Grundwasserleiter

Karte der weltweiten geringsten Verfügbarkeit an sich erneuerndem Süßwasser pro Einwohner und Jahr

Eine Frau beim Wasserschöpfen aus einer offenen Wasserquelle, Mwamanongu Village, Tansania

Ein Grundwasserleiter, ehemals auch Grundwasserhorizont oder Grundwasserträger, ist ein Gesteinskörper mit Hohlräumen, der zur Leitung von Grundwasser geeignet ist. Eine weite Verbreitung hat inzwischen auch der ursprünglich aus dem englischen Sprachraum stammende Begriff Aquifer (aus dem Lateinischen, aqua, dt. Wasser; ferre, dt. tragen) erfahren, jedoch ohne in die für Deutschland gültige hydrogeologische Begriffsbestimmung nach DIN 4049-3 übernommen worden zu sein. Obwohl auch in Teilen der deutschen Fachwelt meist als Synonym zum Grundwasserleiter genutzt, bezeichnet ein Aquifer ursprünglich eine zur Abgabe von signifikanten Wassermengen geeignete Schichtenfolge bzw. Teile derselben. Dies schließt Wasser der ungesättigten Zone explizit mit ein, was aber in der für Deutschland gültigen Definition des Grundwassers nicht der Fall ist. Ein Grundwasserleiter erstreckt sich also im Gegensatz zu einem Aquifer nur über die gesättigte Zone, was zur Folge hat, dass beide Begriffe höchstens im Einzelfall als Synonyme gebraucht werden können. Man kann jedoch davon ausgehen, dass bei der Verwendung des Begriffs Aquifer im deutschsprachigen Raum ein Grundwasserleiter gemeint ist.

Es werden drei Arten von Grundwasserleitern unterschieden:

1. Porengrundwasserleiter bestehen aus Locker- oder Festgestein, dessen Porenraum von Grundwasser durchflossen wird
2. Kluftgrundwasserleiter bestehen aus Festgestein. Sie enthalten durchflusswirksame Klüfte und Gesteinsfugen
3. Karst-Grundwasserleiter bestehen aus verkarsteten Karbonatgesteinen mit durchflusswirksamen Verkarstungen

Ein Grundwasserleiter wird geologisch durch wasserundurchlässige Schichten (z. B. Tone) begrenzt, die dann Aquifugen genannt werden.

Ihre Kenntnis und Erkundung ist wichtig für die Trinkwassergewinnung und die bergbauliche Grundwasserbeeinflussung (siehe dazu: Tagebauentwässerung, Wasserhaltung).

Die wichtigste Eigenschaft eines Grundwasserleiters ist die Transmissivität.^[1]

Begriffe und Arten

Ein Grundwassernichtleiter ist ein Gesteinskörper, der kein Grundwasser leitet. Ein Geringleiter dagegen hat einen sehr geringen Durchlässigkeitsbeiwert, wobei der Übergang zu einem Nichtleiter fließend definiert wird. Ein den Grundwasserleiter begrenzender Bereich mit schlechter Durchlässigkeit ist ein Grundwasserhemmer. All diesen gemeinsam sind meist geringe Korngrößen und eine geringe Porosität. Die englischen Begriffe sind Aquiclude für den Nichtleiter und Aquitarde für den Geringleiter.

Ein Grundwasserkörper ist ein räumlich eindeutig abgrenzbares Grundwasservorkommen, wohingegen der Grundwasserraum den mit Grundwasser gefüllten Gesteinskörper bezeichnet. Die Grundwassermächtigkeit ist als lotrechter Abstand zwischen Grundwasseroberfläche und Grundwassersohle definiert, also zwischen der oberen und unteren Grenze des Grundwasserkörpers. Des Weiteren unterscheidet man zwischen gespannten und ungespannten Grundwasserleitern, die über die relative Position von Grundwasseroberfläche und Grundwasserdruckfläche definiert sind. Dabei ist die Grundwasserdruckfläche der Bereich, bis zu dem das Wasser entsprechend seinem hydrostatischen Druck in einem freien Brunnen ansteigen würde. Insofern dieser Bereich der Grundwasseroberfläche entspricht, handelt es sich um einen ungespannten bzw. freien Grundwasserleiter. Wird der Anstieg des Grundwassers jedoch vor Erreichen der Druckfläche durch eine nicht- bzw. schlechtleitende Schicht unterbunden, so liegt ein gespannter Grundwasserleiter vor. Diese Unterscheidung wirkt sich maßgeblich auf das Verhalten eines Grundwasserleiters bei der Anlage von Grundwassermessstellen sowie der Durchführung von Pumpversuchen und der letztlichen Grundwasserentnahme aus. Einen Sonderfall des gespannten Grundwasserleiters bilden artesische Grundwasserleiter, bei denen die Druckfläche über dem Erdboden liegt und das Grundwasser somit unter ungespannten Verhältnissen (z. B. durch das Abteufen einer Bohrung) eine Quelle bilden würde.

