Seminar im Fachbereich Wasserbau und Wasserwirtschaft SIWAWI Universität Kaiserslautern. Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinien

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1 Seminar im Fachbereich Wasserbau und Wasserwirtschaft SIWAWI Universität Kaiserslautern Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinien Wie wird der Zustand des Grundwassers überprüft und wo liegen die Probleme? Sara Andes WS 2005/2006

2 Inhalt Einleitung S. 3 Definition Grundwasser S. 3 Allgemeines zum Grundwasser S. 3 Hauptteil S. 6 Ziele der Wasserrahmenrichtlinie S. 6 Zustandsbeschreibung S. 6 mengenmäßiger Zustand S. 7 chemischer Zustand S. 8 Probleme S. 12 Fazit S. 15 Literatur S. 16 2

3 Einleitung Definition Grundwasser Grundwasser": alles unterirdische Wasser in der Sättigungszone, das in unmittelbarer Berührung mit dem Boden oder dem Untergrund steht. (Artikel 2 Nr. 2 der Richtlinie 2000/60/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23. Oktober 2000 zur Schaffung eines Ordnungsrahmens für Maßnahmen der Gemeinschaft im Bereich der Wasserpolitik WRRL-) Allgemeines zum Grundwasser Abb.1: Schema der Grundwasserneubildung im Lockergestein Auf Abb.1 ist der Sickerweg eines Regentropfens durch die ungesättigte Zone einer Gesteinsschicht zu erkennen. Die Grundwasseroberfläche ist dabei eben und wird als Grundwasserspiegel bezeichnet. Der Bereich darunter ist die gesättigte Zone. In der ungesättigten Zone ist das Wasser nur unregelmäßig verteilt und wird als sog. Haftwasser in den Poren festgehalten. Der Flurabstand ist die Entfernung zwischen Erdoberfläche und Grundwasserspiegel und hängt von den örtlichen Gegebenheiten ab. Der freie Raum zwischen den verschiedenen Gesteinspartikeln wird als Porenraum bezeichnet; auch dessen Größe ist von der Bodenbeschaffenheit abhängig. 3

4 Abb.2: Grundwasserleiter schematisch Ein Grundwasserleiter wie in Abb.2 wird auch als Aquifer bezeichnet. Grundwasser kann sich nur in Gestein mit Porenraum und offenen Klüften bilden. Das Wasser fließt dabei von oben nach unten durch den Porenraum. Im Festgestein bewegt sich das Wasser hingegen auf Schichtfugen, in Klüften und Spalten. Auch hier können sich zusammenhängende Grundwasserkörper bilden. Allerdings ist die Fließgeschwindigkeit des Wassers dabei geringer als in lockerem Gestein. Abb.3: Schema des Wasserkreislaufs in gemäßigtem Klima Grundwasser bildet sich aus dem Anteil an Niederschlägen die auf der Erde versickern. Das restliche Wasser fließt oberirdisch in Bächen, Flüssen und über das Meer wieder ab oder verdunstet. Der Anteil des Regenwassers, der tatsächlich ins 4

5 Grundwasser gelangt, hängt von vielen Faktoren ab. So etwa von der Beschaffenheit der obersten Erdschicht, dem Pflanzenbewuchs oder der Temperatur des Bodens; warme Böden begünstigen die Verdunstung, während kalte Böden besser für die Grundwasserneubildung geeignet sind. Deshalb findet diese vorwiegend im Winter statt, natürlich nur wenn die obersten Bodenschichten nicht gefroren sind und das Wasser dadurch auch nicht versickern kann. Das Maß der Grundwasserneubildung ist somit von Jahreszeit zu Jahreszeit unterschiedlich. Ebenso in unterschiedlichen Gebieten mit diverser Bodenbeschaffenheit und Vegetation. Die Grundwasserneubildung kann nicht unmittelbar an der Niederschlagsmenge abgeleitet werden. 5

