Aspekte der Angewandten Geologie

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1 Aspekte der Angewandten Geologie Geohydromodellierung Institut für Geowissenschaften Christian-Albrechts-Universität zu Kiel 1-1

2 Inhalt Bisher in dieser Vorlesung: Einblicke (=Aspekte) in die - Angewandte Geologie -Geomechanik Ab heute: Einblicke in die Hydrogeologie und verwandte Arbeitsfelder heute: - Einführung Hydrogeologie -Wasser - Wasserkreislauf - Wasserhaushalt 1-2

3 Hydrogeologie Hydro Geologie Hydro geo logie - griechisch, Wasser - griechisch, Erde - griechisch, Lehre ist also die Lehre vom Wasser in der Erde. Darunter wird der Teil der Angewandten Geologie verstanden, der sich mit dem Grundwasser befasst. Themen sind dabei: - Wie viel Grundwasser ist vorhanden? - Welcher Anteil davon kann genutzt werden? - Wie kann ich diesen Anteil nutzen? - Welche Wasserqualität hat das Grundwasser? - Was ist, wenn die Wasserqualität beeinträchtigt wird? - Wie löst man Nutzungskonflikte beim Grundwasser? - Geothermie, Deponien, 1-3

4 Wasser Ein lebenswichtiges Gut > 1 Mrd. (~ 17%) Menschen haben keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser (Unicef, 2004) > 2,6 Mrd. Menschen (~ 43%) leben ohne geregelte Abwasserentsorgung (Unicef, 2004) UN-Ziel: Halbierung der Anzahl der betroffenen Menschen bis 2015 Selbst bei Erreichen dieses Ziels werden bis Mio. Menschen an Wassermangel sterben, 120 Mio. ohne Erreichen des Ziels (P. Gleick, 2004) => Wasser ist knapp (regional) 1-4

5 Krieg um Süßwasser? Am Beginn des 21. Jahrhunderts steht die Erde vor einer ernsthaften Wasserkrise (UN Weltwasserbericht, 2003) Die Kriege der Zukunft werden um Wasser, die Grundlage allen Lebens und Wirtschaftens, geführt werden (Ismail Serageldin, Vizepräsident der Weltbank, 1995) Die Kriege der Zukunft werden um Wasser geführt (Boutros Gali, UN Generalsekretär) Das Einzige, wofür Ägypten noch einmal Krieg führen würde, ist Wasser (Anwar el-sadat, Präsident Ägyptens) 1-5

6 [m 3 pro Einwohner und Jahr] Wasserverbrauch Nordamerika Westeuropa Afrika m 3 pro Einwohner und Jahr 220 m 3 pro Einwohner und Jahr Summe: 1106 m 3 pro Einwohner und Jahr Trinken, Hygiene & Haushalt öffentliche Dienstleistungen Industrie (ohne Kühlwasser) Landwirtschaft Reiner Trinkwasserbedarf: 1-3 m³/a 1-6

7 Wasserverbrauchsanalyse Virtuelles Wasser: 1 Liter Milch 3 4 Liter Wasser 1 Liter Bier 3 15 Liter Wasser 1 kg Zucker Liter Wasser 1 kg Kohle Liter Wasser 1 kg Stahl Liter Wasser 1 kg Papier Liter Wasser 1 kg Zellstoff Liter Wasser 1 kg Kunststoff Wasser 1 Blatt DIN A4: 10 l 1 kg Eier: 4500 l 1 Tasse Tee: 35 l 1 kg Reis: ca l 1 T-Shirt: 2000 l 1 Auto: l 1-7

8 Wasserverbrauch Abschätzung des menschlichen Wasserbedarfs (Zehnder 1997, 2002) - Trinken, Hygiene, Haushalt + Dienstleistungen + Industrie: 250 m³ pro Einwohner und Jahr (Europa: 232 m³/e*a) - Wasserbedarf für Nahrung vegetarisch: Im globalen Mittel nimmt jeder Mensch ca kcal/d auf 1 kg Weizenmehl liefert 3500 kcal 1 kg Mehl benötigt 2 kg Weizenpflanze 2 kg Weizenpflanze erfordern 1 m³ Wasser (USA: 4 m³) => Versorgung mit vegetarischer Nahrung erfordert 260 m³/e*a Ernteverluste, Verderben von Nahrung erhöht Wasserbedarf um 20-40% 1-8

