VB-26-124: Erstellung von Hydroisohypsenplänen für den oberen Grundwasserleiter (Hauptgrundwasserleiter) für das Land Brandenburg für Stichtagszeiträume VO: UVgO Vergabeart: Ex ante Veröffentlichung (Binnenmarktrelevanz) Bekanntmachung

Angaben zum Auftraggeber

Bezeichnung Landesamt für Umwelt
Kontaktstelle Referat S6 - Zentrale Vergabestelle
Zu Händen Mirko Winter
Postanschrift Seeburger Chaussee 2
Ort 14476 Potsdam OT Groß Glienicke
Telefon 033201-442-191
E-Mail Mirko.Winter@LfU.Brandenburg.de
URL lfu.brandenburg.de
UST.-ID DE 812326210

Art und Umfang der Leistung

1. Organisatorische Angaben

1.1. Mitwirkung Auftragnehmer (AN), Auftraggeber (AG)

Für den Zeitraum von Vertragsbeginn bis zur Übergabe der Dokumentation ist dem AG ein Ansprechpartner und dessen Vertreter verbindlich zu benennen. Der AG stimmt sich mit dem AN über auftretende organisatorische und inhaltliche Probleme zeitnah und kontinuierlich ab. Absprachen werden auf Wunsch eines Vertragspartners nach vorheriger Abstimmung durchgeführt. Eine Vergabe von Teilleistungen an Subauftragnehmer bedarf der ausdrücklichen Zustimmung des Auftraggebers. Diese sind im Angebot unter Bezeichnung der übernommenen Positionen zu benennen.

2. Leistungsbeschreibung

2.1 Ausgangssituation:

Grundwassergleichenpläne veranschaulichen die geohydraulischen Fließprozesse und sind die Basis für nahezu alle hydrogeologischen Fragestellungen. Auf ihrer Grundlage werden z. B. Einzugsgebiete von Wasserfassungen oder Vorflutern ermittelt, Wasserhaushaltsbilanzierungen durchgeführt, grundwasser-abhängige Landökosysteme ausgewiesen oder die Geschütztheit des Grundwassers vor oberflächig eingetragenen Schadstoffen bewertet. Für das Land Brandenburg liegen landesweite Hydroisohypsenpläne des Hauptgrundwasserleiters für die Jahre 1999, 2006, 2011 und 2015 sowie für 2018-2020 vor. Sie wurden über ein Detrended Kriging auf der Basis einer geohydraulisch modellierten Trendfläche erarbeitet (UmweltPlan & HGNord 2019, Hennig, Hilgert, Hermsdorf 2019, UmweltPlan & HGNord 2022).

2.2 Zielstellung:

Unter Anwendung eines Detrended Kriging sollen aktuelle Hydroisohypsenpläne für Frühjahr und Herbst des Jahres 2025 erstellt werden. Darüber hinaus ist die Erarbeitung eines Hydroisohypsenplanes vorgesehen, der die langjährigen mittlere Verhältnisse widerspiegelt. Der Hydroisohypsenplan für den Hauptgrundwasserleiter ist maßgebende Grundlage für die Abgrenzung von Grundwasserkörpern entsprechend der Wasserrahmenrichtlinie, wasserwirtschaftlicher Bilanzgebiete und die Steuerung der mengenmäßigen Bewirtschaftung.

2.3. Methodik und Vorgaben

2.3.1 anzuwendende Methodik

a) Für die Hydrodynamik ist die Methodik entsprechend des Gutachtens zum Hydroisohypsenplan von 2017 anzuwenden. Es handelte sich hierbei um das Interpolationsverfahren Detrended Kriging. Aufgrund des Umfangs sind die näheren Beschreibungen aus der Anlage 1 zu entnehmen. Allgemein ist das gewählte Verfahren Detrended Kriging auf der Basis eines geohydraulischen Modells gestützt. Es wird die zu regionalisierende Variable in zwei additiv verbundene Komponenten zerlegt - den Trendanteil und eine stochastisch verteilte Komponente. Dabei wird der räumliche Trend jedoch unabhängig von der Kriging-Interpolation ermittelt, so dass die Messwerte a priori um die Trendkomponente bereinigt werden können. Die geostatistische Interpolation erfolgt dann mit Hilfe des stationären Ordinary Kriging nur für die Residuen (Abweichung der Messwerte vom Trend) und die Zielgröße ergibt sich als Summe der Trendfläche und der regionalisierten Residuen.