6 Hauptteil Ziele der EU-Wasserrahmenrichtlinie Ziel der EU-Wasserrahmenrichtlinie in Bezug auf das Grundwasser ist der gute chemische und der gute mengenmäßige Zustand. "guter chemischer Zustand des Grundwassers": der chemische Zustand eines Grundwasserkörpers, der alle in Tabelle des Anhangs V aufgeführten Bedingungen erfüllt. (Artikel 2 Nr. 25 der WRRL) "mengenmäßiger Zustand": eine Bezeichnung des Ausmaßes, in dem ein Grundwasserkörper durch direkte und indirekte Entnahme beeinträchtigt wird. (Artikel 2 Nr. 26 der WRRL) Ferner sollen auch alle signifikanten und anhaltenden Trends einer Steigerung der Schadstoffkonzentration ermittelt und umgekehrt werden. Es gelten hier keine direkten biologische Qualitätsziele, da die Ökosysteme des Grundwassers weitgehend unbekannt und nicht ausreichend erforscht sind. Es findet im Grundwasser nur ein geringer Abbau von Schadstoffen statt, die Selbstreinigungskraft im Gegensatz zu z.b. Flüssen oder Seen ist daher nur gering. Zustandsbeschreibung Zur erstmaligen Beschreibung eines Grundwasserkörpers müssen Grundwassergebietseinheiten festgelegt werden. Dazu werden Lage und Grenze von einzelnen Grundwasserkörpern ermittelt. Dies wirft allerdings die Frage auf, wo diese Grenzen liegen bzw. wo wird eine solche gezogen? Im Allgemeinen grenzen verschiedene Grundwasserkörper meist unmittelbar aneinander bzw. sind mehr oder weniger alle miteinander verbunden. Außerdem werden zur erstmaligen Beschreibung Belastungen ermittelt, denen der Grundwasserkörper im jeweiligen Gebiet ausgesetzt sein kann. Dies können sein: diffuse Schadstoffquellen verursacht durch Siedlung und Verkehr, Landwirtschaft und Einwaschungen oder punktuelle Schadstoffquellen wie z.b. Industriekläranlagen, Altlasten, Unfälle (MTBE = Methyltertiärbutyläther-Einträge). Zu den Belastungen zählen weiterhin die Entnahme von Wasser und die künstliche Anreicherung. Zur Beschreibung gehört ebenfalls die allgemeine Charakteristik der darüber 6

7 liegenden Schichten des Einzugsgebiets aus dem der Grundwasserkörper angereichert wird. Es ist wichtig die geologischen Verhältnisse in einem Gebiet zu kennen, da verschiedenen Gesteine verschiedene chemische und physikalische Eigenschaften besitzen, wie z.b. unterschiedlicher ph-wert oder unterschiedliche Durchlässigkeit, die sich auch auf die Fließgeschwindigkeit auswirkt. Besonders zu erfassen sind auch solche Grundwasserkörper, bei denen direkt abhängige Oberflächengewässer Ökosysteme oder Landökosysteme vorhanden sind. Solche Systeme können durch Verschmutzung des Grundwassers sowie unkontrollierte Wasserentnahme ebenfalls nachhaltig geschädigt werden. Nach der erstmaligen Zustandsbeschreibung erfolgt eine weitergehende, genauere Beschreibung der einzelnen Grundwasserkörper bei denen ein Risiko hinsichtlich der Zielerreichung ermittelt wurde. Die untersuchten Komponenten hierbei sind geologische Merkmale des Grundwasserkörpers, hydrologische Merkmale, Merkmale der Deckschichten und Böden, Stratifikationsmerkmale, Zusammenhänge zwischen Grundwasserkörper und Oberflächengewässer, chemische Zusammensetzung, sowie Beschreibung der Auswirkung menschlicher Tätigkeiten. Mengenmäßiger Zustand Hierbei geht es nur um den Grundwasserspiegel. Wasserentnahme und Grundwasserneubildung müssen sich im Gleichgewicht befinden um einen guten mengenmäßigen Zustand zu erreichen. Der Grundwasserspiegel im Grundwasserkörper ist so beschaffen, dass die verfügbare Grundwasserressource nicht von der langfristigen mittleren jährlichen Entnahme überschritten wird. 7

