Hydraulische und hydrochemische Aspekte der Uferfiltration an der Unterhavel in Berlin

Seit über 100 Jahren beeinflussen die Grundwasserentnahmen der Berliner Wasserbetriebe mit ihren ufernahen Brunnengalerien die hydraulischen und hydrochemischen Grundwasserverhältnisse am Ostufer der Unterhavel und im angrenzenden Grunewald. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein 45 Meßstellen umfassendes, ufernahes Grundwasserbeobachtungsnetz installiert und hydrochemisch beprobt. Unter Heranziehung bestehender Grundwassermeßstellen im Grunewald gelang es, die hydraulischen und hydrochemischen Verhältnisse in einem größeren Zusammenhang zu betrachten und darzustellen. Die geologische Auswertung von Aufschluß- und Brunnenbohrungen ergab, daß im Hangenden des Mitteloligozänen Septarientones, dem Hauptgrundwasserhemmer in Berlin, Ablagerungen aus dem Oberen Oligozän, dem Miozän und dem gesamten Pleistozän abgelagert sind, die alle zusammen ein gemeinsames süßes Grundwasserstockwerk in Berlin bilden. Dieses wird durch nicht aushaltende Grundwasserhemmer (Geschiebemergel, Beckentone und bindige Ablagerungen des Holstein-Interglazials) in mehrere Grundwasserleiter unterteilt. Ufernah lassen sich ein elsterglazialer sowie ein unterer und oberer jungpleistozäner Grundwasserleiter unterscheiden. Die jungpleistozänen Ablagerungen der Saale- und Weichseleiszeit lassen sich aufgrund von fehlenden Merkmalen nicht weiter untergliedern. Weiter östlich im Grunewald ist nur noch ein gemeinsamer jung-pleistozäner und der elsterglaziale Grundwasserleiter ausgebildet. Die auffälligsten geologischen Strukturen bilden elstereiszeitliche Erosionsrinnen, die die tertiären Sedimente tiefgreifend bis zum mitteloligozänen Septarienton ausgeräumt haben. Im Untersuchungsgebiet befinden sich die Grunewaldseenrinne und die Havelrinne. Der Verlauf der Unterhavel folgt der letztgenannten Rinnenstruktur. Die seit dem Spätpleistozän erfolgte Sedimentation von hydraulisch schlecht durchlässigen limnischen Ablagerungen in Form von Mudden erreichten an der Unterhavel Mächtigkeiten von z. T. über 30 m. Nur die ufernahen Bereiche werden durch gut durchlässige Fein- bis Mittelsande aufgebaut, so daß eine Uferfiltration an der Unterhavel nur ufernah stattfindet. Durch diesen vergleichsweise komplizierten geologischen Aufbau - hinzu kommen noch lokale Erosionslücken in den einzelnen Grundwasserstauern - ergeben sich äußerst differenzierte Fließwege für das infiltrierende Oberflächenwasser. Damit sind auch weitreichende hydrochemische Beeinflussungen der verschiedenen Grundwasserleiter im Grunewald verbunden. Die Analyse von Grundwasserganglinien von oberflächennahen Meßstellen am Havelufer und von Beobachtungsrohren im Grunewald, die alle Grundwasserleiter erschließen, zeigte, daß sich die kurzfristig und häufig wechselnden Grundwasserentnahmen aus den vorwiegend im elsterglazialen Grundwasserleiter verfilterten Förderbrunnen z. T. bis zum oberflächennächsten Grundwasserleiter nachweisen lassen. Im gespannten elsterglazialen Grundwasserleiter können die entnahmebedingten Schwankungen der Druckspiegel noch über Kilometer hinweg nach Osten in den Grunewald hinein verfolgt werden und in der Nähe der Wasserwerksbrunnen treten Druckspiegelschwankungen von über 3 m innerhalb weniger Stunden auf. Aus den grundwasserhydraulischen Untersuchungen läßt sich schließen, daß die enge Abfolge der uferparallel angeordneten Brunnen für den obersten Grundwasserleiter häufig nicht die Trennlinie zwischen havelbürtigem und landbürtigem Grundwasser darstellt. Es kommt vielmehr zu einem Einströmen von Infiltratwasser bis tief in den Grunewald hinein. Für den elsterglazialen