Angewandte Grundwasserchemie, Hydrogeologie und hydrogeochemische Modellierung

Wasser kommt auf der Erde im gasförmigen Zustand (Wasserdampf), im flüssigen Zustand und als Festphase (Eis) vor. Im Wasserkreislauf der Erde (Abb. 1.1) bewirkt die Sonneneinstrahlung, dass Wasser verdunstet (Evaporation inklusive Interzeption als Verdunstung von nassen Oberflächen), vor allem von freien Wasserflächen wie von Meeren, Seen und Flüssen oder von befeuchteten Landoberflächen. Wo Pflanzen vorhanden sind, führt deren Transpiration ebenfalls zur Verdunstung von Wasser. Beides zusammen wird auch als Evapotranspiration bezeichnet. Der Anteil des Niederschlags, der nicht verdunstet, kann entweder oberirdisch abfließen oder bildet nach Versickerung durch die Deckschichten Grundwasser. Zusätzlich zu dieser flächigen Grundwasserneubildung kann aus Oberflächengewässern versickerndes Wasser das Grundwasser erreichen und ebenso zur Grundwasserneubildung durch Uferfiltration beitragen. Der Abfluss über das Grundwasser wird als unterirdischer Abfluss bezeichnet. Zu unterscheiden sind meistens nur oberflächennahes und Tiefengrundwasser. Eine Sonderstellung nimmt so genanntes schwebendes Grundwasser ein. Es handelt sich dabei um begrenzte Grundwasserlinsen, die sich auf lokal vorhandenen Geringleitern ausbilden können. Während schwebendes oder oberflächennahes Grundwasser in der humiden Klimazone meist eine Verweilzeit von Monaten bis zu Jahrzehnten aufweist, nimmt Tiefengrundwasser nur über sehr lange Zeiträume am Wasserkreislauf teil (Abb. 1.1).

In diesem Abschnitt werden die chemischen Grundlagen der anorganischen Hydrochemie in Grundwasserleitern und bei der Wasseraufbereitung dargestellt. Vertiefungen des Stoffes oder entsprechende Verweise finden sich u. a. in Langmuir (Aqueous environmental Geochemistry, S. 600, 1997), Stumm und Morgan (Aquatic Chemistry, S. 1022, 1996), Sigg und Stumm (Aquatische Chemie, S. 388, 1994), Appelo und Postma (Geochemistry, groundwater and pollution, S. 649, 2005), Drever (The Geochemistry of natural water: Surface and groundwater environments, S. 436, 1997), Deutsch (Groundwater Geochemistry: fundamentals and applications to contaminations, S. 221, 1997), Merkel und Planer-Friedrich (Grundwasserchemie – Praxisorientierter Leitfaden zur numerischen Modellierung von Beschaffenheit, Kontamination und Sanierung aquatischer Systeme, S. 242, 2008), Van Berk und Hansen (Hydrogeochemische Stoffflussmodelle – Leitfaden zur Modellierung der Beschaffenheitsentwicklung von Grund- und Rohwässern, S. 226, 2005) sowie Matthess (Die Beschaffenheit des Grundwassers – Lehrbuch der Hydrogeologie, S. 498, 1990).

Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht umfasst wesentliche Reaktionen in Gewässern. Es beeinflusst die Konzentrationen von Hydrogenkarbonat- (HCO₃ ⁻) und Karbonationen (CO₃ ²⁻), die des freien Kohlendioxids (CO₂ und H₂CO₃) sowie zum Teil die Calcium- (Ca²⁺) und Magnesiumkonzentrationen (Mg²⁺). Zudem beeinflusst das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht den pH-Wert eines Wassers. Das freie Kohlendioxid beinhaltet das gelöste CO₂ sowie in geringerem Umfang die gebildete Kohlensäure (H₂CO₃). Beides zusammen wird auch als H₂CO₃ ^* bezeichnet. Das gebundene Kohlendioxid tritt bei pH-Werten zwischen 4,3 und 8,2 in Form des Hydrogenkarbonations (HCO₃ ⁻) und bei pH-Werten oberhalb von 8,2 auch als Karbonation (CO₃ ²⁻) im Wasser auf.