8 Abb.4: Vorläufige Bewertung des mengenmäßigen Zustands des Grundwassers in Rheinland-Pfalz und Deutschland nach der EU-WRRL. Links: mengenmäßiger Zustand in RLP. Gelb: Zielerreichung unwahrscheinlich, blau: Zielerreichung wahrscheinlich. Rechts: mengenmäßiger Zustand in Deutschland. Rot: Zielerreichung unwahrscheinlich, grün Zielerreichung wahrscheinlich. Wie auf Abb.4 zu erkennen, ist der mengenmäßige Zustand des Grundwassers in Rheinland-Pfalz sowie in gesamt Deutschland sehr gut. In Deutschland ist bei 95% der Grundwasserkörper die Zielerreichung wahrscheinlich, lediglich bei 5% ist sie ungesichert bzw. unwahrscheinlich. Es kann somit behauptet werden, dass die Wasserversorgung in Deutschland als gesichert zu betrachten ist. Chemischer Zustand Als Parameter zur Beurteilung des chemischen Zustandes werden Sauerstoffgehalt, Leitfähigkeit, ph-wert, Nitrat und Ammonium betrachtet. Der Sauerstoffgehalt wird durch die Temperatur beeinflusst. Mit steigender Temperatur sinkt die Löslichkeit von Sauerstoff im Wasser. Die Leitfähigkeit lässt Aussagen über den Salzgehalt bzw. die Ionenkonzentration im untersuchten Grundwasserkörper zu. Steigt der Salzgehalt an, erhöht sich auch die Leitfähigkeit. Dieses Parameter kann unter anderem auch dazu benutzt werden um unterschiedliche Grundwasserkörper voneinander zu unterscheiden, da unterschiedliche hydrogeologische Zonen einen verschiedenen Leitfähigkeitswert besitzen. Allerdings muss man deshalb bei der Beurteilung des chemischen Zustandes darauf achten, welchen Untergrund man im untersuchten Gebiet vorfindet. Die Grenzwerte zur Leitfähigkeit müssen deshalb an die jeweiligen Strukturellen Gegebenheiten angepasst sein. 8

9 Der ph-wert eines Grundwasserkörpers beeinflusst maßgeblich die sich in ihm befindenden Mikroorganismen und das chemische Gleichgewicht bestimmter Verbindungen. Nitrat ist generell gesundheitsschädlich und wird meist durch die Landwirtschaft eingebracht. Dies ist ein schwerwiegendes Problem bei allen Gewässertypen. Ammonium an sich zählt nicht zu den gesundheitsgefährdenden Substanzen, allerdings kann es unter bestimmten Umständen zu Nitrat oxidiert werden. Bei dieser Reaktion wird außerdem der Sauerstoffgehalt des Wassers reduziert. Ebenso kann Ammonium zu Ammoniak reagieren, welches stark toxisch wirkt. Dieses chemische Gleichgewicht hängt vom ph-wert ab. Der gute Zustand ist erreicht, wenn keine Salz- und andere Intrusionen vorhanden sind, die Qualitätsnorm nicht überschritten wird und die gemessene Schadstoffkonzentration nicht die mit dem Grundwasserkörper verbundenen Oberflächengewässer und Landökosysteme beeinträchtigt. Im Gesetz sind nur eindeutige Grenzwerte für Nitrat und Pflanzenschutzmittel festgelegt. Die betragen 50mg/l für Nitrat und 0,1µg/l für Pestizide. Die EU- Mitgliedsstaaten sind angehalten, Grenzwerte für andere chemische Substanzen festzulegen, die den guten chemischen Zustand des Grundwasserkörpers gefährden können. Dies soll aber mindestens für Ammonium, Arsen, Cadmium, Chlorid, Blei, Quecksilber, Sulfat, Trichlorethylen und Tetrachlorethylen geschehen. Ebenso sollen zusätzlich gefundene Schadstoffe überwacht und dokumentiert werden. Eine Überwachung des chemischen Zustandes der Grundwasserkörper erfolgt mittels folgender Methoden; als erstes findet eine überblicksweise Überwachung statt. Dazu installiert man Feststehende Messnetze. Sie dient dazu einen Gesamtüberblick zu erhalten. Es werden Informationen zur Beurteilung langfristiger Trends gesammelt, sowie ein operatives Überwachungsprogramm erstellt. Als zweiter Schritt folgt dann die operative Überwachung mit flexiblen Messnetzen, die eine lokale/regionale Kontrolle von gefährdeten Grundwasserkörpern bietet. Es sollen so auch langfristige anthropogene Trends zur Schadstoffzunahme dokumentiert werden. Bei beiden Methoden, der überblicksweisen- sowie der operativen Überwachung soll zusätzlich eine besondere Überwachung von Risiko- Wasserkörpern und zusätzlich gefundenen Schadstoffen vorgenommen werden. Es sollen dazu auch Monitoring-Netzwerke aus bestehenden nationalen- und internationalen Daten sowie Daten aus regionalen Programmen gebildet bzw. herangezogen werden. Folgende Messstellentypen wurden ausgewiesen: 9