Grundwasserleiter bildet dagegen die Linie der ufemahen Galeriebrunnen eine solche Trennlinie. Der mittlere Grundwasserleiter im tieferen Jungpleistozän wird im westlichen Grunewald wesentlich vom hangenden Grundwasserleiter, welcher überwiegend von Uferfiltratwasser geprägt ist, gespeist. Numerische Modellierungen der hydraulischen Verhältnisse mit dem dreidimensionalen Finite-Differenzen-Programm MODFLOW bestätigten das Fehlen der trennenden, bindigen Ablagerungen des Holstein-Interglazials unter der Havel sowie die Existenz von lokalen Erosionslücken im Geschiebemergel. Wichtigstes Ergebnis der Modellierungen ist die Quantifizierung der Uferfiltratanteile. In Abhängigkeit von den Entnahmebedingungen und den Havelwasserständen schwanken diese am Ostufer zwischen rund 20 bis 40 %. Bisher unterschätzt wurde der Zustrom vom Westen unter der Havel hindurch, der nach den Modellberechnungen rund 50 % der Wasserumsätze ausmacht. In diesem Grundwasserstrom sind allerdings Uferfiltratanteile vom Westufer der Unterhavel zu berücksichtigen. Eine Quantifizierung dieser Anteile steht noch aus. Die Betrachtung der Chlorid-Konzentrationen über die letzten Jahrzehnte zeigte, daß die ursprüngliche Chloridmineralisation im Grunewald von rd. 7 bis 10 mg/l inzwischen an fast allen Probennahmepunkten deutlich angestiegen ist, wobei häufig Gehalte um 50 mg/l ermittelt wurden. Dieser Konzentrationsbereich entspricht genau dem langjährigen Chlorid-Schwankungsbereich des Oberflächenwassers, woraus eine Beeinflussung bis in den liegenden elsterglazialen Grundwasserleiter mit Uferfiltratwasser abgeleitet wurde. Aus dieser nachgewiesenen Beeinflussung aller ufemahen Grundwasserleiter durch infiltriertes Oberflächenwasser folgert, daß die mehrfach angewandte "Chlorid-Methode” zur Berechnung der Uferfiltratanteile ungeeignet ist. Nur mit begleitenden Isotopen-Bestimmungen lassen sich die Uferfiltratanteile im Grundwasser näher quantifizieren. Die Bodenpassage des infiltrierten Havelwassers ist durch anoxische Milieubedingungen charakterisiert. Dabei werden u. a. die vergleichsweise hohen Sulfat-Gehalte von 130 bis 150 mg/l im Havelwasser teilweise bis zur Sulfat-Nachweisgrenze von 2 mg/l reduziert. Geochemische Modellierungen mit dem Programm SOLMINEQ88 zeigten, daß es zu frühdiagenetischen Mineralneubildungen von im wesentlichen amorphem FeS kommt. Die auf diese Weise in hohen Konzentrationen festgelegten Eisen- und Schwefel-Ionen werden im ufernahen Grundwasserschwankungsbereich durch Sulfidoxidationsvorgänge teilweise wieder freigesetzt, und es kommt zu Stoßbelastungen mit extremen Fe- und SO4-Gehalten im oberflächennahen Grundwasser. Diese Vorgänge fuhren auch zu einer erheblichen Mobilisierung von Schwermetallen. Vor dem Hintergrund eines zukünftig steigenden Wasserbedarfes in Berlin gilt es zunächst, die bisher genutzten Kapazitäten zu erhalten und zu sichern. Aus den vorgestellten Untersuchungen kann abgeleitet werden, daß dies wesentlich von der Entwicklung der Qualität des Oberflächenwassers sowie des landseitigen Grundwassers und von den Abflußmengen der Oberflächenwässer abhängt. Die geplante Flutung der Braunkohlentagebaue ist in diesem Zusammenhang als sehr problematisch anzusehen. Was die Qualität des Grunewaldgrundwassers angeht, so sind erste Anzeichen vorhanden, die darauf hindeuten, daß bereits versalzenes Tiefenwasser durch die Grundwasserentnahmen mobilisiert und gefordert wird. Ohne weitere intensive Erforschung der hydraulischen und hydrochemischen Verhältnisse und Zusammenhänge, besonders unter quantitativen Aspekten, muß langfristig mit einer zunehmenden Beeinträchtigung der bisher genutzten Grundwasservorkommen gerechnet werden.

