Grundwasser I. Matthias Willmann, Wolfgang Kinzelbach, Fritz Stauffer.

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1 Grundwasser I Matthias Willmann, Wolfgang Kinzelbach, Fritz Stauffer

2 Einleitung Was ist Grundwasser? Wasser, das in zusammenhängenden Poren oder Klüften des Untergrundes fliesst. Grundwasserleiter (Aquifer) Lockergesteinsaquifer Kluft-Aquifer Karst-Aquifer

3 Nationale Grundwasserbeobachtung NAQUA

4 Grundwasservorkommen der Schweiz

5 Kiesig-sandige Ablagerung

6 Wasserreserven global

7 Süsswasserreserven global Total Süsswasservolumen km 3 Eisschilde, Gletscher 24,000,000 km 3 Grundwasser km 3 Permafrost km 3 Seen km 3 Bodenfeuchte km 3 Wasserdampf km 3 Feuchtgebiete km 3 Flüsse km 3 Biota km 3 Shiklomanov (1993)

8 Zugängliches Süsswasser global zugängliches Süsswasser km 3 davon zugängliches Grundwasser km 3 UN, Freshwater Future (2003)

9 Erneuerungsraten global Volumen [km 3 ] Erneuerungsraten [km 3 /a] Seen und Flüsse Grund- und Bodenwasser Gleick (1993); Postel et al. (1996)

10 Erneuerungsrate in Grundwasser (Winter et al., 2013)

11 Abfluss und Wasserentnahme global Zugänglicher Abfluss km 3 /a Wasserentnahme km 3 /a Grundwasser verfügbar km 3 /a Grundwasserentnahme 800 km 3 /a Entleerung von Grundwasserspeichern 200 km 3 /a

12 Wasserhaushalt der Schweiz

13 Wasserreserven der Schweiz Volumen [km 3 ] Erneuerungszeiten Seen und Flüsse 134 Jahre bis Jahrzehnte Grundwasser 56 Jahrzehnte bis Jahrhunderte Gletscher 68 Jahrhunderte bis Jahrtausende Stauseen 4

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15 Bedeutung des Grundwassers: Nutzung als Trinkwasser in der Schweiz In der Schweiz stammt über 80% des Trinkwassers aus Grundwasser bzw. Quellwasser. Die öffentlichen Wasserversorgungen geben pro Jahr etwa 950 Mio. m 3 Grundwasser inkl. Quellwasser ab.

16 Vorteile des Grundwassers als Trinkwasser i.d.r. hohe Qualität Filtration durch Boden, biologischer Abbau niedrige Temperatur rel. Schutz vor Verschmutzung durch Überdeckung Nachteile Energieaufwand bei der Gewinnung (Pumpkosten) Einsichtnahme schwierig falls verschmutzt: schwieriger und langwieriger Reinigungsprozess geringere spezifische Speicherfähigkeit als Stausee

17 Grundwasserprobleme (1) Dimensionierung einer Grundwasserfassung; Aufstau/Absenkung; künstliche Anreicherung; Drainagen; Ableitungen Bewirtschaftung des Aquifers Thermische Nutzung des Grundwassers Dimensionierung einer Sanierung

18 Beispiel Grundwassernutzung Grundwasserpumpwerk Giessen

19 Beispiel Schutzzonen Simulation Brunneneinzugsgebiet Giessen

20 Beispiel Aufstau/ Absenkung Bsp. Simulation der Beeinflussung des Grundwassers durch Neubau Kraftwerk Rheinfelden (ELEKTROWATT, 1987)

21 Beispiel Pumpversuch Studie Anreicherung Weiach (agw Kt. Zürich, 1990)

22 Beispiel Pump- und Anreicherungsversuch Studie Anreicherung Weiach (agw Kt. Zürich, 1990)

23 Beispiel Grundwasseranreicherung Schema Grundwasserwerk Hardhof der Wasserversorgung Zürich Limmat Horizontalfilterbrunnen Anreicherungsbecken Vertikalfilterbrunnen

24 Beispiel thermische Nutzung: Erdwärmesonden BAFU, 2009

25 Einfluss von Wärmepumpen und Kühlwasser, Altach Beispiel thermische Nutzung

26 Grundwasserprobleme (2) Bedrohung in quantitativer Hinsicht Übernutzung des Aquifers; sinkende Grundwasserspiegel Behinderung der Infiltration; Versiegelung, Verdichtung; Querschnittsverengung durch Bauten im Grundwasser

