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Grundwasser
Grundwasser ist Wasser unterhalb der Erdoberfläche, das durch Versickern von Niederschlägen und teilweise auch durch Infiltration/Migration des Wassers aus …
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Definition und Entstehung
Grundwasser ist Wasser unterhalb der Erdoberfläche. Es gelangt vor allem durch das Versickern von Niederschlägen dorthin, teilweise auch durch Infiltration oder Migration von Wasser aus Seen und Flüssen. Das Gegenstück ist Oberflächenwasser. Der Gesteinskörper, in dem Grundwasser gespeichert ist und fließt, heißt Grundwasserleiter oder Aquifer.
Nach DIN 4049 ist Grundwasser „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 nennt es „das unterirdische Wasser in der Sättigungszone, das in unmittelbarer Berührung mit dem Boden oder dem Untergrund steht.“ Nicht dazu gehören Bodenfeuchte, Haftwasser und Sickerwasser in der ungesättigten Bodenzone.
Grundwasser bewegt sich wegen Unterschieden in der Piezometerhöhe, also im hydraulischen Potenzial, durch Hohlräume des Untergrunds. Diese Hohlräume können Poren in Sand, Kies oder Schluff, Klüfte in Festgesteinen oder größere Lösungshohlräume etwa in Kalkstein sein. Deshalb unterscheidet man Porengrundwasser, Kluftgrundwasser und Karstgrundwasser. Grundwasser ist Teil des Wasserkreislaufs; seine Verweilzeit im Untergrund kann von weniger als einem Jahr bis zu vielen Millionen Jahren reichen. Sehr altes Grundwasser heißt fossiles Wasser.
Aufbau und Bewegung im Untergrund
Ein Grundwasservorkommen oder ein abgrenzbarer Teil davon heißt Grundwasserkörper. Seine obere Begrenzung ist der Grundwasserspiegel, die untere Begrenzung die Grundwassersohle. Der Abstand dazwischen heißt Grundwassermächtigkeit. Der Teil eines Grundwasserleiters, der zu einem bestimmten Zeitpunkt mit Wasser gefüllt ist, wird Grundwasserraum genannt. Wasserundurchlässige oder als wasserundurchlässig angesehene Gesteinskörper heißen Grundwassernichtleiter oder Aquiklud. Liegen mehrere Grundwasserleiter und Grundwassernichtleiter übereinander, können Grundwasserstockwerke entstehen.
Bei ungespanntem Grundwasser entspricht der hydrostatische Druck dem Luftdruck. Ist die überdeckende Schicht wasserdurchlässig, liegen meist ungespannte Verhältnisse vor. Ist sie wasserundurchlässig, kann gespanntes Grundwasser entstehen: Dann liegt das hydraulische Potenzial höher als die tatsächliche Grundwasseroberfläche. Überschreitet es die Erdoberfläche, spricht man von artesischem Grundwasser. Schichtenwasser ist oberflächennahes, durch stauende Schichten am Versickern gehindertes Grundwasser. Gibt es darunter eine ungesättigte Zone, heißt es schwebendes Grundwasser.
Grundwasser fließt wie Oberflächenwasser in Richtung des größten Gefälles. Seine Strömungsrichtung kann mit Grundwassergleichenplänen aus Standrohrspiegelhöhen bestimmt werden; die Strömung verläuft rechtwinklig zu den Grundwassergleichen. Im Vergleich zu Oberflächengewässern ist Grundwasser meist langsam: In Kies beträgt die Abstandsgeschwindigkeit 5–20 m/Tag, mit Maximalwerten von 70–100 m/Tag; in Sand liegt sie etwa bei 1 m/Tag. In tiefen Grundwasserleitern kann sie auf wenige Meter pro Jahr sinken. Grundwasser tritt in Quellen aus oder fließt in Vorfluter wie Gerinne oder entwässernde Geländesenken. Zur Untersuchung werden mathematische Grundwassermodelle verwendet, etwa für Zuströmung, Entnahme, Absenkung, Neubildung und die Ausbreitung von Schadstoffen.
Neubildung, Menge und natürliche Reinigung
Grundwasserneubildung geschieht durch versickernde Niederschläge sowie durch Wasser, das im Sohl- und Uferbereich von Oberflächengewässern in den Untergrund gelangt. Auch künstliche Anreicherung ist möglich, zum Beispiel über Infiltrationsanlagen wie Sickerbeete, Schlitzgräben oder Infiltrations-Brunnen.
