Plattform für Wasser, Gas und Wärme
Mit dem Inkrafttreten der Gewässerschutzverordnung (GSchV) 1998 wurde im planerischen Grundwasserschutz das Instrument des Zuströmbereichs Zu eingeführt. Dieser umfasst den Teil des Einzugsgebiets einer Grundwasserfassung, in der 90 Prozent des Grundwassers durch versickerndes Regen- und Flusswasser gebildet wird. Bei einer Grundwasserverunreinigung mit diffus eingetragenen mobilen und schwer abbaubaren Stoffen, wie z. B. Nitrat, PFAS oder Abbauprodukten von Pflanzenschutzmitteln (PSM), entspricht dies dem Gebiet, aus dem der wesentliche Teil der Verunreinigung stammt. Durch Massnahmen im Zuströmbereich Zu können Verunreinigungen saniert oder gar verhindert werden. In den letzten 28 Jahren wurden trotz verbreiteten Verunreinigungen mit mobilen und schwer abbaubaren Stoffen bis heute nur bei wenigen Grundwasserfassungen Zuströmbereiche Zu bezeichnet. Die Revision des Gewässerschutzgesetzes in Umsetzung der Motion 20.3625 «Sichere Trinkwasserversorgung durch Bestimmung des Zuströmbereichs» soll dies ändern: Die Kantone müssten gemäss der geplanten Regelung bei den wichtigsten und den am stärksten gefährdeten Grundwasserfassungen den Zuströmbereich Zu bezeichnen. Das BAFU schätzt die Anzahl der benötigten Zuströmbereiche auf etwa 1500. Damit die Kantone und Fachbüros diese Herausforderung mit den verfügbaren Ressourcen bewältigen können, ist ein stufenweises Vorgehen zweckmässig.
Ob eine aufwändigere Stufe des Zuströmbereichs Zu mit der damit verbundenen Flächenreduktion verhältnismässig ist, d. h. ob der Aufwand für eine sehr genaue Bemessung des Zuströmbereichs nötig ist, ist situationsbezogen zu prüfen. Dabei gilt es, den konkreten Handlungsbedarf (z. B. vorliegende Grundwasserverunreinigungen und damit Sanierungsbedarf), die zu erwartenden Nutzungseinschränkungen (insbesondere Vorhandensein von Ackerflächen und Spezialkulturen) und den Aufwand für die Erarbeitung der nächsten Stufe zur Bestimmung des Zuströmbereichs Zu zu berücksichtigen.
Im Auftrag des BAFU hat die Plattform Grundwasserschutz einen Grundlagenbericht zum stufenweisen Vorgehen zur Bemessung der Zuströmbereiche Zu erarbeitet. Die fachlichen Inhalte hat die Plattform gemeinsam mit weiteren Fachpersonen entwickelt. Der vorliegende Fachartikel stellt ausgewählte Inhalte dieses Grundlagenberichts vor. Das Vorgehen zur Prüfung der Verhältnismässigkeit ist nicht Teil des Grundlagenberichts.
Die Bemessung des Zuströmbereichs Zu ruht grundsätzlich auf zwei Säulen: der räumlichen Systemabgrenzung (Woher fliesst das Grundwasser der Grundwasserfassung zu?) und der Analyse der Speisungsprozesse (Welcher Anteil des Grundwassers, das der Fassung zufliesst, stammt jeweils aus Niederschlag, Oberflächengewässern oder Randgebieten?) innerhalb dieser Systemabgrenzung. Diese Informationen werden mithilfe von Expertenwissen in ein hydrogeologisches Konzeptmodell zusammengeführt. Es bildet die Systemabgrenzung sowie alle relevanten Prozesse schematisch ab und dient als Arbeitsgrundlage für die weitere stufenweise Bearbeitung.
Bei der Erarbeitung von hydrogeologischen Modellen – vom hydrogeologischen Konzeptmodell bis zur numerischen Modellierung – steht die Wahl des geeigneten Genauigkeitsniveaus am Anfang. Ziel ist auf Basis der verfügbaren Datengrundlage ein möglichst aussagekräftiges Modell zu erstellen mit einem ausgewogenen Verhältnis zwischen Realitätsnähe und notwendiger Vereinfachung. Der Leitgedanke für die Bemessung des Zuströmbereichs Zu lautet: Der Modellansatz ist an der Aufgabenstellung auszurichten und so einfach wie möglich zu wählen. Er darf jedoch nicht zu einfach gewählt werden, da der Zuströmbereich Zu sonst deutlich zu gross oder zu klein ausfallen oder falsche Flächen umfassen kann. Hierzu bietet das stufenweise Vorgehen eine methodische Orientierung, indem die Genauigkeit des Zuströmbereichs Zu schrittweise erhöht wird (Fig. 1).
