Grundwasservorkommen eine kostbare Ressource

Transkript

1 Grundwasservorommen eine ostbare Ressource 2

2 2. Grundwasservorommen eine ostbare Ressource 2.1 Vorommen von Grundwasser Was ist eigentlich Grundwasser?»Grundwasser ist Wasser, das die Hohlräume des Untergrundes omplett ausfüllt und aufgrund der Schwerraft ständig in Bewegung ist.«in Berlin wie auch im gesamten norddeutschen Flachland bestehen die Hohlräume der hier vorommenden t Locergesteine aus dem Porenraum zwischen den Gesteinspartieln, meist Sand und Kies. Man nennt die Locergesteine deshalb auch Porengrundwasserleiter. In größeren Tiefen unterhalb der Erdoberfläche von Berlin und an der Oberfläche in anderen Gegenden Deutschlands ommen dagegen Festgesteine vor, die dann Poren-, Kluft- oder Karstgrundwasserleiter ausbilden (Abb ). Unter der Grundwasseroberfläche, in der wassergesättigten Zone, sind die Hohlräume vollständig mit Grundwasser gefüllt. Oberhalb der wassergesättigten Zone strömt das Sicerwasser dem Grundwasser zu. Über der Grundwasseroberfläche ann sich in Abhängigeit vom Aufbau, der Korngröße und der Strutur des Untergrundes Kapillarwasser ausbilden. Dieses wird durch die Flächenspannung zwischen den Gesteinspartieln gehalten. Die apillare Aufstiegshöhe ist im Wesentlichen von der Art, der Korngröße und der Lagerungsdichte der Partiel abhängig. Sie nimmt mit leiner werdendem Korndurchmesser zu (Abb ). Abbildung Poren-, Kluft- und Karstgrundwasserleiter wassergesättigte Zone wasserungesättigte Zone Bodenteilchen Haftwasser Hohlraum mit Bodenluft gefüllt Sicerwasser Kapillarwasser Grundwasseroberfläche Hohlraum mit Grundwasser gefüllt Abbildung Erscheinungsformen des Grundwassers

3 t Grundwasserleiter sind in Berlin aus Sanden und Kiesen aufgebaut und ermöglichen als t rollige Locergesteine die Speicherung und Bewegung von Grundwasser; t Grundwassergeringleiter oder auch t Grundwasserhemmer bestehen aus t Schluffen, t Mudden und t Geschiebemergeln und verzögern als t bindige Locergesteine die Wasserbewegung im Untergrund; t Grundwassernichtleiter sind aus Tonen aufgebaut, weisen ebenfalls bindige Eigenschaften auf und sind für Wasser nahezu undurchlässig. Das Grundwasser ist ständig in Bewegung. Die Fließgeschwindigeiten sind dabei allerdings vergleichsweise gering. In Abhängigeit von der Durchlässigeit der Locergesteine und dem Grundwassergefälle beträgt die horizontale Grundwasserfließgeschwindigeit in Berlin etwa zehn bis 500 Meter pro Jahr oder etwa drei Zentimeter bis 1,4 Meter pro Tag. In der Nähe von Brunnenanlagen önnen sich diese geringen Fließgeschwindigeiten allerdings star erhöhen. Die Durchlässigeit der Locergesteine ist abhängig von der Korngröße und dem nutzbaren Porenraum und wird mit dem Durchlässigeitsbeiwert f beschrieben (Tab ). Tab Kenngrößen einzelner Locergesteine (nach HÖLTING 1980) Eigenschaft Korngröße [mm] nutzbarer Porenraum [%] Durchlässigeitsbeiwert f [m/s] Kies rollig grobörniger Sand rollig 0,6 2, um 10-3 mittelörniger Sand rollig 0,2 0, feinörniger Sand rollig 0,06 0, Schluff bindig 0,002 0, Ton bindig < 0,002 < 5 < 10-9 Aus der Tabelle ist zu ersehen, dass die Durchlässigeitsbeiwerte und damit die Durchlässigeit der bindigen Locergesteine Ton und Schluff um einige Zehnerpotenzen geringer sind als die der rolligen Locergesteine Sand und Kies. Daher wiren die bindigen Sedimente als Grundwasserhemmer bzw. -nichtleiter, während die rolligen hingegen dem Grundwasser als Grundwasserleiter eine Fließbewegung ermöglichen. (s. a. Tab ) Geschiebemergel besteht aus einer Mischung von Ton, Schluff, Sand und Kies sowie (großen) Geschieben. Auf Grund seines Ton- und Schluffgehaltes überwiegen die bindigen Eigenschaften mit geringen f -Werten von 10-6 bis 10-7 m/s.

