Projekt 04854/01

Entlastung privater Trinkwasserbrunnen: Konzepterstellung und Bewertungsstrategie

Projektdurchführung

Universität Osnabrück Institut für Umweltsystemforschung
Barbarastr. 12
49069 Osnabrück

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Private Hausbrunnen sichern besonders in ländlich geprägten Regionen immer noch die Trinkwasserversorgung großer Teile der Bevölkerung. Das hier gewonnene Trinkwasser ist in seiner Qualität aufgrund der allgemein zunehmenden Schadstoffbelastung des Grundwassers in Verbindung mit der meist geringen Tiefe der Hausbrunnen besonders gefährdet.
Ziel des Projektes ist es, ein Konzept zur Entlastung und langfristigen Qualitätssicherung zu erstellen, die Überwachung zu verbessern und eine Bewertungsstrategie zur Auswahl geeigneter Maßnahmen zu entwickeln. Als Modellregionen dienen der Landkreis Osnabrück mit ca. 7500 privaten Hausbrunnen sowie vier Gemeinden im Einzugsgebiet der Saidenbachtalsperre in Sachsen mit ca. 350 Brunnen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie für die Untersuchungsgebiete vorliegenden Daten (Wasseruntersuchungen an den Brunnen, Landnutzung, Boden, Geologie, Wetter, Agrarstatistik etc.) werden zur weiteren Analyse in ein geowissenschaftliches Informationssystem überführt.
Aus den vorliegenden über 240000 Einzelmeßwerten an den Brunnen des Landkreises Osnabrück werden durch Interpolation flächendeckende Karten der regionalen Belastung des oberflächennahen Grundwassers abgeleitet. Regelmäßige Messungen an ausgewählten Referenzbrunnen werden durchgeführt, um Aussagen über die zeitliche Varianz der Wasserqualität zu treffen.
Mit Hilfe von Isotopenuntersuchungen werden Altersbestimmungen der Wässer durchgeführt. Die Bestimmung der 15N-18O-Isotopensignatur in den N-Komponenten der Grundwässer hat das Ziel, kurzfristige von langfristigen Belastungen unterscheiden zu können.
Bereits installierte Wasseraufbereitungsanlagen werden hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit, der Wirkung und der anfallenden Kosten untersucht.
Technische Maßnahmen zur Entlastung werden mit Handlungsalternativen wie Anschluß an die öffentliche Versorgung oder Landnutzungsänderungen hinsichtlich ihrer Wirkung, der anfallenden Kosten und der Realisierungschancen verglichen und ökonomisch bewertet. In einem Leitfaden werden die Ergebnisse in Form von Anleitungen und Problemlösungen zusammengefaßt.