Die Systemabgrenzung umschliesst das gesamte Gebiet, aus dem das Wasser zur Grundwasserfassung gelangen kann. Dazu zählen alle Gebiete, in denen Niederschlag direkt in den genutzten Grundwasserleiter versickert, Flusswasser in den genutzten Grundwasserleiter infiltriert, sowie Randgebiete, aus denen versickertes Niederschlagswasser ebenfalls in den genutzten Grundwasserleiter gelangen kann (z. B. an den Grundwasserleiter angrenzende Hangbereiche). Die Systemabgrenzung kann auf Grundlage von drei übergeordneten Kriterien festgelegt werden:
Abgrenzung anhand der oberflächlichen Wasserscheiden (oberirdisches Einzugsgebiet). Dies ist bei kleinräumigen Grundwasserleitern oft ausreichend, sofern keine komplexen unterirdischen Abweichungen wie z. B. geologische Strukturen oder randliche Zuflüsse vorliegen.
Identifikation von Übergängen zwischen geologischen Einheiten mit deutlich unterschiedlicher Durchlässigkeit des Untergrunds. Zum Beispiel können Verwerfungen oder geologische Schichtgrenzen als natürliche Barrieren wirken.
Abgrenzung anhand stabiler Strömungsverhältnisse im Untergrund. Ein Fluss kann beispielsweise als Barriere für den Grundwasserfluss wirken, wenn der Flusswasserstand tiefer ist als der Grundwasserstand (Exfiltration von Grundwasser in das Fliessgewässer). Ein Fluss kann aber auch als Speisungsquelle für das Grundwasser dienen, wenn der Flusswasserstand höher ist als der Grundwasserstand (Infiltration von Flusswasser in den Grundwasserleiter).
In der Regel tragen verschiedene Speisungsprozesse zur Grundwasserneubildung bei. Die Herkunft des Wassers einer Grundwasserfassung kann übergeordnet drei unterschiedlichen «Herkunftstypen» zugeordnet werden:
Zur Typisierung der Wasserherkunft wird das Prozessdreieck (Fig. 2) genutzt. Darin lässt sich die Herkunft des gefassten Wassers systematisch einordnen. Die Einordnung einer Grundwasserfassung innerhalb des Prozessdreiecks ist ein wichtiger Schritt im stufenweisen Vorgehen, da sich die verschiedenen Speisungsprozesse unterschiedlich auf die Grösse und Lage des Zuströmbereichs Zu auswirken.
Je unsicherer die Abschätzung der Wasserherkunft ist, desto grösser wird die Bandbreite der möglichen Speisungsprozesse (blaue Balken in Fig. 2). Dies führt typischerweise zu einer grösseren Fläche im Prozessdreieck (orange Fläche in Fig. 2). Mit einer genaueren Datengrundlage und vertieften Analysen reduziert sich diese Fläche. Im theoretischen Idealfall reduziert sich die Fläche auf einen Punkt (unter der Annahme, dass keine Unsicherheiten mehr vorliegen). Durch zielgerichtete Untersuchungen wird diese Fläche stufenweise reduziert.
Das Vorgehen gliedert sich in drei aufeinander aufbauende Stufen, die eine etappierte Untersuchung ermöglichen. Im Prinzip kann das Resultat aus jeder Stufe als Zuströmbereich Zu bezeichnet werden, sofern dies zweckmässig ist und zusätzliche Abklärungen für eine Flächenreduktion unverhältnismässig wären. Welche Anforderung an die Genauigkeit des Zuströmbereichs Zu erforderlich ist, ist das Ergebnis der Prüfung der Verhältnismässigkeit (s. Kap. im Magazin «Einleitung und gesetzlicher Rahmen»).
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Im Vordergrund steht bei der Bearbeitung der Stufe 1 die Frage «Woher stammt das Wasser möglicherweise?». Die Analyse in dieser Stufe basiert auf bestehenden Datengrundlagen, insbesondere zu den geologischen, hydrogeologischen und topographischen Verhältnissen sowie zu den Eigenschaften und dem Betrieb der Grundwasserfassung. Mit Hilfe dieser Datengrundlage wird ein erstes hydrogeologisches Konzeptmodell erstellt. Dabei werden verschiedene Varianten berücksichtigt, woher das Wasser möglicherweise zur Grundwasserfassung gelangen kann. Dieses Gebiet, das potenzielle Fassungseinzugsgebiet (PFEG), umfasst alle Flächen, von denen Wasser möglicherweise zur Grundwasserfassung gelangen kann.