4 Tab Durchlässigeiten nach DIN 18130, Tl. 1 Durchlässigeiten nach DIN 18130, Tl. 1 sehr star durchlässig star durchlässig durchlässig schwach durchlässig sehr schwach durchlässig Durchlässigeitsbeiwert f [m/s] > < 10-8 Liegt die Grundwasseroberfläche innerhalb eines Grundwasserleiters, so entspricht sie der Grundwasserdrucfläche und man spricht von freiem oder ungespanntem Grundwasser. Wird der Grundwasserleiter jedoch von bindigen Decschichten so überdect, dass das Grundwasser nicht so hoch ansteigen ann, wie es seinem t hydrostatischen Druc entspricht, liegt die Grundwasseroberfläche unter der Grundwasserdrucfläche des dann gespannten Grundwassers. Erst beim Entfernen der Decschicht ann das Grundwasser (z. B. in einer Bohrung oder einer Baugrube) bis zur Drucfläche ansteigen (Abb ). Befindet sich über einem großen zusammenhängenden Grundwasserleiter (t Hauptgrundwasserleiter) ein Grundwassergeringleiter wie z. B. ein Geschiebemergel, so ann sich hier in sandigen Partien oberhalb des Geschiebemergels oder in eingeschlossenen Sandlinsen oberflächennah Grundwasser ausbilden, das häufig auch als so genanntes Schichtenwasser bezeichnet wird. Befindet sich darunter eine ungesättigte Zone, spricht man von schwebendem Grundwasser (Abb ). Normalerweise strömt das Grundwasser im Untergrund mit geringem Gefälle langsam dem Oberflächenwasser (Flüsse und Seen) zu und speist diese; andernfalls würden sie austrocnen, wasserungesättigt wassergesättigt Grundwasserleiter z. B. Sand Abb Hydrogeologische Begriffe Grundwasserdrucfläche= Grundwasseroberfläche schwebendes Grundwasser ungespanntes Grundwasser Hauptgrundwasserleiter Grundwassermessstelle wenn es längere Zeit nicht regnet (Abb ). Nur bei Hochwasserereignissen infiltriert Oberflächenwasser urzzeitig im Uferbereich als Uferfiltrat in das Grundwasser, solange der Wasserspiegel über dem des Grundwassers liegt (Abb ). Wird in der Nähe eines Oberflächengewässers Grundwasser durch Brunnen entnommen, so wird durch die Ausbildung eines t Absentrichters die Grundwasseroberfläche unter das Niveau des Gewässers abgesent. Dadurch speist jetzt ebenfalls das Oberflächenwasser als t Uferfiltrat das Grundwasser (Abb ). Grundwasserdrucfläche Grundwassergeringleiter z. B. Geschiebemergel Grundwasseroberfläche gespanntes Grundwasser Förderbrunnen Abb Grundwasser infiltriert in das Oberflächenwasser Abb Bei Hochwasser infiltriert Oberflächenwasser in das Grundwasser als Uferfiltrat Abb Bildung von Uferfiltrat durch Brunnenförderung

