Eine Übersicht zu Methoden und Anwendungen der Validierung von Vulnerabilitätsbewertungen

Grundwasser – Zeitschrift der Fachsektion Hydrogeologie (2013) 18:15–24DOI 10.1007/s00767-012-0201-5

FAC H B E I T R AG

Eine Übersicht zu Methoden und Anwendungen der Validierungvon Vulnerabilitätsbewertungen

Christoph Neukum

Eingang des Beitrages: 4.8.2011 / Eingang des überarbeiteten Beitrages: 13.3.2012 / Online veröffentlicht: 1.6.2012© Springer-Verlag 2012

Zusammenfassung Vulnerabilitäts- bzw. Schutzfunktions-karten werden zur Einschätzung der Empfindlichkeit vonGrundwasser gegenüber Schadstoffeinträgen seit einigenJahrzehnten eingesetzt. Es sind im Laufe der Jahre eine Viel-zahl unterschiedlichster Methoden mit unterschiedlichstenHerangehensweisen und resultierenden Informationsgehal-ten entwickelt worden. Insgesamt ergibt die Bewertung al-lerdings kein einheitliches Bild und verschiedene Vulnera-bilitätsmethoden können durchaus zu abweichenden oderauch widersprüchlichen Ergebnissen führen. Dieser Bei-trag stellt ausgewählte Ansätze vor, die Vulnerabilitätskar-ten verschiedener Bewertungskonzepte angewendet auf un-terschiedlichen Größenskalen überprüfen. Die Ansätze zurValidierung werden erläutert und deren Vor- und Nachteilediskutiert. Es wird deutlich, dass die Validierung ein wichti-ger Bestandteil der Vulnerabilitätskartierung ist und zu einersoliden Interpretationsgrundlage beiträgt.

Overview on methods and applicationsfor the validation of vulnerability assessments

Abstract Groundwater vulnerability maps have been ap-plied over the past several decades for assessing ground-water sensitivity to pollution. Many different methods withvarious approaches and associated information content havebeen developed over the years. However, application of dif-ferent methods to the same areas may lead to differentor even contradictive results that may render vulnerabilitymapping unreliable. This manuscript presents a selection

Dr. C. Neukum (�)Lehrstuhl für Ingenieurgeologie und Hydrogeologie,RWTH Aachen University,Lochnerstr. 4–20, 52064 Aachen, DeutschlandE-Mail: [email protected]

of methods that have been applied to validate vulnerabilitymapping approaches with different boundary conditions atvarious scales. The validation approaches are explained andtheir advantages and disadvantages are discussed. A key re-sult is that validation is an important part of vulnerabilitymapping and that it contributes to a sound interpretation.

Keywords Groundwater vulnerability · Validation ·Modelling · Groundwater resource management

Einleitung

Vulnerabilitätskarten werden seit einigen Jahrzehnten na-hezu weltweit für die Einschätzung der Empfindlichkeitvon Grundwasser gegenüber Schadstoffeinträgen verwen-det. Aus vielerlei Gründen sind über die Zeit sehr unter-schiedliche Bewertungsmethoden mit stark voneinander ab-weichender Aussagekraft entstanden. Die verwendeten De-finitionen bzw. Betrachtungsweisen der Vulnerabilitätsme-thoden variieren dabei von Methode zu Methode. Zum einenist das darin begründet, dass die Vulnerabilität die Eigen-schaft besitzt keine direkt messbare Größe zu sein und des-halb oft über die Kombination von einer Vielzahl von ver-schiedenen Parametern ermittelt wird, von denen angenom-men wird, dass sie einen Einfluss auf den Grundwasser-schutz haben. Das erfordert die Verfügbarkeit von relevan-ten Daten, die weltweit jedoch stark variieren und in vie-len Ländern nicht standardisiert sind. Zum anderen ist diestarke Variabilität der hydrogeologischen Gegebenheiten inKombination mit den lokalen klimatischen Verhältnissen einwesentlicher Grund für die Entwicklung unterschiedlicherBewertungsansätze. Dies gilt insbesondere für die Anwen-dung der Vulnerabilität in Karstgebieten, wo sich klimati-sche Bedingungen sowohl in der Entwicklung der Karstfor-

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men als auch in der saisonalen Verteilung der Grundwasser-neubildung als ein wichtiges Element der Empfindlichkeitvon Grundwasserresourcen gegenüber Schadstoffeinträgenniederschlagen.

Die so entstandene Vielzahl von Bewertungsmethodenergibt kein einheitliches Bild der Vulnerabilitätskartierung,von einer einheitlichen Bewertung ganz abgesehen. So stelltsich die Frage der Verlässlichkeit von Vulnerabilitätsbewer-tungen und somit auch die Frage nach der Anwendbar-keit von Methoden, deren Aussagekraft nicht auf den erstenBlick ersichtlich ist und selbst für so manchen Hydrogeo-logen, der in der Anwendung der Methoden nicht geübt ist,zu Problemen bzw. Missverständnissen in der Interpretationführen kann. Oftmals beginnt die Problematik schon bei derAuswahl der scheinbar besten Methode für ein zu bearbei-tendes Gebiet, da die Stärken und Schwächen der jeweiligenMethoden nicht ohne weiteres erkennbar sind. Wie auch beianderen hydrogeologischen Methoden ist daher eine Vali-dierung von Vulnerabilitätskarten bzw. Bewertungsmetho-den ein wichtiges Element der Interpretation, das wohl zu-meist aus Kostengründen oder aus Mangel an einfach an-wendbaren Methoden viel zu selten zur Anwendung kommt.

