Beregnungsbrunnen bauen: Das Grundwasser anzapfen
Mehr bewässerungsbedürftige Flächen bedeuten, dass mehr Wasser benötigt wird. Dafür werden vor allem neue Beregnungsbrunnen gebaut. Was bei Planung, Genehmigung und Brunnenbau beachtet werden sollte.
Von Dr. Björn Panteleit, Geologischer Dienst für Bremen
Auch wenn es in den vergangenen Monaten bereichsweise ergiebige Niederschläge gegeben hat, sind die Wasserdefizite der Vorjahre noch nicht ausgeglichen. So zeigt der Dürremonitor des Helmholz-Zentrums für Umweltforschung in Leipzig (UFZ) momentan für den Oberboden eine entspannte Situation, während für den Gesamtboden bis 1,8 m Tiefe gerade im Osten Deutschlands oft eine extreme bis außergewöhnliche Dürre ausgewiesen wird. Auch die in den Trockenjahren teilweise tief abgefallenen Grundwasserstände haben ihre langjährigen Mittelwerte vielerorts noch nicht wieder erreicht.
In den Klimaprognosen für Deutschland wird nur eine geringe Veränderung der Niederschlagsmengen erwartet. Jedoch werden deutliche Verschiebungen vom Sommer- zum Winterhalbjahr vorhergesagt, wodurch in der Vegetationsperiode weniger Niederschläge zur Verfügung stehen. Zugleich führen die höheren Temperaturen zu einer Steigerung der Verdunstung, sodass es insgesamt zu einer reduzierten Grundwasserneubildung kommt.
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Grundwasserstände auffüllen
Insbesondere die lang anhaltenden Niederschlagsdefizite führen zu geringen Grundwasserständen. Ein zusätzlicher negativer Effekt entsteht dadurch, dass die Niederschläge verstärkt als kurze Starkregen mit hohen Intensitäten auftreten. Deren Niederschlagsraten sind so hoch, dass sie überwiegend an der Oberfläche abfließen und nicht über die Infiltration zu einer Neubildung von Grundwasser führen.
Den Klimaprognosen folgend kann sich so die in den letzten Jahren beobachtete Abnahme der sommerlichen Sickerwasserrate weiter verringern. Was heute noch eine außergewöhnliche Dürre ist, kann also zukünftig womöglich Normalität werden. So werden die Bereiche zunehmen, in denen eine Feldbewässerung notwendig wird, um Erträge und Qualität in der landwirtschaftlichen Produktion abzusichern.
In einigen Bereichen gilt es zudem, eine Grundwasserversalzung aufgrund von zu hohen Entnahmen zu verhindern. An der Küste, aber auch im Binnenland, kann das zu einem Aufstieg von Salzwasser aus tieferen Grundwasserleitern führen, wenn eine trennende Tonschicht nicht ausgebildet ist. Verbesserungen der Bodenstruktur und die Rücknahme von Maßnahmen, die zur Beschleunigung des Abflusses in Oberflächengewässern geführt haben, können die Grundwasserneubildung durch höhere Infiltrationsraten verstärken. Zugleich wirken sich diese Maßnahmen positiv auf den Hochwasserschutz im Unterlauf der Fließgewässer aus.
Eine weitere mögliche Variante ist die Speicherung von Wasser, um den Überschuss aus den Phasen starker Niederschläge später in Trockenphasen nutzen zu können. Künstliche Speicher an der Oberfläche sind im Flachland kaum möglich. Aber auch direkt im Grundwasserleiter kann Wasser infiltriert und gespeichert werden. Dies ist über Drainagen mit wenig Gefälle möglich oder direkt über Brunnen, aus denen das Wasser später auch wieder gefördert wird.
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Brunnenbau: Erlaubnis- und Anzeigepflicht beachten
Die Entnahme von Grundwasser und insbesondere die Infiltration von Wasser in den Grundwasserleiter sind gemäß Wasserhaushaltsgesetz erlaubnispflichtig. Ansprechpartner ist hier die zuständige Wasserbehörde.
Der Bau von Brunnen muss darüber hinaus wie jede Bohrung beim zuständigen geologischen Landesamt nach Geologiedatengesetz (dem seit 2020 gültigen Nachfolger des Lagerstättengesetzes) angezeigt werden. Dies kann online oder mithilfe von Formularen der Geologischen Landesämter erfolgen (Tabelle). Auch die Ergebnisse der Brunnenbohrung und deren Ausbau sind dem Geologischen Landesamt zu übermitteln.
Kostenfreie Daten zur Planung von Bohrungen und Brunnen
Im Gegenzug liefern die Geologischen Dienste der Länder wichtige Daten zur Planung von Bohrungen und Brunnen kostenfrei über ihre jeweiligen Kartendienste im Internet. Diese sind insbesondere in Bereichen, in denen bislang eine Feldbewässerung kaum oder gar nicht erforderlich war und dementsprechend weniger Informationen über die Lage und Ausbildung der Grundwasserleiter bekannt sind, wichtige erste Informationsquellen.