9 Wasserverbrauch - Wasserbedarf für Nahrung: für 20% Fleisch + 80% vegetarische Nahrung: Tiere setzen 5 15% der aufgenommenen Pflanzennahrung in Fleisch um 1 kg Rindfleisch erfordert 5,7 m³ Wasser 1 kg mageres Rindfleisch liefert 2000 kcal => 20% Fleisch + 80% vegetarische Nahrung erfordert 1008 m³/e*a 1-9

10 Regionaler Wassermangel Von Wassermangel betroffene Bevölkerung Vörösmarty et al.,

11 Wasser auf der Erde Die Erde ist der blaue Planet das Wasser macht die Erde einzigartig im Sonnensystem (und weit darüber hinaus). Ozeane bedecken ca. 71% der Erdoberfläche, 29% sind Land. Wasser kommt vor im Ozean, in Flüssen, Bächen, Seen, im Boden, im Grundwasser, eingebaut in Minerale, und als Eis und Schnee. ca % des Wassers ist im Ozean und damit salzig ca. 2.5% des Wassers ist Süßwasser. 1-11

12 Phasendiagramm Wasser Wasser kann in drei Formen (=Phasen) vorliegen: fest, flüssig, gasförmig (Eis, Wasser und Wasserdampf). 1-12

13 Eigenschaften des Wassers Eigenschaften des Wassers: - Summenformel: H 2 O, Dioxidwasserstoff - Molmasse: g/mol - Dichte: g/cm -3 bei 3.98 C, bei 20 C (je 1bar) - spezifische Wärmekapazität: 4187 J/g/K - Wärmeleitfähigkeit: W/m/K (bei 20 C) - Verdampfungswärme: 2257 J/g - Schmelzwärme: J/g - Viskosität: Pa s (bei 20 C) - gutes polares Lösemittel 1-13

14 Energiekreislauf der Erde Energiekreislauf der Erde (in %). Dieser Kreislauf treibt die Umwandlung des Wassers zwischen den einzelnen Phasen und die Umverteilung auf der Erde an (Verdunstung, Evaporation) 1-14

15 Energiekreislauf der Erde 1-15

16 Wasserkreislauf Anteil allen Wassers % Süßwasser Gletscher und Dauerschnee 1.740E Grundwasser 7.500E Süßwasserseen 6.600E Flüsse 2.000E Atmosphäre 9.000E Biospäre 1.000E Der größte Teil des Süßwassers auf der Erde ist nicht als Trinkwasser verfügbar, da es als Eis und Schnee vorliegt. Insgesamt gelten 0.3% des weltweiten Wassers als nutzbar. Größte zugängliche Reserve ist das Grundwasser. 1-16

17 Wasserkreislauf Erneuerungszeiten Polareis Ozeane Gletscher Grundwasser Seen Flüsse Luftfeuchte Biosphäre 9700 a 2500 a 1600 a 1400 a 17 a 16 Tage 8 Tage Several hours Beispiel Mensch: Wassergehalt: 60 l, Wasseraufnahme: 3 l/d, Erneuerungszeit 20 d Flüsse haben kurze Erneuerungszeiten, das Grundwasser sehr lange. Im Fall einer Verunreinigung ist der Fluss daher schnell dreckig, aber auch schnell wieder sauber (Beispiel: Rhein). Grundwasserkontaminationen sind oft schon Jahrzehnte alt. Förderung in Deutschland: 64% Grundwasser, 27% Oberflächenwasser, 9% Quellwasser 1-17

