Wasserspeicherung durch gezielte Versickerung im Boden

Mithilfe der Frankfurter Brücken können über zwei Millionen Kubikmeter Wasser gesammelt werden. Da oberflächennahe Speicherkapazitäten in der Stadt aus Platzmangel sehr begrenzt sind, wird im Zuge des Projektes die Versickerung dieses Wassers in den Grundwasserkörper angestrebt. So können große Wassermengen aus Niederschlägen oder aus Baugruben gesammelt, gezielt versickert und bei Bedarf wieder entnommen werden. Die vorliegende Grundwasser-Modellierung ist für stadtnahe Gebiete vorgenommen worden und auf die unbedingt benötigten 600.000 Kubikmeter Wasser begrenzt worden. Durch das Hinzunehmen weiterer, etwas entfernter liegender Versickerungsareale, die von den Brückenarmen erreicht werden, könnten ersten Abschätzungen zufolge auch die gesamten zwei Millionen Kubikmeter gesammelten Wassers versickert bzw. gespeichert werden.

Inhalt: 600.000 Kubikmeter Wasser können stadtnah im Grundwasser gespeichert werden

Diese enormen Mengen können unter bestimmten Voraussetzungen stadtnah in das Grundwasser hinein versickert werden und den Grundwasserkörper soweit anreichern, dass man diesem auch wieder Wasser entnehmen darf.

Im Folgenden wird erläutert, welche Qualitätsstandards des Bodens erfüllt sein müssen, um in das Grundwasser hinein versickern zu dürfen.

Für die Frankfurter Brücken wurden potenzielle stadtnahe Versickerungsareale ausgewählt. Unter Berücksichtigung des bereits vorhandenen Grundwasserspiegels wurde mithilfe eines Grundwassermodells simuliert, um wie viel Zentimeter der Grundwasserspiegel bei bestimmten Versickerungsmengen steigt.

Voraussetzung für jegliche Anreicherung von Grundwasser ist eine gründliche spezielle Wasseraufbereitung. Zeitpunkt und Lokalität der Entnahme unterliegen ebenfalls einer strengen Regulierung durch die zuständigen Behörden.

Mithilfe der Brücken können über zwei Millionen Kubikmeter Wasser gesammelt werden – die Speicherung solcher Mengen stellt eine große Herausforderung dar

Um genügend Wasser zur Bewässerung zu haben, können mehrere Wasserquellen genutzt werden: Regenwasser kann aufgefangen, Grundwasser aus Baugruben gepumpt und Wasser aus dem Main entnommen werden, wenn dieser viel Wasser führt. Damit können sogar theoretisch mehr als die für die Bewässerung notwendigen 600.000 bis 800.000 Kubikmeter Wasser über das Jahr hinweg gesammelt werden. Doch wann genau wird es gebraucht? Wie lange muss man es speichern?

Die geplante Speicherkapazität wurde im Rahmen der Frankfurter Brücken darauf ausgelegt, alle in Frage kommende Grünflächen von April bis September bewässern zu können. Dabei ist bereits einkalkuliert, dass sich die Vegetationsperioden in Deutschland in den vergangenen Jahren um jeweils zwei Wochen nach vorne und hinten verlängert haben. Die Pflanzen beginnen also im Frühling früher auszutreiben und sind im Herbst länger belaubt. Dieser Trend wird sich vermutlich fortsetzen.

Ende März muss folglich ausreichend Wasser bereitstehen, damit stadtklimatisch kostbare Grünflächen und Bäume gegen potenzielle lange Trockenperioden abgesichert sind: eine Herkulesaufgabe.

Für solche Mengen an Gießwasser ist die Speicherung im Grundwasserkörper nachhaltiger als die Schaffung riesiger künstlicher Wasserspeicher

Grundsätzlich kommen mehrere Speicherarten in Frage: zum Beispiel große unterirdische Bauten (ähnlich den 11 Regenrückhaltebecken in Frankfurt), in denen Wasser gesammelt wird; oder Oberflächengewässer wie zum Beispiel stadtnahe Seen. Das Endstück eines Hafenbeckens am Main käme gegebenenfalls auch in Betracht.

Aber all diese Speicher wären mit einem großen Bauaufwand verbunden. Aufgrund des Platzmangels ist es überdies nicht leicht, im Frankfurter Stadtgebiet große Wasserspeicher bereitzustellen. Es gibt jedoch einen großen bereits existierenden Speicher, der direkt unter der Erde liegt: das Grundwasser.

