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Hessisches Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie

Grundwasser

Grundwasser ist Teil des Wasserkreislaufs. Grundwasser entsteht vor allem aus Niederschlagswasser, das in den Boden versickert und aus Wasser, das aus oberirdischen Gewässern (Bächen, Flüssen, Seen) in den Untergrund gelangt. Angetrieben von der Schwerkraft bewegt sich das Wasser nach unten bis es auf eine wasserundurchlässige Gesteinsschicht trifft und sich dort ansammeln kann. Den Vorgang bei dem Wasser in den Boden eindringt und zu Grundwasser wird nennt man Grundwasserneubildung.

Das hydrologische Jahr, auch Abflussjahr genannt, weicht vom Kalenderjahr ab. Nach der DIN 4049-1 beginnt es am 1. November und endet am 31. Oktober des Folgejahres. Diese Einteilung wurde gewählt, weil Ende Oktober in der Regel die Wasserreserven (im Boden, im Grundwasser, in Gletschern, Flüssen und Seen) in Deutschland am geringsten sind. Im November beginnt dagegen die Auffüllung der Wasserspeicher. Das hydrologische Jahr wird unterteilt in das Winterhalbjahr (November bis April) und das Sommerhalbjahr (Mai bis Oktober). Durch die Verschiebung zum Kalenderjahr werden dadurch auch die Niederschläge erfasst, die als Schnee und Eis im Einzugsgebiet gespeichert werden und erst im Frühjahr als Schmelzwasser abflusswirksam sind. Würde man sich zur Aufstellung einer wasserhaushaltlichen Jahresbilanz auf das Kalenderjahr beziehen, bliebe das im Schnee und Eis gespeicherten Wasservolumen unberücksichtigt. Bezeichnet wird das hydrologische Jahr durch das Kalenderjahr, in dem die Abflussjahresmonate Januar bis Oktober vorkommen. So beginnt das hydrologische Jahr 2019 am 1. November 2018.

Die Regeneration des Grundwassers findet üblicherweise im hydrologischen Winterhalbjahr (November bis April) statt, wenn die Vegetation ruht und die Verdunstung wegen der geringen Temperaturen gering ausfällt. In dieser Zeit kann das Niederschlagswasser versickern und durch die einsetzende Grundwasserneubildung steigen die Grundwasserstände, sofern ausreichend Niederschlag fällt. Im hydrologischen Sommerhalbjahr (Mai bis Oktober) kommt vom Niederschlagswasser kaum etwas im Grundwasser an, da das Wasser wegen der hohen Temperaturen verdunstet und von der Vegetation verbraucht wird. Daher fallen Grundwasserstände in der Regel im hydrologischen Sommerhalbjahr. Hieraus ergibt sich der charakteristische Jahresgang im Grundwasser, mit steigenden Grundwasserständen im Winterhalbjahr und fallenden Grundwasserständen im Sommerhalbjahr. Für das Grundwasser ist es besonders ungünstig, wenn das Winterhalbjahr trocken ausfällt. Ein trockener Winter ist für das Grundwasser viel schlimmer als ein trockner Sommer.

In der Regel dauert es sehr lange (Wochen bis Monate), bis Niederschlagswasser im Grundwasser ankommt. Einzelne Niederschlagsereignisse zeigen beim Grundwasser keine unmittelbare Wirkung. Grundwasser reagiert auf Niederschlagsschwankungen deutlich träger als die Fließgewässer.

Die Grundwassersituation zu einem bestimmten Zeitpunkt ist weniger auf die zu diesem Zeitpunkt vorherrschende Witterung zurückzuführen sondern ist das Resultat längerer Witterungsabschnitte. Mans sagt deshalb auch „Grundwasser hat ein langes Gedächtnis“.

