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Unverzichtbares, verletzliches Grundwasser
Jannis Epting
Riehen ist reich an Grundwasserressourcen, die für die Trinkwasserversorgung von Basel unverzichtbar sind. Dieser Reichtum sollte jedoch nicht darüber hinwegtäuschen, dass das Grundwasser verletzlich ist und durch gegenwärtige und frühere menschliche Aktivitäten sowie durch die Auswirkungen des Klimawandels stark beeinträchtigt wird. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die Grundwasservorkommen in Riehen und beleuchtet mögliche Untersuchungsmethoden und Fragestellungen zu Baumassnahmen im Untergrund im Zusammenhang mit der Verletzlichkeit der Grundwasserressourcen und dem Grundwasserschutz.
Grundwasser wird vor allem durch versickerndes Niederschlagswasser und infiltrierende Oberflächengewässer neu gebildet. Es wird an undurchlässigen Bereichen des Untergrunds gestaut (‹Grundwasserstauer›) und fliesst in den für das Wasser durchlässigeren Bereichen des Untergrunds (‹Grundwasserleiter›). Bisweilen tritt es als Quelle an der Oberfläche aus. Grundwassertemperaturen folgen saisonal verzögert und gedämpft dem Temperaturverlauf der Luft. Ist das Grundwasser lange genug im Untergrund, entspricht seine Temperatur der mittleren Jahrestemperatur. Das ist beispielsweise für den Temperaturverlauf vieler Quellen charakteristisch. Für tiefe Grundwassersysteme – wie solche, die geothermisch genutzt werden – kommt hinzu, dass das Grundwasser zusätzlich durch Wärme aus dem Erdinneren aufgewärmt wird.
Wo und wie schnell bewegt sich wie viel Grundwasser unterhalb von Riehen? Was gefährdet die Trinkwasserversorgung? Wie kann der Weg, die Menge und die Fliessgeschwindigkeit des Grundwassers überhaupt erfasst werden? Und wo ist der ‹Flurabstand›, der Abstand der Erdoberfläche zum Grundwasserspiegel, in Riehen so gering, dass man bei Bauarbeiten befürchten muss, ‹nasse Füsse› zu bekommen? Können durch bauliche Untergrundstrukturen sogenannte ‹Wasserwegsamkeiten›, also der natürliche Grundwasserstrom in eher durchlässigeren Bereichen des Untergrunds, unterbrochen und gestört werden?
Solchen Fragen widmet sich die Forschungsgruppe Angewandte und Umweltgeologie (AUG) am Departement Umweltwissenschaften der Universität Basel. Sie bildet auf der Grundlage von Feldexperimenten in Kombination mit hochauflösenden 3-D-Modellen die geologischen Strukturen des Untergrunds und die Grundwasserzirkulation mit hydrogeologischen Simulationswerkzeugen am Computer nach.
Ausgehend von einer Beschreibung der verschiedenen Grundwassersysteme in Riehen, stellt dieser Beitrag eine Auswahl von Forschungsergebnissen der AUG vor, die im Rahmen von Projektzusammenarbeiten mit der Gemeinde Riehen, dem Amt für Umwelt und Energie des Kantons Basel-Stadt (AUE BS), dem Tiefbauamt Basel-Stadt (TBA BS) und den Industriellen Werken Basel (IWB) resultierten. Einerseits stehen Fragen zur Sicherung der Trinkwasserversorgung im Zentrum, andererseits Gefahren für und durch das Bauwesen.
RIEHENS GRUNDWASSERVORKOMMEN: GEOLOGIE UND HYDROGEOLOGIE
Geologisch liegt Riehen im Übergangsbereich zwischen dem Oberrheingraben und dem zum Tafeljura gehörenden Dinkelberg-Block (Grafik 1). Den Übergang selbst bildet die sogenannte ‹Flexurzone›. Durch die Absenkung des Oberrheingrabens, die vor etwa 45 Millionen Jahren begann, wurden die geologischen Schichten vor allem in den Randbereichen dieser Flexurzone intensiv zerbrochen und verstellt. Die Gesteinseinheiten des Muschelkalks beispielsweise, in dem sich der Riehener Bierkeller befindet (siehe separaten Beitrag), wurden nach Westen zum Oberrheingraben hin verbogen und an vielen Verwerfungen kleinräumig zerbrochen. In der Flexurzone ist die geologische und hydrogeologische Situation besonders komplex und die Grundwasserzirkulation findet vor allem entlang von schwer lokalisierbaren Bruchzonen statt.1
Das geologische West-Ost-Profil durch Riehen und Inzlingen (Grafik 2) zeigt schematisch die Grundwasserzirkulation in Form von allen drei hydrogeologisch definierten Grundwasserleitern (Grafik 1): in den Porengrundwasserleitern der Lockergesteine der Langen Erlen als Teil des Wiesentals, in den Karstformationen als Karstgrundwasserleiter sowie darunter in den Kluftgrundwasserleitern des Buntsandsteins und der steilgestellten Flexurzone des Rheingrabens. Im quartären Gehängelehm und Löss sowie in den Formationen des Mittleren Muschelkalks sind nur oberflächennahe Abflüsse zu erwarten.