b) Es soll eine Aktualisierung der Gewässer in Abhängigkeit von den berechneten Differenzen erfolgen und entsprechend zu kategorisieren. Folgende Klassen wurden bisher ausgewiesen - grundwasserbeeinflusst, wahrscheinlich grundwasserbeeinflusst, indifferent, kein Grundwassereinfluss. Hierzu liegen bereits Grundlagendaten vor. Im zweiten Schritt sollten flächenhaft verfügbare Daten zu den geohydraulischen Verhältnissen einbezogen werden, wie die Verbreitung gespannter/ungespannter Grundwasserleiter und die Grundwasserstände im obersten Grundwasserleiter.

c) Es soll eine Anpassung der Methodik des Hydroisohypsenplans für den obersten Grundwasserleiter erfolgen in Analogie zum Hauptgrundwasserleiter.

2.3.2 Weitere Vorgaben

a) Für die landesweite Betrachtung der Hydrodynamik (Grundwasser und Oberflächenwasser) sind Daten der Zeiträume Frühjahr und Herbst 2025 zu berechnen. Für das Frühjahr sind die Werte 13.-15. Woche und für den Herbst sind die Werte der 40.- 42. Woche zu verwenden.

b) Angesichts fachlicher Einschränkungen für den obersten Grundwasserleiter ist eine Modifikation der Bearbeitungsmethodik vorgesehen. Analog zur Vorgehensweise für den Hauptgrundwasserleiter soll auch für den obersten Grundwasserleiter eine Trendfläche geohydraulisch modelliert werden. Dafür ist das bestehende Grundwasserströmungsmodell um eine Modellschicht zu erweitern, die in dessen Verbreitungsgebiet den Grundwasserleiterkomplex 1 und in den übrigen Bereichen den Hangendstauer über dem Hauptgrundwasserleiter abbildet. Auf diese Weise können sowohl die Oberflächenwasserstände als auch die oberflächennahen hydrogeologischen Verhältnisse direkt in die geohydraulische Modellierung eingehen. Da eine so berechnete Trendfläche geohydraulisch begründet ist, ist beim anschließenden Residuenkriging eine differenziertere, realitätsnähere Abbildung des Grundwasserfließgeschehens im obersten Grundwasserleiter zu erwarten.

c) Es sind verschiedene Differenzenpläne zwischen den Jahren durchzuführen. In Summe sollen max. 5 Differenzenpläne erstellt werden. Hierzu wird es während des Projektes entsprechende Abstimmungen geben.

d) Zur Ausweisung der grundwasserbeeinflussten Gewässer sind die geologischen, hydrogeologischen und hydrologischen Verhältnisse für die Gebiete außerhalb der Braunkohle beeinflussten Regionen zu berücksichtigen. Der Einfluss der Vorfluter spielt entsprechend der hydraulischen Wirksamkeit eine wichtige Rolle.

3. Leistungsinhalt

Als Grundlage für die Neubearbeitung dienen, wie in 2.3.1.) beschrieben, die Ergebnisse der Hydroisohypsenpläne von 2020.

3.1 Datenabgleich

a) Recherche, Sichtung und Auswertung der zur Verfügung gestellten Unterlagen
b) Prüfung des Ansatzes zur Grundwasserneubildung mit Bagluva und ArcEgmo für den neuen Betrachtungszeit 1990-2020, inwiefern welcher Ansatz für die einzusetzende Hydroisohypsen-Berechnungsmethode der fachlich bessere ist.

