Untersuchungsprogramm zur Ermittlung des nutzbaren ...

Untersuchungsprogramm zur Ermittlung des nutzbaren
Grundwasserdargebotes im schleswig-holsteinischen
Nachbarraum zu Hamburg, Südwest-Holstein
Fachlicher Abschlussbericht zur Abschätzung der
Grundwasserneubildungsrate im wasserwirtschaftlichen
Planungsraum Südwest-Holstein
Bearbeiter: Dr. Roland Otto
Kiel, im September 2001
Landesamt für
Natur und Umwelt
des Landes
Schleswig-Holstein

Inhaltsverzeichnis
1. Einführung 1
1.1 Aufgabenstellung und Ziele 2
1.2 Lage des Untersuchungsgebietes 3
1.3 Geomorphologischer und hydrologischer Überblick 5
2. Untersuchungsmethodik und Abgrenzung zu anderen Berechnungsverfahren 7
2.1 Datengrundlage und Bilanzzeitraum 8
2.2 Einsatz eines 3-D-Tabellenkalkulationsprogrammes zur flächendifferenzierten
Berechnung der Grundwasserneubildung 10
3. Berechnung des Wasserüberschusses auf Grundlage thematischer
und topographischer Karten 13
3.1 Schichtenfolge und Flächennutzung 13
3.2 Verdunstung von offenen Wasserflächen 17
3.3 Abgrenzung von Flächen mit geringem Grundwasserflurabstand
und deren Einfluss auf die Gebietswasserbilanz 20
3.4 Die Auswirkung von Oberflächenversiegelung auf die
Grundwasserneubildung 23
3.5 Ermittlung des langjährigen Gebietsniederschlages 28
3.6 Berechnung des Wasserüberschusses 32
3.7 Klimatische Bodenwasserbilanz im Bereich westlich Quickborn für den
Zeitraum von 1980 bis 1991 39
3.8 Auswirkung der Bandbreite der Eingangsparameter auf die
Ergebnisse der Wasserüberschussberechnung 46
4. Die Ermittlung und Regionalisierung des mittleren langjährigen
Oberflächenabflusses 53
4.1 Hydrologie der im Untersuchungsgebiet vorhandenen
Oberflächengewässer 58
4.2 Die rasterzellenbezogene Abflussverteilung 61
Seite

5. Die Ermittlung der Grundwasserneubildungsrate als Differenz
zwischen Wasserüberschuss und oberirdischem Abfluss 63
6. Gebietswasserbilanz für das Untersuchungsgebiet Südwest-Holstein 66
7. Zusammenfassung 68
8. Ausblick 70
9. Schriftenverzeichnis 72
10. Abbildungs-, Anlagen- und Tabellenverzeichnis 78

1. Einführung
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Zu den durch das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) den Ländern übertragenen Aufgaben gehört
die wasserwirtschaftliche Rahmenplanung. Sie soll die für die Entwicklung der Lebens- und
Wirtschaftsverhältnisse notwendigen wasserwirtschaftlichen Voraussetzungen sichern. Sie ist
dadurch gekennzeichnet, dass sie gleichzeitig alle gesamtwasserwirtschaftlich relevanten Fragen
in einem Planungsraum betrachtet und somit die Grundlage für eine langfristige wasserwirtschaftliche
Ordnung bildet. Dieses bedeutet, dass die zu erwartenden Anforderungen an
den Wasserhaushalt abgeschätzt und die durch unterschiedliche Nutzungsinteressen möglicherweise
entstehenden Konflikte gelöst werden können.
Einen wichtigen Bestandteil der wasserwirtschaftlichen Rahmenplanung stellen Grundwasserbewirtschaftungspläne
dar. Sie dienen dem Schutz des Grundwassers als Bestandteil des
Naturhaushaltes, der Schonung der Grundwasservorräte und sollen zudem den Nutzungserfordernissen
Rechnung tragen. Eine der wesentlichen Ausgangsgrößen für diese Planungen
ist das natürliche Grundwasserdargebot, welches im Rahmen von Erkundungsprogrammen
ermittelt wird. Umfangreiche Untersuchungen zum Wasserhaushalt und zur Grundwasserbeschaffenheit
sowie der Einsatz numerischer Grundwassermodellierung machen es möglich, die
Auswirkungen tatsächlicher und angenommener Grundwasserentnahmen für einen Untersuchungsraum
offenzulegen. Die Erkundungsprogramme liefern damit die naturwissenschaftliche
Grundlage für die Bewirtschaftungsplanung.
Die Frage, in welchem Umfang das so ermittelte Grundwasserdargebot der Nutzung zur Verfügung
steht, kann jedoch unmittelbar nicht beantwortet werden. Jede Grundwassernutzung stellt
einen Eingriff in den Wasserhaushalt dar, welcher zwangsläufig zu wie auch immer gearteten
Veränderungen des Naturzustandes führt. Die Entscheidung, inwieweit diese Veränderungen
ökologisch und ökonomisch tolerierbar sind, fällt nicht in die Zuständigkeit der Naturwissenschaften,
sondern muss in Abgleich der Interessen aller Beteiligten basierend auf den gewonnenen
naturwissenschaftlichen Erkenntnissen und gesetzlichen Regelungen getroffen werden.
Durch Bevölkerungszuwachs und geänderte Lebensgewohnheiten war in Schleswig-Holstein
in den letzten Jahrzehnten ein deutlicher Anstieg des Wasserverbrauchs zu verzeichnen. Während
Ende der 60er Jahre der Bedarf an Trinkwasser bei rund 113 Mio. m³/a lag, stieg er bis
zum Jahr 1992 auf etwa 218 Mio. m³/a an. Seit dem stagniert der Wasserverbrauch bzw. geht
leicht zurück. Im Kreis Pinneberg nordwestlich von Hamburg ist dieser Trend ebenfalls zu beobachten.
So stieg z.B. die Grundwasserförderung der öffentlichen Wasserversorgungsunternehmen
von 19,8 Mio. m³ im Jahre 1975 auf 22,4 Mio. m³ im Jahre 1991, wobei die Freie und
Hansestadt Hamburg einen Teil ihres Wasserbedarfs aus dem Kreisgebiet deckt.
Abgelöst wurde das sich damit etwas entspannende Mengenproblem in den vergangenen Jah-
ren vermehrt durch Nutzungseinschränkungen hinsichtlich der Grundwasserqualität, wie bei-
spielsweise ansteigende Nitrat- und Pflanzenschutzmittelgehalte im oberflächennahen Grund-

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wasser oder auch ansteigende Salzgehalte durch die Mobilisierung versalzener Tiefengrund-
wässer. Da dem Wasserbedarf für die öffentliche Wasserversorgung nur ein begrenztes
Grundwasserdargebot zur Verfügung steht, wurden mehrere Grundwasseruntersuchungs-
programme initiiert mit dem Ziel, im wasserwirtschaftlich intensiv genutzten Nachbarraum zu
Hamburg zur langfristigen Sicherung der Grundwasserressourcen das noch verfügbare
Grundwasserdargebot zu ermitteln. Dessen Größe ist von einer Vielzahl von Faktoren wie der
Grundwasserneubildung, Grundwasserzu- und abströmen, Grundwasserabfluss in die Vorfluter
sowie von bestehenden Grundwasserentnahmen abhängig. Die in diesem Bericht vorgestellten
Untersuchungsergebnisse sind Bestandteil des Untersuchungsprogramms zur Ermittlung des
nutzbaren Grundwasserdargebotes im westlichen Nachbarraum zu Hamburg, Großraum Pin-
neberg (Grundwasseruntersuchungsprogramm Pinneberg i.w.).
1.1 Aufgabenstellung und Ziele
Das Grundwasseruntersuchungsprogramm Pinneberg hat zum Ziel, gesicherte Erkenntnisse
über die Größe und Verteilung des Grundwasserdargebotes zu erhalten, Grundwasserneubildungs-
und -ergänzungsprozesse zu erfassen und die örtlich differenzierte Grundwasserneubildungsrate
zu ermitteln. Darüber hinaus sollte mit Hilfe eines numerischen Grundwassermodells
die Auswirkung von bestehenden und zukünftigen Grundwasserentnahmen auf den
Grund- und Gesamtwasserhaushalt abgeschätzt werden. Diese Wasserhaushaltsuntersuchungen
werden die Grundlage für die langfristige wasserwirtschaftliche Planung liefern und darüber
hinaus Hilfestellung geben für Entscheidungen im Rahmen wasserrechtlicher Verfahren
(Benutzungen des Grundwassers, Festsetzungen von Trinkwasserschutzgebieten).
Eine wichtige Ausgangsgröße für die Quantifizierung des Wasserhaushalts eines Gebietes ist
die Grundwasserneubildung in ihrer örtlichen Verteilung. Zu ihrer Ermittlung galt es, ein Verfahren
zu finden, welches eine flächendifferenzierte Berechnung für größere Gebiete mit vertretbarem
Arbeitsaufwand zulässt. Geeignet erschien der Ansatz von JOSOPAIT & LILLICH (1975)
in der Weiterentwicklung von OTTO (1992), nach welchem für bestimmte Boden- und Nutzungsarten
zunächst der Wasserüberschuss des Untersuchungsraumes bestimmt wird. Dieser
Wasserüberschuss ist derjenige Anteil des Niederschlages, der weder oberirdisch abfließt
noch verdunstet. Die Grundwasserneubildungsrate ist die Differenz zwischen Wasserüberschuss
und oberirdischem Abfluss. So war in einem weiteren Schritt auch die örtliche Verteilung
des oberirdischen Abflusses zu ermitteln. Da die an den Gewässerpegeln erhobenen Abflussdaten
als mittlere Tagesabflüsse (MQ-Werte) vorliegen und nur für die Gesamtheit eines
Einzugsgebietes gelten, musste eine Lösung gefunden werden, diesen Abfluss zunächst in einen
unterirdischen und einen oberirdischen Anteil aufzutrennen und danach zu regionalisieren.
Letzteres wurde mit einem einfachen stationären Abflussmodell realisiert. Hierzu war es auch

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erforderlich, unvollständige Abflusszeitreihen mittels Regressionsrechnungen zu extrapolieren
sowie den Abfluss an durch Tide-Rückstau beeinflussten Pegeln abzuschätzen.
Vor allem im Bereich der Städte Elmshorn, Quickborn und Pinneberg weist das Untersuchungsgebiet
einen mitunter hohen Grad an Oberflächenversiegelung auf. Dieses führt zu einer
Abminderung der Grundwasserneubildung bei gleichzeitiger Zunahme des oberirdischen
Abflusses. Auch dieses musste sowohl im Rahmen der Grundwasserneubildungsberechnung
als auch bei der Ermittlung der oberirdischen Abflussspenden berücksichtigt werden.
Alle dem Berechnungsgang zugrunde liegenden Daten wie auch die resultierende Grundwasserneubildungsrate
verstehen sich als langjährige Mittelwerte (Untersuchungszeitraum:
12 Jahre). Es wird also von quasistationären Verhältnissen ausgegangen, d.h. temporäre Vorratsänderungen
im Grundwasserleiter bleiben unberücksichtigt.
Auf Grund der Gebietsgröße von etwa 400 km² wurde auf engräumige Detailuntersuchungen
verzichtet, da sich punktuell ermittelte Grundwasserneubildungswerte infolge der in der Fläche
sehr heterogenen Verteilung der Ausgangsdaten nur mit großer Fehlerbandbreite regionalisieren
lassen. Da in bezug auf die Grundwasserneubildungswerte langjährige Mittelwerte gefordert
waren, erschien auch die Durchführung von Feldversuchen als nicht sinnvoll. Ferner
musste das Verfahren der bestehenden mitunter sehr lückenhaften Datenbasis Rechnung tragen.
Daraus resultierte die Maßgabe, den Berechnungsgang so zu gestalten, dass sich alle
Ergebnisse bei einem erweiterten Kenntnisstand ohne großen Aufwand aktualisieren lassen.
1.2 Lage des Untersuchungsgebietes
Das Untersuchungsgebiet liegt nordwestlich von Hamburg im Kreis Pinneberg und umfasst
Teile der Messtischblätter TK 1:25.000 Barmstedt (2224), Quickborn (2225), Pinneberg (2324)
und Niendorf (2325). Die Südwestecke des Gebietes liegt unmittelbar westlich des Flughafens
Hamburg Fuhlsbüttel. Von hier erstreckt sich die Südgrenze über Rellingen und Pinneberg bis
zum Flugplatz Holm, etwa 3 km südlich von Uetersen. Die Westgrenze verläuft zwischen Uetersen
und Tornesch westlich Elmshorn nach Norden bis Sparrieshoop und von dort über Barmstedt
nach Osten bis Alveslohe. Die Ostgrenze bildet die Linie Alveslohe/Hamburg Fuhlsbüttel.
Östlich wird das Untersuchungsgebiet von der BAB 7 gequert, südlich und westlich verläuft die
BAB 23.
Die Abb. 1 zeigt, dick umrissen, die Lage des Gesamtuntersuchungsraumes, für welchen die
geologischen Erkundungsmaßnahmen durchgeführt wurden. Das Quadrat in der Mitte der Abbildung
umgrenzt das eigentliche Untersuchungsgebiet, für welches die flächendifferenzierte
Grundwasserneubildungsrate zu erarbeiten war.

Elbe
Kreis Steinburg
Krückau
Pinnau
Niedersachsen
Elmshorn
Uetersen
Kreis Pinneberg
Barmstedt
Pinneberg
Elbe
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Pinnau
Landesgrenze
Quickborn
LEGENDE:
Kreis Segeberg
Norderstedt
Kreis
Stormarn
Freie und Hansestadt
Hamburg
Grenze des Gesamtuntersuchungsprogrammes
Grenze des Untersuchungsgebietes
Kreisgrenze
Abb. 1.1: Karte des Untersuchungsraumes mit Lage des Untersuchungsgebietes
für die Grundwasserneubildungsberechnung.

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Das quadratische Untersuchungsgebiet wurde für den Berechnungsgang in 33x33 Zellen
(1089 Rasterzellen) der Größe von 500x500 m aufgeteilt. Die Gebietsgröße betrug demzufolge
272,25 km². Die Hoch- und Rechtswerte (Gauss/Krüger) der Südwest- und Nordostecke des
Untersuchungsgebietes lauten:
Rechtswert Hochwert
Südwesten: 3545.750 5946.750
Nordosten: 3562.250 5963.250
1.3 Geomorphologischer und hydrologischer Überblick
Die Landschaft Schleswig-Holsteins wird in entscheidender Weise durch die Ablagerungen der
pleistozänen Vereisungen geprägt. Die glazialen Gesteinsserien erreichen in elstereiszeitlichen
Rinnen nicht selten Mächtigkeiten von über 400 m. Wie SCHMIDTKE (1992: S. 8) anschaulich
zeigt, liegt die Quartärbasis im Normalfall unter dem Meeresspiegelniveau. Denkt man sich die
eiszeitlichen Sedimente weg, wäre Schleswig-Holstein heute bis auf wenige Inseln aus voreiszeitlichem
Untergrund von einer vereinigten Nord- und Ostsee überflutet. Ablagerungen der
Weichseleiszeit finden sich vor allem im nördlichen und östlichen Schleswig-Holstein östlich
der Linie Flensburg - Schleswig - Rendsburg - Neumünster - Bad Segeberg - östlicher Stadtrand
von Hamburg - nördlich Schwarzenbek und Büchen. Es handelt sich vorwiegend um junge
Grund- und Endmoränen, die der Landschaft einen kuppigen Habitus verleihen. Westlich
davon, in Richtung Westküste und Unterelbe, schließen sich ausgedehnte Sanderflächen an.
Grund- und Endmoränenablagerungen der Saaleeiszeit finden sich vor allem an der Westküste
sowie im südwestlichen und südöstlichen Schleswig-Holstein (vgl. GRIPP, 1964: Kt. 3).
Das Untersuchungsgebiet liegt zwischen den ausgedehnten Sanderflächen um Neumünster
und Bad Bramstedt im Norden und den Elbmarschen im Süden. Die Saaleeiszeit (Drenthe-
Stadium) hat hier eine mächtige Grundmoräne hinterlassen, die oberflächennah im ganzen
Untersuchungsgebiet zu finden ist. Die jüngeren Eisvorstöße der Saaleeiszeit erreichten das
Untersuchungsgebiet nicht mehr. Sie hinterließen jedoch glazifluviatile Sedimente, die z.T.
recht grobkörniger Natur sind und die Drenthemoräne vielerorts überdecken. Besonders im
Osten des Untersuchungsgebietes, im Dreieck Quickborn - Norderstedt - Hennstedt-Rhen, erreichen
die saaleeiszeitlichen Sandersande eine Mächtigkeit von bis zu 30 m (SCHEER, 1995).
Als das weichseleiszeitliche Inlandeis abschmolz, flossen die Schmelzwässer in den Tälern in
Richtung auf das Elbeurstromtal. Als Relikt finden sich daher im Pinnau-, Bilsbek- sowie im
Krückautal Schmelzwasserablagerungen in Form von Niederterrassen (KOERT, 1914;
SCHRÖDER, STOLLER & WOLFF, 1913). Charakteristisch für das Untersuchungsgebiet sind
auch ausgedehnte Niedermoore, die allerdings heute zu Großteil dräniert sind. Besonders hervorzuheben
wären hier das Himmelmoor westlich von Quickborn sowie das Liether Moor östlich
von Elmshorn.

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Abb. 1.2: Höhenschichtenplan des Untersuchungsgebietes mit Lage der Oberflächengewässer.
Auf Grund ihrer Genese ist die Landschaftsform des Untersuchungsgebietes flachwellig und
insgesamt ausgeglichen, wie es typisch ist für Grundmoränengebiete. Die mit über 30 m NN
höchsten Erhebungen finden sich nördlich und südlich von Quickborn, östlich der Pinnau. Die
Geländeoberfläche fällt von dort recht gleichmäßig nach Südwesten ab. Südlich von Uetersen,
also an der Südwestgrenze des Untersuchungsgebietes, liegen die Geländehöhen im Pinnautal
nur noch bei 1,5 m über NN (vgl. Abb. 1.2).

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Das Untersuchungsgebiet verfügt über ein dichtes Gewässersystem, das während der letzten
Eiszeiten entstanden ist. Durch das Abschmelzen des Inlandeises entstanden große Schmelzwasserströme,
die nach Südwesten in Richtung auf das Elbeurstromtal abflossen. Die großen
Wassermassen schufen die Täler von Pinnau, Bilsbek und Krückau, welche alle mehr oder
weniger in nordöstlicher/südwestlicher Richtung verlaufen. Die Krückau entwässert mit ihren
Nebenflüssen (-bächen) Offenau, Vielmoor Au und Ekholter Au den gesamten Nordteil des
Untersuchungsgebietes. Die Südhälfte wird ausnahmslos von der Pinnau entwässert. In die
Pinnau münden, von West nach Ost, der Ohrbrooks Graben, die Appener Au, die Bilsbek, die
Düpenau, die Mühlenau sowie die Rugenwedelsau (Abb. 1.2). Auf Grund der topographischen
Tieflage am Westrand des Untersuchungsgebietes ist sowohl bei der Krückau als auch besonders
bei der Pinnau im Wasserstandsgang Aufstau durch die Tide zu beobachten.
2. Untersuchungsmethodik und Berechnungsverfahren
Die Untersuchungsmethodik zur Ermittlung der Grundwasserneubildungsrate sowie die Abgrenzung
zu anderen Verfahren ist ausführlich bei OTTO (1997) abgehandelt und soll an dieser
Stelle nur kurz umrissen werden. Die vorgenannte Arbeit kann unter dem LINK
www.umweltdaten.landsh.de (Rubrik Wasser/Grundwasserbewirtschaftung) im Internet abgerufen
werden. Im Rahmen der Berechnungen wurde für den Untersuchungsraum zunächst der
Wasserüberschuss (WÜ) auf Basis der o.a. Lysimetergeraden als Funktion des Niederschlages
(N) ermittelt (vgl. JOSOPAIT & LILLICH 1975; OTTO 1992). Der Wasserüberschuss ist
hierbei im langjährigen Mittel der Anteil des Niederschlages, der nicht verdunstet. Er entspricht
in abflusslosen Gebieten der Sickerwassermenge Sw:
WÜ = N - V ;
WÜ entspricht S w wenn A o = 0 .
Da auf Flächen mit geringem Grundwasserflurabstand die Verdunstung größer ist als auf
grundwasserfernen Standorten, wird für diese Bereiche der Wasserüberschuss entsprechend
dieser zusätzlichen Verdunstung abgemindert. Für offene Wasserflächen wird die Verdunstung
nach PENMAN angesetzt. Die Grundwasserneubildungsrate erhält man, in dem die Differenz
zwischen dem Wasserüberschuss und dem oberirdischen bzw. oberflächennahen Abfluss gebildet
wird. Während JOSOPAIT & LILLICH (1975) den Ao-Abfluss pauschal als Funktion der
Hangneigung und Infiltrationskapazität des Bodens in die Berechnungen einfließen ließen,
wurde hier versucht, dass oberirdische Abflussgeschehen mit Hilfe von an gewässerkundlichen
Pegeln ermittelten Abflussdaten sowie hydrologischen Sondermessprogrammen zu erfassen
und regional zu differenzieren.

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Um Sensitivitätstest für einzelne Eingangsparameter einschließlich der Ermittlung der Ergeb-
nisbandbreite durchführen zu können, war es notwendig, das Berechnungsverfahren so flexibel
wie möglich zu gestalten. Hierzu wurde das Untersuchungsgebiet zunächst in ein quadrati-
sches Raster mit einem Rasterknotenabstand von 500 m aufgeteilt. Die Erfassung und rechne-
rische Verarbeitung aller Eingangsdaten erfolgte zellenbezogen in Form einer Zahlenmatrix mit
einem 3-D-Tabellenkalkulationsprogramm, welches auf einfache Art und Weise die rechneri-
sche Verknüpfung mehrerer Arbeitsblätter wie auch mehrerer Dateien erlaubt. Diese Vorge-
hensweise hat den Vorteil, dass bei jeder Änderung der Ausgangsdaten (z.B. Niederschlags-
verteilung, Flächennutzung, Abflussverteilung, Verdunstungswerte, Funktionsgleichungen der
Lysimetergeraden u.a.) die Grundwasserneubildungsverteilung vom Programm unmittelbar neu
berechnet wird.
Das eigentliche Grundwasserneubildungsmodell enthält die Daten über die flächenhafte Verbreitung
der Boden- und Nutzungsarten einschließlich der Flächen mit geringem Grundwasserflurabstand,
die Verdunstung von offenen Wasserflächen sowie die Niederschlagsverteilung
des Untersuchungsgebietes. Der Grad der Oberflächenversiegelung wird aus einer separaten
Datei importiert, ebenso die regionale Verteilung des Oberflächenabflusses. Für jedes oberirdische
Einzugsgebiet der Oberflächengewässer wurde ein Abflussschema erstellt und mit den
auf Pegeldaten basierenden Ao-Abflüssen belegt. Für jedes dieser einfachen Abflussmodelle
existiert eine zugehörige Datei mit der einzugsgebietsbezogenen Niederschlagsverteilung sowie
der Oberflächenversiegelung durch Überbauung.
2.1 Datengrundlage und Bilanzzeitraum
Für die Grundwasserneubildungsberechnung werden eine Vielzahl von geologischen und hydrologischen
Informationen benötigt (s.o.). Zu Beginn der Untersuchungen musste festgestellt
werden, dass hinsichtlich der verfügbaren Daten erhebliche Defizite bestanden. So konnte z.B.
die oberflächennah anstehende geologische Schichtenfolge nur in bindige und nicht bindige
Sedimente unterteilt werden, weil weitere Differenzierungen mit räumlich hoher Auflösung nicht
möglich waren. Die geologischen Auswertungen basieren auf zwei geologischen Karten
1:25.000, die den südlichen Teil des Untersuchungsgebietes abdecken (Blatt 2324, Pinneberg;
Blatt 2325, Niendorf), einer Bodenkarte im Maßstab 1:25.000 für den Nordwesten (Blatt 2224,
Barmstedt) sowie einer Karte der Reichsbodenschätzung für den Nordosten (Blatt 2225,
Quickborn). Ferner wurde Archivmaterial des geologischen Landesamtes Schleswig-Holstein
ausgewertet. Auf Basis dieser Datengrundlage wurde für das Untersuchungsgebiet eine Manuskriptkarte
ausgearbeitet, aus der die Verteilung sandiger und nichtsandiger Bodenarten
hervorgeht (SCHEER, 1994a). In ähnlicher Weise wurde eine Verbreitungskarte für Gebiete mit
geringen Grundwasserflurabständen erstellt, in die darüber hinaus die in den topographischen
Karten ausgewiesenen Feuchtgebiete eingearbeitet wurden (SCHEER, 1994b). Die Flächenanteile
an offenen Wasserflächen wurden ebenso aus der Topographischen Karte 1:25.000

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abgeleitet wie der Grad der Oberflächenversiegelung durch Überbauung. Die Verteilung der
Niederschläge sowie die der Benetzungs- und Muldenverluste auf versiegelten Flächen basiert
auf Daten des deutschen Wetterdienstes.
Wie die Abb. 1.2 zeigt, liegt das Untersuchungsgebiet im Einzugsgebiet zweier größerer Flüsse,
der Krückau im Norden sowie der Pinnau im Süden und Westen. Die wichtigsten Nebenflüsse
und -bäche der Krückau sind die Eckholter Au und Vielmoor Au, die der Pinnau die
Mühlenau, Düpenau, Appener Au, die Bilsbek und der Ohrbrooks Graben. Das Abflussgeschehen
wird im Untersuchungsgebiet derzeit mit insgesamt 11 Abfluss- und 2 Wasserstandspegeln
erfasst. 9 der 11 Abflusspegel wurden speziell für die vorgestellten Untersuchungen errichtet, 3
Pegel in den Jahren 1984/1985, 6 in 1995. Die unvollständig vorliegenden Datenreihen mussten
mittels linearer Regression auf den Bilanzzeitraum extrapoliert werden. Die beiden Wasserstandspegel
liegen im Unterlauf von Pinnau und Krückau. Die dort aufgezeichneten Wasserstandskurven
zeigen bei Flut deutlich Aufstau bis hin zum Kentern. Es musste daher in bezug
auf die Umsetzung der Wasserstände in Abflüsse ein Verfahren gefunden werden, den Tideeinfluss
zu eliminieren, um für die beiden Teileinzugsgebiete zumindest Abflussschätzwerte zu
ermitteln.
Das vorgestellte Berechnungsverfahren eignet sich nur für die Bestimmung einer langjährigen,
mittleren Gundwasserneubildungsrate, da Speicheränderungen sowohl im Bodenbereich als
auch im Grundwasserleiter unberücksichtigt bleiben. Im vorliegenden Fall liegen den Berechnungen
aufgrund wasserwirtschaftlicher Vorgaben Niederschlags- und Abflussmittelwerte der
Abflussjahre 1980 - 1991 zugrunde. Die hydrologische Einordnung des Bilanzzeitraumes in den
langjährigen klimatologischen Gang veranschaulicht die Abb. 2.1. In dieser Darstellung wurde
der Gebietsniederschlag im Pinneberger Raum als Mittelwert der Niederschlagsstationen
Quickborn, Pinneberg, Drochtersen (Ritsch) und Horst bei Itzehoe in Form einer Ganglinie aufgetragen.
Im Vergleich dazu ist der Gebietsniederschlag des Lübecker Raums (Niederschlagsstationen:
Blankensee, Travemünde und Timmendorfer Strand) ebenfalls dargestellt.