10 Referenzmessstellen bei gering beeinträchtigten Gewässern, repräsentative Messstellen bei größeren Einzugsgebieten und für Langzeitdatenreihen, Belastungsmessstellen direkt bei bekannten Belastungsquellen. Abb.5: Gefährdung des Grundwassers in Rheinland-Pfalz durch diffuse Stoffeinträge. Grün:potentiell nicht gefährdete Gebiete, rot:potentiell gefährdete Gebiete. Grundwassermessstelle mit Nitratwert > 50mg/l 10

11 Grad der Belastung von GWK durch Punktquellen [Flächen-%] Abb.6: Belastung des Grundwassers in Rheinland-Pfalz durch Punktquellen. Wirkungsfläche der Punktquelle. Abb.7: Vorläufige Bewertung des chemischen Zustandes des Grundwassers in Rheinland-Pfalz und gesamt Deutschland. Links: chemischer Zustand des Grundwassers in RLP. Gelb: Zielerreichung unwahrscheinlich, blau: Zielerreichung wahrscheinlich. Rechts: chemischer Zustand des Grundwassers in Deutschland. Rot: Zielerreichung unwahrscheinlich, grün Zielerreichung wahrscheinlich 11

12 Abb.7 zeigt die Vorläufige Bewertung des chemischen Zustandes der Grundwasserkörper in Reinland-Pfalz und Deutschland. Für Deutschland gilt bei 48% der Grundwasserkörper die Zielerreichung als wahrscheinlich, bei 52% als unsicher/unwahrscheinlich. Für Rheinland-Pfalz ergibt nach einer Gesamtbewertung des mengenmäßigen und chemischen Zustandes der Grundwasserkörper das bei 70% die Zielerreichung wahrscheinlich ist und bei 30% unwahrscheinlich. Probleme Grundwasser ist zum Größten Teil nicht direkt sichtbar! Dadurch ist es notwendig, genaue Voruntersuchungen durchzuführen um die Fehlerquellen möglichst gering zu halten. Im Falle der Grundwasserüberwachung und Beurteilung sind deshalb aufwendige Vorarbeiten nötig um die Grundlage für exakte Messungen und Voraussagen zu schaffen. Ebenso sollte eine sorgfältige Auswahl bei der Errichtung von Messstellen getroffen werden, da diese teuer sind. Zur Veranschaulichung ein Beispiel wie wichtig eine sinnvolle Platzierung von Messstellen ist um eventuelle Verunreinigungen und Gefährdungen zu erkennen. Abb.8: Schadstofffahne einem Tal in der stauenden schicht folgend. 12

13 Auf Abb.8 ist zu erkennen, dass das Grundwasser von West nach Ost fließt. Die von der Altlast ausgehende Salzfahne, die oberirdisch nicht sichtbar ist, fließt jedoch entlang der Oberfläche der stauenden Schichten im Untergrund in südliche Richtung. Die zur Überwachung der Altlast platzierten Messstellen befinden sich jedoch nur in der bekannten Fließrichtung des Grundwassers östlich der möglichen Schadstoffquelle. Lediglich Beobachtungspunkt 3 liegt, wie anzunehmen, nur zufälligerweise am Rande der Salzfahne, die ansonsten gänzlich unentdeckt geblieben wäre und eine Gefahr für das Grundwasser darstellt. Diese Beispiel zeigt, dass schematisches Vorgehen bei der Auswahl an Messstellen zur Ermittlung von Grundwasserschäden nicht angebracht ist. Vielmehr muss von Fall zu Fall speziell auf die örtlichen Gegebenheiten eingegangen werden. Dazu sollten mehrere Untersuchungsmethoden des Grundwassers und des Untergrundes kombiniert, sowie alle Daten von gefährdeten Gebieten gesammelt und in Kombination ausgewertet werden. Einheitliche Bewertungskriterien sind schwierig, da überall Standortspezifische Bedingungen herrschen. Zum Beispiel kann der ph-wert durch natürliche Gegebenheiten verändert sein bzw. er differiert stark in unterschiedlichen Gebieten. Somit ist ein zu einem anderen Gebiet veränderter ph-wert nicht unbedingt ein Zeichen einer Beeinträchtigung des Grundwasserkörpers. In den WRRL gibt es einige Ausnahmeregelungen was den Zeitpunkt der Zielerreichung betrifft. Zum Beispiel wenn der Grundwasserkörper zum Zeitpunkt der vorgegebenen Zielerreichung so stark durch anthropogenen Einflüsse verändert ist oder die natürlichen Gegebenheiten dergestalt sind, dass eine Zielerreichung im Zeitrahmen unwahrscheinlich oder aber zu teuer ist. Eine Ausnahme im Bezug auf die Ziele gilt auch, wenn die Verschmutzung auf Tätigkeiten beruht, die nicht anders zu handhaben sind oder die Verschmutzung nicht vermieden werden kann. In letzterem Fall soll der Grad der Verunreinigung so angelegt werden, dass es nur zu einer geringst möglichen Veränderung des guten Grundwasserzustandes kommt. Grundwasser ist viel weiter verbreitet als Oberflächengewässer. Deshalb ist es schwierig alles genau zu überwachen und Schadstoffeinträge zu lokalisieren. Weiterhin besteht ein Interessenkonflikt mit der Landwirtschaft. Messwerte für einen Grundwasserkörper werden gemittelt, dies birgt die Gefahr, dass einzelne Gebiete mit hoher punktueller Belastung in einem großen Grundwasserkörper aus der Statistik fallen. 13

