Grundwasser und Grundwasserneubildung
Eine wesentliche Aufgabe im Projekt KliWES stellte die Berechnung der Grundwasserneu-
bildung GWN dar.
Um den Begriff der „Grundwasserneubildung“ zu definieren, muss vorab geklärt werden, was
unter „Grundwasser“ zu verstehen ist. Die DIN 4049 definiert das Grundwasser als
„…unterirdisches Wasser, das die Hohlräume der Erdrinde zusammenhängend ausfüllt und
dessen Bewegung ausschließlich oder nahezu ausschließlich von der Schwerkraft und den
durch die Bewegung selbst ausgelösten Reibungskräften bestimmt wird“. Grundwasser ist i.
d. R. dauerhaft vorhanden. Die Neigung der Grundwasseroberfläche bedingt durch Differen-
zen in der Grundwasserstandshöhe erzeugt ein hydraulisches Potential. Dadurch fließt das
Grundwasser in den Hohlräumen des Gebietsuntergrundes. Grundwasser kann infolgedes-
sen punktuell oder diffus an der Geländeoberfläche austreten (Quellen) oder unmittelbar in
Oberflächengewässer hineinströmen. In diesen Fällen entsteht Grundwasserabfluss. Im
deutschen Wasserrecht beschreibt das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) Grundwasser als
„…das unterirdische Wasser in der Sättigungszone, das in unmittelbarer Berührung mit dem
Boden oder dem Untergrund steht“. Danach muss als Sonderform auch das Stauwasser zum
Grundwasser gerechnet werden. Stauwasser (WIKI Stau 2014) wird an sich nur in der Bo-
denkunde verwendet. Es entsteht, wenn die vertikale Versickerung durch gering wasser-
durchlässige Schichten z.B. aus Schluff oder Ton bereits im Boden behindert wird. Stauwas-
ser bildet sich primär nach länger anhaltenden Niederschlägen oder infolge der Schnee-
schmelze in Zeiträumen mit geringer Evapotranspiration (Winterhalbjahr). In sommerlichen
Trockenperioden mit gleichzeitig hohem Pflanzenwasserbedarf und einer Lage der stauen-
den Schicht kleiner als ca. 130cm unter Geländeoberkante verschwindet Stauwasser im Ge-
gensatz zum permanent vorhandenen Grundwasser in tieferen Schichten meist. Liegt die
Stausohle tiefer, wird das Wasser ggf. nicht mehr komplett durch die Vegetation gezehrt und
ist dann ständig vorhandenes Grundwasser. Als Schichtenwasser wird der Abfluss des
Stauwassers aus dem meist oberflächennahen, vom Hauptgrundwasserleiter unabhängigen
Grundwasserkörper bezeichnet. Nicht zum Grundwasser gehören:
durch Oberflächenspannung und Kapillareffekte gebundenes unterirdisches Wasser
in der ungesättigten Bodenzone (Bodenfeuchte, Haftwasser) und
Sickerwasser in der ungesättigten Bodenzone.
Grundwasser wird in Hohlräume der Erdrinde gespeichert bzw. bewegt sich in diesen. Diese
werden nach der geologischen Beschaffenheit des Untergrunds unterteilt in:
Poren (Lockergestein wie z. B. Sand, Kies, Schluff und Sedimentgesteine z.B. Sand-
stein),
Klüfte (Festgesteine, wie z. B. Granit, Gneis, Basalt) oder
durch Lösungsprozesse entstandene Hohlräume (Karst z. B. Kalkstein, Salzgestein).
Die jeweils zugehörigen Grundwässer werden unterschieden in Porengrundwasser, Kluft-
grundwasser und Karstgrundwasser. Mischformen sind möglich, wie z.B. Kluft-/ Poren-
grundwasser in porösen Festgesteinen (z. B. bestimmte Sandsteine).

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Die Grundwasserneubildung GWN wird gemäß DIN 4049-3 (1994) als "Zugang von infiltrier-
tem Wasser zum Grundwasser" definiert. Wasser, welches aus Oberflächengewässern ver-
sickert, stellt ggf. eine weitere Quelle für die GWN dar. Gemäß HAD (2003) „…ist die
Grundwasserneubildung der Wasserüberschuss, der vom korrigierten Niederschlag nach
Abzug der verdunstenden und schnell abfließenden Anteile übrig bleibt. Im langjährigen Mit-
tel entspricht dieser Rest dem aus dem Grundwasserspeicher stammenden Basisabfluss
(grundwasserbürtiger Abfluss im Oberflächengewässer). Die Abbildung 1 zeigt die wesentli-
chen beteiligten Prozesse.
