Grundwasser

Der Titel dieses Artikels ist mehrdeutig. Weitere Bedeutungen sind unter Grundwasser (Begriffsklärung) aufgeführt.

Gefasster Wasseraustritt aus einem ehemaligen Bergwerk, sogenanntes Grubenwasser

Grundwasser ist die Ansammlung von Wasser im Boden, das durch Versickern der Niederschläge oder teilweise auch aus Seen und Flüssen in den Erdboden gelangt. Das Fachgebiet, das sich mit Grundwasser befasst und erforscht ist die Hydrogeologie.

Grundlagen und Begriffsbestimmung

Grundwasser wird nach DIN 4049 definiert als

unterirdisches Wasser, das die Hohlräume der Erdrinde zusammenhängend ausfüllt und dessen Bewegung ausschließlich oder nahezu ausschließlich von der Schwerkraft und den durch die Bewegung selbst ausgelösten Reibungskräften bestimmt wird.

Das Wasserhaushaltsgesetz bestimmt Grundwasser als

das unterirdische Wasser in der Sättigungszone, das in unmittelbarer Berührung mit dem Boden oder dem Untergrund steht.

Die treibenden Kräfte für die Grundwasserströmung sind die Gravitationskraft und die durch sie hervorgerufenen Druckkräfte. Grundwasser bewegt sich (strömt, fließt) infolge Differenzen in der Piezometerhöhe (= hydraulisches Potential) durch die Hohlräume des Untergrunds. Nach dieser Definition zählt auch Stauwasser zum Grundwasser.

Nicht zum Grundwasser zählt das hygroskopisch, durch die Oberflächenspannung sowie durch Kapillareffekte gebundene unterirdische Wasser der ungesättigten Bodenzone (Bodenfeuchte, Haftwasser, s. auch Grenzflurabstand). Auch das sich vorwiegend vertikal bewegende Sickerwasser in der ungesättigten Bodenzone gehört nicht zum Grundwasser.

Die in der Definition genannten Hohlräume der Erdrinde sind je nach geologischer Beschaffenheit des Untergrunds: Poren (Klastische Sedimente und Sedimentgesteine wie z. B. Sand, Kies, Schluff), Klüfte (Festgesteine, wie z. B. Granit, Quarzit, Gneis, Sandsteine) oder durch Lösung entstandene große Hohlräume (z. B. Kalkstein). Dementsprechend unterscheidet man: Porengrundwasser (siehe auch: Porenwasser), Kluftgrundwasser und Karstgrundwasser.

Grundwasser nimmt teil am Wasserkreislauf. Die Verweilzeit reicht von unter einem Jahr bis hin zu vielen Millionen Jahren. Sehr alte Grundwässer werden auch als fossiles Wasser bezeichnet, z. B. die Vorkommen unter der Sahara.

Hydrogeologische Begriffe

Der Gesteinskörper, in dem sich das Grundwasser aufhält und fließt, wird als Grundwasserleiter (aus dem Lateinischen auch: Aquifer) bezeichnet. Er wird nach unten durch einen weiteren Gesteinskörper begrenzt, der wasserundurchlässig ist oder als wasserundurchlässig angesehen werden kann, dieser Grundwassernichtleiter wird auch als Aquiklud bezeichnet. Bei vertikaler Abfolge von mehreren Grundwasserleitern und Grundwassernichtleitern können mehrere übereinander liegende Grundwasserstockwerke (Horizonte) vorliegen.

Die obere Begrenzung des Grundwassers in einem Grundwasserleiter ist die Grundwasseroberfläche. In ihr ist bei einem ungespannten Grundwasserleiter der hydrostatische Druck definitionsgemäß gleich dem Luftdruck; praktischerweise wird der Luftdruck in der Hydromechanik oft gleich Null gesetzt; das hydraulische Druckpotential (engl. hydraulic head) ist an der freien Grundwasseroberfläche gleich der Summe aus ihrer geodätischen Höhe und dem Luftdruck (bzw. Null). Die in einer Grundwassermessstelle freiliegende Grundwasseroberfläche bezeichnet man als Standrohrspiegel. Der Abstand zwischen Geländeoberfläche und Grundwasseroberfläche wird mit Flurabstand oder Grundwasserflurabstand bezeichnet. Sofern die über dem Grundwasserleiter liegende geologische Einheit, die Grundwasserüberdeckung, eine wasserdurchlässige Schicht ist, herrschen ungespannte Verhältnisse vor. Ist die Grundwasserüberdeckung wasserundurchlässig, können gespannte Grundwasserverhältnisse vorliegen, was bedeutet, dass das hydraulische Potenzial höher liegt als die tatsächliche Grundwasseroberfläche (gespanntes, bei Überschreiten der Erdoberfläche artesisches Grundwasser - Artesische Quelle). Schichtenwasser ist durch wasserstauende Schichten oberhalb des Grundwassers am Versickern gehindertes, meist oberflächennahes, vom Hauptgrundwasserleiter unabhängiges Grundwasser. Befindet sich darunter eine nicht wassergesättigte Zone, spricht man von schwebendem Grundwasser.

