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1984 wurde ein erstes Handbuch für die «Quantitative Erkundung von Lockergesteins-Grundwasserleitern am Beispiel Emmental» [1] publiziert. Der in Form eines gwa-Sonderdrucks publizierte Leitfaden enthielt ausführliche Beschreibungen unterschiedlicher Messmethoden für die Datenakquisition und Aufbereitung für qualitative Grundwassermodelle. Seither haben sich die Methoden der Datenerhebung, Datenaufbereitung und numerischen Grundwassermodellierung wesentlich weiterentwickelt. Umfangreiche Messdatensätze sowie neue hydro(geo)physikalische und hydrochemische Untersuchungsmethoden ermöglichen heute deutlich detailliertere hydrogeologische Konzeptmodelle und anspruchsvollere numerische Simulationen.
2018 gründete Peter Hufschmied von der Schweizerischen Gesellschaft für Hydrogeologie (SGH) die Arbeitsgruppe (AG) «Beschaffung und Aufbereitung von Grundlagendaten für Grundwassermodelle». Die AG sollte unter Berücksichtigung der Weiter- respektive Neuentwicklung unterschiedlichster Messmethoden sowie der Entwicklungen im Bereich numerischer Grundwassermodelle, einen aktualisierten Leitfaden erarbeiten.
Numerische Grundwassermodelle sind heute ein zentrales Instrument für Instrument für den Schutz und die nachhaltige Bewirtschaftung von Grundwasservorkommen. Ihre Aussagekraft hängt jedoch mehrheitlich von einer soliden, räumlich gut aufgelösten und fachgerecht aufbereiteten Datengrundlage ab. Vor diesem Hintergrund hat die Arbeitsgruppe einen speziell für Lockergesteins-Grundwasserleiter in der Schweiz zugeschnittenen Leitfaden zur «Beschaffung und Aufbereitung von Daten für Grundwassermodelle» erstellt – ein Bedarf, der aus der Praxis schon seit mehreren Jahren geäussert wurde. Er wird ab Herbst 2026 auf der Website der SGH in deutscher Sprache zur Verfügung stehen.
Der Leitfaden hat mehrere ĂĽbergeordnete Ziele:
Der Leitfaden zeigt auf, wie Inputdaten erhoben, ausgewertet und in belastbare Modellparameter überführt werden können. Zudem erläutert er unterschiedliche Modellieransätze – insbesondere die Bedeutung eines sorgfältig entwickelten hydrogeologischen Konzeptmodells. Darüber hinaus beschreibt der Leitfaden den Aufbau numerischer Modelle sowie die einzelnen Schritte von der Problemstellung bis zum Ergebnis der Modellierung. Ergänzend sind mehrere in der Schweiz durchgeführte Modellierungsprojekte als Praxisfallbeispiele im Anhang dokumentiert.
Damit leistet der Leitfaden einen wesentlichen Beitrag zu einer transparenten, effizienten und fachlich konsistenten Grundwassermodellierung in der Schweiz.
Die Erstellung eines hydrogeologischen Konzeptmodells ist ein entscheidender erster Schritt bei der Entwicklung eines numerischen Grundwassermodells [2]. Das hydrogeologische Konzeptmodell liefert einen systematischen, in sich schlĂĽssigen Ăśberblick ĂĽber die hydrogeologischen Gegebenheiten, Eigenschaften und Prozesse im Untersuchungsgebiet. Damit schliesst es die LĂĽcke zwischen der hydrogeologischen Datenerhebung und der numerischen Grundwassermodellierung.
Die Entwicklung des hydrogeologischen Konzeptmodells erfolgt jeweils schrittweise und in Bezug zur jeweiligen Aufgabenstellung [3]. Zuerst werden relevante Daten gesammelt (Tab. 1), zusammengestellt und auf Plausibilität geprüft; dazu zählen unter anderem geologische Karten, Bohrprofile und geophysikalische Untersuchungen sowie Angaben zu hydraulischen Eigenschaften, Grundwasserstände und physikalisch‑chemischen und hydrologischen Daten.