Niederschlag in mm
950
900
850
800
750
700
650
600
550
500
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Ganglinie des Niederschlages im Zeitraum von 1954-1991
Vergleich westl. Hamburger Umland mit dem Lübecker Raum
Langjähriger Mittelwert
1954-1991
1954 1956 1958 1960 1962 1964 1966 1968 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990
Abflussjahre
Gleitender Mittelwert v. 4 Stationen im westl. Hamburger Umland
Gleitender Mittelwert von 3 Stationen im Lübecker Raum
Hamburger Umland
L übecker Raum
Bilanzzeitraum
Abb. 2.1: Ganglinien des Niederschlages im Großraum Pinneberg sowie im Lübecker
Raum. Der Bilanzzeitraum fällt in eine Periode, in der die Jahresniederschläge
oberhalb des 37-Jahres-Mittels (Großraum Pinneberg:
781 mm/a, Lübecker Raum: 643 mm/a) liegen.
Die Zeitreihen wurden mit Hilfe gleitender Mittelwertsbildung (5 Jahre) geglättet. Der Betrachtungszeitraum
erstreckt sich von 1954 bis 1991. Die durchgezogenen Geraden repräsentieren
die arithmetischen Mittelwerte des obigen Zeitraums (Pinneberger Raum: 781 mm/a, Lübecker
Raum: 643 mm/a). Während von 1970 bis 1978 eher trockene Jahre zu verzeichnen waren, lagen
die Niederschläge ab 1979 bis 1991 deutlich über dem langjährigen Mittel. Für den Bilanzzeitraum
(Abb. 2.1: schwarzer Balken) betrugen die mittleren Jahresniederschläge im Hamburger
Raum etwa 810 mm, in Lübeck 688 mm. Die Grundwasserneubildungsverteilung wurde also
für eine relativ feuchte Klimaperiode abgeschätzt. Anhand der Abbildung erkennt man auch,
dass die Niederschlagshöhen im Lübecker Raum deutlich geringer sind als im Hamburger
Umland (130-150 mm/a).
2.2 Einsatz eines 3-D-Tabellenkalkulationsprogrammes zur flächendifferenzierten Berechnung
der Grundwasserneubildung
Zur Berechnung der Grundwasserneubildungsrate wurde das Tabellenkalkulationsprogramm
LOTUS 1-2-3 unter der WINDOWS-Benutzeroberfläche eingesetzt. Andere kommerzielle Anwendungsprogramme
wie z.B. QUATTRO PRO (Borland) oder EXCEL (Microsoft) eignen sich
hierzu in gleicher Weise. Eine Tabellenkalkulationsdatei besteht aus einem oder mehreren Arbeitsblättern
(Spreadsheets). Ein Arbeitsblatt wiederum setzt sich aus 8192 Zeilen und 255

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Spalten, also insgesamt aus 2.088.960 Zellen, zusammen. Die einzelnen Zellen untereinander
wie auch Zellen verschiedener Arbeitsblätter oder auch Zellen verschiedener Dateien können
beliebig miteinander verknüpft werden. Hierfür stehen alle gängigen mathematischen Funktionen
zur Verfügung. Ferner ist eine Zielsuche-Option implementiert, die im Berechnungsgang
vornehmlich zur Ermittlung der Abflussverteilungen eingesetzt wird. Mit Hilfe dieser Optionen
kann das Ergebnis eines funktionalen Verknüpfungsschemas von Zellen durch iterative Variation
von ergebnisbeeinflussenden Variablen automatisch an einen Vorgabewert angepasst werden.
Nachstehend ist dieses anhand eines einfachen Beispiels erläutert (Abb. 2.2):
A B C D E
1
2
3
Ao = A1 + A2
4 A1 = 25
5 Vorgabewert für Ao = 40
Abb. 2.2: Erläuterung der Zielsucheoption eines Tabellenkalkulationsprogrammes
anhand eines einfachen Beispiels.
In der Zeile 2 der Abbildung ist eine einfache algebraische Gleichung dargestellt. Der Wert der
Variablen A1 ist fest vorgegeben und beträgt 25. Die Zielvariable Ao (= A1 + A2) soll den Wert
40 einnehmen, und zwar durch Anpassung der Variablen A2. Das Programm variiert nun die
Variable A2 iterativ solange, bis Ao den Vorgabewert erreicht hat. Das Ergebnis ist in diesem
Fall 15. Solche Rechenoperationen und Programmabläufe können hierbei mit Hilfe von Macros
über Tastenkombinationen recht einfach gesteuert werden.
Das Untersuchungsgebiet wurde für die Berechnung in 33x33 (1089) quadratische Zellen der
Kantenlänge von 500x500 m unterteilt. Alle zur Grundwasserneubildungsermittlung benötigten
Flächeninformationen wurden für diese Rasterzellen arbeitsblattweise in mehreren Tabellenkalkulationsdateien
abgelegt. So enthält z.B. das Grundwasserneubildungsmodell in seinen ersten
vier Arbeitsblättern zellenbezogen die prozentualen Anteile von Sandflächen mit Akker/Grünland,
Sandflächen mit Wald, Lehmböden mit Acker/Grünland sowie Lehmböden mit
Wald (Abb. 2.3) einschließlich der zugehörigen Lysimetergleichungen. Mit den übrigen rasterzellenbezogenen
Informationen (s. Kap. 3) und der Niederschlagsverteilung wird so für jede
Zelle über den Wasserüberschuss die Grundwasserneubildung berechnet. Das Tabellenkalkulationsprogramm
aktualisiert bei jeder Änderung in einem der Arbeitsblätter alle vorhandenen
Zellverknüpfungen. Auf diese Art und Weise ist es auch möglich, für die Boden- und Nutzungsarten
im Sinne einer Sensitivitätsanalyse andere Lysimetergleichungen zu verwenden. Man
braucht nur die Steigung (hier 1,1) und den Y-Achsenabschnitt in den jeweiligen Arbeitsblättern
zu verändern. Auch ist die Verwendung nichtlinearer Funktionsgleichungen möglich. Die Be-

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rechnungsergebnisse lassen sich separat als Zahlenmatrix abspeichern, so dass ein unmittelbarer
Vergleich unterschiedlicher Rechenvarianten möglich ist.
Flächenanteile von Lehmb öden mit Wald: 5,6 %.
Funktion zwischen Sickerwasser und Niederschlag:Sw = 1,1 * N - 578
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
1 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,08 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
2 0,20 0,00 0,00 0,00 0,02 0,00 0,51 0,34 0,03 0,00 0,00 0,00 0,00 Blatt D
3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,08 0,15 0,84 0,54 0,19 0,00 0,00 0,00 0,00
4 0,00 Flächenanteile von Lehmb öden mit Acker und Grünland: 54,5 %.
Funktion zwischen Sickerwasser und Niederschlag:Sw = 1,1 * N - 558
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
1 0,39 0,68 0,85 0,74 0,44 0,89 0,90 0,82 0,53 0,57 0,60 0,60 0,54
2 0,02 0,69 0,60 0,90 0,90 0,76 0,41 0,34 0,45 0,54 0,45 0,22 0,66 Blatt C
3 0,16 0,62 0,96 0,70 0,63 0,57 0,00 0,12 0,39 0,12 0,16 0,10 0,10
4 0,06 Flächenanteile von Sandböden mit Wald: 2,0 %.
Funktion zwischen Sickerwasser und Niederschlag:Sw = 1,1 * N - 474
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
1 0,00 0,00 0,00 0,00 0,08 0,00 0,00 0,02 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
2 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,01 0,19 0,05 0,00 0,00 0,00 0,00
3 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,16 0,27 0,11 0,00 0,00 0,00 0,12
Blatt B 4 0,02 Flächenanteile Sand mit Acker und Grünland: 32,0 %
Funktion zwischen Sickerwasser und Niederschlag:Sw = 1,1 * N - 433
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
1 0,50 0,32 0,15 0,26 0,47 0,11 0,10 0,07 0,32 0,04 0,01 0,30 0,46
2 0,56 0,31 0,40 0,10 0,00 0,14 0,00 0,13 0,18 0,00 0,00 0,58 0,34
3 0,72 0,36 0,01 0,24 0,11 0,01 0,00 0,01 0,02 0,50 0,58 0,59 0,60
Blatt A 4 0,81 0,58 0,01 0,00 0,00 0,07 0,37 0,00 0,24 0,34 0,24 0,22 0,49
Abb. 2.3: Ausschnitte aus den ersten vier Arbeitsblättern des Grundwasserneubildungsmodells.
Abgebildet ist die prozentuale Verteilung von Bodenund
Nutzungsarten, bezogen auf eine jede Rasterzelle.
Wie die Dateien zur Grundwasserneubildungsberechnung aufgebaut und die einzelnen Zellen
miteinander rechnerisch verbunden sind, ist in den nachfolgenden Kapiteln dargelegt. Der Abb.
2.4 ist noch einmal das Untersuchungsgebiet mit der Lage der Rasterzellen zu entnehmen. Die
Anzahl der Zellen sowie deren Lage entsprechen denen eines FD-Grundwassermodells, welches
für den Untersuchungsraum ausgearbeitet wurde und auf die vorliegende Grundwasserneubildungsverteilung
als Inputgröße zurückgreift (HOFFMANN, 1996).

- 13 -
Abb. 2.4: Lageplan des Untersuchungsgebietes mit Darstellung des Modellrasters.
Lage und Anzahl der Rasterzellen sind identisch mit denen eines
Grundwassermodells, welches für das Untersuchungsgebiet ausgearbeitet
wurde (HOFFMANN, 1996).
3. Berechnung des Wasserüberschusses auf der Grundlage thematischer und topographischer
Karten
3.1 Schichtenfolge und Flächennutzung
Auf Basis der vom Geologischen Landesamt Schleswig-Holstein erstellten Manuskriptkarten
(SCHEER, 1994a, 1994b) wurden Art und Verbreitung der oberflächennah anstehenden geologischen
Schichtenfolge zunächst auf eine Transparentfolie übertragen, auf der auch das o.a.

- 14 -
Modellraster eingezeichnet war. Hierbei wurde nur zwischen "Sand" und "Nicht-Sand" unterschieden.
Unter "Sand" ist Sand in seinem gesamten Korngrößenspektrum zu verstehen. Auf
Grund der Datenlage konnte keine weitere Differenzierung, wie etwa bei SCHROEDER &
WYRWICH (1990) beschrieben, vorgenommen werden. Es wurden auch die Areale als Sandflächen
eingestuft, in denen "Sand über Geschiebemergel" auskartiert worden war, da für den
Infiltrationsprozess und die Evapotranspiration der oberflächlich anstehende Sand maßgeblich
ist. Unter "Nicht-Sand" fallen die an der Oberfläche anstehenden Geschiebelehme bzw. -
mergel und Beckentone, aber auch die Hochflutlehme in den Talauen sowie anmoorige Böden
bis hin zu Moorbildungen. Die Gruppe "Nicht-Sand" wird im weiteren als "Lehmboden" (i.w.S.)
bezeichnet.
Die Flächennutzung wurde anhand der topographischen Karte 1:25.000 ermittelt. Vier Nutzungsarten
konnten hierbei unterschieden werden:
- ackerbaulich genutzte Gebiete, Gartenflächen, Grünland,
- Waldgebiete (undifferenziert),
- versiegelte Flächen (Ortschaften, Verkehrsflächen etc.),
- offene Wasserflächen.
Ackerbaulich genutzte Gebiete und Grünland wurden zu einer Gruppe zusammengefasst, da
sie sich in bezug auf die mittlere Gebietsverdunstung ähnlich verhalten (DEUTSCHER VER-
BAND FÜR WASSERWIRTSCHAFT UND KULTURBAU, 1984). Selten findet man im Untersuchungsgebiet
Gärten mit dichtem Baumbestand (erhöhte Verdunstung). Daher wurden auch
die Gartenflächen der ersten Gruppe zugeordnet. Forstwirtschaftlich genutzte Gebiete ließen
sich ebenfalls nicht weiter unterteilen. Einerseits sind Wälder mit unterschiedlichem Baumbestand
und Alter anhand der topographischen Karte nicht eindeutig gegeneinander abzugrenzen,
andererseits findet man im Untersuchungsgebiet ohnehin meistens Mischwald vor. Der
Grad der Oberflächenversiegelung konnte anhand der topographischen Karten zumindest grob
abgeschätzt werden (vgl. Kap. 3. 4).
Die Transparentfolie mit der geologischen Schichtenverbreitung wurde nun mit der Flächennutzungskarte
zur Deckung gebracht und für jede einzelne Zelle des Rasters der prozentuale
Anteil von Schicht- und Nutzungsart ermittelt. Diese Vorgehensweise soll am Beispiel der Zelle
11/24 (Spalte 11/Zeile 24) nachstehend erläutert werden. Die Rasterzelle befindet sich von ihrer
Lage her im Zentrum des Untersuchungsgebietes westlich der Ortschaft Kummerfeld nahe
der BAB 27 (Abb. 3.1). Die Abbildung zeigt im Ausschnitt die Bilsbek, einen Nebenfluss der
Pinnau. Für die mit A abgegrenzten Areale wurde oberflächennah Sand auskartiert, welcher
ackerbaulich oder als Grünland genutzt wird. In der Mitte des Bildes befindet sich auf der
Sandfläche ein Wäldchen (Signatur B). In der eigentlichen Bilsbekniederung wurden Hochflutlehme
und Geschiebemergel mit Grünlandnutzung angetroffen, welche die Signatur C erhielten.
Oben rechts ist ein kleiner See zu sehen (E). Die Gruppe Wald auf lehmigem Boden ist im
Bereich dieser Zelle nicht vorhanden. Ebenso gibt es keine versiegelten Flächen.

- 15 -
Prozentual ergibt sich für diese Rasterzelle folgende Verteilung:
(A) Sandboden mit Acker/Grünland: 23 %
(B) Sandboden mit Wald: 4 %
(C) Lehmboden mit Acker/Grünland: 67 %
(D) Lehmboden mit Wald: 0 %
(E) offene Wasserflächen: 6 %
(-) versiegelte Flächen: 0 %
Abb. 3.1: Rasterzelle 11/24 mit Verbreitung
der geologischen Schichten,
unterteilt nach Nutzungsarten.
Die Seitenlänge beträgt
500 m.
Diese Flächeninformation wurde nun zur Berechnung der Grundwasserneubildung in die Arbeitsblätter
des Grundwassermodells (Dateiname: GWN_0795.WK3) wie folgt eingegeben:
Das erste Arbeitsblatt (A) enthält zellenbezogen die prozentualen Flächenanteile von Sandböden
mit Acker, Grünland und Gartennutzung in Form dreier Zahlenfelder mit jeweils 33x33 Zellen
(Anl. 1a-c). Die erste Zahlenmatrix (Anlage 1a) umfasst alle Sandflächen einschließlich
versiegelter Sandflächen. Die Zahlenmatrix der Anlage 1b wird aus den Hilfsdateien importiert,
in denen der Versiegelungsgrad der Erdoberfläche rechnerisch erfasst ist. Für jede einzelne
Rasterzelle ist hier der prozentuale Anteil an tatsächlich versiegelten Sandflächen (Dachflächen,
Asphaltstraßen etc.) implementiert. Maßgeblich für die Berechnung des Wasserüberschusses
ist die Anlage 1c. Hier wird nun, Zelle für Zelle, die Differenz zwischen der Zahlenmatrix
1a und 1b gebildet. Es wird also prozentual der Anteil an versiegelten Sandflächen (2,4
%) von den Flächen mit Acker-, Grünlandnutzung und Gartennutzung (34,4 %) abgezogen.
Der Wasserüberschuss auf versiegelten Flächen wird später gesondert berechnet. Die Beispielzelle
11/24 besitzt keine versiegelten Flächen, so dass hier der für die Wasserüber-

- 16 -
schussberechnung maßgebliche Anteil an ackerbaulich genutzten Sandflächen 23 % beträgt
(s. Tab. o.). Das Arbeitsblatt A (vgl. Anl. 1c) enthält darüber hinaus die Funktionsgleichung zwischen
Wasserüberschuss und Niederschlag (Lysimetergeradengleichung) sowie eine Angabe
zum Prozentsatz der o.a. Sandflächen am gesamten Untersuchungsgebiet.
Größere zusammenhängende Sandflächen befinden sich im Nordosten des Untersuchungsgebietes
in der Umgebung von Quickborn, darüber hinaus auch im Süden im Bereich der Ortschaften
Bönningstedt, Pinneberg und Uetersen. Im Nordwesten des Gebietes östlich von
Elmshorn stehen hingegen vornehmlich bindige Ablagerungen an. Ein Moorgebiet mit größerer
Ausdehnung, das Himmelmoor, befindet sich ca. 2,5 km nordwestlich von Quickborn.
Das Arbeitsblatt B erfasst die Anteile von Sandböden mit Wald (Anl. 2). Diesem Arbeitsblatt ist
wiederum neben den prozentualen Waldanteilen, bezogen auf die einzelnen Rasterzellen sowie
auf das Gesamtgebiet, die Lysimetergleichung für Sandböden mit Waldnutzung nach
DYCK & CHARDABELLAS (1963) zu entnehmen. Es ist augenfällig, dass der Anteil von Sandflächen
mit Waldbewuchs im Untersuchungsgebiet gering ist. Während 32 % der Fläche des
Untersuchungsgebietes als Sandgebiete mit Acker- und Grünland ausgewiesen sind, sind dies
bei bewaldeten Sandflächen nur 2 %. Einzelne Rasterzellen mit mehr als 20 % Waldnutzung
auf Sand sind nur im Norden des Untersuchungsgebietes östlich von Barmstedt sowie südlich
von Quickborn zu verzeichnen.
Die Flächenanteile von Lehmböden mit Acker, Grünland und Gartennutzung wurden ähnlich
wie die für die Bodenart Sand ermittelt. Auch hier wurde davon ausgegangen, dass die Gebietsverdunstung
dieser drei Nutzungsarten annähernd gleich ist. Zunächst wurden alle Lehmflächen
auskartiert, welche die o.a. Nutzungsmerkmale besitzen. In Analogie zur Sandgruppe
wurden auch versiegelte Flächen dieser Gruppe zugerechnet und im Arbeitsblatt C des
Grundwasserneubildungsmodells als Zahlenmatrix abgelegt. Dieses Arbeitsblatt besteht wiederum
aus drei Zahlenfeldern á 33x33 Zellen, welche in den Anlagen 3a-c dokumentiert sind. In
der Anlage 3a sind die prozentualen Flächenanteile von Lehmböden mit Acker-, Grünland- und
Gartennutzung einschließlich versiegelter Bereiche dargestellt. Die Anlage 3b enthält, zellenbezogen
in Prozent, den Anteil an versiegelten Flächen auf Lehmböden. Wie schon bei den
Sandflächen ergibt sich der für die Wasserüberschussberechnung maßgebliche Flächentypus
als Differenz zwischen dem Prozentanteil der Lehmböden einschließlich versiegelter Flächen
abzüglich dem Prozentsatz an versiegelten Flächen selbst. Es werden also die Zahlenwerte
der in Anlage 3b dargestellten Matrix von denen der Anlage 3a abgezogen. Das Ergebnis einschließlich
der zugehörigen Lysimetergleichung ist der Anlage 3c zu entnehmen. Das Arbeitsblatt
D (Anl. 4) erfasst Lehmböden mit Wald.
Der Anteil der Lehmböden an der Gesamtfläche des Untersuchungsgebietes beträgt 60,1 %.
Hiervon werden 54,5 % ackerbaulich oder als Grünland genutzt, während 5,6 % auf Waldgebiete
entfallen. Diese Waldgebiete befinden sich im zentralen Teil des Gebietes zwischen

- 17 -
Quickborn im Nordosten und Tornesch im Südwesten. Auch im Südwesten von Barmstedt sind
größere Waldgebiete zu verzeichnen. Mit nur 7,6 % ist jedoch die forstwirtschaftliche Nutzung
des Gebietes vergleichsweise gering. Im Gebiet Südost-Holstein östlich von Hamburg beläuft
sie sich z.B. auf 18,3 % (OTTO 1994).
3.2 Verdunstung von offenen Wasserflächen
Die Berechnung der Verdunstung von offenen Wasserflächen (Binnengewässer) wurde nach
PENMAN durchgeführt (vgl. hierzu PENMAN, 1948, 1954, 1956, 1963). Eine detaillierte Be-
schreibung des Berechnungsganges findet sich z.B. bei MATTHESS & UBELL (1983: 301 ff.),
DEUTSCHER VERBAND FÜR WASSERWIRTSCHAFT UND KULTURBAU (1995) und
WITHERS, VIPOND & LECHER (1978: 64 ff.).
PENMAN (1948) geht bei seiner Verdunstungsbestimmung von folgender Gleichung aus:
mit Ho = Strahlungsbilanz
ΔHo γEa
Eo = --------- + --------- (Gl. 1)
Δ + γ Δ + γ
Ho = (1 - r)·Re - Ra
mit Re = RA · (a + b· n/N)
und Ra = σ•Τ 4 ·(0,56 - 0,092 · √ea)·(0,10 + 0,90 · n/N)
Re = Einstrahlung
r = Albedo
RA = tägliche Gesamtsonnenstrahlung am Rand der Atmosphäre
Ra = Abstrahlung
a, b = Konstanten in Abhängigkeit von der geographischen Breite
n = Sonnenscheindauer in Stunden pro Tag
N = max. Sonnenscheindauer
ea = vorhandener Dampfdruck
σ = Stefan-Boltzmann-Konstante
σ•Τ 4
= Strahlungsleistung eines schwarzen Körpers
Ea = Verdunstungsgleichung nach DALTON (1802)
Ea = f(u) · (es - ea)
f(u) = Funktion von der Windgeschwindigkeit
f(u) = 0,4 · (1 + 0,17 · u2)
es - ea = Sättigungsdefizit der Luft
u2 = Windgeschwindigkeit in 2 m Höhe
Δ = Gradient der Dampfdruckkurve
γ = Psychrometerkonstante