Der Begriff „Validierung“ wird in der Hydrogeologievor allem im Zusammenhang mit mathematischen Model-len gebraucht. Auch wenn es unterschiedliche Auffassun-gen und Definitionen über die Validierung von Strömungs-und Transportmodellen gibt, ist der Grundgedanke des Pro-zesses der einer Überprüfung eines Modells. Dabei kön-nen verschiedene Dinge im Vordergrund stehen. Zum einenkönnen das mathematische Modell und die Richtigkeit derverwendeten Algorithmen im Fokus der Überprüfung ste-hen. Zum anderen kann aber auch die Vorhersagegenau-igkeit von einer oder mehreren physikalischen Größen imGrundwasserleiter, wie beispielsweise die räumliche Vertei-lung von Grundwasserhöhen oder Schadstoffkonzentratio-nen das Ziel der Validierung sein. Die Diskussionen desBegriffs reichen von der strengsten Wortbedeutung nämlichder absoluten Richtigkeit eines Modells zu der eher prag-matischen Sichtweise, dass das Modell für eine definierteFragestellung gut genug ist (Hassan 2004). Zwischen denbeiden Sichtweisen liegt eine große Spannbreite an Defini-tionen und Anschauungen, die oft anwendungsbezogen sind(z. B. Davis & Goodrich 1990, Tsang 1991, Zuidema 1994,Woessner & Anderson 1996). Hassan (2004) versteht denBegriff Validierung als Prozess der Bewertung und Prü-fung der verschiedenen Aspekte eines Modells zum Zweckeder Verfeinerung und Verbesserung sowie der Vertrauensbil-dung in die Modellvorhersage in der Weise, dass eine solideEntscheidungsfindung ermöglicht wird. Dieses Verständnisder Validierung lässt sich auch auf die Vulnerabilitätskartie-rung übertragen, womit alle assoziierten Teilaspekte, ange-fangen bei der Bewertungsmethode bis hin zur Einschätzungder räumlichen Verteilung der Vulnerabilität, eingeschlossensind.

Im Gegensatz zu der Vielzahl der publizierten Methodender Vulnerabilitätskartierung ist die Anzahl der veröffent-lichten Validierungsverfahren im Bereich der Vulnerabili-tätskartierung äußerst gering. Wenn überhaupt eine Prüfungder Ergebnisse stattfindet, beschränkt sich diese oftmals aufdie Plausibilität der Kartierungsergebnisse, d. h. stimmt dieZuordnung der Vulnerabilitätsklassen mit den zu erwarten-den Ergebnissen, die auf Grundlage des hydrogeologischenSachverstands eingeschätzt werden, grundsätzlich überein.Dieser Prozess ist zweifelsfrei wichtig, da dabei in der RegelFehler in der Datenprozessierung erkannt werden können.Eine Überprüfung der Methode oder des Endergebnis ist esaber nicht. In den Publikationen, die sich mit der Validierungvon Vulnerabilitätskarten bzw. -methoden befassen, wirdder Term „Validierung“ in sehr variabler Weise gebrauchtbzw. verstanden, was sich allerdings in dem oben genann-ten Verständnis des Begriffs weitgehend wiederfindet. DieValidierungsgrößen bzw. die Komponenten der verwende-ten Vulnerabilitätsmodelle, die überprüft werden, sind dabeihöchst unterschiedlich und reichen von der Überprüfung dergrundsätzlichen Eignung von Methoden bzw. verwendetenParametern oder subjektiv festgelegten Faktoren, bis hin zurÜberprüfung der Kartierungsergebnisse.

Nach einer kurzen Zusammenfassung der wichtigstenGruppen der Vulnerabilitätskartierung stellt dieser Beitraganhand ausgewählter Beispiele, Methoden bzw. Methoden-kombinationen der Validierung vor, die in der Vergangen-heit für verschiedenste Situationen und Bewertungsmetho-den entwickelt und angewendet wurden. Ziel ist es, einenÜberblick über verschiedene Ansätze und Anwendungsbe-reiche zu geben.

Ansätze für die Bewertung der Vulnerabilitätvon Grundwasser gegenüber Schadstoffeinträgen

Grundlegend lassen sich die Methoden nach den zu bewer-tenden Stoffen bzw. dem Schutzziel unterscheiden. So wirddie intrinsische Vulnerabilität, die eine allgemeine (inhären-te) Bewertung des geologischen Untergrunds vornimmt, vonder spezifischen Vulnerabilität unterschieden. Während dieintrinsische Vulnerabilität unabhängig von einem bestimm-ten Kontaminanten und Verschmutzungsszenario ist, be-zieht sich die spezifische Vulnerabilität auf die Gefährdungdurch einen bestimmten Schadstoff bzw. eine bestimmteSchadstoffgruppe. Darüber hinaus wird zwischen Ressour-censchutz, also dem Schutz des Grundwasservorkommensan sich, und dem Schutz einer Quelle oder eines Brunnens(Einzelschutz) unterschieden. Daraus ergibt sich, dass beider Bewertung der instrinsischen Vulnerabilität davon aus-gegangen wird, dass der Schadstoff in jedem Fall in dasGrundwasser gelangt. Die Frage der Grundwasserbeeinflus-sung beschränkt sich auf den zeitlichen Verlauf und das Aus-

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maß der Verschmutzung: Wann erreicht der Stoff das Grund-wasser (Verweilzeit), wie lange ist das Grundwasser über ei-nem Schwellenwert verschmutzt (Varianz) und wie hoch istdie Verschmutzung bezogen auf einen Schwellenwert (ma-ximale Konzentration). Bei der spezifischen Vulnerabilitätdagegen werden u. a. Sorptions- und Abbauprozesse be-rücksichtigt, die unter Umständen eine Kontamination desGrundwassers vollständig verhindern können.

Die Ermittlung der Vulnerabilität erfolgt nach unter-schiedlichen Methoden, die sich nach Magiera (2000) wiefolgt gruppieren lassen:

• Hydrogeologische Systembetrachtung,• Punktebewertungs- und Matrixverfahren,• Indexverfahren und Analogiemodelle,• Mathematische Modelle,• Statistische Verfahren.

