Auswertung der Hochwassersituation im Grundwasser 2010/2011

Die starken Niederschläge im Sommer 2010 führten in Sachsen nicht nur zu regional bedeutsamen Hochwassern, sondern wirkten sich auch auf das Grundwasser aus. Es kam zu einer ungewöhnlich hohen Grundwasserneubildung im Sommer und, unterstützt durch das Tauwetter im Januar 2011, zu lang anhaltenden hohen Grundwasserständen bis in das Frühjahr 2011. In den Oberflächengewässern in Tälern und Auen bildete sich durch das Grundwasser teilweise auch eine „nachlaufende Welle“ aus.
Ziel der Untersuchungen war eine Analyse und Beschreibung der Grundhochwassersituation im Winter 2010 bis Frühjahr 2011 für den Freistaat Sachsen. Die Grundwasserneubildung sollte in Beziehung zum Abfluss im Vorfluter und dem Niederschlag bewertet und mit Ereignissen in der Vergangenheit verglichen werden. Die Zeitreihen der Grundwasserstände werden statistisch ausgewertet, inklusive Trend- und Bruchpunktanalyse. Zusätzlich sollen Vorschläge zur Anwendung weiterführender statistischer Verfahren diskutiert werden. Für den Zeitraum der Hochwasserereignisse im August und September 2010 sollte der Zusammenhang zwischen Grundwasserstandsentwicklung und räumlicher Verteilung der Niederschagsintensität untersucht werden. Es sollten Gangliniengruppen unter Berücksichtigung von hydrogeologischen, geologischen und naturräumlichen Gegebenheiten gebildet werden. Gebiete mit anthropogen überprägter Grundwasserdynamik sollen mit Bezug zu den gebildeten Gangliniengruppen gesondert ausgewiesen und beschrieben werden. Ferner sollten mögliche Einflüsse des Grundhochwassers auf die Grundwasserbeschaffenheit beschrieben werden.

Im Freistaat Sachsen wurden im Zusammenhang mit den Hochwasserereignissen im August 2010 / 2011 und dem Januartauwetter 2011 vielerorts stark erhöhte Grundwasserstände beobachtet, die unter anderem regional zu langanhaltenden Überflutungen von Ackerflächen führten. Gegenstand der Untersuchungen war eine statistische Analyse des Zusammenhangs zwischen den Hochwassern im Grundwasser, Niederschlagsereignissen, Hochwassern in Oberflächengewässern und externen Größen wie Geologie, Landnutzung und bergbaulichen Eingriffen in das Grundwasserregime. Grundlage dafür sind langjährige Messreihen von 126 sächsischen Grundwassermessstationen und Quellschüttungen.
Die Messstellen konnten anhand der Grundwasserstandsentwicklung in Gruppen eingeteilt werden. Die wichtigsten sind dabei der Typ „Interaktion“ (starke Interaktion mit dem Oberflächengewässer) und der Typ „Kumulation“ (oberflächenhochwasser¬unabhängiges starkes Ansteigen des Grundwassers mit jedem Niederschlagsereignis und folgendes langsames Absinken). Der Vergleich der Grundwasserstandsentwicklung von 2010 / 2011 mit früheren Hochwasserereignissen zeigte eine große Ähnlichkeit der Grundwasserstandentwicklung vor allem mit den Ereignissen August 2002 / Frühjahr 2003. In beiden Fällen verursachten intensive Niederschläge im Sommer ein Hochwasser sowohl in den Oberflächengewässern als auch im Grundwasser. Im darauf folgenden Frühjahr gab es einen durch Tauwetter bedingten weiteren Anstieg im Grundwasser. Dieser Anstieg führte vor allem bei Typ „Kumulation“ zu einer Verstärkung des Oberflächen-Hochwassers. Dies betrifft beispielsweise die Grundwassermessstellen im hydrogeologischen Teilraum „Quartär des Elbtalgrabens“ (z.B. Messstelle Dresden, Stübelallee 2).
Der Einfluss natürlicher und anthropogener Effekte, darunter hydrogeologische Teilräume, Geologie, Naturräume, Landnutzung und Wassernutzung auf die Grundhochwassersituation 2010 / 2011 wurde mit einer Varianzanalyse (ANOVA) überprüft und bewertet. Dabei konnten für die Verfestigung, Gesteinsart, Landnutzung und hydrogeologischen Teilräume signifikante Einflüs-se auf die Grundwasserstandsentwicklung beobachtet werden. Mittels eines multiplen Vergleichstests (Tukey-HSD) wurde eine tiefergehende Analyse durchgeführt und die Ergebnisse regional differenziert sowie in Zusammenhang mit dem Grundwasser-standsentwicklungstyp bewertet. So treten im Lockergestein überwiegend Grundwassermessstellen des Typs „Kumulation“ auf, während im Festgestein der Grundwasserstandsentwicklungstyp „Interaktion“ dominiert. Diese konnten Hauptregionen zuge-wiesen werden. Hierzu muss jedoch deutlich betont werden dass aufgrund der geologischen und morphologischen Vielfalt jeder Grundwasserstandentwicklungstyp in jeder Region grundsätzlich denkbar ist.
Die Trend- und Bruchpunktanalyse wurde auf Grundlage der Zeitreihen von 1971 bis April 2011 durchgeführt. Insgesamt 94 der 126 Messstellen weisen einen hoch signifikanten Trend auf, darunter 54 mit sinkenden Grundwasserständen. Zusätzlich wur-de eine Bruchpunktanalyse zur Identifizierung sich innerhalb der Zeitreihe signifikant verändernder Mittelwerte und Steigungen durchgeführt. Als Verfahren zur Ermittlung von Bruchpunkten, also deutlichen Änderungen des Trendver-laufs, z B. von einem fallenden zu einem steigenden Trend, kam ein Verfahren zum Test auf Instationarität (Zeitpunkt und Typ) zum Einsatz. Bruchpunkte bezüglich der Mittelwerte wurden vor allem Anfang und Mitte der 1980er Jahre sowie Mitte der 1990er Jahre ermittelt. Bruchpunkte bezüglich Steigung zeigen ebenfalls ein Maximum in den 1990er Jahren. Die Bruchpunkte in diesem Zeitraum sind gleichmäßig über Sachsen verteilt. Daher sind sie wahrscheinlich auf überregionale Ursachen wie klimatische Veränderungen zurückzuführen. Die genauere Analyse der Bruchpunkte zeigt, dass zahlreiche Bruchpunkte vor allem im Nordwesten Sachsens vor dem Bruchpunkt einen fallenden, danach aber einen steigenden Trend aufwei-sen. Dies kann unter anderem darauf zurückgeführt werden, dass der Grundwasserspiegel in den Absenkungsgebieten des Braunkohletagebau seit den 1990er Jahren vielerorts langsam wieder ansteigt. Im Jahr 2010 gibt es ein weiteres Maximum von Bruchpunkten bezüglich Steigung, dies steht in direktem Zusammenhang mit dem Grundhochwasser 2010 / 2011.
Anhand der vorliegenden Datengrundlage konnte kein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Grundwasserbeschaffenheit und der Grundwasserstandsentwicklung festgestellt werden. Schließlich wurden einige Methoden diskutiert, durch welche die Auswertungen ergänzt und optimiert werden können. Dazu gehören die Nutzung längerer bzw. höher aufgelöster Zeitreihen, Identifizierung von Langzeittrends (z.B. Sonnenfleckenzyklen) und die Anwendung einer Cross-Correlation für die Gruppierung der Grundwassermessstellen.