Grundwasser

Natürlicher Grundwasseraustritt (Raben Steinfelder Forst am Pinnower See, Landkreis Ludwigslust-Parchim, Mecklenburg-Vorpommern)

Eine Frau beim Wasserschöpfen aus einer offenen Wasserquelle, Mwamanongu Village, Tansania

Grundwasser ist Wasser unterhalb der Erdoberfläche, das durch Versickern von Niederschlägen oder teilweise auch durch Migration aus Seen und Flüssen dorthin gelangt.

Der Gesteinskörper, in dem sich das Grundwasser aufhält und fließt, wird als Grundwasserleiter (aus dem Lateinischen auch: Aquifer, wassertragend bzw. Wasserträger) bezeichnet.

Die Fachgebiete, die sich mit Grundwasser befassen, sind die Hydrogeologie und die Grundwasserhydraulik.

Grundlagen und Begriffsbestimmung

Grundwasser wird nach DIN 4049 definiert als

unterirdisches Wasser, das die Hohlräume der Erdrinde zusammenhängend ausfüllt und dessen Bewegung ausschließlich oder nahezu ausschließlich von der Schwerkraft und den durch die Bewegung selbst ausgelösten Reibungskräften bestimmt wird.

Das Wasserhaushaltsgesetz bestimmt Grundwasser als

das unterirdische Wasser in der Sättigungszone, das in unmittelbarer Berührung mit dem Boden oder dem Untergrund steht.

Die treibenden Kräfte für die Grundwasserströmung sind die Gewichtskraft und die durch sie hervorgerufenen Druckkräfte. Grundwasser bewegt sich (strömt, fließt) infolge von Differenzen in der Piezometerhöhe (= hydraulisches Potential) durch die Hohlräume des Untergrunds. Nach dieser Definition zählt auch Stauwasser zum Grundwasser.

Nicht zum Grundwasser zählt das hygroskopisch, durch die Oberflächenspannung sowie durch Kapillareffekte gebundene unterirdische Wasser der ungesättigten Bodenzone (Bodenfeuchte, Haftwasser, siehe auch Grenzflurabstand). Auch das sich vorwiegend vertikal bewegende Sickerwasser in der ungesättigten Bodenzone gehört nicht zum Grundwasser.

Die in der Definition genannten Hohlräume der Erdrinde sind je nach geologischer Beschaffenheit des Untergrunds: Poren (Klastische Sedimente und Sedimentgesteine wie zum Beispiel Sand, Kies, Schluff), Klüfte (Festgesteine, wie beispielsweise Granit, Quarzit, Gneis, Sandsteine) oder durch Lösung entstandene große Hohlräume (zum Beispiel Kalkstein). Dementsprechend unterscheidet man: Porengrundwasser (siehe auch: Porenwasser), Kluftgrundwasser und Karstgrundwasser.

Grundwasser nimmt am Wasserkreislauf teil. Die Verweilzeit reicht von unter einem Jahr bis hin zu vielen Millionen Jahren. Sehr alte Grundwässer werden auch als fossiles Wasser bezeichnet, zum Beispiel die Vorkommen unter der Sahara.

Hydrogeologische Begriffe

Längsschnitt durch ein fiktives Grundwassersystem. Hellblau: Oberflächengewässer, dunkelblau: Grundwasserleiter („Aquifer“), olivgrün: permeables Gestein (wasserungesättigt), dunkelbraun: impermeables Gestein (Aquiklud).

Der Grundwasserleiter („Aquifer“) wird nach unten durch einen weiteren Gesteinskörper begrenzt, der wasserundurchlässig ist oder als wasserundurchlässig angesehen werden kann. Dieser Grundwassernichtleiter wird auch als Aquiklud bezeichnet. Bei vertikaler Abfolge von mehreren Grundwasserleitern und Grundwassernichtleitern können mehrere übereinander liegende Grundwasserstockwerke (Horizonte) vorliegen.