- 18 -
γ = pa · cp/(0,622·L)
pa = Luftdruck
cp = spezifische Wärme feuchter Luft
L = Verdampfungswärme von Wasser
Der Term Δ·Ho /(Δ + γ) beschreibt hierbei die von der Sonneneinstrahlung ausgehende Verdampfungsenergie.
Ein Teil der in die Atmosphäre gelangenden Sonnenstrahlung (Re) wird
von der Erdoberfläche reflektiert. Bei offenen Wasserflächen sind dies etwa 5-10%, bei geschlossenen
Pflanzendecken 25 %. Dieser Reflektionsprozess wird auch Albedo (r) genannt.
Da die Energiebilanz auf Dauer ausgeglichen ist, steht der eingestrahlten Energie eine Ausstrahlung
gegenüber, welche sich aus der Wärmeausstrahlung und einem Restglied Ho zusammensetzt,
welches als potentielle Verdunstungsenergie zur Verfügung steht:
(1-r) · Re = Ra + Ho bzw. Ho = (1-r) · Re - Ra
Während die eingestrahlte Sonnenenergie von der die Erdatmosphäre erreichenden Globalstrahlung
sowie der tatsächlichen relativen Sonnenscheindauer (n/N) abhängig ist, wird die
abgestrahlte Energiemenge von der Temperatur der Erdoberfläche, dem tatsächlichen Dampfdruck
und wiederum von der tatsächlichen Sonnenscheindauer (siehe obige Erläuterung der
Formel) bedingt. Setzt man die Parameter in die obige Gleichung ein, schreibt sich die Strahlungsbilanz
wie folgt:
Ho = [(1 - r) · RA · (a + b· n/N) - σ•Τ 4 ·(0,56 - 0,092 · √ea)·(0,10 + 0,90 · n/N)]/VW
mit VW = Verdunstungsäquivalent für Wasser bei der Umrechnung von
J/(cm²·d) in mm/d
VW = 2501,6 - 2,372 · T
T = Temperatur des Wassers
Die Verdunstung hängt auch vom Sättigungsdefizit der Luft (es - ea) und der Windgeschwindigkeit
ab. DALTON (1802) fand für diese Zusammenhänge folgende Gleichung:
Ea = f(u) · (es - ea) mit f(u) = 0,4 · (1 + 0,17 · u2)
Beide Ansätze werden nun von PENMAN zur Berechnung der Gesamtverdunstung Eo kombi-
niert, wobei über die Psychrometerkonstante γ die spezifische Wärme der feuchten Luft, der
Luftdruck und die Verdampfungswärme von Wasser berücksichtigt werden sowie mit Δ der
Gradient der Kurve des Sättigungsdampfdruckes in Abhängigkeit von der Temperatur (s.Gl. 1).
Für die Berechnung der Verdunstung von offenen Wasserflächen (pot. Verdunstung) lagen die
Daten der Klimamessstation Hamburg-Fuhlsbüttel zugrunde. Wenngleich diese Station schon
deutlich Einflüsse der nahen Großstadt Hamburg zeigt (z.B. leichte Temperaturerhöhung),
wurde sie dennoch ausgewählt, weil sie dem Untersuchungsgebiet am nächsten liegt. Alle

- 19 -
Daten wurden mit Hilfe eines Tabellenkalkulationsprogrammes verknüpft, wobei die zur Be-
rechnung benötigten Hilfstabellen näherungsweise in funktionelle Beziehungen umgesetzt
wurden. Dieses erbrachte im Berechnungsgang eine enorme Zeitersparnis, da das Ablesen
und die Interpolation von Tabellenwerten entfiel. Als Beispiel ist in der Anlage 5 die Berech-
nung der monatlichen Verdunstung (basierend auf Monatsmittelwerten) einschließlich aller
Eingabeparameter (schraffierte Felder) dargestellt. Die Globalstrahlung RA wurde mit Hilfe ei-
ner auf Tabellenwerten für den 54. Breitengrad basierenden Funktionsgleichung abgeschätzt.
Ein Vergleich der daraus resultierenden Verdunstungswerte mit Berechnungsergebnissen, de-
nen Messwerte von RA zugrunde lagen, ergab, dass die zuerst genannten Verdunstungswerte
(Epot1 in Anl. 5) etwa 15 % über den letzteren (Epot2) lagen (Abb. 3.2). Dieses ist darauf zurück-
zuführen, dass die in der Literatur publizierten breitengradabhängigen Tabellenwerte für die
Globalstrahlung nur bedingt für den norddeutschen Raum zutreffend sind.
Monatliche Verdunstungshöhen in mm
250
200
150
100
50
0
-50
Pot. Verdunstung nach PENMAN
Station HH-Fuhlsbüttel, Kal.-Jahr 1991
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
mit Globalstr. aus Tab. mit Globalstr. gemessen
Abb. 3.2: Potenzielle Verdunstungswerte nach PENMAN für das Umfeld Klimamessstation
Hamburg-Fuhlsbüttel. Die Abbildung stellt die Berechnungsergebnisse
mit gemessener Globalstrahlung sowie der aus Tabellen
ermittelten gegenüber.
Es galt danach, die Frage zu prüfen, ob sich bei der Verwendung von Tagesmittelwerten als
Datengrundlage die Berechnungsergebnisse von denen mit Monatsmittelwerten als Berechnungsgrundlage
unterscheiden (vgl. auch SCHRÖDTER, 1985: S. 117 ff.). Für das Umfeld der
Klimamessstation Hamburg-Fuhlsbüttel wurde daher für das Jahr 1991 die tägliche PENMAN-

- 20 -
Verdunstung berechnet und zu Monatssummen aufaddiert. Die Ergebnisse lassen den Schluss
zu, dass die Verwendung von Tagesmittelwerten als Berechnungsgrundlage zu Verdunstungswerten
führt, welche etwa die gleiche Größenordnung erreichen wie die Berechnungsresultate
bei monatlicher Datenbasis. Bezogen auf das Jahr 1991 beträgt der Unterschied beider Berechnungsvarianten
etwa 4%. Da die Berechnung der Verdunstung mit Hilfe von Tagesmittelwerten
erheblichen Arbeitsaufwand erzeugt, wurde wegen der geringen Unterschiede in den
Ergebnissen und auf Grund der Tatsache, dass ohnehin nur ein Zwölfjahresmittelwert benötigt
wird, mit den Monatswerten weitergerechnet.
Der Berechnungsansatz nach PENMAN hat den Vorteil, dass der empirische Anteil in den Gleichungen
vergleichsweise gering ist. Auch VAN EIMERN (1964) fand im Vergleich verschiedener
Methoden mit Lysimetermessungen heraus, dass die PENMAN-Berechnung zutreffende
Ergebnisse lieferte. SCHRÖDTER (1985) weist allerdings anhand von Beispielen kritisch darauf
hin, dass der Verdunstungsanteil durch die Globalstrahlung vielfach zu hoch eingeschätzt
wird und sich somit zu hohe Verdunstungswerte ergeben. Die Verdunstung für die offenen
Wasserflächen des Untersuchungsgebietes wurde trotzdem nach PENMAN anhand von Monatsmittelwerten
berechnet, wobei als Albedo ein Wert von 7% angenommen wurde (vgl. Anl.
5). Für den Bilanzzeitraum von 1980 bis 1991 beträgt sie im Mittel 728 mm/a. Einen ähnlichen
Wert finden SCHROEDER & WYRWICH (1990) für das Münsterland (725 mm/a).
Die offenen Wasserflächen wurden mit Hilfe der Topographischen Karten 1:25.000 abgegrenzt
und als Prozentwerte auf das Knotenraster übertragen (Anl. 6a). Es werden insgesamt nur
0,4% des Untersuchungsgebietes von ihnen eingenommen. Größere Seeflächen finden sich im
Nordwesten des Gebietes westlich Bokholt-Hanredder (Dau See, Freudenthaler See, Bokholter
See), südlich von Barmstedt (Ranzauer See) sowie östlich von Pinnerberger Dorf. Der
Wasserüberschuss WÜ auf diesen Flächen berechnet sich nun wie folgt (vgl. Anl. 6b):
WÜoff. Wasserfl. = N - Eo
mit N = Niederschlag und Eo = Verdunstung nach PENMAN.
3.3 Abgrenzung von Flächen mit geringem Grundwasserflurabstand und deren Einfluss auf
die Gebietswasserbilanz
Die Beziehungen zwischen Sickerwasseranteil und Niederschlag, welche von DYCK & CHAR-
DABELLAS (1963) mit Hilfe statistischer Auswertungen von Lysimeterdaten gewonnen wurden,
können nicht ohne weiteres auf Gebiete mit geringem Grundwasserflurabstand übertragen
werden. Als Folge des kapillaren Aufstiegs aus dem Grundwasser bis in die effektive Wurzelzone
steht der Vegetation für die Verdunstung mehr Wasser zur Verfügung als im Bereich
grundwasserferner Standorte. Erreicht das Kapillarwasser die Erdoberfläche, führt dieses zu
einer erhöhten Bodenevaporation. Nach JOSOPAIT & LILLICH (1975) müssen daher solche

- 21 -
Gebiete mit einer zusätzlichen Verdunstung von bis zu 150 mm/a beaufschlagt werden. Eine
ähnliche Größenordnung wird von ALAILY et al. (1986) sowie WESSOLEK et al. (1985) in bezug
auf den Zusammenhang zwischen Grundwasserneubildung und Grundwasserflurabstand
beschrieben. So fanden sie heraus, dass unter Ackerflächen bei Grundwasserflurabständen
kleiner 1 m mit einer zusätzlichen Verdunstungsrate von bis zu 100 mm/a bei entsprechender
Abminderung der Grundwasserneubildung zu rechnen ist. KAVIANI (1973) untersuchte mit Hilfe
mehrerer bewachsener Lysimeter den Zusammenhang zwischen Grundwasserflurabstand und
Verdunstung aus dem Grundwasser. Für sein Testgebiet westlich von Hannover ergaben sich
hierbei für die Kalenderjahre 1968 bis 1970 folgende aus dem Grundwasser stammenden Verdunstungsmengen
in mm/a (Tab. 3.1). Während die Verdunstung aus dem Grundwasser bei 50
cm Grundwasserflurabstand in den Jahren 1968-1970 etwa 300 mm betrug, ging sie bei 150
cm Flurabstand bis auf 10 mm zurück. Bei 100 cm Grundwasserflurabstand betrug sie 92
mm/a.
WOHLRAB et al. (1992) geben als Verdunstung einer Wiese auf einem grundwasserfernen
Standort im Mittel 445 mm/a an, für eine grundwasserbeeinflusste Wiese 515 mm/a (Messzeitraum:
Abflussjahr 1979-1984). EGGELSMANN (1973) bezifferte die mittlere Verdunstungsrate
einer sumpfigen Wiese (Niedermoor) mit 550 mm/a. Die aufgeführten Beispiele dokumentieren,
dass die Erhöhung der Verdunstung bei geringen Grundwasserflurabständen standortspezifisch
ist und ihre Höhe von vielen Komponenten abhängt. Für das Untersuchungsgebiet wurde
angenommen, dass sie bei geringen Grundwasserflurabständen etwa 90 mm/a höher ist als im
Bereich grundwasserferner Standorte. Dieser Wert orientiert sich an der o.a. Literatur.
Tab. 3.1: Zusammenhang zwischen der Verdunstung aus dem Grundwasser (in
mm/a) und dem Grundwasserflurabstand für mehrere Lysimeterstandorte
im Raum westlich von Hannover (nach KAVIANI, 1973).
Grundwasserflurabstand
Grundwasserflurabstand/Verdunstung
aus dem Grundwasser (i. mm/a)
50 cm 100 cm 120 cm 150 cm
1968 295,6 106,9 60,2 12,8
1969 293,8 80,7 -- 4,8
1970 315,2 90 51,7 12,9
Mittelwert der Verdunstung
301,5 92,5 55,9 10,2
Im Untersuchungsgebiet ist ein Grundwassermessstellennetz, mit dessen Hilfe sich Flurabstandskarten
z.B. für Niederungsgebiete konstruieren ließen, nicht vorhanden. Auch liegt keine
bodenkundliche Kartierung vor, aus der die Verteilung von Grundwasserböden entnommen

- 22 -
werden kann. Es wurde daher der Grad der Grundwasserbeeinflussung aus den topographischen
und geologischen Karten abgeleitet. So finden sich Areale mit geringem Grundwasserflurabstand
vornehmlich in den Talniederungen der Oberflächengewässer, besonders dort, wo
auf den topographischen Karten Drängräben eingezeichnet sind. Gleiches gilt für Gebiete mit
der Kartensignatur "Moor, Moos, Bruch" sowie für Vernässungszonen. In den geologischen
Karten sind Gebiete mit grundwasserbeeinflussten Böden unter den Bezeichnungen "Moorbildungen"
bzw. "Anmoorige Bildungen" zusammengefasst. Diese decken sich meist mit den anhand
der topographischen Karten auskartierten Flächen und wurden ebenfalls für die Abgrenzung
grundwasserbeeinflusster Böden herangezogen.
Für jede einzelne Rasterzelle des Untersuchungsgebietes wurde so der prozentuale Anteil der
Flächen mit Grundwasserbeeinflussung abgeschätzt und im Arbeitsblatt E der Tabellenkalkulation
abgelegt (Anl. 5). Durch die Multiplikation eines jeden Feldes dieser Zahlenmatrix mit einem
variabel implementierten "zusätzlichen Verdunstungswert" (hier 90 mm/a für 100 %
Grundwasserbeeinflussung, s.o.) ergibt sich im selben Arbeitsblatt eine weitere Zahlenmatrix,
welche die zusätzliche Verdunstung in mm/a enthält (vgl. Anl. 6). Diese entspricht dem Betrag,
um den der Wasserüberschuss einer jeden Zelle abgemindert werden muss.
23 % der Fläche des Untersuchungsgebietes werden von Bereichen mit geringem Grundwasserflurabstand
eingenommen. Daraus resultiert den o.a. Randbedingungen entsprechend eine
zusätzliche Verdunstung von 20,7 mm/a. Wie die Anlage 7b zeigt, ist das Gros dieser Flächen
in den tief liegenden Talauen der Hauptvorfluter zu suchen.

- 23 -
3.4 Die Auswirkung von Oberflächenversiegelung auf die Grundwasserneubildung
Die Anlage von Siedlungen, Industrie- und Verkehrsflächen führt zunehmend zu einer Versiegelung
der Erdoberfläche. Daraus resultiert, dass der Wasser- und Wärmehaushalt der oberflächennahen
Schichtenfolge nachhaltig verändert wird. So kommt es z.B. im Großraum Berlin
als Folge der Urbanisierung zu einer nachweisbaren Erwärmung der oberflächennahen
Schichtenfolge bis in Tiefen von 100 m (OTTO et. al., 1996). Darüber hinaus führt die Versiegelung
der Erdoberfläche zu einer Verminderung der Grundwasserneubildung und der Verdunstung,
verbunden mit einer Erhöhung des Oberflächenabflusses (BAUMGARTNER & LIEB-
SCHER, 1990). Ein großer Teil des auf die Erdoberfläche auftreffenden Niederschlages wird
über die Dachentwässerung und Regenwasserkanalisation direkt und ohne nennenswerte
Retention in die Vorfluter abgeleitet. Hierbei erhöht sich der Abflussbeiwert bei gleichzeitiger
Abnahme der Laufzeiten der Hochwasserwellen (WITTENBERG, 1974). Allerdings können
diese so entstandenen Grundwasserneubildungsdefizite unter Umständen, wie LERNER
(1990) aufzeigt, durch Leckagen in urbanen Wasserversorgungs- und Abwassernetzen ausgeglichen
werden.
Auch PREUSS (1978) hat im Rahmen seiner wasserhaushaltlichen Modellierung im Billeeinzugsgebiet
östlich von Hamburg festgestellt, dass mit zunehmender Verstädterung des Einzugsgebietes
ein deutlicher Rückgang von Verdunstung und Grundwasserneubildung bei einem
gleichzeitigen Anstieg des Abflusses zu erwarten ist.
Im Untersuchungsgebiet sind 13,9 % der Fläche mehr oder weniger dicht überbaut, so dass zur
Ermittlung der Grundwasserneubildungsrate der Grad der Überbauung und die damit verbundene
Auswirkung der Oberflächenversiegelung in die Wasserhaushaltsbilanzierung einbezogen
werden musste. Der Versiegelungsgrad wurde hierbei in Anlehnung an SCHOSS (1977)
anhand von Messtischblattsignaturen abgeschätzt, wobei drei Versiegelungsklassen gegeneinander
abgegrenzt wurden.
Die Klasse 1 umfasst die Stadtkerne sowie Wohngebiete mit nahezu geschlossener Überbauung.
Hier beträgt der Versiegelungsgrad α im Mittel 0,8 (vgl. Abb. 3.3), d.h. auf 80% dieser
Flächen ist eine Infiltration in den Untergrund nicht möglich. Innerstädtischen Gebieten mit
Einfamilienhäusern, Reihenhäusern oder aber Gewerbegebieten wurde ein Versiegelungsgrad
von 0,4 zugeordnet. In dörflichen Bereichen beträgt der α−Wert 0,2.

- 24 -
Abb. 3.3: Beispiele für den Grad der Versiegelung von Flächen durch Überbauung,
ermittelt in Anlehnung an SCHOSS (1977).
Der rasterbezogene Versiegelungsgrad in Prozent wurde in einer gesonderten Datei
(PI_VERSG.WK3) berechnet und die Ergebnisse in die Grundwasserneubildungsdatei
GWN_9507.WK3, Arbeitsblatt G (Anl. 8a, 8b), importiert (vgl. auch Abb. 2.2). Demnach entfallen
im Untersuchungsgebiet 13,3% der urbanisierten Flächen auf die Klasse zwei sowie 0,4%
auf die Klasse 3. Nur 0,2% der Fläche des Untersuchungsgebietes nehmen dicht bebaute, innerstädtische
Bereiche ein (vgl. Tab. 3.2). Die Hauptlagen der versiegelten Gebiete sind der
Abb. 2.6 zu entnehmen.
Für jede Rasterzelle ergibt sich nun durch Multiplikation des Versiegelungsgrades α mit dem
Flächenanteil der zugehörigen versiegelten Fläche FVers. die effektiv versiegelte Fläche FVeff :
FVeff = α × FVers
Effektiv versiegelte Flächen sind hierbei z.B. Dächer, Asphaltstraßen, befestigte Hofflächen
etc. Die Wasserhaushaltsbilanz einer jeden Rasterzelle unter Berücksichtigung der Versiegelung
ist schematisch in der Abbildung 3.4 dargestellt.
Von dem auf den unversiegelten Teil der Rasterzelle niedergehenden Niederschlag verdunstet
je nach Bodenart und Bewuchs ein mehr und weniger großer Anteil. Von der noch verbleiben-

- 25 -
den Wassermenge, dem Wasserüberschuss WÜ, fließt wiederum ein Teil als oberirdischer Abfluss
ab. Die nicht zum Abfluss kommende Restmenge (WÜ-Ao) versickert in tiefere Schichten
und führt dort zur Grundwasserneubildung. Auf den effektiv versiegelten Flächen (FVeff) fließt
hingegen der Hauptteil des Niederschlages unmittelbar über Entwässerungssysteme ab. Allerdings
gelangt auch hier nicht der gesamte Niederschlag zum Abfluss. Nach Beginn des Niederschlagsereignisses
müssen die Oberflächen zunächst ausreichend benetzt und Geländemulden
und sonstige Vertiefungen aufgefüllt sein, ehe der oberirdische Abfluss einsetzen kann.
Denjenigen Anteil des Niederschlages, welcher aufgrund der Oberflächenbenetzung nicht zum
Abfluss kommt, nennt man Benetzungsverlust, die Wassermenge, die sich in abflusslosen Mulden
ansammelt, Muldenverlust. (vgl. Abb. 3.5).
Tab. 3.2: Prozentuale Verteilung der versiegelten Flächen auf Sand- und Lehmböden,
ermittelt in Anlehnung an SCHOSS (1975).
Sandböden Lehmböden Summe
Klasse 1 0 % 0,1 % 0,2 %
Klasse 2 5,9 % 7,4 % 13,3 %
Klasse 3 0,3 % 0,1 % 0,4 %
Summe: 6,2 % 7,6 % 13,9 %
Rasterzelle
Eu
WÜ
WÜ-Ao
unversiegelter
Teil
Ev Eu Evapotranspiration
WÜ=Ao
versiegelter
Teil
Ev
Benetzungs- u.
Muldenverlust
WÜ Wasserüberschuss
Ao
oberirdischer Abfluss
WÜ-Ao Grundwasserneubildung
Abb. 3.4: Wasserbilanz einer Rasterzelle unter Berücksichtigung der
Oberflächenversiegelung .

- 26 -
Abb. 3.5: Beziehung zwischen Niederschlag und Abfluss während
eines Regenereignisses.
Auch wenn während eines Niederschlagsereignisses die Muldenverluste ausgeglichen sind,
fließt dennoch nicht der verbleibende Niederschlag vollständig ab. Diese verlustig gehende
Restmenge wird in der Stadthydrologie als Dauerverlust bezeichnet. Es wird hierbei davon
ausgegangen, dass trotz Versiegelung ein bestimmter Anteil des Niederschlages in den Untergrund
eindringen und dem Grundwasser zusickern kann. Im vorgestellten Berechnungsgang
kann der Dauerverlust vernachlässigt werden, da nur der Anteil der effektiv versiegelten Flächen
berücksichtigt wird, im Bereich derer eine Versickerung nicht möglich ist (s.o.). Der Zusammenhang
zwischen Niederschlag und Abfluss während eines Niederschlagsereignisses ist
in der Abb. 3.5 dargestellt. Obwohl auf versiegelten Flächen, wie LANG & WALLISCH (1991)
gezeigt haben, die tatsächliche Verdunstung bis zu 30 % höher ist als die z.B. nach HAUDE
berechnete, ist die Verdunstung insgesamt niedriger als bei unversiegelten Flächen. Der Niederschlag
fließt ab, ehe er vollständig verdunsten kann.
Die o.a. Benetzungs- und Muldenverluste nehmen, wie großräumige Untersuchungen im Emschergebiet
(Nordrhein-Westfalen) gezeigt haben, eine Größenordnung von 1 mm pro Niederschlagsereignis
ein (vgl. ANNEN & SCHOSS, 1972; SCHOSS, 1977). PAULSEN (1987) findet
bei seinen Abflussuntersuchungen in Hildesheim Benetzungsverluste zwischen 0,3 und 0,5 mm
sowie Muldenverluste zwischen 2 und 3 mm. Letztere sind allerdings vom Gefälle des Geländes
abhängig.
Um die Verdunstung von versiegelten Flächen berechnen zu können, sind detaillierte Kenntnisse
über die Größe und den zeitlichen Verlauf des Niederschlagsereignisses erforderlich.