5 Wo ommt das Grundwasser vor? Der Berliner Untergrund Die entscheidenden natürlichen Voraussetzungen dafür, dass fast überall in Berlin Grundwasser in Trinwasserqualität gewonnen werden ann, sind abgesehen von den limatischen Gegebenheiten der geologische Aufbau des Untergrundes, die Lagerungsform, die Art der Gesteine, deren räumliche Verbreitung und Ausbildung, die Mächtigeit der Gesteinsschichten und deren Wasserdurchlässigeit. Eine genaue Erundung und Bewertung des Untergrundes ist deshalb eine unersetzliche Voraussetzung für die nachhaltige Trinwassergewinnung. Oberflächenform und geologische Sizze Die heutige Oberflächenform Berlins wurde überwiegend durch die t Weichsel-Kaltzeit, die jüngste der drei großen t quartären Inlandvereisungen, geprägt. Sie hat der Stadt gleichsam ihren morphologischen Stempel aufgedrüct (Abb ). Geländehöhe in m über NHN Gewässer Abb Morphologische Sizze von Berlin Die wichtigsten t geomorphologischen Einheiten sind das tief gelegene, vorwiegend aus sandigen und iesigen Ablagerungen aufgebaute Warschau-Berliner Urstromtal mit dem Nebental der Pane sowie die Barnim-Hochfläche im Norden und die Teltow- Hochfläche zusammen mit der Nauener Platte im Süden. Beide Hochflächen sind zu weiten Teilen mit mächtigen Geschiebemergeln bzw. Geschiebelehmen der Grundmoränen bedect (Abb ).

6 Geologische Sizze von Berlin Torf, Mudde, Sand (See- und Moorablagerungen) Talsand im Urstromtal und den Nebentälern Geschiebelehm, Geschiebemergel überwiegend auf den Hochflächen Sande überwiegend auf den Hochflächen Gewässer Abb Geologische Sizze von Berlin (2004) Der tiefere Untergrund Die ältesten Gesteine, die man in Berlin in einer Bohrung im Postfenn im Bezir Charlottenburg-Wilmersdorf in über Metern Tiefe erbohrt hat, stammen aus dem geologischen Zeitalter des t Rotliegenden (Unter-Perm). Es sind etwa 290 Millionen Jahre alte vulanitische Gesteine (Tab ). Darüber lagern hier fast Meter mächtige Salzgesteine aus dem t Zechstein (Ober-Perm). Diese in ganz Norddeutschland vorommenden Salze mit einem geringen spezifischen Gewicht sind hier durch die Gebirgsauflast der darüber liegenden, schwereren Gesteine infolge der so genannten t Haloinese in ihrer Mächtigeit mehr als verdreifacht. Sie haben durch die Bildung eines t Salzissens die darüber lagernden Decschichten schüsselartig aufgewölbt (Abb ). Die Decschichten werden von Sedimentgesteinen der t Trias gebildet: 776 Meter t Buntsandstein, 271 Meter t Muschelal sowie 136 Meter t Keuper. Die zeitlich eigentlich darauf folgenden Schichten aus dem t Jura und der t Kreide fehlen hier. Daher lagern t disordant horizontal auf den aufgewölbten älteren Keuperschichten 139 Meter mächtige, sehr viel jüngere Locersedimente des Tertiärs. Darüber folgen ebenfalls Locersedimente des Quartärs mit einer Mächtigeit von 50 Metern. Weiter nach Osten wird die zeitliche Schichtlüce geringer, da die Aufwölbung durch das Salz ablingt: In der Bohrung am Reichstag im Bezir Mitte wurde unter dem Tertiär bereits der untere Jura (Lias) angetroffen. In einer Bohrung in Wartenberg im Bezir Lichtenberg an der östlichen Stadtgrenze wurden bereits die Sedimente der Oberen Kreide aufgeschlossen (Tab und Abb ).