Mit ihrer Hilfe kann der zeitliche und finanzielle Planungsaufwand reduziert werden und im ungünstigsten Fall Investitionen in eine Anlage, die sich als nicht realisierbar herausstellt, vermieden werden.
Wichtigste Informationen, die aus den Kartendiensten entnommen werden können, sind:
- wasserrechtliche Verbotsbereiche, in denen aus Gründen des Grundwasserschutzes keine Eingriffe in das Grundwasser erlaubt sind (im wesentlichen Schutzgebiete von Trinkwasserfassungen)
- Die Lage und Mächtigkeit der Grundwasserleiter ist besser direkt aus den Schichtenverzeichnissen von Bohrungen zu entnehmen als aus den kleinmaßstäblichen Karten, die lokale Unterschiede oft nicht abbilden können. Gute Informationen liefern auch die hydrogeologischen Profilschnitte, die bereits eine Interpretation der Bohrungen durch die Experten der geologischen Dienste enthalten. Die Profilschnitte sind allerdings nicht an jeder Stelle verfügbar.
- Die Durchlässigkeit der Schichten ist in den hydrogeologischen Profilschnitten oft direkt angegeben. In den Bohrungen gilt es, möglichst sandige Abschnitte mit einer ausreichenden Mächtigkeit von mindestens 10 m zu identifizieren. Feinkornanteile (Schluff) reduzieren die Ergiebigkeit oft erheblich und erfordern einen komplexeren Brunnenausbau. Ist laut der Beschreibung der Bohrung auch Ton in einer Schicht angetroffen worden, eignet sich diese meist nicht zur Gewinnung von Wasser, da die Ergiebigkeit zu gering ist und die feinen Partikel nicht vor dem Eintritt in den Brunnen abgefangen werden können.
Brunnenbau: Verfügbarkeit und Qualität prüfen
Konnte durch die Überprüfung der Geologie ein Grundwasserleiter identifiziert werden, der möglicherweise genutzt werden kann, ist noch zu prüfen, ob auch das Grundwasser selbst dieses zulässt. Dabei ist die wesentliche Voraussetzung die Verfügbarkeit. Weitere Aspekte sind:
- Die Lage der Grundwasseroberfläche informiert hier über den mittleren Wasserstand, teilweise werden auch Informationen zu Höchst- und Tiefstständen angeboten. Dabei sollte nicht zu knapp kalkuliert werden, denn durch die Förderung wird der Wasserspiegel im Brunnenbereich meist um mehrere Meter abgesenkt. Für die Pumpe sollte auch dann noch eine Überdeckung von mehreren Metern Wasser sichergestellt sein.
- Die Qualität des Grundwassers ist ein letzter wesentlicher Aspekt, der vorab geprüft werden sollte. Je nach vorgesehenem Verwendungszweck sind hier unterschiedliche Kriterien zu beachten, für die jedoch nicht in jedem Fall eine Information zur Verfügung gestellt werden kann. Für so gut wie jeden Verwendungszweck wird es einen maximal zulässigen Salzgehalt des Wassers geben. Darüber hinaus ist ein leicht erhöhter Salzgehalt im Grundwasser auch ein Warnsignal. Durch die Entnahme könnte hier tiefer liegendes Wasser mit noch höherem Salzgehalt angesaugt werden und den Grundwasserleiter dauerhaft vollständig versalzen. Dies gilt es im Interesse aller unbedingt zu vermeiden. Informationen zur Grundwasserversalzung sind dabei teilweise in Form des Chloridgehaltes oder der elektrischen Leitfähigkeit des Grundwassers „versteckt“, meist aber überall, oft auch tiefendifferenziert, verfügbar.
Aufschlussbohrung
Wenn die Recherche positive Ergebnisse ergeben hat, kann es an die nächsten Planungsschritte gehen. Hierfür sollte dann ein Brunnenbauer hinzugezogen werden. In jedem Fall sollten die Informationen aus den Kartendiensten vor Ort überprüft werden.
Hierzu dient eine Aufschlussbohrung, bei der auch Probenmaterial des Grundwasserleiters gewonnen werden kann. Ein Ausbau der Aufschlussbohrung als Messstelle ist kostengünstig und erleichtert später die Brunneninspektion durch Messung der Absenkung bei einer definierten Pumprate. Eine Korngrößenanalyse des gewonnenen Probenmaterials ist eine wertvolle Hilfestellung bei der auf die benötigte Pumprate angepassten Brunnendimensionierung.
Einflüsse auf die Brunnendimension
Ein Faktor beim Bau des Brunnens ist dessen Bemaßung. Sie sollte sowohl angepasst auf die benötigte Förderrate als auch auf die Durchlässigkeit des Grundwasserleiters sein. Zur Bemaßung zählt die Länge des Filterbereiches.
