Grundwasser für Sønderjylland und Schleswig ein grenzüberschreitendes Hydrogeologisches Untersuchungsprogramm

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1 Grundwasser für Sønderjylland und Schleswig ein grenzüberschreitendes Hydrogeologisches Untersuchungsprogramm Sven Christensen Reinhard Kirsch Wolfgang Scheer Einführung Die sichere und qualitativ hochwertige Wasserversorgung ist ein wichtiges Kriterium für die Zukunftsfähigkeit einer Gesellschaft. Dies gilt insbesondere für Grenzregionen, wo gemeinsam Grundwasserleiter genutzt werden und Verschmutzungen des Grundwassers die Wasserversorgung beider Seiten beeinträchtigen können, die Verantwortung für die Wasserversorgung aber bei zwei unterschiedlichen Administrationen liegt. Voraussetzung für eine grenzüberschreitende Zusammenarbeit ist eine gemeinsame Datenbasis als Entscheidungsgrundlage für den Grundwasserschutz sowie für die zukünftige Bewirtschaftung des Grundwassers. Daher wurden von Sønderjyllands Amt, Teknisk Forvaltning, Grundvandsafdelingen (Tønder) und dem LANU gemeinsam in den Jahren 2000 bis 2002 die Grundwasserverhältnisse im östlichen Bereich der gemeinsamen Grenze, insbesondere in der Region Flensburg/Padborg, untersucht. Dieses Projekt wurde von der EU im Rahmen des INTERREG II Programms gefördert. Als Ziel des Projektes sollte ein geologisches Modell der Grenzregion erstellt werden, das detaillierte Informationen über Verbreitung, Mächtigkeit und Tiefenlage der wichtigsten Grundwasserstockwerke liefert und die Basis für eine qualitative und quantitative Bestimmung der Grundwasserströmungsverhältnisse darstellt. Hierzu war der integrierte Einsatz hydrogeologischer und geophysikalischer Untersuchungsverfahren erforderlich. Abbildung 1: Geomorphologische Darstellung des Projektgebietes (Kartengrundlage Landesvermessungsamt Schleswig-Holstein, DGM 50 und ATKIS -Basis-DLM) Die Untersuchungen erfolgten in Kooperation mit einer Reihe von Forschungsinstitutionen und Fachfirmen. An der Durchführung des Projektes waren beteiligt: Geologiskt Institut, Aarhus Universitet Kort og Matrikelstyrelsen, Kopenhagen Institut für Geowissenschaften, Christian- Albrechts-Universität Kiel THOR Geophysical GmbH, Kiel Institut für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover Institut für Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben, Hannover RIZA, Lelystad, Niederlande Institut für Geophysik der Ruhr-Universität Bochum 156