7 Tab Geologischer Bau von Berlin, dargestellt anhand von drei tiefen Bohrungen Ära System Quartär Serie Holozän Pleistozän Beginn vor Millionen Jahren Berlin, 1/69 Bohrungen Reichstag, 1/96 Wartenberg, 2/86 Schichtmächtigeit in Metern 1, Generelle Ausbildung der Gesteine und ihre Bildungsbedingungen in Berlin (star vereinfacht) Sand, Ton, Schluff, Geschiebemergel, Mudde, Torf ontinental mit Eiszeitbildungen Känozoium Tertiär Pliozän Miozän Oligozän Eozän Paläozän Sand, Ton, Schluff, Braunohle marin - flachmarin, ontinental mit Braunohlebildung Mesozoium Kreide Jura Oberreide 99 Unterreide 144 Malm 159 Dogger 180 zeitliche Lüce ( Disordanz) zeitliche Lüce ( Disordanz) 155 zeitliche Lüce ( Disordanz) Lias Schreibreide, Mergel, Mergelal, Grünsand marin Tonstein, Schluffstein, Sandstein marin Keuper m Endteufe 523 Dolomit, Tonstein, Sandstein, Anhydrit, Steinsalz flachmarin - bracisch Trias Muschelal Kalstein, Mergel, Schluffstein, Dolomit, Anhydrit, Steinsalz marin Buntsandstein m Endteufe Sandstein, Schluffstein, Tonstein, Anhydrit, Halit, Kalstein ontinental Paläozoium Perm Zechstein Rotliegendes m Endteufe Dolomit, Kalstein, Anhydrit, Steinsalz, Kalisalz (Zylen) fl a c h m a r i n Andesitisch-basaltischer Vulanit, Sandstein, Schluffstein flachmarin - vulanisch

8 m NHN Westen Spandau Berlin 1/69 Tiefengeologisches Profil von Berlin zweifach überhöht Tiergarten Osten Hohenschönhausen Lichtenberg Am Reichstag 1/96 Wartenberg 2/86 q + t q + t r r j j m Salzissen Spandau s z r r m q + t r j Quartär und Tertiär Kreide Jura m s Keuper Muschelal Buntsandstein Trias z r Zechstein Rotliegendes Perm Abb Tiefengeologisches Profil von Berlin mit Salzissen Spandau Im gesamten über Meter mächtigen Bereich oberhalb der t Zechsteinsalze und unterhalb des Tertiärs ziruliert in den Poren-, Kluft- oder Karsthohlräumen der Sedimentgesteine Grundwasser, das durch Lösung der Salzgesteine star salzhaltig ist etwa so wie Meerwasser. Diese Abfolge bildet das Salzwasserstocwer. Tertiär und Quartär Das Tertiär beginnt in Berlin mit marinen Schichten des t Eozäns und des t Oligozäns. Eine besondere Bedeutung für die Wasserversorgung ommt dabei dem mitteloligozänen t Rupelton zu. Seine etwa 80 Meter mächtige Tiefseetonabfolge bildet eine in ganz Norddeutschland hydraulisch wirsame Barriere zum darunter liegenden Salzwasserstocwer. Darüber folgen schluffige Feinsande des Oberoligozäns. Einen Wechsel von marinen und ontinentalen Sedimenten mit eingeschalteten t Braunohleflözen ennzeichnen die darüber lagernden, jüngeren Schichten des t Miozäns: alfreie z. T. iesige Sande, Braunohlentone und -schluffe sowie Braunohle. Insgesamt sind die tertiären Schichten in Berlin etwa 150 bis 220 Meter mächtig (Abb ), nur in einer t Randsene im Nordwesten Berlins steigt die Mächtigeit bis auf über 500 Meter an. t Paläozän und t Pliozän sind im Berliner Raum nicht ausgebildet. Das Tertiär ist vollständig mit pleistozänen Sedimenten des Quartärs bedect. Nur im Bezir Reinicendorf, in Hermsdorf und Lübars, befindet sich der tertiäre Rupelton durch den Salzaufstieg diret an der Erdoberfläche.