Abbildung 1:
Wesentliche an der Grundwasserneubildung beteiligte Prozesse (Quelle HAD, 2003)
Die Grundwasserneubildung aus Niederschlägen wird primär von folgenden Faktoren be-
stimmt:
Klima (Menge und Verteilung des Niederschlags, Jahresgang der Evapotranspiration,
Schneeschmelze),
Boden (Infiltrationsvermögen, Wasserleitfähigkeit, Nutzbare Feldkapazität, Wasser-
gehalt),
Grundwasserflurabstand (kapillarer Aufstieg, Zehrung),
Nutzungsart (Wald, Grünland, Acker etc.) und Nutzungsform (Nutzungsdichte, Aus-
prägungen wie Alter oder Höhe der Vegetation),
Versiegelungsgrad.
Nach dieser Einleitung stellt sich die Frage, wie die GWN unter Verwendung der Ergebnisse
aus KliWES konkret zu ermitteln ist. Die Prozesse im Sickerraum nach Abbildung 1 berech-
net das Bodenwasserhaushaltsmodell von ArcEGMO. Bezüglich der Festlegung der GWN ist
die berechnete Versickerung aus der Bodenzone (Perkolation) die relevante Modellausgabe.
Diese muss reduziert werden um den kapillaren Aufstieg, durch den Wasser aus dem
Grundwasserraum zurück in den Bereich der Bodenfeuchte gelangt. Als Saldo ergibt sich für
eine Berechnungsfläche (Hydrotop) zunächst eine GWN = Versickerung minus kapillarer
Aufstieg, welche den Grundwasserabfluss speist. Beim Übergang von der einzelnen Berech-
nungsfläche zum Einzugsgebiet muss mit der Zehrung ein weiterer Prozess berücksichtigt
werden. Zehrung tritt auf Flächen mit oberflächennahem Grundwasser auf. Ist das Grund-
wasser so nahe der Oberfläche, dass in Abhängigkeit von den anstehenden Böden der kapil-
lare Aufstieg bis in den Wurzelraum der Pflanzen reicht, speist der Kapillaraufstieg aus dem
Grundwasser zusätzlich zum pflanzenverfügbaren Wasser in der Bodenzone unmittelbar die

Pflanzenverdunstung. Auf grundwassernahen Berechnungsflächen erreicht die reale Ver-
dunstung dadurch Werte, die nahe bis gleich der potentiellen Verdunstung sind. In ArcEGMO
wird dieses Phänomen so umgesetzt, dass auf grundwassernahen Berechnungsflächen zu
jedem Zeitpunkt potentielle Verdunstung angenommen wird. Das dafür notwendige Wasser
entstammt dem Bodenwasser und der Zehrung aus dem Grundwasser. Das bedeutet, dass
auf grundwassernahen Flächen dar Saldo aus Versickerung und kapillaren Aufstieg / Zeh-
rung u. U. kleiner als Null ist. Diese „negative Grundwasserneubildung“ wird ausgeglichen, in
dem der Grundwasserabfluss aus grundwasserfernen Flächen beim Passieren grundwas-
sernahen Flächen gezehrt wird, bis der negative Saldo ausgeglichen ist. In der Betrach-
tungsebene Einzugsgebiet errechnet sich die GWN für das Gesamtgebiet aus der Summe
der Versickerung minus den kapillaren Aufstieg über alle Berechnungsflächen minus der
Summe der direkten Verdunstungszehrung aus dem Grundwasser auf allen grundwasserna-
hen Berechnungsflächen. Diese Grundwasserneubildung speist den Grundwasserabfluss
RG aus dem betrachteten Einzugsgebiet. Wie Abbildung 1 zeigt, wird der Grundwasserab-
fluss in verschiedene Abflusskomponenten zerlegt. Die Ursachen für die Entstehung von
Abflusskomponenten liegen in der Heterogenität des unterirdischen Abflussraumes. So herr-
schen in der Zersatzzone des Festgesteins andere geohydraulische Verhältnisse als in den
Klüften und Poren des Gesteins. Beim Übergang vom Boden zum Festgestein ist häufig mit