Die Grundwasserleiter in den Karstgesteinen des Muschelkalks sind durch Verkarstung entstanden. Dabei handelt es sich in karbonatischen und sulfatreichen Gesteinen um zum Teil sehr bedeutende Hohlraumsysteme, die oft eine enorme Wasserzirkulation erlauben. In der Region Riehen umfassen die Karstgesteine des Dinkelbergs vor allem den Muschelkalk. In tiefergelegenen Zonen existieren Poren- und Kluftgrundwasserleiter im Buntsandstein sowie in der Verwitterungskruste des kristallinen Grundgebirges.
Zu nennen ist hier auch die Förderung von Erdwärme. Die Geothermieanlage Riehen wurde 1994 in Betrieb genommen.2 Sie besteht aus einer Förderbohrung (in 1547 Meter Tiefe) und einer Injektionsbohrung (1247 Meter Tiefe). Der Grundwasserleiter befindet sich in der Muschelkalkformation. Aus der Förderbohrung wird das 65 Grad Celsius heisse Thermalwasser zunächst über Wärmetauscher gefördert. Anschliessend wird es mittels Wärmepumpen auf zirka 30 Grad Celsius abgekühlt, um schliesslich wieder über die Injektionsbohrung in den Grundwasserleiter infiltriert zu werden. Nachdem eine Machbarkeitsstudie im Jahr 2018 die Chancen für den Betrieb einer zweiten Geothermieanlage aufgezeigt hat, ist eine solche in Planung.
Im Porengrundwasserleiter der Lockergesteine in den Langen Erlen schliesslich zirkuliert Grundwasser, das die IWB für die Trinkwasserversorgung entnimmt und damit gut die Hälfte des Wasserbedarfs im Kanton Basel-Stadt deckt.
RIEHENER QUELLEN
Auf dem Gemeindegebiet von Riehen existieren auch zahlreiche Quellen, in denen das Grundwasser an der Erdoberfläche austritt (Grafik 1). Die wichtigsten werden, nach Tal geordnet, im Folgenden kurz vorgestellt.
Im Autal entwässert die Hintere Auquelle mit einer Schüttung von zirka 0,6 bis 0,75 Liter pro Sekunde aus dem Grundwasserleiter des Buntsandsteins. Die beiden Gemeindequellen und die Vordere Auquelle verzeichnen grössere Schüttungen von bis zu 4 Liter pro Sekunde – teilweise mit Schwankungen bis 25 Prozent. Sie werden von Hochterrassenschottern und möglicherweise Felsgrundwasser aus der Flexurzone gespiesen.
Im Moostal entspringen die Nollenquellen an der Basis des verkarsteten Muschelkalks. Die Spital- und Moosquelle entspringen dem Löss (Grafik 2), werden aber wegen ihren bedeutenderen Schüttungsmengen von bis zu 4 Liter pro Sekunde wahrscheinlich ebenfalls von Felsgrundwasser aus dem Buntsandstein gespiesen.
Im Bettingertal entspringen die Quellen Weingärten, Säugümpen und die Talquelle mehrheitlich an den Grenzen der Keupergräben, welche die Grundwasserleiter des Muschelkalks stauen. Die Dannacherquelle entspringt direkt aus dem Muschelkalk. Die Schüttungsmengen liegen jeweils im Bereich von 0,5 Liter pro Sekunde. Als typische Karstquelle können für die Dannacherquelle deutliche und direkte Reaktionen auf Niederschlagsereignisse nachgewiesen werden.
