Hintergrundwerte im Grundwasser
Land / Region: Bundesrepublik Deutschland
Projektanfang: 01.04.2005
Projektende: 31.12.2014
Projektstand: 31.12.2014
Abb. 1: Hydrogeochemische Einheiten von Deutschland
Hintergrund:
Das Erreichen eines guten qualitativen Zustands des Grundwassers als eines der Hauptziele der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL) setzt die Kenntnis der hydrogeochemischen Hintergrundwerte im Grundwasser voraus.
Zur Erfüllung der Aufgaben, die sich aus der EU-WRRL ergeben, haben die Staatlichen Geologischen Dienste Deutschlands (SGD) die Unterarbeitsgruppe EU-WRRL (UAG EU-WRRL) als koordinierendes Gremium gegründet. Ein wesentliches Produkt der bisherigen Aktivitäten der UAG EU-WRRL ist die Hydrogeologische Übersichtskarte von Deutschland 1:200.000 (HÜK200).
Ein Personenkreis dieser UAG EU-WRRL, der Personenkreis Hintergrundwerte Grundwasser (PK HGW) beschäftigt sich seit 2005 mit der Bestimmung und statistischen Interpretation der Hintergrundwerte im Grundwasser.
Projektziel und Vorgehen:
Ein wesentliches Ziel des PK HGW war es, eine flächendeckende Übersicht der grundwasserleiterbezogenen Hintergrundgehalte der Grundwässer Deutschlands auf der Basis von aus den Jahren 1980 - 2005 stammenden Einzelanalysen von knapp 50.000 Grundwasserproben zu erstellen. Dazu wurden in einem ersten Schritt die rund 1100 hydrogeologischen Einheiten der Hydrogeologischen Übersichtskarte von Deutschland (HÜK200) zu hydrochemisch gleichartigen Hydrogeochemischen (HGC) Einheiten zusammengefasst.
Nach Zuordnung der Grundwasseranalysen zu den einzelnen HGC-Einheiten wurden die Daten zu 10 hydrogeologischen Großräumen (Abb. 1) zusammengefasst und von den SGD und der BGR statistisch ausgewertet. Dabei ergaben sich insgesamt 186 HGC-Einheiten, von denen für 112 Einheiten genügend (mindestens 10) Messwerte und somit statistische Auswertungen vorliegen. Diese Einheiten decken etwa 97% der Fläche Deutschlands ab.
Im Großraum 1 erfolgte die Auswertung nach flächenbezogenen Einheiten, die aus den hydrogeologischen Räumen und Teilräumen gebildet wurden, und somit den gesamten Großraum 1 abdecken. Aufgrund der starken Tiefenzonierung im norddeutschen Lockergestein wurde die Auswertung auf Proben aus Tiefen < 50 m begrenzt.
Da bei der ersten Datensammlung im Jahr 2005 für einige Spurenelemente noch größere Lücken hinsichtlich der flächenhaften Abdeckung vorhanden waren, wurde für besonders relevante Spurenelemente mit vorliegenden Geringfügigkeitsschwellenwerten wie Arsen, Bor, Barium, Cadmium, Kobalt, Chrom, Kupfer, Fluorid, Quecksilber, Molybdän, Nickel, Blei, Antimon, Selen, Thallium, Uran, Vanadium und Zink (LAWA, 2004) im Jahr 2012 eine erneute Datensammlung durchgeführt. Die statistische Neuauswertung für diese Parameter hat zu einer deutlich höheren Flächenabdeckung geführt.
Methodik:
Die statistische Auswertung der Parameter erfolgte semiautomatisiert mit Hilfe von Wahrscheinlichkeitsnetzen (WALTER et al., 2006). Mit dieser Methode können auf relativ einfache Weise Teilpopulationen erkannt und Anomalien von der Hintergrundpopulation abgetrennt werden, da Mischungen unterschiedlicher Populationen als Teilgeraden unterschiedlicher Länge und Steigung dargestellt werden (Abb. 2). Ursache für derartige Anomalien können zum Beispiel anthropogene Grundwasserbeeinflussungen, aber auch lokale natürliche Phänomene wie Vererzungen, Küsten- oder Binnenversalzungen oder Versauerungsgebiete in Kristallingesteinen sein (MARCZINEK et al., 2008).
