Geohydrologie = Wissenschaft, die sich mit Grundwasser befaßt

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1 1. Einführung 1.1. Aufgaben und Ziele der Geohydrologie Definition: Geohydrologie = Geologie + Hydrologie ist die Wissenschaft die sich mit der Entstehung, dem Vorkommen und der Bewegung von Wasser in geologischen Medium befaßt. Da dies vornehmlich für Wasser im Bodenuntergrund gilt folgt: Geohydrologie = Wissenschaft, die sich mit Grundwasser befaßt Geohydrologie ist eine relative junge, sehr interdisziplinäre Wissenschaft die sich folgender Fachgebiete bedient: * Allgemeine physikalische Hydrologie und Ingenieurhydrologie (beschäftigt sich mit der Entstehung, dem Zustand, der Bewegung und anderen Eigenschaften und Gesetzen des Wassers) * Agrawissenschaften * Bodenkunde (Pedologie) * Chemie (Geochemie) * Physik * Geophysik * Hydraulik * Meteorologie * Biologie * Ökologie Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.1

2 1.2 Anwendungsgebiete und Fragestellungen der Geohydraulik * Grundwasser ist Trinkwasser - Erschließung - Ermittlung der gewinnbaren Grundwassermengen - Management von Grundwasserressourcen - Schutz des Grundwassers bis zur Jh.wende; Bakterien, pathogene Keime (hygienische Probleme) bis in die 0er Jahre: Heizöl (1 l Öl kann 1 Mio l GW verunreinigen) heute 90 % der gemeldeten Fälle Heizöl - CKW (Chemie) - Nitrat (Landwirtschaft) (wenig bis gar nicht abbaubar) - Gewinnung des Grundwassers - Qualität des Grundwassers * Eingriffe in den Grundwasserhaushalt - Grundwasserabsenkungen - Drainage - Anreicherung - Dammdurchsickerung - Bodenabsenkungen * Sanierung von Grundwasserverunreinigungen - Hydraulische Sanierungsmaßnahmen - Deponien - Ausbreitung von Schadstoffen im Grundwasserleiter - Hydraulische Sanierungsmaßnahmen (engl: pump and treat) - Biologische In-Situ Reinigung - Risiko -Abschätzung des Gefährdungspotentials Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.2

3 1.3. Grundwasser und seine Bedeutung für den Menschen Tab. 1.1: Durchschnittlicher Tages-Wasserverbrauch in Liter pro Person für einzelne Länder und. Gemeinden (mit Einbeziehung von Kleingewerbe): Afrika u. Lateinamerika: 20 Mitteleuropa: 250 Großstädte: Paris 500 Moskau 00 New York 00 Tab. 1.2: Jährlicher Wasserbedarf der verschiedenen Verbrauchergruppen in der BRD ( Mattheß und Ubell, 1993) Mrd m Anteil (%) Mrd m Anteil (%) Industrie 10,7 39,8 1,1 22,0 E-Werke 12,5 4,1 52,2 71,3 Private Haushalte 2, 9,7 3,9 5,3 Gewerbe 0,2 0,7 0,2 0,3 Öffentliche Einricht. 0,3 1,1 0,3 0,4 Landwirtschaft 0,7 2, 0,5 0,7 Grundwasser als Trinkwasserquelle Vorteile: - im allgemeinen hohe Qualität (Filtration im Untergrund, Abdeckung durch Boden, kein Aufbereitungsbedarf) - niedrige Temperatur (10-12 C) Nachteile: - Energieaufwand bei Gewinnung - bei Verschmutzung oft schwieriger und langwieriger Reinigungsprozeß - lange Verweilzeit im Boden, daher Austauschprozesse sehr langsam Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.3

4 Tab. 1.3: Wasserförderung öffentlicher Wasserwerke in der BRD im Jahre 1984 (Mattheß und Ubell, 1993) m Anteil (%) Quellwasser , Grundwasser ,3 Uferfiltrat ,2 Angereich. Grundwasser ,2 Flußwasser ,5 Seewasser ,4 Talsperrenwasser ,8 Abb. 1.1: Historischer Wasserverbrauch in den USA (Fetter, 1994) Anmerkung: In der BRD ist der Anteil des Grundwassers am Gesamtwasserverbrauch höher als in den USA. Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.4