Die Bewertungsmethoden der ersten beiden Gruppensind qualitativer Natur. Eine Validierung ist bei beiden Ka-tegorien nicht ohne weiteres möglich. Zu den beiden Grup-pen gehören die wohl bekanntesten Methoden, auf die wei-ter unten detailliert eingegangen wird. Die Indexverfahrenund Analogiemodelle basieren meist auf physikalisch be-gründeten Herleitungen hydrologischer und hydrogeologi-scher Prozesse und nutzen Anpassungen mathematischerStandardbeschreibungen des Wasser- bzw. Stofftransports.Beispiel sind unter anderem die Arbeiten von Rao et al.(1985), van Stempvoort et al. (1993), Bacci & Gaggi (1993)und Heinkele et al. (2002). Die Anwendung bezieht sich oftauf spezifische Kontaminanten wie Pestizide und Nitrat. Ei-ne Validierung ist selten möglich (Magiera 2000).

Die Vielzahl der verfügbaren mathematischen Modelleermöglicht eine große Zahl an potenziellen Anwendungenbezogen auf die Grundwasservulnerabilität. Aufgrund derphysikalischen Basis der Berechnungen und der abgeleite-ten Vulnerabilitätsparameter wie Verweilzeit, Stofffrachtenoder Fließwege ist eine Validierung generell bei entspre-chender Datenlage sehr gut möglich. Beispiele für die An-wendung mathematischer Methoden finden sich z. B. beiZhang et al. (1996), Stewart & Loague (2004), Butscher &Huggenberger (2008) oder Neukum & Azzam (2009).

Statistische Verfahren haben den Vorteil, dass die mit derBewertung einhergehende Unsicherheit in Daten und Me-thode dargestellt werden kann. Die Bewertung erfolgt zumBeispiel mit logistischer Regression, Korrelationsanalysen,Variographie oder Bayesscher Wahrscheinlichkeit (z. B. Ar-thur et al. 2007, Gemitzi et al. 2006). Dementsprechend wirddie Vulnerabilität als Wahrscheinlichkeit oder in einer an-derweitigen Klasseneinteilung dargestellt, die zumeist einenBezug zu einer gemessenen Grundwasserkontamination hat.

Aus den zahlreichen Ansätzen zur Einschätzung der Vul-nerabilität haben sich die Punktebewertungs- und Matrix-verfahren in der Praxis durchgesetzt. Weit verbreitete Bei-spiele sind unter anderem „DRASTIC“ (Aller et al. 1987),

„GOD“ (Foster 1987), „EPIK“ (Dörfliger & Zwahlen 1998),PI (Goldscheider et al. 2000) und die von den Geologi-schen Landesämtern konzipierte Methode (GLA) (Höltinget al. 1995). Die GLA-Methode ist derzeit das Standard-verfahren der Geologischen Landesämter (Wendland et al.2011) und wird deutschlandweit für verschiedenste Skalenund Datengrundlagen eingesetzt. Daneben sind zahlreicheMethoden publiziert, die zum Teil auf bereits existierendeMethoden aufbauen (z. B. Civita 1994, Civita & De Regibus1995, Fredrick et al. 2004, Edet 2004, Azzam et al. 2005,Nguyet & Goldscheider 2006). Die Vulnerabilitätsbewer-tungen dieser Verfahrensgruppe folgen keiner physikalischfundierten Methodik, sondern zeigen die Gefährdungsab-schätzung aufgrund einer Kombination von Parametern, vondenen ein Einfluss auf die Schadstoffverlagerung angenom-men wird (Magiera 2000). Die Einstufung und verbale Be-nennung des Vulnerabilitätsgrads ist demzufolge auch dasErgebnis eines empirischen Prozesses und entspricht ei-nem ordinalen Skalenniveau. Das bedeutet, dass benachbar-te Vulnerabilitätsklassen nicht quantitativ verglichen, son-dern nur relativ zueinander qualitativ interpretiert werdenkönnen. Die Aussage der Karten ist deshalb nur qualita-tiv und kann kein quantitatives Niveau erreichen. Die Fol-ge davon ist, dass Vulnerabilitätskarten von einem Gebiet,erstellt nach unterschiedlichen Methoden, keine einheitli-chen Bewertungen zeigen, sondern sich teilweise sogar wi-dersprechen (Gogu & Dassargues 2001, Andreo et al. 2004,Goldscheider et al. 2001). Der Vergleich von Vulnerabili-tätskarten eines Gebiets nach unterschiedlichen Methodenist ohne weiteren Aufwand nicht möglich. Diese fehlen-de Standardisierung mindert die Anwendbarkeit und Ver-gleichbarkeit der Vulnerabilitätskartierung in höchstem Ma-ße, weil jede Methode den Term Vulnerabilität durch ihrKonzept unterschiedlich definiert. Eine mögliche Standardi-sierungsmethode, die einen Vergleich unterschiedlicher Me-thodenergebnisse erlaubt, ist bei Neukum & Hötzl (2007)beschrieben. Wichtig für die weitere Interpretation der Kar-ten ist daher die Kenntnis der Vor- und Nachteile der jewei-ligen Bewertungsmethode, die Erfahrung mit dem Umgangder Bewertungsmethoden voraussetzt, sowie die Kenntnisbezüglich der (fallspezifischen) Validität der Methoden undder resultierenden Bewertungsergebnisse.

Beispiele der Validierung von Vulnerabilitätsmethodenbzw. -karten

Die Überprüfung von Vulnerabilitätskarten aus der Gruppeder Matrix- und Punktebewertungsverfahren ist durch de-ren qualitativen Charakter sehr schwierig. Demzufolge gibtes kein allgemein akzeptiertes Verfahren. Daly et al. (2002)schlagen folgende Untersuchungsmethoden zur Validierungvor:


• Schüttungsmessungen von Quellen,• Hydrochemie,• Isotopenhydrologie,• Markierungsversuche,• Wasserbilanzierung,• numerische Modellierung.

