Abschätzung der Zuströmbereiche mit GIS-basierten Werkzeugen

Die Zuströmbereiche sind ein wichtiges planerisches Instrument, um Massnahmen gegen Grundwasserverunreinigungen am richtigen Ort umzusetzen und künftige Verunreinigungen zu verhindern. Der Zuströmbereich umfasst jenen Bereich innerhalb des Fassungseinzugsgebiets, in dem der grösste Teil des zur Grundwasserfassung zuströmenden Wassers neu gebildet wird. Seit seiner Einführung in der Gewässerschutzverordnung (GSchV) von 1998 sind nur wenige Bestrebungen unternommen worden, Zuströmbereiche in der Schweiz auszuscheiden. So dürften in den letzten 25 Jahren lediglich deren 60 (Stand 2020) ermittelt worden sein [1].

Ums Jahr 2019 ist der Zuströmbereich durch den weitverbreiteten Nachweis von Chlorothalonil-Metaboliten bei Grundwasserproben in den Fokus der politischen Diskussion gerückt. Geht es nach der ständerätlichen Motion Zanetti 20.3625 «Wirksamer Trinkwasserschutz durch Bestimmung der Zuströmbreiche», müssten in der Schweiz bis 2035 zahlreiche Zuströmbereiche für verunreinigte Trinkwasserfassungen, für Trinkwasserfassungen mit konkreten Gefahren einer Wasserverschmutzung oder für Trinkwasserfassungen von regionaler Bedeutung ausgeschieden werden [2]. Die konkrete Umsetzung dieser Motion, d. h. die Formulierung der Bestimmungen im Gewässerschutzgesetz, ist noch in Arbeit. Das Bundesamt für Umwelt (BAFU) weist auf Anfrage darauf hin, dass die Frist im Motionstext voraussichtlich verlängert wird. Das Bundesamt schätzt, dass schweizweit voraussichtlich ca. 1500 Zuströmbereiche notwendig sein werden. Im Kanton Bern ist somit zu erwarten, dass rund 200 bis 300 Zuströmbereiche bestimmt werden. Die Notwendigkeit zu deren Ausscheidung wird zudem durch eine neue, per 1. Februar 2023 in Kraft getretene Bestimmung im Gewässerschutzgesetz (Art. 27 GSchG) bekräftigt. Diese besagt, dass im Zuströmbereich von Trinkwasserfassungen nur Pflanzenschutzmittel eingesetzt werden dürfen, deren Verwendung im Grundwasser nicht zu Konzentrationen von Wirkstoffen und Abbauprodukten über 0,1 µg/l führen.

Wie soll der Kanton Bern einige Hundert Zuströmbereiche zeitnah bemessen? Welche Vorgehensweise drängt sich auf, wenn zu dem betroffenen Grundwasservorkommen kein numerisches Grundwassermodell zur Verfügung steht? Diese grosse Herausforderung gab Anlass, eine einheitliche, effiziente und auf die bestehenden Kenntnisse der hydrogeologischen Gegebenheiten abgestützte Methode zu entwickeln.

Ansätze für die Bemessung von Zuströmbereichen

Nach Einführung des Zuströmbereichs als planerisches Element des Grundwasserschutzes (zur Vorgeschichte siehe Referenz [3]) wurden Grundlagen für dessen Bemessung zusammengetragen und entsprechende Arbeitshilfen erstellt [4–8]. Die konzeptuellen Ansätze haben sich in den vergangenen 25 Jahren nicht grundlegend geändert. Wesentliche Fortschritte sind jedoch bei der Anwendbarkeit numerischer Grundwassermodelle zur Berechnung von Zuströmbereichen erzielt worden. Der Kanton Bern hat in den vergangen 3 Jahren mittels bestehender Modelle der Grundwasservorkommen Seeland und Emmental die Zuströmbereiche von ca. 30 Trinkwasserbezugsorten bemessen können. Praktisch unberücksichtigt blieben dabei hingegen die zahlreichen Fassungen, deren Einzugsgebiete nicht durch ein Modell abgedeckt sind. In solchen Fällen können bereits einfache Ansätze zu einer groben Bemessung des Zuströmbereichs beitragen. Zu diesen gehören graphische und analytische Ansätze, welche erlauben, in Kombination mit einer Wasserbilanzierung und den Kenntnissen über die lokalen hydrogeologischen Randbedingungen die äussere Begrenzung des Zuströmbereichs festzulegen. Das im vorliegenden Artikel präsentierte Werkzeug basiert auf solchen graphisch-analytischen Ansätzen.