Das Prinzip ist einfach: Das Wasser wird in das Grundwasser versickert. Dabei muss hinsichtlich der Qualität des eingeleiteten Wassers auf das gesetzlich vorgegebene Verschlechterungsverbot geachtet werden, das heißt: Durch Versickerung von Wasser in Grundwasser darf dessen Qualität sich nicht verschlechtern.

Unter Einhaltung aller Auflagen kann der „Grundwasserkörper“ durch Versickerung angereichert werden, und man kann bei Bedarf aus Brunnen in der Nähe wieder Wasser schöpfen, ohne dass der Grundwasserspiegel sinkt – ein Speicherungsprinzip, das ansonsten in Deutschland nur erlaubt ist, wenn sichergestellt werden kann, dass der Grundwasserspiegel nicht gefährdet wird.

So funktioniert auch die Trinkwasser-Gewinnung für Frankfurt im Hessischen Ried, und ähnlich wie dort können auch in Frankfurt Versickerungsgruben und Infiltrationsschächte stadtnah angelegt werden, zum Beispiel in städtischen Parks.

Durch Versickerung des Gießwassers wird der Grundwasserkörper angereichert

Am besten kann dort versickert werden, wo oberhalb des aktuellen Grundwasserspiegels noch eine ungesättigte Schicht im Boden existiert. Durch die Versickerung füllen sich nach und nach die Freiräume (Poren) zwischen den einzelnen Erd- und Gesteinsteilen in der ungesättigten Schicht. Der Grundwasserspiegel steigt. Sobald die Schicht vollkommen gesättigt ist, kann sie kein weiteres Wasser aufnehmen. Würde man weiterversickern, stünde der Boden dort bald unter Wasser.

Dabei bestimmt die Bodenbeschaffenheit das Versickerungspotenzial

Der entscheidende Faktor für die Eignung eines Gebietes für die Grundwasserspeicherung ist die „Dicke“ der wasserdurchlässigen Bodenschicht über dem Grundwasser, die Fachleute sprechen von „Mächtigkeit“ der „ungesättigten Zone“. Diese variiert innerhalb des Frankfurter Stadtgebiets: In Oberrad ist die ungesättigte Zone eher geringmächtig; das Grundwasser liegt dichter unter der Oberfläche. In Eschersheim hingegen ist die Zone mächtiger; das Grundwasser liegt tiefer.

Auch die Bodenbeschaffenheit ist innerhalb Frankfurts sehr unterschiedlich: Im Süden der Stadt ist der Boden sandig, im Norden eher lehmig. Entsprechend braucht das versickernde Wasser unterschiedlich lang, bis es das Grundwasser erreicht.

Der Boden darf nicht mit Altlasten kontaminiert sein

Denn diese würden sonst durch die Versickerungsprozesse in das Grundwasser gelangen. Damit entfallen einige Areale, die früher Gewerbegebiet waren (wie zum Beispiel der Riederwald) als potenzielle Versickerungsflächen, obwohl sie völlig sauber wirken.

Das Areal muss Platz für Wasseraufbereitung bieten

Wasser darf nur dann versickert werden, wenn seine Qualität nicht schlechter ist als die des darunterliegenden Grundwassers. Aber auch bei der Entnahme aus nächstgelegenen Brunnen muss es möglicherweise nochmal aufbereitet werden, bevor es wieder in die Ringleitung darf.

Der Boden muss wasserdurchlässig sein

Traditionell findet Wasserversickerung im Stadtwald im Frankfurter Süden statt, da dort der Boden sehr durchlässig ist. Nördlich vom Main hingegen stößt man recht schnell auf die Tonschicht, die in weiten Teilen unter Frankfurt liegt und das Versickern erschwert.

Der Boden muss ausreichend speicherfähig sein

Die ungesättigte Schicht im Boden muss mächtig genug sein, um ausreichend Grundwasser aufzunehmen, ohne dabei den Grundwasserspiegel derart steigen zu lassen, dass bestehende Gebäude oder Bäume gefährdet werden.

Für die Versickerung gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Varianten: Graben oder Schacht

Für stadtnahe Versickerung werden keine Parkanlagen oder Wiesen innerhalb der Stadt geflutet, sondern spezielle Versickerungsanlagen geschaffen:

Zum einen kann man Versickerungsgräben errichten. Diese lassen sich gut unter Spazierwegen verstecken.