9 Tertiär und Quartär im Südwesten Berlins 20-fach überhöht Westen Osten / Nordwesten Südosten Knic im Schnitt Wilmersdorf Schöneberg Neuölln m NN 50,0 0,0 Süd P 102 tmi qs Süd R 222 qs Süd M 251 tolco tmi -50,0-100,0 tolr tolco -150,0 tolr tolr -200,0 j -250, m Quartär Tertiär Mesozoium Petrographie Weichsel-Kaltzeit tmi Miozän j Jura Sand-Kies Mudde qs Saale-Kaltzeit tolco Chatt (Cottbusser Schicht) Keuper Geschiebemergel Glimmersand Holstein-Warmzeit tolr Rupel (Rupelton) Schluff-Ton Schluffstein Elster-Kaltzeit Ton Tonstein Abb Vereinfachtes geologisches Profil durch das Tertiär und Quartär von Wilmersdorf über Schöneberg nach Neuölln Das Quartär begann mit einem Klimawandel vor 1,8 Millionen Jahren. Es ommen in Berlin im t Pleistozän Ablagerungen der drei nordischen Kaltzeiten mit zwei dazwischen liegenden Warmzeiten vor, und zwar diejenigen der Elster-, Saale- und Weichselaltzeit mit Ablagerungen von Schmelzwassersanden und -iesen nordischen Ursprungs, Bändertonen sowie -schluffen und Geschiebemergel der Grundmoränen. Daneben existieren auch Sedimente der Holstein- und Eem-Warmzeit mit Mudden, Schluffen, Tonen und Torfen sowie Flusssande und -iese aus weiter südlich liegenden Liefergebieten (Tab ). Die Gletscher besonders die der Elster-Kaltzeit haben z. T. sehr tiefe Rinnen in die vorgefundene tertiäre Oberfläche t erodiert und mit t glazialem Gesteinsmaterial verfüllt. Dabei ann es vorommen, dass die tertiären Schichten, insbesondere der t Rupelton, vollständig erodiert wurden und so die schützende Barriere zwischen dem Süß- und Salzwasserstocwer zerstört wurde. Die Mächtigeit der pleistozänen Schichten beträgt in Berlin zumeist etwa 50 Meter, in elsterzeitlichen Rinnen jedoch auch bis zu 250 Meter. Nach dem Ende des Pleistozäns vor Jahren begann das t Holozän. Es amen Mudden, Torfe, Flusssande und Dünensande zur Ablagerung, die loal große Mächtigeiten (z. T. weit mehr als 10 Meter) aufweisen önnen.

10 Tab Schematische Gliederung des Quartärs in Berlin Serie Stufe (norddeutsche Gliederung) Typische Ablagerungen Beginn vor heute in Jahren Holozän Torfe, Mudden, Dünen, Flusssande, anmoorige Sande Pleistozän Weichsel-Kaltzeit Schmelzwassersande, Geschiebelehme/ - mergel Eem-Warmzeit Torfe, Mudden, anmoorige Sande Saale-Kaltzeit Holstein-Warmzeit Elster-Kaltzeit Schmelzwassersande, Geschiebelehme/ -mergel, Becentone und schluffe Torfe, Mudden, Tone und Schluffe mit Schnecen, Flusssande und -iese Schmelzwassersande, Geschiebelehme/ -mergel, Becentone und schluffe Ältere Kalt- und Warmzeiten in Berlin nicht nachgewiesen Der hydrogeologische Bau Durch die wechselnde Abfolge von Grundwasserleitern und geringleitern sind im Berliner Raum im t Süßwasserstocwer über dem t Rupelton vier hydraulisch und hydrochemisch unterscheidbare Grundwasserleiter ausgebildet. Der zweite, überwiegend saalezeitliche Grundwasserleiter wird in Berlin als der so genannte t Hauptgrundwasserleiter bezeichnet, da aus diesem der größte Anteil des Wassers für die Trinwasserversorgung gefördert wird (LIMBERG & THIERBACH 2002). Der fünfte Grundwasserleiter befindet sich unterhalb des Rupeltones im t Salzwasserstocwer (Abb ). Dort, wo der Rupelton vollständig durch die Gletscher erodiert wurde, besteht ein direter Kontat zwischen dem Süß- und Salzwasserstocwer mit der Gefahr der Versalzung des zur Trinwasserversorgung genutzten Grundwassers. Es ist sehr wichtig, solche Fehlstellen genau zu ennen, denn eine unsachgemäße Grundwasserförderung ann in diesem Bereich einen schwer umehrbaren Salzwasseraufstieg und damit eine t Kontamination des nutzbaren Süßwassers bewiren.