Ergebnisse und Diskussion

Die Auswertung der Routinemessungen des Gesundheitsamtes und eigene Messungen haben gezeigt, daß die Wasserqualität der privaten Trinkwasserbrunnen im Landkreis Osnabrück und an der Saidenbachtalsperre vor allem durch hygienische Mängel und zum Teil hohe Belastungen mit Stickstoffverbindungen beeinträchtigt ist. Aus der Analyse der Daten konnten für viele Brunnen lokale Kontaminationsursachen von regionalen Hintergrundbelastungen unterschieden werden. Es zeigte sich, daß hygienische Probleme in der Regel durch lokale Quellen begründet sind, während sich die Stickstoffgehalte vielfach auf Einträge aus der Landwirtschaft zurückführen lassen. Neuartige Isotopenuntersuchungen an ausgewählten Brunnen ermöglichten es, die Quellen des Stickstoffes (Mineraldünger oder organischer Dünger) im geförderten Trinkwasser zu identifizieren.
Aus den Daten der Gesundheitsämter konnten erstmals Karten der großflächigen, regionalen Belastung des oberflächennahen Grundwassers abgeleitet werden. Für den Landkreis Osnabrück fanden sich besonders in den nördlichen Regionen großflächig Nitratgehalte von über 50 mg/l, teilweise sogar über 90 mg/l. Einfache Modellrechnungen zeigten, daß zur flächenhaften Entlastung selbst bei sofortiger Verringerung der Einträge mit Zeiträumen von mehreren Jahrzehnten gerechnet werden muß.
Im Hinblick auf eine Entlastung privater Trinkwasserbrunnen wurden die möglichen technischen und vorsorgenden Maßnahmen in ihrer Wirksamkeit und bezüglich der Kosten umfassend verglichen und bewertet. Generell zeigte sich, daß eine optimale Entlastungsstrategie oftmals aus einer Kombination nach- und vorsorgender Maßnahmen bestehen muß, wobei die individuelle Strategie stark von den regionalen Ge-gebenheiten und der vorhandenen Belastungssituation bestimmt wird. Zur sofortigen Verbesserung der Wasserqualität belasteter Brunnen im Landkreis Osnabrück bieten sich Wasseraufbereitungsanlagen nach dem Umkehrosmose-Prinzip an. Diese zeichnen sich durch gute Aufbereitungsleistung bei gleichzeitig geringen Kosten aus. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten jedoch auch, daß zur Sicherung der Reinigungsleistung unbedingt eine fachgemäße Wartung gewährleistet sein muß. Zur dauerhaften Verbesserung der Wasserqualität sollte gleichzeitig eine konsequent durchgeführte pflanzengerechte Düngung in der Landwirtschaft praktiziert werden, wodurch sich der derzeitige Stickstoffüberschuß um ca. 70% reduzieren ließe. Für das Gebiet an der Saidenbachtalsperre zeigten die Untersuchungen, daß die Qualität des Talsperrenwassers von einer effektiven Abwasseraufbereitung der Haushalte mit privaten Hausbrunnen im Einzugsgebiet abhängt.
Im Rahmen des Projektes wurden Informationssysteme für den kommunalen Einsatz in Form von Prototypen entwickelt, die eine optimierte Probenahme sowie eine effiziente Datenhaltung und -auswertung der amtlichen Daten ermöglichen. Die entwickelten Systeme werden zur Zeit auf eine andere Kommune übertragen. Die abgeleiteten, neuartigen Ergebnisse zur Situation des oberflächennahen Grundwassers sind vor allem für einen nachhaltigen, flächendeckenden Grundwasserschutz und eine qualitätsorientierte Grundwasserbewirtschaftung von hohem Wert und haben deswegen sowohl bei öffentlichen Wasserversorgern als auch bei der Bezirksregierung großes Interesse gefunden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die gewonnen Projektergebnisse wurden schon während der Projektlaufzeit im Rahmen von zahlreichen Publikationen, Vorträgen auf Tagungen und Konferenzen, Fachausstellungen und Seminaren der Öffentlichkeit vorgestellt. Diese werden im Folgenden ebenso wie die im Rahmen des Projektes angefertigten Projekt-, Diplom- und Doktorarbeiten zusammengefaßt.

