Analyse eines urbanen Gewässereinzugsgebietes als Planungsgrundlage nachhaltiger Wasserbewirtschaftung am Beispiel der Wuhle im Raum Berlin

Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften (Dr. - Ing.)
im Fach Geographie

eingereicht an der
Mathematisch - Naturwissenschaftliche Fakultät II
der Humboldt - Universität zu Berlin

von

Dipl.-Ing. Christoph   Ertl
10.07.1970, Reutlingen

Präsident der Humboldt - Universität zu Berlin
Prof. Dr. Christoph Markschies

Dekan der Mathematisch - Naturwissenschaftlichen Fakultät II
Prof. Dr. Wolfgang Coy

Gutachter:
1. Prof. Dr. G. Nützmann
2. Prof. Dr.-Ing. E.h. H. H. Hahn, Ph.D.
3. Prof. Dr.-Ing. D. Jahn

Tag der mündlichen Prüfung: 04.07.2007

Zusammenfassung

Die genaue Kenntnis über den Wasserhaushalt stellt die Grundlage für die Bewirtschaftung der Ressource Wasser innerhalb eines Einzugsgebiets dar. Im urbanen Raum spielen dabei die siedlungshydrologischen Randbedingungen, wie Versiegelung, Anschlussgrad an die Kanalisation oder wasserbauliche Eingriffe, eine nicht zu vernachlässigende Rolle. Zur Quantifizierung der verschiedenen Wasserhaushaltsgrößen wurde ein konzeptioneller Ansatz entwickelt, der die jeweiligen Randbedingungen berücksichtigt und deren gegenseitige Beeinflussung abbildet. Hierbei muss der Einfluss auf den Wasserhaushalt auch bei veränderten Bedingungen simulierbar sein. Als Untersuchungsgebiet wurde das Gebiet der Wuhle, ein rechter Nebenfluss der Spree, gewählt, da es alle relevanten Aspekte der Wasserwirtschaft beinhaltet. Die Wuhle entspringt auf der Barnim-Grundmoränenhochfläche direkt an der Stadtgrenze von Berlin bei Ahrensfelde und mündet nach etwa 15,7 km Lauflänge im Stadtteil Köpenick in die Spree. Der Ansatz beruht auf der Berechnung der Wasserhaushaltsgrößen mit Hilfe eines flächendifferenzierten Verfahrens zur Ermittlung des Gesamtabflusses aus Niederschlag abzüglich der Verdunstung sowie dessen Aufteilung in einen oberirdischen und einen unterirdischen Teil. Zur Verifizierung der wasserhaushaltlich bestimmten Abflussgrößen wurden detaillierte hydraulische Untersuchungen an der Wuhle durchgeführt und abschnittsweise interpretiert. Anschließend wurde mit Hilfe der Förderdaten der Wasserwerke eine Grundwasserhaushaltsbilanz durchgeführt. Im Ergebnis ließ sich hydrogeologisch der Anteil an Uferfiltrat an der Gesamtfördermenge ermitteln. Zur Simulation des Einflusses des Wasserhaushaltes und der Grundwassernutzung auf den Grundwasserkörper wurde mit Hilfe des Simulators FEFLOW^© eine numerische Modellierung der Strömungsverhältnisse durchgeführt. Die Ausweisung des unterirdischen Einzugsgebietes des Wasserwerks Wuhlheide erfolgte anhand von interpolierten Gleichenplänen auf Grundlage einer Stichtagsmessung. Über den Abgleich der simulierten Grundwasserhöhen mit den Grundwasserständen aus der Stichtagsmessung erfolgte eine zusätzliche Überprüfung der wasserhaushaltlich berechneten Abflussgrößen.

