Grundwasserhydraulik und -hydrologie

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1. Bedeutung des Grundwassers

Zusammenfassung

Es gibt etwa 50 Mill. km³ Süßwasser auf der Erde. Davon sind im Untergrund ca. 15 Mill. km³ gespeichert und etwa 5 Mill. km³ wirtschaftlich gewinnbar (Maniak, 1997). Das auf der Erde gespeicherte Süßwasser verteilt sich prozentual wie in Tabelle 1.1 angegeben.

Tabelle 1.1

Verteilung des Süßwasser auf der Erde in verschiedenen Speichern (Liebscher u. Baumgartner, 1996):

Süßwasser	Anteil
Eis und Schnree:	68,7%
Grundwasser:	30,1%
Bodenwasser:	0,9%
Flüsse, Seen:	0,3%

Rolf Mull, Hartmut Holländer

2. Strukturen der Grundwassersysteme

Zusammenfassung

Dort, wo das unterirdische Wasser die Hohlräume im Gestein vollständig ausfüllt, liegt Grundwasser vor. Darüber befindet sich neben dem Wasser im Allgemeinen Luft in den Hohlräumen. Die Hohlräume sind mit Wasser nur teilweise gesättigt. Dieser Bereich wird mit „ungesättigte Zone“ bezeichnet.

Rolf Mull, Hartmut Holländer

3. Beschreibung der Grundwasserströmung

Zusammenfassung

Grundwasser strömt in der Regel laminar durch die Hohlräume von Locker- und Festgesteinen. Zur Einführung in die Beschreibung dieser Strömung wird zunächst die Wasserbewegung durch eine Kapillare mit kreisförmiger Fläche betrachtet. Die Kapillare ist das einfachste Modell eines porösen Körpers (Porengrundwasserleiter), durch den Flüssigkeit oder Gas fließt. Diese Betrachtung wird dann auf einen Spalt ausgedehnt, der durch zwei parallele laufende Platten gebildet wird. Dieser Spalt ist das einfachste Modell einer Kluft in einem Festgestein (Kluftgrundwasserleiter). Die Flüssigkeitsbewegung in Lösungskanälen von Karstgrundwasserleitern ist meistens turbulent. Turbulente Strömungen werden hier nicht behandelt.

Rolf Mull, Hartmut Holländer

4. Systemeigenschaften

Zusammenfassung

Aus Gleichung 3.1.2.6 geht hervor, dass für die Beschreibung der Bewegung von Flüssigkeiten in gesättigten porösen Medien die Flüssigkeitseigenschaften Dichte und Zähigkeit (Viskosität) von Bedeutung sind. Bei der Bewegung von Flüssigkeiten im ungesättigten Bereich kommt die Oberflächenspannung hinzu. Die Kompressibilität bestimmt die Speicherfähigkeit des Grundwasserleiters bei gespanntem Grundwasser.

Rolf Mull, Hartmut Holländer

5. Zuströmung zu einem Brunnen

Zusammenfassung

Brunnen werden hier nur so weit behandelt, wie es für das Verständnis der Strömung in Brunnennähe von Bedeutung ist. Beim Brunnenbau wird ein kreisförmiger Hohlraum im Grundwasserleiter geschaffen. Das geschieht im Allgemeinen durch eine Bohrung. In diesen Hohlraum werden Rohre eingebracht. In der Brunnenstube (Abb. 5.1.1) befinden sich im Wesentlichen Anlagen zum Ableiten des gepumpten Wassers. Ein Aufsatzrohr (vollwandig) wird durch den Grundwassernichtleiter geführt. In dem Teil des Grundwasserleiters, in dem das Grundwasser in den Innenraum des Brunnens hineinströmen soll, wird das Rohr perforiert (Filterrohr) (Abb. 5.1.2). Erstreckt sich diese Perforation über die gesamte Tiefe des Grundwasserleiters, handelt es sich um einen vollkommenen Brunnen, sonst um einen unvollkommenen Brunnen. Unterhalb des Filterrohres sitzt ein Sumpfrohr. Wegen der vertikalen Anordnung der Rohre wird von einem Vertikalbrunnen gesprochen (Grombach et al., 1993).

Rolf Mull, Hartmut Holländer

6. Spezielle Strömungsprobleme

Zusammenfassung

In Deutschland beträgt die mittlere Grundwasserneubildung ca. 200 mm im Jahr. Nur 4 mm/a gelangen davon über Grundwasserleiter ins Meer. Der weitaus größte Anteil des Grundwassers fließt zu Oberflächengewässern. Der Abfluss in den Fließgewässern resultiert im Mittel zu etwa 25% aus dem an der Oberfläche stattfindenden Zufluss von Wasser, zu etwa 75% aus dem Zufluss von Grundwasser.

