Grundwasser in Köln

Der Untergrund in Köln gehört geologisch zum Senkungsgebiet des Rheingrabens. Die südliche Spitze der Niederrheinischen Bucht, die Köln-Bonner Bucht, grenzt im Süden an das Rheinische Schiefergebirge. Köln liegt zum größten Teil im Bereich der Niederterrassen, die vom Rhein aus in Staffelbrüchen wie breite Treppen zu beiden Seiten des Rheins morphologisch leicht ansteigen.

Die quartären Terrassenablagerungen des Rheins werden in der Regel von sandig-tonigen Hochflutlehmen in einer Mächtigkeit von wenigen Metern bedeckt. Die Ablagerungen der Niederterrasse sind sandig-kiesig ausgebildet und werden zur Tiefe hin zunehmend grobkiesiger und gehen in die Ablagerungen der Untere Mittelterrassen über.

Die Terrassensedimente wurden erdgeschichtlich erst im Quartär im Wechsel zwischen Warm- und Kaltzeiten gebildet. Die Mächtigkeit der Quartären Sedimente der Niederterrasse betragen durchschnittlich rund 28 Meter und bilden den oberen Grundwasserleiter. Das Kölner Stadtgebiet ist dadurch reich an Grundwasser.

Die Grundwasserfließrichtung im Untergrund ist dabei auf den Rhein gerichtet. Unterlagert werden die Terrassenablagerungen des Rheins von feinsandig bis tonigen, teils Braunkohle führenden Schichten des Oligozäns bis Miozäns. Diese küstennah gebildeten Ablagerungen stammen zeitlich aus dem Paläogen / Neogen, früher als Tertiär bezeichnet.

Eine Ausnahme bildet der östliche Stadtrand, der bereits zum Sockel des rheinischen Schiefergebirges (Devon) zählt.

Die Bodenbeschaffenheit im Umland Kölns ist geprägt durch die fruchtbaren Böden der Schwemmlandebene am Rhein und der zum Teil mehrere Meter mächtigen Lößgebiete im Westen. Im Osten überwiegen die minderwertigen Böden, die mit Heide und Wald bewachsen sind. Das Stadtgebiet geht dort bereits in das Bergische Land über. 

Als Grundwasserleiter bezeichnet man einen Locker- oder auch Festgesteinskörper, der in der Lage ist, Wasser aufzunehmen. Das Wasser wird durch vorhandene und miteinander verbundene Hohlräume wie zum Beispiel Poren und Klüfte hindurchgeleitet. Im Gegensatz dazu wirken Gesteine mit sehr kleinen oder kaum zusammenhängenden Poren, beispielsweise Ton, als Grundwassernichtleiter.

Der obere Grundwasserleiter in Köln wird von Quartären / eiszeitlichen Sedimenten des Jungpleistozäns gebildet. Das gesamte obere Grundwasserstockwerk im Stadtgebiet Köln besteht aus sandig bis kiesigen Ablagerungen - Terrassensedimente - des Rheins.

In der älteren Epoche des Quartärs oder auch Pleistozän genannt, entstanden im Wechsel zwischen Kalt- und Warmzeiten diese mächtigen Kies- und Sandablagerungen parallel des Rheins. Je nach Entstehungsalter werden sie als Niederterrasse, Mittelterrasse und Hauptterrasse unterschieden. Die Niederterrassenablagerungen sind dabei die jüngsten kaltzeitlichen Ablagerungen der Weichseleiszeit, die vor etwa 10.500 Jahren endete und damit auch die Grenze zur jüngsten Epoche der Erdneuzeit, dem Holozän, darstellt.

Die durchschnittliche Mächtigkeit des oberen Grundwasserleiters beträgt etwa 28 Meter, wobei in der Regel nur etwa zwei Drittel davon wassererfüllt sind. Das obere Drittel wird als ungesättigte Zone bezeichnet. Sie wird von der Geländehöhe bestimmt und gibt damit den Abstand (Flurabstand) zur wassererfüllten, gesättigten Zone an.

Mit dem Begriff Flurabstand oder Grundwasserflurabstand wird der lotrechte Höhenunterschied zwischen der Geländeoberfläche und der freien Grundwasseroberfläche bezeichnet. Die Flurabstände werden rechnerisch aus den Differenzen zwischen der Geländehöhe und der Höhe des Grundwasserspiegels ermittelt. Die Genauigkeit der Darstellung der Flurabstände ist abhängig von der Dichte des gemessenen Grundwasserpegelnetzes, der Genauigkeit des Höhenmodells aus der Geländeaufnahme und den geologischen Verhältnissen.

Flurabstände werden in hydrologischen Karten oder so genannten Flurabstandskarten dargestellt. Mit Hilfe der Flurabstandskarten lassen sich beispielsweise Aussagen zum Abstand der Grundwasseroberfläche und den Gründungstiefen von Tiefbaumaßnahmen beispielsweise für Tiefgaragen oder Keller machen.  Auch lässt sich so die Verfügbarkeit von Grundwasser für geothermische Energiegewinnungsanlagen abschätzen.

Der Flurabstand in Köln variiert teilweise erheblich. Mit der Entfernung vom Rhein weg, wird der Abstand in der Regel größer. Im Durchschnitt liegt der Flurabstand im Stadtgebiet bei etwa 10 bis 12 Meter, in Rheinnähe nur bei etwa 6 bis 8 Meter. In den östlichen und westlichen Stadtteilen steigt das Gelände an. Hier sind teilweise auch Flurabstände von über 15 bis zu 20 Metern möglich. Bei Rheinhochwasser kommt es durch das Einsickern von Rheinwasser in den Untergrund zu einem Rückstau und damit zu einem schnellen und deutlichen Anstieg des Grundwasserspiegels in unmittelbarer Rheinnähe.

An den zahlreichen aufgelassenen Baggerseen rund um Köln liegt der freie Grundwasserspiegel offen.

Die Fließrichtung des Grundwassers ist bei Normalwasserständen immer auf die Vorflut, den Rhein gerichtet. Durch den mäandrierenden Verlauf des Rheins, wird diese, im Idealfall auf den Rhein gerichtete Fließrichtung, geringfügig nach Norden abgelenkt.

Die Geschwindigkeit, mit der sich das Grundwasser durch das Lockergestein bewegt, ist von der Größe der Hohlräume und der Neigung der Grundwasseroberfläche abhängig. Die Geschwindigkeit wird in Metern pro Sekunde angegeben und variiert in der Regel zwischen 1 bis 2 Meter pro Tag.

Örtlich sind, insbesondere in unmittelbarer Rheinnähe und bei Hochwassersituationen, durchaus höhere Grundwasserfließgeschwindigkeiten im Untergrund möglich. Auch in Bereichen großer Wassergewinnungsanlagen können Fließgeschwindigkeit und Grundwasserfließrichtungen stark variieren.