Die obere Begrenzung des Grundwassers in einem Grundwasserleiter ist die Grundwasseroberfläche. In ihr ist bei einem ungespannten Grundwasserleiter der hydrostatische Druck definitionsgemäß gleich dem Luftdruck; praktischerweise wird der Luftdruck in der Hydromechanik oft gleich Null gesetzt; das hydraulische Druckpotential (engl. hydraulic head) ist an der freien Grundwasseroberfläche gleich der Summe aus ihrer geodätischen Höhe und dem Luftdruck (bzw. Null). Die in einer Grundwassermessstelle freiliegende Grundwasseroberfläche bezeichnet man als Standrohrspiegel. Der Abstand zwischen Geländeoberfläche und Grundwasseroberfläche wird mit Flurabstand oder Grundwasserflurabstand bezeichnet. Sofern die über dem Grundwasserleiter liegende geologische Einheit, die Grundwasserüberdeckung, eine wasserdurchlässige Schicht ist, herrschen ungespannte Verhältnisse vor. Ist die Grundwasserüberdeckung wasserundurchlässig, können gespannte Grundwasserverhältnisse vorliegen, was bedeutet, dass das hydraulische Potenzial höher liegt als die tatsächliche Grundwasseroberfläche (gespanntes, bei Überschreiten der Erdoberfläche artesisches Grundwasser – Artesische Quelle). Schichtenwasser ist durch wasserstauende Schichten oberhalb des Grundwassers am Versickern gehindertes, meist oberflächennahes, vom Hauptgrundwasserleiter unabhängiges Grundwasser. Befindet sich darunter eine nicht wassergesättigte Zone, spricht man von schwebendem Grundwasser.

Wie Oberflächengewässer folgt auch Grundwasser der Schwerkraft und fließt in Richtung des größten (piezometrischen) Gefälles. Für Grundwasserströmungsgebiete lässt sich dieses aus Karten ermitteln, auf denen Standrohrspiegelhöhen als Hydroisohypsen dargestellt sind (Grundwassergleichenplan). Das größte Gefälle und damit die Grundwasserströmungsrichtung bzw. die Grundwasserstromlinien liegen immer im rechten Winkel zu den Grundwassergleichen. Die einfachste Methode zur Erstellung eines Grundwassergleichenplans ist die Anwendung des Verfahrens des hydrologischen Dreiecks.

Im Vergleich zu Oberflächengewässern fließt Grundwasser zumeist mit sehr viel geringerer Geschwindigkeit. Man beachte auch den Unterschied zwischen Filtergeschwindigkeit und Abstandsgeschwindigkeit. In Kies (Korngrößen 2–63 mm) beträgt die Abstandsgeschwindigkeit 5–20 m/Tag (Maximalwerte liegen bei 70–100 m/Tag), in feinporigeren Sedimenten wie Sand (Korngrößen 0,063–2 mm) nur etwa 1 m/Tag.

Grundwasser fließt (exfiltriert, entlastet) in einen Vorfluter (Gerinne oder entwässernde Geländesenke) oder tritt in Quellen an der Erdoberfläche aus.

Der Begriff Wasserader (Radiästhesie) ist ein pseudo- oder parawissenschaftlicher Begriff und wird in der naturwissenschaftlichen, hydrologischen und hydrogeologischen Fachsprache nicht verwendet.

Zur Prognose oder Nachbildung von Grundwasserströmungen werden mathematische Grundwassermodelle eingesetzt, mit denen man Zuströmung, Entnahme, Absenkung und Neubildung von Grundwasser gut und detailgenau darstellen kann. Auch Gefährdungen (Migration von Umweltschadstoffen) lassen sich damit frühzeitig erkennen, selbst historische Zustände kann man damit nachvollziehen, zum Beispiel bei der Altlastenerkundung.

Grundwasserneubildung und Grundwassermenge

Grundwasser entsteht dadurch, dass Niederschläge versickern oder Wasser im Sohl- und Uferbereich von Oberflächengewässern durch Migration oder künstliche Anreicherung (Infiltrationsanlagen, zum Beispiel Sickerbeete, Schlitzgräben, Infiltrations-Brunnen) in den Untergrund infiltriert. Von den 22,6 Mio. km³ Grundwasser der oberen zwei Kilometer der Erdkruste sind etwa 0,1–5,0 Mio. km³ jünger als 50 Jahre. Hierbei spricht man auch von Umsatzwasser, das rezenter Bestandteil des Wasserkreislaufes ist. Im Gegensatz dazu steht fossiles Grundwasser, dass im tieferen Untergrund seit geologischen Zeiträumen (einige zehntausende bis viele millionen Jahre) vom Wasserkreislauf abgeschnitten ist.