Rolf Mull, Hartmut Holländer

7. Ungesättigte Bodenzone

Zusammenfassung

Bei jedem Niederschlag dringt Wasser in den Boden ein. Neben dem Wasser befindet sich Luft im Hohlraum. Im Allgemeinen benetzt das Wasser die Oberfläche der Gesteine besser als die Luft. Aufgrund der bestehenden Grenzflächenspannung des Wassers gegen Luft nimmt das schlechter benetzende Fluid (Luft) bei hohen Sättigungsgraden für Wasser (kleine Sättigungsgrade für Luft) kugelförmige Gestalt im Hohlraum an.

Rolf Mull, Hartmut Holländer

8. Grundwasserhaushalt

Zusammenfassung

Der Untergrund wird als Wasserspeicher angesehen. In diesen Speicher fließt Wasser hinein und heraus. Die Summe aller Zu- und Abflüsse einschließlich der Änderung des Speicherinhaltes gibt den Wasserhaushalt eines Speichers. Nach Abb. 2.1.1 wird zwischen der ungesättigten und der gesättigten Zone im Untergrund unterschieden. Hier wird die gesättigte Zone betrachtet. Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei freiem Grundwasser die Grundwasseroberfläche schwanken kann. Die Wasserhaushaltsgleichung zur Quantifizierung des Wasserhaushaltes lautet:

$$ \sum {{Q_1}\frac{{\Delta {V_{{ws}}}}}{{\Delta t}}} - 0 $$

(8.1.1)

\( \frac{{\Delta {V_{{ws}}}}}{{\Delta t}} \)

Die Abb. 8.1.1 zeigt unterirdische Zu- und Abflüsse zu und von einem Projektgebiet. Insgesamt sind jedoch die in Tabelle 8.1.1 aufgelisteten Haushaltskomponenten zu berücksichtigen.

Tabelle 8.1.1

Zu -und Abflüsse zu und von einem Projektgebiet

Zuflüsse	Abflüsse
Unterirdischer Zufluss	Unterirdischer Abfluss
Zusickerung des Niederschlagswassers	Abfluss zu Brunnen
Uferfiltrat	Ablfluss zu Oberflächengewässern und Quellen
Zusickerung aus defekten Leitungen	Kapillarer Aufstieg
Künst;liche Grunwasseranreicherung (z. B. durch Bewässerrung, Sickerschlitze, etc.)	Abfluss in Feuchtgebiete Eintritt in Leitungen (Abwasserleitungen)

Rolf Mull, Hartmut Holländer

9. Schutzzonenkonzept

Zusammenfassung

Zur Trinkwassernutzung wird Grundwasser aus dem Untergrund abgepumpt, oder es wird in Quellen gefasst. In Deutschland und angrenzenden Ländern wie österreich und der Schweiz wird dieses Grundwasser gegen Verunreinigungen besonders geschützt.

Rolf Mull, Hartmut Holländer

10. Entwässerung von Deponieoberflächen

Zusammenfassung

Nach der Verfüllung von Deponien ist nach TA Abfall (Technische Anleitung Abfall) der Deponiekörper gegen eindringendes Wasser zu schützen. Das auf der Dichtung anfallende Sickerwasser muss abgeführt werden. Die Anleitung (Schmeken, 1993) sieht vor, dass über der Dichtung eine Entwässerungsschicht mit folgenden Vorgaben aufgebracht wird: Mächtigkeit M: \s> 0,3 m Durchlässigkeit k_f: \s 10⁻³ m Gefälle I_o: \s 5 %

Rolf Mull, Hartmut Holländer

11. Grundwasserentnahmen und Sekundäreffekte

Zusammenfassung

Die Entnahme von Grundwasser aus Brunnen führt immer zu einer Absenkung der Standrohrspiegelhöhe in der Nähe der Brunnen. Diese Absenkung kann zur Folge haben:

• Zerstörung von grundwasserabhängigen Feuchtgebieten
• Verminderung von Ernteerträgen
• Bodensetzungen
• Influente Verhältnisse in der Nähe von Oberflächengewässern, insbesondere Salzwasserintrusionen in der Nähe von Küsten oder salzigen Binnenseen.
• Aufstieg von versalztem Tiefengrundwasser.

Rolf Mull, Hartmut Holländer

12. Mehrphasenströmungen

Zusammenfassung

Dringen z.B. Mineralöle oder chlorierte Kohlenwasserstoffe als Flüssigkeiten in den Boden ein, liegen im Allgemeinen drei bewegliche Phasen vor (Helmig, 1997). Neben dem Wasser und der Luft sind auch solche Flüssigkeiten im Hohlraum vorhanden. Die Durchlässigkeiten dieser Flüssigkeiten hängen von deren Verteilung im Hohlraum des Gesteins ab, die Verteilung wiederum von der Benetzbarkeit der Gesteine mit diesem Fluid. Als Maß für die Benetzbarkeit kann die Wärmemenge dienen, die abgegeben wird, wenn ein Fluid mit der trockenen Oberfläche eines Gesteinskörpers in Kontakt kommt. Bei der quantitativen Bestimmung ist die Wärmemenge auf die Masseneinheit des Festkörpers zu beziehen. Es wird dann die Energie frei, die aufgewendet werden muss, um das Fluid von der Oberfläche zu entfernen. Diese Zufuhr von Energie kann z.B. in einem Trockenofen erfolgen.