Konkret bedeutet das: Auf Stufe 1 kann nicht abschliessend beurteilt werden, ob Wasser aus der Fläche der Konzeptvariante 1 oder auch aus der Fläche der Konzeptvariante 2 (s. Fig. 3, links) zur Fassung gelangt. Das potenzielle Fassungseinzugsgebiet entspricht daher in diesem Fall der Umhüllenden beider Varianten.
Auf Grundlage der Unsicherheiten aus Stufe 1 wird das Pflichtenheft für Stufe 2 erstellt. Darin wird festgelegt, welche zusätzliche Daten erforderlich sind, um das tatsächliche Fassungseinzugsgebiet zu ermitteln und so den Zuströmbereich Zu genauer abzugrenzen.
Bei der Bearbeitung der Stufe 2 steht die Frage im Vordergrund «Woher stammt das Wasser tatsächlich?». Um die Unsicherheiten aus Stufe 1 zu reduzieren, erfolgen weitere Felduntersuchungen (z. B. geophysikalische Messungen, Abflussmessungen, Grundwasserstandsmessungen, Beprobung des Grundwassers für Qualitätsanalysen etc.). Somit wird die Datengrundlage zielgerichtet erweitert, um die Unsicherheiten und entsprechend die Fläche des Zuströmbereichs Zu genauer einzugrenzen.
Auf Stufe 2 wird das hydrogeologische Konzeptmodell verfeinert und die Annahmen mittels einer Wasser- und Stoffbilanz validiert. Dazu wird geprüft, ob die Entnahmemenge in der Grundwasserfassung (bei Pumpbrunnen) oder die Quellschüttung (bei Quellen) mit der Summe der Speisungsbeiträge innerhalb der Systemabgrenzung übereinstimmt und ob die Grundwasserqualität mit den Stoffeinträgen an der Oberfläche kohärent ist.
Das Ergebnis der Stufe 2 ist das Fassungseinzugsgebiet (FEG), das alle Flächen umfasst, die zur Speisung beitragen (Fig. 3, Mitte). Das Pflichtenheft für die zusätzliche Datenerhebung und/oder -analyse auf Stufe 3 hilft bei der Abschätzung, ob eine weitere Flächenreduktion des Zuströmbereichs Zu verhältnismässig ist.
Innerhalb eines Fassungseinzugsgebiets tragen nicht alle Flächen gleichermassen zur Speisung der Grundwasserfassung bei. Bei der Bearbeitung der Stufe 3 steht im Vordergrund die Frage: «Wie viel Wasser stammt woher?». Dies ist notwendig, um das Gebiet abzugrenzen, aus welchem etwa 90% des Grundwassers stammen, das in einem Pumpbrunnen gefördert wird oder in einer Quelle austritt (Anh. 4 Abs. 1 Ziff. 113 GSchV).
Dabei geht es darum, die am meisten zur Speisung beitragenden Flächen innerhalb des Fassungseinzugsgebiets rechnerisch zu ermitteln. Dazu muss die Speisungsrate im gesamten Fassungseinzugsgebiet berechnet werden. Diese ergibt sich aus der lokalen Grundwasserneubildung sowie der Analyse der Grundwasserströmung zur Fassung. Konkret bedeutet dies: Berechnen, wo wie viel Wasser in den Grundwasserleiter gelangt und mit welcher Wahrscheinlichkeit dieses Wasser schliesslich im Pumpbrunnen oder der Quellfassung ankommt. Je weiter ein Ort vom Pumpbrunnen oder von der Quellfassung entfernt ist, desto geringer ist in der Regel die Austrittswahrscheinlichkeit – also die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Wasser zur Grundwasserfassung gelangt.
Das Ergebnis der Stufe 3 ist die rechnerisch reduzierte Fläche nach der 90%-Regel (s. Fig. 3, rechts). Bei komplexen Grundwasserverhältnissen ist für die Erarbeitung der Stufe 3 ein numerisches Grundwassermodell erforderlich.