Von den 22,6 Mio. km³ Grundwasser in den oberen zwei Kilometern der Erdkruste sind etwa 0,1–5,0 Mio. km³ jünger als 50 Jahre. Dieses junge Grundwasser wird als Umsatzwasser bezeichnet, weil es ein rezenter Bestandteil des Wasserkreislaufs ist. Fossiles Grundwasser dagegen ist seit geologischen Zeiträumen, also von wenigen zehntausend bis vielen Millionen Jahren, vom Wasserkreislauf abgeschnitten.
Während der langen Boden- und Gesteinspassage verändert sich Grundwasser durch physikalische, chemische und mikrobiologische Prozesse. Dabei stellt sich ein Gleichgewicht zwischen fester und flüssiger Phase ein. Ein Beispiel ist die Bildung von Wasserhärte: Kohlenstoffdioxid aus der Atmung von Bodenorganismen reagiert mit Calcit und Dolomit. Bei ausreichend langer Verweilzeit können krankheitserregende Mikroorganismen wie Bakterien und Viren so weit entfernt werden, dass sie keine Gefahr mehr darstellen. Diese Vorgänge gelten in der Wasserwirtschaft meist als positiv und werden zusammenfassend Selbstreinigung genannt.
Es gibt aber auch ungünstige Veränderungen. Saure Wässer, etwa saurer Regen oder Wasser aus Tagebau-Restseen, können erhebliche Mengen Aluminium aus Kristallingestein oder Böden lösen. Saure Grundwässer, besonders durch Pyritverwitterung versauerte, können hohe Gehalte an Eisen(II)-Verbindungen enthalten.
Gefährdung und Schutz
Grundwasser ist eine lebenswichtige Ressource, wird laut UNESCO-Weltwasserbericht 2022 weltweit aber nicht nachhaltig genutzt und verwaltet. Menschliche Eingriffe können die Menge und die Qualität gefährden. In der VR China waren 2015 etwa 60 bis 80 Prozent des Grundwassers schwer verschmutzt und nicht mehr als Trinkwasser geeignet. In Deutschland sind mengenmäßige Engpässe durch zu starke Entnahme nur lokal wichtig. In semiariden und ariden Regionen kann übermäßige Entnahme jedoch großflächig den Grundwasserspiegel senken und Umweltschäden verursachen.
Wichtige Gefahren für die Qualität sind Luftschadstoffe, die mit der Bodenpassage ins Grundwasser gelangen, zu viel Dünger und Pflanzenschutzmittel sowie Schadstofffahnen aus Altlasten. Vorbeugender Schutz umfasst unter anderem Wasserschutzgebiete im Einzugsgebiet von Wasserwerken. Sanierung von Grundwasserschäden ist meist teuer und dauert lange. In Küstengebieten und auf Inseln kann Salzwasserintrusion ein Problem sein: Schon geringe Süßwasserentnahme kann Salzwasser aufsteigen lassen, sodass Brunnenwasser für Menschen ungenießbar oder für Bewässerung unbrauchbar wird.
Der Klimawandel kann Grundwasservorkommen zusätzlich gefährden. Nach einer internationalen Modellierung könnten in den kommenden 100 Jahren nur noch etwa die Hälfte der weltweiten Grundwasservorkommen im Gleichgewicht zwischen Zufluss, Abfluss und Entnahme sein. Bei der anderen Hälfte könnten häufigere Trockenperioden trotz extremer Regenfälle verhindern, dass Reservoirs im Mittel wieder aufgefüllt werden. Die verzögerte Wirkung auf die Grundwasserneubildung wird als „Umwelt-Zeitbombe“ beschrieben. Außerdem erwärmt sich durch die Atmosphärenerwärmung auch das Grundwasser; in Ballungsräumen verstärkt der Wärmeinsel-Effekt diese „thermische Verschmutzung“.
In der Europäischen Union ist Grundwasser durch die Wasserrahmenrichtlinie als Schutzgut eingestuft. Die Richtlinie 2006/118/EG verlangt Überwachung, unter anderem mit Grundwassermessstellen, und Kriterien für die Wassergüte. Ein Grundwasserkörper gilt als chemisch gut, wenn festgelegte Schwellenwerte und Qualitätsnormen eingehalten werden. Für Nitrat liegt die Norm bei 50 mg/l, für Pestizidwirkstoffe einschließlich relevanter Reaktions- oder Abbauprodukte bei je 0,1 μg/l oder insgesamt 0,5 μg/l.