Nachhaltige Änderungen in den Grundwasserständen resultieren in der Regel nicht aus dem Witterungsverlauf eines einzelnen Jahres. Bei den Grundwasserständen spielt immer auch die klimatische Vorgeschichte des Vorjahres bzw. der Vorjahre eine Rolle. Für eine nachhaltige Änderung der Grundwasserstände ist die Abfolge (Periodizität) einzelner Nass- oder Trockenjahre entscheidend. Folgen mehrere Nassjahre aufeinander, steigen die Grundwasserstände meist längerfristig auf ein höheres Niveau. Folgen in Trockenperioden mehrere trockene Jahre aufeinander, sinken die Grundwasserstände meist längerfristig auf ein niedrigeres Niveau. Ein einzelnes Trocken- oder Nassjahr bewirkt daher im Grundwasser noch nicht so viel.

Klimatisch- und witterungsbedingte Änderungen in der Grundwasserneubildung führen zu Schwankungen in den Grundwasserständen und Quellschüttungen, die die Vorratsänderung im Grundwasserleiter sichtbar ausdrücken. Die Grundwasserstände sind in der Regel mit steigenden Wasserständen im Winterhalbjahr und sinkenden im Sommer und Herbst jahreszeitlich geprägt. Hierbei handelt es sich um saisonale Schwankungen, die man bei normalen klimatischen Verhältnissen beobachten kann. Aufgrund der natürlichen Klimavariabilität unterliegen die Temperatur und der Niederschlag sehr großen Schwankungen, so dass es immer wieder zu Abweichungen und Anomalien gegenüber den mittleren Verhältnissen kommen kann. Die saisonalen Schwankungen (Jahresgang) können zusätzlich von Trocken- und Nassperioden (periodischen Schwankungen) überlagert werden.

Der Schwankungsbereich (Amplitude) im Grundwasser fällt je nach Standort sehr unterschiedlich aus. Daher lassen sich hier keine pauschalen Angaben machen. Besonders im Mittelgebirge (Festgesteinsregionen) können die Amplituden auch kleinräumig sehr stark voneinander abweichen. Je nach Tiefe des Grundwasserspiegels, der Durchlässigkeit und der Speicherfähigkeit des Standortes kann der Schwankungsbereich über das Jahr betrachtet wenige Dezimeter bis zu mehreren Metern betragen.

In Hessen wird unser Trinkwasser nahezu vollständig aus dem Grundwasser gewonnen. Aber nicht nur für den Menschen ist Grundwasser lebensnotwendig. Für viele Lebensräume und -arten ist es als Wasser- und Lebensspender essentiell. Oberflächennahe Grundwasservorkommen versorgen Pflanzen mit Wasser und bilden wertvolle Feuchtbiotope. Grundwasser tritt an Quellen zu Tage und speist Bäche und Flüsse. Gerade in regenarmen Zeiten des Jahres und in länger andauernden Trockenperioden stammt ein großer Teil des Wassers in unseren Flüssen aus dem Grundwasser.

Hessen ist aufgrund seiner klimatischen Lage keine wasserarme Region. Die langjährig mittlere Grundwasserneubildung in Hessen beträgt für die Referenzperiode 1971–2000 rund 100 mm/a. Umgerechnet auf die Fläche Hessens werden somit im langjährigen Mittel jährlich und 2,13 Mrd. m³ Grundwasser neu gebildet. Demgegenüber werden jährlich rund 407 Mio. m³ Grundwasser entnommen. Der Vergleich zeigt, dass hessenweit jährlich rund fünfmal mehr Grundwasser neu gebildet als gefördert wird. In Südhessen kann das Grundwasserdargebot lokal durch die Infiltration von aufbereitetem Rheinwasser erhöht werden. Diese künstliche Grundwasseranreicherung trägt zur Stabilisierung der Grundwasserstände, insbesondere in Trockenperioden, bei.