Einfluss der Bodenpassage

Bei der lang andauernden Untergrundpassage wird das Grundwasser durch physikalische, chemische und mikrobiologische Prozesse verändert; es stellt sich ein chemisches und physikalisches Gleichgewicht zwischen der festen und flüssigen Phase des Bodens oder Gesteins ein. So entsteht beispielsweise durch Aufnahme von Kohlenstoffdioxid (aus der Atmung der Bodenorganismen) und seine Reaktion mit dem Calcit und Dolomit die Wasserhärte. Bei genügend langer Verweilzeit können pathogene Mikroorganismen (Bakterien, Viren) so weit eliminiert werden, dass sie keine Gefährdung mehr darstellen. Diese Prozesse sind aus wasserwirtschaftlicher Sicht überwiegend positiv für die Beschaffenheit des Grundwassers und werden daher summarisch auch als Selbstreinigung bezeichnet.

Allerdings kann es bei der Versickerung saurer Wässer, beispielsweise saurer Regen oder aus Tagebau-Restseen, auch zur Auslösung erheblicher Mengen an Aluminium aus Kristallingestein kommen, auch aus Böden in Fichten- und Tannenwäldern. Ferner können saure Grundwässer, speziell durch Pyritverwitterung versauerte Grundwässer, hohe Gehalte an Eisen(II)-Verbindungen aufweisen.

Gefahren für das Grundwasser und Grundwasserschutz

Hinweisschild „Grundwasserschutzgebiet“ in der Schweiz

Das Grundwasser ist in der Wasserrahmenrichtlinie der EU als Schutzgut eingestuft. Gleichzeitig soll bis 2015 ein guter chemischer und physikalischer Zustand erreicht werden. Somit kommt dem Grundwasserschutz europaweit eine hohe Priorität zu. Aus diesem Grund wird das Grundwasser behördlich mit Hilfe von Grundwassermessstellen überwacht.

Menschliche Eingriffe können sich qualitativ und quantitativ negativ auf das Grundwasser auswirken.

In Deutschland sind mengenmäßige Engpässe durch übermäßige Grundwasserentnahme nur lokal von Bedeutung. In semiariden oder ariden Regionen mit geringer Grundwasserneubildung führt eine übermäßige Entnahme von Grundwasser zu einer großflächigen Absenkung der Grundwasseroberfläche und zu entsprechenden Umweltschäden. Bei grobem Verstoß gegen geltende Gesetze wird oftmals ein Strafverfahren gegen sogenannte Umweltsünder eingeleitet.

Gefahren für die Grundwasserbeschaffenheit sind beispielsweise die Deposition und Bodenpassage von Luftschadstoffen, die übermäßige Ausbringung von Dünge- und Pflanzenschutzmitteln durch die Landwirtschaft oder hochkonzentrierte Schadstofffahnen aus Altlasten.

Der pflegende (kurative) und wiederherstellende (sanierende) Grundwasserschutz hat daher eine wichtige Bedeutung im Umweltschutz. Zum vorbeugenden Grundwasserschutz zählt die Ausweisung von Wasserschutzgebieten im Einzugsgebiet (Gewinnungsanlagen) von Wasserwerken. Die Sanierung von Grundwasserschäden ist meist teuer und zeitaufwändig.

Für küstennahe Brunnen und die Wasserversorgung auf Inseln kann eine Salzwasserintrusion problematisch sein. Aufgrund des empfindlichen hydrostatischen Gleichgewichtes zwischen Süß- und Salzwasser im Untergrund kann dort bereits eine geringfügige Entnahme von Süßwasser zu einer rapiden Verringerung der Mächtigkeit der Süßwasserschicht durch den Aufstieg von Salzwasser führen. Infolgedessen kann das Wasser an der Entnahmestelle für Menschen ungenießbar oder für die Bewässerung unbrauchbar werden.

