Grundwasser - Zu Grundwasserneubildung, Grundwasserbewegung und Grundwassermodellierung

Inhalt

1 Einleitung

2 Bedeutung

3 Grundwasser
3.1 Grundwasserleiter bzw. Grundwasserstauer
3.2 ungespanntes und gespanntes Grundwasser

4 Grundwasserneubildung
4.1 Faktoren der Grundwasserneubildung
4.2 Unterirdisches Einzugsgebiet

5 Grundwasserbewegung
5.1 Dynamik des Grundwassers
5.2 Darcy-Gesetz
5.3. jährliche Schwankungen des Grundwassers
5.4 Retention-Rückhaltevermögen
5.5 Grundwasserzehrung

6 Grundwassermodellierung
6.1 Grundwasserhaushalt
6.2 Modell der Verweildauer
6.3 Piston-Flow-Modell
6.4 Dispersiona-Modell
6.5 Exponentialmodell

7 Vergleich Grundwassermodellierung mit Einzugsgebietmodellen

8 Fazit

9 Literatur

1 Einleitung

Diese Hausarbeit hat das Grundwasser zum Thema und soll dessen Vorkommen, Verhalten und Dynamik aufzeigen. Das Grundwasser schließt sich der ungesättigten Zone im Erdreich an und ist ein bedeutender Bestandteil des Wasserkreislaufes. Ich versuche die wichtigen Einflussfaktoren auf den Grundwasserhaushalt heraus zu stellen und am Ende der Arbeit einige Modellkonzepte vorzustellen und einen Vergleich der Grundwassermodellierung mit dem oberirdischen Einzuggebiet zu ziehen.

2 Bedeutung

Grundwasser stellt ca. 50 % der gesamten Wasservorräten der Erde da. Ihm gebührt daher große Bedeutung, denn es trägt in weiten Gebieten die Hauptlast der Wasserversorgung. Es dient als Beregnungs- Brauch und vor allem als Trinkwasser. In Deutschland wird 75% der Wasserversorgung durch das Grundwasser gesichert. Die Beschaffenheit des Grundwassers ist nicht so großen Schwankungen wie oberirdische Gewässer unterworfen und stellt durch seine hohe Qualität den wertvollsten Teil der Wasserressourcen dar (Hölting, B. 1980:265 ff.). Das Wasser fungiert als mobile konvektive Transportphase und als Lösungsmittel ist es stark an Lösungs- und Stofftransportprozessen beteiligt. Seine katalytische Eigenschaft, führt beim Grundwasserfließen zu Selbstreinigungsvorgängen. Das oberflächennahe Grundwasser ist ein bestimmendes Element bei der Vegetationsausprägung und Grundwassersenkungen können zur Veränderung dieser führen. Grundwasserabsenkung kann im Bereich der Forst- und Landwirtschaft zu Ertragsminderung und im Siedlungsbereich zu Baugrundschäden führen (Keller, R. 1980 ff.).

3 Grundwasser

Das Grundwasser wird nach der DIN 4049 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.“ definiert (Jordan, H. & H.-J. Weder 1995:31).

Die Grundwasserzone schließt sich direkt der ungesättigten Zone an und wird auch als gesättigte Zone bezeichnet. In der gesättigten Zone, wird nach den verschiedenen Vorkommen das Grundwasser unterschieden. Es wird in juveniles und fossiles Wasser unterteilt, wobei das juvenile Wasser von flüssigen Gesteinsschmelzen bei der magmatischen Differentiationen abgegeben wird, aufsteigt und somit am Wasserkreislauf teilnimmt. Das fossile Wasser dagegen nimmt an dem aktuellen Wasserkreislauf nicht direkt teil und ist von wasserundurchlässigem Gestein umgeben. Diese Art von Grundwasser findet man häufig in ariden Gebieten und bewegt sich, wenn überhaupt äußerst langsam und in geologischen Zeiträumen. Eine weiter Form ist das konnate Wasser, welches bei der Sedimentierung in den Poren eingeschlossen wurde. Dieses Wasser reagiert mit den Sedimentpartikeln und ist an bestimmte Schichten gebunden und wird auch als Formationswasser bezeichnet(Baumgartner, A.& H.-J. Liebscher 1990:408 f.).