- 27 -
Darüber hinaus benötigt man zur Berechnung umfangreiche Messdaten, die unmittelbar über
der versiegelten Fläche gewonnen werden müssen (vgl. z.B. LANG & WALLISCH, 1991: S.
692). Hierzu gehören der Temperaturgang, die Windgeschwindigkeit, die relative Luftfeuchtigkeit,
die Sonneneinstrahlung u.v.m. Diese Daten liegen jedoch für das Untersuchungsgebiet
nicht vor und lassen sich ohnehin nur schwer in die Fläche übertragen. Um dennoch die Benetzungs-
und Muldenverluste im Bereich versiegelter Areale abschätzen zu können, wurde
versucht, diese aus der Niederschlagsstatistik abzuleiten. Als Erläuterungsbeispiel sollen die
Daten der Klimamessstation Quickborn dienen (Tab. 3.3). Hier fallen an 198 Tagen pro Jahr
Niederschläge ≥ 0,1 mm, an 136 Tagen Niederschläge ≥1 mm (Zeitraum von 1980-1991).
Geht man davon aus, dass pro Niederschlagsereignis mindestens 1 mm Niederschlag nicht
zum Abfluss gelangt, so beträgt hier der jährliche Benetzungs- und Muldenverlust 136 mm. An
62 Tagen liegt die Niederschlagshöhe zwischen ≥0,1 und

- 28 -
(siehe Anl. 8b). Im Bereich dieser Flächen sind der Wasserüberschuss und der oberirdische
Abfluss gleichzusetzen, d.h. es gibt keine Grundwasserneubildung (vgl. Abb. 3.4). Damit die
Wasserbilanz einer teilversiegelten Rasterzelle erhalten bleibt, muss bei der Regionalisierung
des oberirdischen Abflusses der oben beschriebene Wasserüberschuss als Ao berücksichtigt
werden. Bezogen auf eine vollständig überbaute Rasterzelle (Feff. = α) ergeben sich für Ao und
WÜ überschlägig folgende Größenordnungen:
Versiegelungsgrad (α) 0,8 0,4
Niederschlag 807 807
Benetzungs- u.
Muldenverluste (EV) 165 165
------ ------
WÜ = Ao = (N - EV) · α 514 257
Dieses sind 64% bzw. 32% des gefallenen Niederschlags. Eine vergleichbare Schwankungsbreite
gibt PRANZAS (1995) für Teilgebiete von Hamburg an.
Der Anlage 8b ist die Wasserüberschussverteilung auf versiegelten Flächen zu entnehmen.
Deutlich zeichnen sich die größeren Ortschaften durch Werte bis zu 406 mm/a ab. Im Norden
erkennt man Barmstedt, im Osten Quickborn, im Süden und Südwesten Pinneberg und Tornesch.
3.5 Ermittlung des langjährigen Gebietsniederschlages
Die Berechnungsgrundlage zur Ermittlung des Gebietsniederschlages bildeten die Daten von
insgesamt 31 Niederschlagsmessstationen des Deutschen Wetterdienstes sowie der Hamburger
Wasserwerke. Ihre Lage ist der Abbildung 3.6 zu entnehmen, die Hoch- und Rechtswerte
sowie die mittleren Niederschlagshöhen der Jahre 1980-1991 der Anlage 11.
Es fällt auf, dass nur drei Stationen innerhalb der Untersuchungsgebietsgrenzen (Modellgebiet)
liegen. Die übrigen 28 Stationen scharen sich mehr oder weniger nahe der Grenze des Gesamtuntersuchungsraumes.
Dieses führt dazu, dass bei der Regionalisierung der Niederschläge
die innenliegenden Stationen ein besonderes Gewicht bekommen. Alle Niederschlagswerte
wurden konventionell (HELLMANN-Niederschlagsmesser, Höhe 100 cm über dem Boden) ermittelt.

- 29 -
Tab. 3.3: Niederschlagsstatistik für den Zeitraum von 1980-1991 zur Herleitung der Benetzungs-
und Muldenverluste auf versiegelten Flächen.
A0,1 : Anzahl der Tage mit Niederschlägen von ?0,1-

Wilster
Freiburg(Elbe)
Glueckstadt
Ritsch(Drochtersen)
Stadersand
Itzehoe (DWD)
Elbe
Stade
Harsefeld
Horst/IZ
Krückau
Seestermuehe
Pinnau
Wedel
Jork
Moorende
- 30 -
Brokstedt
Brande-Hoernerkirchen
Bullenkuhlen
Quickborn(AMBF)
Pinneberg
Bad_Bramstedt Elbe
Henstedt-Ulzburg
HH-Altona
Landesgrenze
HH-St.Pauli
LEGENDE:
Hartenholm
Borstel
Bad_Oldesloe Bargteheide
Waldoerfer
Ahrensburg
Grosshansdorf
HH-Fuhlsbuettel
Glinde
Grenze des Gesamtuntersuchungsprogrammes
Grenze des Untersuchungsgebietes
Kreisgrenze
Abb. 3.6: Lage der Niederschlagsmessstationen in und im näheren Umfeld des
Untersuchungsgebietes.
Die regionale Verteilung der langjährigen Niederschlagsmittelwerte, welche knotenbezogen für
die Berechnung des Wasserüberschusses benötigt werden, wurden sowohl mit Hilfe geostatistischer
und Regionalisierungssoftware (SURFER) als auch nach der THIEßEN-Polygon-
Methode ermittelt. Das Surfergrid wurde so dimensioniert, dass es bezogen auf die Hoch- und
Rechtswerte sowie auf die Zellengröße dem Grundwasserneubildungsraster der Tabellenkalkulation
entsprach. Die in eine X/Y-Matrix umgewandelten Berechnungsergebnisse konnten so
recht einfach über den Weg einer ASCII-Datei in das Arbeitsblatt H der Grundwasserneubildungsdatei
GWN_0795.WK3 (vgl. Anl. 11) importiert werden. Als Interpolationsverfahren wurde
Kriging (linear) gewählt. Das Knotenraster des Untersuchungsgebietes mit der Lage der Niederschlagsstationen
zur Bestimmung des Gebietsniederschlages nach der THIEßEN-Polygon-
Methode ist in der Abb. 3.7 dargestellt. Auch diese Interpolationsergebnisse wurden rasterzellenbezogen
auf das Modellgitter übertragen (vgl. Anl. 12).
Der mittlere mit Hilfe von Kriging ermittelte Gebietsniederschlag für den Zeitraum von 1980-
1991 beträgt 807 mm/a bei einer Standardabweichung von 2,8%. Der niedrigste Wert mit 760
mm/a liegt Nordwesten des Gebietes östlich von Elmshorn. Nach Osten in Richtung Hamburg

- 31 -
steigt er auf bis zu 870 mm/a an. Der mittlere Gebietsniederschlag nach der THIEßEN-
Polygon-Methode beläuft sich auf 811 mm/a (vgl. Anl. 12). Die Mittelwerte beider Verfahren
sind zwar nahezu identisch, jedoch treten in Teilbereichen des Gebietes erhebliche Abweichungen
auf (vgl. Anl. 13). Den niedrigsten Niederschlagswert weist die Station Bullenkuhlen
im Nordwesten auf. Da sie von Stationen umgeben ist, bei denen deutlich höhere Niederschläge
zu verzeichnen waren, treten im Umfeld der Station infolge der gewogenen Mittelwertsbildung
(Polygon-Methode) große Abweichungen zum eigentlichen Messwert auf (max.
Abweichung: +71,3 mm/a entspr. 8,8 %). Bei der Kriging-Schätzung wird dieser niedrige Wert
entsprechend gewichtet, so dass bei dieser Verteilung (Anl. 9) die Abweichung zum tatsächlichen
Messwert nur 2 mm/a beträgt. Ähnliches ist am Ostrand des Untersuchungsgebietes, und
zwar mit umgekehrten Vorzeichen, zu beobachten (Abweichung: -45 mm/a entspr. 5,5 %). Auch
hier passt sich die Kriging-Verteilung besser an die Messwerte im Nahbereich der Niederschlagsmessstation
an als die nach dem herkömmlichen Verfahren ermittelte. Die Standardabweichung,
die sich für die Differenzenmatrix ergibt, liegt bei 2,0 %, bezogen auf einen mittleren
Niederschlag von 811 mm/a. Die Verteilung des Gebietsniederschlages nach der Kriging-
Methode ist auf der Karte 1 in der Anlage dargestellt. Im Kap. 3.8 wird ausgeführt, wie sich beide
Niederschlagsverteilungen auf die Ergebnisse der Wasserüberschussberechnung und damit
auf die Grundwasserneubildungsverteilung auswirken (Sensitivitätstest).
Abb. 3.7: Lage der THIEßEN-Polygone.

3.6 Berechnung des Wasserüberschusses
- 32 -
Nach Auswertung der geologischen und topographischen Karten (vgl. Kap. 3.1) wurde nun der
rasterzellenbezogene Wasserüberschuss in Anlehnung an das Verfahren von JOSOPAIT &
LILLICH ermittelt. Der Wasserüberschuss WÜ einer Rasterzelle ist hierbei diejenige Wassermenge,
die im langjährigen Mittel weder verdunstet noch oberirdisch oder nahe der Bodenoberfläche
abfließt. Ist dieser Direktabfluss vernachlässigbar klein, entspricht der Wasserüberschuss
der Sickerwasserhöhe. Seine Berechnung basiert auf den Ergebnissen von Lysimeterauswertungen.
Für die Bodenarten Sand und Lehm mit Acker-/Grünland- und Waldnutzung
wurden Funktionsgleichungen zwischen Niederschlag und Wasserüberschuss aufgestellt.
Es handelt sich dabei um lineare Beziehungen, die im wesentlichen auf einer statistischen
Auswertung der Daten vieler Lysimeteranlagen nach DYCK & CHARDABELLAS (1963) basieren.
Es wurden aber auch im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse Lysimetergleichungen anderer
Autoren verwendet. Mit Hilfe des für jede Rasterzelle ermittelten Gebietsniederschlagswertes
konnte so die Höhe des Wasserüberschusses in Abhängigkeit von der Boden- und Nutzungsart
berechnet werden.
In bezug auf die Anwendbarkeit und den Geltungsbereich des Berechnungsansatzes sei auf
die ausführliche Diskussion in Kap. 2 verwiesen. In der Tab. 3.4 sind einige Lysimetergeradengleichungen
unter Angabe der Autoren zusammengestellt. Für jede Boden- und Nutzungsart
wurden nun die Minima, Maxima und Mittelwerte des Wasserüberschusses in Abhängigkeit
vom Niederschlag berechnet und in den Abbildungen 3.8 - 3.10 graphisch dargestellt. Es sei
an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Auswahl der Lysimetergeraden
eher zufällig ist. Die aus der Zusammenstellung abgeleiteten Zusammenhänge zwischen Niederschlag
und Sickerwasser werden hierbei stark von der Art, dem Aufbau und dem Standort
(Klimabereich) der einzelnen Lysimeteranlagen geprägt. Trotzdem konnten diese Daten dazu
verwendet werden aufzuzeigen, wie sich die Wahl der Lysimetergeradengleichung auf die Höhe
der Ergebnisse auswirkt.
Der in den drei umseitigen Abbildungen dargestellte niederschlagsabhängige Verlauf der mittleren
Wasserüberschüsse lässt sich durch Geradengleichungen beschreiben. Deren Funktionsgleichungen
lauten:
Sandböden mit Acker und Grünland: WÜ = 0,85 × N - 266
Wald: WÜ = 0,78 × N - 320
Lehmböden mit Acker und Grünland: WÜ = 0,68 × N - 257
Wald: keine Angaben
Untersuchungsergebnisse von Lysimetern mit Lehmböden und Waldnutzung liegen nicht vor,
so dass für diese Boden- und Nutzungsart kein Sensitivitätstest durchgeführt werden konnte.

- 33 -
Tab. 3.4: Zusammenstellung von Lysimetergleichungen verschiedener Autoren
für Sand- und Lehmböden mit Acker-/Grünland- oder Waldnutzung.
Autor Bodenart Nutzungsart Lysimetergeradengleichung
ARMBRUSTER & KOHM (1976) Sand Acker/Grünland WÜ = 0,92 · N - 324
ARMBRUSTER & KOHM (1976) Lehm Acker/Grünland WÜ = 0,86 · N - 360
DYK & CHARDABELLAS (1963) Sand Acker/Grünland WÜ = 1,10 · N - 433
DYK & CHARDABELLAS (1963) Lehmboden Acker/Grünland WÜ = 1,10 · N - 558
PROKSCH (1990) Sand Acker WÜ = 0,72 · N - 161
PROKSCH (1990) Lehm Acker WÜ = 0,62 · N - 245
PROKSCH (1990) Sand Gras WÜ = 0,92 · N - 299
PROKSCH (1990) Lehm Gras WÜ = 0,93 · N - 341
LIEBSCHER (1970) Sand Acker WÜ = 0,61 · N - 113
LIEBSCHER (1970) Lehm Acker WÜ = 0,15 · N - 28
LIEBSCHER (1970) Lehm/Sand Acker WÜ = 0,41 · N - 12
DYK & CHARDABELLAS (1963) Sand Wald WÜ = 1,10 · N - 474
DYK & CHARDABELLAS (1963) Lehm Wald WÜ = 1,10 · N - 578
PROKSCH (1990) Sand Laubwald WÜ = 0,66 · N - 199
PROKSCH (1990) Sand Nadelwald WÜ = 0,58 · N - 290
Wasserüberschuß/Sickerwasser in mm/a
600
550
500
450
400
350
300
250
Lysimetergeraden nach verschiedenen Autoren
für die Bodenart Sand mit Acker-/Grünlandnutzung
S = 0,85 · N - 266
200
550 600 650 700 750 800 850 900 950
Niederschlag N in mm/a
Minima Maxima Mittelwert
Abb. 3.8: Niederschlag-/Wasserüberschussbeziehung für Lysimeter mit Sandböden
und Acker-/Grünlandnutzung gemäß Tab. 3.4.

Wasserüberschuß/Sickerwasser in mm/a
600
500
400
300
200
100
- 34 -
Lysimetergeraden nach verschiedenen Autoren
für die Bodenart Lehm mit Acker-/Grünlandnutzung
S = 0,68 · N - 257
0
550 600 650 700 750 800 850 900 950
Niederschlag N in mm/a
Minima Maxima Mittel
Abb. 3.9: Niederschlag-/Wasserüberschussbeziehung für Lysimeter mit Lehmböden
und Acker-/Grünlandnutzung gemäß Tab. 3.4.
Wasserüberschuß/Sickerwasser in mm/a
600
500
400
300
200
100
Lysimetergeraden nach verschiedenen Autoren
für die Bodenart Sand mit Waldnutzung
S = 0,78 · N - 320
0
550 600 650 700 750 800 850 900 950
Niederschlag N in mm/a
Minima Maxima Mittel
Abb. 3.10: Niederschlag-/Wasserüberschussbeziehung für Lysimeter mit Sandböden
und Waldnutzung gemäß Tab. 3.4.
Wenngleich sich SCHROEDER (1980) kritisch zur Anwendung von Lysimetergeradengleichungen
äußert, sind bei seinen 1990 vorgestellten Verdunstungsuntersuchungen an der Lysimeteranlage
St. Arnold bei Rheine durchaus signifikante lineare Abhängigkeiten zwischen dem

- 35 -
Niederschlag und der Sickerwasserhöhe zu erkennen. Allerdings beschränkt sich der Geltungsbereich
der Lysimetergeradengleichungen auf langjährige Mittelwerte, da nur so die Einflüsse
der Wassergehaltsänderungen im Bodenspeicher vernachlässigt werden können (stationäre
Verhältnisse; SCHROEDER 1990).
Insgesamt ist die Schwankungsbreite der Lysimeterergebnisse hoch (vgl. Abb. 3.8 - 3.10). Dieses
ist einerseits durch die Bauart der Lysimeter bedingt, andererseits aber auch durch eine
hohe Variabilität des jährlichen Klimaganges bei gleichen Jahresmittelwerten. Darüber hinaus
hängt der Wasserüberschuss auch nicht allein von der Höhe des Gebietsniederschlages ab.
So führt ein warmes Jahr mit vielen sommerlichen Starkregen zu einer niedrigeren Sickerwassermenge
als ein kühles Jahr mit kontinuierlichen Niederschlägen, auch wenn die Jahressummen
der Niederschläge gleich sind. Bei Starkregen ist der Direktabfluss hoch, d.h. es fließt ein
Teil des Niederschlages unmittelbar ab und gelangt nicht zur Versickerung. In einem kühlen
Jahr ist die Verdunstung niedriger. Darüber hinaus ist bei Niederschlägen geringerer Intensität
der Oberflächenabfluss vernachlässigbar klein. Es lassen sich also mit diesem Verfahren verlässliche
Wasserüberschusswerte nur für längere Untersuchungszeiträume (z.B. Dekadenmittelwerte)
gewinnen.
Im Rahmen einer Sensitivitätsanalyse (Kap. 3.8) werden auch die obigen Lysimetergleichungen
verwendet. Es wird diskutiert, wie groß die Abweichungen in der Wasserüberschussverteilung
gegenüber der Variante mit den von DYCK & CHARDABELLAS (1963) vorgeschlagenen
Gleichungen (s.u.) ist.
Der vorgestellten Grundwasserneubildungsberechnung liegen unter Berücksichtigung der
Schichtenfolge und Flächennutzung folgende Funktionsgleichungen zugrunde (vgl. DYCK &
CHARDABELLAS 1963):
Sandböden mit Acker und Grünland: WÜ = 1,1 × N - 433
Wald: WÜ = 1,1 × N - 474
Lehmböden mit Acker und Grünland: WÜ = 1,1 × N - 558
Wald: WÜ = 1,1 × N - 578
Demnach ist der Wasserüberschuss bei Sandböden mit Acker und Grünland am höchsten, da
die Verdunstung vergleichsweise gering ist und zudem der Niederschlag schnell versickern
kann (Feldkapazität gering). Bei Lehmböden mit Waldnutzung hingegen ist der Wasserüberschuss
am geringsten, da die nutzbare Feldkapazität solcher Böden groß ist und somit infiltriertes
Niederschlagswasser den Pflanzen länger zur Verfügung steht. Hinzu kommt, dass die
Verdunstungsrate im Bereich von Wäldern (besonders von Nadelwäldern) im Vergleich zu Akker-
und Grünland groß ist. Das die Steigung der Geradengleichungen >1 ist, erklärt sich vermutlich
damit, dass hier unkorrigierte Niederschlagswerte verwendet wurden.

- 36 -
In den Arbeitsblättern A bis D der Datei GWN_0795.WK3 sind für jede Rasterzelle des Untersuchungsgebietes
die Flächenanteile von Sand- und Lehmböden mit Acker-/Grünlandnutzung
oder Wald abgelegt (vgl. Anl. 1c, 2, 3c, 4). Am oberen Rand der Arbeitsblätter ist auch die lineare
Funktionsgleichung zur Berechnung des Wasserüberschusses angegeben. Die Steigung
der Geraden sowie der Y-Achsenabschnitt sind frei wählbar. Zur Berechnung des Wasserüberschusses
(Arbeitsblatt J, Anl. 14) wurden zunächst die Zahlenfelder der Blätter A bis D
zellenweise über eine Formel miteinander verknüpft, deren Glieder aus den o.a. Funktionsgleichungen
und dem für die Rasterzelle ermittelten Niederschlagswert bestehen. Mit Fproz als prozentualer
Flächenanteil von geologischer Schicht und Nutzungsart gilt somit für jede Rasterzelle:
oder detaillierter ausgedrückt:
WÜ* Zelle = Σ Fproz × WÜ(N) ,
A-D
WÜ* Zelle = FSand/Acker, Grünland × WÜSand/Acker, Grünland + FSand/Wald × WÜSand/Wald +
FLehm/Acker, Grünland × WÜLehm/Acker, Grünland + FLehm/Wald × WÜLehm/Wald
Die obige Gleichung muss nun noch um den Wasserüberschuss im Bereich der offenen Wasserflächen
ergänzt werden. Wie im Kap. 3.2 dargelegt, berechnet sich dieser als Differenz zwischen
dem Niederschlag N und der potentiellen Verdunstung Epot nach PENMAN, multipliziert
mit dem prozentualen Flächenanteil der Wasserflächen. In der unten stehenden Gleichung ist
mit WÜ* die oben stehende Wasserüberschusskomponente gemeint. Für jede Rasterzelle gilt
demnach
WÜ**Zelle
mit WÜoff. Wasserfl. = N - Epot
= WÜ* Zelle + Foff. Wasserfl. × WÜoff. Wasserfl.
In analoger Weise ist der Wasserüberschuss im Bereich versiegelter Flächen zu berücksichtigen.
Seine Herleitung ist im Kap. 3.4 ausführlich erläutert. Er berechnet sich für jede einzelne
Rasterzelle des Untersuchungsgebietes wie folgt:
WÜ***Zelle = WÜ**Zelle + FVeff · WÜVeff
mit WÜVeff = N - EV
N = Niederschlag
EV = Benetzungs- und Muldenverlust
FVeff = effektiv versiegelte Flächen
FVeff = a × Fvers
a = Versiegelungsgrad
Fvers = teilversiegelte Fläche

- 37 -
Wie im Kap. 3.3 beschrieben, kommt es bei niedrigem Grundwasserflurabstand (

- 38 -
In der Tabellenkalkulationsdatei werden alle Summanden der o.g. Gleichung über die Zelladressen,
in denen die entsprechenden Informationen abgelegt sind, verknüpft. Für die Rasterzelle
1/1 (Nordwestecke des Gebietes) lautet die Verknüpfungsformel:
WÜZelle 1/1 = + A:B6*(A:$L$3*H:B6-A:$N$3) (Lys.-Gl. 1)
+ B:B6*(B:$M$3*H:B6-B:$O$3) (Lys.-Gl. 2)
+ C:B6*(C:$M$3*H:B6-C:$O$3) (Lys.-Gl. 3)
+ D:B6*(D:$M$3*H:B6-D:$O$3) (Lys.-Gl. 4)
+ E:B45 (WÜ off. Wasserfl.)
+ G:B45 (WÜ vers. Fl.)
- F:B48 (zus. Verd. bei niedr.
Grundwasserflurabst.)
Dieses Verknüpfungsschema braucht nur einmal und zwar für nur eine Zelle in das Arbeitsblatt
J der Grundwasserneubildungsdatei eingegeben werden und kann dann von dieser Zelle aus
auf das gesamte Rasterfeld kopiert werden. Hierbei erhalten die Nachbarzellen automatisch
einen um "1" oder einen Buchstaben (A � B) erhöhten Zellindex, wie das unten stehende Beispiel
zeigt:
WÜZelle 1/1 = + A:B6*(A:$L$3*H:B6-A:$N$3) + B:B6*(.. usw.) + .. [Zelle 1/1]
WÜZelle 1/2
= + A:C6*(A:$L$3*H:C6-A:$N$3) + B:C6*(.. usw.) + .. [Zelle östl. 1/1]
WÜZelle 2/1 = + A:B7*(A:$L$3*H:B7-A:$N$3) + B:B7*(.. usw.) + .. [Zelle südl. 1/1]
Die mit "$" versehenen Zelladressen verändern sich durch den Kopiervorgang nicht. Es sind
die in den Arbeitsblättern A, B, C und D implementierten Parameter der Lysimetergleichungen.
Gemäß Anl. 14 beträgt der mittlere Wasserüberschuss im Untersuchungsgebiet Pinneberg
366 mm/a. Die Bandbreite erstreckt sich von 207 mm/a bis 559 mm/a bei einer Standardabweichung
von ca. 17 %. Im Bereich der Talauen mit geringem Grundwasserflurabstand sowie in
Moorgebieten (z.B. Himmelmoor) bewegt er sich in einer Größenordnung von 200-300 mm/a,
während sich Dörfer und Städte durch Werte über 400 mm/a auszeichnen. Letzteres ist auf
den hohen Versiegelungsgrad durch Überbauung zurückzuführen. Allerdings wird hier der
Wasserüberschuss als oberirdischer Abfluss unmittelbar über die Regenwasserkanalisation
abgeführt und kommt somit der Grundwasserneubildung nicht zugute.