Nutzung, Risiken

Speicherung

Wärme, Kälte

Aquifere können genutzt werden, um thermische Energie langfristig zu speichern und sie so zum Heizen oder Kühlen von Gebäuden verfügbar zu machen. Dazu wird warmes Wasser aus einem Aquifer z. B. im Winter zum Heizen von Gebäuden verwendet und kühlt sich dabei ab. Dieses abgekühlte Wasser wird in den Aquifer zurückgeführt und kann dann im Sommer wiederum der Gebäudekühlung dienen. Beim Kühlen des Gebäudes kann das Wasser im Nachgang noch zusätzlich, z. B. durch Sonnenkollektoren erwärmt und wieder im Aquifer gespeichert werden. Für dieses Verfahren sind mindestens zwei Brunnen, ein Schluck- und ein Entnahmebrunnen nötig, die je nach Jahreszeit in ihrer Funktion wechseln.^[2]

In nichtvulkanischen Gebieten können die Temperaturen im Untergrund sehr unterschiedlich sein. Zur Wärmegewinnung aus einem Aquifer sind dann in der Regel tiefere Bohrungen notwendig: für eine wirtschaftliche Stromerzeugung sind Temperaturen über 100 °C erforderlich. Liegen diese vor, so kann Wasser gefördert, abgekühlt und reinjiziert werden. Man spricht dann von Hydrothermaler Geothermie.

Druckluft

Druckluft kann u. a. auch in Grundwasserleitern gespeichert werden. Dazu werden sogenannte (CAES-Kraftwerke) genutzt. Derartige Anlagen werden mit dem Kraftwerk Huntorf und dem Kraftwerk McIntosh bereits seit vielen Jahren betrieben.^[3] Bei diesen Anlagen erfolgt die Speicherung allerdings in Salzstockkavernen; für die Zukunft ist aber auch die Speicherung in Grundwasserleitern denkbar, wie sie für Erdgas bereits erfolgreich praktiziert wird.

CO₂

Die Speicherung in Aquiferen weit unterhalb einer nutzbaren Grundwassertiefe (ab einer Tiefe von 900 Metern) wird aufgrund des begrenzten Speicherpotentials als Zwischentechnologie für die Vermeidung von CO₂-Emissionen bei der Energiegewinnung gesehen.

Im Gegensatz zur Sequestrierungsdauer in Ozeanen (bis zu 10.000 Jahren) kann hierbei mit einer Speicherdauer von über 1 Million Jahren gerechnet werden.^[4] Die Speicherung in Ozeanen birgt dabei jedoch enorme ökologische Gefahren, falls doch eine Speicherblase an die Oberfläche dringt.

Rohstoffgewinnung

Erdgas

Die Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit steigt mit zunehmendem Druck und sinkt mit zunehmender Temperatur. Durch die steigende Temperatur in zunehmender Tiefe sinkt die Löslichkeit. Dieser Effekt wird jedoch durch den höheren Druck ausgeglichen. Das in Gesteinsporen gehaltene Wasser (Formationswasser) kann mit wachsender Tiefe größere Mengen Gas binden. Bei Druckentlastung löst sich dann ein Teil des Gases und tritt entweder als freies Gas in die Atmosphäre oder wird bei geeigneten geologisch-strukturellen Voraussetzungen in Lagerstätten gefangen. Der im Formationswasser verbleibende Teil wird als Aquifergas bezeichnet. Hauptproblem bei der Förderung ist die Landabsenkung, wie sie in Japan und Italien beobachtet wurde. Diese kann jedoch durch Reinjektion des entgasten Wassers begegnet werden.