Eine Schwierigkeit bei der Validierung ist das ordina-le Skalenniveau vieler Vulnerabilitätskarten, das einen di-rekten Vergleich und damit eine direkte Überprüfung durchphysikalische Größen nicht erlaubt. Die Validierung kanndaher nur durch vergleichende Annahmen der Methoden be-züglich des Validierungsparameters durchgeführt werden.

Ein weiteres Problem ergibt sich bei der Auswahl derZielgröße, die für die Validierung als maßgeblich angesetztwird. Brouyère et al. (2001) geben für die Beurteilung derVulnerabilität drei Kriterien an, die beispielsweise aus Tra-cerdurchbruchskurven abgeleitet werden können:

• Ankunftszeit des Schadstoffs,• Zeitspanne der Verschmutzung,• Höhe (Konzentration) der Verschmutzung.

Für eine flächige Validierung von intrinsischen Vulne-rabilitätskarten scheint dieser Ansatz allerdings nicht prak-tikabel, da zu viele Entscheidungskriterien abgefragt wer-den, was einen relativ hohen Aufwand für die Entschei-dungsfindung bedeutet. Als einfacher und durch mehrerevoneinander unabhängige Methoden bestimmbarer Parame-ter wird oft die mittlere bzw. dominierende Verweilzeit desSickerwassers als Validierungsparameter vor dem Hinter-grund genutzt, dass mit längerer Verweilzeit biologischeund physiko-chemische Prozesse zu einer Reduzierung derSchadstoffmenge führen und so in eine Verringerung derGrundwassergefährdung resultiert. Je nach Ziel der Validie-rung, werden neben den ergebnisspezifischen Größen (Ver-weilzeit, Dauer der Verschmutzung etc.) auch methodenspe-zifische Größen überprüft. Diese betreffen beispielsweiseWichtungsfaktoren einzelner Eingangsparameter oder beur-teilen den konzeptuellen Aufbau von Bewertungsmethoden.

Die Möglichkeiten und Umsetzungen der Validierungvon Vulnerabilitätskarten sind im Folgenden an einigenBeispielen dargestellt. Die Beispiele berücksichtigen so-wohl verschiedene Verfahren der Vulnerabilitätskartierungals auch unterschiedliche Skalen der Kartierung.

Validierung mit einemLatin-Hypercube-Stichprobenverfahren

Gurdak et al. (2007) quantifizieren die Vorhersageunsi-cherheit einer Vulnerabilitätskarte, die mit logistischer Re-gression gekoppelt an ein Geographisches Informationssys-tem (GIS) berechnet wurde, mit einem Latin-Hypercube-Stichprobenverfahren. Im Zentrum der Bewertung steht die

Annahme, dass die Vorhersageunsicherheit eine Funkti-on der Fehlerfortpflanzung aus den Unsicherheiten des lo-gistischen Regressionsmodells und der Unsicherheit, diesich aus den Eingangsdaten ergibt, ist. Zur Validierungsind im Grundwasser eines Porengrundwasserleiters ge-messene Nitratkonzentrationen von ausgewählten Grund-wassermessstellen in einem eher großen Untersuchungs-gebiet (High Plains Aquifer, USA, mit 450.700 km2) her-angezogen worden. Die Überprüfung der Vulnerabilitäts-methode zeigt, dass die assoziierte Unsicherheit der Vul-nerabilitätseinschätzung signifikant ist und über das ge-samte Untersuchungsgebiet variiert. Das Latin-Hypercube-Stichprobenverfahren ermöglicht die Identifizierung poten-zieller Quellen der Unsicherheit und bietet ein quantitativesMittel, diese zu evaluieren und für eine verbesserte Vulnera-bilitätsprognose einzusetzen. Die Limitationen der Methodebeziehen sich auf die Annahme normalverteilter Fehler, wo-bei deren wahre Verteilungen selten bekannt sind. Weiterhinsind die Vulnerabilitäts- und Unsicherheitskarten der Me-thode für den regionalen Maßstab konzipiert, da auf größe-rem Maßstab selten die notwendige Anzahl an Eingangsda-ten verfügbar ist und Transportprozesse, die im Detail einegroße Rolle spielen, wie zum Beispiel präferenzielles Flie-ßen, Umgehung der Schutzwirkung der ungesättigten Zoneoder laterale Abflüsse, keine Berücksichtigung finden.

Validierung mit statistischer Auswertungvon Grundwasserverunreinigungen

Holman et al. (2005) nutzen Co-Varianz und Varianzanaly-se (ANOVA) zur Validierung einer in Großbritannien üb-licherweise angewendeten Vulnerabilitätsmethode. Es wer-den Nitratkonzentrationen in Grundwasser von 1.108 Bohr-löchern in England und Wales berücksichtigt. Die Vulne-rabilitätsmethode wird aus der Permeabilität des ungesät-tigten Grundwasserleiters, dem Vorhandensein von geringdurchlässigen Ablagerungen und dem Vorhandensein undden Eigenschaften von Böden gemäß einer Klassifizierung,die als „soil leaching potential“ bezeichnet wird, ermittelt.Darüber hinaus sind das Bodenfeuchtedefizit, der Winter-niederschlag, der Nitrateintrag aufgrund Tierhaltung und derNitrateintrag aufgrund Ackerbau als unabhängige Variablenberücksichtigt. Mit der ANOVA wird getestet, ob die Ein-gangsparameter der Vulnerabilitätskarte einen signifikan-ten Anteil an der Variabilität der Nitratkonzentrationen derBeobachtungsstellen haben. Die Co-Varianz untersucht denZusammenhang zwischen den unabhängigen Variablen undder mittleren Nitratkonzentration. Im Ergebnis wird die Vul-nerabilitätskarte von der ANOVA weitestgehend bestätigt.Dennoch ergeben sich aus der Analyse Hinweise, dass mitdem bestehenden Ansatz unter bestimmten Voraussetzungender Nitrattransport nicht adäquat berücksichtigt wird (präfe-renzieller Transport). Zudem zeigt sich, dass die Informatio-nen bezüglich des Bodens bessere Bestimmungsgrößen sind


als die Informationen, die für die geringdurchlässigen Abla-gerungen herangezogen werden.