GRUNDWASSERSCHUTZ FÜR DIE TRINKWASSERVERSORGUNG
Der Porengrundwasserleiter in den Lockergesteinen des Wiesentals wird vor allem durch den regionalen Grundwasserstrom aus dem Wiesental, die Infiltration von Flusswasser aus der Wiese, in den Langen Erlen durch die künstliche Grundwasseranreicherung in den Wässerfeldern der IWB (Trinkwasseraufbereitung) sowie teilweise durch den Zustrom des Dinkelbergs gespiesen.
Vor allem bei Hochwasserereignissen in der Wiese besteht die Gefahr, dass bakteriologisch belastetes Flusswasser, das in den Grundwasserleiter infiltriert, flussnahe Trinkwasserbrunnen erreicht. In den Langen Erlen wurden mehrere Brunnen viel zu nah am Fliessgewässer realisiert, was sich übrigens schweizweit oft beobachten lässt. Um die Gefährdung solcher flussnahen Trinkwasserbrunnen einschätzen zu können, werden Färbversuche durchgeführt, um die Zeiten ableiten zu können, die infiltrierendes Oberflächenwasser im Grundwasserleiter benötigt, um bis zu den Trinkwasserbrunnen zu gelangen. Die Forschungsgruppe AUG führte zusammen mit dem AUE, dem TBA BS und den IWB im Januar 2004 an der Eisenbahnbrücke nahe der Grenze zu Lörrach einen Färbversuch mit dem Farbstoff Uranin durch.3 Denselben Farbstoff verwendete übrigens Olafur Eliasson für die Einfärbung des Wassers in der diesjährigen Ausstellung ‹Life› in der Fondation Beyeler. Proben von Grundwassermessstellen und den flussnahen Grundwasserbrunnen erlaubten es, die Konzentrationen des Färbstoffs im Grundwasser über die Zeit nachzuweisen und das Gefährdungspotenzial einzelner Trinkwasserbrunnen abzuleiten.4
Für die Qualität des Grundwassers in den Langen Erlen sind aber nicht nur der Wiesengrundwasserstrom in den Lockergesteinen und die Wiese als wichtigstes Oberflächengewässer relevant, sondern auch die Zuströmbereiche über die Karst- und Kluftgesteinsgrundwasserleiter des Dinkelbergs. Deshalb braucht es für die Qualitätssicherung des Trinkwassers auch Untersuchungen, um den Einfluss der entwässernden Randtäler von Inzlingen und Bettingen abschätzen zu können. Im Auftrag des AUE und des TBA BS wies die Forschungsgruppe AUG 2005 die entsprechenden Zuströmbereiche der Grundwasserfassungen in den Langen Erlen aus.5 Die Erforschung der verschiedenen Grundwassersysteme dient dem lang-
fristigen Grundwasserschutz für die Trinkwasserversorgung in den Langen Erlen, weil in den Randgebieten des Dinkelbergs nicht nur Landwirtschaft betrieben wird, sondern auch Gewerbe angesiedelt ist und einige Deponien vorhanden sind.
Bedingt durch die lokalen geologischen Verhältnisse, zirkuliert das Grundwasser in den Karstformationen oberhalb von Bettingen und Inzlingen sowie in den tiefergelegenen Kluftsystemen des Buntsandsteins und der steilgestellten Flexurzone des Rheingrabens (Grafik 2). Untersuchungen der AUG zeigen, dass die Grundwassersysteme in den Festgesteinen des westlichsten Dinkelbergs zusammen mit der Oberflächenentwässerung mehrheitlich in den Porengrundwasserleiter des Wiesentals und der Langen Erlen entwässern. Der Grundwasserzustrom, der dem Porengrundwasserleiter im Wiesental unterirdisch vom Dinkelberg zufliesst, liegt in der Grössenordnung von 100 Liter pro Sekunde.6 Er wurde mittels den aus den Gesteinseinheiten gelösten Chlorid- und Sulfatkonzentrationen quantifiziert. Im Quartären Gehängelehm und Löss sowie in den Formationen des Mittleren Muschelkalks dominieren hingegen oberflächliche Abflüsse.7
Schon vorausgegangene Untersuchungen verdeutlichten, dass die Grundwasservorkommen in den Karst- und Kluftgesteinen des Dinkelbergs und die Quellen dieser Grundwasservorkommen eine hohe Verletzlichkeit aufweisen und aufgrund dieser Vulnerabilität besonderer Schutzmassnahmen bedürfen.8 Grafik 3 zeigt die Zuströmbereiche der Trinkwasserfassungen in den Langen Erlen. Darauf ist ein grosser Teil des Dinkelbergs, der aus relativ verkarsteten Formationen des Trigonodusdolomits und Hauptmuschelkalks besteht, als hoch vulnerabel ausgewiesen. Denn durch Gesteinslösung und -auflockerung kann sich in diesen Formationen eine oberflächennahe Verkarstung, ein sogenannter ‹Epikarst› bilden, der oft durch einen stark klüftigen Oberflächenbereich gekennzeichnet ist und nicht kontinuierlich verläuft. Der Epikarst kann Mächtigkeiten von einigen Dezimetern bis Metern erreichen. Über den Epikarst kann Regen- und Schmelzwasser rasch in das tiefere Karstnetz infiltrieren. Solche vergleichsweise schnellen Wasserwegsamkeiten mit geringen Aufenthaltszeiten des Wassers im Untergrund und somit eingeschränkten Filterprozessen begründen die hohe Vulnerabilität von Grundwassersystemen im Karst. Diese durchlässigen geologischen Formationen werden durch die weitgehend undurchlässigen Keupergräben in Nord-Süd-Richtung unterbrochen (Grafik 1).