Trinkwasser

(Trink)wasser aus einem Wasserhahn

Eine Ultrafiltrationsanlage zur Trinkwasseraufbereitung

Für die Menschen ist nur ca. 1 % des weltweit vorkommenden Süßwassers nutzbar – das entspricht einem Anteil von ca. 0,007 % des gesamten (Salz-, Süß-, usw.) Wassers, das auf der Erde überhaupt vorkommt.
Der Anteil von 2,5 % Süßwasser am weltweiten Wasservorkommen befindet sich dabei zu 70 % als gebundenes Wasser in den Eisschichten der Polkappen, die restlichen 30 % verteilen sich in Aquiferen bzw. sind als Bodenfeuchte gespeichert.^[5]

Weltweit werden Aquifere in größtem Umfang zur Trinkwassergewinnung genutzt. Übersteigt die Entnahme den Zufluss, oder wird nicht erneuerbares fossiles Wasser genutzt, ist eine nachhaltige und dauerhafte Nutzung nicht gewährleistet.^[6]

Immer wieder tritt bei der Versorgung mit dem natürlich vorhandenen, jedoch lebensnotwendigen Stoff privates Gewinnstreben weltweit tätiger Großkonzerne und Dienstleister mit der Aussicht auf hohe Gewinne in Konflikt mit dem von der UNO formulierten Menschenrecht auf Wasser und der Versorgung durch öffentliche Unternehmen. Dabei steht auch die Einordnung des Elementes als eine handelbare Ware wie jede andere (EU-Kommission) im Gegensatz zu seinem Verständnis als öffentliches Gut zur Gewährleistung von Grundversorgung und Daseinsvorsorge. Außerdem besitzt das Wasserversorgungsunternehmen in der Regel neben den Aufbereitungsanlagen auch das Verteilungsnetz und kann sich so vor Konkurrenz schützen.

Im Prozess der Trinkwasseraufbereitung werden Verfahren zur Grundwasseranreicherung in einigen Fällen genutzt. Dabei wird oftmals Oberflächenwasser in den Grundwasserleiter reinfiltriert um die Reinigungswirkung (Entmanganung, Enteisenung, biologischer Abbau) des Untergrundes zu nutzen. Allerdings können dadurch auch Schadstoffe in den Boden eingetragen werden. Diese Schadstoffe müssen dann im weiteren Prozess der Trinkwasseraufbereitung wieder z. B. durch Aktivkohlefilter eliminiert werden. Um den Schadstoffeintrag möglichst gering zu halten, wird das in den Grundwasserleiter infiltrierte Wasser oftmals vorbehandelt.

Bewässerung

Ein Bewässerungskanal

Die Nutzung nichterneuerbaren Wassers für landwirtschaftliche Bewässerung ist aus ökonomischer und ökologischer Sicht sehr umstritten.^[7]

Wasserspiegel des Ogallala Aquifers bei Morton, Kansas, USA: in 15 Jahren um ca. 25 m gesunken

Wasserspiegel des Ogallala Aquifers bei Seward/Kansas, USA: im Beobachtungszeitraum während 15 Jahren um ca. 20 m gesunken

Das Ogallala-Aquifer in Zentral-Nordamerika wurde ab 1911 zur landwirtschaftlichen Bewässerung genutzt. Da die Menge des entnommenen Wassers schon bald die Menge des zufließenden Wassers überschritt, begann der Wasserspiegel schnell zu sinken. Heutigen Schätzungen zufolge liegt die Quote von entnommenem zu zugeführtem Wasser etwa bei 25, das heißt, dass für 25 Liter entnommenen Wassers nur ein Liter neues Wasser durch Versickerung nachfließt, an manchen Stellen wurde ein Absinken des Wasserspiegels von bis zu 1,50 Metern pro Jahr gemessen. Einige Teile des Aquifers sind somit heute bereits wasserlos; hält diese Austrocknung an, könnte mittelfristig die Landwirtschaft in der Gegend unmöglich werden. Einige Flüsse der Region liegen außerdem teilweise tiefer als der Grundwasserspiegel, was dem Aquifer zusätzlich Wasser entzieht. Noch deutlicher wird die Größenordnung eines derartigen Absinkens des Wasserspiegels, zieht man die Ausdehnung dieses Aquifers (siehe untenstehende Tabelle) in Betracht.