Rolf Mull, Hartmut Holländer

13. Transport von im Wasser gelösten Stoffen

Zusammenfassung

Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase sind im Wasser mehr oder weniger löslich. Die gelösten Stoffe können die physikalischen Eigenschaften Dichte, Viskosität und Oberflächenspannung verändern. In dieser Einführung in den Stofftransport im Grundwasser wird von so geringen Konzentrationen ausgegangen, dass die physikalischen Eigenschaften des Wassers nicht verändert werden. Wird davon abgewichen, erfolgt ein besonderer Hinweis.

Rolf Mull, Hartmut Holländer

14. Verschiedene Stoffe im unterirdischen Wasser

Zusammenfassung

Stickstoffverbindungen, chlorierte Kohlenwasserstoffe und Pflanzenschutzmittel sollen stellvertretend für viele andere Stoffe in ihrem Verhalten im Grundwasser beschrieben werden. Im Mittelpunkt stehen hier hydraulische und hydrologische Prozesse, die im Zusammenspiel mit dem Zerfall von Stoffen Einfluss auf deren Konzentrationen im Sicker-, Grund- und Oberflächenwasser nehmen.

Rolf Mull, Hartmut Holländer

15. Wärmetransport

Zusammenfassung

Anthropogene Beeinflussungen der Temperatur des Grundwassers haben national und auch international bisher keine so große Bedeutung gehabt wie z.B. die Verunreinigung des Grundwassers durch Stoffeinleitungen. Es sind aber z.B. Wärmepumpen entwickelt worden, die dem zugeführten Wasser Wärme entziehen. Das Wasser wurde vereinzelt dem Untergrund entnommen. Aus Gründen eines ausgeglichenen Wasserhaushalts wurden Auflagen erteilt, das entnommene Grundwasser wieder in denselben Grundwasserleiter einzuleiten. Als Folge des Wärmeentzugs hat sich das genutzte Wasser gegenüber der Temperatur im Grundwasserleiter abgekühlt. Wenn nun eine solche Fahne abgekühlten Wassers im Grundwasserleiter zu einer Stelle fließt (Abb. 15.1), an der ebenfalls Grundwasser für denselben Zweck entnommen werden soll, kann dieses Wasser aus ökonomischen Gründen nicht weiter abgekühlt werden. Derjenige, dem dieses abgekühlte Wasser unter seinen Grund und Boden geschickt wurde, kann es nicht für den Betrieb einer Wärmepumpe nutzen. Vereinzelt wurde daher an die Aufstellung von Bewirtschaftungsplänen für die Nutzung von Grundwasser in Wärmepumpen gedacht.

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Rolf Mull, Hartmut Holländer

16. Grundzüge der Grundwasserüberwachung

Zusammenfassung

Die Überwachung des Grundwassers ist im Wesentlichen auf die Ermittlung von Standrohrspiegelhöhen und die Erfassung von Inhaltsstoffen im Grundwasser ausgerichtet. Im ersten Fall geht es um die Wassermenge, im zweiten Fall um die Wassergüte. In beiden Fällen können Informationen durch die Offenlegung des Grundwassers in Gruben und Teichen bezogen werden. In der Regel werden Beobachtungs- und Pumpbrunnen für die Gewinnung von Informationen genutzt.

Rolf Mull, Hartmut Holländer

17. Aspekte der Grundwasserbewirtschaftung

Zusammenfassung

In den vorausgegangenen Kapiteln hat der Schwerpunkt der Betrachtungen auf den Strömungen von Wasser und anderen Fluiden im Untergrund gelegen und hydrologischen Erscheinungen, die zu diesen Strömungen geführt haben. Es wurde gezeigt, dass menschliche Eingriffe in das unterirdische Regime die Strömung des Grundwassers beeinflussen oder Strömungen anderer Fluide im Untergrund induzieren. Es ist deutlich gemacht worden, dass die Strömung des unterirdischen Wassers der wesentliche Prozess für die Stoff- und Wärmeausbreitung im Untergrund ist. Abschließend werden einige Aspekte der Grundwasserbewirtschaftung betrachtet, um die Bedeutung der Kenntnisse hydraulischer und hydrologischer Prozesse bei Eingriffen in das Grundwasser unter folgenden Gesichtpunkten zu unterstreichen:

• Grundwasserentnahmen oder Wassereinleitungen in das Grundwasserregime verändern Grundwasserstände und Grundwasserflüsse.
• Stoff- und Wärmeeinleitungen in den Untergrund beeinflussen die Grundwassergüte.
• Änderungen der Grundwasserstände, -flüsse und -güte haben Auswirkungen auf die Nutzung des Wassers und auf die Umwelt.

Rolf Mull, Hartmut Holländer

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