Wasserbilanzmodelle zur Bewertung des Fremdwasserzustroms in den Warsteiner Karstgrundwasserleiter (Sauerland, Nordrhein-Westfalen)

Dohm, Andreas; Reicherter, Klaus; Rüde, Thomas R.

doi:45139

Wasserbilanzmodelle zur Bewertung des Fremdwasserzustroms in den Warsteiner Karstgrundwasserleiter (Sauerland, Nordrhein-Westfalen)

Dohm, Andreas^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Andreas Dohm, M. Sc. RWTH

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Rüde, Thomas R. (Thesis advisor)^RWTH* ; Reicherter, Klaus (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-11-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-10548
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1023190/files/1023190.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Fremdwasser (frei) ; Karst (frei) ; Oberflächenabflussmessungen (frei) ; Warstein (frei) ; Wasserbilanz (frei) ; allogen (frei) ; allogenous (frei) ; extraneous water (frei) ; surface runoff measurements (frei) ; water balance (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Der im Sauerland (Nordrhein-Westfalen) am nordöstlichen Rand des rechtsrheinischen Schiefergebirges gelegene Warsteiner Karstgrundwasserleiter setzt sich aus devonischen Massenkalk sowie Flinz-Schichten zusammen und ist Teil der geologischen Großeinheit des Warsteiner Sattels. Seine lokale hydrogeologische Besonderheit besteht in einem kontinuierlichen Fremdwasserzustrom, einer allogenen Grundwasserkomponente, welche dem von gering leitenden Gesteinseinheiten umgebenen Karstgrundwasserleiter unterirdisch zuströmt und in der Folge einen oberirdischen Abflussüberschuss im Gebiet verursacht. Das Erneuerungsgebiet des Fremdwassers, welches sich durch eine höhere Mineralisierung sowie höhere Temperaturen auszeichnet, konnte bis heute nicht abschließend abgegrenzt werden. Potenzielle Herkunftsgebiete sind das Münsterländer Kreidebecken und der Belecker Sattel im Norden, der Briloner Karstgrundwasserleiter im Südosten sowie das unmittelbar südlich angrenzende Schiefergebirge. Aufgrund der unsicheren Datenlage des Wasserbilanzparameters des oberirdischen Abflusses bestehen darüber hinaus z. T. deutlich voneinander abweichende Werte hinsichtlich des Fremdwasservolumens und -anteils an der Gesamtsumme aller Abflusskomponenten. Um eine aktuelle, zeitlich hochaufgelöste und kontinuierliche Datenbasis des oberirdischen Abflusses zu entwickeln (Messgrößen: Wasserstand, Wassertemperatur und z. T. spezifische elektrische Leitfähigkeit), wurden im Jahr 2019 zehn Pegelmessstellen in den oberirdischen Fließgewässern im Zustrom und im Abstrom des Warsteiner Karstgrundwasserleiters installiert und über die Dauer der Wasserwirtschaftsjahre (WWJ) 2020 und 2021 