Eine besondere Stellung nehmen Kluftgrundwasserleiter im Buntsandstein ein, der eigentlich nicht verkarstet. Das Austreten von Schicht- und Kluftquellen an den Flanken des Autals gegen Inzlingen weist aber auf Wasserwegsamkeiten und eine schnelle Entwässerung von bestimmten Bereichen des Untergrunds hin. Zur an sich schon hohen Vulnerabilität der Grundwassersysteme kommt, dass in diesen Zuströmbereichen die Deponien Maienbühl und Mönden in ehemaligen Steinbrüchen des Buntsandsteins liegen. Mit Messungen und geologischen 3-D-Modellen konnten die Struktur des Untergrunds und die Grundwasserleiter unterhalb der beiden Deponien untersucht werden.9 Die Resultate der verschiedenen Untersuchungsphasen ermöglichen es, die Ausdehnung der unterirdischen Einzugsgebiete zum Grundwasserleiter in der Wieseebene abzuschätzen.
BAUEN IM GRUNDWASSER
Die Forschungsgruppe AUG widmet sich ausserdem der Frage, ob bei der Realisation von neuen Untergrundbauwerken befürchtet werden muss, dass das Bauwerk ins Grundwasser zu stehen kommt, oder dass natürliche Wasserwegsamkeiten unterbrochen und der natürliche Grundwasserstrom gestört werden. Entscheidend dafür ist die Kenntnis des lokalen Flurabstands, also des Abstands zwischen der Erdoberfläche und dem Grundwasserspiegel, und dessen maximaler Höhe. Grafik 4 zeigt eine Karte mit Flurabständen, die mithilfe einer Simulation des Grundwasserspiegels in Bezug zur Geländeoberfläche berechnet wurden. Wichtig bei einer Gefährdungsabschätzung für Untergrundbauwerke ist, dass man von einem hohen Grundwasserstand ausgeht, um auch extreme Situationen berücksichtigen zu können. Für einen Grossteil des Siedlungsgebiets von Riehen ist der Flurabstand grösser als 10 Meter und die Gefahr, ins Grundwasser zu bauen, entsprechend gering. Kleinere Flurabstände können, topografisch bedingt, unterhalb der Niederterrasse, also den ehemaligen Flussablagerungen des Rheins und der Wiese, und zum Wiesental hin beobachtet werden (Grafik 1).
Besonderes Augenmerk erfordern aber auch Bauvorhaben in Hanglagen. Solche Bauwerke können, vor allem, wenn das Fundament bis zum anstehenden Fels reicht, durchaus den natürlichen Grundwasserstrom stören. Um den Grundwasserhaushalt und Ökosysteme, wie zum Beispiel das Reservat im Autal, nicht nachhaltig zu beeinträchtigen, müssen schon bei der Planung solcher Bauwerke adäquate Ersatzmassnahmen, wie zum Beispiel Drainageleitungen, vorgesehen werden.