27 Beispiel Übernutzung Mamou, 1990

28 Beispiel Bauten im Grundwasser

29 Grundwasserprobleme (3) Bedrohung in qualitativer Hinsicht Infiltration aus belasteten Oberflächengewässern Infiltration aus defekten Kanalisationsleitungen Unsachgemässe Verwendung von Dünger und Pestiziden in der Land- und Forstwirtschaft, z.b. Nitrat Belastete Sickerwässer von Altlasten Unsachgemässe Anwendung und Lagerung von wassergefährdenden Stoffen, Störfälle, z.b. CKW Transportunfälle, z.b. Mineralöl Störfälle bei Deponien und Lagerung radioaktiver Stoffe Deposition von Luftschadstoffen, Infiltration von belasteten HS Niederschlägen 2015

30 Bp. Nitrat /

31 Nitrat im Klettgau

32 Beispiel Ausbreitung von chlorierten Kohlenwasserstoffen CKW

33 Beispiel Sanierung CKW-Verschmutzung Fahne mit chlorierten Kohlenwasserstoffen in Phase Grundwasser-Fliessrichtung Schadstoff fahne im Wasser gelöst Sanierungsbrunnen Reaktive Wand Zugabebrunnen Funnel and Gate

34 Nachhaltige Grundwasserbewirtschaftung Eine Ressourcenbewirtschaftung ist nachhaltig, wenn sie die ökologischen, wirtschaftlichen und sozialen Lebensgrundlagen dauerhaft tragfähig erhält und entwickelt. Ressourcen sollen künftigen Generationen ebenfalls zur Verfügung stehen. Die Entnahmeraten von Grundwasser durch alle Nutzer einschliesslich der Natur und der Mindestansprüche im Abstrom dürfen die Neubildung nicht überschreiten.

35 Nachhaltige Grundwasserbewirtschaftung Absenkungen des Grundwasserspiegels sind zu limitieren. Mindestabflüsse in Vorflutern sind einzuhalten. Versalzung oder sonstige Verschmutzungen der Grundwasserleiter sind zu verhindern. Versalzung von bewässertem Ackerland soll durch Kontrolle der GW-Spiegellage vermieden werden.

36 Entleerung von Aquiferen 1/4 der Entnahmen nicht erneuerbar

37 Austrocknen von Feuchtgebieten Fläche seit 1900 halbiert

38 Bodenversalzung 80 Mio. von 260 Mio. ha Bewässerungsflächen betroffen

39 Grundwasserverschmutzung durch persistente Schadstoffe (vor allem Meerwasserintrusion) Mittelmeer N Ayn Zara Gargaresh Tripoli Tajura Janzur Almaya 0 5 km Scale Stand 1957 Libyen Stand 1995

40 Grundbegriffe der Hydrogeologie Aquifer Festgestein Flurabstand freier Aquifer gespannter Aquifer Grundwasserleiter Grundwasserspiegel Grundwasserstauer Kapillarsaum Lockergestein Matrix Piezometerhöhe poröses Medium undichter (leaky) Aq.

41 Grundbegriffe der Hydrogeologie Gespannter, freier, undichter Aquifer Artesisch

42 Grundbegriffe der Hydrogeologie Neubildungsrate N Quellen: Bsp. Überlaufquelle Quelle undurchlässig

43 Grundbegriffe der Hydrogeologie Neubildungsgebiet Vorflut (Recharge area Discharge area)

44 Ungesättigter Bereich: Kapillarbereich Piezometer z z Kapillarbereich vol. Wassergehalt Grundwasserspiegel gesättigter Bereich Wasserdruck p p q

45 Energiehöhe Energie pro Gewichtseinheit: H 2 u p z 2g g Gesamtenergie = kinetische E. + Lage-E. + Druck-E. u: Geschwindigkeit, Grundwasser: typisch 1 m/d Für u = 1 m/d ist die Geschwindigkeitshöhe m, d.h. sie ist vernachlässigbar

46 Piezometerhöhe In Grundwasserströmungen ist die Energiehöhe praktisch gleich der piezometrischen Höhe. piezometrische Höhe: potentielle Energie pro Gewichtseinheit h z p g Die piezometrische Höhe ist nur sinnvoll definierbar, wenn = constant Potential nach Hubbert (falls nicht konstant): p p p abs h z atm dp g