betrieben. Eine weitere Pegelmessstelle wurde im Abstrom des Briloner Karstgrundwasserleiters errichtet. Die Berechnung kontinuierlicher Durchflussdaten auf Basis der gemessenen Wasserstandsdaten erfolgte über die Aufstellung individueller W-Q-Beziehungen für jeden Pegel. Hierzu wurden im Rahmen monatlicher Geländefahrten diskontinuierliche Durchflussmessungen an den Pegelstandorten durchgeführt (Salztracerverfahren, z. T. Lotrechtenverfahren). In beiden WWJ konnte ein oberirdischer Abflussüberschuss an der Nordgrenze des Karstgrundwasserleiters festgestellt werden. Dieser beträgt im WWJ 2020 ca. 14,6 Mio. m³/a (Gesamtzufluss: ca. 22,6 Mio. m³/a, Gesamtabfluss: ca. 37,2 Mio. m³/a) und ca. 12,3 Mio. m³/a im WWJ 2021 (Gesamtzufluss: ca. 23,4 Mio. m³/a, Gesamtabfluss: ca. 35,7 Mio. m³/a). Im Gegensatz zu den in den Randbereichen des Karstgrundwasserleiters gelegenen Fließgewässern Bilsteinbach und Schlagwasser wird in den zentralen Fließgewässern Wäster und Lörmecke eine Beeinflussung durchzuströmendes Fremdwasser anhand erhöhter Wassertemperaturen und Leitfähigkeitswerte am Abstrompegel sichtbar. Die Wäster als Hauptvorfluter des Karstgrundwasserleiters nimmt in diesem Zusammenhang eine Sonderrolle ein: So ist der beobachtete oberirdische Abflussüberschuss primär auf Fremdwasserzuflüsse im Wästertal zurückzuführen. Weiterhin weichen die erhobenen Werte der Wäster sowohl beim mittleren Basisabfluss, dem BFI-Wert, dem Retentions- und Speichervermögen als auch dem abflussfähigen Grundwasservolumen signifikant von denen der anderen Fließgewässer ab. Mithilfe der GIS-Software ArcGIS Pro wurden in einem zweiten Schritt Wasserbilanzen zur flächendifferenzierten Berechnung der lokalen Grundwasserneubildung für die Gebiete des Warsteiner und Briloner Karstgrundwasserleiters für die WWJ 2020 und 2021 umgesetzt. Für das Bilanzgebiet des Warsteiner Karstgrundwasserleiters konnte ein mittlerer Gesamtabfluss von ca. 11,0 Mio. m³/a für das WWJ 2020 und ca. 10,2 Mio. m³/a für das WWJ 2021 ermittelt werden. Die mittlere lokale Grundwasserneubildung beträgt ca. 4,8 Mio. m³/a im WWJ 2020 und ca. 4,5 Mio. m³/a im WWJ 2021. Dies entspricht einem Grundwasserneubildungsanteil am Gesamtabfluss von jeweils etwa 44 %. Aufbauend auf den Daten des oberirdischen Abflusses und der lokalen Grundwasserneubildung, sowie unter Berücksichtigung der lokalen Grundwasserförderung, wurde eine Gesamtwasserbilanz zur Ermittlung des Warsteiner Fremdwasservolumens bzw. -anteils aufgestellt. Hierbei konnte ein Fremdwasservolumen von ca. 8,4 Mio. m³/a für das WWJ 2020 und ca. 6,7 Mio. m³/a für das WWJ 2021 berechnet werden (Mittelwert: 7,6 Mio. m³/a). Dies entspricht einem Fremdwasseranteil an der Gesamtsumme aller Abflusskomponenten