Abb. 2: Beispiel einer Auswertung
Aus der Lage der Normalpopulation im Wahrscheinlichkeitsnetz können deren statistische Kenngrößen (Mittelwert, Standardabweichung und Perzentile) ermittelt werden. Im vorgestellten Projekt ist der Hintergrundwert durch das 90%-Perzentil des jeweiligen Parameters definiert.
Zur effizienten Auswertung wurde eine Excel-Anwendung programmiert, die iterativ den Geradenabschnitt herausfiltert, welcher der Hintergrundpopulation am exaktesten entspricht (Abb. 2). Die Ergebnisse des Verfahrens wurden sowohl durch eine visuelle Kontrolle mit einem Histogramm, dem die Kurve mit der sich ergebenden Normalverteilung überlagert wurde, als auch durch eine Korrelationsanalyse und den sog. d’Agostino-Pearson-Test auf Normalverteilung kontrolliert. Damit ist eine einfache Überprüfung der Übereinstimmung der angepassten Geraden mit den untersuchten Daten und für das Vorliegen einer Normal- bzw. Lognormalverteilung gegeben.
Die Auswertungen wurden durch die jeweiligen Bundesländer, die Flächenanteile an den jeweiligen HGC-Einheiten aufweisen, geprüft und, falls erforderlich, modifiziert. Die Ergebnistabellen wurden anschließend durch die BGR in die HÜK200-Datenbank übernommen.
Eine detailliertere Beschreibung der hier nur kurz angerissenen Methodik findet sich in WAGNER et al. (2014).
Abb. 3: Hintergrundwerte am Beispiel von Arsen
Ergebnisse:
Die im Rahmen des Projektes erarbeiteten Daten sind im Vektorformat verfügbar und können über das BGR Produktcenter heruntergeladen werden. Außerdem können die Daten über das Internet als Web Map Service (WMS) in Form von Karten (Abb. 3) und Info-Abfragen abgerufen werden. Der WMS-Dienst "HUEK200 HGW" ist im BGR Geoviewer bereits eingebunden und kann dort visualisiert werden (siehe unten).
Insgesamt können bis zu 39 Parameter (vgl. Tab. 1) betrachtet werden, allerdings ist die Datendichte sehr unterschiedlich, da für einige Spurenstoffe insbesondere in kleinräumigen HGC-Einheiten keine oder nicht ausreichend viele Messwerte zur Verfügung standen und im Rahmen der Bearbeitung vereinbart worden war, Grundgesamtheiten kleiner n=10 nicht auszuwerten.
Werte für Nitrat werden nicht dargestellt, da praktisch alle höheren Nitratwerte (>10 mg/l) anthropogen verursacht sind und weil es sich bei Nitrat um einen mit der Zeit stark veränderlichen Parameter handelt, so dass eine statistische Auswertung in weiten Bereichen zu keinen repräsentativen Hintergrundwerten führen würde.
Eine ausführliche Beschreibung der im WMS dargestellten Inhalte und Informationen zu den Hintergrundwerten findet sich in WAGNER et al. (2014).
Geoviewer:
Karten:
Daten:
Literatur:
- BLA-GEO & LAWA (2015): Hydrogeochemische Hintergrundwerte im Grundwasser und ihre Bedeutung für die Wasserwirtschaft. 22 S. (PDF, 1 MB)
- DÖRHÖFER, G., HANNAPPEL, S. & VOIGT, H. - J. (2001): Die Hydrogeologische Übersichtskarte von Deutschland HÜK 200. – Z. Angew. Geol., 47(4); Hannover.
- KUNKEL, R., WENDLAND, F., VOIGT, H.-J. & HANNAPPEL, S. (2004): Die natürliche, ubiquitär überprägte Grundwasserbeschaffenheit in Deutschland. - Schriften FZ Jülich, Reihe Umwelt, 47: 204 S.
- LAWA (2004): Ableitung von Geringfügigkeitsschwellenwerten für das Grundwasser. - Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (Hrsg.), 33 S., Düsseldorf.