Validierung mittels Sensitivitätsanalyse

Gogu & Dassargues (2000) benutzen eine Sensitivitätsana-lyse um eine intrinsische Vulnerabilitätskarte eines Karst-grundwasserleiters, erstellt nach der EPIK-Methode, undden Einfluss der Eingangsparameter auf die Karte zu beur-teilen. Auch wenn in der Hydrogeologie die Sensitivitäts-analyse von der Validierung unterschieden wird und zweiunterschiedliche Prozesse gemeint sind, ist das hier disku-tierte Beispiel in Bezug auf die Validierung der Methodeeinbezogen, da die in EPIK a priori festgelegten Wichtungs-faktoren der Eingangsparameter auf Eignung geprüft undverbessert werden.

EPIK ist eine Kartierungsmethode, die sich auf Karstge-biete beschränkt. Die Vulnerabilität wird anhand von vierKriterien ermittelt: Ausbildung des Epikarsts, Schutzwir-kung der Deckschichten, Infiltrationsverhältnisse und Ent-wicklung des Karströhrennetzwerks. Jedes Kriterium wirdmit einem Index versehen und diese unter Berücksichtigungvon Wichtungsfaktoren miteinander kombiniert. Die so be-rechneten Vulnerabilitätsindizes werden über ein vorgege-benes Klassifizierungsschema bewertet und dargestellt.

Das untersuchte Gebiet ist ein Karstgrundwasserleiter imsüdlichen Belgien (Beauraing) mit einer Einzugsgebietsgrö-ße von 2,5 km2. Die Anwendung der Sensitivitätsanalysebei Karten, die mit Methoden der Punktebewertungs- undMatrixverfahren erstellt sind, bietet die Möglichkeit, denEinfluss der Wichtungsfaktoren, die Bestandteil vieler Me-thoden sind, zu beurteilen und so zu einer qualitativen Be-urteilung der Gesamtkarte zu kommen. Drei unterschiedli-che Analysen sind in dieser Bewertung zusammen geführt,um eine objektivierte Interpretation der Vulnerabilitätskar-te zu erreichen. Die erste Analyse besteht aus der rechne-rischen Konstruktion von Teilbereichen mit räumlich glei-chen Kombinationen der Eingangsbewertung der einzelnenKriterien E, P, I und K (unique condition subarea). Die zwei-te Analyse ist die Bestimmung der Sensitivität durch denVergleich der Ausgangskarte mit Kartenkonstruktionen, dienur drei der vier Bewertungskriterien berücksichtigt (mapremoval sensitivity). Für jede Einzelfläche werden vier Ein-zelwerte für die Sensitivität entsprechend der Anzahl derEingangskriterien berechnet. Die Sensitivitätsanalyse wirddurch die Berechnung eines Variationsindex erweitert, umden Effekt der Eingangskriterien auf den Vulnerabilitätsin-dex zu bewerten. Abschließend werden die effektiven Wich-tungsfaktoren (Parametersensitivität) der Eingangskriterienauf Basis der eingangs bestimmten Teilbereiche ermittelt.Die abschließende Interpretation der Vulnerabilitätskarte er-folgt unter Berücksichtigung der durchgeführten Sensitivi-tätsanalysen. Die Überprüfung der Vulnerabilitätskarte be-zieht sich auf die geeignete Wahl der Wichtungsfaktoren und

bezieht keine externe, unabhängige Größe ein. Insofern wirdin der Analyse nicht die „richtige“ Verteilung der Vulnera-bilitätsklassen überprüft, sondern die Größe der Wichtungs-faktoren kontrolliert.

Validierung mit Markierungsversuchen

Goldscheider et al. (2001) nutzen Markierungsversuche, umeine Vulnerabilitätskarte (EPIK) in einem kleinen Karstein-zugsgebiet (∼1,5 km2) im Schweizer Jura zu validieren.Insgesamt wurden sieben Markierungsstoffe auf der Land-oberfläche bzw. in einem Schluckloch eingegeben. Die aufder Landoberfläche aufgetragenen Markierungsstoffe wur-den mit einem künstlichen Niederschlag von 20 mm nachge-spült, der einem durchschnittlichen Starkniederschlag ent-spricht. Während der Markierungsversuche herrschte weit-gehende Bodensättigung und leichter Niederschlag. Vier derMarkierungsstoffe wurden an Quellen nachgewiesen. DieErgebnisse zeigen, dass die relative Konzentration und derRückerhalt positiv für eine Validierung genutzt werden kön-nen. Die Verweilzeit zeigt sich weniger signifikant. Insge-samt zeigt das Ergebnis nur eine schwache Korrelation zwi-schen den Markierungsversuchen und der Vulnerabilitäts-karte.

