Aspekte der Angewandten Geologie: Salz im Wasser. Sebastian Bauer

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1 Aspekte der Angewandten Geologie: Salz im Wasser Geohydromodellierung Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität zu Kiel 5-1

2 Einführung Salz ist weltweit der wichtigste Stoff, der die Nutzung von Wasser einschränkt. Man kann Salz also als den wichtigsten Schadstoff im Wasser bezeichnen. Zusammenhänge für die Angewandten Geowissenschaften sind hierbei: - Versalzung von Böden - Bewässerung und Wassernutzungskonflikte - Salzwasser im tiefen Grundwasser - Salzwasser in küstennahen Bereichen (Salzwasserintrusion) Salze sind chemische Verbindungen aus Kationen und Anionen, die ionisch gebunden sind. Bekanntestes Beispiel: NaCl 5-2

3 Versalzung Unter Versalzung versteht man die Anreicherung von wasserlöslichen Salzen in Böden oder Bodenhorizonten. - Salzzufuhr durch Niederschläge (Tagwasserversalzung) - Salzzufuhr aus dem Grundwasser - künstliche Versalzung durch Düngung, Bewässerung oder Streusalz. Die wichtigsten im Boden vertretenen Salze sind NaCl, Na 2 SO 4, Na 2 CO 3, CaCl 2, Nitrate und Borate. Salze stabilisieren das Bodengefüge bei Austrocknung. Die ph-werte salzhaltiger Böden schwanken, je nach Bodenzusammensetzung, zwischen schwach sauer (bei hohem Gipsgehalt) bis stark alkalisch (bei hohem Sodagehalt). Erhöhte Salzgehalte beeinflussen den Pflanzenwuchs, da sie das osmotische Potenzial des Bodenwassers erhöhen und dadurch die Wasseraufnahme erschweren. Eine zu hohe Konzentration gelöster Salze im Boden kann auf salzempfindliche Pflanzen eine toxische Wirkung haben. 5-3

4 Versalzung Tagwasserversalzung Salzeintrag durch im Niederschlag gelöste Salze (atmogene Salze), die meist aus dem Meer stammen. Auch Eintrag mit dem Staub. Salze akkumulieren nur im ariden Klima, da sie sonst durch den Niederschlag ausgewaschen und in den Boden verlagert werden. 5-4

5 Versalzung Grundwasserversalzung Natürliche Grundwasserversalzung in humiden Klimaten meist nur im Einflussbereich des Meeres oder salzhaltiger Flüsse. Salzgehalte des Meeres zwischen 1 % (Brackwasser Flussmündung) bis 3,5 % (offenes Meer). Betroffen sind Watt und Marsch. Salzböden im Binnenland an oberflächennahem und salzreichem Grundwasser (Salzstöcke, salzhaltige Quellen). Aufsteigen verschiedener Salze mit dem Kapillarwasser sowie Fällung nach Verdunstung des Grundwassers: CaCO 3, Gips, Soda, Na 2 SO 4 und Na- und Ca-Chloride und Nitrate. In Extremfällen Ausbildung von Salzbänken und Salzkrusten kommen. 5-5

6 Versalzung Künstliche Bodenversalzung In humiden Klimaten: künstliche Versalzung durch Bewässerung mit Nareichen Abwässern und durch Streusalz. Salze werden rasch wieder ausgewaschen, Versalzung selten. In ariden Klimaten: künstliche Versalzung durch Bewässerung mit Flusswasser oder Grundwasser. Diese Gewässer enthalten < 0,1 % Salze, allerdings Anreicherung. Bei starker Bewässerung eventuell Erhöhung des Grundwasserspiegels. Die Intensität der Versalzung hängt ebenfalls von der Art der Bewässerung ab. Bei der Berieselung der Flächen in ariden Klimagebieten verdunstet ein Teil des Wassers bereits, bevor es den Boden erreicht, und die im Wasser gelösten Salze akkumulieren auf der Bodenoberfläche. - Tröpfchenbewässerung - Überflutungsbewässerung -Sprinkler 5-6

7 Bewässerung Warum Bewässerung - Klimaeffekt: Warme Gebiete oft mit wenig Niederschlag - 40% der weltweiten Nahrungsmittelproduktion auf bewässerten Flächen bis 1990: Anteil der bewässerten Fläche verdoppelt - Wasser ist unser wichtigstes Lebensmittel und unerlässlich zur Produktion fast aller weiteren Lebensmittel Einteilung Klimazonen Arid: P/ET pot < 0.2 Humid: P/ET pot > 0.65 z.b. Anbau von Reis bevorzugt in humidem Klima. 5-7

8 Bewässerung 5-8

9 Historisches: Qanat Bewässerung Weltweit, ab ca v.c. Unterirdische Kanäle, Verringerung der Verdunstung und Schutz der Leitung; relativ konstanter Wasserfluß 5-9

10 Historisches Bewässerung Marib, Jemen Römischer Aquädukt, Pont du Gard, Fr 5-10

11 Bewässerung Salz im Wasser: Regenwasser: µs/cm Flußwasser: µs/cm Grundwasser: µs/cm Faustregel Näherung: TDS [mg/l] = EC [µs/cm] * 0.7 Salz aus Niederschlag: z.b. 10 µs/cm = 7 mg/l ; Bei 800 mm/a = 800 l/(m² a) ergibt sich 5.6 g/(m² a) Regenwasser: mg/l Flußwasser: mg/l Grundwasser: mg/l Grenzwert Trinkwasser: 250 mg/l = 0.025% 5-11

