Prof Pr. Dr . Dr Christian W lk o er lk sdorfer Abriss der Hydrogeologie Abriss der Hydr Einführung V r e a r nstaltung im

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Martha Hofmann
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Wintersemester 2008/2009 Präsentation basiert auf Einführung Hydrogeologie habil Broder

1 Prof. Dr. Christian Wolkersdorfer Abriss der Hydrogeologie Einführung Veranstaltung im Wintersemester 2008/2009 Präsentation basiert auf Einführung Hydrogeologie Prof. Dr. habil Broder J. Merkel (Bergakademie Freiberg) Technische Notizen Klausur am Ende der Vorlesung Übungen Fragen? 1

2 Inhalte Einführung Porosität und Permeabilität Warum fließt Grundwasser? Wie werden Porosität und Permeabilität bestimmt? Wasserchemie und Isotopenchemie Mikrobiologie und Seuchen Transport von Partikeln, gelösten Stoffen und Wärme Grundwasserschutz und Grundwassermanagement Grundwasserkontaminationen und Sanierung Modellierung Literatur Hölting,, B. & Coldewey,, W. G. (2005): Hydrogeologie Einführung in die Allgemeine und Angewandte Hydrogeologie. 6. Aufl., 326 S., 118 Abb., 69 Tab.; München (Elsevier). Domenico,, P. A. & Schwartz,, F. W. (1998): Physical and Chemical Hydrogeology. 2. Aufl., 506 S.; New York u.a. (Wiley & Sons). Montgomery,, C. W. (2003): Environmental geology. 6. Aufl., 554 S.; Boston (McGraw-Hill). Younger,, P. L. (2007): Groundwater in the Environment - An introduction. 318 S.; Oxford (Blackwell). 2

3 Pressemitteilung WHO World Water Day: 22 March 2001 > 1 Milliarde Menschen trinken nicht einwandfreies Wasser 2,4 Milliarden, 40 % sind ohne sanitäre Einrichtungen 3,4 Millionen Tote pro Jahr durch Seuchen, die von Wasser übertragen werden. mehr als 1 Million davon allein durch Malaria nur bis Tote pro Jahr durch Geohazards Pressemitteilung WHO World Water Day - (...Forts.) ein Problem mit diesen Ausmaßen kann nicht über Nacht gelöst werden aber einfache und kostengünstige Maßnahmen sind verfügbar, um Millionen von Menschen in Entwicklungsländern mit sauberem Wasser zu versorgen. Jetzt, nicht in 20 bis 30 Jahren? 3

4 Bevölkerungswachstum Welche Ressourcen begrenzen das Wachstum? Energie? Wasser? Luft? Nahrungsmittel? 4

5 Wasserverbrauch pro Tag und Person? Beduinen in der Wüste L/Tag Deutschland L/Tag arabische Halbinsel (Städte) 450 L/Tag Trinkwassermenge (humides Klima) Trinkwassermenge (arides Klima) 2 L/Tag 8 L/Tag Rest: duschen, baden, Klo, Kochen, Wäsche waschen, Handwerk Wie viel Wasser braucht man für die Produktion von... 1 t Papier* 70 m³ 1tStahl* 100 m³ 1 t Mais 950 m³ 1 t Weizen m³ 1 t Reis m³ 1 t Rindfleisch m³ * Leitungswasser 5

6 Bitte Vergessen Sie nicht: Wasser ist das Lebensmittel Nr 1 Wasser ist das wichtigste Produktionsmittel für die Herstellung von Nahrungsmitteln Warum ist Wasser so speziell? Der Schlüssel zum Verständnis der mit dem Wasser verbundenen Phänomene liegt in der molekularen Struktur des Wassers. 6

7 Nicht nur in Eis bildet Wasser Cluster die richtige Formel ist somit nicht H 2 O Temperatur Faktor Formel 0 C 130 H 260 O C 90 H 180 O C 60 H 120 O 60 Auf Grund der Clusterstruktur höchste Verdampfungswärme höchster Schmelzpunkt aller bekannten Flüssigkeiten was folgt daraus? 7

8 Auf Grund der Clusterstruktur hohe spezifische Wärmekapazität nur flüssiges Ammoniak hat eine höhere Wärmekapazität was folgt daraus? Auf Grund der Clusterstruktur höchste Oberflächenspannung aller Flüssigkeiten: σ =73mN m - 1 bei 20 C Nur Quecksilber ist höher: σ = 471 mn m - 1 bei 18 C was folgt daraus? 8

9 Dissoziation H 2 O H + + OH - bestes bekanntes Lösungsmittel sehr gute Lösung von Mineralen hohe Salinität möglich Alpers: Melanterit (Fe 2 SO 4 7H 2 O) Totes Meer 9