3.2 Prüfung der übergebenen Daten und Korrekturbetrachtung

a) Es sind Plausibilisierungen der übergebenen Messwerte aus dem zu betrachtenden Jahr aller verfügbaren Grundwasser/ Oberflächenwassermessstellen des LfU durchzuführen sowie eine räumliche Überprüfung plus Detailrecherchen (statistische Betrachtungen, Variogrammanalysen) abzuleiten
b) Anpassung der Daten für das Kriging der Residuen

3.3 Aktualisierung der Hydrodynamik zu 2025 (Frühjahr/Herbst)

a) Abgleich und Verifizierung mit den digital vorliegenden Daten aus dem Hydroisohypsenplan 2020
b) Die Kartendarstellung erfolgt im Arbeitsmaßstab 1:50.000 mit einer Darstellung der Hydroisohypsen von 0,1 m Abständen bis 2 m unter GOK, bei >2 m unter GOK in 1 m Abständen
c) Die Kachelgröße der GRID-Raster ist mit 200 - 250 m in x- und y- Richtung anzunehmen

3.4 Erstellung von Differenzenplänen

Es sind zeitlich verschiedene Differenzenpläne zwischen den Jahren durchzuführen. In Summe sollen max. 5 Differenzenpläne erstellt werden. Entsprechend der vorliegenden Ergebnisse und den neu zu erwartenden sollten folgende Berechnungen durchgeführt werden:

2025-1999
2025-2006
2025-2015
2025-2020. Die genauen Absprachen erfolgen während des Projektes.

3.5 Erweiterte Spezialarbeiten (optionale Leistungen)

a) Abschätzung der Lage der Grundwasserdruckfläche des obersten Grundwasserleiters
b) Aktualisierung der Ausweisung grundwasserbeeinflusster Gewässer - Spezifizierung der Ergebnisse aus dem Gutachten für die neue Hydrodynamik 2025

4. Übergabe der Ergebnisse

4.1 Digitale Daten, die durch den AN zu erstellen sind

a) Übergabe als lauffähiges ArcGIS Pro-Projekt Erstellung von ESRI Shape-Dateien im ArcGIS Pro Punktshapes mit allen Messstellen, deren Stamm- und Messdaten aller Messungen Linienshapes der Hydroisohypsen (blattschnittfrei)
b) Erstellung der Karten 1:50.000 im Bezugssystem ETRS89 UTM Zone33N, EPSG:25833 (Sechsstelligkeit beachten), Ausgabe als .pdf Dateien (nicht analog) in einem Projektordner (Mapservice o. ä.). Genauere Abstimmungen erfolgen dazu während des Projektes (optional)
c) Erstellung von Karten 1:300.000 für den Abschlussbericht als .pdf Dateien für alle landesweiten Betrachtungen
d) Bereitstellen von Feature-Classes in einer File-Geodatabase (GDB) (aus a)
e) Bereitstellen von GRID-Dateien
f) Berechnungen in Excel, wenn erforderlich
g) Sachdatenstruktur, Kartenlayout und den zu erzeugenden Geodaten werden sich an den vorliegenden Datensätzen von 2015 orientieren und sind gemeinsam während der Projektbearbeitung zu aktualisieren.

4.2 Datenübergaben des AG an den AN

a) Zugang zum GeoBroker Brandenburg für das Projekt zur Übernahme digitaler Daten wie topografische fachliche Grundlagen
b) weitere erforderliche digitale Datensätze (Shape- und Grid-Dateien) wie GewNet25, nach Abstimmung zwischen AN-AG
c) Übergabe Stamm- und Bewegungsdaten von Messstellen zu Grundwasser und Oberflächenwasser

4.3 der AN übergibt dem AG folgende Daten und Unterlagen

a) Druckfassung des Erläuterungsberichtes als .docx und .pdf-Fassung mit Abbildungen und Übersichtskarten in dreifacher Ausfertigung im Maßstab 1:300.000
b) Alle im Zuge des Gutachtens erstellten analogen und digitalen Daten nach Abstimmung
c) Aktualisierte oder neue Projektdatenbank nach Abstimmung
d) lauffähiges ArcGIS Pro Kartenpaket (.mpk) mit allen Geodaten zur Reproduktion und Herstellung modifizierter Karten
e) Shape Dateien der Hydroisohypsenpläne, Differenzenpläne Messstellenoptional nach Abstimmung Feature Classes in File-Geodatabase
f) GRIDs (bzw. abzustimmendes Datenformat) der Interpolationsberechnungen
g) Beschreibung der Methode zur Ableitung von Hydroisohypsen aus den Messdaten
h) Übergabe der Ergebnisse auf DVD