5 1.4 Historische Entwicklung der Geohydrologie / Hydrologie Obwohl sowohl Grundwasser als auch Flußwässer schon zu Zeiten der orientalischen Frühkulturen genutzt wurde, ist erstaunlich wie diffus und, aus der heutigen Sicht, eigenartig, ja zum Teil mystisch und spekulativ die antiken Vorstellungen über die Herkunft und die Bewegungen des Grundwassers waren. Ähnlich wie auch in anderen wissenschaftlichen Disziplinen wurden die vornehmlich zur Blütezeit der griechischen Antike von bedeutenden Philosophen (Plato, Aristoteles) diesbezüglich aufgestellten Hypothesen ungeprüft, ja zum Teil in rückschrittlicher Form im schwarzen Mittelalter bis in die späte Neuzeit ins 18. und 19. Jahrhundert übernommen. Erst in den letzten 150 Jahren konnten sich die heute gängigen Vorstellungen der Geohydrologie herauskristallisieren. : Folgende gängigen Arbeitshypothesen zum Grundwasser chronologischer Reigenfolge herausheben: lassen sich historisch in Antike: (1) Reservoir Theorie des Grundwassers: Grundwasser gespeist durch große unterirdische Reservoire (2) Filtrationstheorie: Flüsse und Grundwasser vom Meer gespeist und von der Erde wie ein Schwamm aufgesaugt und steigt dann nach oben. Dabei wir das Salz der Meerwassers herausgefiltert. Diese kuriose Vorstellung hat sich bis in die frühe Neuzeit gehalten (3) Meteoritisch Versickerungstheorie: Diese auch heute akzeptierte Vorstellung über das Entstehen von Grundwasser konnte sich jedoch über Jahrhunderte gegenüber den anderen Hypothesen nicht behaupten (4) Schwammtheorie (Aristoles): Grundwasser entsteht durch Kondensation feuchter Luft und wird dann vom Untergrund wie ein Schwamm aufgesaugt. Mittelalter und frühe Neuzeit: In der abendländischen Kultur keine besonderen neuen Erkenntnisse gegenüber der Antike. Arabische Gelehrte stellen jedoch die meteoritische Versickerungstheorie in den Vordergrund und erklären das Entstehen von Süßwasser durch Verdunstung von Seewasser. Um 1500 Beobachtung der Versickerung von Oberflächen-Wasser in Karstquellen der Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.5

6 Schwäbischen Alb Kegler (100) vergleicht die Erde mit einem Tier das Seewasser verdaut und süßes Quellwasser ausscheidet. Kirche (10) greift die Filtrationstheorie auf und ergänzt sie durch mystische Meeresinken (Mahlstrom) durch die Seewasser in unterirdischen Kanäle verschluckt wird. Erste Messungen von Niederschlag und Abfluß im Pariser Becken um 150 zeigen, daß genügend meteoritisches Wasser zum Speisen von Grundwässern vorhanden ist. Moderne Neuzeit: 18. Jahrhundert: Untersuchungen zu artesischen Brunnen in Italien und Frankreich. 19. Jahrhundert: Mit Aufkommen der Geologie als Wissenschaft auch erste systematische hydrogeologische Untersuchungen (artesische Ölkäfer im Pariser Becken). Beginn der Geohydraulik als mathematische Disziplin: Hagen (1839) und Poiseuille (1839) beschrieben das gleichnamige Gesetz. Darcy (185) stellt die nach ihm benannte Grundgleichung auf. Dupuit (183): Theorie des ungespannten Aquifers Thiem (190): Brunnengleichung 20. Jahrhundert: Definition der Hydrologie als eigenständige wissenschaftliche Disziplin durch: Meinzer ( ) (US. Geologe): Qualitative Hydrogeologie Muskat ( ) (US. Ingenieur): Quantitative Grundwasserhydraulik Horton (1930): Begründung der Konzepts der Oberflächen-Infiltration Richards: (1930) Theorie der Infiltration Hubbert (1940): Fluiddynamik des porösen Mediums Polubarionova-Kochina (190): Begründer der UdSSR- Schule der mathematischen Grundwasserhydraulik Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.