3.1 Grundwasserleiter bzw. Grundwasserstauer

Die Eigenschaften von Böden sind Wasser zu speichern und Wasser zu leiten. Daher werden Gesteine mit einem großen Porenvolumen und Porosität als Grundwasserleiter bezeichnet, da diese Böden (Sand & Kies) eine hohe Leitfähigkeit und ein gutes Speichervermögen von Wasser besitzen (Dyck, S. & G. Peschke 1995:320). Grundwasserleiter oder Aquifere werden nach ihrer Festigkeit und Hohlräumen unterteil. Der Lockergestein-Aquifer besitzt keine Klüfte oder Trennfugen und das Wasser zirkuliert in den Poren, daher wird dieser auch Porengrundwasserleiter genannt. Dieser Grundwasserleiter kann viel Wasser speichern und gibt dieses nur langsam an den Vorfluter ab. Die zweite Form ist der Festgestein-Aquifer, der durch Klüfte und Trennfugen charakterisiert ist und wenig Wasser speichern kann und das Wasser schnell dem Vorfluter zuführt. Es findet eine Unterteilung des Festgesteins-Aquifer in nichtverkarstungsfähige und verkarstungsfähige Gesteine (Karstgrundwasserleiter) wie Sulfatgestein oder Karbonatgestein statt. In diesem Aquifer zirkuliert das Wasser in Klüften, Trennfugen und an Trennflächen (Baumgartner, A.& H.-J. Liebscher 1990:409 ff.).

Gesteine die als Grundwasserstauer bezeichnet werden, lassen Wasser nur sehr geringfügig durchsickern, wenn ihre Mächtigkeit und Lagerungsbeständigkeit gering ausfällt. Die weitaus weniger vorhanden vollständigen Grundwasserstauer wie Rupelton, stauen das Wasser auf Grund ihrer großen Mächtigkeit zu 100%. Wenn im Boden Grundwasserleiter durch Grundwasserstauer getrennt sind und diese übereinander liegen und Grundwasser enthalten, wird auch von Grundwasserstockwerken gesprochen. Befindet sich ein höheres, isoliertes Grundwasserstockwerk über der durchgängigen Grundwasseroberfläche, spricht man von schwebenden Grundwasser (Marcinek, J. & E. Rosenkranz 1996:249 f.).

Abb. 1 Geohydrologische Begriffe (Marcinek, J. & E. Rosenkranz 1996:249)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.2 ungespanntes und gespanntes Grundwasser

Kann der Grundwasserspiegel auf Veränderungen des atmosphärischen Druck (Luftdruck) reagieren, spricht man vom ungespannten oder freien Grundwasser. Somit ist der Wasserdruck gleich dem Atmosphärendruck, da das Wasser durch Poren oder Klüfte im Gestein im direktem vertikalem Kontakt mit der Atmosphäre steht.

Das gespannte Grundwasser wird an seinem Aufstieg durch undurchlässige oder schlecht durchlässige Schichten gehindert. Der Grundwasserleiter füllt sich mit Wasser bis zur Deckfläche und Druck baut sich auf. Somit ist der Wasserdruck an der Deckfläche höher als der Luftdruck und beim Anbohren, von gespannten Grundwasser, steigt das Wasser im Standrohr über die obere Begrenzung des Aquifers im Rohr auf. Deshalb wird solch ein Grundwasserspiegel auch als Druckspiegel bezeichnet (Baumgartner, A.& H.-J. Liebscher 1990:406 ff.).

„Ein „Sonderfall“ des gespannten Grundwassers ist das artesische Wasser, dass sobald es auf natürlichem oder künstlich geschaffenem Wege an die Erdoberfläche gelangen kann, ständig oder zeitweilig unter Druck austritt“ (Marcinek, J. & E. Rosenkranz 1996:250).

4 Grundwasserneubildung

„Die Feststellung der Grundwasserneubildung ist wichtig, weil nur so viel Wasser aus dem Grundwasser entnommen werden darf, wie sich neubildet, denn andernfalls wird die „Lagerstätte“ erschöpft“ (Keller, R. 1980:57).