Zum anderen gibt es die Möglichkeit, punktuell tieferreichende Infiltrationsschächte zu bauen.

Dabei kann man je nach Örtlichkeit wählen: Hat man genug Platz, wählt man Versickerungsgräben, während auf engem Raum die meist tieferen Infiltrationsschächte besser geeignet sind.

Hessenwasser GmbH & Co. KG/Regierungspräsidium Darmstadt

Erfolgt die Versickerung über abdeckbare Gräben in den Grundwasserspeicher hinein, wirken diese Gräben von außen wie gewöhnliche Spazierwege

Versickerungsgräben ermöglichen es, große Mengen Wasser bei möglichst geringem Platzbedarf langsam in den Boden zu leiten. Dazu werden sie mehrere Meter tief ausgehoben und anschließend mit Kies gefüllt. Das Wasser wird eingeleitet und füllt die Hohlräume zwischen den Kieselsteinen. Während es in der Grube steht, dringt es nach und nach in den Erdboden ein.

Um zu vermeiden, dass Personen über den Kies trampeln und auch um Verunreinigungen zu verhindern, werden die Versickerungsgräben abgedeckt. So werden sie fast unsichtbar und können als Spazierwege dienen.

Während die Frankfurter Bevölkerung also in den Grünanlagen über die Spazierwege flaniert und den Tag genießt, füllen sich unter ihren Füßen nach und nach die Grundwasserspeicher ihrer Stadt.

Risiken und Fragen bei der Versickerung von Wasser in Grundwasser müssen im Zuge der Vorplanungsphase der Frankfurter Brücken geklärt und von den Behörden geprüft werden

Bevor man in das Grundwasser versickern kann, sind wichtige Voraussetzungen zu klären:

1.Wo kann im Frankfurter Stadtgebiet bzw. stadtnah versickert werden? Wie ist die dortige Bodenqualität und Bodenbeschaffenheit?

2.Welcher Grad an Aufbereitung wird benötigt? Reinigung bis Trinkwasser-Qualität oder weniger?

3.In welchem lokalen Abstand von der Versickerungsquelle darf Wasserentnahme erfolgen?

4.In welchem zeitlichen Abstand von der Versickerungsquelle darf Wasserentnahme erfolgen?

Profis zu dem Thema

Untere Wasser- und Bodenschutzbehörde Frankfurt - Universität Heidelberg Institut für Geowissenschaften - Forschungsgruppe Hydrogeochemie und Hydrogeologie - Technische Universität Darmstadt Institut für Hydrogeologie - Hessenwasser nachhaltige Wasserversorgung - Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie

Unter Berücksichtigung der lokalen Bodenbeschaffenheiten und mithilfe eines vereinfachten Grundwassermodells wurden die Areale in Frankfurt identifiziert, in denen schätzungsweise bedenkenlos Wasser versickert werden kann

In dem vorliegenden Grundwassermodell wurden potenzielle Versickerungsorte für große Wassermengen identifiziert: Die Geologie und Grundwassersituation eines Areals sind ausschlaggebend dafür, welche Auswirkungen die Versickerung dort hat. Signifikante Mengen an Wasser können in einem Areal nur dann versickert werden, wenn der Pegel der dort betroffenen Grundwasserleiter noch nicht zu hoch ist und daher bei zusätzlicher Versickerung nur bis zu einem gewissen Maße ansteigt. Ansonsten besteht die Gefahr, dass ein zu hoher Grundwasserpegel Schäden an baulichen Elementen oder Pflanzen anrichtet.

In einem ersten Schritt wurden aus sämtlichen potenziellen Versickerungsflächen die geeigneten Areale selektiert und ungeeignete Areale ausgeschlossen

Potenzielle Park- und Grünflächen, in denen unter Spazierwegen versickert werden könnte, gäbe es durchaus im gesamten Stadtgebiet. Doch nicht alle sind für die Versickerung von großen Wassermengen geeignet.

Selektions-Parameter

1. Information über Belastung des Bodens

2. Relief des Projekt-Gebiets (Höhen-Profile)

3. Geologische Gegebenheiten (Ton, Sand, Gestein etc.), i.e. Wasserdurchlässigkeit und Speicherfähigkeit des Bodens

4. Aktueller Pegel des Grundwassers und entsprechender Anstieg bei Versickerung – nur identifizierbar mithilfe des Grundwassermodells

(1) Altlastenstandorte im Modellgebiet

Die ermittelten Altlastenstandorte schließen eine Nutzung als Versickerungsflächen aus, da dadurch die Qualität des Grundwassers beeinträchtigt werden würde.