4.4 Weitere Vorgaben des AG

a) Aufstellen eines Zeit- und Organisationsplans
b) Zwischenbericht zu den Recherchen nach Abstimmung und Festlegung der ergänzenden Arbeiten in den o. g. Fließgewässer, Seen- und Defizitgebieten
c) Zwei- drei Beratungen (auch digital) und eine Abschlussdiskussion/-präsentation

5. Zeitplan

Recherchearbeiten: ab Auftragsvergabe
Anlaufberatung (in Präsenz): Nach Auftragsvergabe
Zwischenberatungen (online): Nach Bedarf (1-3)
Abgabe des gesamten Gutachtens: Ende November 2026

Haupterfüllungsort

Bezeichnung Landesamt für Umwelt
Postanschrift Seeburger Chaussee 2
Ort 14476 Potsdam OT Groß Glienicke

Zusätzliche Angaben

Methodikbeschreibung (aus dem Gutachten Umweltplan 2017)

1 Geostatistische Grundlagen und Wahl des Verfahrens

Geostatistische Verfahren untersuchen den räumlichen Zusammenhang in einer Strukturanalyse und nutzen diese Informationen zur Interpolation. Dabei wird angenommen, dass die Probenwerte miteinander räumlich korrelieren, wobei die Abhängigkeit mit der Entfernung abnimmt. Im Ergebnis der Strukturanalyse sind Schätzungen für nicht beprobte Orte möglich. Die Strukturanalyse erfolgt über die Berechnung eines experimentellen Variogramms und die Anpassung einer Modellfunktion (theoretisches Variogramm). Das Gewöhnliche Krigingverfahren (Ordinary Kriging) setzt voraus, dass kein räumlicher Trend vorliegt und somit der durch das Variogramm beschriebene, statistische Zusammenhang unabhängig vom Ort ist. Die räumliche Verteilung der Grundwasserstände ist aus hydraulischen Gründen (Fließprozesse) immer trendbehaftet. Bei lokalen Aufgabenstellungen (meist <5 km²) kann häufig das regionale Grundwassergefälle als linearer Trend angesehen werden. Bereits im regionalen Maßstab (bis ca. 1.000 km²) zeigt sich ein Wechsel von hydraulischen Hochlagen (Speisungsgebiete) und Senken (Entlastungsgebiete), der nicht mehr durch eine einfache Funktion beschrieben werden kann. Im Landesmaßstab Brandenburgs (ca. 30.000 km²) sind hydraulische Hochlagen von teilweise über 100 m NHN zu verzeichnen. Prägend für Grundwasserfließgeschehen sind die Entlastungsgebiete der Havel, Spree und Dahme der mit Grundwasserhöhen um 30...50 m NHN und der Oderbruch mit Wasserständen <5 m NHN. SCHAFMEISTER (1999) unterscheidet einen globalen Trend und eine lokale Fluktuation. Bei Vernachlässigung der zeitlichen Komponente durch die Betrachtung langjähriger Mittelwerte oder die Verwendung von Stichtagswerten ergibt sich folgende Modellvorstellung: Z(x) = T(x) + L(x) +E (zufällige Rauschen) Dabei sind T der Trend, L die lokale Fluktuation und E das zufällige Rauschen. Die geostatistische Interpolation von Grundwasserständen muss in der Regel einen Trend berücksichtigen (räumliche Instationarität). Beim Universal Kriging wird der Trend durch eine mathematische Funktion approximiert. Problematisch ist, dass die Trendkomponente a priori unbekannt ist und komplexe Trendstrukturen nicht abgebildet werden können. Eine Möglichkeit zur Interpolation trendbehafteter Variablen ist das Detrended Kriging. Dabei wird die zu regionalisierende Variable (Grundwasserstand) in zwei additiv verbundene Komponenten zerlegt - den Trendanteil und eine stochastisch verteilte Komponente. Der Trend muss anhand von Zusatzinformationen ermittelt werden; die geostatistische Interpolation erfolgt mit Hilfe des Ordinary Kriging nur für die trendbereinigten Residuen (Abweichung der Messwerte vom Trend). Das Detrended Kriging wird auch als Residual Kriging bezeichnet und ist besonders in der (Hydro-) Meteorologie verbreitet (z. B. HINTERDING 2002, HOLDAWAY 1996). Sollen über das Detrended Kriging Grundwasserstände regionalisiert werden, bieten sich für die Erzeugung der Trendfläche zwei Wege an:

