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 sich aus der EU-WRRL ergebenden Aufgaben haben die Staatlichen Geologischen Dienste Deutschlands (SGD) die Unterarbeitsgruppe EU-WRRL (UAG EU-WRRL) als koordinierendes Gremium eingerichtet. Ein wesentliches Produkt der bisherigen Arbeit der UAG EU-WRRL ist die Hydrogeologische Übersichtskarte von Deutschland 1:250.000 (HÜK250).
Ein Personenkreis dieser UAG EU-WRRL, der Personenkreis Hintergrundwerte Grundwasser (PK HGW), beschäftigt sich seit 2005 mit der Ermittlung und statistischen Interpretation von Hintergrundwerten im Grundwasser.
Projektziel und Vorgehen
Ein wesentliches Ziel des PK HGW war es, auf der Basis von Einzelanalysen aus den Jahren 1980 bis 2005 an knapp 50.000 Grundwasserproben eine flächendeckende Übersicht über die grundwasserleiterbezogenen Hintergrundgehalte des Grundwasers in Deutschland zu erstellen. Dazu wurden in einem ersten Schritt die ca. 1100 hydrogeologischen Einheiten der Hydrogeologischen Übersichtskarte von Deutschland (HÜK250) zu hydrochemisch ähnlichen Hydrogeochemischen (HGC) Einheiten zusammengefasst.
Nach Zuordnung der Grundwasseranalysen zu den einzelnen HGC-Einheiten wurden die Daten zu 10 hydrogeologischen Großräumen zusammengefasst und von den SGD und der BGR statistisch ausgewertet. Daraus ergaben sich insgesamt 186 HGC-Einheiten, von denen für 112 Einheiten genügend Messerte (mindestens 10) und damit statistische Auswertungen vorlagen. Diese Einheiten decken ca. 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 in den Lockergesteinen Norddeutschlands wurde die Auswertung auf Proben aus Tiefen < 50 m beschränkt.
Da bei der ersten Datenerhebung im Jahr 2005 für einige Spurenelemente noch größere Lücken in der Flächenabdeckung bestanden, wurde für besonders relevante Spurenelemente mit vorhandenen 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 Datenerhebung durchgeführt. Die statistische Neuauswertung für diese Parameter führte zu einer deutlich höheren Flächenabdeckung.
Methodik
Die statistische Auswertung der Parameter erfolgte teilautomatisiert mit Hilfe von Wahrscheinlichkeitsnetzen (WALTER et al., 2006). Mit dieser Methode ist es auf relativ einfache Weise möglich, Teilpopulationen zu erkennen und Anomalien von der Hintergrundpopulation zu trennen, da Mischungen verschiedener Populationen als Teilgeraden unterschiedlicher Länge und Steigung dargestellt werden. Ursachen für solche Anomalien können z. B. anthropogene Grundwassereinflüsse, aber auch lokale natürliche Phänomene wie Vererzungen, Küsten- oder Binnenversalzungen oder Versauerungszonen in kristallinen Gesteinen sein (MARCZINEK et al., 2008).
Aus der Lage der Normalpopulation im Wahrscheinlichkeitsnetz können deren statistische Kenngrößen (Mittelwert, Standardabweichung und Perzentile) bestimmt werden. Im vorliegenden Projekt wird der Hintergrundwert durch das 90 %-Perzentil des jeweiligen Parameters definiert.
Zur effizienten Auswertung wurde eine Excel-Anwendung programmiert, die iterativ den Geradenabschnitt herausfiltert, der der Hintergrundpopulation am genauesten entspricht. Die Ergebnisse des Verfahrens wurden sowohl durch eine visuelle Kontrolle mit einem Histogramm, dem die resultierende Normalverteilungskurve überlagert wurde, als auch durch eine Korrelationsanalyse und den sogenannten d’Agostino-Pearson-Test auf Normalverteilung überprüft. 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 von die jeweiligen Bundesländern, die Flächenanteile an den jeweiligen HGC-Einheiten haben, überprüft und ggf. modifiziert. Die Ergebnistabellen wurden anschließend von der BGR in die HÜK250-Datenbank übernommen.
Eine ausführlichere Beschreibung der hier nur kurz skizzierten Methodik findet sich in WAGNER et al. (2014).
Ergebnisse
Die im Rahmen des Projektes erarbeiteten Daten liegen im Vektorformat vor und können über das Geoportal der BGR heruntergeladen werden. Zusätzlich können die Daten über das Internet als Web Map Service (WMS) in Form von Karten und Informationsabfragen abgerufen werden. Der WMS-Dienst "HUEK200 HGW" ist bereits in den BGR-Geoviewer integriert und kann dort visualisiert werden (siehe unten).
Insgesamt können bis zu 39 Parameter betrachtet werden (siehe Tabelle), wobei die Datendichte sehr unterschiedlich ist, da für einige Spurenstoffe insbesondere in kleinräumigen HGC-Einheiten keine oder nicht ausreichend viele Messwerte vorlagen und im Rahmen der Bearbeitung vereinbart wurde, Grundgesamtheiten kleiner n=10 nicht auszuwerten.
Werte für Nitrat werden nicht dargestellt, da praktisch alle höheren Nitratwerte (> 10 mg/l) anthropogenen Ursprungs sind und Nitrat ein zeitlich stark schwankender Parameter ist, so dass eine statistische Auswertung in weiten Bereichen nicht zu repräsentativen Hintergrundwerten führen würde.
Eine detaillierte Beschreibung der im WMS dargestellten Inhalte und Informationen zu den Hintergrundwerten findet sich in WAGNER et al. (2014).
Weiterführende Literatur
- BLA-GEO & LAWA (2015): Hydrogeochemische Hintergrundwerte im Grundwasser und ihre Bedeutung für die Wasserwirtschaft. 22 S.
Download (PDF, 1MB, Datei ist nicht barrierefrei) - 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. (Hrsg.): Grundwasserressourcen: Kurzfassungen der Vorträge und Poster; Tagung der Fachsektion Hydrogeologie in der DGG, Göttingen, 21.–25. Mai 2008; Hannover.
Download (PDF, 20KB, Datei ist nicht barrierefrei) - 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.
Download (PDF, 1MB, Datei ist barrierefrei/barrierearm) - 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. (Hrsg.): Indikatoren im Grundwasser: Kurzfassungen der Vorträge und Poster; Tagung der Fachsektion Hydrogeologie in der DGG, Cottbus, 24.–28. Mai 2006; Hannover.
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