10 Maximale Dichte bei 4 C oberirdische Wässer gefrieren somit nicht vom Boden aus... Wasser: Gas, flüssig, fest expandiert beim Gefrieren um 10 %? (Frostsprengung, g, Verwitterung) regionaler and globaler Wassertransport in Folge von Verdunstung und Kondensation Eis schwimmt auf Wasser 10

11 Hydrologischer Kreislauf Energiekreislauf Historische Entwicklung der Hydrogeologie Griechische Kultur Aristoteles, Thales, Plato, Homer 11

12 Historische Entwicklung der Hydrogeologie Römische Kultur Seneca, Plinius, Vitruvius, Frontinus Die Erprobung und Prüfung der Quellen muss so besorgt werden: Wenn die Quellen von selbst hervorquellen und offen zu Tage liegen, dann betrachte und beobachte man, bevor man mit dem Leitungsbau beginnt, welchen Gliederbau die Menschen haben, die in der Umgebung dieser Quellen wohnen. Ist ihr Körperbau kräftig, ihre Gesichtsfarbe frisch, sind ihre Beine nicht krank und ihre Augen nicht entzündet, dann werden die Quellen ganz vortrefflich sein. (Vitruvius ca. 70 vor) Historische Entwicklung der Hydrogeologie Römische Kultur 12

Infiltrationstheorie Mariotte (1620 1684)

13 Historische Entwicklung der Hydrogeologie 3000 BC Bohrtechnik in China 2500 BC Kanat-Systeme im Iran und Ägypten Palissy( ) erste Ansätze zur Infiltrationstheorie Mariotte ( ) and Halley ( ) Infiltration and Evaporation Darcy( ): Theorie Grundwasserbewegung z.b. DuPuit, Forchheimer, Thiem, Keilhack Kanat-Systeme 13

14 Henry Darcy ( ) Dijon 1650 Titelblatt einer Darcy-Publikation Die Originalsäule Wasserressourcen der Welt Kompartiment km 3 % Ozeane ,538 Eis und Schnee ,758 Grundwasser ,688 oberirdische Gewässer ,014 Bodenfeuchte ,001 Atmosphäre ,001 Organismen ,0001 nach Korzun et al

15 Frischwasser Ressourcen Kompartiment km 3 % Eis und Schnee ,777 Grundwasser ,767 oberirdische Gewässer ,396 Bodenfeuchte ,034 Atmosphäre ,026 nach Korzun et al Definitionen Boden soil ungesätigte Zone unsaturated zone gesättigte Zone saturated zone 15

16 Klassifikation von Wasser Kompartiment Atmosphäre Erdoberfläche ungesättigte Zone 3 Phasen System: Gas Gestein Wasser gesättigte Zone 2 Phasen System: Gestein Wasser *) Typ Dampf Regen, Hagel, Schnee Schnee, Eis, Tau Flüsse, Seen, Ozeane Wasser in Pflanzen Wasser in Wurzeln, Wasserdampf Bodenwasser Sickerwasser Wasser in Mineralen Grundwasser Wasser in Mineralen fluid inclusions *) Wasser enthält gelöste Gase Globaler Wasserkreislauf Evaporation evaporation Evapotranspiration Evapotranspiration Niederschlag precipitation oberirdisches Wasser surface water Evaporation evaporation unterirdisches Wasser: subsurface water: Bodenwasser soil water Grundwasser ground water Wasserdampf aus Vulkanen vulcanic vapour juveniles Wasser juvenile water 16

17 Atmosphärischer Wassertransport (mm/jahr) mm = 1 L m - ² was steuert den Wasserkreislauf? Evaporation und Transpiration: Evapotranspiration p Meteorologische Phänomene Oberflächenabfluss und Infiltrationsprozesse Fließen des Grundwassers Geochemische Prozesse 17

18 Ist Grundwasser eine gefährdete Ressource? bis Anfang der 60 nur von wenigen erkannt Anstieg von Nitrat im oberflächennahen Grundwasser seit dem 2. Weltkrieg Anstieg von Pestiziden in oberflächennahen Grundwässern seit Anfang der 60 Jahre Kontamination auf Grund von wilden Deponien, Altlasten und Entsorgung in den Untergrund Unfälle mit Chemikalien leistungsfähige Analytik Nitrat im Grundwasser (Stuttgart- Rotenberg) 18

19 Ist Grundwasser eine gefährdete Ressource? Ja in humiden Klimata und Industrieländern überwiegend Qualitätsprobleme in semiariden und ariden Klimata sowohl Quantitäts- als auch Qualitätsprobleme und: oberirdische Gewässer können in Monaten bis Jahren repariert werden, die Sanierung von Grundwasser dauert Jahrzehnte bis Jahrhunderte Death Valley... 19

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