Publikationen im Rahmen des Projektes:
V. BERDING, J. BERLEKAMP, M. MATTHIES (1999): Vergleich von Maßnahmen zur Verbesserung der Wasserqualität privater Hausbrunnen im Landkreis Osnabrück. Wasser & Boden, 51/4, 41-45.
J. BERLEKAMP, S. FUEST (1999): GIS-gestütztes Informations- und Auswertesystem für private Trinkwasserbrunnen. In: de Lange, N. (Hrsg.): Geoinformationssysteme in der Stadt- und Umweltplanung, Osnabrücker Studien zur Geographie, (angenommen).
S. FUEST, J. BERLEKAMP, M. MATTHIES (1998): Risk mapping of groundwater contamination using long-term monitoring data of shallow drinking water wells. Journal of Hazardous Materials, 61, 197-202.
S. FUEST, J. BERLEKAMP, M. KLEIN, M. MATTHIES (1998): Screening of regional groundwater contamination with agrochemicals and comparison with monitoring observations. In: Brebbia, C.A., Pascolo, P. (Eds.): GIS Technologies and their Environmental Applications, Computational Mechanics Publications, Southampton, 53-62.
S. FUEST, J. BERLEKAMP, M. MATTHIES (1998): Regionales Grundwassermonitoring und Bestimmung großräumiger Grundwassergefährdung mittels privater Trinkwasserbrunnen. In: Strobl, Dollinger (Hrsg.): Angewandte Geographische Informationsverarbeitung, Wichmann, 88-93.
S. FUEST, J. BERLEKAMP, M. MATTHIES (1999): Modellierung großräumiger Grundwassergefährdung und flächendeckendes Grundwassermonitoring im Landkreis Osnabrück. Tagungsband des 2. Workshop "Modellierung des Wasser- und Stofftransportes in großen Einzugsgebieten", Verlag Kassel University Press, (angenommen).
K. KOPPERSCHMIDT (1998): N-Isotopensignatur im Grundwasser. In: M. Matthies (Hrsg.): Studienprojekte 1998. Beiträge des Institutes für Umweltsystemforschung der Universität Osnabrück, Beitrag Nr. 10.
STRAUCH, G., KOWSKI, P., SCHRECK, P. & D. THÜRKOW (1999), Nitrat in Trinkwasserbrunnen - eine Isotopenstudie. Beitrag zur Jahrestagung der Arbeitsgemeinschaft Stabiler Isotope 1999, Goettingen (eingereicht)
D THÜRKOW (1997): GIS-gestützte Untersuchungen zur Analyse geoökologischer Entwicklungstrends nach Änderung der Landnutzung am Beispiel des Einzugsgebietes der Saidenbachtalsperre (Erzgebirge).- Förderantrag Dissertation (Uni Leipzig) bei DBU
T. WIESER & D. THÜRKOW (1999): Projektorientiertes Datenmanagement unter Verwendung einer relationalen Datenbank.- In: Angewandte Geographische Informationsverarbeitung, AGIT-Symposium Salzburg, S. 563-570, H. Wichmann-Verlag, Heidelberg

Dissertationen, Diplom- und Projektarbeiten:
V. BERDING (1997): Private Hausbrunnen. Vergleichende Bewertung von Maßnahmen zur Verbesserung der Trinkwasserqualität. Diplomarbeit im Studiengang Angewandte Systemwissenschaft, Fachbereich Mathematik/Informatik, Universität Osnabrück.
S. FUEST (1996): Räumliche Klassifikation privater Trinkwasserbrunnen und ihrer Nitratbelastungen im Landkreis Osnabrück. Diplomarbeit im Studiengang Angewandte Systemwissenschaft, Fachbereich Mathematik/Informatik, Universität Osnabrück.
S. FUEST (1999): Bewertung regionaler Grundwassergefährdung durch diffuse Stickstoffeinträge. Monitoring und Gefährdungsanalyse. Dissertation am Fachbereich Mathematik / Informatik der Universität Osnabrück. (in Arbeit)
K. KOPPERSCHMIDT (1997) N-Isotopensignatur im Grundwasser. Projektarbeit im Studiengang Angewandte Systemwissenschaft, Universität Osnabrück.
M. MANN (1998): Erstellung einer Benutzeroberfläche für das Gesundheitsamt des Landkreises Osnabrück unter ArcView. Projektarbeit im Studiengang Angewandte Systemwissenschaft, Universität Osnabrück.
F. PFÄFFLIN (1997): Private Trinkwasserbrunnen in der Stadt Osnabrück. Projektarbeit im Studiengang Angewandte Systemwissenschaft, Universität Osnabrück.
F. PFÄFFLIN (1999): Regionale Flußeinzugsgebietsmodellierung im Oberlauf der Hase. Abflußsimulation und Stickstofffrachten. Diplomarbeit im Studiengang Angewandte Systemwissenschaft, Fachbereich Mathematik/Informatik, Universität Osnabrück.
C. RECHTIEN (1997): Stickstoffaufkommen und Stickstoffbedarf im Landkreis Osnabrück. Projektarbeit im Studiengang Angewandte Systemwissenschaft, Universität Osnabrück.
D. THÜRKOW (1999): GIS-gestützte Untersuchungen zur Analyse geoökologischer Entwicklungstrends nach Änderung der Landnutzung am Beispiel des Einzugsgebietes der Saidenbachtalsperre (Erzgebirge), Dissertation am Umweltforschungszentrum Leipzig, Sektion Hydrogeologie (in Arbeit)