18 Wasserkreislauf 1-18

19 Wasserkreislauf Terminologie: - Verdunstung (evaporation): Phasenübergang aus der wässrigen in die Gasphase unterhalb des Siedepunktes - Kondensation (condensation): Phasenübergang aus der gasförmigen in die flüssige Phase durch abkühlen - Niederschlag (precipitation): Wasser als flüssige oder feste Phase, das auf der Erdoberfläche abgelagert wird (Regen, Hagel, Schnee) - Interzeption (interception): Niederschlag, der durch Pflanzen aufgefangen wird und wieder verdunstet, ohne den Erdboden zu erreichen - Transpiration (transpiration): Verdunstung von Wasser aus der Pflanze in die Atmosphäre - Infiltration (Infiltration): Eintritt von Wasser in den Boden - Speicherung (storage): Speicherung/Rückhalten von Wasser - Abfluss (runoff): Anteil des Niederschlags, der entweder auf der Erdoberfläche oder im Boden zum Vorfluter fließt - Grundwasser (ground water): Anteil des Niederschlags, der in der gesättigten Bodenzone fließt. 1-19

20 Grundwassernutzung Um das Grundwasser als größte Trinkwasserreserve weltweit nutzen zu können, muss bekannt sein, wie groß der Grundwasseranteil am gesamten Wasserkreislauf ist. Dies wird auf der Basis von sog. Einzugsgebieten ermittelt, in denen die Nutzung des Wassers stattfindet. Der Wasserkreislauf und die einzelnen Beiträge müssen also immer lokal ermittelt werden. 1-20

21 Einzugsgebiet: Bilanzvolumen Einzugsgebiet: Fläche oberstromig eines Kontrollpunktes an einem oberirdischen Wasserlauf, auf der Wasser zum Wasserlauf fließt. Die Grenzen eines Einzugsgebietes werden Wasserscheide genannt. P = precipitation ET = Evapo-transpiration G in = inflow of subsurface water G out = outflow of subsurface water Q = surface outflow (runoff) S = storage 1-21

22 Bilanzterme P = Gebietsniederschlag; auf das Einzugsgebiet fallender Niederschlag Q = oberirdischer Gebietsabfluss; Anteil des oberirdisch abfließenden Wassers ET = Evapo-Transpiration; Gebietsverdunstung, die Evaporation, Transpiration und Interzeption umfasst G in = unterirdischer Wasserzufluss; Grundwasserzufluss G out = unterirdischer Wasserabfluss; Grundwasserabfluss S = Speicher, Rücklage; Vergrösserung oder Aufbrauch des oberirdischen oder unterirdischen Wasservorrats des Gebiets A = Fläche des Einzugsgebiets 1-22

23 Wasserbilanzgleichung Der Wasserhaushalt für ein bestimmtes Zeitintervall wird durch die Wasserbilanzgleichung (Massenerhaltung) beschrieben: Speicheränderung Zufluss zum Bilanzgebiet Abfluss aus dem Bilanzgebiet Analogie: Konto Alle Terme in der Bilanzgleichung sind Wasserflüsse in m³/s (Volumen Wasser pro Zeit). Nur S ist Wasservolumen (m³). Teilt man diese Flüsse durch die Fläche A des Bilanzgebiets, so erhält man die entsprechenden Terme als Wasserhöhen. Die Wasserflüsse sind dann angegeben als Änderung der Wasserhöhe über der Einheitsfläche 1 m² pro Zeiteinheit [m/s]. 1 m³/s / 1 m² = 1 m/s = 1000 mm/s = *10 10 mm/a 1 mm/a * 1 m² = m³/a = 3.171*10-11 m³/s 1 mm/a = l/s/km² und 1 l/s/km² = mm/a 1-23

24 Hydrologische Grundgleichung Für längere Zeiträume gleichen sich kurzfristige Schwankungen aus und es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Rücklage und Aufbrauch ein. In diesem Fall (langjährige Mittel) kann die Vorratsänderung vernachlässigt werden, d.h. S/ t = 0. Damit ergibt sich eine vereinfachte Wasserbilanzgleichung, die sog. hydrologische Grundgleichung: P = Q + ET + G out -G in Niederschlagsrate = Abflussrate + Verdunstungsrate Diese gilt nur im langjährigen Mittel. Für Deutschland gilt näherungsweise: P = 825 mm/a durchschnittlich, mm/a Bereich; ET = 485 mm/a durchschnittlich Q+G out -G in = 340 mm/a 1-24