2 Geologie und Hydrogeologie des Untersuchungsgebietes Die geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse im Projektgebiet kann man sich anhand eines vereinfachten Schnitts veranschaulichen, wie er in Abbildung 2 dargestellt ist. Die oberflächennahen Ablagerungen bestehen einerseits aus Sanden und Kiesen, die aufgrund ihrer Korngrößenzusammensetzung für Grundwasser besonders gut durchlässig sind und potenziell nutzbare Grundwasserspeicher darstellen, sowie andererseits aus Tonen und Schluffen, in denen die Durchlässigkeit für das Grundwasser stark eingeschränkt ist. Eine Besonderheit der eiszeitlichen Sedimente ist der Geschiebemergel, ein Gemenge aus Gesteinen aller Korngrößenfraktionen, das als Moränenmaterial von den Gletschern abgelagert wurde und meistens eine relativ geringe Durchlässigkeit für Grundwasser aufweist. An der Erdoberfläche stehen quartäre Sedimente an, deren Mächtigkeit von wenigen Metern bis weit über 100 Metern schwanken kann. Entstanden sind diese Schichten überwiegend während der Vereisungsphasen der letzten drei Kaltzeiten, als es im skandinavisch-baltischen Raum zur Bildung mächtiger Inlandseismassen kam, deren Gletscher Dänemark und Norddeutschland erreichten. Die Geländeoberfläche in Sønderjylland und Schleswig-Holstein wurde erst in der jüngeren Erdgeschichte durch die Eismassen der letzten beiden Eiszeiten geformt. Dabei ließen die aus dem fennoskandischen Raum vorstoßenden Gletscher und die beim Abtauen des Eises abfließenden Schmelzwässer die heute charakteristischen Landschaftsräume zwischen Nord- und Ostsee entstehen. Eine besondere Untergrundstruktur mit glazialem Ursprung ist im rechten Teil des Schnittes im Bereich der Flensburger Förde skizziert: eine quartäre Rinne, die durch die Tätigkeit der Gletscher tief in die tertiären Schichten eingeschnitten ist und die, sofern sie mit sandigem Material verfüllt ist, ein ergiebiges Grundwasserreservoir darstellt. Die Schichten des jüngeren Tertiärs (abgelagert vor 2,4 bis 23 Millionen Jahren) bestehen aus einer Wechsellagerung von grundwasserleitenden Sanden (Grundwasserleiter) und tonig-schluffigen Schichten, die nur eine sehr geringe Wasserströmung zulassen (Trennschichten). Die wichtigsten tertiären Grundwasserleiter sind die sogenannten miozänen Braunkohlensande (Odderup und Ribe-Formation sowie Bastrup Sande) mit der eingelagerten schluffig-tonigen Trennschicht der Arnum Formation. Abgedeckt werden die Braunkohlensande über weite Bereiche durch den sehr gering durchlässigen Oberen Glimmerton als Trennschicht. Im Süden des Projektgebietes sind lokal als jüngster tertiärer Grundwasserleiter die pliozänen Kaolinsande verbreitet. Darunter folgen die mächtigen Ablagerungen des Alttertiärs (abgelagert vor 23 bis 65 Millio- Abbildung 2: Hydrogeologischer Schnitt durch das Projektgebiet 157

3 Tabelle 1: Hydrogeologischer Aufbau des Projektgebietes Hydrogeologischer Aufbau des Projektgebietes Stratigraphie Alter (Jahre v.h.) Geologische Schichten Hydrogeologische Bedeutung Holozän (Nacheiszeit) Auelehme, Flugsande, Dünensande lokale freie Wasserleiter und Trennschichten QUARTÄR Weichsel-Eiszeit Eem-Warmzeit Saale-Eiszeit Holstein-Warmzeit Elster-Eiszeit Sande und Kiese, Geschiebemergel, Beckentone und -schluffe Wasserleiter und Trennschichten ältere Warm- und Kaltzeiten Pliozän 2,4 Mio 5 Mio im Projektgebiet nicht nachgewiesen Kaolinsande lokal verbreiteter, ergiebiger Wasserleiter Oberer Glimmerton hydraulische Trennschicht _ Obere Braunkohlensande (Odderup Fm) flächenhaft verbreiteter, ergiebiger Wasserleiter TERTIÄR Miozän Schluffe und Feinsande (Arnum Fm) Untere Braunkohlensande (Ribe Fm, Bastrup Sand) hydraulische Trennschicht flächenhaft verbreiteter Wasserleiter KREIDE Oligozän Eozän Paläozän 23 Mio 65 Mio 135 Mio Unterer Glimmerton Tone und Schluffe Kreidekalke hydraulische Trennschicht, Sohlschicht wasserwirtschaflich nicht nutzbar nen Jahren), die überwiegend aus Tonen und Schluffen bestehen und keine nutzbaren Wasserleiter enthalten. Die tiefste Schicht, die im Rahmen des Projektes betrachtet wurde, ist die Kreide, deren Oberkante in Tiefen von 400 bis über Meter liegt. Diese Abfolge von tertiären sandigen und tonigen Ablagerungen, deren Mächtigkeit von Ort zu Ort stark schwanken kann, spiegelt die bewegte geologische Entwicklungsgeschichte der Jütländischen Halbinsel wider. Zur Zeit der Entstehung der tertiären Schichten lag das heutige Projektgebiet im Randbereich des marinen Nordseebeckens, in dem es durch Landhebungen im skandinavischen Raum sowie Senkungen im Bereich des norddeutschen Beckens zu mehrfachen Verlagerungen der Küstenlinie kam. Unter marinen Bedingungen wurden überwiegend Tone und Schluffe abgelagert, herrschten zeitweise festländische Bedingungen vor, kam es überwiegend zu Ablagerung von Sanden. Diese Sedimentationsbedingungen wurden zusätzlich durch Bildung und Aufstieg von Salzstöcken beeinflusst. Außerdem wird die Lagerung der tertiären Schichten vor allem durch zwei tektonische Großstrukturen im Projektgebiet bestimmt, den Tondern Graben und die Flensburg-Sieverstedter Störungszone. Das Geologische Modell Grundwasserleiter und Trennschichten zeigen im Projektgebiet sowohl in horizontaler wie auch in vertikaler Richtung einen sehr heterogenen Aufbau. Als Ergebnis des Projekts wurde, unter Berücksichtigung der durch die hydrogeologischen und geophysikalischen Untersuchungen neu gewonnenen Daten, ein dreidimensionales geologisches Modell erstellt. Hydrogeologisch lassen sich die verschiedenen Grundwasserleiter mehreren flächenhaft verbreiteten Grundwasserstockwerken zuordnen: 1. Grundwasserstockwerk: sandige bis kiesige Ablagerungen der Sandergebiete im zentralen und westlichen Teil des Projektgebietes 158

