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Hochwasservorhersage an der brandenburgischen Stepenitz
05.10.2009
Hydrothemen Nr. 18 / April 2010
01.04.2010

Entwicklung einer NRW-weiten Grundwasserkarte mit ArcGIS

Ausschnitt aus der digitalen Flurabstandskarte, die wir für das Land NRW erarbeitet haben.

Ausschnitt aus der digitalen Flurabstandskarte, die wir für das Land NRW erarbeitet haben.

Eigentlich ganz einfach – um eine digitale Karte der Flurabstände eines Gebiets zu erhalten, interpoliert man die gemessenen Grundwasserstände, bildet daraus ein GIS-Layer und zieht es vom DGM des Gebiets ab. Auf diese Weise sollte für das Land Nordrhein-Westfalen ein solche Flurabstandskarte erstellt werden. Es zeigte sich, dass die beschriebene triviale Herangehensweise nicht direkt zum Ziel führen konnte. Das Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz NRW (LANUV NRW) beauftragte deshalb Hydrotec als GIS-Experten mit der Erstellung einer digitalen Flurabstandskarte.

Bezugsgröße Grundwasserstände von April 1988

Die Grundwasserstände von April 1988 stellen für das Land Nordrhein-Westfalen einen landesweiten Höchststand des Grundwassers dar und dienen damit als Referenzzustand für verschiedenste Vorhaben, bei denen die Kenntnis über Grundwasserhochstände bzw. die daraus abgeleiteten Grundwasserflurabstände von Bedeutung ist. Die im Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz NRW (LANUV) vorhandene, analoge Karte der Grundwassergleichen vom April 1988 im Maßstab 1:50.000 umfasst ganz oder teilweise ca. 195 TK 25-Blätter. Die jeweils blattweise Bearbeitung stammt aus den frühen 90er Jahren. Bis etwa 2006 wurden diese Daten digitalisiert, die Kartenränder aneinander angepasst und die blattweisen Einzeldaten zu einem Gesamtprojekt im shape-Format zusammengefügt.

Vorbereitung der Ausgangsdaten

Vor der Durchführung der Konstruktion der Grundwasseroberfläche und der Ableitung des Flurabstands waren die Datengrundlagen zu bereinigen und zu plausibilisieren. Von den ca. 20.000 Grundwassermessstellen in NRW sollten nur die verwendet werden, die den Stand des ersten Grundwasserstockwerks lieferten. Für viele Messtellen lieferte die Grundwasserdatenbank des Landes „HYGRIS-C“ die Information der Stockwerkzugehörigkeit. Zahlreiche Messpunkte enthielten jedoch keine entsprechende Angabe. Um möglichst viele Daten abzusichern und dann verwenden zu können, wurden verschiedene GIS-Analysen durchgeführt, um diese Messwerte einem Stockwerk zuzuordnen. Die daraus entstandene Datenbasis wurde durch Messwerte anderer Jahre ergänzt, sodass schließlich Grundwasserstände an 16.900 Messstellen zugrundegelegt werden konnten.

Die Berechnung der Flurabstände ohne Berücksichtigung der Gewässerspiegelhöhen führte zu negativen Werten (orange), wie hier am Beipiel im Bereich Xanten/Rees.

Die Berechnung der Flurabstände ohne Berücksichtigung der Gewässerspiegelhöhen führte zu negativen Werten (orange), wie hier am Beipiel im Bereich Xanten/Rees.

Als weiterer Vorbereitungsschritt wurde auch das DGM des Landes überprüft und von Fehlstellen bereinigt. Ein besonderes Augenmerk galt dabei den Bergsenkungsbereichen und den Braunkohletagebauen.