For more than a hundred years the hydraulic and hydrochemical conditions of ground-water are affected by the withdrawal from wells which are situated close to the river "Unterhavel" and adjacent "Grunewald". In this research a 45 wells counted ground-water observation network was installed on the east-side of the river and hydrochemical ground-water samples were taken. By means of additional ground-water observation wells in the "Grunewald", monitoring and analysis of hydraulic and hydrochemical conditions in a bigger context was possible. The geological interpretation of drillings shows that above the middle Oligocène "Septarienton", the main aquiclude in Berlin, sediments from the upper Oligocene, the Miocene and the whole Pleistocene forms one fresh water storey. This is seperated by small aquicludes like boulder clays, glacial basin clays and clays from the Holsteinian Interglacial in several aquifers. Near the river an Elsterian and a lower and upper aquifer from the younger Pleistocene can be distinguished. The Saalian and Weichselian sediments which builds up the younger Pleistocene cannot be subdevided. In the eastern "Grunewald" only one joint aquifer from the younger Pleistocene and the Elsterian aquifer was found. Striking geological structures are Elsterian channels which have eroded the tertiary sediments up to the "Septarienton", namely the "Havelrinne" and the "Grunewaldseenrinne" are in the investigated area. The structure of the "Havelrinne" is continued by the "Unterhavel". The sedimentation of non permeable muds since the later Pleistocene attains in the "Unterhavel" a thickness from partly over 30 m. Only the bank-zones were built up by permeable fine and middle sands and so bank filtration takes place only in this areas. These complex geological structures - in some parts interrupted by local erosional windows - result in differenciated flowpaths for the infiltrated river water. This situation leads to a far-reaching hydrochemical influence of the several aquifers in the "Grunewald". Analysis of ground-water hydrographs from the superficial observation points near the "Unterhavel" and from the "Grunewald" which devellop all aquifers, has shown that the brief and frequent changings of ground water withdrawal in the predominant pumped Elsterian aquifer can be observed partly up to the uppermost aquifer. In the confined Elsterian aquifer the fluctuations of piezometric levels can be followed up to several kilometres into the "Grunewald". Nearby the pumping wells fluctuations of piezometric levels are in a magnitude of more than 3 m within a few hours. From the oberservations of the ground-water hydraulic it can be concluded that the dense suite of the river-sided wells do not form a separation line between the river- and land-sided ground-water for the upper aquifer. The bank-fitrated river water penetrates deeply into the "Grunewald". For die Elsterian aquifer the batterie of wells forms such a seperation line. In the west-side of the "Grunewald" the middle aquifer in the deeper younger Pleistocene is nourish by the hanging aquifer which itself is strongly influenced by bank-filtrated water. Numeric modellings of the hydraulic conditions with the three-dimensional finite-difference-program MODFLOW confirms the absence of the clays from the Holsteinian Interglacial under the "Havel" and the existence of local erosional windows in the boulder clays. The most important results of modelling is the quantification of the amounts of bank-filtrated water. Depending on the ground-water withdrawal and the water levels from the "Havel", respectively this quantity fluctuates on the east-side of the river between 20 and 40 % . Reffering to the model estimations the inflow from the west-side below the "Havel", which up to now is underestimated, reaches approximately 50 %. A certain amount of bank-filtrated water from the west-bank which is included here cannot be neglected. A quantification of these portions is not yet done. The consideration of the Cl-concentrations during the last decades shows that the original Cl-mineralisation from 7 to 10 mg/l has increased in the "Grunewald" at almost all sampling points to concentrations of approximately 50 mg/l. This concentration range corresponds with the Cl-fluctuations in the river over the last years. This means that there is an influence from bank-filtrated water up to the lower Elsterian aquifer. The here demonstrated influence in all the aquifers close to the river by infiltrated riverwater shows that the often applied "Chlorid"-method is not an appropriate method to calculate the bank filtration amounts. Only with accompanying isotope determinations bank-filtrated water can be quantified. The soil passage of the infiltrated "Havel"-water is characterized by anoxic environment conditions. Comparatively high SO4-concentrations of 130 to 150 mg/l in the "Havel"-water are partly reduced below the SO4-detection limit of 2 mg/l. Geochemical modellings with the program SOLMINEQ88 shows an early diagenetic mineral formation of amorphous FeS. High concentrations of precipitated iron- and sulphur-ions are remobilized in the fluctuation range of the piezometric levels nearby the river by oxidation of sulfides and the contamination of the ground-water with extremly high Fe- and SO4-concentrations and also with heavy metals is the consequence. Considering the increasing water need for Berlin in the future, it is important to protect and preserve the water resources. This intention depends on the quality of the river- and ground-water and on the rate of discharge. In this context the projected flushing of the brown-coal open-cast minings will be a problem. Concerning the ground-water quality in the "Grunewald" the hydrochemical analysis demontrates that a partly mobilisation and discharge of salted deep water can be detected. Without further intensive explorations of the hydraulic and hydrochemical conditions, particulary under more quantitative aspects, an increasing detraction of the ground-water resources must be taken into consideration.