4 Abbildung 3: Tektonische Gliederung des Projektgebietes (Kartengrundlage: Rasterdaten-TÜK 200, Bundesamt für Kartographie und Geodäsie) 159

5 Die im Modell entwickelte Vorstellung vom hydrogeologischen Aufbau wurde in zahlreichen Schnittzeichnungen und Themenkarten dargestellt. Beispielhaft wird im folgenden dargestellt: die Tiefenlage der Kreideoberkante die Mächtigkeit der quartären Ablagerungen das abgeleitete Grundwassermodell eine Abschätzung der Schutzwirkung der Grundwasserdeckschichten Tiefenlage der Kreideoberkante Die Kreideoberkante ist untere Begrenzung der im Projektrahmen betrachteten Ablagerungen und zeichnet sich in seismischen Profilen als markanter Reflexionshorizont ab. Die Topographie dieses Horizontes spiegelt tektonische Bewegungen wider, denen auch die Schichtgrenzen der überlagernden tertiären Ablagerungen folgen. Zur Erfassung des Tiefenverlaufs der Kreideoberkante wurden Bohrungen ausgewertet sowie seismische Messungen durchgeführt (Abbildung 5). Auf dänischer Seite erfolgten diese Messungen hauptsächlich entlang eines langen Profils von Terkelsbøl nach Jardelund A1 B1), um eine Korrelation von dänischen und deutschen Bohrungen zu ermöglichen. In Schleswig-Holstein wurde eine Anzahl kürzerer Profile seismisch vermessen, um ein flächenhaftes Bild der Kreideoberkante zu erhalten. Abbildung 4: Schematisches geologisches Modell - daraus abgeleitet: Mächtigkeits- und Basispläne für Grundwasserleiter und ihre Trennschichten 2. Grundwasserstockwerk: Sande der Moränenablagerungen 3. Grundwasserstockwerk: miozäne Braunkohlensande Eine Sonderstellung innerhalb der unterschiedlichen Grundwasserleitersysteme des Untersuchungsgebietes stellen die Sedimente der eiszeitlichen Rinnen dar. Sind diese Rinnen mit überwiegend sandig-kiesigem Material verfüllt, können auch sie bedeutende nutzbare Grundwasserspeicher bilden. Als Beispiel für die seismischen Messungen ist ein Profil aus dem Raum Harrislee gezeigt, bei dem sich die Kreideoberfläche in ca. 600 m Tiefe erkennen lässt (Abbildung 6). Die Ergebnisse der Bohrungen und der seismischen Messungen wurden in einer Karte der Kreideoberkante zusammengefasst (Abbildung 7). Die Karte zeigt den tektonischen Aufbau des Gebietes mit hoch liegenden Schichten, beispielsweise über den Salzkissen bei Böxlund und zwischen Meyn und Großenwiehe, sowie den tief eingesunkenen Schichten im Verlauf des Tarper Troges und des Tondern Grabens. Aus der Morphologie der Kreideoberfläche konnten wiederum die Lagerungsverhältnisse der jüngeren tertiären Schichten auch in jenen Bereichen abgeleitet werden, in denen keine Informationen aus tieferen Bohrungen vorhanden sind. Tiefenlage der Quartärbasis Weitere wichtige Erkenntnisse lieferten die geophysikalischen Messungen auch über die 160