14 Es existiert zudem keine Liste prioritärer Stoffe für das Grundwasser, die nicht abgebaut werden. Einige Stoffe lösen sich nicht im Grundwasser, werden aber mitgeschwemmt und landen in Brunnen. Es stellt sich hier die Frage, ob tatsächlich alle potentiell gefährlichen Stoffe erkannt werden oder nur solche nach denen gezielt gesucht wird. Im Grundwasser herrscht nur eine langsame Fließgeschwindigkeit. Dies bedeutet, dass Stoffe die vor Jahren eingetreten sind erst jetzt nachgewiesen werden können oder umgekehrt. Dies macht zusätzliche Recherchen über frühere Flächennutzung notwendig. 14

15 Fazit Die Grundwasserbewertung ist aufwendiger als die von Oberflächengewässern. Es müssen im Voraus mehr Daten erhoben werden. Es sind exakte Recherchen notwenig um Messwerte und stellen genau zu beurteilen. Es fällt auf, dass beim Grundwasser im Prinzip noch keine einheitlichen Schadstoffgrenzwerte festgelegt wurden. Dies lässt den EU-Mitgliedsstaaten zu viel eigenen Spielraum. Weiterhin ist zu bemängeln, dass eventuell nicht gelöste Stoffe durch gängige Messmethoden nicht erfasst werden können. Generell sind Messungen im Bezug auf das Grundwasser sehr aufwendig. In diesem Fall besteht noch weiterer Handlungsbedarf um auch in Zukunft einen hohen Qualitätsstandart des Grundwassers aufrecht zu erhalten. Bei der genaueren Durchsicht des Materials zur EU-Wasserrahmenrichtlinie das Grundwasser betreffend, wird der Eindruck geweckt, dass sich manche Stellen widersprechen bzw. keine einheitlichen Standarts festgelegt werden konnten. Forschungsbedarf besteht auch hinsichtlich des Ökosystems Grundwasser, das zum jetzigen Zeitpunkt noch so gut wie gar nicht beschrieben ist und auch in der Richtlinie im Bezug auf Grundwasser keine Beachtung findet. Normalerweise dient eine europaweite Richtlinie dazu einheitliche Standarts zu schaffen. Wenn aber jeder Staat im Endeffekt doch selbst seine Grenz- und Toleranzwerte bestimmt, kann man auch gleich das alte System beibehalten. Im Falle des Wassers allgemein wäre ein einheitliches System jedoch wünschenswert, da Wasser speziell auch Grundwasser keine Staatsgrenzen kennt und die Probleme eines Staates schnell auf die Nachbarstaaten übergreifen können. 15

16 Literatur Pfaff-Schley, Herbert; Grundwasserschutz und Grundwasserschadensfälle; 1995; Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York - Vogelsang, Dieter; Grundwasser; 1998; Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York - Ministerium für Umwelt und Forsten Rheinland-Pfalz, Abteilung Wasserwirtschaft; Vorläufige Ergebnisse der Bestandsaufnahme der rheinland-pfälzischen Gewässer nach der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie - Richtlinie 2000/60/EG des europäischen Parlaments und des Rates vom 23. Oktober 2000 zur Schaffung eines Ordnungsrahmens für Maßnahmen der Gemeinschaft im Bereich der Wasserpolitik - Bundesministerium für Umwelt,Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU); Die Wasserrahmenrichtlinie-Ergebnisse der Bestandsaufnahme 2004 in Deutschland 16