Im Jahr 2022 wurde die Plattform «Grundwasserschutz» ins Leben gerufen. Sie wird im Auftrag der Abteilung Wasser des BAFU durch das Zentrum für Hydrogeologie und Geothermie der Universität Neuenburg (CHYN) geführt. Eines der Ziele der Plattform ist die Erarbeitung von pragmatischen und wissenschaftlich robusten Methoden zur Bemessung von Zuströmbereichen. Entsprechende Empfehlungen an die Kantone sollen den Vollzug vereinheitlichen und auf den aktuellen Stand der Technik bringen ([9]; siehe auch Box am Ende des Artikels). Die hier vorgestellte Methode – bei deren Entwicklung die Plattform «Grundwasserschutz» in der Begleitgruppe vertreten war – versteht sich somit auch als ergänzenden Beitrag zur Inventarisierung und Evaluation möglicher Bemessungs­methoden.

FOWA-Projekt

Seit 2019 gibt es wegen flächendeckender Befunde von Grundwasserbelastungen durch Rückstände des Fungizids Chloro­thalonil in landwirtschaftlich intensiv genutzten Gebieten den politischen Auftrag, die Zuströmbereiche von Trinkwasserfassungen im Kanton Bern auszuscheiden. Infolgedessen initiierte das Amt für Wasser und Abfall des Kantons Bern (AWA) in Zusammenarbeit mit der Geotechnischen Institut AG, Bern, ein Projekt mit dem Ziel, eine GIS-basierte Methode zu entwickeln zur möglichst effizienten und einheitlichen Bestimmung von Zuströmbereichen. Die Bemessung soll sich auf vorhandene Kenntnisse der örtlichen hydrogeologischen Gegebenheiten sowie auf eine generelle Annahme zur Verteilung der Grundwasserspeisung im Einzugsgebiet von Fassungen oder Quellen abstützen. Das Werkzeug soll primär dann zum Einsatz gelangen, wenn das zu untersuchende Grundwassergebiet nicht durch ein numerisches Modell abgedeckt ist, was für eine Mehrheit der Fassungen und Quellen zutrifft. Mit einer Zusatzfinanzierung durch den SVGW-Forschungsfonds FOWA konnte die Entwicklung dieser GIS-basierten Anwendung vorangetrieben und in Pilotprojekten getestet werden. Bisher geprüft wurde die Methode bei Fassungen in Talgrundwasserleitern und bei Quellen im Berner Seeland. Bei den Fassungen im Talgrundwasserleiter lagen die mittels numerischem Grundwassermodell bemessenen Zuströmbereiche vor, so dass ein Vergleich der Ergebnisse der beiden Methoden vorgenommen werden konnte.

Die Arbeiten des FOWA-Projektes wurden Mitte 2022 aufgenommen. Die Plattform «Grundwasserschutz» sowie der SVGW wurden in das Projekt eingebunden, um einen Know-how-Austausch zu gewährleisten. Nachfolgend wird das GIS-basierte Werkzeug in seinen Grundzügen vorgestellt sowie die Bemessung des Zuströmbereichs bei einer Trinkwasserfassung im Berner Seeland aufgezeigt.

ENTWICKLUNG DES WeRKZEUGS

Konzeptuelle hydrogeologische Modellbildung

Unabhängig von der verwendeten Bemessungsmethode gilt es zunächst, das hydrogeologische System zu verstehen und zu charakterisieren. Die Wasserbilanzen und die Einflussgrössen für die Speisung der Fassung oder Quelle müssen bekannt sein. Figur 1 zeigt schematisch die Situation einer Fassung, die Grundwasser aus einem Talaquifer bezieht. Zur Speisung der Fassung tragen verschiedene Grundwasserzuflüsse bei:

• die direkte Grundwasserneubildung durch Versickerung von Niederschlag,
• die Grundwasserneubildung durch Infiltration von Flusswasser und
• allfällige Zuflüsse aus anderen Grundwasservorkommen.

Geschmälert wird die Speisung der Fassung durch Grundwasserwegflüsse, z. B. wenn Grundwasser aus dem Grundwasserkörper in ein Oberflächengewässer exfiltriert, oder durch weitere Grundwasserabflüsse wie Quellaufstösse, Drainagen bzw. anderweitige konsumtive Entnahmen (z. B. Bewässerung, Brauchwassernutzung etc.) dem System entnommen wird.

Diese Einflussgrössen bestimmen neben der Entnahmeleistung der Fassung die Wasserbilanz und erlauben eine überschlagsmässige Berechnung des Flächenbedarfs für das Fassungseinzugsgebiet (A_FEG) als Grundlage für die Ermittlung des Zuströmbereichs.