Diese Daten werden dann strukturiert aufbereitet und interpretiert, wobei Annahmen getroffen werden und bestehende Unsicherheiten erfasst und dokumentiert werden. Ein zentraler Bestandteil des Konzeptmodells ist die Erstellung einer Wasserbilanz des Modellgebiets. Sie beschreibt die wichtigsten Zu‑ und Abflüsse und Speicherprozesse im Modellgebiet und erlaubt eine erste quantitative Abschätzung der Wasserflüsse. Die Wasserbilanz dient der Plausibilitätsprüfung der Annahmen und bildet eine wichtige Grundlage für Randbedingungen und die spätere numerische Modellierung. Der typische, ideale Ablauf eines Modellierungsprozesses ist in Figur 1 (in hoher Auflösung hier verlinkt) graphisch dargestellt.
Ein transparent aufgebautes hydrogeologisches Konzeptmodell mit klar definierten Annahmen, Grenzen und Unsicherheiten bildet die Grundlage fĂĽr belastbare Simulationsergebnisse, da konzeptionelle Ungewissheiten massgeblich die Aussagekraft numerischer Modelle beeinflussen.
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Nach der Beschreibung des hydrogeologischen Konzeptmodells und des Modellierungsablaufes geht der Leitfaden auf die gängigsten Messmethoden zur Erhebung hydrogeologischer und hydrologischer Grundlagendaten und deren Aufbereitung in Modellparameter ein. Die unterschiedlichen Datenerhebungsverfahren werden dabei methodisch gruppiert und ihre Relevanz für die unterschiedlichen Modellparametergruppen beschrieben und graphisch dargestellt (vgl. Tab. 1). Ebenfalls werden die entsprechenden Auswertemethoden erläutert und die Messverfahren abschliessend bewertet. Bohrungen – in erster Linie Kernbohrungen – ermöglichen beispielsweise einen direkten Einblick in den Aufbau des Untergrunds und liefern punktuelle Angaben zu hydrogeologisch relevanten Einheiten. Mithilfe von geophysikalischen Messungen an der Oberfläche oder in Bohrungen können diese räumlich erweitert werden.
Grosses Potenzial für Grundwassermodelle liegt in der fallweisen empirischen Korrelation von geophysikalischen Daten mit hydraulischen Parametern wie Transmissivität und Speicherkoeffizient, die mit Hilfe von hydraulischen Messungen und Tests in Bohrlöchern ermitteltwerden.
Grundwasserstandsmessungen sind von zentraler Bedeutung und unverzichtbar für die Erstellung und Kalibrierung von Grundwassermodellen. Eine hohe Messgenauigkeit ist für die meisten Untersuchungsziele erwünscht, denn sie wirkt sich direkt auf die Qualität und die Genauigkeit der Modelle aus. Die Wahl der Messmethode, der zeitlichen Auflösung sowie der Messdauer orientieren sich dabei an den Fragestellungen an das Grundwassermodell und der Dynamik im Grundwasser und in Oberflächengewässern.
Untersuchungen der Grundwasserbeschaffenheit und Tracertests ermöglichen das hydrogeologische Prozessverständnis zu verbessern und das Grundwasserströmungs- oder Transportmodell zu kalibrieren und zu validieren. Operationell einfach umzusetzende kontinuierliche Messungen (elektrische Leitfähigkeit, Temperatur) liefern verlässliche und zeitlich gut aufgelöste Daten, deren Aussagekraft in Kombination mit Grundwasserstandsmessungen und Grundwasseranalysen verbessert werden kann.
Die meisten Messdaten müssen mittels statistischer oder analytischer Methoden in Modellparameter transformiert werden. Dieser grundlegende Arbeitsschritt bildet die direkte Brücke zwischen Messung und numerischem Modell und ist entscheidend für die Qualität der Modellergebnisse. Der Leitfaden beleuchtet in einem eigenen Kapitel Methoden der Aggregation von Modellparametern und geht zusätzlich auf allgemein verfügbares a priori-Wissen ein. Dieses kann bereits in frühen Projekt- und Planungsphasen, etwa im Rahmen einer Offerte, zur Entwicklung eines ersten hydrogeologischen Konzeptmodells beitragen.