EIN WERTVOLLES GUT
Der Reichtum von Riehens Grundwasserressourcen ist ein wesentliches Standbein der regionalen Trinkwasserversorgung im Raum Basel. Doch die Grundwasservorkommen in Riehen sind verletzlich und erfordern einen angemessenen Grundwasserschutz. Aktuelle und historische Aktivitäten der Menschen haben Spuren hinterlassen, die sich mehr oder weniger stark auf die natürlichen Grundwassersysteme und vor allem auch auf die Dynamik der Grundwasserströme auswirken. Hinzu kommen die Auswirkungen der Klimaveränderungen auf die Wasserressourcen, nicht nur für die Oberflächengewässer, sondern auch für das Grundwasser. Wie uns die letzten Hitzesommer oder der diesjährige Sommer mit extremer Wetterlage und Starkregenereignissen vor Augen geführt haben, bestehen hier noch immense Kenntnislücken und ein entsprechend hoher Forschungsbedarf.
Auch wenn schon viele wissenschaftliche Untersuchungen für Riehen vorliegen, gibt es weiterhin geologische und hydrogeologische Kenntnislücken bezüglich der Grundwassersysteme des Dinkelbergs. Vor allem die hydraulischen Eigenschaften der verschiedenen geologischen Formationen in den Karst- und Kluftgrundwasserleitern, insbesondere in der Flexurzone, sind nur schwer voraussehbar und unvollständig dokumentiert. Bezüglich der Erdwärmenutzung gibt es ebenfalls noch eine Vielzahl von offenen Fragen. So ist beispielsweise nicht abschliessend geklärt, welchen Grundwasserleiter in der Tiefe die Geothermieanlage nutzt und wie ein optimales System von Entnahme- und Rückgabebrunnen für die geplante zweite Geothermieanlage zu gestalten ist.
Die Forschungsgruppe AUG ist fortwährend und massgeblich an der Weiterentwicklung von Methoden zur Erkundung des Untergrunds beteiligt, um diese Kenntnislücken zu schliessen.
1
Horst Dresmann / Jannis Epting / Peter Huggenberger / Eva Vojtech: Zusammenstellung Geologie- und Hydrogeologie-Grundlagen für die Bewilligungspraxis von Erdwärmesonden im Gebiet Riehen / Dinkelberg, in: AUG Bericht BGA-BS-131, Basel 2012.
2
Richard Grass: Energiepolitisch immer am Ball, in: z’Rieche 2020, S. 54–59.
3
Jannis Epting / Peter Huggenberger: Markierungsversuch Wiese, Januar 2004. Bericht und Auswertung, in: AUG Bericht BGA-Riehen Sektion B-64, Basel 2004.
4
Stefan Scheidler / Jannis Epting: Technischer Bericht, Wiese Vital. Grundwassermodellierung und Radonbeprobung, in: AUG Bericht BGA-BS-155, Basel 2021.
5
Christian Regli / Jannis Epting / Ralph Kirchhofer / Peter Huggenberger: Bezeichnung der Zuströmbereiche «Zu» der Grundwasserfassung in den Langen Erlen, in: AUG Bericht BGA-BS-110, Basel 2005.
6
Eric Zechner: Hydrogeologische Untersuchungen und Tracertransport-Simulationen zur Validierung eines Grundwassermodells der Langen Erlen (Basel-Stadt). Dissertation Universität Basel, Schriftenreihe Geologisch-Paläontologisches Institut, Basel 1996.
7
Christian Jann / Salome Leugger Arnold: Unterwegs zum Masterplan Hochwasserschutz, in: z’Rieche 2020, S. 46–53.
8
Peter Huggenberger / Eric Zechner / Ralph Kirchhofer: Bestimmung der Zuströmbereiche der Grundwasserfassungen Lange Erlen unter Einbezug der Aquifersysteme Lange Erlen und Dinkelberg, in: AUG Bericht BGA-BS-Riehen-16, Basel 2000.
9
Peter Huggenberger / Christoph Butscher / Jannis Epting / Ina Spottke: Vorgezogene Massnahmen. Voruntersuchung Deponien Maienbühl und Mönden. Geophysikalische-hydrologische Abklärungen zur Festlegung zusätzlicher Grundwassermessstellen im Zu- und Abstrom der Deponien, in: AUG Bericht BGA-Riehen Sektion F-20A, Basel 2004; Jannis Epting / Peter Huggenberger: Vorgezogene Massnahmen. Voruntersuchung Deponien Maienbühl und Mönden, in: AUG Bericht BGA-Riehen Sektion F-20B, Basel 2005; Peter Huggenberger / Jannis Epting / Christoph Butscher: Vorgezogene Massnahmen. Voruntersuchung Deponien Maienbühl und Mönden, Einzugsgebietshydrologie, Untersuchungsphase III, in: AUG Bericht BGA-Riehen Sektion F-20C, Basel 2005.