Grundwasserfluss und Entnahmeanteil

Nach der konzeptionellen Modellbildung müssen die hydrogeologischen Prozesse genauer analysiert und quantifiziert werden. Gemäss GSchV umfasst der Zuströmbereich das Gebiet, aus dem etwa 90% des Grundwassers stammt, das bei einer Fassung höchstens entnommen werden darf. Grundsätzlich lässt sich die Fläche bei bekannter Grundwasserfliessrichtung relativ einfach herleiten: Fliesst ein Wasserpaket zur Fassung, gehört das Gebiet, aus dem es stammt, potenziell zum Zuströmbereich, fliesst es an der Fassung vorbei oder verlässt auf anderem Weg das System, gehört es nicht zum Zuströmbereich. Potenziell, weil gemäss Definition nicht alles Grundwasser, sondern nur 90%, zum Zuströmbereich gezählt werden.

Der Grundwasseranteil, der in die Fassung fliesst, wird im Rahmen der vorliegenden Methode Entnahmeanteil (EA) genannt. Er kann als Wahrscheinlichkeit interpretiert werden, mit der ein Wasserpaket von einer bestimmten Stelle im Fassungseinzugsgebiet nach längerer Zeit in der Grundwasserfassung dem System entnommen wird.

Speisungsbeitrag und Bilanzierung

Wird die Grundwasserneubildung mit dem Entnahmeanteil multipliziert, ergibt sich die absolute Menge an Wasser, die von einem bestimmten Punkt im Fassungseinzugsgebiet stammend in der Fassung entnommen wird. Dieser Wert wird auch Speisungsbeitrag genannt. Eine Summe über das gesamte Einzugsgebiet ergibt eine theoretische Zuflussmenge (Q ^Z) zur Fassung. Diese theoretische Zuflussmenge sollte der tatsächlichen Bemessungswassermenge (Q ^B) entsprechen. In Gleichung 1 ist die Bilanzierung zusammengefasst.

Gl. 1: Bilanzierung über Speisungsbeiträge

Dabei wird das Fassungseinzugsgebiet in N Teilflächen (Pixel) mit dem Flächeninhalt ∆A aufgeteilt. Für jede Teilfläche i wird der Speisungsbeitrag ausgehend von dem Entnahmeanteil (EA_i) und der Grundwasserneubildung (G_i ) ¹ dieser Teilfläche berechnet. Schliesslich werden die Speisungsbeiträge aller N Teilflächen summiert.

Diese Art der Bilanzierung stellt kein neues Konzept dar. Sie ist vielmehr ein zentraler Verfahrensschritt in der «Praxishilfe zur Bemessung des Zuströmbereichs Z_U» [8], die vom BAFU im Jahr 2005 veröffentlicht wurde. Es drängen sich jedoch an dieser Stelle wichtige Fragen auf: Was passiert, wenn die theoretische Zuflussmenge nicht der tatsächlichen Bemessungsmenge entspricht? Worauf beruht der Speisungsbeitrag respektive wie lässt er sich im Detail berechnen? Und was ist der Kern der vorgestellten Methode?

Der Ansatz der GIS-basierten Methode

Dreh- und Angelpunkt zur Beantwortung der obigen Fragen ist der Entnahmeanteil. Er ist in der Praxis unbekannt und kann auch nicht experimentell bestimmt werden. Der Entnahmeanteil muss daher anhand von Kenntnissen zu Fliesspfaden berechnet oder geschätzt werden. Dazu stellt die hier vorgestellte Methode eine mathematische Funktion bereit, welche die Verteilung der Entnahmeanteile der einzelnen Teilflächen umschreibt. Falls die Grundwasserbilanz nicht aufgeht, muss diese angenommene Verteilung solange angepasst werden, bis die Bilanz aufgeht. Dazu stehen dem Anwender mehrere freie Parameter zur Verfügung, mittels derer Form und Grösse des Entnahmeanteils verändert werden können. Dieser Vorgang wird im Kontext der vorliegenden Methode auch Kalibration genannt.

Das Herzstück: Die Verteilung der Entnahmeanteile

Die geschätzte Verteilung der Entnahmeanteile stellt das eigentliche Herzstück der Methode dar. Wie bereits erwähnt kann der Entnahmeanteil als Wahrscheinlichkeit interpretiert werden, mit der ein an einer bestimmten Position neu gebildetes Grundwasserpaket in die zu untersuchende Fassung fliesst. Nachfolgend wird der Aufbau der GIS-basierten Methode im Detail beschrieben. Die Konstruktion beruht auf einer Kombination einfacher mathematischer Funktionen. Bei der Wahl geeigneter Funktionen ist man nicht ganz frei, die geschätzte Verteilung der Entnahmeanteile sollte schliesslich möglichst realitätsnahe Resultate liefern. Wichtig ist die Beschränkung des Wertebereichs des Entnahmeanteils auf das Intervall 0 ≤ EA ≤ 1, denn nicht weniger als kein Wasser und nicht mehr als alles Wasser kann aus einem bestimmten Gebiet zur Fassung fliessen. Weiter beruht die Wahl auf hydrogeologischen Kenntnissen. Im Lockergestein ist das etwa der in der Natur beobachtete Absenktrichter, der dazu führt, dass Wasser auch von Positionen grundwasserstromabwärts zur Fassung gelangen kann. Schlussendlich wurden bei der Konstruktion Vergleiche zu numerischen Modellen herangezogen. Nachfolgend wird die Konstruktion des Entnahmeanteils mit zunehmender hydrogeologischer Komplexität veranschaulicht.