Bei Quellfassungen, bei denen das gesamte Wasser des genutzten Grundwasserleiters austritt, ist eine numerische Analyse der Austrittswahrscheinlichkeit für die Erarbeitung der Stufe 3 in der Regel nicht erforderlich. In diesen Fällen werden die am meisten beitragenden Flächen ausschliesslich auf Grundlage der unterschiedlichen Grundwasserneubildung bestimmt. So wird der Bereich im Fassungseinzugsgebiet ermittelt, der zu etwa 90% zur Speisung der Quellfassung beiträgt.
Bei flussnahen Pumpbrunnen, die mehr als 90% Uferinfiltrat fördern, hängt die Qualität des Grundwassers hauptsächlich von der Flusswasserqualität ab. Die rechnerisch reduzierte Fläche nach der 90%-Regel beschränkt sich in diesem Fall auf den Flussabschnitt, aus dem das Flusswasser in den Grundwasserleiter infiltriert und zur Grundwasserfassung gelangt.
Besondere hydrogeologische Situationen erfordern methodische Anpassungen des stufenweisen Vorgehens:
In stark heterogenen Karst- und Kluft-Grundwasserleitern, wie sie vor allem im Jura und den Alpen vorkommen, fliesst das Grundwasser in Hohlräumen oder Klüften häufig mit hoher Geschwindigkeit. Das hydrogeologische Einzugsgebiet kann dabei deutlich vom topographischen Einzugsgebiet abweichen. So kann auch eine weit von der Fassung entfernte Verschmutzungsquelle eine Gefahr für das Trinkwasser darstellen.
In diesen Fällen muss das Fassungseinzugsgebiet bereits für die Ausscheidung der Grundwasserschutzzonen bekannt sein. Häufig decken diese bereits praktisch das gesamte Fassungseinzugsgebiet ab. Bei Grundwasserfassungen in stark heterogenen Karst- und Kluft-Grundwasserleitern entspricht der Zuströmbereich Zu dem Fassungseinzugsgebiet. Denn die rechnerische Flächenreduktion auf Stufe 3 ist in diesen Fällen nicht anwendbar.
Auf Stufe 1 werden eventuelle saisonale Schwankungen des Grundwasserflusses zur Grundwasserfassung beurteilt. Weiter können Hoch- und Niedrigwasserereignisse oder auch betriebliche Randbedingungen die Zuströmrichtung beeinflussen. Werden bedeutende Änderungen der Zuströmrichtung nicht berücksichtigt, kann der Zuströmbereich Zu zu klein bemessen oder räumlich falsch abgegrenzt werden. Die Einschätzung der Strömungsverhältnisse erfordert Expertenwissen, gestützt auf langfristige Messreihen und Beobachtungen, um die Dynamik des Systems zu erfassen. Bei sehr stark wechselnden Strömungsverhältnissen ist eine rechnerische Flächenreduktion auf Stufe 3 oft nicht sinnvoll.
Benachbarte Grundwasserfassungen im selben Grundwasservorkommen können sich gegenseitig beeinflussen. Falls dies der Fall ist, sind regionale Modellbetrachtungen zwingend erforderlich.
Das hier vorgestellte stufenweise Vorgehen bietet eine praxisorientierte Herangehensweise, um den Zuströmbereich Zu zu ermitteln. Dabei werden Unterschiede in den regionalen Gegebenheiten, der verfügbaren Daten und der Ansprüche an die präzise Eingrenzung des Zuströmbereichs Zu berücksichtigt. Das stufenweise Vorgehen ist ein praktikabler und effizienter Ansatz, bei dem die erforderlichen Untersuchungen in Etappen durchgeführt werden, um den Zuströmbereich Zu schrittweise zu präzisieren und damit dessen Fläche zu reduzieren.
Zur Unterstützung der Praxis erarbeitet die Plattform Grundwasserschutz bis Mitte 2027 gemeinsam mit Fachpersonen Musterfallbeispiele, welche die Anwendung des stufenweisen Vorgehens veranschaulichen. Im Anschluss werden Faktenblätter erstellt, um offene Fragen zur technischen Umsetzung zu klären und den Erfahrungsaustausch zwischen den beteiligten Akteuren zu fördern.
Zur fachlichen Beurteilung des Grundlagenberichts wurden 20 Expertinnen und Experten aus der Verwaltung, Privatwirtschaft und Forschung beigezogen. Weiter wurden alle Gremien der Plattform Grundwasserschutz sowie alle kantonalen Gewässerschutzfachstellen konsultiert. Wir bedanken uns an dieser Stelle herzlich für die wertvollen Rückmeldungen und die gute Zusammenarbeit im Rahmen dieses Projekts.
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