12 Tropfenbewässerung Bewässerung Oberflächenbewässerung Basin - Bewässerung Furchen - Bewässerung 5-12

13 Sprenkler- Bewässerung Bewässerung Unterirdische Bewässerung 5-13

14 Bewässerung Osmose Zeit Wasser niedrige Salzkonzentration hohe Salzkonzentration niedrige Salzkonzentration mittlere Salzkonzentration Wasser bewegt sich von niedrigen zu hohen Salzkonzentrationen (d.h. von hohem zu geringem chemischen Potential µ) Salzgehalt in einer Pflanzenzelle typisch 1.5% (15 g/l) Salzgehalt des Grund-/Bodenwassers < 1.5%: Wasser bewegt sich in die Pflanzenzelle hinein Salzgehalt des Grund-/Bodenwassers > 1.5%: Wasser bewegt sich aus der Pflanzenzelle hinaus 5-14

15 Bewässerung Bewässerung führt immer zur Versalzung des Bodens, egal welche Bewässerungsmethode verwendet wird. Es sei denn, man spült das Salz durch überschüssiges Wasser in tiefere Bodenschichten oder entsalzt das Wasser vor der Bewässerung. 5-15

16 Bewässerungsfolgen Aralsee: Abflussloses Becken, zwei Zuflüsse, entstanden vor ca. 20 ka. Einst viertgrößter See der Erde, in etwa die Fläche von Bayern. Hat seit 1950 ca. 2/3 der Fläche und ¾ des Volumens verloren. Grund: Anstieg der bewässerten Fläche im Einzugsgebiet von 2.5 Mio ha (1900) auf 7.9 Mio ha (mehr als 1.1 Mal die Fläche von Bayern 5-16

17 Bewässerungsfolgen Ende des Amu Darja, ca. 80 km vor der Mündung in den Aralsee - Verlandung des Sees - Versalzung großer landwirtschaftlicher Flächen - Wüstenbildung 5-17

18 Natürliche Prozesse Okawango-Delta, Afrika 5-18

19 Natürliche Prozesse 5-19

20 Salzwasser im Grundwasserleiter 2) Salz im Grundwasser Wo kann Salz im Grundwasser auftreten: - Küstengebiete - Geothermalsysteme - tiefe Grundwässer, Salzstöcke, Solen -Endlager -Bergbau 5-20

21 Dichte und Viskosität von Salzwasser Dichte von Wasser beeinflusst direkt die Bewegung des (Grund-) Wassers p = 100 bar Viskosität von Wasser beeinflusst indirekt die Bewegung des (Grund-) Wassers über den Parameter hydraulische Durchlässigkeit (KF- Wert): k = intrinsische Permeabilität ρ = Dichte von (Salz-)Wasser µ = Viskosität von (Salz-)Wasser g = Erdbeschleunigung bei 25% Salinität, p = 100 bar Daher Rückwirkung auf Strömung. 5-21

22 Salzwasser im Grundwasserleiter Salzwasserintrusion an der Küste 5-22

23 Salzwasser im Grundwasserleiter Salzwasserintrusion an der Küste 5-23

24 Salzwasser im Grundwasserleiter Salzwasserintrusion an der Küste Annahme: - Keine Mischungszone - konstante Meereshöhe Dann ist die Druckhöhe entlang der Front konstant und gleich dem Meeresspiegel. Dann gilt: Da p 1 = p 2 folgt: Mit ρ = 1025 kg/m³: z = 40 h 1 Auch bei Brunnen. 5-24

25 Salzwasser im Grundwasserleiter Salzwasserintrusion an der Küste Realistischeres Bild mit Mischungszone. In dieser Mischen sich Salz- und Süßwasser duch Diffusion und Dispersion. Dadurch wird eine Zirkulation des Salzwassers vom Meer zur Mischungszone und zurück angeregt. 5-25

26 Salzwasser im Grundwasserleiter Salzwasserintrusion an der Küste Chloridkonzentrationen in ppm an der Küste Floridas 5-26

27 Salzwasser im Grundwasserleiter Upconing Aufstieg von salzigem Wasser unter einem Pumpbrunnen: Okawango- Delta, Afrika; oben: Vor Inbetriebnahme des Brunnens, unten: danach. 5-27

28 Salzwasser im Grundwasserleiter Upconing Aufstieg von salzigem Wasser unter einem Pumpbrunnen: 5-28

29 Salzwasser im Grundwasserleiter Upconing Aufstieg von salzigem Wasser unter einem Pumpbrunnen: Überlegung analog zur Salzwasserintrusion: Konstantes Verhältnis h f /h s 5-29

30 Salz im Grundwasser 50 Salzwasseraufstiege bei Berlin Stranddreizack 5-30

31 Salz im Grundwasser Süßwasser in Niedersachsen nur bis in ca. 300 m Tiefe, darunter alles Salzwasser. Binnenländische Versalzung entlang der großen Vorfluter aufgrund des Druckabfalls Versalzung an Salzstöcken Versalzung an der Küste 5-31

32 Salz im Grundwasser Grenzwert Trinkwasser: 250 mg/l Austrag aus Abraumhalde beim Kali- Bergbau. 5-32

33 Deponien Salz im Grundwasser Auch durch normale Deponien (Hausmüll, Industriemüll) können Salze ins Grundwasser eingetragen werden. 5-33

34 Gorleben 5-34

35 Gorleben 5-35

36 Gorleben 5-36

37 Großräumig 5-37

38 Thermo-Haline Haline-Konvektion 5-38