47 Piezometerhöhe Wasser fliesst aufgrund von Piezometerhöhenunterschieden vom Ort hoher Piezometerhöhe zum Ort niedriger Piezometerhöhe Grundwasser fliesst deshalb vom Ort grosser Energiehöhe zum Ort geringer Energiehöhe Der Energieunterschied geht als Reibung verloren Zur Einschätzung der Grundwasserströmung ist die Verteilung der Piezometerhöhe entscheidend

48 Grundwasserkarte

49 Piezometer Messung: Im Piezometerrohr mit: Lichtlot Druckaufnehmersonde (Vorsicht Luftdruckkorrektur) Aus Abstich und eingemessener Piezometerkante ergibt sich die Piezometerhöhe

50 Piezometerhöhe im gespannten Aquifer Piezometer unduchlässig h z p g gesättigter Bereich h z: geod. Höhe p: Wasserdruck p z=0 z : Dichte Wasser

51 Piezometerhöhe im freien Aquifer Piezometer ungesättigter Bereich Grundwasserspiegel gesättigter Bereich h h z p g p z=0 z Entspricht Grundwasserspiegel

52 Druckhöhe im ungesättigten Bereich ungesättigter Bereich Grundwasserspiegel Tensiometer Keramikkerze p z h p g p < 0 Saugspannung p h z g z=0

53 Kapillarität Krümmungsradius an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft ist als Folge des mechanischen Gleichgewichts abhängig von der Druckdifferenz p c - p a p c : Kapillardruck p a : Luftdruck : Grenzflächenspannung N/m f. W.-L. : Benetzungswinkel 0 für Wasser-Luft h: kapillare Steighöhe p c h 2 cos r 2 r g cos R r h

54 Struktur eines porösen Mediums

55 Primäre Hohlräume: Hohlräume im Gestein Haufwerke unverfestigter (Lockergestein) und verfestigter Sedimente (z.b. Sandstein) Hohlräume chemisch oder biogen entstanden Hohlräume durch Gasausscheidung aus dem Magma Sekundäre Hohlräume: Klüfte, Spalten, Bruchzonen Lösungshohlräume (Auflösung von Mineralien, chemische verwitterung) Hohlräume durch Organismen und Kristallisationssprengung

56 Porosität n n V h V V f V V V: Gesamtvolumen V f : Volumen Feststoffe V h : Volumen Poren

57 Repräsentatives Elementarvolumen Wie gross muss Volumen V 0 sein? n mikroskopische Effekte poröses Medium inhomogenes Medium 1 n n( x, t) dv V 0 V 0 V 0 V V 0 : Repräsentatives Elementarvolumen REV

58 Porosität Gesamtporosität n tot : Jeglicher Hohlraum wird betrachtet. Durchgängige Porosität n: Nur untereinander verbundene Hohlräume zählen zum Hohlraumanteil. Effektive Porosität n e : Nur am Wassertransport teilnehmende Hohlräume zählen zum Hohlraumanteil (ohne Haftwasser). n n n tot e

59 Grösse der Porosität Medium Gesamtporosität % Granit, Gneis Kalkstein Sandstein Vulkanische Tuffe Sand Ton Schwellende Tone, Schluffe Bis 90 Ackerboden gepflügt 45-65

60 Granulometrie Siebanalyse: Korngrössen r (=d/2) über 60 mm Varianten: trocken oder nass Maschenweite R Schlämmanalyse: Korngrössen r von 2 und 60 mm Basiert auf Gesetz von Stokes F A F g u F R Reibung Gewichtskraft Auftrieb FR 6 r u 4 3 F G r f g F 3 2 A r w g u : dyn. Viskosität; f : Dichte Körner 2 f w gr 9

61 Kornverteilung d

62 Kugellagerung Würfellagerung n= Tetraederlagerung n= 0.259

63 Ungleichförmigkeit Ungleichförmigkeitsgrad: U d d d 50 U=3; n=0.2 U=1.5; n=0.3

64 Eigenschaften und geologischer Aufbau Poren- Aquifer Kluft- Aquifer Karst- Aquifer Hohlräume Poren Klüfte Kanäle, Spalten mittlere Fliessgeschwindigkeit niedrig je nach Art und Anteil der Klüfte hoch Speichervermögen gut gering gering Temperatur konstant wenig schwankend innere Oberfläche sehr gross klein klein schwankend Filterwirkung gut mittel schlecht