Die Grundwasserneubildung ist durch eine ausgeprägte jährliche und periodische Variabilität gekennzeichnet. Daher kann es auch in Hessen während länger andauernder Trockenperioden zu örtlich und zeitlich begrenzter Wasserknappheit kommen.
Wasserknappheit kann nicht nur eintreten, wenn sich das Grundwasserdargebot verringert, sondern auch, wenn der Wasserbedarf ansteigt. Übersteigt der Wasserbedarf das verfügbare Grundwasserdargebot herrscht Wasserknappheit.
Regionen mit geringem lokalen Dargebot und hohem Wasserbedarf können aber in Hessen in der Regel durch den überregionalen Leitungsverbund oder lokale Leitungsnetze mit Fremdwasser aus Regionen mit ausreichend verfügbaren Wasserressourcen versorgt werden.
Lokale Versorgungsengpässe können sich insbesondere in Zeiten mit hohen Spitzenbedarfen ergeben, wenn die Wasserversorgungsinfrastruktur (Speicher-, Hochbehälter- und Leitungskapazitäten, Pumpleistungen, fehlender Anschluss an einen Leitungsverbund) nicht auf solche Bedarfsspitzen ausgelegt ist. Es kann also auch zu Versorgungsengpässen kommen, selbst wenn genügend Grundwasser verfügbar ist.

In Zeiten niedriger Grundwasserstände konnten in Hessen in der Vergangenheit unterschiedliche Auswirkungen beobachtet werden. So können niedrige Grundwasserstände zu lokalen Engpässen in der Wasserversorgung führen und grundwasserabhängige Biotope und Feuchtgebiete schädigen. Bei sehr niedrigen Grundwasserständen können Setzrissschäden an Gebäuden und Verkehrsinfrastruktur eintreten und in der Landwirtschaft können flache Beregnungsbrunnen trockenfallen. Darüber hinaus führen Fließgewässer, die aus dem Grundwasser gespeist werden, früher Niedrigwasser, was wiederum Auswirkungen auf die Gewässerökologie haben kann. Kleinere Gewässer können im Spätsommer sogar ganz trockenfallen. Im wasserwirtschaftlich bedeutsamen Hessischen Ried, wo eine intensive Grundwasserbewirtschaftung stattfindet, kam es in der Vergangenheit immer wieder zu grundwasserverbundenen Nutzungskonflikten zwischen der Landwirtschaft, der Forstwirtschaft, dem Naturschutz, dem Siedlungswesen und der Wasserversorgung.

Trockenperioden mit niedrige Grundwasserstände hat es immer wieder gegeben. Ausgeprägte Trockenperioden treten zyklisch etwa alle 10-20 Jahre auf, beispielsweise in den 70er und 90er Jahren.

Während in Hessen bis Ende des Jahrhunderts mit einem weiteren deutlichen Temperaturanstieg zu rechnen ist, wird sich die Summe des mittleren Jahresniederschlags wahrscheinlich kaum ändern. Die Klimaprojektionen zeigen aber, dass sich der Jahresgang des Niederschlags verschieben wird. So ist in Zukunft mit einer Zunahme der Winterniederschläge, einen Rückgang der Sommerniederschläge und längeren Trockenperioden im Sommer zu rechnen. Höhere Temperaturen und eine damit verbundene höhere Verdunstung wirken in Richtung abnehmender Grundwasserneubildung. Eine Abnahme der Sommerniederschläge hätte zur Folge, dass die Quellschüttungen in den Mittelgebirgsregionen in den Sommermonaten zurückgehen. Da die Grundwasserneubildung überwiegend im Winterhalbjahr stattfindet, würde sich eine Zunahme der Winterniederschläge positiv auf die Grundwasserneubildung auswirken. Aufgrund dieser gegenläufigen Entwicklungen ist eine eindeutige Richtungsaussage für die Zukunft bislang nicht möglich. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass bei feuchteren Wintern und trockeneren Sommern die Grundwasserneubildung und die Grundwasserstände gegenüber heute größeren saisonalen Schwankungen unterliegen werden.

Seit dem Jahr 2003 sind die Niederschläge des hydrologischen Winterhalbjahres und folglich auch die Grundwasserneubildung meist unterdurchschnittlich ausgefallen, was im Widerspruch zu den projizierten Klimatrends steht. Es bleibt abzuwarten, ob sich der seit dem Jahr 2003 zu beobachtende Trend in Zukunft fortsetzt.

Wie wirken sich Trockenperioden auf die Wasserversorgung aus?