- 39 -
3.7 Klimatische Bodenwasserbilanz im Bereich westlich von Quickborn für den Zeitraum von
1980 bis 1991
Für das unmittelbare Umfeld der agrarmeteorologischen Forschungs- und Beratungsstelle
Quickborn des DWD wurde die Grundwasserneubildungsrate auch über eine klimatische Wasserbilanz
unter Einbeziehung des Bodenwasserhaushaltes bestimmt. Die Ergebnisse wurden
mit denen des in den Kap. 3.6 beschriebenen Verfahrens verglichen. Der Bilanzzeitraum erstreckte
sich wiederum über die Jahre 1980 bis 1991. Den Berechnungen lagen die Ansätze
von RENGER; STREBEL & GIESEL (1974a,b) sowie MATTHESS & PEKDEGER (1981) zugrunde.
Im Berechnungsgang wird zunächst die potentielle Verdunstung EPot nach HAUDE
(1955) anhand des Sättigungsdefizites der Luft sowie eines von der Jahreszeit abhängigen
pflanzenspezifischen Faktors bestimmt (Formel s.u.). Zahlenwerte für diesen Faktor finden sich
u.a. bei (DOMMERMUTH & TRAMPF 1990; ELLING, HÄCKEL & OHMAYER 1990).
EPot = f · (es - ea)
EPot = potentielle Verdunstung nach HAUDE
f = vegetationsspezifischer Faktor
es = Sättigungsdampfdruck der Luft um 14.00 Uhr
ea = aktueller Dampfdruck um 14.00 Uhr
(es - ea) = Sättigungsdefizit der Luft um 14.00 Uhr
Danach ist die Differenz zwischen dem Niederschlag und der Verdunstung zu bilden (klimatische
Wasserbilanz). Ist diese positiv, wird die überschüssige Wassermenge dem durchwurzelten
Bodenspeicher zugeschlagen. Wenn hierbei die nutzbare Feldkapazität des Bodens überschritten
wird, sickert die überschüssige Wassermenge dem Grundwasser zu. Ist die klimatische
Wasserbilanz negativ, entnehmen die Pflanzen dem Bodenspeicher trotzdem Wasser,
d.h. der Bodenwassergehalt des Wurzelraumes vermindert sich um dieses Wasserdefizit. Je
niedriger der Wassergehalt des Bodenspeichers ist, um so stärker ist die verbleibende Restfeuchte
an die Bodenmatrix gebunden. Die Folge ist, dass dieses Wasser von den Pflanzenwurzeln
nicht mehr in vollem Maße aufgenommen werden kann. Die tatsächliche, aktuelle Verdunstung
Eakt. entspricht also nicht mehr der potentiellen, sondern liegt darunter. RENGER;
STREBEL & GIESEL (1974b) haben, basierend auf Felduntersuchungen, versucht, diese Abminderung
der potentiellen Verdunstung in Form einer Funktionsgleichung darzustellen. Sie
kommen dabei zu folgendem Zusammenhang:
Eakt = EPot · [ 0,2 + 2 · %nFK/100 - 1,2 · (%nFK/100)² ]
EPot = potentielle Verdunstung nach HAUDE
Eakt. = tatsächliche, aktuelle Verdunstung
%nFK= Wassergehalt des Bodens in %
der nutzbaren Feldkapazität
Andere Autoren kommen zu anderen Ergebnissen. So beschreibt SPONAGEL (1980) sehr detailliert
die Zusammenhänge zwischen realer und potentieller Verdunstung in Abhängigkeit vom

- 40 -
Bodenwassergehalt. Er zeigt auf, dass die Abminderung der potentiellen Verdunstung nicht nur
abhängig ist vom Feuchtegehalt des Bodens, sondern auch von der Bodenart, von der Art des
Bewuchses sowie von klimatischen Faktoren. Darüber hinaus diskutiert er auch die diesbezüglichen
Befunde anderer Autoren (vgl. ALBRECHT 1962; BAHARANI & TAYLOR 1961; HEGER
1978; PFAU 1966; RENGER et al. 1974a,c; VEIHMEYER & HENDRICKSON 1955) und stellt
sie in einer Graphik dar. Auch ERNSTBERGER (1987) geht auf die funktionellen Zusammenhänge
zwischen aktueller, potentieller Verdunstung und der Bodenfeuchte ein, indem er auf die
Diskussion von SPONAGEL (1980) zurückgreift (Abb. 3.11). Er gibt dabei zu bedenken, dass
der Bodenfeuchtegehalt nur die mittelbare Einflussgröße ist, welche die in der Abb. 3.11 dargestellte
Verdunstungsreduktion bewirkt. Vielmehr wird die Mobilisierbarkeit des Wassers
durch adsorptive und adhäsive Matrixbindungskräfte bestimmt, die sich am besten durch die
Kenngröße der Saugspannung ausdrücken lassen (z.B. perman. Welkepunkt bei pF 4,2). Eine
umfassende Zusammenstellung gängiger Verfahren zur Verdunstungsberechnung auch unter
Berücksichtigung der o.a. Fragestellung findet sich in den vom DVWK herausgegebenen
Merkblättern zur Wasserwirtschaft (DVWK 1995).
Abb. 3.11: Verhältnis der aktuellen zur potentiellen Evapotranspiration in Abhängigkeit
von der Bodenfeuchte (nach SPONAGEL 1980, verändert
durch ERNSTBERGER 1987; nWK: nutzbare Wasserkapazität des
Wurzelraumes).
Bei geringem Grundwasserflurabstand erhöht sich die pflanzenverfügbare Wassermenge des
Bodenspeichers um die kapillare Aufstiegsrate. Diese ist u.a. abhängig von der Bodenart und

- 41 -
der Aufstiegshöhe, d.h. der Distanz zwischen der Grundwasseroberfläche und der Untergrenze
des effektiven Wurzelraumes. GIESEL, RENGER & STREBEL (1972) haben die Zusammenhänge
zwischen diesen Einflussgrößen unter stationären Bedingungen untersucht und detailliert
dargestellt. Für Fein- und Mittelsande sowie sandigen Lehm ergibt sich demnach folgender
Zusammenhang (vgl. Abb. 3.12):
Im Umfeld der agrarmeteorologischen Forschungs- und Beratungsstelle Quickborn stehen im
wesentlichen lehmige Sande an. Geht man von einem Grundwasserflurabstand von etwa 120
cm aus und nimmt als Tiefe der Untergrenze des Wurzelraumes 60 cm an, beträgt die kapillare
Aufstiegshöhe ebenfalls 60 cm. Nach GIESEL, RENGER & STREBEL (1972) folgt daraus eine
Aufstiegsrate von 0,5 cm/d entsprechend etwa 150 mm/Mon (s.o.).
Will man für ein Untersuchungsgebiet die Grundwasserneubildungsrate nach dem o.a. Verfahren
bestimmen, müssen die nachstehend aufgelisteten Parameter, mitunter als Funktion der
Zeit, flächendeckend bekannt sein:
A. Boden:
Bodenart einschl. nutzbarer Feldkapazität (nFK)
Mittlere Durchwurzelungstiefe der Vegetation (d)
nFK des Wurzelraumes
Rate des kapillaren Aufstieges
B. Klima:
Niederschläge (N)
pot. Verdunstung nach HAUDE (Epot)
real. Verdunstung als Funktion des Wassergehaltes des Wurzelraumes (Ereal)
C. Abfluss:
oberirdischer Abfluss
Abfluss unmittelbar nahe der Erdoberfläche

- 42 -
Abb. 3.12:
Beziehung zwischen Aufstiegshöhe Z und
Aufstiegsrate V in Abhängigkeit von der
Bodenart, verändert nach GIESEL, REN-
GER & STREBEL (1972)
Die Aufstellung macht die Probleme hinsichtlich der Anwendbarkeit der Methode auf größere
Untersuchungsräume deutlich. Während sich z.B. für das Untersuchungsgebiet im Großraum
Pinneberg die Verteilung der Bodenarten aus geologischen und bodenkundlichen Karten ableiten
lassen, ist dieses für den Parameter Durchwurzelungstiefe d , von dem die Größe des
Bodenspeichers BS unmittelbar abhängt (BS = d · nFK), nicht mehr möglich. Selbst wenn die
langfristige Bodennutzung eines Areals bekannt ist (Schlagkarteien), können verlässliche Angaben
über die effektive Durchwurzelung in der Regel nicht gemacht werden. Zu viele meist
standortspezifische Faktoren bedingen diesen Parameter. So wurzelt z.B. Raps normalerweise
bis in eine Tiefe von 80 cm. Befindet sich jedoch in einer Tiefe von 40 cm eine Sperrschicht
(z.B. verdichtete Pflugsohle, Ortsteinhorizont o.ä.), endet das Wurzelwachstum eben in dieser
Tiefe. Die Durchwurzelungstiefe von Grünland beträgt je nach Kleeanteil 60-80 cm. Sie ist jedoch
abhängig von der Art der Bewirtschaftung, z.B. wie oft pro Jahr gemäht oder in welchem
Grad gedüngt wird. Mehrjährige Pflanzen (z.B. Bäume) verfügen, ähnlich wie Dauergrünland,
über eine Wurzelgrundmasse, unterliegen ansonsten in bezug auf die Wurzelentwicklung dem
jahreszeitlichen Gang. Die Wurzelmasse ist hierbei abhängig vom Alter des Bestandes und
dessen Dichte. Nicht zuletzt wird das Wurzelwachstum der Pflanzen von der klimatischen Charakteristik
der Vegetationsperiode bestimmt (feucht/trocken, warm/kalt). Insgesamt folgt daraus,
dass Angaben über die Durchwurzelungstiefe und damit über den Bodenspeicher mit großen
Unsicherheiten behaftet sind (vgl. DREYER 1989; KÖPKE 1979; LEHNARDT & BRECHTEL
1980; PETERSEN-FREDRICH 1987; STEINMANN 1995; STOFFEL et al. 1995; WIESLER
1991). Hinzu kommt, dass in der Regel Angaben über die Art der langjährigen Flächennutzung
nicht vorliegen, also auch keine gesicherte Zuordnung der HAUDE-Faktoren vorgenommen
werden kann.

- 43 -
Während die Feldkapazitäten der Bodenarten Tabellenwerken entnommen werden können
(z.B. ARBEITSGRUPPE BODENKUNDE 1982), muss für die Ermittlung der kapillaren Aufstiegsrate
der Grundwasserflurabstand im obersten Grundwasserleiter flächendeckend bekannt
sein. Dieses ist nur mit einem sehr dichten Netz von Grundwassermessstellen zu bewerkstelligen.
Ein derartiges Messnetz ist jedoch in den meisten Fällen nicht vorhanden, so
dass auf Pauschalansätze und Schätzungen zurückgegriffen werden muss. Auch dieses vergröbert
das Berechnungsergebnis.
Von den klimatologischen Ausgangsdaten lassen sich die Niederschläge mit Hilfe einschlägiger
Regionalisierungsverfahren noch am ehesten auf größere Untersuchungsgebietsintegrale
übertragen. Das Netz der Niederschlagsstationen ist in Norddeutschland vergleichsweise dicht
und die Schwankungsbreite der Niederschlagswerte in bezug auf langjährige Mittelwerte gering.
Allerdings sind die Unterschiede zwischen einzelnen Stationswerten um so größer, je kleiner
das betrachtete Zeitintervall ist.
Eine Regionalisierung der potentiellen Verdunstung nach HAUDE gestaltet sich als sehr
schwierig, da hierfür Daten von Klimamessstationen benötigt werden. Im Untersuchungsraum
Pinneberg wird nur eine Station (Quickborn) innerhalb der Gebietsgrenzen betrieben. Das dort
um 14.00 Uhr ermittelte Sättigungsdefizit auf ein Gebiet von 272 km² Größe zu übertragen, ist
besonders dann nicht sinnvoll, wenn die Landschaftsform vielgestaltig ist. Zur Ermittlung der
aktuellen Verdunstung wird zudem noch der Feuchtegehalt des durchwurzelten Bodens benötigt.
Bestehen hinsichtlich Durchwurzelungstiefe und HAUDE-Verdunstung Unsicherheiten hinsichtlich
der Datenbasis, führt dieses automatisch zu einer großen Fehlerbandbreite bei der
Ermittlung der aktuellen Verdunstung.
Um mit Hilfe der Bilanzierung des Bodenwasserhaushalts die Grundwasserneubildung berechnen
zu können, muss der Oberflächenabfluss als Bilanzglied berücksichtigt werden. Bei der
Aufstellung der klimatischen Wasserbilanz ist der Anteil des Abflusses vom Niederschlag zu
subtrahieren, weil dieser unmittelbar aus dem System herausgeführt wird und somit nicht dem
Bodenspeicher zusickern kann. Wie in Kap. 4 detailliert ausgeführt, lassen sich Aussagen über
die räumliche Verteilung des Oberflächenabflusses nur mit sehr hohem Aufwand gewinnen, so
dass auch hier auf Schätzwerte zurückgegriffen werden muss.
Die Umsetzung des o.a. Berechnungsganges mit modernen Technologien, wie z.B. mit Geo-
Informationssystemen (GIS), stellt zwar eine Arbeitserleichterung besonders hinsichtlich der
Ergebnispräsentation dar. Doch der Einsatz von GIS impliziert nicht automatisch eine fundierte
Datenbasis und eine geringe Fehlerbandbreite in bezug auf die Bilanzierungsergebnisse. So
stellen ALBRECHT & GROSSMANN (1995) eine GIS-gestützte Berechnung der Grundwasserneubildung
auf Basis einer klimatischen Bodenwasserbilanzierung vor, legen jedoch für die
o.a. Ausgangsdaten Pauschalansätze zugrunde oder übertragen punktuell ermittelte Daten ohne
eine kritische Bewertung auf große Gebietsintegrale. Auch wird der gesamte Komplex

- 44 -
Oberflächenabfluss ausser acht gelassen. Die so ermittelte Grundwasserneubildungsverteilung
ist dadurch, trotz hoher, räumlicher Differenzierung, mit großen Unsicherheiten behaftet.
Die Ergebnisse der klimatischen Bodenwasserbilanzierung für das Umfeld der Klimamessstation
Quickborn sind in den Anl. 15.1 - 15.12 sowie in der Tab. 3.5 dargestellt. Der Berechnung
wurde als Bodenart ein schwach lehmiger Sand mit einer nutzbaren Feldkapazität (nFK) von 16
mm/dm zugrunde gelegt. Da das Umfeld der meteorologischen Station Quickborn als Dauergrünland
genutzt wird, wurde eine Durchwurzelungstiefe von 6 dm angenommen, d.h. die nFK
des Wurzelraumes beträgt 96 mm. Bei einer kapillaren Aufstiegsrate von bis zu 0,5 cm/d (vgl.
Abb. 3.12; s.o.) resultiert daraus eine maximale, den Pflanzen verfügbare Wassermenge von
246 mm/Mon. Ist die klimatische Wasserbilanz negativ, wird die nun durch die Evapotranspiration
im Boden entstehende Feuchtezehrung durch den Aufstieg von Kapillarwasser aus dem
Grundwasser ausgeglichen.
Die potentielle Verdunstung wurde nach HAUDE anhand von Tageswerten bestimmt, die aktuelle
Verdunstung mit Hilfe der o.a. funktionellen Beziehung von RENGER; STREBEL & GIE-
SEL (1974b). Den Bilanzrechnungen selbst liegen Monatssummen zugrunde. Der Bilanzzeitraum
erstreckte sich von März 1980 bis Februar 1992. Die rechnerische Umsetzung erfolgte
mit Hilfe eines Tabellenkalkulationsprogrammes. Für jedes Bilanzjahr wurde ein Arbeitsblatt
ausgearbeitet. Die einzelnen Verknüpfungen von Zeilen und Spalten der Arbeitsblätter ist in der
Anlage 15 erläutert.
In der Tab. 3.5 wurden die so gewonnenen Ergebnisse mit denen des abgewandelten JOSO-
PAIT-/LILLICH-Verfahrens verglichen. Ausgewählt wurde hierfür die Zelle 14/25 der Grundwasserneubildungsdatei
(Anlagen 1-14), welche ein Areal von 500x500 m umfasst und im Bereich
der Klimastation Quickborn liegt. Demnach lag das 12-Jahres-Mittel des Niederschlages, gemessen
in Quickborn (Stationswert), bei 816 mm/a. Der Unterschied zum Wert der Zelle 14/25
(821 mm/a entspr. 0,6%) liegt in der zeitlichen Verschiebung der Bezugszeiträume, d.h. dem
Unterschied zwischen Abflussjahr (11/79-10/91) und Lysimeterjahr (3/80-2/92). Die Verdunstungswerte
betragen als Ergebnis der Bilanzierung des Bodenwasserhaushalts 497 mm/a,
nach dem abgewandelten JOSOPAIT-/LILLICH-Verfahren 477 mm/a. Dieses entspricht einer
Abweichung von 4,2%. Daraus resultiert hinsichtlich des Wasserüberschusses eine Differenz
von 25 mm/a. Legt man Abflussdaten des Teileinzugsgebiets zwischen den Pegeln Renzel und
Hohenhorst zugrunde, so ist für den Oberflächenabfluss bzw. oberflächennahen Abfluss 190
mm/a bzw 224 mm/a anzusetzen. Dieser Unterschied entsteht u.a., weil die Ao-/Au-Abtrennung
im ersten Fall für Einzeljahre erfolgte, im zweiten Fall anhand der 12-Jahres-Zeitreihe (Abflussjahr
1980-1991). Die aus beiden Ansätzen resultierende Grundwasserneubildung beträgt
129 mm/a bzw. 120 mm/a bei einer Abweichung von 7,5% bezogen auf den letzteren Wert (vgl.
Tab. 3.5).

- 45 -
Tab. 3.5: Berechnung von Wasserüberschuss und Grundwasserneubildung für den Nahbereich der agrarmeteorologischen Forschungs- und
Beratungsstelle Quickborn (DWD) mit Hilfe klimatischer Bodenwasserbilanzierung in Anlehnung an das Verfahren von RENGER et al.
(1974a,c).
Klimatische Bodenwasserbilanz für den Nahbereich der agrarmeteorologischen Forschungs- und Beratungsstelle
Quickborn
Nach JOSO-
Jahr 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1980-91 PAIT/LILLICH
Niederschlag 1009 882 764 822 636 792 783 1004 733 712 857 799 816 821
Verdunstung
467 480 576 501 458 449 526 428 462 584 543 493 497 477
Wasserüberschuss 542 402 188 321 178 348 257 576 272 127 314 306 319 344
Oberflächenabfluss (500 m-Integral) 294 247 185 185 120 156 169 254 171 114 190 195 190 224
(Zelle 14/25 Ao_PIN80 bis 91.WK3)
Grundwasserneubildung
248 155 3 136 59 193 88 322 101 14 124 111 129 120
Randbedingungen:
Bodenart : schwach lehmiger Sand, mitteldicht Kap. Aufstiegsrate bei einer
nFK: 16 mm/dm Aufstiegshöhe von 60 cm: 5 mm/d
mittlere Durchwurzelungstiefe 6 dm
nFK des Wurzelraumes 96 mm

- 46 -
Obwohl dem abgewandelten JOSOPAIT-/LILLICH-Verfahren und der Bodenwasserbilanzierung
unterschiedliche, methodische Ansätze zugrunde liegen, liefern sie für das Umfeld der agrarmeteorologischen
Forschungs- und Beratungsstelle Quickborn Grundwasserneubildungswerte
zumindest in der gleichen Größenordnung, wenn man sich auf den Vergleich langjähriger Mittelwerte
beschränkt.
3.8 Auswirkung der Bandbreite der Eingangsparameter auf die Ergebnisse der Wasserüberschussberechnung
Im Rahmen der Grundwasserneubildungsmodellierung wurden mehrere Sensitivitätsanalysen
durchgeführt. Diese hatten zum Ziel zu prüfen, inwieweit sich die methodenbedingte Variabilität
der Ausgangsdaten auf die Ergebnisse der Wasserüberschussberechnungen auswirkt. Es
wurde im Einzelnen geprüft, welche Ergebnisbandbreite bezüglich der Berechnung des Wasserüberschusses
erzeugt wird, wenn unterschiedliche Regionalisierungsverfahren (THIEßEN-
Polygon-Methode, KRIGING) bei der Gebietsniederschlagsermittlung verwendet werden. Ferner
wird dargelegt, wie sich der Parameter "Grundwasserbeeinflussung" auf die Ergebnisse auswirkt.
Darüber hinaus wird aufgezeigt, wie groß die Unterschiede zwischen den Modellvarianten
sind, wenn für diese im Berechnungsgang Lysimetergeradengleichungen anderer Autoren
verwendet werden. Für die hierzu erforderlichen Rechnungen kam wieder das Tabellenkalkulationsprogramm
zum Einsatz. Ausgangsdatei war das Grundwasserneubildungsmodell
GWN_0795.WK3, aus dem durch Kopieren die Dateien GWN_SEN1.WK3 bis
GWN_SEN4.WK3 erstellt wurden. In die erstere wurde für die Berechnung des Wasserüberschusses
die Niederschlagsverteilung nach der Polygon-Methode importiert (PI_N_POL.WK3,
vgl. Anl. 12). In der zweiten und dritten Datei wurde der Wert für die zusätzliche Verdunstung im
Bereich grundwasserbeeinflusster Flächen variiert (GWN_0795.WK3: 90 mm/a; vgl. Anl. 7a,b).
GWN_SEN4.WK3 enthält die Berechnung des Wasserüberschusses mit den Lysimetergleichungen
anderer Autoren (vgl. Kap. 3.6, Tab. 3.4).
Wie in Kap. 3.5 dargelegt, führte die Verwendung verschiedener Regionalisierungsverfahren
bei der Berechnung des Gebietsniederschlages zu unterschiedlichen Ergebnissen, obwohl
identische Ausgangsdaten verwendet wurden. So betragen die Abweichungen zwischen der
Polygon-Methode und dem Kriging-Verfahren örtlich bis zu 9 %, entsprechend etwa 80 mm/a.
Da der Niederschlagswert eines Rasterelements unmittelbar in den Berechnungsgang zur Ermittlung
des Wasserüberschusses eingeht (vgl. Kap. 3.6), sind auch in den Wasserüberschussverteilungen
lokal Unterschiede zu erwarten. Die Tab. 3.6 enthält die Ergebnisse beider
Berechnungsvarianten in Form statistischer Kennwerte.

- 47 -
Betrachtet man die Gebietsmittelwerte beider Varianten einschließlich der Minima, Maxima und
Standardabweichung, nehmen diese die gleiche Größenordnung ein, so dass der Eindruck
entsteht, beide Verteilungen seien nahezu identisch. Bildet man jedoch Rasterzelle für Rasterzelle
die Differenz zwischen den Wasserüberschussverteilungen, sind die örtlichen Unterschiede
beträchtlich. Der Schwankungsbereich erstreckt sich von -49,3 bis +78,3 mm/a bei einer
Standardabweichung von 18,0 (vgl. hierzu auch Anl. 14, 16 u. 17). Bei einem mittleren Wasserüberschuss
von 365 mm/a entspricht die größte Abweichung etwa 21,5 %.
Die Tab. 3.6 gibt auch Auskunft darüber, wie viel Rasterelemente in welchem Maße vom Mittelwert
der KRIGING-Variante abweichen. Legt man einen Grenzwert von ± 2,5% zugrunde, wird
dieser von 43,2% aller Rasterelemente überschritten. 22,9% der Rasterelemente weichen
mehr als 5,0% vom Gebietsmittelwert ab, 12,9% mehr als 7,5% und 7,3 % der Zellen mehr als
10%. Letzteres entspricht einer Wassermenge von ± 36 mm/a.
Tab. 3.6: Statistische Kennwerte der Wasserüberschussverteilungen, denen
Niederschlagsverteilungen nach der THIEßEN-Polygon-Methode (WÜ1)
und KRIGING (WÜ2) zugrunde liegen sowie deren Abweichungen voneinander
(WÜ1-WÜ2).
WÜ1 (N mit
THIEßEN-Pol.)
WÜ2 (N mit
Kriging)
Diff. max zw.
Zellen von
WÜ1 u. WÜ2
Minimum [mm/a] 209,7 206,5 -49,3
Mittelwert [mm/a] 369,8 365,6 4,2
Maximum [mm/a] 556,3 558,9 78,3
Stdabw. [mm/a] 59,5 63,5 18
Stdabw. [%] 16,1 17,4 429,9
Abweichung in % (±) vom Mittelwert
der Kriging-Variante
2,50% 5,00% 7,50% 10,00%
Anzahl der Rasterzellen in % 43,2 22,9 12,9 7,3

Anzahl der Zellen
250
200
150
100
50
0
- 48 -
GWN_SEN1.WK3
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80
Abweichung zur KRIGING-Variante in mm/a
Abb. 3.13: Zusammenhang zwischen der Anzahl der Rasterelemente und der
Höhe der Abweichung zwischen beiden Wasserüberschussvarianten.
Die Abb. 3.13 stellt noch einmal die Bandbreite der methodenbedingten Berechnungsunterschiede
in Form eines Histogramms dar. Im Intervall von -15 bis +15 mm/a (± 4,1% vom Gebietsintegral
des Wasserüberschusses mit Kriging) liegen demnach 786 Rasterelemente. Diese
sind in der Abb. 3.13 als Doppelsäulen dargestellt. 303 Zellen (27,8%) weisen eine größere
Abweichung auf. Dieses zeigt, dass die Auswahl des Regionalisierungsverfahrens einen nicht
unerheblichen Einfluss auf das Ergebnis der Wasserüberschussberechnung hat. Es muss daher
sorgfältig abgewogen werden, welches Verfahren dem Natursystem am nächsten kommt.
Für die Grundwasserneubildungsberechnungen wurde für die Ermittlung des Gebietsniederschlages
das Kriging-Verfahren verwendet, da sich die Stationswerte (Ausgangsdaten) im
Schätzwertraster schärfer abbilden. Die Thießen-Polygonmethode hingegen führt durch die
Bildung gewogener Mittelwerte für die Areale zwischen den Stationen zu Abweichungen zwischen
den Rasterwerten und dem Stationswert im Nahbereich der Stationen.
JOSOPAIT & LILLICH (1975) geben für grundwassernahe Böden (Gley-, Moor- und Marschböden)
eine zusätzliche Verdunstung von 100-150 mm/a an. Grundwasserbeeinflusste Böden
mit etwas höherem oder schwankendem Grundwasserflurabstand erzielen eine zusätzliche
Verdunstung von etwa 50 mm/a. Für die vorgestellte Grundwasserneubildungsberechnung
wurde, ausgehend von einem Grundwasserflurabstand von 1 m, eine zusätzliche Verdunstung
von 90 mm/a angenommen (vgl. Kap. 3.3). Im folgenden wird nun geprüft, wie sich die Wasserüberschussverteilung
ändert, wenn statt der 90 mm/a einerseits 50 mm/a, andererseits 150

- 49 -
mm/a angesetzt werden. Die Umsetzung dieser Rechnung erfolgte wieder mit dem Tabellenkalkulationsprogramm.
Tab. 3.7: Statistische Kennwerte der Wasserüberschussverteilungen bei einer
Reduzierung der zusätzlichen Verdunstung im Bereich grundwasserbeeinflusster
Böden von 90 mm/a auf 50 mm/a.
WÜ1 (zus.
Verd. = 50
mm/a)
WÜ2 (zus.
Verd. = 90
mm/a)
Diff. max zw.
Zellen von
WÜ1 u. WÜ2
Minimum [mm/a] 246,5 206,5 0,0
Mittelwert [mm/a] 374,8 365,6 9,2
Maximum [mm/a] 558,9 558,9 40,3
Stdabw. [mm/a] 59,4 63,5 11,3
Stdabw. [%] 15,9 17,4 123,3
Abweichung in % (±) vom Mittelwert
der Kriging-Variante
2,50% 5,00% 7,50% 10,00%
Anzahl der Rasterzellen in % 35,0 18,9 10,9 5,0
Da im Untersuchungsgebiet etwa 23 % der Flächen niedrige Grundwasserflurabstände aufweisen,
reduziert oder erhöht sich der mittlere Wasserüberschuss der Berechnungsvarianten um
den jeweiligen Änderungsbetrag multipliziert mit 0,23. Bei einer zusätzlichen Verdunstung von
50 mm/a im Bereich der grundwasserbeeinflussten Flächen beträgt die mittlere Änderung -9,2
mm/a, bei einer Verdunstung von 150 mm/a +13,8 mm/a (vgl. Tab. 3.7 u. 3.8). Dieses entspricht
2,5 % bzw. 3,7 % bezogen auf den mittleren Wasserüberschuss von 365,5 mm/a.
Mindert man den Verdunstungswert ab, ändern sich etwa 5 % aller Rasterelemente um mehr
als 10 % des mittleren Wasserüberschusses (36 mm/a). Erhöht sich der Wert der zusätzlichen
Verdunstung von 90 auf 150 mm, sind es 12,3 %. Wie die Anlage 18 zeigt, ändern sich die
Wasserüberschusswerte vor allem im Bereich der Talauen und Niederungsgebiete (z.B. Himmelmoor).
Werden solche Gebiete durch etwaige Eingriffe in den Wasserhaushalt (Grundwasserentnahmen,
Wasserhaltung bei Baumaßnahmen, Dränung etc.) beeinflusst, sollten die
oberflächennahen Grundwasserverhältnisse für die Erstellung von Wasserhaushaltsbilanzen,
auch als Beweissicherungsmaßnahme, engräumig und detailliert untersucht und dokumentiert
werden.