25 Niederschlag Der Niederschlag ist der Hauptwasserzufluss zu einem Einzugsgebiet. Niederschlag entsteht, wenn die Luft mit einem gegebenen Wasserdampfgehalt durch Änderungen der Temperatur oder des Drucks den Taupunkt erreicht. Dabei wird Wasser aus der Luft ausgeschieden. Formen des Niederschlags: Fallender Niederschlag: Regen, Schnee, Hagel, Graupel Abgesetzter Niederschlag: Tau, Rauhreif 1-25

26 Messung des Niederschlags Punktuell durch Auffanggefäße Regenmesser nach Hellmann Zweistufiges Messen durch zählen der Tropfen und durch Kippwaage Flächenhaft durch Radar (Niederschlagsradar) 1-26

27 Verteilung des Niederschlags Histogramm für die Stadt Aachen, Daten von

28 Verteilung des Niederschlags Weltweite monatliche Verteilung des Niederschlags 1-28

29 Gebietsniederschlag Der gemessene Niederschlag ist lokal und muss auf das betrachtete Bilanzgebiet übertragen werden. Dazu werden die lokal gemessenen Werte auf die Fläche interpoliert. Eine Methode dazu sind die sog. Thiessen-Polygone, anhand derer der Niederschlag in einer Fläche, die durch Messstationen begrenzt ist, berechnet werden kann. 1-29

30 Evapotranspiration Evaporation = Verdunstung aus der freien Wasserfläche Transpiration = Verdunstung durch Pflanzen Die Evapotranspiration ist nach dem Niederschlag der größte Term in der Wasserbilanz. Leider ist die Evapotranspiration nur sehr schlecht durch Messungen zu bestimmen, sodass oft empirische oder halbempirische Beziehungen verwendet werden oder sie aus der Wasserbilanz selber bestimmt wird. 1-30

31 Evapotranspiration Evaporation ist der Vorgang, bei dem Wassermolekülen an der Wasseroberfläche durch Energiezufuhr kinetische Energie zugeführt wird, sodass sie die Wasseroberfläche durchstoßen und als Dampf in die Luft übergehen können. Die Verdunstung wird somit bestimmt durch - Temperatur des Wassers und der Luft - Luftfeuchtigkeit - Sättigungsdefizit bezüglich Wasser - Luftbewegung (Turbulenzen), Wind -Luftdruck Die Evapotranspiration ist daher stark abhängig von der Jahreszeit. Wasser hat einen sehr hohen Wärmeinhalt, zur Verdunstung von 1 cm³ Wasser werden 2.5 kj benötigt. Messung über Verdampfungskörper (umgekehrter Regensammler) 1-31

32 Evapotranspiration Die Transpiration ist von denselben Parametern beeinflusst wie die Evaporation. Zusätzlich jedoch spielt die Art der Pflanze, die Größe, die Tageszeit und das Mikroklima (Feld/Wald) eine große Rolle. Die Bestimmung der Transpiration ist daher sehr Aufwändig und nicht repräsentativ, und die in den Pflanzen ablaufenden Prozesse sind zumeist nicht genau bekannt. Messung durch Massenverlust (mit Waagen) einzelner Pflanzen oder Blätter Einpacken ganzer Pflanzen 1-32

33 Evapotranspiration Indirekte Bestimmung der Evapotranspiration durch Halbempirische Gleichungen, die an einzelnen Standorten kalibriert wurden und einzelne bestimmende Faktoren der ET berücksichtigen. 2 Beispiele: Haude-Gleichung: Eignet sich für die Bestimmung von ET pot einzelner Tage; verwendet das mittägliche Sättigungsdefizit ET pot = 0.75 f (e o -e a ) f = Monatskoeffizient: 0.26 < f < 0.39 e o = Sättigungsdampfdruck der Luft um 14 Uhr e a = aktueller Dampfdruck der Luft um 14 Uhr 1-33