11 Süden m NHN 0 Teltow-Hochfläche qswa qsd Hydrogeologischer Schnitt durch Berlin (40-fach überhöht) Urstromtal Spree qh GWL 1 - qh Hauptgrundwasserleiter Hauptgrundwasserleiter GWL 2 - qs - qsd GWL 3 tmi - - Süßwasserstocwer tmibru Panetal qswa qsd tmibru Barnim-Hochfläche Norden -50 tmibro tmibru tmibru tmimiu tmimo GWL 4 tolco - tmi -100 tolco tolrt -150 tolrt GWL 5 Prätertiär - teo Salzwasserstocwer -200 Prätertiär - teo 0 5 m -250 Das nicht überhöhte Profil zum Vergleich Quartär Tertiär Tertiär Quartär -200 (Sande und Kiese) Grundwasserleiter (zusammengefasst) GWL 1 - qh GWL 2 - qs - GWL 3 tmi - - GWL 4 tolco - tmi GWL 5 Prätertiär - Eozän Grundwassergeringleiter (Geschiebemergel, Tone, Schluffe, Mudden) Grundwasserdrucfläche Panetal und oberflächennahe Grundwasserleiter q Quartär Grundwasserdrucfläche Hauptgrundwasserleiter qh qs qswa qsd Holozän Weichsel - Kaltzeit Saale - Kaltzeit Warthe Stadium Drenthe Stadium Holstein - Warmzeit Elster - Kaltzeit t Tertiär tmi tmibro tmibru tmimiu tmimo tolco tolrt teo Miozän Obere Brieser Schichten Untere Brieser Schichten Untere Mittenwalder Schichten Mölliner Schichten Cottbusser Schichten Rupelton Eozän Abb Schematisches hydrogeologisches Profil von Süden nach Norden 2.2 Messung und Darstellung von Grundwasser Wie entsteht Grundwasser? Grundwasser ist als Teil des Wasserreislaufes unserer Erde eine erneuerbare Ressource. Es wird durch Niederschläge immer wieder neu gebildet. Durch Sonneneinstrahlung steigt über Land und Wasser infolge der Verdunstung feuchte Luft auf und verdichtet sich zu Wolen. Aus den Wolen regnet es dann wieder auf die Erdoberfläche. Ein Teil davon verdunstet über dem Land, der andere Teil hingegen fließt oberirdisch ab oder versicert ins Grundwasser. Die Bäche und Flüsse bringen das Wasser zum Meer und schließen so den Kreislauf aus Verdunstung, Niederschlag und Abfluss. Wasser ann also nicht verbraucht werden; es bleibt immer Teil des Kreislaufes (Abb ). In Berlin fallen im Durchschnitt (dreißigjähriges Mittel ) 570 mm Niederschlag pro Jahr das sind 570 Liter auf jeden Quadratmeter oder 478 Millionen m 3 pro Jahr auf die Stadtfläche ohne Gewässer. Im Vergleich zu anderen Gebieten im westlichen Teil Deutschlands mit über 700 mm ist das deutlich weniger. Die Gebiete in Ostdeutschland mit deutlich geringeren Niederschlagsmengen werden deshalb auch als so genannte Regenmangelgebiete bezeichnet (Abb ).