Betrachtet wird zunächst ein verhältnismässig einfacher Grundwasserstrom (Fig. 2). Die Koordinaten beziehen sich auf die Distanz zur Fassung, die Fassung liegt dementsprechend am Koordinaten-Ursprung. Das Grundwasser fliesst entlang der X-Achse (Achsenbeschriftung dl in Fig. 2) von rechts nach links. X-Koordinaten kleiner als 0 liegen im Abstrom der Fassung, während X-Koordinaten grösser als 0 oberhalb liegen. Die Verteilung der Entnahmeanteile ist ebenfalls in diese zwei Abschnitte geteilt. Im Abstrom wird der Entnahmeanteil in Analogie zum Absenktrichter einer Grundwasserfassung im Lockergestein radial zum Ursprung modelliert. Bei Quellfassungen liegt dieser Teil ausserhalb vom Fassungseinzugsgebiet und kommt daher nicht zum Tragen. Im Zustrom beruht die Konstruktion transversal (entlang der Y-Achse) auf einer glockenförmigen Abnahme. Diese transversale Glockenkurve wird multipliziert mit einer longitudinalen exponentiellen Abnahme. Dahinter steckt die Idee, dass mit zunehmender Distanz zur Fassung die Wahrscheinlichkeit sinkt, dass ein Grundwasserpaket in die Fassung gelangt. Als letztes Kriterium kann die transversale Glockenkurve mit zunehmender longitudinaler Distanz verbreitert werden.

In Gleichung 2 sind die mathematischen Funktionen zusammengefasst, die zur Schätzung des Entnahmeanteils herangezogen werden:

Gl. 2: Mathematische Funktionen für die Abschätzung der Verteilung der Entnahmeanteile H (H steht für Hilfsfunktion und wird anstelle von EA verwendet, weil mit den angegebenen Gleichungen noch nicht die definitiven Entnahmeanteile bestimmbar sind).

In den Gleichungen wird der berechnete Entnahmeanteil als H für Hilfsfunktion abgekürzt, da der definitive Entnahmeanteil EA erst nach der Betrachtung von Drittentnahmen bestimmt werden kann (vgl. Kap. «Erweiterungen für allgemeine hydrogeologische Situationen»). Die Parameter d_l und d_q sind Distanzen längs und quer zum Hauptstrom. Im einfachen in Figur 2 gezeigten Fall entspricht die Distanz längs der X-Koordinate, die Distanz quer hingegen der Y-Koordinate. Die mathematische Schätzfunktion enthält vier freie Parameter (α, β, γ, δ), mittels derer die Funktion angepasst werden kann.

Figur 3 visualisiert die verwendeten Funktionen aus Gleichung 2 in einer dreidimensionalen Darstellung. Zu sehen ist die exponentielle Abnahme des Entnahmeanteils mit zunehmender Distanz zur Fassung (rote Linie). Weiter sind transversale Glockenkurven (schwarze Linien) in unterschiedlichen Abständen von der Fassung ersichtlich. Mit zunehmender Distanz zur Fassung wird die Glockenkurve breiter. Der in dieser Arbeit geschätzte Entnahmeanteil als Kombination von transversaler Glockenkurve und longitudinaler exponentieller Abnahme stellt eine gute Annäherung dar, wie der Vergleich mit dem Entnahmeanteil für eine Trinkwasserfassung im Emmental zeigt, der aus einem instationären numerischen Modell hergeleitet wurde. In Figur 4 ist eine Wahrscheinlichkeitsverteilung für Wasserpakete dargestellt, die zur Fassung am Koordinatenursprung strömen. Mit zunehmender Distanz zur Fassung wird die Wahrscheinlichkeit kleiner, dass Wasserpakete zur Fassung gelangen. Einerseits werden die Glockenkurven mit grösserer Distanz zur Fassung breiter (Fig. 4A) andererseits nimmt die Wahrscheinlichkeit mehrheitlich exponentiell ab (Fig. 4B).