- 50 -
Tab. 3.8: Statistische Kennwerte der Wasserüberschussverteilungen bei einer
Erhöhung der zusätzlichen Verdunstung im Bereich grundwasserbeeinflusster
Böden von 90 mm/a auf 150 mm/a.
WÜ1 (zus.
Verd. = 150
mm/a)
WÜ2 (zus.
Verd. = 90
mm/a)
Diff. max zw.
Zellen von
WÜ1 u. WÜ2
Minimum [mm/a] 146,5 206,5 -60,0
Mittelwert [mm/a] 351,8 365,6 -13,8
Maximum [mm/a] 558,9 558,9 0,0
Stdabw. [mm/a] 72,7 63,5 17,0
Stdabw. [%] 20,7 17,4 -123,3
Abweichung in % (±) vom Mittelwert
der Kriging-Variante
2,50% 5,00% 7,50% 10,00%
Anzahl der Rasterzellen in % 41,2 28,8 18,9 12,3
Für die Bodenarten Sand und Lehm wurde eine Tabelle mit Lysimetergeradengleichungen zusammengestellt
(Tab. 3.4). Mit jeder dieser Geradengleichungen wurde für die jeweilige Boden-
und Nutzungsart der Wasserüberschuss in Abhängigkeit vom Niederschlag berechnet,
darüber hinaus Minima, Maxima und Mittelwerte. Die Vorgehensweise sei beispielhaft anhand
der nachstehenden Tabelle (Tab. 3.9) erläutert. In den mit den Ziffern 1-6 bezeichneten Spalten
sind die Wasserüberschusswerte aufgelistet, die sich durch Einsetzen der Niederschlagshöhe
(Spalte N) in die Lysimetergeradengleichungen ergeben. Rechts in der Tabelle stehen
die o.a. Minima, Maxima und Mittelwerte, die sich aus den Spalten 1-6 ableiten. Die im Rahmen
der Sensitivitätsanalyse verwendeten Niederschlags-/Wasserüberschuss-Funktionen wurden
mit Hilfe von linearer Regression ermittelt. Die Ausgangsdatenpaare sind in der Tabelle in den
Spalten N und Mitt. aufgelistet, die Ergebnisse in der Spalte Modell (vgl. hierzu Abb. 3.8 -
3.10). Es sei an dieser Stelle nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Auswahl der
Lysimetergeraden eher zufällig ist. Auch basieren die Zusammenstellungen der im Kap. 3.6 erwähnten
Autoren auf ganz unterschiedlichen Ausgangsdaten. Teilweise sind es statistische
Zusammenstellungen und Auswertungen vieler Lysimeterdaten, teilweise die Ergebnisse einer
ganz speziellen Lysimeteranlage für einen speziellen Zeitraum.
Tab. 3.9: Vergleich der Ergebnisse verschiedener Niederschlags-/Wasserüberschuss-Funktionen
einschließlich statistischer Auswertung.

- 51 -
Wertetabelle: Lehmböden mit Acker/Grünland
N Modell 1 2 3 4 5 6 Min. Max. Mitt.
600 150 156 102 130 218 62 234 62 234 150
610 157 164 113 136 228 63 238 64 238 157
620 163 173 124 142 237 65 242 65 242 164
630 170 181 135 148 246 66 246 67 246 171
640 177 190 146 155 256 68 250 68 256 177
650 184 199 157 161 265 69 255 70 265 184
660 191 207 168 167 274 71 259 71 274 191
670 197 216 179 173 284 72 263 73 284 198
680 204 224 190 179 293 74 267 74 293 205
690 211 233 201 186 302 75 271 76 302 211
700 218 242 212 192 312 77 275 77 312 218
710 225 250 223 198 321 78 279 79 321 225
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
In der Tab. 3.10 sind die Ergebnisse dieser Sensitivitätsanalyse zusammengefasst. Demnach
liegt der Mittelwert der Wasserüberschussverteilung WÜ1 einschließlich Minimum und Maximum
etwa 30 mm/a unterhalb der entsprechenden Werte der Verteilung WÜ2 (Gleichungen
nach DYCK & CHARDABELLAS 1963). Die Standardabweichung beträgt etwa 10 mm/a. Die
größte Abweichung mit -110,1 mm/a ist im Bereich von Wäldern auf Sandböden zu finden. Insgesamt
ist die Datengrundlage für waldbepflanzte Lysimeter schlecht. Lysimetergleichungen für
Wald auf Sand finden sich in der vorgestellten Zusammenstellung nur bei DYCK & CHARDA-
BELLAS 1963 und PROKSCH (1990), Gleichungen für Wald auf Lehm nur bei den erstgenannten
Autoren. Das bedeutet, dass beim Erstellen der Lysimetergleichungen standortspezifische
Faktoren eine größere Rolle spielen als für Boden- und Nutzungsarten, für die viele Lysimeterdaten
ausgewertet wurden. Dieses führt im vorliegenden Fall dazu, dass sich die Gleichungen
stark unterscheiden. Hinzu kommt, dass die Sickerwassermenge unter waldbepflanzten
Lysimetern mit zunehmendem Alter des Baumbestandes stark abnimmt (Aufwuchseffekte).
Daraus resultiert generell, auch bei der Betrachtung längerer Bilanzzeiträume, eine starke
Streuung der Sickerwasser-/Niederschlagsdaten.
Auch die aus den topographischen Karten gewonnenen Basisinformationen zur Flächennutzung
besitzen eine große Unschärfe, welche bei der Bewertung der Wasserüberschusswerte
berücksichtigt werden muss. Aus den Karten kann z.B. nicht abgelesen werden, wie alt der auf
der Karte ausgewiesene Baumbestand ist oder wie groß die Bestandsdichte. Es macht jedoch
in bezug auf die Verdunstung einen großen Unterschied aus, ob eine Fichtenschonung aus

- 52 -
2000 oder 4000 Bäumen pro ha besteht, oder ob die Bäume 2 oder 10 Jahre alt sind. Die daraus
entstehende Ergebnisbandbreite lässt sich allerdings ohne aufwendige Nutzungskartierungen
so gut wie nicht quantifizieren.
Tab. 3.10: Statistische Kennwerte der Wasserüberschussverteilungen bei Verwendung
unterschiedlicher Lysimetergeradengleichungen.
WÜ1 (Lysimetergl.
anderer Autoren
gem. Kap. 3.6)
WÜ2 (Lysimetergl.
nach DYCK &
CHARDABELLAS)
Diff. max zw. Zellen
von WÜ1 u.
WÜ2
Minimum [mm/a] 181,4 206,5 -110,1
Mittelwert [mm/a] 331,9 365,6 -33,7
Maximum [mm/a] 533,9 558,9 -0,3
Stdabw. [mm/a] 61,5 63,5 10,6
Stdabw. [%] 18,5 17,4 -31,5
Anzahl der Elemente in %
100
80
60
40
20
0
GWN_SEN5.WK3
0 2,5 5 7,5 10 15 17,5 20
Abweichung vom mittleren Wasserüberschuss in %
Abb. 3.13 Zusammenhang zwischen der Anzahl der Rasterelemente und der Höhe
der Abweichung zwischen beiden Wasserüberschussvarianten.

- 53 -
In der Abbildung 3.13 ist dargestellt, wie viel Rasterelemente des Modellgebietes betroffen
sind, wenn die in den Abb. 3.8-3.10 dargestellten Lysimetergleichungen verwendet werden.
Demnach überschreiten etwa 10,5% aller Elemente den Grenzwert von 10% des mittleren
Wasserüberschusses der Verteilung WÜ2 (vgl. Tab. 3.10) und 96,1% den 5%-Wert. Das bedeutet,
dass bei dieser Berechnungsvariante der Wasserüberschuss der meisten Rasterzellen
ca. 5-10% unterhalb derjenigen der Variante WÜ2 liegt. Größere Abweichungen treten nur untergeordnet
auf (s.o.).
Die Verwendung verschiedener Lysimetergeradengleichungen für ein und dieselbe Boden- und
Nutzungsart führt zu nicht unerheblichen Abweichungen im Ergebnis der einzelnen Berechnungsvarianten.
Die Frage, welche Lysimetergleichungen den hydrologischen Verhältnissen
näher kommen, kann ohne weiteres nicht beantwortet werden. Eine Fehlerbandbreite von 10%
muss in Kauf genommen und bei der Bewertung der Grundwasserneubildungsergebnisse im
Hinblick auf die wasserwirtschaftlichen Fragestellungen berücksichtigt werden. Man sollte generell
prüfen, ob es nicht sinnvoll ist, die mit Lysimeteranlagen ermittelten Lysimetergleichungen
mit Hilfe von Bodenwasserhaushaltsmodellen zu stützen. Ansätze hierzu finden sich z.B.
bei ALTHOFF et. al. (1995). Unter Beachtung des voran gesagten liegen den im weiteren vorgestellten
Grundwasserneubildungsberechnungen die Lysimetergleichungen von DYCK &
CHARDABELLAS (1963) zugrunde, welche auf einer Auswertung der Daten von 40 Lysimeteranlagen
mit bis zu 30 Jahre langen Zeitreihen beruhen.
Bei allen vorgestellten Bilanzgrößen handelt es sich um langjährige Mittelwerte. Das Grundwasserneubildungsmodell
arbeitet stationär, d.h. Speicheränderungen in Boden und Grundwasserleiter
bleiben unberücksichtigt. Letzteres ist jedoch für Wasserhaushaltsfragen relevant,
bei denen es um die zeitliche Änderung z.B. des Wassergehaltes des Bodenspeichers geht
(Schutz der Vegetation in Feuchtgebieten bei Eingriffen in den Wasserhaushalt). Bei der Lösung
solcher Fragen versagt der vorgestellte Modellansatz. Als Untersuchungsmethode würde
sich hier die klimatische Bodenwasserbilanzierung anbieten, wenngleich die für diese Methode
erforderliche Beschaffung von Boden-, Vegetations- und Klimadaten für größere Areale außerordentlich
aufwendig ist. Besonders die Extrapolation klimatologischer Daten auf größere Gebietsintegrale
ist mit großen Unsicherheiten bezüglich der Datengüte behaftet.
4. Ermittlung und Regionalisierung des mittleren langjährigen Oberflächenabflusses
Die Grundwasserneubildung errechnet sich aus der Differenz zwischen dem Wasserüberschuss
und dem oberirdischen bzw. oberflächennahen Abfluss Ao. Während sich der Wasserüberschuss
in der oben gezeigten Art und Weise flächendifferenziert ermitteln lässt, liegen
Abflussdaten nur als Einzugsgebietsintegrale vor, d.h. die an einen Pegelstandort aus der

- 54 -
Wasserstandskurve abgeleiteten Tagesmittelwerte des Abflusses beziehen sich auf die Gesamtheit
des oberirdischen Einzugsgebietes. Im Berechnungsgang zur Ermittlung der Grundwasserneubildung
war es erforderlich, den oberirdischen Abfluss auf die Rasterzellen des Untersuchungsgebietes
zu übertragen. Hierbei musste berücksichtigt werden, dass die Abflussspenden
der einzelnen Rasterzellen nicht gleich hoch sind. So ist der aus den Hochflächen mit
geringer Gewässernetzdichte stammende Anteil deutlich niedriger als derjenige aus Hangoder
Talflächen (vgl. DÖRHÖFER & JOSOPAIT 1980). Auch kommt es auf versiegelten Flächen
zu einem hohen Anteil an Direktabfluss, weil hier der Niederschlag, abgesehen von den
Benetzungs- und Muldenverlusten, unmittelbar über die Regenwasserkanalisation abgeführt
wird (vgl. Kap. 3.4).
Um den vorgenannten Prozessen Rechnung zu tragen, wurde das Grundwasserneubildungsmodell
mit einfachen, stationären Abflussmodellen gekoppelt. Die Abflussmodelle berechnen
für die Einzugsgebiete der Oberflächengewässer rasterzellenbezogen den langjährigen Oberflächenabfluss
in Abhängigkeit der Geländeformen und unter Berücksichtigung des Versiegelungsgrades
durch Überbauung. Im Rahmen der Modellierung wurde zunächst anhand der
Orographie und des Verlaufs des Gewässers ein Abflussschema erstellt, welches als Prinzipskizze
in der Abb. 4.1 dargestellt ist. Entsprechend den in der Abbildung dargestellten Pfeilen
fließt das Wasser aus dem Einzugsgebiet dem Gewässer zu, von einer Rasterzelle zur nächst
tiefergelegenen, aus dem Quellgebiet bis hinunter zur Mündung. Die Rasterzellen entsprechen
dabei in ihrer Lage und Größe denen des Grundwasserneubildungsmodells. Die Abflussberechnungen
wurden wieder mit Hilfe eines Tabellenkalkulationsprogrammes umgesetzt.
Nachstehend wird die Abflussmodellierung am Beispiel des oberirdischen Einzugsgebietes der
Bilsbek für den Pegel Ranzel erläutert. Die Anlage 20.1 zeigt das vereinfachte Abflussschema
dieses Gewässers, welches bereits in ein Arbeitsblatt der Tabellenkalkulation umgesetzt ist.
Alle dargestellten Zellen sind kaskadenartig miteinander verbunden. Die Zahlen stellen zellenbezogene
Abflüsse in l/s dar. Von Nordwest nach Südost steigt der Abfluss stetig an. Im Rahmen
der Modellbelegung werden die Zellen nun solange mit einem Abfluss beaufschlagt, bis im
Rasterelement M21 (Pegel Ranzel) der dort gemessene Oberflächenabfluss von 271 l/s erreicht
wird. In diesem Arbeitsblatt ist eine Differenzierung nach Geländemorphologie noch nicht
vorgenommen. Die Aneinanderreihung hoher Zellabflüsse spiegelt den Verlauf der Bilsbek wider.
Der Oberflächenabfluss verteilt sich jedoch nicht gleichmäßig auf das Einzugsgebiet. Dieses
würde nämlich bedeuten, dass aus hochgelegenen Teilgebieten, die keine perennierenden
Gewässer aufweisen, gleichviel abfließen würde wie z.B. aus Talauen, die sich in der topographischen
Karte durch eine Vielzahl von Gewässerarmen, Drängräben usw. auszeichnen. Gebiete
mit hoher Reliefenergie weisen ebenfalls deutlich höhere Abflussspenden auf als die
Hochlagen. Aus diesem Grund wurden nun im Untersuchungsgebiet in Anlehnung an das Verfahren
von DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) drei Geländeeinheiten gegeneinander abge-

- 55 -
Abb. 4.1 Abflussschema eines oberirdischen Gewässers. Die Größe der einzelnen
Rasterelemente beträgt 500x500m. Sie entsprechen in Lage
und Größe denen des Grundwasserneubildungsmodells.
grenzt und ihnen, ihrer hydrologischen Charakteristik entsprechend, unterschiedliche Abflussspenden
zugewiesen. Es sind dies:

- 56 -
Reliefener-giestufe Gefälle in m/km² Abfluss Ao in %
vom Talauenabfluss
[nA]
Talauen entspr. 5 meist < 5 100
Hangflächen 2,5 >10-50 56
Hochflächen 1,5

- 57 -
gabewert: 260 l/s; vgl. Anl. 20.1). Für die zellenbezogene Berechnung des Abflusses ergab
sich nun:
Ao Zelle = Fproz.Tal · nA Tal · Az + Fproz.Hang · nA Hang · Az +
Fproz.Hoch · nA Hoch · Az
(N - Ev) × FVeff ist im Grundwasserneubildungsmodell implementiert.
mit: Fproz.Tal/Hang/Hoch : Prozentualer Anteil an Hoch-, Hang- und Talflächen
nA Tal/Hang/Hoch : relativer Abflussanteil aus Tal- Hang- und Hochflächen, bezogen
auf den Talflächenabfluss
Az : "Abfluss pro Zelle"; dieser Zellenabfluss wird im Rahmen der
Abflussmodellierung so lange variiert, bis der Vorgabewert an
der Pegelzelle erreicht ist.
(N - Ev) × FVeff : Oberflächenabfluss aus versiegelten Flächen (entspr. dem
Wasserüberschuss)
In der obigen Gleichung sind die Fproz.Tal/Hang/Hoch-Werte einschließlich des nA-Verhältnisses für
jede Zelle des Abflussmodells aus Karten oder Literatur abgeleitete Größen. Der singuläre Az-
Wert hingegen, mit dem alle Zellen des Abflussmodells verbunden sind, kann nicht ohne weiteres
bestimmt werden. Hierzu ist eine Zielsuche-Operation, welche im Tabellenkalkulationsprogramm
implementiert ist, erforderlich. Analog zum Arbeitsblatt A (Anl. 20.1) sind im Arbeitsblatt
B (Anl. 20.2) ebenfalls alle Abflusszellen kaskadenartig miteinander verknüpft, so dass der
höchste Abfluss am simulierten Pegel (Asim.Pegel: Zelle M21, dunkles Feld) zu finden ist.
Asim.Pegel = Σ Ao Zelle
Dieser Az -Wert, welcher in der Anlage 20.2 links oben zu finden ist, wird nun vom Programm
solange iterativ variiert, bis der simulierte Pegelabfluss Asim.Pegel mit dem für die Messstelle ermittelten
Vorgabewert, hier 260,3 l/s, übereinstimmt, d.h. mit Hilfe des Az-Wertes wird jede Zelle
solange mit einer Wassermenge beaufschlagt, bis die Summe der Zellenabflüsse dem Vorgabewert
entspricht.
Mit Hilfe der Zielsuche-Operation wird also im Arbeitsblatt B ein Az-Wert ermittelt, welcher dann
im Arbeitsblatt C unter Berücksichtigung der prozentualen Tal-, Hang- und Hochflächenanteile
(Arbeitsblatt D: Anl. 20.4) und dem relativen Abflussanteil nA die jeweiligen Zellabflüsse in l/s
liefert (Anl. 20.3). Im Arbeitsblatt E (Anl. 2.5), auf welches das Grundwasserneubildungsmodell
zurückgreift, werden diese Abflussmengen in die Einheit mm/a umgerechnet (Anl. 20.5).

- 58 -
4.1 Hydrologie der im Untersuchungsgebiet vorhandenen Oberflächengewässer
Die vorgenannte Abflussmodellierung wurde für alle im Untersuchungsgebiet vorhandenen Abflusspegel
durchgeführt. Auf die Darstellung der Methoden zur Umrechnung der an den Pegeln
gemessenen Wasserstandsdaten in Abflüsse soll an dieser Stelle nicht eingegangen werden,
weil dieses bereits bei OTTO (1997, www.nuis.landsh.de) geschehen ist. Eine
Übersicht zu den im Untersuchungsgebiet vorhandenen Pegelanlagen liefert die Tab. 4.1. Ihre
Lage ist der Abb. 4.2 zu entnehmen. Insgesamt wurden für die vorliegenden Untersuchungen
Daten von 15 gewässerkundlichen Pegeln ausgewertet. Die Pegel sind integriert in den allgemeinen
gewässerkundlichen Dienst Schleswig-Holsteins und werden betreut vom Staatlichen
Umweltamt Itzehoe. Alle Abflusszeitreihen wurden für den Bilanzzeitraum von 1980-1991 erstellt.
Die Daten neuerer Pegel wurden mit denen von länger laufenden korreliert, so dass
durch Extrapolation der Datenreihen zumindest Abflussschätzwerte für den o.a. Zeitraum errechnet
werden konnten. In der Tab. 4.1 sind die Baujahre der Pegel aufgeführt, aus denen
der Grad der Datenextrapolation abgeleitet werden kann.
Tab. 4.1: Mittlere Abflüsse der im Untersuchungsgebiet Südwest-Holstein vorhandenen
Abflusspegel für den Bilanzzeitraum von 1980-1991. Die Auftrennung
des Gesamtabflusses in einen oberirdischen und einen grundwasserbürtigen
Anteil erfolgte nach KILLE (1970).
Gewässer Pegel/Baujahr Größe MQ Mq Au Au Ao Ao
[in km²] [m³/s] [mm/a] [m³/s] [mm/a] [m³/s] [mm/a]
Düpenau Halstenbek
(1983)
43,00 0,478 351 0,270 198 0,208 153
Pinnau Hohenhorst
(1984)
33,30 0,409 387 0,144 136 0,265 251
Pinnau Renzel (1979) 73,30 0,922 397 0,456 196 0,466 200
Pinnau Hindenburgdamm
(1987)
101,00 1,411 441 0,680 212 0,731 228
Offenau Offenseth (1988) 10,20 0,121 374 0,032 98 0,089 276
Bilsbek Ranzel (1983) 30,70 0,425 437 0,154 158 0,271 278
Rugenwedelsau Wendlohe (1979) 9,20 0,104 356 0,054 185 0,050 171
Mühlenau Rellingen (1980) 75,00 0,713 300 0,281 118 0,432 182
Holmau Holm (1995) 12,70 0,112 278 0,070 174 0,042 104
Appener Au Appen (1995) 14,10 0,165 369 0,092 206 0,073 163
Ekholter Au Ekholt (1995) 7,26 0,106 460 0,034 148 0,072 313
Ekholter Au Kölln (1995) 35,03 0,365 329 0,104 94 0,261 235
Krückau Langeln (1995) 38,30 0,397 327 0,242 199 0,155 128
Krückau A 23 (1995) 130,00 Durch einen Gerätedefekt liegt nur eine lückenhafte Datenreihe vor.
Krückau Bokholter
Mühle (1983)
132,00 1,550 370 0,840 201 0,710 170