Lebensraum und Überwachung
Grundwasserräume gehören zu den größten und ältesten kontinentalen Lebensräumen der Welt. Sie sind langfristig stabil und haben relativ konstante, kühle Temperaturen, zum Beispiel 14 °Celsius. Viele dort lebende Arten gelten als „lebende Fossilien“, etwa Brunnenkrebse; vermutlich sind viele Arten noch unentdeckt.
Grundwassertiere sind meist durchsichtig oder weiß und blind. In Europa wurden bisher über 2.000 Tierarten im Grundwasser nachgewiesen, in Deutschland über 500. Vorherrschend sind Krebstiere; außerdem gibt es Wenigborster-Würmer, Fadenwürmer und teilweise kleine Schnecken. Viele Arten sind nur etwa einen Millimeter groß oder kleiner, die größten genannten Tiere sind Höhlenflohkrebse mit bis zu vier Zentimetern Länge.
Die Tiere tragen zur Selbstreinigung bei, indem sie Bakterienfilme auf Gesteinsoberflächen und Sedimentkörnern abweiden. Die Bakterien leisten den Hauptanteil der Reinigung organischer Bestandteile, doch die Fraßtätigkeit hält ihr Wachstum in Grenzen und hält Poren- und Klufträume offen. Eine 2024 veröffentlichte Studie der Eawag zeigt, dass Landnutzung, besonders Ackerland, Grundwassertiere negativ beeinflusst.
Der Zustand von Grundwasser wird in der EU nach der Richtlinie 2000/60/EG, der Wasserrahmenrichtlinie, untersucht und in fünf Grade eingeteilt: „sehr gut“, „gut“, „mäßig“, „unbefriedigend“, „schlecht“. 2015 waren in Niedersachsen 13 Grundwasserkörper in einem „schlechten chemischen Zustand“. Baden-Württemberg überwacht als erstes deutsches Bundesland die Grundwasserfauna; an einer Messstelle in Neuenburg am Rhein wurden 21 Arten gefunden, während sonst an solchen Stellen durchschnittlich nur zwei bis drei Arten vorkommen. In der Schweiz wird Grundwasser durch die Nationale Grundwasserbeobachtung NAQUA überwacht; 2014 wurden bei mehr als der Hälfte der Messstellen Rückstände von Pflanzenschutzmitteln gefunden.
Nutzung und Risiken für Menschen
Grundwasser ist für die Wasserversorgung sehr wichtig. Weltweit beziehen rund 300 Mio. Menschen ihr Wasser aus Grundwasservorräten. Zugleich können Brunnen belastet sein: Rund 10 Prozent der Grundwasserbrunnen sind mit Arsen oder Fluorid kontaminiert. Diese Stoffe sind meist natürlichen Ursprungs und werden aus Felsen und Sedimenten ausgewaschen. Die Eawag stellte 2008 eine Methode vor, mit der Gefahrenkarten für geogene Giftstoffe im Grundwasser erstellt werden können, ohne alle Brunnen einer Region zu prüfen. Seit 2016 stellt sie dazu Wissen auf der Grundwasser Assessment Plattform (GAP) bereit.
Von Grundwasser geht normalerweise keine direkte Gefahr für Menschen aus. Es kann aber Überschwemmungen und Unterspülungen verursachen. Beim Tunnelbau kann eintretendes Grundwasser tödlich gefährlich sein. Außerdem kann Grundwasser Beton und Stahlbewehrung angreifen; deshalb muss dort, wo Beton mit Wasser in Kontakt kommen kann, nach DIN 4030 eine Grundwasserprobe auf Betonaggressivität untersucht werden.
Im Bauwesen heißt Grundwasser auch Druckwasser. Besonders im Tiefbau wird es problematisch, wenn schwankende Grundwasserstände nicht beachtet werden oder wenn bewusst ins Grundwasser gebaut wird. Dann drückt das Wasser in Baugruben oder Bauwerke. Eine grundwasserfeste Bauweise mit wasserundurchlässigem Beton wird Weiße Wanne genannt. Dabei muss der Auftrieb berücksichtigt werden, also das Gewicht der verdrängten Flüssigkeit, das die Wanne nach oben drückt.
Zur Forschung werden seit 2002 GRACE-Satelliten genutzt, mit denen Zu- und Abnahmen des Grundwassers grob gemessen werden können. Eine Studie zu Wassersicherheit ergab, dass von etwa 39 Millionen untersuchten Grundwasserbrunnen 6–20 % ein hohes Risiko haben, trocken zu laufen, wenn der Grundwasserspiegel wenige Meter sinkt oder weiter drastisch gesenkt wird.