6 Abbildung 5: Ausgewertete Bohrungen und seismische Profile im Projektgebiet (Bohrpunkte rot, Seismische Profile violett) Morphologie der Quartärbasis. Hieraus lassen sich, in Verbindung mit der jeweiligen Geländehöhe, die Gesamtmächtigkeiten der quartären Sedimente ableiten. Während die Quartärbasis über weite Bereiche zwischen 20 und 60 m unter NN liegt, haben sich im Verlauf der Flensburger Förde, davon in nordwestlicher Richtung abzweigend zwischen Kollund und Tinglev, sowie bei Böxlund und südlich von Oeversee eiszeitliche Rinnen tiefer als 100 Meter unter Normalnull in die unterlagernden tertiären Schichten eingeschnitten. Dort sind potenziell nutzbare tiefe eiszeitliche Grundwasserleiter vorhanden. Grundwassermodell Um die komplexen hydraulischen Zusammenhänge der im Projektgebiet verbreiteten Grundwasserleitersysteme besser darstellen zu können, wurde im Herbst 2001 eine rechnergestützte Grundwassermodellierung in Zusammenarbeit mit dem Institute for Inland Water Management and Waste Water Treatment (RIZA), Lelystad, Niederlande, durchgeführt, deren Grundlage das im Projekt entwickelte hydrogeologische Modell war. Die Modellierung ermöglicht es, die Strömung des Grundwassers qualitativ und quantitativ vorherzusagen und so Prognosen für die 161

7 Abbildung 6: Seismische Sektion aus dem Raum Harrislee, der gelb markierte Reflexionshorizont entspricht der Oberkante der alttertiären Ablagerungen, grün ist die Kreideoberkante eingezeichnet (Kartengrundlage: TK 25, Landesvermessungsamt Schleswig-Holstein) 162