Kreis
Steinburg
Holmau
Niedersachsen
Pinnau
Elmshorn
Kreis
Pinneberg
C:\DATEN\SURFDAT\PINNEBRG\Ao_GEG.SRF
Offenau
Bokholter
Mühle
A 23
Holm
Offenseth
Kölln
Appen
Ekholt
Bilsbek Ranzel
Düpenau
- 59 -
Langeln
Krückau
Pinnau
Halstenbek
Abb. 4.2: Lage der Gewässerpegel und deren oberirdische Einzugsgebiete im
Untersuchungsgebiet Südwest-Holstein (vgl. auch Karte 2 in der Anlage).
Der Pegel Halstenbek an der Düpenau liegt an die Südgrenze des Untersuchungsgebietes und
mündet von Süden her in die Mühlenau (vgl. Abb. 4.2). Die Abflussdaten der Düpenau wurden
benötigt, um den oberirdischen Zustrom in das Untersuchungsgebiet quantifizieren zu können.
Entlang der Pinnau, die den Osten und Süden des Gebietes entwässert, werden drei Pegel
betrieben. Der Pegel Hohenhorst liegt im Nordosten des Gebietes, der Pegel Renzel im Osten
westlich von Quickborn und der Pegel Hindenburgdamm in Pinneberg selbst. Letzterer wird als
Wasserstandpegel betrieben und befindet sich im tidebeeinflussten Bereich des Untersuchungsgebietes,
so dass für diesen Teil des Einzugsgebietes der Pinnau die Abflüsse nur abgeschätzt
werden konnten (LANDESAMT FÜR NATUR UND UMWELT 1998). Aus den vorgenannten
Gründen waren auch im Unterlauf der Pinnau Abflussmessungen mit gewässerkundlichen
Pegelanlagen nicht möglich. Hier wurden die langjährigen Abflussspenden aus den Untersuchungsbefunden
der umliegenden Pegel übernommen.
Pinnau
Renzel
Hindenburgdamm
Rellingen
Elbe
Hohenhorst
Kreis
Segeberg
Wendlohe
Kreis
Steinburg
Freie und Hansestadt
Hamburg
Legende
Grenze des Gesamtuntersuchungsprogrammes
Grenze des Untersuchungsgebietes
Kreisgrenze
Pegeleinzugsgebiete

- 60 -
Das Einzugsgebiet der Offenau am Pegel Offenseth liegt ausserhalb des Untersuchungsgebietes
nordwestlich von Barmstedt. Ihre Abflussdaten wurden in die Untersuchungen einbezogen,
um den nördlichen Zustrom von Oberflächenwasser in das Untersuchungsgebiet abschätzen
zu können. Diese Abflussschätzwerte wurden auf den nicht mit Pegeln abgedeckten Nordwestteil
des Gebietes übertragen. Gleiches gilt für die Rugenwedelsau, die von Südosten in
das Untersuchungsgebiet hineinfließt. Die Pegel Holm und Appen (Holmau/Appener Au) erschließen
hydrologisch den südwestlichen Anschlussbereich des Untersuchungsgebietes. Die
Bilsbek entwässert den zentralen Teil des Untersuchungsgebietes. Ihr Quellgebiet liegt im Bereich
des Himmelmoores, westlich von Quickborn. Der Pegel Ranzel befindet sich etwa 4 km
oberhalb der Mündung in die Pinnau. Im Südosten wird das Abflussgeschehen am Pegel Rellingen
(Mühlenau) erfasst. Das Abflussgeschehen im Westen wird durch zwei Pegel an der Ekholter
Au (Ekholt/Kölln) aufgezeichnet, der Nordbereich wird mit drei Pegeln an der Krückau
abgedeckt (Abb. 4.2). Wie beim Pegel Hindenburgdamm konnten für den Pegel „Bokholter
Mühle“ nur Schätzwerte ermittelt werden, da die Krückau an dieser Stelle durch Aufstau zeitweilig
beeinflusst ist. Am Pegel Langeln wird wiederum der nordöstliche Einstrom in das Untersuchungsgebiet
erfasst.
Tab. 4.2: Dateinamen zur Abflussmodellierung im Untersuchungsraum Südwest-
Holstein.
Modell zum
oberirdischen Abfluss unterirdischen Abfluss Gewässer Pegel
ABL_APPEN.WK3 AU_APPEN.WK3 Appener Au Appen
ABL_BILS.WK3 AU_BILS.WK3 Bilsbek Ranzel
ABL_EKH1.WK3 AU_EKH1.WK3 Ekholter Au Ekholt
ABL_EKH2.WK3 AU_EKH2.WK3 Ekholter Au Kölln
ABL_HOLM.WK3 AU_HOLM.WK3 Holmau Holm
ABL_KRÜ1.WK3 AU_KRÜ1.WK3 Krückau Langeln
ABL_KRÜ2.WK3 AU_KRÜ2.WK3 Krückau Bokholter Mühle
ABL_MÜHL.WK3 AU_MÜHL.WK3 Mühlenau Rellingen
ABL_OFFE.WK3 AU_OFFE.WK3 Offenau Offenseth
ABL_PIN1.WK3 AU_PIN1.WK3 Pinnau Hohenhorst
ABL_PIN2.WK3 AU_PIN2.WK3 Pinnau Renzel
ABL_PIN3.WK3 AU_PIN3:WK3 Pinnau Hindenburgdamm
ABL_PIN4.WK3 AU_PIN4.WK3 Pinnau ohne Pegel*)
Steuerdateien:
- AO_KALKH.WK3: tabellarische Zusammenstellung der oberirdischen Abflüsse
- AU_KALK.WK3: tabellarische Zusammenstellung der unterirdischen Abflüsse
*) Die Abflussspenden der umliegenden Einzugsgebiete werden übertragen

- 61 -
Die Abflussmodelle der einzelnen Gewässer befinden sich auf dem Datenträger in der Anlage.
Die Dateinamen sind nachstehend aufgeführt (Tab. 4.2). In Analogie zum Oberflächen- und
oberflächennahen Abfluss wurde auch der unterirdische und der Gesamtabfluss modellmäßig
erfasst. Im Gegensatz zum oberflächennahen Abflussgeschehen wurde der grundwasserbürtige
Abfluss nur für Rasterelemente zugelassen, die Talflächenanteile enthielten. Die zugehörigen
Dateinamen sind ebenfalls unten aufgeführt, darüber hinaus die Dateien, welche die Abflussmodellierung
steuern. Die Dateien sind mit dem Grundwasserneubildungsmodell
(GWN_0795.WK3) in Form von Zelladressenverknüpfungen verbunden. Bei etwaigen Änderungen
wird das Grundwasserneubildungsmodell automatisch dann aktualisiert, wenn alle Dateien
gleichzeitig im Rechnerspeicher stehen. Ansonsten muss dieses über eine Option im Tabellenkalkulationsprogramm
vorgenommen werden.
4.2 Die rasterzellenbezogene Abflussverteilung
Die rasterelementbezogenen Abflüsse der Abflussmodelle wurden im Arbeitsblatt K des
Grundwasserneubildungsmodells abgelegt. Es handelt sich um zwei Abflussverteilungen. In der
Anlage 21.1 ist die Verteilung ohne die Abflüsse aus versiegelten Flächen dargestellt. Der Gebietsmittelwert
liegt bei 198 mm/a. Die zweite Abflussverteilung (Mittelwert 233 mm/a) schließt
zudem die Abflüsse aus den versiegelten Flächen ein (vgl. Anl. 21.2). Letztere wurden im Arbeitsblatt
G der Grundwasserneubildungsdatei (vgl. Anl. 8b) berechnet. Die regionale Verteilung
der oberirdischen und oberflächennahen Abflüsse ist in der Abb. 4.3 schematisch dargestellt.
Die Abflussverteilung mit kartographischem Hintergrund findet sich auf der Karte 3 in der
Anlage. Mit blauer Farbe sind Bereiche mit hohen Abflüssen gekennzeichnet, mit roter Farbe
diejenigen mit geringen. Darüber hinaus ist das Netz der Rasterzellen abgebildet.
Bereiche mit hohen Abflüssen finden sich demnach entlang der Oberflächengewässer, vor al-
lem in den Talauen. Besonders die Pinnau und die Bilsbek fallen durch hohe Abflussspenden
auf. Auf den topographischen Karten sind diese Bereiche durch eine Vielzahl von Drängräben
zu erkennen. Darüber hinaus werden die beiden großen Moorareale, das Himmelmoor im Zen-
tralbereich des Untersuchungsgebietes sowie das Liether Moor im Westen in der Abflussver-
teilung nachgezeichnet. Hohe Abflussspenden sind ebenfalls im Bereich der Ortschaften Pin-
neberg, Tornesch, Barmstedt und Quickborn zu verzeichnen. Letzteres ist auf die hohe Ober-
flächenversiegelung zurückzuführen.
In orographischen Hochlagen nordwestlich und südwestlich von Quickborn, aber auch im Be-
reich kleinerer Geestrücken westlich von Barmstedt sowie südöstlich von Uetersen fallen die
Abflussspenden deutlich geringer aus. Erkennbar ist dieses in der Abb. 4.3 und auf Karte 3 an
den hellroten Farbtönen.

Elmshorn
Krückau
Pinnau
N
Offenau
graben
Ohrbrooks-
Uetersen
Tornesch
Eckholter Au
C:\DATEN\SURFDAT\PINNEBRG\Ao_PLOT.SRF
App en er Au
Barmstedt
- 62 -
Krückau
Abb. 4.3: Verteilung des oberirdischen und oberflächennahen Abflusses im Untersuchungsgebiet
Südwest-Holstein. Gleichzeitig ist das Netz der Rasterelemente
abgebildet.
Insgesamt zeichnet sich das Untersuchungsgebiet im Vergleich mit anderen Landesteilen durch
hohe Abflussspenden aus. Dieses ist darauf zurückzuführen, dass vor allem in den südwestli-
chen und westlichen Gebietsteilen das Geländeniveau niedrig ist bei gleichzeitig sehr geringem
Grundwasserflurabstand. Das Niederschlagswasser fließt daher unmittelbar oberflächennah ab
(Direktabfluss) oder über kurze Grundwasserpfade dem Vorfluter zu.
Bilsbek
Pinneberg
Vielmoor
Düpenau
Pinnau
Bek
Quickborn
Beckenbach
Mühlenau
Ao_plot.srf
Ebach
Gronau
Pinnau
Rugen-
wed elsau
Moorbek

- 63 -
Die niedrige orographische Höhe bewirkt eine Druckentlastung auch in bezug auf das tiefere
Grundwasser. Die Vorfluter werden daher nicht nur aus dem oberflächennahen Grundwasser
angeströmt, sondern auch aus den tieferen quartären und tertiären Wasserleitern. Ein Blick auf
die topographische Karte verdeutlicht dieses (vgl. Abb. 1.2). Das Exfiltrationsgebiet ist durch
eine hohe Dichte des Gewässernetzes gekennzeichnet. Eine Vielzahl von Drängräben cha-
rakterisieren das Gebiet.
5. Die Ermittlung der Grundwasserneubildungsrate als Differenz zwischen Wasserüberschuss
und oberirdischem Abfluss
Die im Arbeitsblatt L der Datei GWN_0795.WK3 dargestellte Grundwasserneubildungsverteilung
(vgl. Anl. 22) errechnet sich als Differenz zwischen dem zellenbezogen ermittelten Wasserüberschuss
und der oberirdischen Abflussspende einer jeden Rasterzelle:
GWNZelle = WÜZelle - Ao Zelle [mm/a]
Große Grundwasserneubildungsraten ergeben sich für Rasterelemente mit überwiegend sandigen
Deckschichten und Acker-/Grünlandnutzung. Dort ist die mittlere Jahresverdunstung vergleichsweise
niedrig und der Wasserüberschuss demzufolge hoch. In Gebieten mit hohem
Oberflächenabfluss und geringem Grundwasserflurabstand, z.B. in Tälern und Niederungen,
sind die Grundwasserneubildungsraten hingegen niedrig bis hin zu negativen Wasserbilanzen,
d.h. Verdunstung und Oberflächenabfluss sind größer als der Niederschlag. Die mittlere
Grundwasserneubildungsrate im Untersuchungsgebiet Südwest-Holstein betrug im o.a. Bilanzzeitraum
132 mm/a. Dieses sind 16,4 % des mittleren Jahresniederschlags. Der höchste Wert
liegt bei 419 mm/a (51,8% von N).
Die regionale Verteilung der Grundwasserneubildung ist in der Abb. 4.4 sowie auf der Karte 4
der Anlage dargestellt. Niedrige Grundwasserneubildungsraten finden sich demnach entlang
der Fließgewässer. Besonders wären hier die Pinnau, die Bilsbek sowie der Unterlauf der
Krückau zu nennen. Bei geringen Grundwasserflurabständen ist die Verdunstung hoch, da die
Pflanzen ganzjährig, also auch in Trockenperioden, ausreichend mit Wasser versorgt sind (hohe
Transpirationsraten). Hinzu kommt, dass der Niederschlag, der zur Versickerung gelangt
und dem oberflächennächsten Grundwasser zugeht, auf kurzen Wegen wieder aus dem System
herausgeführt wird, z.B. über Dräns. Niedrige Grundwasserneubildungsraten sind darüber
hinaus auch für das Himmelmoor im Zentrum des Untersuchungsgebietes sowie für das
Liether Moor im Westen zu verzeichnen (rote Bereiche in der Abb. 4.4, Karte 4).

- 64 -
Die sandigen Geestrücken zwischen den Oberflächengewässern weisen mit 100-150 mm/a
Grundwasserneubildungsraten auf, die etwa dem Gebietsmittelwert entsprechen. Es sind dies
die Bereiche zwischen der Pinnau und Bilsbek, sowie zwischen der Bilsbek und der Ekholter
Au. Auch nördlich der Krückau sind Grundwasserneubildungsraten bis zu 150 mm/a zu beobachten.
Elmshorn
Krückau
Pinnau
N
Offenau
graben
Ohrbrooks-
Uetersen
C:\DATEN\SURFDAT\PINNEBRG\GWN_PLOT.SRF
Tornesch
Eckholter Au
App en er Au
Barmstedt
Bilsbek
Pinneberg
Vielmoor
Düpenau
Pinnau
Bek
Krückau
Quickborn
Beckenbach
Mühlenau
Ebach
Gronau
Pinnau
Rugen-
wed elsau
Abb. 4.4: Verteilung der langjährigen Grundwasserneubildungsrate im Untersuchungsgebiet
Südwest-Holstein (Bilanzzeitraum 1980-1991). Gebiete
mit geringer Grundwasserneubildung besitzen eine rote Flächenfarbe,
Gebiete mit hoher Grundwasserneubildung sind blau gekennzeichnet.
Moorbek

- 65 -
Das Hauptregenerationsgebiet des Grundwassers liegt östlich der Pinnau sowie in deren
Oberlauf. Hier werden Grundwasserneubildungsraten von über 300 mm/a erreicht. Gleiches
gilt für den Südwestrand des Untersuchungsgebietes. Es handelt sich um sandige Hochlagen,
die meist ackerbaulich genutzt werden.
Der Habitus der Grundwasserneubildungsverteilung im Untersuchungsgebiet lässt auch Rückschlüsse
auf den oberflächennahen Wasserkreislauf zu. Es deutet sich an, dass die Fließwege
von der Grundwasserneubildung bis hin zum Abfluss in den Oberflächengewässern kurz sind.
Der Hauptteil des neugebildeten Grundwassers strömt auf kurzem Wege den Vorflutern zu.
Diese Wässer nehmen also am großräumigen Wasserkreislauf nicht teil.
Zur Einordnung der für das Modellteilgebiet abgeschätzten Grundwasserneubildungswerte
sind nachfolgend die Erkenntnisse von Untersuchungen aus anderen Teilen Norddeutschlands
aufgeführt. DÖRHÖFER & JOSOPAIT (1980) berechnen für das Einzugsgebiet der Hase am
Pegel Herzlake, nordöstlich Lingen/Ems, eine langjährige Grundwasserneubildungsrate von
177 mm/a. ALTMANN & BÜNZ (1971) stellen für das Einzugsgebiet der Böhme, Lüneburger
Heide, unter Anwendung des Verfahrens nach NATERMANN (1958) folgende Wasserbilanz
auf: Niederschlag 807 mm/a, Gesamtabfluss 405 mm/a, oberirdischer Abfluss 117 mm/a,
Grundwasserneubildung (= unterirdischer Abfluss Au) 288 mm/a. Nach FRIEDRICH (1961) liegen
die Sickerwasserraten für sandige Standorte mit Acker- und Grünlandnutzung bei 271-
307 mm/a, für Bereiche mit feinsandigem Lehm bei 142-186 mm/a. Diese Befunde entsprechen
denen von EINSELE (1978), der für einen schleswig-holsteinischen, sandig-kiesigen Grundwasserleiter
eine Grundwasserneubildung von 240-360 mm/a angibt. EINSELE weist hierbei
explizite darauf hin, dass die Höhe der Grundwasserneubildung neben Klimafaktoren hauptsächlich
von der Vegetation und der Art und Mächtigkeit der Deckschichten abhängt. SCHULZ
(1972, 1973) bestimmt die Grundwasserneubildungsrate aus dem Verhältnis vom Chloridgehalt
des Niederschlages und dem des Grundwassers:
(N - Ao) · [Cl - N]
GWN = —————————
[Cl - G]
mit N = Niederschlag (mm/a)
Ao = Oberirdischer Abfluss (mm/a)
[Cl - G] = Konzentration der Chloride im Grundwasser (mg/l)
[Cl - N] = Konzentration der Chloride im Niederschlag (mg/l)
Für den Segeberger Forst, einer saaleeiszeitlichen mit Nadelwald bestandenen Sanderfläche
nordöstlich des Untersuchungsgebietes, errechnete er so für die Jahre 1971-1973 eine Rate
vom 191 mm/a. Die Niederschlagshöhe betrug hierbei 663 mm/a und war damit deutlich niedriger
als das langjährige Mittel. Ausgehend von einer langjährigen Niederschlagshöhe von 800
mm/a schätzt er die mittlere Grundwasserneubildung auf 240 mm/a. Für zwei weitere Testflächen,
die vornehmlich ackerbaulich oder in Form von Grünland genutzt wurden, gibt er Grundwasserneubildungsraten
von 360 und 130 mm/a an. Im ersten Fall handelt es sich um ein

- 66 -
Sandgebiet nahe Neumünster, im zweiten Fall um ein Moränengebiet in der Nähe von Bad
Bramstedt. Die Zahlen machen deutlich, dass sowohl die Flächennutzung als auch die Art und
Verbreitung der geologischen Deckschicht die Höhe der Grundwasserneubildung maßgeblich
beeinflussen. Die Bandbreite der o.a. Grundwasserneubildungsraten entspricht der im Rahmen
dieser Untersuchung gefundenen.
6. Gebietswasserbilanz für das Untersuchungsgebiet Südwest-Holstein
Die Anlage 23 liefert eine Zusammenstellung der Untersuchungsergebnisse. Sie umfasst die
mittleren Systemeigenschaften des Untersuchungsgebietes, d.h. den Deckschichtaufbau einschließlich
Flächennutzung, den Anteil an grundwasserbeeinflussten Flächen, die Bilanzgrößen
des Wasserhaushalts sowie die langjährigen Grundwasserentnahmen als Gebietssumme.
Die Gesamtgröße des modellierten Untersuchungsgebietes beträgt bei 1089 Rasterelementen
der Größe von 500x500 m 272,25 km². Der in die hydrologische Analyse einbezogene Teil des
Untersuchungsgebietes lag bei etwa 400 km².
32,0% der Sandflächen werden mit Ackerbau und Grünland genutzt. Dieses entspricht einer
Fläche von 87,0 km². Sandgebiete mit Waldnutzung nehmen nur 2,0% der Fläche ein, entsprechend
5,5 km². Der Anteil an Lehmböden (i.w.S.) beträgt 60,1%, wobei 148,2 km² mit Ackerbau
und Grünland, 15,3 km² mit Wald genutzt werden. Durch urbane Überbauung sind 15,1 km²
versiegelt, offene Wasserflächen nehmen 1,1 km² ein.
Flächen mit geringem Grundwasserflurabstand nehmen 23,0% der Flächen des Untersuchungsgebietes
ein. Da hier der Pflanzenbestand ganzjährig ausreichend mit Wasser versorgt
ist, erhöht sich dadurch die durchschnittliche Verdunstungsrate des Gesamtgebietes um 20,7
mm/a.
Gemäß der nachstehend aufgeführten Wasserhaushaltsgleichung ergibt sich für das Untersuchungsgebiet
in seiner Gesamtheit folgende Wasserbilanz (vgl. Tab. 4.3):
N = E + Ao + Au + QE + R

- 67 -
Tab. 4.3: Überschlägige Gebietswasserbilanz des Untersuchungsraumes Südwest-Holstein
für den Zeitraum von 1980 bis 1991.
N mittlerer Gebietsniederschlag 807 mm/a
A o mittlere Abflussspende 233 mm/a
WÜ mittlerer Wasserüberschuss 366 mm/a
E mittlere Evapotranspiration (E=N-WÜ) 441 mm/a
GWN mittlere Grundwasserneubildungsrate 132 mm/a
A u mittlere Abflussspende 197 mm/a
Q E Grundwasserentnahmen 28 mm/a
R Bilanzrest -92 mm/a
Der mittlere Gebietsniederschlag im o.a. Bilanzzeitraum beträgt 807 mm/a. Zieht man davon
den nach JOSOPAIT & LILLICH (1975) errechneten Wasserüberschuss (WÜ) von 366 mm/a
ab, resultiert daraus eine Verdunstungshöhe von 441 mm/a. Der anhand der Abflusspegel ermittelte
oberirdische bzw. oberflächennahe Abfluss beträgt 233 mm/a, so dass sich für die
Grundwasserneubildungsrate als Differenz zwischen WÜ und Ao ein Wert von 132 mm/a ergibt.
Im Untersuchungsgebiet werden 28 mm/a für die Trink- und Brauchwasserversorgung genutzt
(Tab. 4.3). Bezogen auf die Grundwasserneubildungsrate sind dies etwa 21 %.
Der Grundwasserabfluss in die Vorfluter beträgt 197 mm/a und ist damit um 65 mm/a höher als
die Grundwasserneubildungsrate. Dieses ist darauf zurückzuführen, dass nicht nur das innerhalb
des modellierten Bereichs neugebildete Grundwasser in die Vorfluter übertritt, sondern
auch tieferes Grundwasser aus den tertiären Grundwasserleitern und pleistozänen Rinnen, deren
Nährgebiete ausserhalb des Untersuchungsgebietes zu suchen sind. Darüber hinaus sei
darauf hingewiesen, dass besonders das Bilanzglied Abfluss eine hohe Schätzbandbreite besitzt,
die ihre Ursache in der lückenhaften Datengrundlage hat. Viele Abflusszeitreihen konnten
nur durch Korrelation von Abflussdaten mit anschließender Extrapolation auf den o.a. Bilanzzeitraum
zusammengestellt werden. Auch ist nicht immer sichergestellt, ob die Auftrennung des
am Pegel ermittelten Gesamtabflusses nach dem KILLE-Verfahren zulässig ist.
Für die Grundwasserbewirtschaftung spielen nicht nur die o.a. quantitativen Aspekte eine Rolle.
Die Gewinnbarkeit des Grundwassers wird vielmehr durch Restriktionen eingeschränkt,
welche sich aus der Grundwasserbeschaffenheit ergeben. So befinden sich innerhalb des
Untersuchungsgebietes viele Baumschulen, von denen eine Gefährdung des oberflächennahen
Grundwassers durch verstärkten Einsatz von Pflanzenbehandlungsmittel ausgeht. Darüber
hinaus ist Grundwasserversalzung durch den Aufstieg salzhaltiger Tiefenwässer zu beobachten,
wie sie in ganz Norddeutschland im Bereich von Druckentlastungszonen vorkommt. Wird
eine Grundwasserentnahme in ein solches Gebiet platziert, führt die zusätzliche entnahmebe-