34 Evapotranspiration Turc-Gleichung: Eignet sich für die Bestimmung der mittleren jährlichen potentiellen Evapotranspiration ET pot = P * (0.9 + P²/L(t)²) -1/2 P = mittlerer jährlicher Niederschlag in mm/a t = mittlere Jahrestemperatur in C L(t) = t t³... viele weitere Korrelationen, z.b. Thornthwaite, Penman 1-34

35 Evapotranspiration Wichtig ist die Unterscheidung zwischen der potentiellen Evapotranspiration (bestimmt z.b. nach Haude oder Penman), die die mögliche Gesamtverdunstung bei ausreichend Wasser angibt, und die tatsächliche Evapotranspiration, die durch fehlendes Wasser zum Verdunsten entsteht. 1-35

36 Evapotranspiration Niederschlag P und (P ET pot ), jeweils in mm Durch den Jahreszyklus ergibt sich, dass im Sommer typischerweise ET pot > P. Dabei wird Wasser aus dem Bodenspeicher entnommen, also S/ t < 0. Grundwasserneubildung findet deshalb nur im Winterhalbjahr statt, wenn P > ET pot. 1-36

37 Abfluss Der Abflussanteil im Wasserkreislauf ist die oberirdische und unterirdische Bewegung des nicht verdunsteten Niederschlagswassers. 1-37

38 Abfluss Das oberirdische Fließen des Wassers erfolgt unter Einfluss der Schwerkraft in Vorflutern. Vorfluter sind natürliche (Bach, Fluss) und künstliche (Kanal, Graben) Gewässer. Der oberirdische Abfluss ist sichtbar, zugänglich und daher gut messbar. Das unterirdische Wasser (Grundwasser) bewegt sich ebenfalls unter Einfluss der Schwerkraft und gehorcht dem Darcy-Gesetz. Der unterirdische Abfluss ist nur schwierig zu bestimmen, da nicht zugänglich. Da meistens Oberflächen- und Grundwasser in Verbindung stehen, kann es einen Austausch zwischen diesen beiden Abflusskomponenten geben. 1-38

39 Oberirdischer Abfluss Bestimmung des oberirdischen Abflussanteils - durch Auffanggefäße (Auslitern) - durch Meßwehre 1-39

40 Oberirdischer Abfluss Bestimmung des oberirdischen Abflussanteils durch Messung der Fliessgeschwindigkeit. Dabei wird die Fliessgeschwindigkeit anhand eines Messflügels an mehreren Stellen des Querschnitts bestimmt. Sie ist proportional zur Umdrehungszahl des Flügelrades. Alternativ: Triftkörper, Hitzdraht 1-40

41 Oberirdischer Abfluss Für natürliche Gewässer und für künstliche Wehre lassen sich so Beziehungen zwischen Wasserstand und Abfluss herleiten, die empirisch bzw. analytisch / semi-empirisch sind. h Q 1-41

42 Oberirdischer Abfluss Der Wasserabfluss in einem Oberflächengewässer umfasst alle Abflusskomponenten, d.h. Wasser, das über die Oberfläche abfließt, Wasser im Zwischenabfluss und Wasser aus dem Grundwasser. Die Trennung dieser sog. Komponenten wird durchgeführt, um den Grundwasseranteil zu ermitteln. Dazu werden die Schüttungsganglinien nach Hochwasserereignissen ausgewertet 1-42

43 Oberirdischer Abfluss Der abfallende Teil eines solchen Hochwasserpeaks (Rezessionsteil) kann als Aufzeichnung des Entleerens des Speichers im Einzugsgebiet aufgefasst werden. Nach einem Hochwasserereignis (durch kräftigen Niederschlag) ist der Speicher gefüllt, und das abfliessende Wasser muss daher in der Zeit nach dem Niederschlagsereignis dem Speicher entnommen werden. Insbesondere für kleinere und homogene Einzugsgebiet gilt: Q( t) = Q 0 e -α t Q( t) ist der Abfluss nach der Zeit t nach Abfluss Q 0, α eine empirisch zu bestimmende Konstante, auch Leerlaufkoeffizient genannt. 1-43