1) manuelle Erstellung von Grundwassergleichen, die das großräumige Fließgeschehen mit hydraulischen Hochlagen und Senken abbilden
2) grobe geohydraulische Modellierung unter Berücksichtigung der Grundwasserneubildung und der Entlastungsbereiche (Vorfluter, Grundwasserentnahmen) Die zweite Variante, das Detrended Kriging in Kombination mit einem geohydraulischen Modell, diente in Mecklenburg-Vorpommern und mittlerweile auch in Brandenburg zur Erstellung eines landesweiten Grundwassergleichenplanes (HILGERT & HENNIG 2017) und zeichnet sich durch folgende Vorteile aus: Berücksichtigung der Aquifereigenschaften sowie der relevanten Randbedingungen Nachweis der geohydraulischen Plausibilität keine Notwendigkeit virtueller Stützstellen, Toplagen und Senken bilden sich entsprechend der Randbedingungen aus (Grundwasserneubildung, Vorfluter) Reproduzierbarkeit der gesamten Interpolation (Trendkomponente und Zufallskomponente) Minimierung des subjektiven Anteils am Interpolationsergebnis leichte Identifizierung von Ausreißern möglich (z. B. schwebendes Grundwasser) geringer Aufwand für die Aktualisierung aufgrund neuer, zusätzlicher Messwerte Angesichts dieser Aspekte und nach einer gemeinsamen Diskussion der Datengrundlagen wurde mit dem LfU vereinbart, die jeweils neuen Hydroisohypsenpläne über ein Detrended Kriging auf der Basis einer geohydraulischen Modellierung zu erstellen. Um bei einem späteren Vergleich der Isohypsenpläne für unterschiedliche hydrologische Zustände verfahrensbedingte Abweichungen auszuschließen, wurde das Verfahren zusätzlich und ohne Mehrkosten für den Auftraggeber auf die Messwerte vom Frühjahr 2011 angewandt. Eine Plausibilitätsprüfung für 2011 erfolgte nicht.

2 Gewählter Modellansatz - Detrended Kriging in Kombination mit einer geohydraulischen Modellierung

Der Grundgedanke besteht darin über ein Grundwasserströmungsmodell für das Land Brandenburg die räumliche Instationarität (Trend) geohydraulisch begründet zu berücksichtigen. Dabei ist der berechnete Grundwasserspiegel eine Funktion der Grundwasserneubildung, der Gewässer, der Grundwassernutzung sowie der geohydraulischen Ausbildung des Grundwasserleiters. Das Strömungsmodell spiegelt die großräumige Grundwasserstandsverteilung wider, weist aber lokal Abweichungen zu den Messwerten auf (Residuen). Um zu gewährleisten, dass die gemessenen Grundwasserstände exakt abgebildet werden, ist eine Korrektur der hydraulisch berechneten Grundwasserstände erforderlich. Sie kann mit Ordinary Kriging erfolgen, da die Residuen (im Gegensatz zu den Grundwasserständen) keinem Trend unterliegen. Alternativ wäre es auch möglich gewesen, die geohydraulisch berechnete Grundwasserdruckfläche als Sekundärvariable für ein Kriging mit externer Drift heranzuziehen. Es wurde das Detrended Kriging gewählt, da die hohe Qualität der geohydraulisch berechneten Trendfläche diesen globalen Ansatz rechtfertigt, die Variogrammerstellung geostatistisch korrekt direkt für die Residuale möglich ist, eine unterschiedliche Zuverlässigkeit der Wasserstandsdaten über eine Wichtung der Residuen berücksichtigt werden kann und eine globale Schätzung der Trendfläche bei Untersuchungen von GOOVAERTS (2000) zu besseren Interpolationsergebnissen führte als das Kriging mit externer Drift. Wir wären potentiellen Bietern dankbar für Rückfragen/Hinweise zum Leistungsgegenstand um in einem späteren Vergabeverfahren oder Direktauftrag die Leistungsbeschreibung erschöpfend und abschließend erstellen zu können. Bitte übersenden Sie uns auch gerne Ihre Interessenbekundung.

Bekanntmachungs-ID: CXP9YY4HKPE