Validierung mit Feldexperimenten

Perrin et al. (2004) nutzen eine Kombination aus künstli-chen und natürlichen Markierungsmitteln sowie hydroche-mische Daten und Abflussmessungen in drei Karsteinzugs-gebieten des Schweizer Juras mit Einzugsgebietsgrößen von100 m2 (Brandt), 13 km2 (Milandre) und 20 km2 (Lion-ne) zur Überprüfung der Vulnerabilitätsmethode „EPIK“.Mit den Versuchen werden zum einen die entsprechendenVulnerabilitätskarten und das Verständnis der schützendenWirkung des Epikarsts und zum anderen die Wirkung un-terschiedlicher Kontaminationsszenarien (diffus bzw. punk-tuell) überprüft. Die Autoren dieser Untersuchung kommenzum Schluss, dass das konzeptuelle Modell das EPIK zu-grunde liegt, die Verhältnisse der Einzugsgebiete adäquatwiedergibt. Die schützende Wirkung der Böden, des Epi-karsts und der Einfluss der Infiltrationsverhältnisse auf dieVulnerabilität kann mit den Versuchsergebnissen ebenfallsbestätigt werden. Dennoch wird darauf hingewiesen, dassdie Wirkung der Deckschichten höher zu bewerten ist, als esder methodenspezifische Wichtungsfaktor vorgibt und die-ser daher erhöht werden sollte. Zudem sollten die schützen-den Eigenschaften der Epikarsts stärker berücksichtigt wer-den, wobei darauf hingewiesen wird, dass aufgrund der feh-lenden Werkzeuge für eine sichere Bewertung des Epikarstsdiese Umsetzung in der Praxis schwierig sein wird. Die Ver-suche illustrieren deutlich, dass das Verschmutzungsszena-rio einen wesentlichen Einfluss auf die Vulnerabilität einesSystems hat.


Validierung mit analytischen Transportgleichungen

Anhand der theoretischen Überlegungen von Brouyère et al.(2001) haben Jeannin et al. (2001) ein Verfahren zur Bestim-mung und Validierung von intrinsischen Vulnerabilitätskar-ten auf Basis von analytischen Transportgleichungen bezo-gen auf Quellschutz entwickelt. In den theoretischen Über-legungen werden Verweilzeit, Dauer der Kontamination unddie Konzentration über einem definierten Schwellenwertals Vulnerabilitätskriterien definiert. Diese Kriterien werdendurch die Lage in einem 3-dimensionalen Raum (vulnera-bility cube) festzulegenden Vulnerabilitätsklassen zugeord-net. Die Vulnerabilitätsklassen sind nicht fest definiert, son-dern können individuell entsprechend der Problemstellungfestgelegt werden. Die wesentlichen Transportprozesse, diedie Punktlage in dem „cube“ beeinflussen können sind: Ad-vektion, hydrodynamische Dispersion, Retardation, Degra-dation und Verdünnung. Die Umsetzung der theoretischenÜberlegungen ist mit VULK, einem 1-dimensionalen Trans-portmodell, basierend auf analytischen Lösungen der Trans-portgleichung realisiert. In dem Modell werden die Strö-mung stationär (wassergesättigt) und der Transport insta-tionär behandelt. Es können bis zu fünf Schichten mit un-terschiedlichen hydrogeologischen Charakteristiken berück-sichtigt werden, die in der Berechnung kaskatisch hinterein-ander verarbeitet werden. Für die Modellierung von Festge-steinen steht ein Dual-Porositätsmodell zur Verfügung. DieModellergebnisse werden im „vulnerability cube“ geplottetund interpretiert. Das Ziel der Validierung mit VULK könn-te die Zuordnung von Vulnerabilitätsklassen zu Verweilzei-ten oder in einer komplexeren Herangehensweise zur Klas-sifizierung mittels dem „vulnerability cube“ sein. Eine un-abhängige Zuordnung der beiden Klassifizierungssystememuss dabei allerdings gewährleistet sein.

Validierung mit Labor- und Feldexperimentenund numerischer Simulation

Neukum (2006) nutzt eine Kombination aus Labor- undFeldversuchen sowie numerischer Simulation, um Vulne-rabilitätskarten nach vier verschiedenen Ansätzen (DRA-STIC, EPIK, GLA und PI) flächendifferenziert zu validie-ren. Das Kernstück der Validierung ist die numerische tran-siente Simulation der Wasserströmung und des Schadstoff-transports in der ungesättigten Zone des untersuchten Karst-gebiets, das am Südrand des Kraichgaus bei Pforzheim liegtund eine Größe von rund 130 km2 hat. Die Parametrisierungdes Modells erfolgt durch verschiedene Labor- und Feld-versuche zur Charakterisierung der einzelnen hydrogeolo-gisch relevanten Schichten und deren geometrischer Vertei-lung im Untersuchungsgebiet. Die Validierung der Simula-tionen erfolgt durch die Einbeziehung von stabilen Isotopen,Tritium und Ganglinien der Grundwasserhöhe. Die klimati-schen Randbedingungen der Simulationen sind so gewählt,

dass sie das langjährige mittlere Klima auf Tagesbasis re-präsentieren. Die flächendifferenzierte Validierung wird er-reicht, indem für jede hydrogeologisch relevante Schicht, inAbhängigkeit von deren Position in der ungesättigten Zo-ne, Verweilzeiten in Abhängigkeit von der Schichtmäch-tigkeit und der Sickerwassermenge berechnet werden. Mitdiesen Informationen werden empirische Beziehungen zwi-schen den unabhängigen Variablen erstellt, über die in einemGIS die räumliche Verteilung der Verweilzeit in Abhängig-keit von den geologischen Gegebenheiten berechnet werdenkann (Abb. 1). Das Ergebnis zeigt, dass die beste Über-einstimmung mit dem Simulationsergebnis bei der GLA-und PI-Methode herrscht. Die Zuordnung der Vulnerabili-tätsklassen der GLA-Methode zur Verweilzeit des Sicker-wassers in der ungesättigten Zone wird für mehr als 90 %der Fläche bestätigt. Die Übereinstimmung mit „EPIK“ und„DRASTIC“ ist vergleichsweise schlechter. Bemerkenswertist die Abhängigkeit der Übereinstimmung mit der An-zahl der Schichten bzw. der Komplexität des geologischenAufbaus. Durch die vorherrschenden diffusen Infiltrations-bedingungen im Untersuchungsgebiet spielt der vertikaleAufbau bei der Vulnerabilitätskartierung eine große Rolle.„DRASTIC“ und „EPIK“ sind nicht in der Lage, Gebietemit mehreren hydrogeologisch relevanten Schichten adäquatzu berücksichtigen. In Gebieten mit vergleichsweise einfa-chem geologischem Aufbau ist die Übereinstimmung dage-gen besser.