Weltkarte zur Grundwassergefährdung

Die Weltkarte zur Grundwassergefährdung durch Hochwasser und Dürren (Global Map of Groundwater Vulnerability to Floods and Droughts) entstand in Zusammenarbeit des Projektes „Grundwasser für Notsituationen“ (Groundwater for Emergency Situations, GWES) des Internationalen Hydrologischen Programms (International Hydrological Programme, IHP) der UNESCO mit der Internationalen Vereinigung der Hydrogeologen und dem Weltweiten hydrogeologischen Kartier- und Datenerhebungsprogramm (World-wide Hydrogeological Mapping and Assessment Programme, WHYMAP), koordiniert durch die UNESCO und die deutsche Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR). Die Karte, die eigentlich aus mehreren Karten besteht, basiert im Wesentlichen auf der Karte Grundwasserressourcen der Erde 1 : 25 000 000 (Groundwater Resources of the World 1 : 25 000 000) des WHYMAP aus dem Jahr 2011. Sie zeigt, wie stark (in drei Stufen: niedrig, mittel und hoch) das Grundwasser in den verschiedenen Regionen der Erde aufgrund der jeweiligen natürlichen Gegebenheiten im Hinblick auf bestimmte Naturkatastrophen gefährdet ist. Die Karte wurde der Öffentlichkeit beim siebten Weltwasserforum vorgestellt, das vom 12. bis 17. April im südkoreanischen Daegu, stattfand.

Gefahren durch Grundwasser für den Menschen

Normalerweise geht von Grundwasser keine direkte Gefahr für den Menschen (wie zum Beispiel bei unmittelbar benachbarter magmatischer Aktivität, siehe phreatomagmatische Explosion) aus. Es kommt jedoch gelegentlich zu Überschwemmungen und Unterspülungen durch austretendes Grundwasser. Eine tödliche Gefahr stellt eintretendes Grundwasser beim Tunnelbau dar. Grundwasser kann Beton und die Stahlbewehrung angreifen. Deshalb muss grundsätzlich dort, wo Betonteile mit Wasser in Berührung kommen können, eine Grundwasserprobe entnommen werden, die gemäß DIN 4030 auf Betonaggressivität untersucht werden muss.

Weltweit beziehen rund 300 Millionen Menschen ihr Wasser aus Grundwasservorräten. Rund 10 Prozent der Grundwasserbrunnen sind jedoch mit Arsen oder Fluorid kontaminiert. Diese Spurenstoffe sind meist natürlichen Ursprungs und werden vom Wasser aus Felsen und Sedimenten ausgewaschen.

Im Jahr 2008 präsentierte das Schweizer Wasserforschungsinstitut Eawag eine neue Methode, mit der sich Gefahrenkarten für geogene Giftstoffe im Grundwasser erstellen lassen, ohne dass sämtliche Brunnen und Grundwasservorräte einer Region dafür überprüft werden müssen. 2016 machte die Eawag ihr Wissen auf der Grundwasser Assessment Plattform (GAP) frei zugänglich. Dieses Internetportal bietet Behördenmitgliedern, Mitarbeitenden von NGOs und anderen Fachleute die Möglichkeit, eigene Messdaten hochzuladen und Risikokarten für Gebiete ihrer Wahl zu erstellen.

Ökosystem Grundwasser

Die Tiere des Grundwassers sind meist durchsichtig oder weiß und blind und ernähren sich beispielsweise von Bakterienfilmen auf den Bodenteilchen. In Europa gibt es über 2000 Tierarten im Grundwasser, in Deutschland über 500 Arten. Das Grundwasser gehört zu den größten kontinentalen Lebensräumen der Welt.

Forschung

Mit den GRACE-Satelliten kann seit 2002 die Zu- und Abnahme des Grundwassers grob gemessen werden.

Bauwesen

Grundwasser, im Bauwesen auch als Druckwasser bezeichnet, stellt besonders im Tiefbau ein Problem dar, wenn wechselnde, in den Baubereich reichende Grundwasserstände nicht beachtet werden oder wenn bewusst ins Grundwasser gebaut wird, das dann in die Baugrube beziehungsweise das Bauwerk drückt. Eine auf wasserundurchlässigem Beton basierende und damit grundwasserfeste Bauweise von Kellern und sonstigen Bauwerken wird als Weiße Wanne bezeichnet. Dabei muss stets der Auftrieb (Auftrieb = Gewicht der verdrängten Flüssigkeit) berücksichtigt werden, der die Wanne nach oben drückt.