- MARCZINEK, S., BEER, A., BUDZIAK, D, DREHER, T., ELBRACHT, J., FRITSCHE, H.-G., HOT-ZAN, G., HÜBSCHMANN, M., PANTELEIT, B., PETERS, A., POESER, H., SCHUSTER, H., WAGNER, B., WALTER, T., WIRSING, G., WITTHÖFT, M. & WOLTER, R. (2008): Natürliche Hintergrundwerte im Grundwasser – Erste Ergebnisse. In: SAUTER, M., PTAK, TH., KAUFMANN-KNOKE, R., LODEMANN, M., VAN DEN KERKHOF, A. (Hg.): Grundwasserressourcen: Kurzfassungen der Vorträge und Poster; Tagung der Fachsektion Hydrogeologie in der DGG, Göttingen, 21. bis 25. Mai 2008; Hannover. (PDF, 20 KB)
- WAGNER, B., BEER, A., BITZER, F., BROSE, D., BRÜCKNER, L., BUDZIAK, D., CLOS, P., FRITSCHE, H.G., HÖRMANN, U., HÜBSCHMANN, M., MOOSMANN, L., NOMMENSEN, B., PANTELEIT, B., PETERS, A., PRESTEL, R., SCHUSTER, H., SCHWERDTFEGER, B., WALTER, T. & WOLTER, R. (2014): Erläuterung zum Web Map Service (WMS) "Hintergrundwerte Grundwasser". 24 S.; Hof. (PDF, 1 MB)
- WAGNER, B., BEER, A., BROSE, D., BUDZIAK, D., CLOS, P., DREHER, T., FRITSCHE, H.-G., HÜBSCHMANN, M., MARCZINEK, S., PETERS, A., POESER, H., SCHUSTER, H., WAGNER, F., WALTER, T., WIRSING, G. & WOLTER, R. (2010): A Web Map Service of Groundwater Background Values in Germany. p. 714-715, Proceedings of the IAH-conference, 12. – 17. September 2010, Krakow, Poland.
- WAGNER, B., TÖPFNER, C., LISCHEID, G, SCHOLZ, M., KLINGER, R. & KLAAS, P. (2003): Hydrogeochemische Hintergrundwerte der Grundwässer Bayerns. – GLA Fachberichte, 21: 250 S.; München.
- WAGNER, B., WALTER, T., HIMMELSBACH, T., CLOS, P., BEER, A., BUDZIAK, D., DREHER, T., FRITSCHE, H.-G., HÜBSCHMANN, M., MARCZINEK, S., PETERS, A., POESER, H., SCHUSTER, H., STEINEL, A., WAGNER, F. & WIRSING, G. (2011): Hydrogeochemische Hintergrundwerte der Grundwässer Deutschlands als Web Map Service. - Grundwasser 16(3): 155-162; doi: 10.1007/s00767-011-0161-1
- WALTER, T., BEER, A., BROSE, D., BUDZIAK, D., CLOS, P., DREHER, T., FRITSCHE, H.-G., HÜBSCHMANN, M., MARCZINEK, S., PETERS, A., POESER, H., SCHUSTER, H., WAGNER, B., WAGNER, F., WIRSING, G. & WOLTER, R. (2010): Determining Natural Background Values with Probability Plots.- p. 716-717, Proceedings of the IAH-conference, 12. – 17. September 2010, Krakow, Poland.
- WALTER, T., BEER, A., DREHER, T., ELBRACHT, J., FRITSCHE, H.-G., HÜBSCHMANN, M., KÄMMERER, D., KRINGEL, R., MARCZINEK, S., PANTELEIT, B., PAWLITZKY, M., PETERS, A., SCHUSTER, H, WAGNER, B. & WIRSING, G. (2006): Ermittlung und Darstellung der natürlichen Hintergrundwerte der Grundwässer in Deutschland. In: VOIGT, H.-J., KAUFMANN-KNOKE, R., JAHNKE, C., HERD, R. (Hg.): Indikatoren im Grundwasser: Kurzfassungen der Vorträge und Poster; Tagung der Fachsektion Hydrogeologie in der DGG, Cottbus, 24. bis 28. Mai 2006; Hannover. (PDF, 17 KB)
Partner:
- Staatliche Geologische Dienste Deutschlands (SGD)
- Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA)
- Umweltbundesamt (UBA)