In diesem Abschnitt werden kurz die chemischen Grundlagen der organischen Hydrochemie sowie das Verhalten organischer Stoffe in Grundwasserleitern dargestellt. Vertiefungen des Stoffes oder entsprechende Verweise finden sich u. a. in Schwarzenbach et al. (Environmental organic chemistry, S. 1313, 2003), Bedient et al. (Ground water contamination, S. 604, 1997), Fetter (Contaminant hydrogeology, S. 458, 1993), Appelo und Postma (Geochemistry, groundwater and pollution, S. 649, 2005). Im Zuge des BMBF-Projektes KORA (Kontrollierter natürlicher Rückhalt und Abbau von Schadstoffen bei der Sanierung kontaminierter Grundwässer und Böden) wurden verschiedenste Leitfäden für Grundwasserbelastungen durch organische Schadstoffe und deren natürlichem Abbau erstellt, die als Quelle für das Stoffverhalten genutzt werden können (Themenverbund 1: Raffinerien, Tanklager, Kraftstoffe/Mineralöle, MTBE: Wabbels und Teutsch, Leitfaden – Natürliche Schadstoffminderungsprozesse bei mineralölkontaminierten Standorten, S. 222, 2008; Themenverbund 2: Gaswerke, Kokereien, Teerverarbeitung: Werner et al., Leitfaden – Natürliche Schadstoffminderung bei Teerölaltlasten, S. 244, 2008; Themenverbund 3: LCKW-kontaminierte Standorte: Grandel und Dahmke, Leitfaden – Natürliche Schadstoffminderung bei LCKW-kontaminierten Standorten, S.  364, 2008 sowie daraus abgeleitete Handlungsempfehlungen: Michels et al., Handlungsempfehlungen mit Methodensammlung – Natürliche Schadstoffminderung bei der Sanierung von Altlasten, S. 363, 2008).

Eine qualitativ hochwertige Annäherung der aquatischen Speziesverteilung oder der Lösungskapazität eines Grund- oder Oberflächenwassers gegenüber Mineralen und Gasen erfordert den Einsatz eines hydrogeochemischen Rechenprogramms. Ebenso ist der Einsatz eines Rechenprogramms beispielsweise für die Beschreibung von Stofftransport- und Reaktionsvorgängen in einem Grundwasserleiter notwendig, um mögliche hydrogeochemische Veränderungen auf dem Fließweg des Grundwassers nachvollziehen zu können. Erst wenn es möglich ist, die Beobachtung in der Natur mit Hilfe eines hydrogeochemischen Modells ausreichend angenähert nachzubilden, können zuverlässige Prognosen zur zukünftigen Entwicklung der Grundwasserqualität auf dem Fließweg erstellt werden (Wisotzky, Bochumer Geowissenschaftliche Arbeiten Heft 16, S. 10–20, 2010; Lenk und Wisotzky, Environmental Earth Sciences 62:581–591, 2010).

Die deutsche Braunkohle wird in drei Regionen abgebaut, die sich hinsichtlich ihrer heutigen wirtschaftlichen Bedeutung deutlich voneinander unterscheiden: das Rheinische Revier, das Mitteldeutsche und Helmstedter Revier sowie das Lausitzer Revier (Abb. 7.1). In allen drei Regionen sind die Braunkohlenvorkommen an flach einfallende Sedimente des Miozäns gebunden. Da die miozäne Braunkohle oberflächennah bis in maximal wenigen hundert Metern Tiefe lagert, kann diese im Tagebau gewonnen werden.

Entlang der etwa 220 km langen Ruhr befinden sich 26 Wassergewinnungen, die die Ruhr und das ihr zuströmende Grundwasser als Rohwasserquelle nutzen. Die Ruhr entspringt im Rothaargebirge auf einer Höhe von ca. 667 m ü. NHN und mündet bei Duisburg-Ruhrort auf einer Höhe von 20,2 m ü. NHN in den Rhein. Der Fluss hat sich ca. 60 bis 100 m in die gefalteten Festgesteine des Devons und vor allem des Karbons eingeschnitten. Aus dem steilen Relief resultiert ein erheblicher Oberflächenabfluss zum Ruhrtal. Die sedimentären Festgesteine des Devons und Karbons, die die Flanken und den Untergrund des Ruhrtals bilden, besitzen selbst eine nur geringe Wasserdurchlässigkeit und Wasserführung (Abb. 8.1) auf nur teilweise untereinander verbundenen Trennflächen. Der Grundwasserstrom konzentriert sich auf die jüngere Talfüllung mit Lockersedimenten. Eine Wassergewinnung aus den Festgesteinen ist deshalb nur für einzelne Hausbrunnen oder kleinere Siedlungen möglich. Für die Wasserversorgung größerer Städte sind diese Kluftgrundwasserleiter ungeeignet.