Wird nicht wasserdicht gebaut, muss eindringendes Wasser in einer eigenen Etage dauerhaft abgepumpt werden. Das Kunsthaus Graz wurde mit Tiefgarage 2003 in dieser Art errichtet, was Errichtungskosten sparte, jedoch Pumpaufwand von etwa 2 l/s Wasser bedingt, das in die Mur rinnt.

Siehe auch

• Salzwasserintrusion

Literatur

• G. Mattheß, K. Ubell: Lehrbuch der Hydrogeologie, Band 1: Allgemeine Hydrogeologie, Grundwasserhaushalt. Gebr. Borntraeger, Berlin/ Stuttgart 1983, ISBN 3-443-01005-9.
• W. Kinzelbach, R. Rausch: Grundwassermodellierung: Eine Einführung mit Übungen. Borntraeger, Berlin/ Stuttgart 1995, ISBN 3-443-01032-6.
• Zipfel Klaus, Battermann Gerhard: Hauptsache Grundwasser – Grundwassermodelle, Möglichkeiten, Erfahrungen, Perspektiven. Hrsg. Technologieberatung Grundwasser und Umwelt (TGU). Koblenz 1997, OCLC 177343255.
• B. Hölting, W. G. Coldewey: Hydrogeologie – Einführung in die Allgemeine und Angewandte Hydrogeologie. 6. Auflage. Elsevier, München 2005, ISBN 3-8274-1526-8.
• Werner Aeschbach-Hertig: Klimaarchiv im Grundwasser. In: Physik in unserer Zeit. 33(4), (2002), ISSN 0031-9252, S. 160–166.
• R. Schleyer, H. Kerndorff: Die Grundwasserqualität westdeutscher Trinkwasserressourcen. VCH, Weinheim 1992, ISBN 3-527-28527-X.
• Gudrun Preuß, Horst Kurt Schminke: Grundwasser lebt! In: Chemie in unserer Zeit. 38(5) (2004), ISSN 0009-2851, S. 340–347.
• Frank-Dieter Kopinke, Katrin Mackenzie, Robert Köhler, Anett Georgi, Holger Weiß, Ulf Roland: Konzepte zur Grundwasserreinigung. In: Chemie Ingenieur Technik. 75(4) (2003), ISSN 0009-286X, S. 329–339.
• Robert A. Bisson, Jay H. Lehr: Modern groundwater exploration. Wiley, Hoboken 2004, ISBN 0-471-06460-2.
• Robert Bowen: Groundwater. 2. Auflage. Elsevier Applied Science Publishers, New York 1986, ISBN 0-85334-414-0.
• H. M. Raghunath: Groundwater. 2. Auflage. New Age International Publishers, New Delhi 2003, ISBN 0-85226-298-1.
• M. Thangarajan: Groundwater – resource evaluation, augmentation, contamination, restoration, modeling and management. Springer, Dordrecht (NL) 2007, ISBN 978-1-4020-5728-1.
• Wolff, Joachim (1992) Kontinuierliche Grundwasserüberwachung. Die Geowissenschaften; 10, 2; 31–36; doi:10.2312/geowissenschaften.1992.10.31.
• Hack, Alfons; Leuchs, Wolfgang; Obermann, Peter (1984): Der Salzsprung im Grundwasser. Geowissenschaften in unserer Zeit; 2, 6; 194–200; doi:10.2312/geowissenschaften.1984.2.194.
• Tom Gleeson et al.: The global volume and distribution of modern groundwater, in Nature Geoscience, 16. November 2015. Online

Weblinks

Commons: Grundwasser – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Grundwasser – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Weltkarten mit Themenschwerpunkt Grundwasser auf der Internetpräsenz des BGR
• Broschüre Grundwasser in Berlin (Gesamtausgabe), Senatsverwaltung Bereich Umwelt (PDF-Datei; 37,5 MB)
• Wie entsteht Grundwasser? – Schüler- und Lehrerangebot des Bayerischen Landesamtes für Umwelt
• BR-online: Ökosystem Grundwasser – Leben ohne Licht und Luft (Podcast)
• Groundwater Assessment Platform (GAP)