7 190: Theorien der zur Beschreibung vom Mehrphasenströmungen in Öl-Reservoiren 1970: Aufkommen der ersten numerischen Grundwassermodelle 1972: J. Bear s fundamentales Werk: Dynamics of Porous Media 1980: Numerischen Transportmodellen, stochastische Theorien des porösen Mediums 1990: Verknüpfung von Transport- mit geochemischen, und biologischen Modellen für die Altlastensanierung. 2. Grundwasser als Teil des geologischen und hydrologischen Kreislaufes 2.1 Der Wasservorrat der Erde Grundwasser kann entweder sein: (1) Formations (juveniles) Wasser, das sich über geologische Zeiträume in den Poren von Wasser tieferen Aquiferen angesammelt und aufgrund der langen Verweilzeiten dort viele Mineralien gelöst hat, so daß es für den Trinkwassergenuß nicht ohne weiteres geeignet ist. Es kann jedoch einen balneologischen Wert haben (Sohlwässer). (2) Meteoritisches Wasser: Wasser, das über die oberflächliche Infiltration von atmosphärischen (meteorologischen) Niederschlagswasser zur sogenannten Grundwasserneubildung führt. Wasser in oberflächennahen Aquiferen ist meistens meteoritisch und ist auch aufgrund seiner chemischen Reinheit am besten für die Trinkwassergewinnung geeignet. Für den Geo- und Ingenieurhydrologen und den Wasserwirtschaftsplaner ist nur das meteoritische Grundwasser von Bedeutung, da nur es langfristig als Ressource genutzt werden kann. ===> Bedeutung des hydrologischen Kreislaufes für das Verständnis des Grundwasserhaushaltes Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.7

8 2.1.1 Freies Wasser Tab. 2.1: Verteilung des Wasservorrates auf der Erde (Dyck und Peschke, 1995) Geologisch gebundenes Wasser Neben dem in der Hydrosphäre freien Wasser (Tab.2.1) ist ein Großteil chemisch gebunden in Mineralien, die bei der chemischen Verwitterung entstehen, z.b. bei der Hydrolyse von Feldspat zu Tonen (Kaolinit): K Al Si3 O H2O + 4 H -----> Al4 Si4 O 10 (OH) 8 + 8Si O K Feldspat Wasser Wasserstoff Kaolinit Quarz Kalium Ein Teil von diesem Wasser wird wieder frei bei der Entgasung von Magmen, wobei die Bindungsrate durch Verwitterung etwa gleich der Entgasungsrate ist. Geringe Mengen von Wasser werden auch durch Sedimentationsprozesse und nachfolgende Kompaktierung freigesetzt. Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.8

9 2.2 Der hydrologische (Wasser) Kreislauf Komponenten des Wasser Kreislaufes Abb. 2.1: Der Wasserkreislauf und seine Komponenten (Mattheß und Ubell, 1983) Abb. 2.2: Der Wasserkreislauf und seine Komponenten (Watson and Burnett, 1995) Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 2.1

10 Abb. 2.2: Konzeptionelle Darstellung des Wasserkreislaufes mit seinen Komponenten Verweilzeiten des Wassers in Kreislauf Tab. 2.3: Verweilzeiten t = V/ Q für die verschiedenen Reservoire des hydrologischen R Kreislaufes Größenordnung der Verweilzeiten Meer Eiskappen Seen Flüsse Grundwasser 1000 Jahre 10 bis 1000 Jahre 10 Jahre einige Tage bis Monate einige Jahre bis Jahrzehnte Wasserbilanzgleichung Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 2.2