Eigene Schlagworte: Nachhaltiges Wassermanagement, Wechselwirkung: Grundwasser – Oberflächengewässer, Grundwassermodellierung, Wasserwirtschaftliche Planungsinstrumente

Abstract

The exact knowledge of the water balance is the basis of the water supply and distribution within a catchment area. In an urban area the boundary conditions of the civil engineering like the sewer system or the hydraulic engineering plays an important role. To quantify the water balance a conceptual approach was developed which takes the current conditions and their interdependence into consideration. The impact of changing conditions on the water balance can also be simulated. As investigation area the catchment of the Wuhle River was chosen because it includes all relevant aspects of water management. The Wuhle River has its source on the ground moraine of the Barnim plateau directly at the city boundary in Ahrensfelde and reaches the Spree in the quarter Köpenick after about 15.7 km. This method uses a differentiated calculation by area to determine the total outflow of rainfall minus evaporization. It also determines the submontane and aboveground distribution. For verification purposes detailed hydraulic investigations were carried out at the Wuhle. With the production rate of the waterworks the groundwater balance was then calculated. As a result the amount of bank filtrate of the total groundwater withdrawal was determined in a hydro geological way. Using the simulation software FEFLOW^© a numeric model of the flow pattern was created to simulate the influence on the water balance and the groundwater. The displayed subterranean catchment area of the water work Wuhlheide was based on the water table contours which were interpolated from a fixed date measurement of the groundwater heads. By comparing the simulated groundwater heads and the water levels from the fixed date measurement an additional verification of the water balance was realised.

Keywords: Sustainability in water management, Interaction of ground water and surface water, Groundwater modelling, Decision tools for water management

Widmung

Für Nancy und Tobias.

Inhaltsverzeichnis

• 1 Einführung und Zielstellung
• 2 Untersuchungsgebiet
  • 2.1 Hydrogeologie des Untersuchungsgebiets
    • 2.1.1 Geologische Verhältnisse
    • 2.1.2 Hydrographie
    • 2.1.3 Grundwasserdynamik
  • 2.2 Wasserwirtschaftliche Situation und Entwicklung des Untersuchungsgebietes
    • 2.2.1 Historische Entwicklung und aktueller Zustand
    • 2.2.2 Wasserwirtschaftliche Ausbaumaßnahmen am Unterlauf der Wuhle
      • 2.2.2.1 Mündungsabschnitt der Wuhle von der Spree bis zur Wuhleblase (Km 5,2)
      • 2.2.2.2 Abschnitt von der Wuhleblase (Km 5,2) bis zur Bundessraße B1/5 (Km 7,0)
    • 2.2.3 Regenwasserableitung im Einzugsgebiet der Wuhle
    • 2.2.4 Wassergewinnung im Einzugsgebiet - Historischer Überblick und technische Daten
      • 2.2.4.1 Wasserwerk Wuhlheide
      • 2.2.4.2 Wasserwerk Kaulsdorf
      • 2.2.4.3 Wasserwerk Friedrichsfelde (Triftweg I und II)
    • 2.2.5 Wasserwirtschaftliche Probleme im Einzugsgebiet
      • 2.2.5.1 Problemgebiet Kaulsdorf-Süd und Biesdorf-Süd
      • 2.2.5.2 Grundwassersteuerungsverordnung
      • 2.2.5.3 Der Gehrensee
    • 2.2.6 Wasserwirtschaftliche Veränderungen innerhalb des Einzugsgebietes
      • 2.2.6.1 Schließung des Klärwerkes Falkenberg
      • 2.2.6.2 Schmutzwasserkanalisation
      • 2.2.6.3 Retentionsbodenfilter am Biesdorfer Baggersee
  • 2.3 Gebietsspezifische Präzisierung der Zielstellung
• 3 Methoden und Ergebnisse
  • 3.1 Entwicklung eines integrativen methodischen Ansatzes
  • 3.2 Hydraulische Untersuchungen zum Wasserhaushalt an der Wuhle
    • 3.2.1 Wasserstandsmessungen
    • 3.2.2 Abflussmessungen
    • 3.2.3 Ermittlung von Fließzeiten gleich großer Abflüsse
  • 3.3 Wasserhaushalt und –bilanz des Untersuchungsgebietes
    • 3.3.1 Hydraulik und Kolmationsvorgänge bei der Uferfiltration
    • 3.3.2 Uferfiltratanteil an der Gesamtfördermenge
    • 3.3.3 Methodik zur Bestimmung der Wasserhaushaltskomponenten 
    • 3.3.4 Quantifizierung der wasserhaushaltlichen Abflusskomponenten
  • 3.4 Grundwasserdargebot und –bilanz
    • 3.4.1 Methodische Grundlagen
    • 3.4.2 Grundwasserbilanz des Wasserwerkes Wuhlheide
    • 3.4.3 Genauigkeit des genutzten Berechnungsverfahrens
  • 3.5  Numerische Modellierung
    • 3.5.1 Numerisches Grundwassermodell
    • 3.5.2 Mathematisches Modell der Grundwasserströmung
    • 3.5.3 Diskretisierung des Modellgebietes
    • 3.5.4 Einbindung der Oberflächengewässer
    • 3.5.5 Modellkalibrierung
  • 3.6 Hydrogeologisches Informationssystem (HYGIS) Wuhle
• 4 Diskussion der Ergebnisse
• 5 Ausblick
• Abkürzungsverzeichnis
• Literatur
• Anhang
• Danksagung
• Lebenslauf
• Eidesstattliche Erklärung