Um ein gleichmäßiges Einströmen des Wassers in den Brunnen zu ermöglichen, sollte der Filterbereich den Grundwasserleiter möglichst vollständig erschließen. Der Bereich, in dem die Pumpe später liegt, darf aus dem gleichen Grund jedoch nicht mit Filterschlitzen versehen sein. Kann die Pumpe aufgrund der Lage des Grundwasserspiegels nicht über oder aus technischen Gründen nicht unter dem Grundwasserleiter eingebaut werden, muss der Filterbereich unterbrochen werden.
Auch der Durchmesser ist ein wichtiger Aspekt. Hierbei gilt es, zwischen dem Bohrdurchmesser und dem Durchmesser des eingebauten Brunnenrohres zu unterscheiden. Grundsätzlich gilt: je größer der Durchmesser, desto größer auch die Fläche, über die das Wasser in den Brunnen eindringen kann. Mit zunehmender Fläche nimmt die Fließgeschwindigkeit ab und die Gefahr von Verockerungen oder Suffusion (Verstopfungen durch mitgerissenes Feinkorn) werden reduziert.
Natürlich sind größere Bohrdurchmesser kostenintensiver in der Herstellung. Zudem benötigt die Pumpe zur Kühlung eine Mindestfließgeschwindigkeit im Ringraum zum Brunnenrohr. So ist in Abhängigkeit von der Förderrate eine technische Obergrenze des Brunnenrohrdurchmessers gegeben.
Brunnenbau: Sorgfältig mit Filterkies auffüllen
Der Ringraum zwischen Brunnenrohr und dem Bohrdurchmesser wird mit einer Kiesschüttung (Filterkies) verfüllt. Hier ist sorgfältiges Arbeiten vom Fachmann gefragt, damit es zu keinen Fehlstellen kommt, die zur Sandführung des Brunnens und im schlimmsten Fall Geländesackungen führen können. Der Filterkies dient dazu, den Feinkornanteil aus dem Brunnen fernzuhalten und zugleich möglichst durchlässig für das Grundwasser zu sein, um Fließgeschwindigkeit und Absenkung des Brunnens gering zu halten.
Um seiner Filterfunktion gerecht zu werden, ergibt sich aus der Korngrößenverteilung des gewonnenen Probematerials aus der Aufschlussbohrung eine maximale Korngröße des Filterkieses. Aus dem Kriterium der guten Durchlässigkeit und der Schlitzweite des Brunnenrohres ergibt sich eine minimale Korngröße.
Passen diese beiden Werte nicht zusammen, ist die Kiesschüttung abgestuft in zwei Ringen durchzuführen. So wird in einem äußeren Kiesfilterring das Feinkorn abgetrennt und ein innerer Kiesfilterring erlaubt einen guten und gleichmäßigen Eintritt des Grundwassers in den Brunnen. Der Aufwand und sorgfältiges Arbeiten beim Brunnenbau machen sich bezahlt. Ein geringer Fließwiderstand reduziert wesentlich die späteren Betriebskosten. Die minimierte Absenkung des Wasserspiegels im Brunnen bei Förderung optimiert die Energiekosten der Pumpe. Ein turbulenzarmes Einströmen in den Brunnen verringert zudem die Gefahr der Verockerung und die damit verbundenen Kosten für Brunnenregenerationen.
Brunnen rechtzeitig regenerieren
Ganz wird sich eine Brunnenalterung durch Verockerung bei dem oft eisenreichen Grundwasser in Norddeutschland aber nicht vermeiden lassen. Beim Brunnen kann eine Alterung durch eine rechtzeitige Regenerierung jedoch rückgängig gemacht werden.
Hierfür ist es hilfreich, regelmäßig den Wasserstand im Brunnen während der Förderung zu messen. Die Möglichkeit hierzu sollte schon beim Brunnenbau mit geschaffen werden. Wird der Wasserstand im Brunnen bei gleicher Förderrate über die Jahre immer stärker abgesenkt, ist es Zeit für eine Brunneninspektion durch ein Fachunternehmen. Durch eine Kamerabefahrung kann dieser sachgerecht entscheiden, was zu tun ist.
Brunnenbau – Ein Fazit
Durch den Klimawandel wird zukünftig eine Feldbewässerung in Bereichen erforderlich, die bislang keinen Bedarf hatten. Die Speicherung von überschüssigem Wasser ermöglicht, das Grundwasser nicht übermäßig zu beanspruchen. In Norddeutschland bietet sich die unterirdische Wasserspeicherung an. Brunnen können dazu dienen, Wasser zu speichern und zu fördern.
Die Geologischen Dienste bieten mit kostenfreien Onlinediensten wichtige Informationen zur Vorplanung beim Brunnenbau. Eine sorgfältige, an den Standort angepasste Planung eines Entnahmebrunnens reduziert die Betriebskosten und sichert lange Standzeiten. Dies gilt auch für eine regelmäßige Überprüfung des Brunnenzustandes.
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