Grundwasser

  Grundwasser ist das Wasser, das unter der Erdoberfläche in Hohlräumen einen Wasserkörper bildet.

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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.

Grundwasser unterliegt also nur der Gravitationskraft und dem hydrostatischen Druck. Es bewegt sich (fließt) vorwiegend horizontal durch die Hohlräume des Untergrunds.

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

Echtes Grundwasser stammt aus Niederschlägen, unechtes Grundwasser entstammt der Zusickerung aus Oberflächengewässern (Flüsse, Seen u.ä.).

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

Grundwasser nimmt Teil am Wasserkreislauf. Die Verweilzeit reicht von unter einem Jahr bis hin zu vielen Millionen Jahren. Sehr alte Grundwässer werden auch als fossiles Wasser bezeichnet, z. B. das unter der Sahara.

Hydrogeologische Begriffe

Der Gesteinskörper, in dem sich das Grundwasser aufhält und fließt, ist der Grundwasserleiter (aus dem Lateinischen auch: Aquifer). Er wird nach unten durch einen Gesteinskörper begrenzt, der wasserundurchlässig ist oder als wasserundurchlässig angesehen werden kann, einen Grundwassernichtleiter (Aquiklud). 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. Liegt die Grundwasseroberfläche frei, beispielsweise in einem Brunnen oder einer Grundwassermessstelle, bezeichnet man sie als Grundwasserspiegel. Der Abstand zwischen Geländeoberfläche und Grundwasseroberfläche ist der Flurabstand oder Grundwasserflurabstand. Sofern die über dem Grundwasserleiter liegende geologische Einheit, die Grundwasserüberdeckung, keine wasserundurchlässige Schicht ist, herrschen ungespannte Verhältnisse vor. Ist die Grundwasserüberdeckung wasserundurchlässig, können gespannte Verhältnisse vorliegen, was bedeutet, dass das hydraulische Potential höher liegt als die tatsächliche Grundwasseroberfläche (artesisch gespanntes Grundwasser, Artesischer Brunnen).

Wie Oberflächengewässer folgt auch Grundwasser der Schwerkraft und fließt in Richtung des größten Gefälles. Dieses lässt sich aus Karten ermitteln, auf denen Standrohrspiegelhöhen als Isohypsen dargestellt sind (Grundwassergleichenplan). Das größte Gefälle und damit die Grundwasserstromrichtung bzw. die Grundwasserstromlinien liegen immer im rechten Winkel zu den Grundwassergleichen. Im Gegensatz zu Oberflächengewässern fließt Grundwasser zumeist mit sehr viel niedrigeren Geschwindigkeiten (Unterschied Filtergeschwindigkeit / Abstandsgeschwindigkeit). In Kies (Korngrößen 2-63 mm) beträgt die Durchgangszeit zwischen 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, da Kapillar- und Porensaugkräfte das nutzbare Porenvolumen verringern.

Grundwasser fließt in einen Vorfluter (Gerinne oder Senken) oder tritt in Quellen an die Erdoberfläche.

In der hydrologischen und hydrogeologischen Fachsprache wird der verwirrende Begriff Wasserader nicht verwendet.

Grundwasserneubildung

Grundwasser entsteht dadurch, dass Niederschläge versickern oder Wasser im Uferbereich von Oberflächengewässern durch Filtration (Uferfiltrat) oder anderweitiger Anreicherung in den Untergrund infiltriert.

Bei der lang andauernden Bodenpassage 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 Qualität des Grundwassers und werden daher summarisch auch als Selbstreinigung bezeichnet.

Allerdings kann es bei der Versickerung sehr sauerer Wässer, beispielsweise aus Tagebau-Restseen, auch zur Auslösung erheblicher Mengen an Aluminium aus Kristallingestein kommen. Ferner können saure Grundwässer hohe Gehalte an Eisen aufweisen.

Gefahren für das Grundwasser und Grundwasserschutz

Menschliche Aktivitäten 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 so genannte Umweltsünder eingeleitet.

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

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

Literatur

• G. Mattheß & K. Ubell: Lehrbuch der Hydrogeologie, Band 1: Allgemeine Hydrogeologie, Grundwasserhaushalt. 1983, Gebr. Borntraeger, Berlin/Stuttgart, ISBN 3-443-01005-9.
• Hölting, B. & Coldewey, W. G. (2005): Hydrogeologie – Einführung in die Allgemeine und Angewandte Hydrogeologie. – 6. Aufl., 326 S., 118 Abb., 69 Tab.; München (Elsevier), ISBN 3-8274-1526-8.
• Kinzelbach, W. & Rausch, R. (1995): Grundwassermodellierung: Eine Einführung mit Übungen.- 284 S., 223 Abb., 15 Tab., 2 Disketten; Berlin, Stuttgart (Borntraeger), ISBN 3-443-01032-6.
• Gudrun Preuß, Horst Kurt Schminke: Grundwasser lebt! Chemie in unserer Zeit 38(5), S. 340 - 347 (2004), ISSN 0009-2851,ISBN 3-527-28527-X.
• R. Schleyer & H. Kerndorff: Die Grundwasserqualität westdeutscher Trinkwasserressourcen. 1992, VCH, Weinheim, ISBN 3-527-28527-X.
• Werner Aeschbach-Hertig: Klimaarchiv im Grundwasser. Physik in unserer Zeit 33(4), 160 - 166 (2002), ISSN 0031-9252.
• Frank-Dieter Kopinke, Katrin Mackenzie, Robert Köhler, Anett Georgi, Holger Weiß, Ulf Roland: Konzepte zur Grundwasserreinigung. Chemie Ingenieur Technik 75(4), S. 329 - 339 (2003), ISSN 0009-286x

• Grundwasserwerk Hardhof in Zürich (Bilder)
• Forschungsprojekte zum Stofftransport im Boden und Grundwasser des Forschungszentrum Jülich
• Institut für Grundwasserökologie des GSF-Forschungszentrums für Umwelt und Gesundheit, Neuherberg
• Informationsdienst Grundwasserschutz des Landesamtes für Bergbau, Energie und Geologie, Hannover
• Salz und Grundwasserversalzung am Oberrhein