Tabellen

• Tab. 1: Hydrostratigrafie des Känozoikums von Berlin.
• Tab. 2: Lage, Nennweite und Sohlenhöhe der Regenwassereinleitungen Wuhle
• Tab. 3: Wasserstandsmessstellen und -daten
• Tab. 4: Vergleich der Wasserstandsdaten „Anfang Wuhlesee“
• Tab. 5: Wasserstandshöhen in der unteren Wuhle
• Tab. 6: Messergebnisse Wuhle mit hoher zeitlicher Auflösung
• Tab. 7: Monatsmittelwerte der Durchflüsse in der Fließstrecke der Wuhle [m³/s]
• Tab. 8: Vergleich der Durchflussmessergebnisse „Am Bahndamm“
• Tab. 9: Fließzeiten zwischen „Wuhletal“ km 7,9 und „Am Bahndamm“ km 1,0 (2001).
• Tab. 10: Tagesmittelwerte der Abflussmengen verschiedener Messstellen entlang der Wuhle („Zulauf KA Falkenberg“, „Wuhletal“ und „Am Bahndamm“).
• Tab. 11: Effektivitätsparameter n und Infiltrationsfaktor F_i  für unterschiedliche Belagsklassen

Bilder

• Abb. 1: Geologischer Überblick von Berlin und Lage der Wuhle [SenStadt, 1998].
• Abb. 2: Verbreitung der innerhalb des oberirdischen Einzugsgebietes der Wuhle auflagernden Schmelzwassersedimente im Hochflächenbereich.
• Abb. 3: Stark schematisierter hydrogeologischer Schnitt durch Berlin (aus [Limberg & Thierbach, 1997]).
• Abb. 4: Geologischer Längsschnitt des Untersuchungsgebietes von NNE nach SW mit Bezeichnung der Grundwassergeringleiter (Kürzel siehe Abb. 3) [nach VEB Hydrogeologie 1976, verändert].
• Abb. 5: Hydrographische Übersicht des Untersuchungsgebietes (KA: Klärwerk Falkenberg).
• Abb. 6: Übersicht zu Altbohrungen im Einzugsgebiet der Wuhle (GAUSS/KRÜGER, System 40/83 – BESSEL) mit Angabe der Endteufen und Herkunft der Daten.
• Abb. 7: Geologische Skizze des unterirdischen EZG der Wasserfassung Wuhlheide mit Verortung der Wasserfassungen.
• Abb. 8: Darstellung der Entwicklung der Siedlungsstruktur am Unterlauf der Wuhle durch Vergleich der Preußischen Kartenaufnahme von 1869 (linke Bildhälfte) mit dem aktuellen topographischen Kartenwerk [TK 50, 2002].
• Abb. 9: Historische Abflussverhältnisse der Wuhle an der Messstelle „Honsfelder Straße“.
• Abb. 10: Wuhleeinzugsgebiete mit Gewässer- und Kanalisationssystem.
• Abb. 11: Übersicht über die regionale Verteilung von Grundwasserschäden (Feuchte Wände, Kellervernässung) in den Siedlungsgebieten Kaulsdorf-Süd und Mahlsdorf-Süd.
• Abb. 12: Grundwasserstandsganglinie der Messstelle 9037 im Zeitraum von 15.11.1989 bis 07.12.2001 mit Lage im Gebiet und korrespondierender Reinwasserfördermenge des WW Kaulsdorf.
• Abb. 13: Auszug aus der Grundwassersteuerungsverordnung für Berlin.
• Abb. 14: Trassenverlauf der Abwasserdruckleitung Biesdorf – Waßmannsdorf [BWB, 1999]
• Abb. 15: Schematische Darstellung des integrativen Ansatzes zur Gebietsanalyse