Stauwasser zu rechnen. Eine vertikale Abfolge von Grundwasserleitern und Grundwasser-
nichtleitern hat i. d. R. die Ausbildung von mehreren übereinander liegende Grundwasser-
stockwerken (Horizonte) zu Folge. Diese nur beispielhaft genannten Phänomene führen im
Grundwasserraum dazu, dass die GWN auf unterschiedlich schnell abfließende Grundwas-
serabflussanteile aufgeteilt werden muss. Zu Berechnung des Abflusses und seiner Anteile
kommen mathematische Grundwassermodelle zum Einsatz. Dazu werden physikalisch be-
gründete analytische oder numerische Grundwasserströmungsmodelle oder konzeptionelle
Grundwasserabflussmodelle genutzt. Die sachsenweite Anwendung von Strömungsmodellen
war wegen des hohen Aufwandes und der notwendigen Daten und Informationen nicht un-
setzbar. Im Projekt KliWES wurde deshalb, wie auch allgemein üblich bei großräumigen
Wasserhaushaltsuntersuchungen, ein Grundwasserabflussmodell genutzt. Das Modell
SLOWCOMP wurde im Rahmen der Untersuchungen in der Säule A von KliWES entwickelt
und parametrisiert. Es ist direkt in das Wasserhaushaltsmodell ArcEGMO für die Berechnung
der unterirdischen Abflusskomponenten implementiert. SLOWCOMP wurde ausgehend von
einer sehr großen Zahl von Abfluss- und Niedrigwasseranalysen erstellt. Es unterteilt den
aus der Grundwasserneubildung entstehenden Grundwasserabfluss RG in eine langsame
Komponenten RG2 und eine schneller abfließende Komponente RG1. Beide entstammen
gemäß den genannten Definitionen dem Grundwasser, so dass gilt:
GWN = RG1 + RG2
RG1 umfasst im Festgesteinsbereich primär Stauwasser, Schichtenwasser, Abfluss aus sehr
gut und schnell drainablen Störungs- und Zersatzzonen, Karstabfluss etc. Typisch für RG1
ist das häufige und regelmäßige weitgehende Versiegen dieser Komponente in sommerli-
chen Trockenperioden. RG2 ist dagegen eine Komponente, die in Trockenwetterabflusszei-
ten oftmals als einzige verbliebene Komponente noch zum Abfluss im Oberflächengewässer
führt. RG2 entstammt im Wesentlichen dem Kluft- und/oder Porenraum und ist durch dessen
Speichervermögen und geohydraulische Eigenschaften in Menge und Abflussverhalten ge-

prägt. Hinsichtlich einer Bewirtschaftung verkörpert RG2 ein stabiles grundwasserbürtiges
Dargebot.
Für den Lockergesteinsbereich kann gezeigt werden, dass RG1 und RG2 einem gemeinsa-
men Grundwasserherkunftsraum entstammen. Neben diesen für den Grundwasserabfluss
aus dem für das Gebiet maßgeblichen Hauptgrundwasserleiter sind auch im Lockerge-
steinsbereich insbesondere in der Komponente RG1 (zeitweilig) Anteile von Abflüssen aus
Stau- und Schichtenwasser möglich. RG1 versiegt im Lockergesteinsbereich deutlich selte-
ner und kürzer als im Festgesteinsbereich.
Für die Festlegung der nutzbaren Menge an Grundwasser ist somit nicht nur die Grundwas-
serneubildung, sondern vor allem das stabil verfügbare und ggf. bewirtschaftungsfähige
Grundwasserdargebot entscheidend.
So existieren in Sachsen viele Bereiche insbesondere in den Mittelgebirgen mit hohen klima-
tisch bedingten Grundwasserneubildungsraten. Häufig liegt aber nur ein geringes Speicher-
vermögen im Kristallin des Untergrunds vor, welches einerseits zu relativ hohen grundwas-
serbürtigen Abflüssen in den Neubildungsperioden führt und andererseits sehr schnelle
Rückgänge des Grundwasserabflusses in Trockenzeiten verursacht.