Äußerst problematisch ist die Nutzung von fossilem Grundwasser. Im Westen Ägyptens wurde, nach dem Versiegen der artesischen Quellen in einigen Oasen (Bahariya, Farafra, Abu Minkar, Dahkla und Kharga) der Nubische Aquifer angezapft.^[8] In dieser Region ist, aufgrund des vorherrschenden hyperariden Klimas, nahezu keine Grundwasserneubildungsrate vorhanden. Wegen der starken Nutzung der Grundwasserressourcen sank der Grundwasserspiegel des nubischen Aquifers bis 2009 um ca. 60 m.

In den nordwestindischen Aquiferen im Großraum Neu-Delhi, im Punjab sowie in den indischen Bundesstaaten Haryana und Rajasthan ist der Wasserspiegel in den vergangenen sechs Jahren (2009) pro Jahr um mehr als 30 Zentimeter gefallen; der Verlust beträgt über 100 km³.^[9][10] Im gesamten Land hat sich die Fläche der bewässerten Äcker zwischen 1970 und 1999 verdreifacht.^[11] Nach einer Studie der Naturschutzorganisation WWF nutzen indische Bauern für die Bewässerung ihrer Felder 400 km³ Wasser jährlich. Nur 150 km³ davon stammen aus Niederschlägen, der Rest kommt aus Grundwasserleitern.^[12]

Im kalifornischen Zentraltal (California Central Valley) sind aufgrund intensiver landwirtschaftlicher Nutzung ca. 20 Mio. km³ Grundwasser verloren gegangen.^[13]

Verschmutzung mit chemischen Stoffen

Eine Mülldeponie, Glindow-Bliesendorf, D, 1990

Weltweit unterliegen viele Grundwasserkörper enormen Belastungen aus Industrie und Landwirtschaft. Diese Belastungen stammen aus direkten Einleitungen von Ab- oder Kühlwässern oder aus indirekten Einträgen über die Versickerung von Spritz- und Düngemitteln. Dabei spiegelt sich ein verantwortungsvoller Umgang mit der Umwelt (ökologischer Landbau z. B. kann die Nitratbelastung erheblich verringern) in der Belastung des Grundwassers wieder. Problematisch ist vor allem, dass Verunreinigungen des Grundwassers über Jahrzehnte und länger gespeichert werden können und somit lange nachweisbar sind.

Arsen

In vielen Regionen der USA, Südamerikas und Asiens kommen im Grundwasser sehr hohe Konzentrationen von Arsen vor. Auch in Europa, speziell in Großbritannien, treten überhöhte Werte auf.^[14][15] In Deutschland ist das Grundwasser im Schwarzwald stellenweise mit Arsen belastet.^[16][17]

Kaliumchlorid (Kalisalz)

Im süddeutsch-französischen Oberrhein-Aquifer liegen zum Teil erhebliche Belastungen aus Salzeinträgen von Abraumhalden und alten Lagerbecken der hier aufgelassenen bergmännischen Kalisalz-Gewinnung vor.

Nitrat

Nitrat kann bei Menschen mit untypischer Darmflora und bei Säuglingen im Darm zu Nitrit umgewandelt werden, welches toxisch ist. Zudem wird Nitrat als Indikator für unerwünschte stickstoffhaltige, organische Verschmutzungen betrachtet.

Anthropogen erhöhte Nitratgehalte im Grundwasser sind eine weltweit bekannte Erscheinung, die in der Regel in dicht besiedelten Gebieten auftreten sowie durch intensive Landwirtschaft (Stickstoff- oder Gülledüngung) verursacht werden. Zur Ermittlung von Nitrateinträgen aus dem Boden-Pflanze-System in das Grundwasser wird teilweise ein deterministisches Nitratverlagerungsmodell eingesetzt, welches den mittleren Stickstoffeintrag aus der Fläche berechnet.^[18] Der Grenzwert für Trinkwasser der Europäischen Union liegt derzeit (2010) bei 25 mg/l.