aus dem Warsteiner Karstgrundwasserleiter von ca. 20,0 % bzw. 16,6 % (Mittelwert: 18,4 %). Eine Mischungsberechnung auf Grundlage der Chloridionenkonzentrationen der einzelnen Wasserbilanzkomponenten ergab, dass das Fremdwasser im Zeitraum der WWJ 2020/2021 eine Chloridionenkonzentration von schätzungsweise 405 mg/L aufweist. Basierend auf den Ergebnissen dieser Untersuchung wurden die potenziellen Herkunftsgebiete Münsterländer Kreidebecken und Belecker Sattel mangels eines ausreichenden hydraulischen Gradienten als nicht plausibel bewertet. Der Briloner Massenkalk wurde, trotz des dort vorhandenen und in dieser Arbeit verifizierten oberirdischen Abflussdefizits, aufgrund des unklaren Fließweges nach Warstein als unwahrscheinliches bis nicht plausibles Herkunftsgebiet eingestuft. Das südlich angrenzende Schiefergebirge wird unter der Voraussetzung, dass eine Aufsalzung durch eine zusätzliche Grundwasserkomponente stattfindet, als potenziell mögliches Fremdwasserherkunftsgebiet beurteilt. Ein zentrales Ergebnis dieser Arbeit ist die Entwicklung einer hydrogeologischen Modellvorstellung des Warsteiner Fremdwasserphänomens. Dieser zufolge besteht das Warsteiner Fremdwasser aus zwei Komponenten: Einer gering mineralisierten Grundwasserkomponente, die dem Warsteiner Karstgrundwasserleiter aus dem südlich angrenzenden Schiefergebirge zuströmt, sowie einer salinaren Grundwasserkomponente, die aus größerer Tiefe entlang tiefgreifender Störungsbahnen wie z. B. der Warsteiner Südrand-Störung aufsteigt. Der Zustrom der südlichen Fremdwasserkomponente wird durch die höhere topographische Lage der Plackwaldhöhe sowie von Teilen des nördlichen Ruhrtals hydraulisch ermöglicht. Potenzielle Wegsamkeiten stellen neben den Klüften und Störungen in der Arnsberg-Formation insbesondere die unterkarbonische Hillershausen-Formation (Kulm-Kieselkalke) sowie die mittel- bis oberdevonischen Flinz-Schichten dar, welche im nördlichen Ruhrtal ausstreichen. Das dortige Grundwasser folgt dem Schichteinfallen des südlichen Flügels der Nuttlarer Mulde nach Norden in Richtung Warstein und steigt dort entlang der Warsteiner Südrand-Störung nach oben, wo es gemeinsam mit der salinaren Komponente aus größerer Tiefe in den hydraulisch in Verbindung stehenden Karstgrundwasserleiter übertritt. Unter der Annahme, dass die Natriumchloridkonzentration der aufsteigenden salinaren Fremdwasserkomponente näherungsweise der der in ca. 25 km Entfernung artesisch austretenden Arnsberger Thermalsole entspricht, ergibt eine Mischungsberechnung, dass bereits durch einen Anteil der aufsteigenden Sole von ca. 2 % die für die WWJ 2020/2021 ermittelte Chloridionenkonzentration des Fremdwassers von etwa 405 mg/L erreicht werden kann.