Diskussion und Schlussfolgerung

Die vorangegangenen Beispiele verdeutlichen, dass die Va-lidierung von Vulnerabilitätskarten für unterschiedliche Ver-fahrenstypen und auf unterschiedlichen Maßstabsskalenmöglich ist. Der Umfang und Informationsinhalt der Vali-dierungen sowie deren Zielgrößen sind allerdings sehr un-terschiedlich (Tab. 1).

Statistische Verfahren werden im Zusammenhang mit derspezifischen Vulnerabilität in größeren Einzugsgebieten ein-gesetzt, die eine relativ große Anzahl an räumlichen In-formationen und Zeitreihen relevanter Messwerte bieten.Die Anwendung beschränkt sich auf wenige problematischeSchadstoffe, da diese in der Praxis als relevant angesehenund deshalb in ausreichender Anzahl in Datenbanken erfasstwerden. Durch den kleinen Maßstab bzw. die geringe räum-liche Auflösung der Vulnerabilitätskarten dieses Verfahrens-typs, ist eine Anwendung im Maßstab von Einzugsgebietenvon Trinkwasserfassungen sehr eingeschränkt bzw. nahezuausgeschlossen. Die Anwendung bezieht sich demnach aufgrößere Gebiete, in denen eine ausreichende Datengrundla-ge vorhanden ist.

Die Anwendung von Markierungsversuchen mit künst-lichen Tracern ist derzeit die einzige Methode, mit der die


Abb. 1 Konzeptionelle Darstellung der Verweilzeitberechnung in der ungesättigten Zone (verändert nach Neukum & Azzam 2009)

Richtigkeit von Vulnerabilitätskarten an einigen Punkten in-nerhalb eines Einzugsgebiets experimentell nachgewiesenbzw. widerlegt werden kann. Vorausgesetzt ist allerdings,dass die Verweilzeit und/oder andere Parameter, die ausDurchbruchskurven bestimmt werden können, für die zu be-trachtende Kartierungsmethode adäquat sind. Da die Grund-wasseroberfläche als Schutzziel nur selten geeignet beprobtwerden kann ohne die hydraulischen Verhältnisse zu be-einflussen, wird die Anwendung von Markierungsversuchenam ehesten auf den Einzelschutz Anwendung finden.

Nachteilig wirkt sich der relativ hohe zeitliche und mo-netäre Aufwand aus, der für die Überprüfung einiger wenigePunkte im zu untersuchenden Gebiet notwendig ist. Eine flä-

chendeckende Überprüfung ist nicht möglich. Bei der Vul-nerabilitätskartierung werden zumeist mittlere klimatischeVerhältnisse bzw. die daraus resultierenden Effekte, wiez. B. Grundwasserneubildung, in der Bewertung zugrundegelegt. Bei Markierungsversuchen hingegen werden nichtselten extreme Niederschlagsverhältnisse simuliert, um Er-gebnisse in einem überschaubaren Zeitrahmen zu bekom-men. Die Wahl der Randbedingungen hat allerdings einengroßen Einfluss auf die Versuchsergebnisse. Hier stellt sichgrundsätzlich die Frage, ob die Vergleichbarkeit zwischenKartierung und Experiment gegeben ist und die Versuchs-ergebnisse bezüglich der Verweilzeit repräsentativ sind. Einweiterer Punkt betrifft die Eigenschaften der Markierungs-


Tab. 1 Zusammenfassung der wichtigsten Merkmale der diskutierten Validierungsverfahren

Art derVulnerabilitätsbewertung

Methode der Validierung Zielgröße der Validierung Aquifertyp Referenz

Logistische Regression Latin HypercubeStichprobenverfahren

Nitratkonzentration inGrundwasser

Porengrundwasserleiter Gurdak et al. (2007)

„UK groundwatervulnerability methodology“

Co-Varianz und Varianzanalyse Nitratkonzentration inGrundwasser

Nicht spezifiziert Holman et al. (2005)

EPIK Sensitivitätsanalyse MethodenspezifischeWichtungsfaktoren

Karst Gogu und Dassargues(2000)

EPIK Markierungsversuch Verweilzeit Karst Goldscheider et al.(2001)rel. Konzentration

Rückerhalt

EPIK Feldexperimente (inkl.Markierungsversuch)

KonzeptuellesBewertungsmodell

Karst Perrin et al. (2004)

Schutzwirkung desEpikarsts

VULK u. a. AnalytischeTransportgleichung

Verweilzeit Nicht spezifiziert Jeannin et al. (2001)

Dauer der Kontamination

Konzentration

PI, GLA, EPIK, DRASTIC Labor-, Feldversuche undnumerische Simulation

Verweilzeit Karst undPorengrundwasserleiter

Neukum (2006)

mittel. Die Verdünnung der Markierungsmittel hängt nichtnur von den Eigenschaften des durchflossenen Mediums ab,sondern auch von den Eigenschaften des Mittels selbst. Ei-ne Interpretation der relativen Konzentration sollte daher inAbhängigkeit der verwendeten Markierungsmittel und denVerhältnissen vor Ort erfolgen. Markierungsversuche kön-nen in der Praxis nur für die Überprüfung von vulnerablenFlächen eingesetzt werden, da die zeitliche Aufwendungund Zuverlässigkeit meist auf wenige Monate beschränkt ist.Verweilzeiten von mehreren Jahren können in der Regel mitkünstlichen Markierungsmitteln nicht erfasst werden.