Im südwestlichen und westlichen Vorland des Teutoburger Waldes und des Eggegebirges befinden sich die Ablagerungen der Sennesande mit regional wichtigen Grundwasservorkommen. Im Süden wird der Bereich der Sennesande durch die Talaue der Lippe begrenzt. Die Lockergesteine der Senne bestehen aus sandigen, z. T. kiesigen und bis zu 40 m mächtigen Schmelzwasserablagerungen der Saale-Kaltzeit (NLfB 2005). Die Hauptgrundwasserströmung in den Sennesanden erfolgt der Geländeneigung folgend von Nordost bzw. Ost nach Südwest bzw. West (Abb. 9.1).

Der Niederrhein ist eine im Tertiär eingebrochene Senkungsstruktur (Graben) im Rheinischen Schiefergebirge, die mit unterschiedlichen Lockergesteinen (Sand, Kies, Ton und Schluff sowie Braunkohle) tertiären und quartären Alters gefüllt ist (Abb. 10.1; s. auch Abschn. 7). Die Mächtigkeit der sedimentären Lockergesteine beträgt bis zu ca. 1.500 m. Aufgrund der Mächtigkeit und z. T. hohen Durchlässigkeit dieser Sedimente ist der Niederrhein eine Region mit ergiebigen Porengrundwasserleitern. In der Rangfolge noch vor den Halterner Sanden enthalten die verschiedenen Grundwasserleiter die ergiebigsten Grundwasservorkommen Nordrhein-Westfalens. Aufgrund der flachen Landschaft und der fruchtbaren Lößauflagen wird der Niederrhein auch landwirtschaftlich intensiv genutzt; dies führt z. T. zu sehr hohen Nitratkonzentrationen im Grundwasser des ersten Stockwerkes. Nitratkonzentrationen von ca. 100 mg/l werden häufig erreicht oder sogar überschritten. Im Nitratbericht des Landesumweltamtes NRW (Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz NRW und LUA-NRW 2003) wird der Bereich des linken Niederrheines als Region beschrieben, in der oberflächennahe Grundwassermessstellen besonders häufig Nitratkonzentrationen >50 mg/l aufweisen. Da die maximal zulässige Nitratkonzentration im Trinkwasser bei 50 mg/l liegt, fördern viele Wasserversorgungsunternehmen auch Grundwasser aus tieferen Stockwerken und vermischen dieses nitratarme oder nitratfreie Grundwasser mit dem Grundwasser des ersten Grundwasserstockwerkes.

Um die Bodenfruchtbarkeit langfristig zu erhalten, müssen den landwirtschaftlich genutzten Flächen, denen Nährstoffe über die Ernte von Nutzpflanzen im Ackerbau und die Beweidung bei Tierhaltung entzogen werden, Nährstoffe durch Düngung erneut zugeführt werden. Dazu werden im Wesentlichen heute entweder Mineral- oder Wirtschaftsdünger (Gülle, Festmist und Jauche) aufgebracht. Diese Düngemittel enthalten neben Phosphat vor allem Stickstoffverbindungen. Der Stickstoff in den Mineraldüngern wird dabei in Form von Ammonium oder Nitrat auf die Nutzflächen aufgebracht. Das Ammonium wird durch Sauerstoff und mit Hilfe von Mikroorganismen (Nitrosomonas und Nitrobacter) im Boden über Nitrit zum Nitrat oxidiert (Gl. 11.4). Dies wird als Nitrifikation im Stickstoffkreislauf bezeichnet. Eine Mineralisation der in Böden befindlichen organischen Substanz führt ebenso zur Freisetzung von Ammonium oder Nitrat. Allgemein geht man von einer jährlichen Mineralisation bei Ackerböden oder als Grünland genutzten Böden von ca. 1 bis 2 % des organisch gebundenen Stickstoffes aus (Walther, Diffuser Stoffeintrag in Böden und Gewässer. Teubner-Reihe Umwelt, S. 310, 1999). Bei Gesamtstickstoffgehalten der Mineralböden von 0,1 bis 0,25 Gew.% (Trockenmasse) werden damit jährlich zwischen 45 und 220 kg N/ha mineralisiert (Walther 1999). Besonders hohe Mineralisationsraten der organischen Substanz in Böden werden nach einem Grünlandumbruch gemessen (Scheffer und Walther; Wasser, Abwasser, 129, 451–456 , 1988).

Das Hellweggebiet ist der südliche Teil des Münsterländer Kreidebeckens, das im Osten an die Paderborner Hochfläche angrenzt. Der Name „Hellweg“ geht auf die Bezeichnung eines Teilstücks eines alten Handels- und Pilgerwegs zurück, der sich wahrscheinlich seit vorgeschichtlicher Zeit entlang des südliches Randes des Ruhrgebiets und weiter entlang des Höhenrückens des Haarstrangs in ostwestlicher Richtung erstreckt.