Auch in unbesiedelten, semiariden Gebieten können erhöhte Nitratgehalte in Grundwasser vorkommen, die nicht auf anthropogene Einflüsse zurückzuführen sind und somit ihre Ursache in natürlichen Prozessen haben. In den Ländern des südlichen Afrika (Republik Südafrika, Namibia, Botswana) werden lokal Nitratkonzentrationen von bis zu 600 mg/l angetroffen, die erheblich über dem Grenzwert der World Health Organization (WHO) von 50 mg/l liegen. Es ist bisher nicht eindeutig geklärt, wo die Ursachen für diese erhöhten Nitratgehalte liegen.^[19]

Strategien zur nachhaltigen Nutzung

Reinhaltung durch ökologische Forst- und Landwirtschaft

Die Stadt München unterstützt mit ihren Wasserwerken seit Jahren in großem Stil Landwirte der Umgebung, welche auf ökologischen Landbau umstellen. Damit konnte die Ende der 1960er Jahre steil angestiegene Nitratbelastung auf einem mittleren Niveau stabilisiert und das gewonnene Grundwasser ohne weitere Aufbereitung nach München geleitet werden.^[20]

Einschränkung des Wasserverbrauches

Einige öffentliche Wasserversorger sind analog der mittlerweile etablierten Form der Energiegewinnung durch Einsparung dazu übergegangen, wassersparende Techniken und Installationen auch bei Endverbrauchern in Form von Beratungsleistung und finanziellen Zuschüssen zu unterstützen, um den Wasserverbrauch zu reduzieren. Dies kann nachhaltig zur Stabilisierung von Grundwasservorkommen und Wasserqualität beitragen.

Vergleich großer Aquifere weltweit

Weitere länderübergreifende Beispiele

• Koyna River Basin, Indien^[25]
• Systeme d’Aquiferes du Sahara Septentrional (SASS), Afrika: Algerien, Libyen, Tunesien
• Iullemeden-Aquifer, Afrika: Mali, Niger, Nigeria^[26]

Siehe auch

• Grundwasserabsenkung, Grundwasserschutz
• Salzwasserintrusion

Literatur

• DIN 4049-3 – Hydrologie, Teil 3: Begriffe zur quantitativen Hydrologie.
• Hanspeter Jordan, Hans-Jörg Weder: Hydrogeologie. Grundlagen und Methoden. 2., stark überarb. u. erw. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, 1995, ISBN 3432268823.
• Bernward Hölting, Wilhelm Georg Coldewey: Hydrogeologie. Einführung in die Allgemeine und Angewandte Hydrogeologie. 6. Auflage. Spektrum akademischer Verlag, München 2005, ISBN 3827415268.
• Wolfgang Kinzelbach, Randolf Rausch: Grundwassermodellierung: Eine Einführung mit Übungen. Borntraeger, 1995, ISBN 3443010326.
• R. Allan Freeze, John A. Cherry, Alan R. Freeze: Groundwater. 5. Auflage. Prentice Hall, 1979, ISBN 0133653129.

Weblinks

Allgemein:

• Grundwasserleiter Hochrhein
• www.wasser-wissen.de → Grundwasserleiter
• Grundwasserleitertypen in Schleswig-Holstein

Zur Bewässerung aus Aquiferen:

• home.rhein-zeitung.de, Referat, 2 Oktober 1997, Julia Brüning: Landwirtschaft an den Grenzen des Regen- und Bewässerungsfeldbaus, dargestellt am Beispiel der USA
• www.spektrumdirekt.de, Wissenschaftszeitung im Internet, Erde 3.0 – Sonderausgabe, November 2009, Tanja Krämer: Wasserknappheit – Der große Durst – Indien verbraucht mehr Grundwasser, als neues entsteht

Zur Energiegewinnung aus Aquiferen:

• Aquifer speichert Überschusswärme aus Heizkraftwerk Projektinfo von BINE Informationsdienst
• Aquiferspeicher für das Reichstagsgebäude Projektinfo von BINE Informationsdienst

CO₂-Speicherung in Aquiferen:

• dipbt.bundestag.de, Deutscher Bundestag, 16. Wahlperiode, Drucksache 16/12672, 22. April 2009, Antwort der Bundesregierung auf die Kleine Anfrage der Abgeordneten Bärbel Höhn, Hans-Josef Fell, Sylvia Kotting-Uhl, weiterer Abgeordneter und der Fraktion BÜNDNIS 90/DIE GRÜNEN (Drucksache 16/12540): CO2-Abscheidung und -Lagerung
• * www.spektrumdirekt.de, Wissenschaftszeitung im Internet, Erde 3.0 – Sonderausgabe, November 2009, Daniel Lingenhöhl: Energieerzeugung – Wie grün wird Schwarz? – Chancen und Hindernisse der Kohlendioxideinlagerung

Einzelnachweise