Die Grundwasserneubildung ist die wichtigste Ausgangsgröße im Grundwassersystem und wird als eine Funktion der Zeit angeben. Die Grundwasserneubildungsrate (G) bezeichnet, das Wasservolumen, dass der gesättigten Zone in einem bestimmten Gebiet, in einer bestimmten Zeit zugeführt wird. Die Grundwasserneubildungsrate wird noch mal unterschieden in die maximale Grundwasserneubildungsrate(Go), die alles Sickerwasser beinhaltet, welches die gesättigte Zone (Grundwasser) erreicht und der abflusswirksamen Grundwasserneubildungsrate (Ga). Diese Grundwasserneubildungsrate speist schließlich den Abfluss. Die allgemeine Formel für die Grundwasserneubildungsrate lautet:

G = P - ET P - Niederschlag

ET - Evatranspiration

(Baumgartner, A.& H.-J. Liebscher 1990:411 f.)

4.1 Faktoren der Grundwasserneubildung

Mehrere hydrologische Komponente und Einflussfaktoren tragen zur Neubildung von Grundwasser bei. Der Hauptteil geschieht durch die Versickerung oder Infiltration von Niederschlag, jedoch ist es nur Teil der Gesamtsummen die vom Niederschlag die Grundwasseroberfläche erreicht, denn der andere Teil fließt oberirdisch ab oder verdunstet. Je durchlässiger und weniger wassererfüllt die oberste Bodenschicht ist, um so größer ist die Versickerungsmenge. Neben der Bodenbeschaffenheit ist auch Art, Dauer und Intensität des Niederschlages von Bedeutung. Bei Dauerregen ist der Boden nach einiger Zeit gesättigt und nimmt daher weniger Niederschlag auf, ähnlich wie trockener Boden der nach kurzer Zeit aufquillt und wasserundurchlässig ist. Bei versiegelten Flächen oder Starkregen kommt es auf Grund der Bodenversiegelung bzw. Verdichtung auch zu einer geringen Niederschlagsversickerung. Bei nicht gefrorenem Boden und langsamen Tauvorgängen kommt es zu großflächigen und starken Versickerungen des Niederschlages in den Untergrund.

Die Infiltration aus Oberflächengewässern stellt auch einen nicht zu vernachlässigen Faktor bei der Grundwasserneubildung dar. Sobald der Wasserspiegel des stehenden oder fließenden Gewässer höher liegt als die Grundwasserspiegel kommt es zur Uferinfiltration auf Grund des Druckgefälles. Die geschieht vor allem bei Hochwasser, doch bei Gewässerverschmutzung kann es durch die Inhaltsstoffe zu einer Verschlammung des Gewässerbettes führen und somit zu einem Stop der Grundwasserneubildung.

Das Wasser in der gesättigten Zone wird teilweise auch durch Kondensation des Wasserdampfes im Boden gespeist. Dieser Faktor hat aber nur eine untergeordnete Rolle und tritt häufig in semiariden Gebieten auf, wo große Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht herrschen. Im humiden Klimabereich spielt diese Art der Grundwasserneubildung nur eine geringe Rolle.

Die Grundwasserneubildung kann außerdem durch den Aufstieg von juvenilen Wassers erfolgen. Das aufsteigende Wasser verbindet sich mit dem aus dem Niederschlag entstehenden Wasser im Boden, jedoch macht diese Wassermenge einen äußerst geringen Teil bei der Grundwasserneubildung aus.

Bei der künstlichen Infiltration, findet eine künstliche Anreicherung des Grundwassers statt. Dies geschieht um landwirtschaftliche Erträge zu steigern, Wasserversorgung von Städten zu sichern, Abwasserbeseitigung und zur Verhinderung des Eindringens von Salzwasser. Oft ist diese Form die einzigste Möglichkeit wieder einen Ausgleich zu zuvor entnommenen Grundwasser zuschaffen und die natürliche Grundwasservorräte zu ergänzen um den Wasserbedarf zu decken (Marcinek, J. & E. Rosenkranz 1996:244 ff.).