- 68 -
dingte Potentialabsenkung zu einer Beschleunigung des Salzwasseraufstiegs. Die entnahmebedingte
Verlagerung der Salzwasser-/Süßwassergrenze nach oben macht die Nutzung der
Süßwasservorkommen zunichte und ist daher nicht zulässig.
7. Zusammenfassung
Das Grundwasseruntersuchungsprogramm Südwest-Holstein hat zum Ziel, gesicherte Erkenntnisse
über die Größe und Verteilung des Grundwasserdargebotes zu erhalten, Grundwasserneubildung-
und -ergänzungsprozesse zu erfassen und die örtlich differenzierte Grundwasserneubildungsrate
zu ermitteln. Hierzu galt es, ein Verfahren zu finden, welches eine flächendifferenzierte
Berechnung für größere Gebiete mit vertretbarem Arbeitsaufwand zulässt.
Geeignet erschien der Ansatz von JOSOPAIT & LILLICH (1975) in der Weiterentwicklung von
OTTO (1992), nach welchem für bestimmte Boden- und Nutzungsarten zunächst der Wasserüberschuss
des Untersuchungsraumes bestimmt wird. Dieser Wasserüberschuss ist derjenige
Anteil des Niederschlages, der weder oberirdisch abfließt noch verdunstet. Da die Grundwasserneubildungsrate
die Differenz zwischen Wasserüberschuss und oberirdischem Abfluss
ist, war in einem weiteren Schritt die örtliche Verteilung des oberirdischen Abflusses zu ermitteln.
Für die Erfassung und rechnerische Verarbeitung aller Eingangsdaten wurde das Untersuchungsgebiet
zunächst in Rasterelemente zerlegt. Bei einer Anzahl von insgesamt 1089 Rasterelementen
á 500x500 m betrug die Gebietsgröße 272,25 km². Die Berechnungen erfolgten
zellenbezogen in Form einer Zahlenmatrix mit einem 3D-Tabellenkalkulationsprogramm, welches
auf einfache Art und Weise die rechnerische Verknüpfung mehrerer Arbeitsblätter wie
auch mehrerer Dateien erlaubt. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass bei jeder Änderung
der Ausgangsdaten (z.B. Niederschlagsverteilung, Flächennutzung, Abflussverteilung,
Verdunstungswerte, Funktionsgleichungen der Lysimetergeraden u.a.) die Grundwasserneubildungsrate
in ihrer örtlichen bzw. regionalen Verteilung vom Programm unmittelbar neu berechnet
wird.
Das Untersuchungsgebiet liegt zwischen den ausgedehnten Sanderflächen um Neumünster
und Bad Bramstedt im Norden und den Elbmarschen im Süden. Die Saaleeiszeit (Drenthe-
Stadium) hat hier eine mächtige Grundmoräne hinterlassen, die oberflächennah im ganzen
Untersuchungsgebiet zu finden ist. Die jüngeren Eisvorstöße der Saaleeiszeit erreichten das
Untersuchungsgebiet nicht mehr. Sie hinterließen jedoch glazifluviatile Sedimente, die z.T.
recht grobkörniger Natur sind und die Drenthemoräne vielerorts überdecken. Besonders im
Osten des Untersuchungsgebietes, im Dreieck Quickborn - Norderstedt - Hennstedt-Rhen, erreichen
die saaleeiszeitlichen Sandersande eine Mächtigkeit von bis zu 30 m (SCHEER, 1995).
Als das weichseleiszeitliche Inlandeis abschmolz, flossen die Schmelzwässer in den Tälern in

- 69 -
Richtung auf das Elbeurstromtal. Als Relikt finden sich daher im Pinnau-, Bilsbek- sowie im
Krückautal Schmelzwasserablagerungen in Form von Niederterrassen. Charakteristisch für das
Untersuchungsgebiet sind auch ausgedehnte Niedermoore, die allerdings heute zu Großteil
dräniert sind. Besonders hervorzuheben wären hier das Himmelmoor westlich von Quickborn
sowie das Liether Moor östlich von Elmshorn.
Zur Berechnung der Grundwasserneubildung wurden Kenntnisse über den Aufbau der oberflächennahen
Schichtenfolge und Böden, über die Nutzungsarten, den oberflächen- und oberflächennahen
Abfluss sowie den Gebietsniederschlag benötigt. Es wurde hierbei nur zwischen
sandigen und lehmigen Bodenarten unterschieden. Die Flächennutzung (i.w.S.) wurde in vier
Gruppen unterteilt. Die erste Gruppe enthält ackerbaulich genutzte Gebiete, Gartenflächen und
Grünland, die zweite Waldgebiete, die dritte versiegelte Flächen und die vierte offene Wasserflächen.
Der Wasserüberschuss ist in Verbreitungsgebieten von Sandböden mit Acker und
Grünland am höchsten, da die Verdunstung vergleichsweise gering ist und zudem der Niederschlag
schnell versickern kann. In Gebieten mit Lehmböden und Waldnutzung hingegen ist der
Wasserüberschuss am geringsten, da die nutzbare Feldkapazität solcher Böden größer ist und
somit versickertes Niederschlagswasser den Pflanzen länger zur Verfügung steht. Hinzu
kommt, dass die Verdunstungsrate im Bereich von Wäldern auch durch die hohe Interzeptionsverdunstung
im Vergleich zu Acker- und Grünland groß ist.
Im Bereich des Untersuchungsgebietes fielen im Bilanzzeitraum von 1980 bis 1991 durchschnittlich
807 mm Niederschlag pro Jahr. Davon verdunsteten 441 mm/a, so dass eine überschüssige
Wassermenge von 366 mm/a übrig bleibt. Von diesem Wasserüberschuss flossen
233 mm/a oberirdisch oder oberflächennah ab. Insgesamt ist die Höhe der Abflussspenden von
Einzugsgebiet zu Einzugsgebiet sehr heterogen. Abflussdaten lassen sich daher nicht ohne
weiteres auf benachbarte Einzugsgebiete übertragen. Daraus resultiert die Forderung nach einem
flächendeckenden Pegelnetz, welches langfristig betrieben wird.
Gemäß dem Verfahren von JOSOPAIT/LILLICH resultiert aus den vorgenannten Zahlen eine
hypothetische Grundwasserneubildungsrate von 132 mm/a, entsprechend 16,4% der Niederschlagshöhe.
Dieser Grundwasserneubildungsrate stehen Grundwasserentnahmen in Höhe
von 28 mm/a (entsprechend 7,5 Mio. m³/a) gegenüber, d.h. 21,2 % der Grundwasserneubildungsrate
wird als Grundwasser gefördert.
Der verbleibende Bilanzrest beträgt -65 mm/a, d.h. aus dem Bereich des Untersuchungsgebietes
strömt mehr Wasser ab als sich innerhalb der Gebietsgrenzen neubildet. Die Ursache
hierfür liegt darin begründet, dass in den orographisch tief gelegenen Untersuchungsgebietsteilen
durch Druckentlastung auch tieferes Grundwasser exfiltriert, dessen Regenerationsgebiete
ausserhalb der Untersuchungsgebietsgrenzen liegt. Darüber hinaus sind in diesem
Bilanzrest Unschärfen enthalten, die sich aus dem Berechnungsverfahren und der Datenlage
ergeben.

- 70 -
Niedrige Grundwasserneubildungsraten finden sich entlang der Fließgewässer. Besonders wären
hier die Pinnau, die Bilsbek sowie der Unterlauf der Krückau zu nennen. Bei geringen
Grundwasserflurabständen ist die Verdunstung sehr hoch, da die Pflanzen ganzjährig, also
auch in der Vegetationsperiode, ausreichend mit Wasser versorgt werden. Hinzu kommt, dass
der Niederschlag, der zur Versickerung gelangt und dem oberflächennächsten Grundwasser
zugeführt wird, auf kurzen Wegen wieder aus dem System herausgeführt wird. Die sandigen
Geestrücken zwischen den Oberflächengewässern weisen mit 100-150 mm/a Grundwasseerneubildungsraten
auf, die dem Gebietsmittelwert entsprechen. Es sind dies die Bereiche zwischen
der Pinnau und Bilsbek, sowie zwischen der Bilsbek und der Ekholter Au. Auch nördlich
der Krückau sind Grundwasserneubildungsraten bis zu 150 mm/a zu beobachten. Das
Hauptregenerationsgebiet des Grundwassers liegt östlich der Pinnau sowie in deren Oberlauf.
Hier werden Grundwasserneubildungsraten von über 300 mm/a erreicht. Gleiches gilt für den
Südwestrand des Untersuchungsgebietes. Es handelt sich um sandige Hochlagen, die meist
ackerbaulich genutzt werden.
Einschränkungen hinsichtlich der Nutzung des Grundwassers für die Trinkwasserversorgung
ergeben sich vornehmlich aus Sicht der Grundwasserbeschaffenheit. So befinden sich innerhalb
des Untersuchungsgebietes große Baumschulengebiete, von denen eine Gefährdung des
oberflächennahen Grundwassers durch verstärkten Einsatz von Pflanzenbehandlungsmitteln
ausgeht. Darüber hinaus ist Grundwasserversalzung durch den Aufstieg salzhaltiger Tiefenwässer
zu beobachten, wie sie in ganz Norddeutschland im Bereich von Druckentlastungszonen
vorkommt. Wird eine Grundwasserentnahme in ein solches Gebiet platziert, führt die zusätzliche
entnahmebedingte Potentialabsenkung zu einer Beschleunigung des Salzwasseraufstiegs.
Die entnahmebedingte Verlagerung der Salzwasser-/Süßwassergrenze nach oben
macht die Nutzung der Süßwasservorkommen zunichte und ist daher nicht zulässig.
8. Ausblick
In jüngster Vergangenheit wurde über Sinn und Zweck von Grundwasserneubildungsmodellen
kontrovers diskutiert (vgl. HÖLTING 1997a; DÖRHÖFER & JOSOPAIT 1997; HÖLTING
1997b). Bei den in Südwest-Holstein durchgeführten Wasserhaushaltsuntersuchungen hat sich
der vorgestellte modellhafte Ansatz zur Ermittlung einer flächendifferenzierten Grundwasserneubildungsrate
bewährt. Es konnte mit Hilfe der erläuterten Berechnungsvarianten aufgezeigt
werden, welche Änderungen von Randbedingungen sich stark auf die Ergebnisse der Grundwasserneubildungsberechnungen
auswirken und welche weniger.
Bei einer überschaubaren Anzahl von Rasterelementen ist der Einsatz eines 3D-
Tabellenkalkulationsprogrammes, welches auf einfache Art und Weise die rechnerische Verknüpfung
von Rasterelementen erlaubt, vorteilhaft, nicht zuletzt durch die Transparenz des Be-

- 71 -
rechnungsganges. Allerdings stößt die Handhabbarkeit der Programmdateien bei einer Zellenzahl
von 1089 an ihre Grenze. Daher ist es für zukünftige Untersuchungen sinnvoll, für die
Datenhaltung, die Berechnungsgänge und Ergebnispräsentation geographische Informationssysteme
(GIS) einzusetzen (vgl. z.B. ALBRECHT & GROSSMANN 1995; KLAASSEN &
SCHEELE 1996).
Die wasserhaushaltlichen Untersuchungen haben gezeigt, dass dem Bilanzglied "Vorfluterabfluss"
ein besonders hoher Stellenwert beizumessen ist. Die aus der Abflussermittlung abgeleiteten
Abflussspenden besitzen je nach Analyseverfahren eine besonders hohe Ergebnisbandbreite,
die auch von der Position der Abflusspegel im Untersuchungsgebiet sowie ihrer
räumlichen Verteilung abhängig ist. Für zukünftige Wasserhaushaltsuntersuchungen sollte daher
das bestehende Abflussmessnetz weiterhin baulich instand und in Betrieb gehalten und in
Gebieten mit geringer Datendichte ggf. durch den Bau weiterer Abflusspegel optimiert werden.
Auch sollten bezüglich der Regionalisierung von Abflüssen moderne Techniken, besonders
Abflussmodellierung, zum Einsatz kommen (LEMPERT, OSTROWSKI & MÜLLER 1994; BRE-
MICKER, LUDWIG & RICHTER 1997).

9. Schriftenverzeichnis
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- 78 -
10. Abbildungs-, Anlagen- und Tabellenverzeichnis
Abb. 1.1: Karte des Untersuchungsraumes mit Lage des Untersuchungsgebietes für die
Grundwasserneubildungsberechnung.
Abb. 1.2: Höhenschichtenplan des Untersuchungsgebietes mit Lage der Oberflächengewässer.
Abb. 2.1: Ganglinien des Niederschlages im Großraum Pinneberg sowie im Lübecker Raum.
Der Bilanzzeitraum fällt in eine Periode, in der die Jahresniederschläge oberhalb
des 37-jahres-Mittels (Großraum Pinneberg: 781 mm/a, Lübecker Raum: 643
mm/a) liegen.
Abb. 2.2: Erläuterung der Zielsucheoption eines Tabellenkalkulationsprogrammes anhand eines
einfachen Beispiels.
Abb. 2.3: Ausschnitte aus den ersten vier Arbeitsblättern des Grundwasserneubildungsmodells.
Abgebildet ist die prozentuale Verteilung von Boden- und Nutzungsarten, bezogen
auf eine jede Rasterzelle.
Abb. 2.4: Lageplan des Untersuchungsgebietes mit Darstellung des Modellrasters. Lage und
Anzahl der Rasterzellen sind identisch mit denen eines Grundwassermodells, welches
für das Untersuchungsgebiet ausgearbeitet wurde (HOFFMANN 1996).
Abb. 3.1: Rasterzelle 11/24 mit Verbreitung der geologischen Schichten, unterteilt nach Nutzungsarten.
Die Seitenlänge beträgt 500 m.
Abb. 3.2: Verdunstungswerte nach PENMAN für das Umfeld Klimamessstation Hamburg-
Fuhlsbüttel. Die Abb. stellt die Berechnungsergebnisse mit gemessener Globalstrahlung
sowie der aus Tabellen ermittelten gegenüber.
Abb. 3.3: Beispiele für den Grad der Versiegelung von Flächen durch Überbauung, ermittelt
in Anlehnung an SCHOSS, 1977.
Abb. 3.4: Wasserbilanz einer Rasterzelle unter Berücksichtigung der Oberflächenversiegelung.
Abb. 3.5: Beziehung zwischen Niederschlag und Abfluss während eines Niederschlagsereignisses.
Abb. 3.6: Lage der Niederschlagsmessstationen in und im näheren Umfeld des Untersuchungsgebietes.
Abb. 3.7: Knotenraster des Untersuchungsgebietes mit Lage der Niederschlagsstationen zur
Bestimmung des Gebietsniederschlages nach der THIEßEN-Polygon-Methode.
Abb. 3.8: Niederschlag-/Wasserüberschussbeziehung für Lysimeter mit Sandböden und Akker-/Grünlandnutzung
gemäß Tab. 3.4.

- 79 -
Abb. 3.9: Niederschlag-/Wasserüberschussbeziehung für Lysimeter mit Lehmböden und Akker-/Grünlandnutzung
gemäß Tab. 3.4.
Abb. 3.10: Niederschlag-/Wasserüberschussbeziehung für Lysimeter mit Sandböden und
Waldnutzung gemäß Tab. 3.4.
Abb. 3.11: Verhältnis der aktuellen zur potentiellen Evapotranspiration in Abhängigkeit von der
Bodenfeuchte (nach SPONAGEL 1980, verändert durch ERNSTBERGER 1987;
nWK: nutzbare Wasserkapazität des Wurzelraumes).
Abb. 3.12: Beziehung zwischen Aufstiegshöhe Z und Aufstiegsrate V in Abhängigkeit von der
Bodenart, verändert nach GIESEL, RENGER & STREBEL (1972).
Abb. 3.13: Zusammenhang zwischen der Anzahl der Rasterelemente und der Höhe der Abweichung
zwischen beiden Wasserüberschussvarianten.
Abb. 4.1: Abflussschema eines oberirdischen Gewässers. Die Größe der einzelnen Rasterelemente
beträgt 500x500m. Sie entsprechen in Lage und Größe denen des
Grundwasserneubildungsmodells.
Abb. 4.2: Lage der Gewässerpegel und deren oberirdische Einzugsgebiete im Untersuchungsgebiet
Südwest-Holstein.
Abb. 4.3: Verteilung des oberirdischen und oberflächennahen Abflusses im Untersuchungsgebiet
Südwest-Holstein. Abgebildet ist darüber hinaus das Netz der Rasterelemente.
Abb. 4.4: Verteilung der langjährigen Grundwasserneubildungsrate im Untersuchungsgebiet
Südwest-Holstein (Bilanzzeitraum 1980-1991). Gebiete mit geringer Grundwasserneubildung
besitzen eine rote Flächenfarbe, Gebiete mit hoher Grundwasserneubildung
sind blau gekennzeichnet.
Tab. 3.1: Zusammenhang zwischen der Verdunstung aus dem Grundwasser (in mm/a) und
dem Grundwasserflurabstand für mehrere Lysimeterstandorte im Raum westlich
von Hannover (nach KAVIANI, 1973).
Tab. 3.2: Prozentuale Verteilung der versiegelten Flächen auf Sand- und Lehmböden, ermittelt
in Anlehnung an SCHOSS (1975).
Tab. 3.3: Niederschlagsstatistik für den Zeitraum von 1980-1991 zur Herleitung der Benetzungs-
und Muldenverluste auf versiegelten Flächen.
Tab. 3.4: Zusammenstellung von Lysimetergleichungen verschiedener Autoren für Sand- und
Lehmböden mit Acker-/Grünland- oder Waldnutzung.

- 80 -
Tab. 3.5: Berechnung von Wasserüberschuss und Grundwasserneubildung für den Nahbereich
der agrarmeteorologischen Forschungs- und Beratungsstelle Quickborn
(DWD) mit Hilfe klimatischer Bodenwasserbilanzierung in Anlehnung an das Verfahren
von RENGER et al. (1974a,c).
Tab. 3.6: Statistische Kennwerte der Wasserüberschussverteilungen, denen Niederschlagsverteilungen
nach der THIEßEN-Polygonmethode (WÜ1) und KRIGING (WÜ2) zugrunde
liegen sowie deren Abweichungen voneinander (WÜ1-WÜ2).
Tab. 3.7: Statistische Kennwerte der Wasserüberschussverteilungen bei einer Reduzierung
der zusätzlichen Verdunstung im Bereich grundwasserbeeinflusster Böden von 90
mm/a auf 50 mm/a.
Tab. 3.8: Statistische Kennwerte der Wasserüberschussverteilungen bei einer Erhöhung der
zusätzlichen Verdunstung im Bereich grundwasserbeeinflusster Böden von 90
mm/a auf 150 mm/a.
Tab. 3.9: Vergleich der Ergebnisse verschiedener Niederschlags-/Wasserüberschuss-
Funktionen einschließlich statistischer Auswertung.
Tab. 3.10: Statistische Kennwerte der Wasserüberschussverteilungen bei Verwendung unterschiedlicher
Lysimetergeradengleichungen.
Tab. 4.1 Mittlere Abflüsse der im Untersuchungsgebiet Südwest-Holstein vorhandenen Abflusspegel
für den Bilanzzeitraum von 1980-1991. Die Auftrennung des Gesamtabflusses
in einen oberirdischen und einen grundwasserbürtigen Anteil erfolgte nach
KILLE (1970).
Tab. 4.2: Dateinamen zur Abflussmodellierung im Untersuchungsraum Südwest-Holstein.
Tab. 4.3: Überschlägige Gebietswasserbilanz des Untersuchungsraumes Südwest-Holstein
für den Zeitraum von 1980 bis 1991.
Anl. 1a: Rasterbezogene Flächenanteile von Sandböden mit Acker und Grünland einschließlich
versiegelter Flächen.
Anl. 1b: Verteilung versiegelter Flächen auf Sandböden.
Anl. 1c: Rasterbezogene Flächenanteile von Sandböden mit Acker und Grünland abzüglich
versiegelter Flächen.
Anl. 2: Rasterbezogene Flächenanteile von Sandböden mit Waldnutzung.
Anl. 3a: Rasterbezogene Flächenanteile von Lehmböden mit Acker und Grünland einschließlich
versiegelter Flächen.

- 81 -
Anl. 3b: Verteilung versiegelter Flächen auf Lehmböden.
Anl. 3c: Rasterbezogene Flächenanteile von Lehmböden mit Acker und Grünland abzüglich
versiegelter Flächen.
Anl. 4: Rasterbezogene Flächenanteile von Lehmböden mit Waldnutzung.
Anl. 5: Berechnung der Verdunstung für offene Wasserflächen nach Penman für das Jahr
1991 auf Basis von Monatswerten.
Anl. 6a: Rasterbezogene Flächenanteile mit offenen Wasserflächen.
Anl. 6b: Wasserüberschuss auf offenen Wasserflächen, ermittelt mit Hilfe der PENMAN-
Verdunstung.
Anl. 7a: Rasterbezogene Flächenanteile mit grundwasserbeeinflussten Böden.
Anl. 7b: Abminderung des Wasserüberschusses im Bereich grundwasserbeeinflusster Böden.
Anl. 8a: Rasterbezogene Flächenanteile der effektiv versiegelten Flächen.
Anl. 8b: Wasserüberschuss im Bereich versiegelter Flächen.
Anl. 9: Regionale Verteilung des Gebietsniederschlages, ermittelt mit Hilfe von KRIGING auf
der Basis von 31 Niederschlagsmessstationen.
Anl. 10: Regionale Verteilung der Benetzungs- und Muldenverluste, ermittelt mit Hilfe von
KRIGING auf der Basis von 31 Niederschlagsmessstationen.
Anl. 11: Namen und Lage der Niederschlagsmessstationen in und um das Untersuchungsgebiet
sowie eine Auflistung der Jahresniederschläge von 1980 bis 1991.
Anl. 12: Regionale Verteilung des Gebietsniederschlages, ermittelt mit Hilfe der THIEßEN-
Polygon-Methode.
Anl. 13: Rasterbezogene Differenzen zwischen dem Gebietsniederschlag nach der THIEßEN-
Polygon-Methode und dem KRIGING-Verfahren.
Anl. 14: Rasterbezogene Berechnung des Wasserüberschusses in Anlehnung an das Verfahren
nach JOSOPAIT & LILLICH (1975). Der Gebietsniederschlag wurde mit Hilfe
des Kriging-Verfahrens regionalisiert.
Anl. 15.1 - 15.12: Klimatische Bodenwasserbilanz für das Umfeld der agrarmeteorologischen
Forschungs- und Beratungsstelle Quickborn des DWD, Bilanzzeitraum 1980-1991.
Anl. 16: Rasterbezogene Berechnung des Wasserüberschusses in Anlehnung an das Verfahren
nach JOSOPAIT & LILLICH (1975). Der Gebietsniederschlag wurde mit Hilfe
der THIEßEN-Polygonmethode regionalisiert.

- 82 -
Anl. 17: Rasterbezogene Differenzen der Wasserüberschussverteilungen, denen Niederschlagsverteilungen
nach der THIEßEN-Polygonmethode und KRIGING zugrunde liegen
(vgl. Anl. 14 u. 16).
Anl. 18: Rasterbezogene Differenzen der Wasserüberschussverteilungen, denen unterschiedliche
Ansätze für die zusätzliche Verdunstung von grundwasserbeeinflussten
Flächen zugrunde liegen.
Anl. 19: Differenz des Wasserüberschusses bei Verwendung verschiedener Lysimetergleichungen.
Anl. 20.1: Abflussmodell der Bilsbek: Verteilung der akkumulierten Abflüsse ohne Aufteilung in
Hoch-, Hang- und Talabflüsse.
Anl. 20.2: Abflussmodell der Bilsbek: Verteilung der akkumulierten Abflüsse mit Aufteilung in
Hoch-, Hang- und Talabflüsse.
Anl. 20.3: Abflussmodell der Bilsbek: Verteilung der Abflüsse mit Aufteilung in Hoch-, Hangund
Talabflüsse ohne Kaskadenakkumulation.
Anl. 20.4: Abflussmodell der Bilsbek: Prozentuale Verteilung der Morphologieelemente.
Anl. 20.5: Abflussmodell der Bilsbek: rasterzellenbezogen Verteilung der langjährigen Abflussspenden
im Einzugsgebiet der Bilsbek.
Anl. 21: Verteilung der oberirdischen Abflüsse im Untersuchungsgebiet für den Bilanzzeitraum
von 1980-1991.
Anl. 22: Verteilung der Grundwasserneubildung im Untersuchungsgebiet für den Bilanzzeitraum
von 1980-1991.
Anl. 23: Gesamtwasserbilanz im Untersuchungsgebiet Südwest-Holstein.
Karte 1: Untersuchungsprogramm Südwest-Holstein, Isohyetenplan des Untersuchungsgebietes
(Interpolationsverfahren: Kriging).
Karte 2: Untersuchungsprogramm Südwest-Holstein, Lage der gewässerkundlichen Pegel
mit oberirdischen Einzugsgebieten.
Karte 3: Untersuchungsprogramm Südwest-Holstein, modellierte Spenden des Direktabflusses.
Karte 4: Untersuchungsprogramm Südwest-Holstein, Schätzwerte der Grundwasserneubildungsrate.

- 83 -

- 84 -
Untersuchungsprogramm zur Ermittlung des nutzbaren
Grundwasserdargebotes im schleswig-holsteinischen
Nachbarraum zu Hamburg, Südwest-Holstein
Anlagen zum
fachlichen Abschlussbericht zur Abschätzung der
Grundwasserneubildungsrate im wasserwirtschaftlichen
Planungsraum Südwest-Holstein