Um den Nachteilen von Markierungsversuchen mit künst-lichen Tracern zu begegnen, bietet sich die Kombinationverschiedener Feldexperimente an. Umweltisotope und Ab-flussmessungen sind in Kombination geeignet, Ergebnissevon künstlichen Markierungsversuchen zu ergänzen und dasInterpretationspektrum zu erweitern. Eine flächendifferen-zierte Validierung ist allerdings nicht möglich und die An-wendung wird sich zumeist auf den Einzelschutz beschrän-ken. Die Kombination unterschiedlicher Methoden kann ei-ne grundsätzliche Aussage zur Anwendbarkeit einer Kar-tierungsmethode liefern. Die Richtigkeit der Karte und dieassoziierte Flächenbewertung können sich aus der überge-ordneten Validierung ergeben.

Eine flächendifferenzierte Validierung ist grundsätzlichmit analytischen und numerischen Modellen möglich. Beiden analytischen Lösungen der Transportgleichung ist manstreng genommen auf die Anwendung in gesättigten Medi-en beschränkt, und die Anwendung auf die ungesättigte Zo-ne ist ausgeschlossen, da für diese bisher keine analytische

Lösung existiert. Jeannin et al. (2001) umgehen dies durchdie recht pragmatische Herangehensweise der Reduzierungder hydraulischen Durchlässigkeit der betroffenen Schich-ten. Ein weiterer Nachteil der analytischen Lösung ist, dasslateraler Abfluss an der Oberfläche bzw. nahe der Oberflä-che nicht berücksichtigt wird. Der Vorteil der analytischenLösung liegt in der übersichtlichen Anzahl der Eingangspa-rameter, die in Labor- und Feldversuchen ermittelt werdenkönnen. Wie auch bei den numerischen Modellen ist abereine Überprüfung der Modellrechnungen durch unabhängi-ge Messungen bzw. Methoden nötig. Die hierfür benötigtenDaten stehen oftmals nicht oder nur im beschränkten Um-fang zur Verfügung.

Die Anwendung eindimensionaler numerischer Model-le für variabel gesättigte Medien zeigt gute Ergebnisse be-züglich der Validierung von Vulnerabilitätskarten, die auchflächendifferenziert entsprechend hohe Informationsgehal-te haben. Die Validierung der Modellrechnungen ist überunabhängige Parameter möglich aber analog zu den analy-tischen Modellen aufwändig. Ein Nachteil der numerischenModellierung in variabel gesättigten Medien ist der hoheBedarf an Modellparametern, deren Bestimmung zeit- undkostenintensiv ist. Dies gilt insbesondere für die Anwen-dung im Festgestein. Hierfür stehen zwar Dual-Porositäts-oder Dual-Permeabilitätsmodelle zur Verfügung, deren Pa-rametrisierung ist aber noch zeit- und kostenintensiver alsbei den einfachen Modellen. Für einfache Modelle imLockergestein existieren Pedotransferfunktionen über diehydraulische Parameter beispielsweise aus der Korngrößen-verteilung abgeleitet werden können (z. B. Schaap et al.


2001). Ein sicherlich großer Nachteil bei der Anwendungvon numerischen Modellen für die flächendifferenzierte Va-lidierung von Vulnerabilitätskarten ist der große Arbeits-und Rechenaufwand. Zumal kann mit der Methode aucheine eigenständige Vulnerabilitätskarte auf Basis der Ver-weilzeit erstellt werden, die auch sehr leicht auf andere Pa-rameter (Varianz, relative Konzentration) erweitert werdenkann (Neukum & Azzam 2009). Die Anwendung von nume-rischen Modellen in Gebieten, die durch direkte Infiltrationgeprägt sind und in denen die Schutzfunktion der Grund-wasserüberdeckung umgangen wird, ist wegen der proble-matischen Parametrisierung nicht ohne weiteres möglich.Vor dem Hintergrund der betrachteten Zeitskala ist das aberauch nicht unbedingt relevant, da eine Verweilzeit von weni-gen Stunden bis einigen Tagen angenommen werden kann,was bei vielen Vulnerabilitätsmethoden, soweit solche Phä-nomene berücksichtigt werden, einer sehr hohen Vulnerabi-lität entsprechen wird.

Die diskutierten Methoden und Anwendungen für dieValidierung von Vulnerabilitätskarten machen den Bedarfder Überprüfung deutlich. Auch wenn aus einigen Beispie-len deutlich wurde, dass die Vulnerabilitätsmethoden zu-meist „funktionieren“, so zeigen sich an anderen Stellendeutliche Notwendigkeiten zur Verbesserung bzw. Modifi-kation von Bewertungsansätzen unter bestimmten Voraus-setzungen oder Anwendungen. Es wird auch deutlich, dassdie Überprüfung auf verschiedenen Größenskalen anwend-bar und sinnvoll ist. Insgesamt steigert die Überprüfung vonVulnerabilitätskarten deren Transparenz und trägt zu einersolideren Interpretationsgrundlage bei. Durch die wachsen-den Möglichkeiten der rechnergestützten Auswertungen undder effizienteren Verarbeitung von großen Datenmengen so-wie der steigenden Zahl von hydrogeologischen Modellan-wendungen, ist für die Zukunft zu erwarten, dass vor al-lem mathematische Modelle vermehrt Anwendung sowohlin der Vulnerabilitätskartierung als auch in der Validierungder Karten finden werden. Vor allem numerische Methodenhaben das Potenzial, zu einer vermehrt quantitativen Bewer-tung der Vulnerabilität zu gelangen, die einer direkteren Va-lidierung zugänglich sind als die heute weitverbreiteten qua-litativen Bewertungsverfahren.

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Documents

Eine Übersicht zu Methoden und Anwendungen der Validierung von Vulnerabilitätsbewertungen