Ein sehr wichtiger Faktor der die Grundwasserneubildung bestimmt ist die Evapotranspiration. Denn je nach Flurabstand („lotrechter Abstand zwischen einem Punkt der Erdoberfläche und der Grundwasseroberfläche des ersten Grundwasserstockwerks“ - Schöniger, M. & J. Dietrich 2001) kommt es zu einem stärken oder schwächeren Entzug des Bodenwassers durch Evapotranspiration. Vor allem in der Vegetationsperiode ist die Evatranspiration größer als der Niederschlag, daher kommt es auch zu geringen bis gar keiner Grundwasserneubildung. Die Evapotranspiration ist außerdem sehr stark von der Vegetation und der Bodennutzung abhängig. Unter Ackerfläche ist sie am größten und nimmt mit Bewuchs ab und unter Wald ist sie schließlich am geringsten, außer der Wald steht auf einem sandigen Boden, denn da können sehr große Grundwasserneubildungsraten erreicht werden (Dyck, S. & G. Peschke 1995:326). So führen Böden wie Löß oder Ton mit einer geringen Porengröße zu einer sehr geringen Grundwasserneubildung. Im Gegensatz sind es hohe Neubildungsraten bei aufgelockerten und geklüfteten Böden und Felsen. „Die Grundwasserneubildung schwankt aber auch jahreszeitlich sehr stark (hohe Werte im Winterhalbjahr, geringe oder ausbleibende Grundwasserneubildung im Sommer und Herbst) und wird durch längere Naß –oder Trockenwetterperioden beeinflußt“ (Baumgartner, A.& H.-J. Liebscher 1990:412).

Abb. 2 Abhängigkeit der Evapotranspiration ET von der Korngröße der Böden, vom Flurabstand des Grundwassers (grundwassernah < 0,8m) und von der Vegetation nach Lysimetermessungen in Mitteleuropa (nach Dörhöfer & Josopait 1980, etwas geändert). T = Ton; L,1 = Lehm, lehmig; Lo = Löß; S,s = Sand, sandig (Baumgartner, A.& H.-J. Liebscher 1990:413)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Weiterhin ist die Grundwasserneubildung bei gleichem Klima vom Wassergehalt und Wasserspannung und der Durchlässigkeit abhängig. Die Hangneigung ist auch nicht zu unterschätzen, denn bei einem geneigtem Hang kommt es eher zu oberirdischen Abfluss oder zu Interflow als bei einer ebenen Fläche (Kleeberg, H.-B. 1992:277 ff.).

4.2 Unterirdisches Einzugsgebiet

Einzugsgebiete werden durch Wasserscheiden begrenzt, wobei Erhebungen wie Berge, Kämme und Hügel dies bei oberirdischen Einzugsgebieten darstellt. Bei unterirdischen Einzugsgebieten sind es unterirdische Wasserscheiden wie Kammlagen in der Grundwasseroberfläche (Dyck, S. & G. Peschke 1995:322). Bei Übereinstimmung der Topografie mit den tektonischen Verhältnissen können beide Einzugsgebietsbegrenzungen deckungsgleich sein. Häufig ist sind die beiden Einzugsgebiete sehr unterschiedlich begrenzt, jedoch gleichen sich die Differenzen bei großen Gebieten aus. Bei kleinen Einzugsgebieten ist das unterirdische Einzugsgebiet gut zu erkunden und abzugrenzen. Die unterirdischen Wasserscheiden werden mit Hilfe des Geohydrologischen Dreieckes ermittelt (Marcinek, J. & E. Rosenkranz 1996:250 f.).

„Beim Vergleich von ober- und unterirdischem Einzugsgebiet (Bild 4.18.) ist zu beachten, daß das letztgenannte wegen der zeitlichen Veränderung der Grundwasserstände (16.5.) veränderte Grenzen und damit eine zeitvariable Fläche hat“ (Dyck, S. & G. Peschke 1995:324). Die Wasserscheiden bestimmen die Fließrichtung des Infiltrierten Wasser und somit auch die Richtung des Grundwasserstromes.

Abb. 3 Wasserscheiden (Jordan, H. & H.-J. Weder 1995:36)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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