8 Abbildung 7: Tiefenlage der Kreideoberfläche 163

9 Abbildung 8: Tiefenlage der Quartärbasis 164

10 Grundwasserbewirtschaftung und für den Grundwasserschutz (zum Beispiel die Simulation von Schadensfällen) zu liefern. Bewertung des Schutzvermögens der Grundwasserdeckschichten (Vulnerability map) Als Grundwasserdeckschichten werden die Schichten oberhalb des Grundwasserleiters bezeichnet, durch die das Niederschlagswasser hindurchsickert. Aus ihrer Beschaffenheit ergeben sich die Versickerungsbedingungen für Niederschlagswasser: sandiges Material mit hoher hydraulischer Durchlässigkeit erlaubt ein schnelles Versickern, während tonhaltiges Material mit geringer hydraulischer Durchlässigkeit längere Verweilzeiten des Sickerwassers im Untergrund bis zum Erreichen des Grundwasserleiters bedingt. Während dieser Verweilzeit können biologische und chemische Abbau- sowie Absorptionsprozesse zu einer Reinigung des möglicherweise kontaminierten Sickerwassers führen. Es herrscht also ein enger Zusammenhang zwischen der Verweilzeit des Sickerwassers bis zum Erreichen des Grundwasserleiters und dem Schutz der Grundwasserressourcen. Eine kartenmäßige Darstellung der Verweilzeit (oder ähnlicher Größen, aus der sich die Schutzfunktion der Deckschichten ableiten lässt) wird im internationalen Sprachgebrauch als vulnerability map bezeichnet und stellt eine wichtige Planungsgrundlage für den Grundwasserschutz dar. Im Rahmen dieses Projektes wurde erstmals der Einsatz des Messhubschraubers der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) zur Erstellung einer Karte des Schutzvermögens auf geophysikalischer Basis erprobt. Der Grundgedanke ist, dass die elektrische Leitfähigkeit des Untergrundmaterials hauptsächlich von dessen Tongehalt beziehungsweise der Kationenaustauschkapazität bestimmt wird. Die elektrische Leitfähigkeit von tonhaltigem Material wie zum Beispiel dem bei uns häufig anzutreffenden Geschiebemergel ist deutlich größer als die elektrische Leitfähigkeit von tonfreien Sanden. Je höher die elektrische Leitfähigkeit, desto höher ist der Tongehalt und umso geringer die hydraulische Durchlässigkeit. Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit hat also eine geringe Versickerungsfähigkeit und hat dadurch als Grundwasserdeckschicht eine hohe Schutzfunktion für das Grundwasser. Es liegt also nahe, die elektrische Leitfähigkeit als Maß für das Schutzvermögen der Grundwasserdeckschichten heranzuziehen. Als Datenbasis dienen die Ergebnisse der Befliegung mit dem Messhubschrauber der BGR, die im Projektrahmen zur Bestimmung der quartären Grundwasserleiter durchgeführt wurde. Der Hubschrauber (Abbildung 9) verfügt über ein elektromagnetisches Messsystem, mit dem längs der Fluglinie die elektrische Leitfähigkeitsstruktur des Untergrundes bis zu einer Tiefe von circa 70 m aufgezeichnet wird. Hieraus wird die mittlere elektrische Leitfähigkeit für die obersten 30 m berechnet und auf der Karte dargestellt (Abbildung 10). Bereiche mit hoher elektrischer Leitfähigkeit (hellgrün - gelb) haben einen hohen Tongehalt in den Deckschichten, das Grundwasser ist weitgehend von Kontaminationen geschützt. Bereiche geringer elektrischer Leitfähigkeit (dunkelgrün blau) haben sandige Deckschichten, hier besteht die Gefahr einer schnellen Infiltration von Kontaminationen im Schadensfall. Abschlusspräsentation Am 31.Mai 2002 fand am deutsch-dänischen Grenzübergang Krusaa die Abschlusspräsentation des Projektes statt. Den geladenen Gästen aus Politik, Verwaltung, Presse und Vertretern von Wasserversorgern wurden die Ergebnisse vorgestellt und in einem gemeinsam von Sønderjyllands Amt und dem Landesamt für Natur und Umwelt herausgegebenen Bericht zusammengefasst. Dieser Bericht ist im LANU erhältlich. Die Projektergebnisse sind außerdem auf der Homepage von Sønderjyllands Amt dargestellt ( im Bereich Natur & Miljø und dann weiter zu grundvand ). Wie geht es weiter? Durch das Projekt wurde bei den beteiligten Behörden ein gemeinsamer Datenbestand erarbeitet, der die geowissenschaftliche Fachgrundlage für eine auch zukünftig sichere Wasserversorgung im Projektgebiet bildet. Die Zusammenarbeit mit den dänischen Kollegen war sehr kollegial und freundschaftlich und es Abbildung 9: Einsatz des Messhubschraubers der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) 165

11 Abbildung 10: Bewertung der Grundwasserdeckschichten: dunkelgrün blau = geringes Schutzvermögen der Deckschichten, hellgrün gelb= hohes Schutzvermögen der Deckschichten ist der Wille aller Beteiligten, sie fortzusetzen. Das Projektgebiet umfasste nur den östlichen Bereich der Grenzregion eine Weiterführung des Projektes bis hin zur Nordseeküste bietet sich daher an. Summary Geophysical and hydrogeological investigations were carried out within the scope of the EC funded INTERREG-Project in the eastern part of the Danish-German border region. The objective was to provide a geological model which shows the spatial distribution of the major aquifers and its dividing layers. This model should serve as a basis for subsequent ground water models and a decisive factor for the future planning of water supplies and ground water protection. Dr. Sven Christensen Abteilung 5 - Geologie und Boden Tel.: / schriste@lanu.landsh.de Dr. Reinhard Kirsch Dezernat 53 - Altlasten Tel.: / rkirsch@lanu.landsh.de Wolfgang Scheer Dezernat 51 - Geologie Tel.: / wscheer@lanu.landsh.de 166