gewährleisten. Gleichzeitig bestätigen die langjährig gemessenen Mittelwerte eindrucksvoll die Grundwassermodellberechnungen.

Der variable Infiltrationsbetrieb kann die natürlichen klimatischen Extreme nicht vollständig kompensieren, aber abmildern. Natürliche Vernässungsgefahren und hohe Grundwasserstände, wie im Januar 2011, die zyklisch immer wieder auftreten werden nicht durch die Infiltration verstärkt (Abschaltwerte) und können durch diese auch nicht verhindert werden. Infiltration kostet Geld, schon von daher wird nicht mehr infiltriert, als es vom Bewirtschaftungsplan her gefordert ist. Ein an die natürlichen Schwankungen angepasster Infiltrationsbetrieb wird anhand der Steuerung durch Grundwasserstände gewährleistet und zu tiefe Grundwasserstände im Einflussbereich der Infiltration werden sicher verhindert.

Stetig begleitet wird die Grundwasseranreicherung von einem aufwändigen Steuerungsmanagement des WHR und intensiven Kontrollen, auch durch die Aufsichtsbehörde.


Hessenwasser GmbH & Co. KG
Betriebsführung Wasserverband Hessisches Ried
Volker Manger


 

 

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