The Warstein karst aquifer, located in the Sauerland region (North Rhine-Westphalia) on the north-eastern edge of the Eastern Rhenish Slate Mountains, is composed of Devonian massive limestone and Flinz strata and is part of the large geological unit of the Warstein anticline. Its special local hydrogeological feature is a continuous inflow of extraneous water, an allogenous groundwater component, which flows underground into the karst aquifer surrounded by low permeable rock units and consequently causes a surface runoff surplus in the area. The recharge area of the extraneous water, which is characterised by higher mineralisation and higher temperatures, has not yet been conclusively defined. Potential areas of origin are the Münsterland Chalk Basin and the Belecke anticline in the north, the Brilon karst aquifer in the south-east and the adjacent slate mountains to the south. Due to the uncertain data on the water balance parameter of surface runoff, there are also some significantly differing values regarding the volume of extraneous water and its proportion in the total sum of all runoff components. In order to develop an up-to-date, high-resolution and continuous database of surface runoff (measured variables: water level, water temperature and, in some cases, specific electrical conductivity), ten gauging stations were installed in the surface watercourses in the inflow and outflow of the Warstein karst aquifer in 2019 and operated for the duration of the water years 2020 and 2021. A further gauging station was installed in the outflow of the Brilon karst aquifer. Continuous flow data were calculated based on the measured water level data by establishing individual water level-discharge relations for each gauging station. For this purpose, discontinuous discharge measurements were carried out at the gauging stations as part of monthly field trips (salt dilution method, in some cases velocity area method). In both water years, a surface runoff surplus was observed at the northern boundary of the karst aquifer. This amounts to approx. 14.6 million m³/a for the 2020 water year (total inflow: approx. 22.6 million m³/a, total outflow: approx. 37.2 million m³/a) and approx. 12.3 million m³/a for the 2021 water year (total inflow: approx. 23.4 million m³/a, total outflow: approx. 35.7 million m³/a). In contrast to the Bilsteinbach and Schlagwasser watercourses located in the peripheral areas of the karst aquifer, the central Wäster and Lörmecke watercourses are affected by inflowing extraneous water, as evidenced by increased water temperatures and conductivity values at the outflow gauging station. The Wäster, as the main receiving watercourse of the karst aquifer, plays a special role in this context: the observed surface runoff surplus is primarily due to extraneous water inflows in the Wäster valley. Furthermore, the values recorded for the Wäster differ significantly from those of the other watercourses in terms of mean base flow, BFI value, retention and storage capacity and dischargeable groundwater volume. In a second step, the GIS software ArcGIS Pro was used to implement water balances for the area-differentiated calculation of local groundwater recharge for the areas of the Warstein and Brilon karst aquifers for the 2020 and 2021 water years. For the Warstein karst aquifer balance area, an average total discharge of approx. 11.0 million m³/a for the 2020 water year and approx. 10.2 million m³/a for the 2021 water year was determined. The average local groundwater recharge amounts to approx. 4.8 million m³/a in the 2020 water year and approx. 4.5 million m³/a in the 2021 water year. This corresponds to a groundwater recharge share of around 44 % of the total discharge in each case. Based on the surface runoff and local groundwater recharge data, and taking the local groundwater abstraction into account, an overall water balance was drawn up to determine the Warstein extraneous water volume and proportion. An extraneous water volume of approx. 8.4 million m³/a was calculated for the 2020 water year and approx. 6.7 million m³/a for the 2021 water year (mean value: 7.6 million m³/a). This corresponds to an extraneous water share in the total sum of all discharge components from the Warstein karst aquifer of approx. 20.0 % and 16.6 % respectively (mean value: 18.4 %). A mixture calculation based on the chloride ion concentrations of the individual water balance components showed that the extraneous water had an estimated chloride ion concentration of 405 mg/L in the 2020/2021 water year. Based on the results of this investigation, the potential source areas Münsterland Chalk Basin and Belecke anticline were assessed as implausible due to the lack of a sufficient hydraulic gradient. Despite the existing surface runoff deficit verified in this study, the Brilon massive limestone was categorised as an unlikely to implausible source area due to the unclear flow path to Warstein. The adjacent slate mountains to the south are assessed as a potential source area for extraneous water, provided that salinisation takes place through an additional groundwater component. A central result of this work is the development of a hydrogeological model of the Warstein extraneous water phenomenon. According to this model, the Warstein extraneous water consists of two components: A low mineralised groundwater component, which flows into the Warstein karst aquifer from the adjacent slate mountains to the south, and a saline groundwater component, which rises from greater depths along deep faults such as the Warstein Südrand fault. The inflow of the southern extraneous water component is hydraulically enabled by the higher topographical position of the Plackwaldhöhe and parts of the northern Ruhr valley. In addition to the fractures and faults in the Arnsberg Formation, the Lower Carboniferous Hillershausen Formation (Kulm siliceous limestones) and the Middle to Upper Devonian Flinz strata, which outcrop in the northern Ruhr valley, represent potential pathways. The groundwater there follows the stratigraphic dip of the southern wing of the Nuttlar syncline northwards towards Warstein and rises upwards along the Warstein Südrand fault, where it merges with the saline component from greater depths into the hydraulically connected karst aquifer. Assuming that the sodium chloride concentration of the ascending saline extraneous water component corresponds approximately to that of the Arnsberg thermal brine emerging artesian at a distance of approx. 25 km, a mixing calculation shows that the chloride ion concentration of the extraneous water of approx. 405 mg/L determined for the water years 2020/2021 can already be achieved with a proportion of the ascending brine of approx. 2 %.

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