44 Oberirdischer Abfluss Der Verlauf dieser Trockenwetterganglinie kann für unterschiedlich hohe Abflussraten aus einer längeren Zeitreihe konstruiert werden. Es ergibt sich die gesamte Leerlaufkurve des Einzugsgebiets. Diese Verfahren wird insbesondere für Quellen angewendet. 1-44

45 Oberirdischer Abfluss Der Verlauf des Grundwasserabflusses eines Einzugsgebiets an einer Messreihe des Abflusses in einem Vorfluter kann nach der Natermann- Methode abgeschätzt werden. Die Abbildung zeigt die Grundwasserabflussganglinie ( A u -Linie ), die durch Verbinden der jeweils geringsten Abflüsse gewonnen wird. Dieses Verfahren ist gut anwendbar bei Niedrigwasserabfluss, bei Hochwasser ist der Kurvenverlauf nicht eindeutig. 1-45

46 Oberirdischer Abfluss Der Grundwasseranteil des Abfluss kann durch zusätzliche Betrachtung von Wasserinhaltsstoffen ermittelt werden. Dies gilt insbesondere für die Isotope des Wassers, 18 O und 2 H. Diese bewegen sich wie das Wasser, und markieren daher so dessen Bewegung. Voraussetzung ist, dass die Isotopenzusammensetzung des Grundwassers verschieden ist von der des Niederschlagswassers, was oft der Fall ist aufgrund geochemisch ablaufender Reaktionen im Untergrund. Q T = Q S + Q R Q T δ T = Q S δ S + Q R δ R Niederschlag Isotopengehalt δ R Daraus ergibt sich Q R = Q T (δ T δ S )/(δ R δ S ) Q S = Q T -Q R Grundwasserabfluss Q S Isotopengehalt δ s Oberflächenabfluss Q R Isotopengehalt δ R Vorfluter Gesamtabfluss Q T Isotopengehalt δ T 1-46

47 Oberirdischer Abfluss Der Untersuchung Wilson Creek, Kanada (Fritz et al 1976). Ergibt einen sehr hohen Anteil des Grundwassers am Gesamtabfluss Zusätzlich gemessen im Niederschlag und in Grundwasserbrunnen: δ R = -19 δ S =

48 Unterirdischer Abfluss Der unterirdische Abfluss ist der Messung unzugänglicher. Dieser kann bestimmt werden aus - Pumpversuchen - Grundwassergleichenkarten die aus Messungen an einzelnen Grundwasserbrunnen ermittelt werden. Oft ist dies nur durch eine numerische Modellierung möglich. Beispiel: 18% des Gesamtabflusses in Griechenland fließt unterirdisch ins Meer und ist daher nicht nutzbar 1-48

49 Speicheränderung Die unterirdische Änderung des gespeicherten Wassers lässt sich im wasser-gesättigten Bereich ebenfalls aus Grundwassergleichenkarten bestimmen. Zusätzlich wird noch die Porosität benötigt, das ist der Hohlraumanteil im Boden. Im wasser-ungesättigten Bereich, also der Bodenzone, kann dies anhand von Lysimetern oder γ-sonden durchgeführt werden, die den Wassergehalt messen. Niederschlag Evapotranspiration Infiltration Grundwasserneubildung neu gespeichertes Bodenwasser neu gespeichertes Grundwasser Grundwasserabfluss 1-49

50 Oberirdischer Abfluss Speicheränderung Zufluss zum Bilanzgebiet Abfluss aus dem Bilanzgebiet Damit sind die einzelnen Terme der Bilanzgleichung bekannt und (mit Unsicherheiten) messbar. Man bestimmt typischerweise so viel als möglich, um die Ungenauigkeiten auflösen zu können 1-50

51 Einzugsgebiet der Schwentine 1-51

52 Hydrologische Daten Schleswig-Holstein 1-52

53 Hydrologische Daten Schleswig-Holstein 1-53

54 Hydrologische Daten Schleswig-Holstein 1-54