Infolge der wärmeren und trockeneren Sommer ist zukünftig mit rückläufigen Quellschüttungen zu rechnen. Dies könnte zur Folge haben, dass die auf örtlichen Gewinnungsanlagen beruhende, dezentrale Trinkwasserversorgung durch Quellwässer oder Flachbrunnen in den Mittelgebirgen während der Sommermonate zunehmend gefährdet ist.
Für die Trinkwasserversorgung ist neben dem zukünftigen Wasserdargebot die Entwicklung des zukünftigen Wasserbedarfs von Bedeutung. Infolge der zukünftig wärmeren und trockeneren Sommer ist mit einem weiteren Anstieg des Spitzenwasserbedarfs zu rechnen.
Die maßgeblichen Einflussgrößen für den mittleren Wasserbedarf (Grundlast) sind die demographische Entwicklung und die Entwicklung des Pro-Kopf-Verbrauchs. Der Pro-Kopf-Verbrauch wird wiederum durch das Verbraucherverhalten und den technologischen Fortschritt bestimmt. Das heißt, dass der jährliche bzw. mittlere Wasserbedarf stärker von der Bevölkerungsentwicklung und dem Pro-Kopf-Verbrauch als vom Klimawandel beeinflusst wird.
Aktuell beobachten wir ein starkes Bevölkerungswachstum in den Kernräumen der Rhein-Main-Region. Sollte dieser Trend andauern, ist von einer Zunahme des mittleren Wasserbedarfs auszugehen. Auch ist davon auszugehen, dass der Bedarf an Beregnungswasser in der Landwirtschaft infolge trockenerer und wärmerer Sommer sowie verlängerter Vegetationsperioden weiter deutlich zunehmen wird. Der erhebliche Mehrbedarf an Beregnungswasser kann eine direkte Konkurrenzsituation zwischen der Trinkwasserversorgung einerseits und landwirtschaftlicher Beregnung andererseits bewirken.

Eine sehr effektive und sofort umsetzbare Maßnahme ist ein bewusster uns sorgsamer Umgang mit der kostbaren und lebenswichtigen Ressource Wasser. Jeder einzelne Bürger kann zum Wassersparen beitragen, insbesondere bei langanhaltender Trockenheit. Durch Gartenbewässerung, Rasensprengen und das Befüllen von Pools wird viel Trinkwasser verbraucht, das in Zeiten saisonaler Wasserknappheit eingespart werden sollte.
Auch durch die Einführung von Brauchwassersystemen kann im großen Umfang Trinkwasser eingespart werden. Hierbei wird Trinkwasser mehrfach genutzt. So wird beispielsweise das aufbereitete Duschwasser oder Wasser fürs Händewaschen noch mal für die Toilettenspülung oder die Gartenbewässerung verwendet. Zur Substitution von Trinkwasser kann auch geringaufbereitetes Main- und Rheinwasser genutzt werden.
In der Landwirtschaft lässt sich durch die Optimierung der Beregnungssteuerung und Beregnungstechnik und den Anbau trockenresistenter Kulturen Wasser einsparen.
Darüber hinaus verfügt Hessen über Steuerungsinstrumente, um bei anhaltender Trockenheit Grundwasserstände zu stabilisieren. So lassen sich im Hessischen Ried witterungsbedingte Schwankungen der Grundwasserstände durch künstliche Grundwasseranreicherung ausgleichen. Hierzu wird Wasser aus dem Rhein entnommen, aufbereitet und im Nahbereich der Trinkwasserbrunnen infiltriert. Dieses Steuerungsinstrument trägt maßgeblich zur Versorgungssicherheit der Rhein-Main Metropolregion bei.
Neben der Infiltration trägt auch der überörtliche Leitungsverbund zur Stabilisierung der Grundwasserstände bei. Durch eine grundwasserstandsorientierte Fördermengenverlagerung zwischen infiltrationsgestützten und nicht infiltrationsgestützten Verbundwasserwerken ist es möglich, Wasser aus Gebieten mit einem Wasserüberschuss in Gebiete mit einem lokalen Defizit zu transportieren. Durch die Fördermengenreduktion in Gebieten mit einem lokalen Defizit wird so verhindert, dass die Grundwasserstände weiter absinken.