Zusätzlich enthält der Leitfaden im Anhang sieben Praxisfallbeispiele von verschiedenen Anwendungen numerischer Grundwassermodellierungen. Sie zeigen das Vorgehen von der Datenerhebung bis zum Modell. Die Praxisfallbeispiele wurden so gewählt, dass sie die häufigsten Anwendungsbereiche von Grundwassermodellierungen in der Schweiz abdecken. Sie adressieren sowohl physikalische Prozesse als auch technische Anforderungen an das Grundwassermodell und bauen teilweise aufeinander auf.
So bilden regionale Strömungsmodelle mehrheitlich die Grundlage detaillierter Simulationen, wie beispielsweise Berechnungen von Stoff- oder Wärmetransport oder für die Analyse gekoppelter Systeme wie der Interaktion zwischen Grundwasser und Oberflächengewässern. Insbesondere wird der iterative Prozess zwischen Datenerhebung und Modellaufbau dargestellt und die Unsicherheiten der jeweiligen Modellierung diskutiert. Alle Praxisfallbeispiele besitzen den gleichen textlichen Aufbau, um eine einfache Orientierung für den Leser gewährleisten zu können. Die Tabelle 2 gibt einen Überblick über die im Leitfaden enthaltenen Praxisfallbeispiele und die adressierten Themen.
| Fallbeispiel (FB) | Modellansatz | Typische Anwendungen | Themenblock |
| Grundwasser-Bilanzierung | Grundwasserströmungsmodell zur Quantifizierung der Wasserbilanzen | Abschätzung verfügbarer Grundwasserressourcen und Wasserhaushaltsanalysen. Ein Grundwasser-Bilanzmodell ist die Grundlage für weitere Modellierungen | Strömung: FB 1 fokussiert auf die Erstellung einer konsistenten Wasserbilanz unter Berücksichtigung von Infiltration, Entnahme und Abfluss. |
| Grundwassernutzung / Schutzzonen | Grundwasserströmungsmodell mit Partikeltracking / Bahnlinienberechnung | Dimensionierung von Schutzzonen, Bewertung von Brunnenstandorten, Herkunftsanalysen für Trinkwasserfassungen. | Strömung: FB 2 behandelt die Modellierung der Grundwasserströmung mit Fokus auf eine präzise Diskretisierung von Brunnenelementen, Bahnlinienberechnungen zur Herkunft des Wassers sowie Kalibrierung anhand von Pumpversuchen. |
| Wärmenutzung im Grundwasser | Gekoppeltes Strömungs- und Wärmetransportmodell | Planung und Bewertung von geothermischen Nutzungen des Grundwassers (z. B. Grundwasserwärmepumpen, ATES-Systeme). | Transport: FB 3 adressiert den Wärmetransport im Untergrund. Es integriert thermische Prozesse im Untergrund und nutzt eine hydraulische Modellierung zur Quantifizierung der Temperaturverteilung und deren Veränderungen im Grundwasserleiter. |
| Bauen mit Grundwassereinfluss | Hochaufgelöstes Strömungsmodell zur Darstellung komplexer Geometrien und Strukturen | Planung von Bau- und Renaturierungsprojekten, Abschätzung von Baugrubenentwässerungen, Bewertung von Grundwasserabsenkungen. | Strömung – spezifische Anwendung: FB 4 bildet ein anwendungsbezogenes Szenario ab. Es befasst sich mit lokalen Einflüssen von Bauwerken auf den Grundwasserstand und die Strömungsrichtung sowie mit Rückwirkungen der Hydrogeologie auf Bauprojekte. |
| Interaktion Oberflächenwasser – Grundwasser | Gekoppelte Oberflächenwasser- und Grundwassermodelle | Revitalisierung von Gewässern, Bewertung von Basisabfluss, ökologische Fragestellungen. | Interaktion Oberflächenwasser–Grundwasser: FB 5 untersucht die Austauschprozesse zwischen Oberflächengewässern und Grundwasser, welche je nach hydraulischen Gradienten Infiltration oder Exfiltration verursachen können. Je nach hydrogeologischer Konstellation kann daher sowohl ein Einfluss des Grundwassers auf ein Oberflächengewässer als auch umgekehrt bestehen. |