Die hydrogeologischen Verhältnisse im zentralen Ruhrgebiet ähneln denen der Hellwegzone (s. Abschn. 12). Auf den gefalteten Festgesteinen des Karbons lagern Gesteine der Kreide diskordant auf, deren Mächtigkeit nach Norden zunimmt. Die Kreideüberlagerung beginnt zusammenhängend nördlich der Linie Mülheim–Essen–Bochum–Dortmund. Die Oberfläche der oberkarbonischen Gesteine fällt im Mittel mit ca. 3° nach Norden ein, sodass im Bereich der Lippe bereits Deckgebirgsmächtigkeiten von ca. 1.000 m erreicht werden. Die Oberkreidegesteine fallen ebenfalls mit wenigen Grad nach Norden ein. Die gefalteten Gesteine des Karbons (Abb. 13.1) wirken hydrogeologisch überwiegend als Grundwassergeringleiter. Jedoch führen die Sandsteine entlang ihrer Trennflächen sowie in Störungszonen Kluftgrundwasser, was sich an Namen wie „Flöz Wasserbank“ widerspiegelt. Oberflächennah kann zusätzlich eine Grundwasserführung in den durch Verwitterung und Bergbau entstandenen Auflockerungszonen auftreten. Die geklüfteten Gesteine des Karbons wurden in historischer Zeit oberflächennah für Einzelwasserversorgungen in Hausbrunnen lokal genutzt. Durch die tiefer bauenden Schachtanlagen wurden vor allem durch die aufgefahrenen Strecken, Schächte sowie nach Verbruch der ausgekohlten Steinkohlenflöze neue Wasserwegsamkeiten im Steinkohlengebirge geschaffen.

Der Münsterländer Kiessandzug ist eine etwa 80 km lange und durchschnittlich 1,5 km breite Kiessandrinne aus der Saale-Eiszeit, die sich kolkartig bis zu 42 m tief in den Grundwasser nur gering leitenden kreidezeitlichen Emschermergel eingeschnitten hat. Er beginnt im westfälischen Tiefland bei Schüttorf (Niedersachsen), läuft in südöstlicher Richtung durch Nordrhein-Westfalen auf Ahlintel zu, durchzieht das Stadtgebiet von Münster nahezu mittig von Nord nach Süd und verläuft dann Richtung Osten über Albersloh nach Sendenhorst, um östlich von Ennigerloh zu enden (Abb. 14.1, Lotze 1954; Bauer 1979).

Das Untersuchungsgebiet befindet sich im nordöstlichen Bereich der Niederrheinischen Bucht in NRW in der Nähe der Grenze zu den Niederlanden. Es umfasst zwei Trinkwassereinzugsgebiete. Während das größere, östliche Trinkwassereinzugsgebiet eine Fläche von ca. 15,5 km² umfasst, ist das westlichere Einzugsgebiet mit einer Fläche von ca. 5 km² deutlich kleiner (Abb. 15.1). Das größere Einzugsgebiet weist mit 87 % eine starke landwirtschaftliche Nutzung auf, Wohngebiete (10,8 %) und Gewerbegebiete nehmen eine deutlich geringere Fläche von zusammen ca. 12 % ein. Das kleinere, westlichere Einzugsgebiet wird ebenfalls überwiegend landwirtschaftlich genutzt. Ein Viertel der Einzugsgebietsfläche um die drei Förderbrunnen ist bewaldet. Am Nordrand beider Einzugsgebiete durchfließt ein Oberflächengewässer mit einem mittleren Abfluss von ca. 2,7 m³/s das Untersuchungsgebiet und entwässert zur Ijssel. Zwei Stauwehre führen in beiden Einzugsgebieten zu infiltrierenden Abflussverhältnissen (Uferfiltration). Das Stauwehr im größeren Einzugsgebiet wird ganzjährig betrieben. Das Oberflächenwasser im kleineren Einzugsgebiet wird jedoch nur während der Vegetationsperiode aufgestaut („Kulturstau“). Dort erfolgt die Oberflächenwasserinfiltration nur bei gesetztem Wehr im Sommerhalbjahr. Die Landschaft ist eben, mit nur geringen Höhenunterschieden zwischen ca. +16 ü. NHN und ca. +24 m ü. NHN, und leicht in westlicher Richtung zum Rhein geneigt. Das Wasserentnahmerecht der größeren, östlich gelegenen Wassergewinnung beträgt 4,9 Mio. m³/a, in der kleineren, westlich gelegenen Gewinnung dürfen bis zu 1 Mio. m³/a gefördert werden.