• Abb. 16: Übersicht zur Lage der Messstellen im Unterlauf der Wuhle und Art der Messung (W: Wasserstand; Q: Durchfluss, KA: Klärwerk Falkenberg).
• Abb. 17: Gegenüberstellung der Wasserstandsdaten der Ultraschallmessanlage und der Ablesungen am Lattenpegel an der Messstelle „Am Bahndamm“ im Zeitraum vom 28.11.2001 bis 17.07.2002.
• Abb. 18: Gegenüberstellung der Abflüsse (Monatsmittelwerte Juni-September 2001) verschiedener Messstellen (AB = “Am Bahndamm“; Wt = “Wuhletal“; KAF = „KA Falkenberg“; Hon = “Honsfelder Straße“; „+“ = Abflusszunahme; „-“ = Abflussverlust).
• Abb. 19: Schematische Querschnitte durch die Wuhle mit Wasserspiegellagen und entsprechender Lageskizze [aus UMD, 1997, verändert].
• Abb. 20: Zeitgleiche Ganglinien der Zu- und Abflussgrößen der Wuhle.
• Abb. 21: Graphische Darstellung der Messgrößen zur Bestimmung der hydraulischen Wechselwirkung zwischen Aquifer und Vorfluter.
• Abb. 22: Flussdiagramm des Modells ABIMO [Glugla et al., 1999].
• Abb. 23: Graphische Darstellung der BAGROV-Gleichung für ausgewählte Werte des Parameters n und Abhängigkeit dieses Parameters von Landnutzung und Bodenart [Glugla & Krahe, 1995].
• Abb. 24: Langjährige Abflussmittelwerte des Einzugsgebietes (WW Wuhlheide) in Mio. m³/a.
• Abb. 25: Terminologie und Definitionen bei der Grundwasservorratsermittlung.
• Abb. 26: Abflussganglinie der Messstelle „Am Bahndamm“ (Dez. 2002 – Mrz. 2005) nach Einstellung der Einleitung des Klärwerkes Falkenberg.
• Abb. 27: Zusammenhang zwischen Uferfiltratmenge und Grundwasserentnahme des Einzugsgebietes der Wasserwerke Wuhlheide und Kaulsdorf aus unterschiedlichen Forschungsarbeiten mit Angabe des ausgewerteten Förderzeitraumes (BfG: [BfG, 1995]; EB 66: [VEB Hydrogeologie, 1966]; EB76: [VEB Hydrogeologie, 1976]).
• Abb. 28: Finite-Elemente-Netz des Untersuchungsgebietes.
• Abb. 29: Flächenhafte Verbreitung der verschiedenen quartären Bildungen.
• Abb. 30: Flächenhafte Verteilung der Versickerungsmenge RI im städtischen Bereich des Wuhleeinzugsgebietes mit überlagertem Finite-Elemente-Netz.
• Abb. 31: Übersicht zur Lage der gemessenen und zur Kalibrierung herangezogenen Grundwassermessstellen.
• Abb. 32: Gegenüberstellung der berechneten und der gemessenen Grundwasserhöhen für den Eichzustand Mai 2001 (rote Linie = Kalibrierungsziel).
• Abb. 33: Häufigkeitsverteilung der Differenz von gemessenen und berechneten Grundwasserständen.
• Abb. 34: Berechnete Grundwassergleichenkarte des Einzugsgebietes WW Wuhlheide für den Eichzustand Mai 2001 mit einem Potenzialabstand von 1 m.
• Abb. 35: Lage der Meridianstreifensysteme nach Gauß-Krüger in Deutschland.
• Abb. 36: Farbcodierte Höhendarstellung und Morphologie (Shaded Relief) des weiteren Untersuchungsgebietes.