| Schadstoffausbreitung (Altlasten, Deponien) | Strömungs- und Stofftransportmodell | Risikobewertung von Altlasten, Prognose von Schadstofffahnen, Planung von Sanierungsmassnahmen. | Transport: Aufbauend auf einer Strömungsmodellierung adressiert das FB 6 eine Transportmodellierung einer Schadstoffausbreitung im lokalen Massstab. |
| Trockenheit und Klimaszenarien | Langzeit-Strömungsmodell mit Szenario-Randbedingungen | Bewertung der Auswirkungen des Klimawandels auf Wasserressourcen, Planung nachhaltiger Nutzung | Szenarien und spezifische Anwendung: Das FB 7 bildet anwendungsbezogene Szenarien ab. Es zielt auf grossskalige, regionale Simulationen unter Berücksichtigung von Klimaszenarien ab, bei denen z.B. die Grundwasserneubildung und die Verdunstung unter veränderten Klimabedingungen neu bewertet werden müssen. Es erfordert Langzeitsimulationen mit veränderten Randbedingungen. |
Die VerknĂĽpfung von numerischen Grundwassermodellen mit aktuellen Methoden der hydrogeologischen und hydrologischen Datenbeschaffung wird mit dem neuen Leitfaden gegenĂĽber dem 1984 erschienen Handbuch [1] vollständig aktualisiert. Bewährten Beschaffungsmethoden und neueren Entwicklungen sowohl bei der Datenakquisition als auch bei den numerischen Methoden und der Rechenkapazität von heute ĂĽblicherweise verwendeten Rechensystemen wird dabei Rechnung getragen. Die umfangreiche Arbeit einer SGH-Arbeitsgruppe ĂĽber mehrere Jahre ist nun abgeschlossen und der Leitfaden wird ab Herbst 2026 auf der Website der SGH in deutscher Sprache zur VerfĂĽgungstehen.   Â
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[1] Blau, R.V. et al. (1984): Quantitative Erkundung von Lockergesteins-Grundwasserleitern am Beispiel Emmental, Handbuch. – Nationales Forschungsprogramm Nr. 2: Grundlegende Probleme des Schweizerischen Wasserhaushaltes, Sonderdruck Nr. 1056 aus Gas-Wasser-Abwasser 1984/5 des Schweizerischen Vereins des Gas- und Wasserfaches, Zürich
[2] Anderson, M. P. et al. (2015): Applied groundwater modeling: Simulation of flow and advective transport. – Academic Press, 2nd ed.
[3] FH-DGG (Hrsg.) (2002): Hydrogeologische Modelle – Ein Leitfaden mit Fallbeispielen. – Schriftenreihe der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften (SDGG), Hydrogeologische Beiträge der Fachsektion Hydrogeologie in der Deutschen Geologischen Gesellschaft, Heft 24, 120 S., 78 Abb., 5 Tab.; Hannover
Dieser Leitfaden ist dem Andenken an Peter Hufschmid gewidmet. Mit grossem Engagement und einer unermüdlichen Motivation praxisorientierte hydrogeologische Lösungen zu finden, hat er unsere Arbeitsgruppe geprägt und die Erstellung dieses Leitfadens initiiert.
Den Mitgliedern der SGH-AG, die nicht als Autoren dieses Artikels aufgefĂĽhrt sind, danken wir fĂĽr die Mitarbeit in der Arbeitsgruppe und der Mithilfe an der Erstellung des Leitfadens:
Herzlichen Dank dem Bundesamt fĂĽr Umwelt, Abteilung Hydrologie, und dem SVGW fĂĽr die finanzielle UnterstĂĽtzung. Wir danken den externen Reviewern des Leitfadens fĂĽr ihr konstruktives Feedback.
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