11 Allgemeine Bilanzgleichung eines Systems Bilanz-Gleichung (Kontinuitätsgleichung) eines geschlossenes Systems (Energie oder Materie) I = O + ds/dt (2.1) mit I = Input (Summe aller Zuflüsse) Energie (Materie) - Fluß [J/s bzw. m³/s] O = Output (Summe aller Abflüsse) Energie (Materie) - Fluß [J/s bzw. m³/s] S = Speicherungsvolumen Energie (Materie) [J bzw. m³] Für stationäre Zustände (in der Hydrologie, i.a. langjährige Mittelwerte) ist ds/dt = 0.Obige Gleichung wird für vielfältige Budget-Betrachtungen in der Hydrologie verwendet und kann pro Zeiteinheit (wie angegeben) oder über eine beliebige Zeitdauer integriert angewendet werden. Wichtig für die korrekte Anwendung dieser Formel ist die angemessene Definition des Systems mit seinen Grenzen, die entweder natürlicher Art oder aber auch gedanklicher Natur sein können Bilanzgleichung des Wasser-Kreislaufes Die fundamentale Bilanzgleichung des Wasser-Kreislaufes ist ein Spezialfall der Gleichung (1.1) und lautet mit den Komponenten der Abb. 2.1 und 2.2: mit: P = ET + R + S (2.2) P = Niederschlag [m 3 ] ET = Verdunstung [m 3 ] R = Gebietsabfluß (engl. runoff) (sowohl ober- als auch unterirdisch) [m 3 ] S = Änderung des Wasservorrates [m 3 ] Über längere Zeiträume die sich über ein oder mehrere Jahre erstrecken werden saisonale Variationen von P, ET und R heraus gemittelt und man kann davon ausgehen, daß S =0 (s. Tab. 2.2). G. 2.2 ist in der zeit-integrierten Form geschrieben. Durch Teilung der angegebenen Größeneinheiten durch die Fläche des betrachtenden Bilanzgebietes A ergeben sich alle Wert als Höhen [m] (s. Übungen). Mittels GW. 2.3 kann man z.b. die messtechnisch schwer zu erfassende Verdunstung ET (s. Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 2.3

12 Skript zur Ingenieurhydrologie) berechnen: ET = P - R (2.4) Die Grundgleichung (2.4) kann weiter verfeinert werden: wobei nun P = ET + R + I + S s 3 R s = der oberflächliche Abfluß [m ] I = die Infiltration [m 3 ] (2.5) Tab. 2.2 und Abb. 2.3 zeigen die integrale Wasserbilanz für die BRD für ein Jahr Tab. 2.2: Bilanz des Wasserkreislaufes für die BRD für ein Jahr Niederschlag Grundwasserabfluß Verdunstung oberflächiger Abfluß 837 mm/a 259 mm/a 501 mm/a 77 mm/a Abb. 2.3: Wasserbilanz für Westdeutschland (Hölting, 1992) Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 2.4

13 Bilanzgleichung für die Grundwasserneubildung Weitere Bilanzgleichungen lassen sich für andere Untersysteme (z.b. Grundwasser) aufstellen, sobald die Grenzen und die möglichen Ein- und Ausflüsse in das Gebiet definiert sind. Speziell erhält man mit der in deutschen Büchern häufig angewendeten Nomenklatur: (2.) mit N: Niederschlag Q : zu A : o A : u oberirdischer Zufluß oberirdischer Abfluß unterirdischer Abfluß V: Verdunstung GWN: Grundwasserneubildung Q : ab Grundwasserentnahme Nach Bestimmung der ingenieurhydrologischen Größen Niederschlag, Verdunstung, Zufluß und Abfluß (s. Koch, M., Vorlesungsskript zur Ingenieurhydrologie) lassen sich mit einer solchen solchen Bilanzierung die für den Grundwasserhydrologen bedeutenden Grundwasserneubildungsraten bestimmen. Letzere sind wichtig für ein langfristiges Management der vorhandenen Grundwasserressourcen. Wie Abb. 2.4 zeigt ist die Anwendung obiger Gl. (2.) auf ein kleines Einzugsgebiet allerdings nicht trivial, da unter-und oberirdisch Zu-und Abflüsse nicht immer klar definiert werden können. Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 2.5

14 Abb. 2.4: Zur Abgrenzung eines Kontroleinzugsgebietes (Mattheß und Ubell, 1983) Anmerkung: Die Bestimmung der Grundwasserneubildungsrate mittels obiger Wasserhaushaltsgleichung ist nur eine Methode. Andere Verfahren sind - Verwendung von Lysimetern - aus dem Bodenwasserhaushalt - Grundwassermodellen - Messung von Vorfluterabflüssen - Messung der Chlorid-Konzentration des GW und des Niederschlags - Messung des Gesamttritium-Gehaltes - Wasserwerksdaten Einzelheiten werden in einem späteren Kapitel besprochen. Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 2.