(2) Das digitale Geländemodell verdeutlicht das Höhenprofil des Untersuchungsgebiets

Das digitale Geländemodell des Untersuchungsgebietes mit gesamtem Streckenverlauf der Brücke und dem Main.

Es gibt einen Eindruck über das Relief der Stadt und dient als Datengrundlage bei der Erstellung des 3D-Grundwassermodells. Die betrachteten Versickerungsgebiete sind zusätzlich in neongrün dargestellt.

(3) Die Quartärmächtigkeit (im Modellaufbau) indiziert die Wasserdurchlässigkeit und Speicherfähigkeit des Bodens

Die sogenannte „Quartärmächtigkeit“ beschreibt, wie dick die Schicht im Boden ist, die in der Lage ist, Grundwasser zu halten. Vereinfacht gesprochen: Je niedriger die Quartärmächtigkeit einer Stelle ist, desto „dünner“ ist der dortige Grundwasserleiter.

(4) Aktuelle Grundwasserstände sind wichtige Input-Parameter für das Grundwassermodell

Im 2D-Grundwassermodell lassen sich die aktuellen Grundwasserhöhen sehr differenziert herauslesen: Eine wichtige Grundlage, um die Versickerung von zusätzlichem Wasser zu simulieren.

Die Ausgangssituation der Grundwasser-Neubildung im Modellgebiet

Die Grundwasserneubildung wird als “Zugang von infiltriertem Wasser zum Grundwasser” (DIN 4049-3) definiert. Niedrige oder negative Grundwasserneubildung kann tendenziell mit viel Verdunstung in Verbindung gebracht werden, wohingegen hohe Grundwasser-Neubildungsraten auf vermehrte Grundwasseranreicherung hinweisen. Geeignete Versickerungsflächen hängen vor allem vom jeweiligen Untergrundaufbau und der Geländeversiegelung ab.

Versickerungsgebiete für die Frankfurter Brückenwelt tragen zusätzlich zur Grundwasser-Neubildung bei

In das Grundwassermodell fließen vorhandene Grundwasserneubildungen mit der Neubildung durch die Versickerungsflächen zusammen. Die Flächen, die sich besonders gut zur Versickerung eignen, sind: der Niddapark, Teile des Anlagenrings, der Rebstockpark, der Heinrich-Kraft-Park und der Stadtwald.

Vorgehensweise: Im Grundwassermodell wurden Grundwasserstände für das gesamte Modellgebiet vor und nach Versickerung durch die Frankfurter Brücken berechnet. Auch wenn die Modellierergebnisse nur eine erste Abschätzung sind, stellen sie eine wichtige Grundlage dar, bevor der Einfluss der Versickerung von zusätzlichem Wasser simuliert wird.

Ein Hydrogeologisches Strukturmodell dient der – stark vereinfachten – Analyse der Grundwasserdynamik

Mit Hilfe der - öffentlich verfügbaren – Bohrpunkte des digitalen Geländemodells wurde ein hydrogeologisches Strukturmodell räumlich (3D) interpoliert. Es bildet stark vereinfacht die wesentlichen hydrostratigraphischen Formationen des Quartärs und des Tertiärs ab.

Die Abbildung zeigt zudem das diskretisierte Netz der finiten Elemente, an deren Übergängen die Differentialgleichungen des Grundwasserflusses gelöst werden. An bekannten Entnahmebrunnen ist das Modellnetz feiner diskretisiert, um die dortige Grundwasserdynamik örtlich detaillierter darzustellen.

Das 3D-Grundwassermodell zeigt die aktuellen berechneten Grundwassergleichen (Höhenlinien der Grundwasserstände) im oberflächennahen quartären Grundwasserleiter

Das Grundwassermodell zeigt die Erhöhungen der Grundwasserstände nach der Versickerung von zusätzlichen 600.000 m³ Wasser pro Jahr

Durch die zusätzliche Versickerung ist eine großflächige Erhöhung der Grundwasserstände von lediglich 25 bis 50 Zentimetern zu erwarten. Das bedeutet, dass man stadtnah bis zu 600.000 Kubikmeter Wasser versickern kann, ohne die Bestandsgebäude oder Pflanzen zu beeinträchtigen. Wird das Modellgebiet erweitert, können bis zu zwei Millionen Kubikmeter Wasser in unmittelbarer Nähe von Frankfurt durch Versickerung gespeichert werden.