Vorträge und Poster im Rahmen des Projektes:
J. BERLEKAMP: Poster "Vorsorgender Gewässerschutz. Grundwassermonitoring und Gefährdungsabschätzung" bei der "5. Deutsche ESRI Anwenderkonferenz", Freising, 1997
J. BERLEKAMP: Poster und Stand beim BMBF-Forschungsforum, Leipzig, 16. bis 20. September 1997
J. BERLEKAMP: Vortrag "Regionales Grundwassermonitoring und großräumige Gefährdungsabschätzung als Beitrag für einen vorsorgenden Gewässerschutz" beim "Forum GIS" des Instituts für Umweltwissenschaften der Hochschule Vechta, 7 Juni 1999
S. FUEST: Vortrag "Water Quality Management of Shallow Drinking Water Wells" bei der "Ecological Summit 96", Kopenhagen 1996
S. FUEST: Poster "Nutzung privater Trinkwasserbrunnen zur Bestimmung regionaler Grundwasserqualität" bei der "4. Deutsche ESRI Anwenderkonferenz", Freising, 1996
S. FUEST: Poster "Risk Mapping of Groundwater Contamination using Long-term Monitoring Data of Shallow Drinking Water Wells" bei der RISK 97 in Amsterdam (21.-24. Oktober 1997)
S. FUEST: Poster "Vorsorgender Gewässerschutz. Grundwassermonitoring und Gefährdungsabschätzung" bei der AGIT 97 (9. Symposium für Angewandte Geographische Informationsverarbeitung), Salzburg, 1997
S. FUEST: Vortrag "Regionales Grundwassermonitoring und Bestimmung großräumiger Grundwassergefährdung mittels privater Trinkwasserbrunnen" bei der AGIT 98 (10. Symposium für Angewandte Geographische Informationsverarbeitung), Salzburg, 1998
S. FUEST: Vortrag "Screening of Regional Groundwater Contamination with Agrochemicals and Comparison with Monitoring Observations" bei der Konferenz "GIS'98", Udine, 1998
S. FUEST: Vortrag "Regionales Grundwassermonitoring und Bestimmung großräumiger Grundwassergefährdung mittels privater Trinkwasserbrunnen" 2. Workshop "Modellierung des Wasser- und Stofftransportes in großen Einzugsgebieten", Giessen, 1998
S. FUEST: Poster "Stickstoffmonitoring der Grund- und Oberflächengewässer der Oberen Hase" bei der AGIT 99 (11. Symposium für Angewandte Geographische Informationsverarbeitung), Salzburg, 1999
M. MATTHIES: Vortrag "Konzept zur Entlastung von Grundwasservorräten" bei "Optimierung von Managementmaßnahmen in ökologischen Systemen", 20.-23.11.1996, Bad Homburg
M. MATTHIES: Vortrag "Georeferenzierte Simulation und Bewertung von Gewässerbelastungen" beim "Forum GIS" des Instituts für Umweltwissenschaften der Hochschule Vechta, 21. Juni 1999
D. RUSS, D. THÜRKOW & T. WIESER (1998): Die Datenbank der Sektion Hydrogeologie am Beispiel des Projektes "Trinkwasserbrunnen im Einzugsgebiet der Saidenbachtalsperre (Erzgebirge)".- Poster zur Einweihung des UFZ-Neubaues Halle
R. SCHRECK, G. HANSCHMANN, D. RUSS, A. SAWALLISCH, D. THÜRKOW UND T. WIESER (1998): Entlastung privater Trinkwasserbrunnen im Einzugsgebiet der Saidenbachtalsperre. Vortrag zum DBU-Abschlußseminar am 26.05.1998 in Osnabrück
T. WIESER, D. RUSS & D. THÜRKOW (1998): Entlastung privater Trinkwasserbrunnen im Einzugsgebiet der Saidenbachtalsperre.- Poster zum DBU-Statusseminar (Abschlußseminar) in Osnabrück