Wie Oberflächengewässer folgt auch Grundwasser der Schwerkraft und fließt in Richtung des größten (piezometrischen) Gefälles. Für Grundwasserströmungsgebiete lässt sich dieses aus Karten ermitteln, auf denen Standrohrspiegelhöhen als Hydroisohypsen dargestellt sind (Grundwassergleichenplan). Das größte Gefälle und damit die Grundwasserströmungsrichtung bzw. die Grundwasserstromlinien liegen immer im rechten Winkel zu den Grundwassergleichen. Die einfachste Methode zur Erstellung eines Grundwassergleichenplans ist die Anwendung des Verfahrens des hydrologischen Dreiecks.

Im Vergleich zu Oberflächengewässern fließt Grundwasser zumeist mit sehr viel geringerer Geschwindigkeit. Man beachte auch den Unterschied zwischen Filtergeschwindigkeit und Abstandsgeschwindigkeit. In Kies (Korngrößen 2–63 mm) beträgt die Abstandsgeschwindigkeit 5–20 m/Tag (Maximalwerte liegen bei 70–100 m/Tag), in feinporigeren Sedimenten wie Sand (Korngrößen 0,063–2 mm) nur etwa 1 m/Tag.

Grundwasser fließt (exfiltriert, entlastet) in einen Vorfluter (Gerinne oder entwässernde Geländesenke) oder tritt in Quellen an der Erdoberfläche aus.

Der Begriff Wasserader (Radiästhesie) ist ein pseudo- oder parawissenschaftlicher Begriff und wird in der naturwissenschaftlichen, hydrologischen und hydrogeologischen Fachsprache nicht verwendet.

Zur Prognose oder Nachbildung von Grundwasserströmungen werden mathematische Grundwassermodelle eingesetzt, mit denen man Zuströmung, Entnahme, Absenkung und Neubildung von Grundwasser gut und detailgenau darstellen kann. Auch Gefährdungen ( Migration von Umweltschadstoffen) lassen sich damit frühzeitig erkennen, selbst historische Zustände kann man damit nachvollziehen, z.B. bei der Altlastenerkundungen. ^{[1] [2]}

Grundwasserneubildung

Grundwasser entsteht dadurch, dass Niederschläge versickern oder Wasser im Sohl- und Uferbereich von Oberflächengewässern durch Filtration (Uferfiltrat) oder anderweitige Anreicherung in den Untergrund infiltriert.

Bei der lang andauernden Untergrundpassage wird das Grundwasser durch physikalische, chemische und mikrobiologische Prozesse verändert; es stellt sich ein chemisches und physikalisches Gleichgewicht zwischen der festen und flüssigen Phase des Bodens oder Gesteins ein. So entsteht beispielsweise durch Aufnahme von Kohlenstoffdioxid (aus der Atmung der Bodenorganismen) und seine Reaktion mit dem Calcit und Dolomit die Wasserhärte. Bei genügend langer Verweilzeit können pathogene Mikroorganismen (Bakterien, Viren) so weit eliminiert werden, dass sie keine Gefährdung mehr darstellen. Diese Prozesse sind aus wasserwirtschaftlicher Sicht überwiegend positiv für die Beschaffenheit des Grundwassers und werden daher summarisch auch als Selbstreinigung bezeichnet.

Allerdings kann es bei der Versickerung sehr saurer Wässer, beispielsweise aus Tagebau-Restseen, auch zur Auslösung erheblicher Mengen an Aluminium aus Kristallingestein kommen. Ferner können saure Grundwässer, speziell durch Pyritverwitterung versauerte Grundwässer, hohe Gehalte an Eisen(II)-Verbindungen aufweisen.

Gefahren für das Grundwasser und Grundwasserschutz

Hinweisschild "Grundwasserschutzgebiet" in der Schweiz

Das Grundwasser ist in der Wasserrahmenrichtlinie der EU als Schutzgut eingestuft. Gleichzeitig soll bis 2015 ein guter chemischer und physikalischer Zustand erreicht werden^[3]. Aus diesem Grund wird das Grundwasser behördlich, mit Hilfe von Grundwassermessstellen überwacht.

Menschliche Aktivitäten können sich qualitativ und quantitativ negativ auf das Grundwasser auswirken.

In Deutschland sind mengenmäßige Engpässe durch übermäßige Grundwasserentnahme nur lokal von Bedeutung. In semiariden oder ariden Regionen mit geringer Grundwasserneubildung führt eine übermäßige Entnahme von Grundwasser zu einer großflächigen Absenkung der Grundwasseroberfläche und zu entsprechenden Umweltschäden. Bei grobem Verstoß gegen geltende Gesetze wird oftmals ein Strafverfahren gegen so genannte Umweltsünder eingeleitet.

Gefahren für die Grundwasserbeschaffenheit sind beispielsweise die Deposition und Bodenpassage von Luftschadstoffen, die übermäßige Ausbringung von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln durch die Landwirtschaft oder hochkonzentrierte Schadstofffahnen aus Altlasten.