Profis zu dem Thema

Universität Leipzig Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement - Professur für Wassermanagement und Klimaanpassung - Universität Leipzig Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement - Professur für Wassermanagement und Klimaanpassung - Universität für Bodenkultur Wien Institut für Ingenieurbiologie und Landschaftsbau AG Nature-based Solutions - Universität Potsdam - Institut für Umweltwissenschaften und Geographie - AG Wasser- und Stofftransport in Landschaften - Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Sektion Geowissenschaften - AG Geohydromodellierung

Modellhafte Jahresbilanz der Versickerung und Bewässerung

Die untere Abbildung zeigt beispielhaft den Jahresgang der Versickerung und Bewässerung in einem idealisierten Jahr auf Basis eines Bewässerungsbedarfes von 600.000 m³/a. Die Bewässerung erfolgt über sechs Monate im Sommer und steigt mengenmäßig mit der Temperatur. Die Versickerung erfolgt ganzjährig und wurde hier anteilig aus langjährig ermittelten Monatsniederschlägen abgeschätzt. Die Gesamtbilanz ist Null.

Versickerung und Entnahme im jahreszeitlichen Verlauf

Werden die Versickerungs- und Bewässerungswerte kumulativ über das Jahr aufgetragen, kann der maximal erforderliche Speicher, in diesem Fall Grundwasservolumen, aus der größten Differenz beider Kurven zu einem bestimmten Zeitraum ermittelt werden. In diesem Beispiel (Bewässerungsmenge 600.000 m³) liegt das Maximum im August und September bei rund 150.000 m³. Für eine Bewässerungsmenge von 1.000.000 m³/a beträgt der erforderliche Speicher ca. 250.000 m³. Daraus kann gefolgert werden, dass selbst mit einer sehr hohen Sicherheit, für extreme Jahre, die 600.000 m³ Speicherkapazität des Grundwassers für die Bewässerungsbelange der Frankfurter Brücken und Parks ausreichend ist.

Eine Herausforderung: Die Festlegung der Entnahmeorte und Entnahmezeiten im Verhältnis zu Versickerungsort und -zeit

Zusätzlich lässt sich mithilfe des Modells die Strömung und Fließgeschwindigkeit des Grundwassers berechnen. So werden nicht nur die besten Versickerungsorte, sondern auch die besten Entnahmeorte für das Grundwasser bestimmt.

Idealerweise entnimmt man zeitnah wieder so viel Wasser, wie man zuvor versickert hat – also im Juli zum Beispiel das Wasser, das man im Februar hat versickern lassen.

Vor Versickerung in das Grundwasser muss das Wasser aus der Ringleitung gegebenenfalls ein weiteres Mal aufbereitet werden. Dies soll in Reinigungscontainern (wahrscheinlich mittels Aktivkohlefiltern) erfolgen.

Fazit: Im innenstadtnahen Gebiet kann mindestens 600.000 m³ Wasser durch Versickerung gespeichert werden

Mithilfe eines ersten groben Grundwassermodells konnte die Machbarkeit von Speicherung größerer Wassermengen durch Versickerung im Frankfurter Stadtgebiet abgeschätzt werden. Das Modell hat gezeigt, dass in ausgewählten Versickerungsarealen, die entlang der Frankfurter Brücken liegen, mindestens 600.000 m³ Wasser problemlos versickert werden kann, ohne dass der Grundwasserspiegel um mehr als 25 bis 50 cm steigt. Dieser Speicher ist für den Bewässerungsbedarf ausreichend.

Sobald der Bewässerungsbedarf durch Klimaveränderungen oder weitergehende Entsiegelungen mit Bepflanzung steigt, können im stadtnahen Umfeld weitere Versickerungsflächen identifiziert werden.

Das Ziel die Stadt wappnen

Die Wasserverteilung mit Brücken-Ringleitung

Regenwasser "ernten" statt es in den Kanal leiten zu lassen

Grundwasser aus Baugruben sollte genutzt werden

Die Stadt der Zukunft verschwendet kein Wasser

Entsiegelung der Innenstadt

Vitalisierung des Stadtgrüns

Die grüne Zukunftsmetropole