Workshops / Seminare:
Anlaß Datum Ort
Arbeitstreffen, Projektkordination 1./2. Feb. 1996 UFZ, Bad Lauchstädt
Koordinationstreffen mit UBA, BMU 29. Okt. 1996 USF, Osnabrück
Arbeitstreffen, Projektkordination 16./17. Dez. 1996 UFZ, Bad Lauchstädt
Arbeitstreffen, Projektkordination,
Vorortbesichtigung Erzgebirge 27.-29 Mai 1997 UFZ, Bad Lauchstädt, Erzgebirge
Abschlußseminar 26. Mai 1998 USF, Osnabrück
Koordinationstreffen mit der
Bezirksregierung Weser-Ems 15. Jan. 1999 USF, Osnabrück

Zukünftig geplante Maßnahmen
Es ist beabsichtigt, den Abschlußbericht des Projektes in der Reihe 'Beiträge des Institutes für Umweltsystemforschung der Universtät Osnabrück' zu veröffentlichen. Weitere Fachveröffentlichungen vor allem in Zeitschriften, bei denen auch Kommunen sowie kleine und mittlere Unternehmen zum Leserkreis gehören, sind beabsichtigt. Gleichzeitig sollen die Projektergebnisse in digitaler Form auf CD-ROM und über die Internet-Homepage des Instituts für Umweltsystemforschung der Öffentlichkeit angeboten werden. Eine Indizierung der Internetangebote in den gängigen Suchmaschinen wird ein leichtes Auffinden der Ergebnisse für Interessierte ermöglichen. Durch oben genannte Maßnahmen wird eine weitere Verbreitung der Projektergebnisse sichergestellt.


Fazit

Die Projektarbeiten haben gezeigt, daß die Situation privater Trinkwasserbrunnen in den Untersuchungsregionen durch zum Teil massive Beeinträchtigungen der Wasserqualität geprägt ist. Neben hygienischen Problemen, die in der Regel auf lokale Verunreinigungen zurückzuführen sind, sind vor allem großflächige Kontaminationen mit Stickstoffverbindungen vorrangig aus der Landwirtschaft von Bedeutung. Gleichzeitig ist die jeweilige Situation stark von den regionalen Besonderheiten abhängig.
Bei den Maßnahmen zur Qualitätssicherung und der Wahl der Entlastungstrategien wird empfohlen, die im Projekt erarbeiteten Ergebnisse zur Wirksamkeit und Wirtschaftlichkeit der möglichen Entlastungsmaßnahmen zu berücksichtigen. Wie gezeigt wurde, sollten technische, nachsorgende Maßnahmen und vorsorgende Maßnahmen in der Regel in Kombination eingesetzt werden und sich ergänzen. Eine nachhaltige Sicherung und Verbesserung der Qualität des Trinkwassers aus oberflächennahem Grundwasser erscheint ohne die vorgeschlagenen Maßnahmen zur Eintragsreduzierung nicht möglich.
Wie sich im Projektverlauf zeigte stellen die routinemäßig erfaßten Wasserqualitätsdaten der Gesundheitsämter eine außergewöhnliche Datenbasis dar. Auf ihrer Grundlage konnte erstmals flächendeckend für eine Region die Situation im oberflächennahen Grundwasser beurteilt werden. Die gewonnen Ergebnisse stellen dabei eine wichtige Grundlage für einen vorsorgenden, flächendeckenden Grundwasserschutz dar. Eine Übertragbarkeit der entwickelten Methodik auf Kommunen mit ähnlicher Struktur ist möglich.
Die im Projekt entwickelten modernen Softwareinstrumente sollten verstärkt in der kommunalen Praxis genutzt werden, um die Effizienz der Überwachung zu erhöhen und gleichzeitig direkt und schnell zu qualitativ hochwertigen Ergebnissen zu kommen.