Flusstäler mit Grundwasserstand über Gelände

Die Ermittlung der Grundwasserstände und der aus ihnen abgeleiteten Grundwasserflurabstände kann direkt aus den Wasserstandwerten an den Grundwassermessstellen erfolgen. Diese Vorgehensweise lässt die Wasserstände des Oberflächenwassers außer Acht und führt vor allen Dingen in den Talauen im Bereich der Flussläufe zu ausgedehnte Flächen mit zu hohen Grundwasserständen und daraus abgeleiteten negativen Flurabständen.

Deshalb war die aus den Messstellen abgeleitete Grundwasseroberfläche anhand von Daten aus der Gewässerstationierungskarten und der Querprofildatenbank NRW zu überarbeiten.

Grundwasser mit Bergen?

Grundsätzlich lieferte dieser Schritt eine Verbesserung der Abbildung der Grundwasseroberfläche. Bei genauer Betrachtung zeigten sich jedoch entlang einiger Gewässer perlenartige Strukturen,wie sie in der Realität nicht auftreten konnten. Im Längsschnitt schien es im Bereich der Gewässerachse Grundwasserberge zu geben. Hier war also eine weitere Analyse und Bearbeitung erforderlich.

Perlenstruktur in der Grundwasseroberfläche entlang von Gewässern

Perlenstruktur in der Grundwasseroberfläche entlang von Gewässern

Diese Strukturen ließen sich dadurch erklären, dass in diesen Bereichen kein Kontakt zwischen Grundwasser und Fließgewässer besteht. Mithilfe einer GIS-gestützten Datenanalyse wurde geprüft, welche Gewässerabschnitte für den Grundwasserstand maßgeblich sind und welche zu falschen Ergebnissen führten und daher bei der weitergehenden Berechnung ausscheiden mussten.

Problemzonen: Übergangsbereiche zwischen Flach- und Hügelland

Auch die Übergangsbereiche von niedrigerem zu höherem Gelände wiesen häufig größere Flächen mitnegativen Flurabständen auf. Dies ist auf die Interpolation von Grundwasserständen von verhältnismäßig wenig Messstellen zurückzuführen. Zwischen den Grundwasserständen in der Ebene und den höher gelegenen Messstellen auf den Hügel- bzw. Bergrücken wird die rundwasseroberfläche (linear) interpoliert und schneidet dabei das Gelände.
Für die betroffenen Bereiche wurde die Interpolation der Messstellen korrigiert und der Grundwasserverlauf dem Geländeverlauf angepasst.

Scheinbar negativer Flurabstand (orange) in Bereichen mit Geländeanstieg

Scheinbar negativer Flurabstand (orange) in Bereichen mit Geländeanstieg

Geostatistik liefert Aussagen über die Daten-Genauigkeit

Parallel wurden die Eingangsdaten einer geostatistischen Analyse unterzogen. Ziel der Arbeit war die Abschätzung der für die interpolierten Flächen der Grundwasserstände und Grundwasserflurabstände erreichbaren Genauigkeit. Die daraus errechneten mittleren Fehler sind bei einer Interpretation der Grundwasseroberfläche und der daraus abgeleiteten Flurabstände zu berücksichtigen.

Einsatz von GIS-Software und Jabron liefert digitale Grundwasser- und Flurabstandsgleichen

Die umfassenden GIS-Operationen wurden mit ArcGIS ArcView 9 von ESRI und einigen Erweiterungen durchgeführt. Die herangezogenen Hydraulik-Daten (Gewässervermessung) wurden mit Jabron bearbeitet.

Aus den korrigierten Grundwasserständen und dem optimierten DGM ließen sich Flurabstände abschließend berechnen. Diese wurden geglättet, sodass aus den Glättungsstufen Isolinien (Grundwassergleichen, Flurabstandsgleichen) erzeugt werden konnten.

Dem LANUV liegen nun alle relevanten Basisdaten und die Berechnungsergebnisse digital vor, sodass sie für weiterführende Auswertungen herangezogen werden können.

Dipl.-Geogr. Lisa Friedeheim, Dr.-Ing. Hartmut Sacher

Veröffentlicht am 09.10.2009