Das Grundwasserdargebot kann daher nicht zwangsläufig mit der Grundwasserneubildung
gleichgesetzt werden.
Das Wasserhaushaltsportal Sachsen gibt sowohl in der Säule A (DIFGA - Ergebnisse) als
auch in der Säule B (Ergebnisse verschiedener mittels ArcEGMO berechneter Wasserhaus-
haltsszenarien) anstatt der Grundwasserneubildung GWN die Abflusskomponenten RG1 und
RG2 sowie die Summe aus beiden Größen aus.
Auch wenn unter Beachtung der genannten Definitionen für Grundwasser und Grundwas-
serneubildung sachsenweit an sich GWN = RG1 + RG2 gilt, sollte je nach Beschaffenheit
des geologischen Untergrundes die Grundwasserneubildung für wasserwirtschaftliche Fra-
gestellungen regional unterschiedlich bestimmt werden.
Im Allgemeinen sollte im Festgesteinsbereich für die Grundwasserneubildung nur die lang-
samen Grundwasserkomponente RG2 verwendet werden. Der Grund ist, dass die Kompo-
nente RG1 nur temporär verfügbar ist, sehr starken Schwankungen unterliegt und in den
Sommermonaten nur episodisch auftritt bzw. häufig komplett versiegt.
Für den Lockergesteinsbereich wird unter der Grundwasserneubildung die Summe aus der
schnellen und der langsamen Grundwasserkomponente RG1+RG2 verstanden, da sie in
Porengrundwasserleitern überwiegend einem Herkunftsraum / Aquifer entstammen.
Übergangsbereiche zwischen beiden Verfestigungen müssen hinsichtlich der Grundwasser-
neubildung im Einzelfall geprüft werden.
Zur Bestimmung der Grundwasserneubildung wird die folgende Konvention vorgeschlagen:
1. Das gesuchte Gebiet befindet sich im Lockergesteinsbereich: GWN = RG1 + RG2
2. Das gesuchte Gebiet befindet sich im Festgesteinsbereich: GWN = RG2
Informationen ob das gesuchte Gebiet im Locker- oder Festgesteinsbereich liegt, können der
Abbildung 2 oder den zum Download zur Verfügung gestellten Shapefiles entnommen wer-
den.

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Die Konvention ist eine begründete Empfehlung. Sie entbindet nicht davon, ihre Sinn-
fälligkeit im konkreten Fall in Abhängigkeit von den Gebietseigenschaften und der
konkreten Aufgabenstellung zu überprüfen und ggf. die GWN abweichend festzulegen.
Abbildung 2:
Lage der Locker- und Festgesteinsbereiche in Sachsen als Grundlage zur
Anwendung der GWN - Konvention
Literatur:
DIN 4049 (1992): Teil 1: Hydrologie: Grundbegriffe. DIN Deutsches Institut für Normung e. V.
Berlin
DIN 4049-3 (1994): Hydrologie - Teil 3: Begriffe zur quantitativen Hydrologie. DIN Deutsches
Institut für Normung e. V. Berlin
Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushalts (Wasserhaushaltsgesetz - WHG). Bundesministe-
rium der Justiz, Erstfassung 1957, Neufassung 2009, letzte Änderungen 2013, in der jeweils
aktuellen Fassung
Hydrologischer Atlas von Deutschland (HAD). Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz
und Reaktorsicherheit (BMU).
SCHWARZE, R.; DRÖGE, W.; OPHERDEN, K. 1999: Regional analysis and modelling of
groundwater runoff components from catchments in hard rock areas. IAHS Publ. No. 254,
pp. 221-232.
SCHWARZE, R.; DRÖGE, W.; OPHERDEN, K. 1999: Regionalisierung von Abflusskompo-
nenten, Umsatzräumen und Verweilzeiten für kleine Einzugsgebiete im Mittelgebirge. In:
Hydrologie und Regionalisierung, S. 345-370. Hrsg. Hans-B. Kleeberg et al. Weinheim. Wi-
ley-VCH, 1999.

SCHWARZE, R. 1999: Grundwasser. In: Hydrologie und Regionalisierung, S. 78-98. Hrsg.
Hans-B. Kleeberg et al. Weinheim. Wiley-VCH, 1999.
WIKI_Stau(2014):
http://de.wikipedia.org/wiki/Stauwasser
(7.4.2014)