Der pflegende (kurative) und wiederherstellende (sanierende) Grundwasserschutz hat daher eine wichtige Bedeutung im Umweltschutz. Zum vorbeugenden Grundwasserschutz zählt die Ausweisung von Wasserschutzgebieten im Einzugsgebiet von Wasserwerken. Die Sanierung von Grundwasserschäden ist meist teuer und zeitaufwändig.

Gefahren durch das Grundwasser für den Menschen

Normalerweise geht von Grundwasser keine direkte Gefahr für den Menschen (wie z.B. bei Magma-Vorkommen) aus. Es kommt jedoch gelegentlich zu Überschwemmungen und Unterspülungen, durch austretendes Grundwasser.^[4] Eine tödliche Gefahr stellt eintretendes Grundwasser beim Tunnelbau dar. Grundwasser kann Beton und die Stahlbewehrung angreifen. Deshalb muss grundsätzlich dort, wo Betonteile mit Wasser in Berührung kommen können, eine Grundwasserprobe entnommen werden, die gemäß DIN 4030 auf Betonaggressivität untersucht werden muss.

Ökosystem Grundwasser

Die Tiere des Grundwassers sind meist durchsichtig oder weiß und blind und ernähren sich beispielsweise von Bakterienfilmen auf den Bodenteilchen. In Europa gibt es über 2.000 Tierarten im Grundwasser, in Deutschland über 500 Arten.^[5]

• Ruderfußkrebse
• Urringelwürmer
• Grundwasserassel
• Schnecken
• Höhlenflohkrebse
• Hüpferlinge
• Brunnenkrebse

Siehe auch

• Grundwasserleiter, Grundwasserabsenkung, Grundwasserspiegel, Grundwasserschutz
• Salzwasserintrusion

Einzelnachweise

Literatur

• G. Mattheß & K. Ubell: Lehrbuch der Hydrogeologie, Band 1: Allgemeine Hydrogeologie, Grundwasserhaushalt. 1983, Gebr. Borntraeger, Berlin/Stuttgart, ISBN 3-443-01005-9.
• Kinzelbach, W. & Rausch, R. (1995): Grundwassermodellierung: Eine Einführung mit Übungen.- 284 S., 223 Abb., 15 Tab., 2 Disketten; Berlin, Stuttgart (Borntraeger), ISBN 3-443-01032-6.
• Zipfel Klaus, Battermann Gerhard: Hauptsache Grundwasser -Grundwassermodelle, Möglichkeiten, Erfahrungen, Perspektiven-, Hrsg. Technologieberatung Grundwasser und Umwelt (TGU), 227 Seiten, zahlreiche Abbildungen und Beispiele, Koblenz (1997)
• Hölting, B. & Coldewey, W. G. (2005): Hydrogeologie – Einführung in die Allgemeine und Angewandte Hydrogeologie. – 6. Aufl., 326 S., 118 Abb., 69 Tab.; München (Elsevier), ISBN 3-8274-1526-8.
• Werner Aeschbach-Hertig: Klimaarchiv im Grundwasser. Physik in unserer Zeit 33(4), 160 - 166 (2002), ISSN 0031-9252.
• R. Schleyer & H. Kerndorff: Die Grundwasserqualität westdeutscher Trinkwasserressourcen. 1992, VCH, Weinheim, ISBN 3-527-28527-X.
• Gudrun Preuß, Horst Kurt Schminke: Grundwasser lebt! Chemie in unserer Zeit 38(5), S. 340 - 347 (2004), ISSN 0009-2851,ISBN 3-527-28527-X.
• Frank-Dieter Kopinke, Katrin Mackenzie, Robert Köhler, Anett Georgi, Holger Weiß, Ulf Roland: Konzepte zur Grundwasserreinigung. Chemie Ingenieur Technik 75(4), S. 329 - 339 (2003), ISSN 0009-286x
• Robert A. Bisson, Jay H. Lehr: Modern groundwater exploration. Wiley, Hoboken 2004, ISBN 0-471-06460-2
• Robert Bowen: Groundwater, Elsevier Applied Science Publishers Ltd., New York (USA), 2. Auflage 1986, ISBN 0-85334-414-0
• H. M. Raghunath: Groundwater, 2. Auflage, Reprint 2003, New Age International Publishers, New Delhi (I), ISBN 0-85226-298-1
• M. Thangarajan: Groundwater - resource evaluation, augmentation, contamination, restoration, modeling and management, Springer, 2007, Dordrecht (NL), ISBN 978-1-4020-5728-1 (Hardbook), ISBN 978-1-4020-5729-8 (E-Book)

Weblinks

Commons: Grundwasser – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Vorlage:Commonscat/WikiData/Difference

Wiktionary: Grundwasser – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• WHYMAP - World-wide Hydrogeological Mapping and Assessment Programme: Grundwasserweltkarte
• Broschüre Grundwasser in Berlin (Gesamtausgabe), Senatsverwaltung Bereich Umwelt (37,5 MB) (PDF-Datei)
• "Wie entsteht Grundwasser?" - Schüler- und Lehrerangebot des Bayerischen Landesamtes für Umwelt
• BR-online: Ökosystem Grundwasser – Leben ohne Licht und Luft (podcast)