15 Übung 2.1: Wasserbilanz für einen See Ein See hat eine Fläche von 300 Hektar und einen Zufluß von 1 m³/s sowie einen Abfluß von 0,8 m³/s. Während eines Monats wird eine Speicherungsreduktion von 5 Hektar m gemessen. Mit einem Regenmesser wurden während dieser Zeit 4 cm Niederschlag gemessen. Berechnen Sie die Verdunstungsverluste des Sees unter der Annahme, daß die Infiltration vernachlässigt werden kann. Lösung: mit Q in = Zufluß P = Niederschlag Q out = Abfluß ET =Verdunstung S = Speicherung ET = Q in + P - Q out -ds Q in dt + P dt = Q out dt + ET dt + ds (hier integriert über einen Monat) mit Zahlenwerten: A see = 300 ha = 3 10 m² Q = 1 m³/s in = 2, m³/mon. Q out = 0,8 m³/s = 2, m³/mon. ds = 5 ha m P = 4 cm 4 = m³/mon. 4 = m³/mon. 4 ET = (2, m³/mon m³/mon. - 2, m³/mon. ET = 22,95 cm m³/mon.)/ 3 10 m² Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 2.7

16 Übung 2.2: Wasserbilanzierung für ein Reservoir 2 In einem Einzugsgebiet von 500 km Fläche wird der durchschnittliche jährliche Niederschlag auf 90 cm und der Oberflächenabfluß auf 33 cm geschätzt. Es soll ein Reservoir mit einer Fläche von 1700 Hektar geplant werden, das das Wasser für eine Gemeinde zur Verfügung stellen soll. Die jährlich Verdunstung im Reservoir wird auf 130 cm geschätzt. Berechnen Sie die jährliche Abflußmenge, die für die Gemeinde entnommen werden kann. Lösung: mit Q in dt + P dt = Q out dt + ET dt + R dt + ds Q in = Zufluß P = Niederschlag Q out = Abfluß ET =Verdunstung S = Speicherung R = Oberflächenabfluß Q out = Q in + P - ET - ds (hier integriert über ein Jahr) mit Zahlenwerten: A EZG = 500 km² = m² P = 90 cm/a = m³/a R = 33 cm/a = m³/a A res = 1700 ha = m² ET = 130 cm/a = 22,1 10 m³/a Q in = 0 Q out = m³/a m³/a - 22,1 10 m³/a Q out = 22,9 10 m³/a Übung 2.3: Wasserbilanz für ein Reservoir In einem 500 Hektar großen Reservoir fiel der Wasserspiegel während eines Monates um 50 cm, trotz 3 Wasserzuflusses von m /d. Die Infiltrationsverluste, der Niederschlag und die Verdunstung während dieser Zeit werden auf 2 cm, 10,5 cm und 8,5 cm geschätzt. Wie groß war die Abflußmenge während dieses Monats? Lösung: Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 2.8

17 Q in dt + P dt = Q out dt + ET dt + I dt + ds (hier integriert über einen Monat) mit Q in = Zufluß P = Niederschlag Q out = Abfluß ET =Verdunstung I = Infiltration S = Speicherung mit Zahlenwerten: Q out = Q in + P - I - ET - ds A see = 500 ha = 5 10 m² Q in = m³/d = 10 m³/mon. I = 2 cm/mon. 5 = 1 10 m³/mon. P = 10,5 cm/mon. 5 = 5,25 10 m³/mon. ET = 8,5 cm/mon. 5 = 4,25 10 m³/mon. ds = 50 cm/mon. = -2,5 10 m³/mon Q out = 10 m³/mon. + 5,25 10 m³/mon m³/mon. - 4,25 10 m³/mon. + 2,5 10 m³/mon. Q out = 8,5 10 m³/mon. = m³/d Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 2.9