Grundwasserleiter

Definition und Bedeutung

Ein Grundwasserleiter, auch Grundwasserhorizont oder Grundwasserträger, ist ein Gesteinskörper mit Hohlräumen, der Grundwasser leiten kann. Seine Kenntnis ist besonders für die Trinkwassergewinnung und für die Beeinflussung des Grundwassers im Bergbau, etwa bei der Tagebauentwässerung, wichtig.

Der häufig verwendete Begriff Aquifer ist nach der in Deutschland gültigen hydrogeologischen Begriffsbestimmung DIN 4049-3 nicht völlig gleichbedeutend: Ein Aquifer umfasst ausschließlich wassergesättigte Schichtenfolgen. Ein Grundwasserleiter kann dagegen auch die ungesättigte Zone einschließen, sofern der Gesteinskörper grundsätzlich zur Leitung von Grundwasser geeignet ist. Im deutschsprachigen Gebrauch ist mit Aquifer dennoch meistens ein Grundwasserleiter gemeint.

Arten, Eigenschaften und Abgrenzung

Es werden drei Arten unterschieden:

• Porengrundwasserleiter bestehen aus Locker- oder Festgestein, dessen Porenraum vom Grundwasser durchflossen werden kann.
• Kluftgrundwasserleiter bestehen aus Festgestein mit durchflusswirksamen Klüften und Gesteinsfugen.
• Karstgrundwasserleiter bestehen aus verkarsteten Karbonatgesteinen mit wasserführenden Verkarstungen.

Wasserundurchlässige begrenzende Schichten, beispielsweise Tone, heißen Aquifugen. Ein Grundwassernichtleiter oder Aquiclude leitet kein Grundwasser. Ein Geringleiter oder Aquitard besitzt nur einen sehr geringen Durchlässigkeitsbeiwert; der Übergang zum Nichtleiter ist nicht scharf. Ein schlecht durchlässiger Bereich, der einen Grundwasserleiter begrenzt, heißt Grundwasserhemmer.

Für die Nutzbarkeit ist die Permeabilität, also die Durchlässigkeit, entscheidend. Bei Lockergestein hängt sie von der Porosität, bei Festgestein von der Klüftigkeit ab. Im einfachsten Fall wird sie durch den Durchlässigkeitsbeiwert beschrieben. Bei mehreren Schichten unterschiedlicher Permeabilität eignet sich die Transmissivität besser: Sie ist die Summe der Produkte aus Durchlässigkeitsbeiwert und Mächtigkeit der jeweiligen grundwasserführenden Schichten.

Ein Grundwasserkörper ist ein räumlich eindeutig abgrenzbares Grundwasservorkommen. Der Grundwasserraum bezeichnet dagegen den mit Grundwasser gefüllten Gesteinskörper. Die Grundwassermächtigkeit ist der lotrechte Abstand zwischen Grundwasseroberfläche und Grundwassersohle.

Bei einem ungespannten oder freien Grundwasserleiter entspricht die Grundwasserdruckfläche der Grundwasseroberfläche. Die Druckfläche gibt an, bis zu welcher Höhe Wasser aufgrund seines hydrostatischen Drucks in einer freien Messstelle steigen würde. Bei einem gespannten Grundwasserleiter verhindert eine nicht oder schlecht leitende Schicht, dass das Wasser seine Druckfläche erreicht. Dies beeinflusst Messstellen, Pumpversuche und Wasserentnahmen. Beim Sonderfall des artesischen Grundwasserleiters liegt die Druckfläche über dem Erdboden, sodass Wasser beispielsweise nach einer Bohrung von selbst als Quelle austreten kann.

Nutzung zur Speicherung und Rohstoffgewinnung

Aquiferspeicher, englisch „aquifer thermal energy storage“ (ATES), speichern thermische Energie zum Heizen und Kühlen von Gebäuden. Warmes Wasser wird beispielsweise im Winter zum Heizen entnommen und dabei abgekühlt. Danach fließt es in den Aquifer zurück und kann im Sommer zur Kühlung dienen. Anschließend lässt es sich etwa mit Sonnenkollektoren wieder erwärmen und speichern. Erforderlich sind mindestens zwei Brunnen, ein Entnahme- und ein Schluckbrunnen, deren Aufgaben je nach Jahreszeit wechseln. In den Niederlanden sind über 2500 Aquiferspeicher installiert, in Deutschland nur zwei: Bonner Bogen und Rostock.

Für die Wärmegewinnung sind in nichtvulkanischen Gebieten meist tiefere Bohrungen nötig. Eine wirtschaftliche Stromerzeugung erfordert Temperaturen über 100 °C. Dabei wird Wasser gefördert, abgekühlt und wieder in den Untergrund injiziert; dieses Verfahren heißt hydrothermale Geothermie.

Aquifere unterhalb nutzbarer Grundwassertiefen können auch CO₂ aufnehmen. Die Speicherung ab 900 Metern Tiefe gilt wegen des begrenzten Potenzials als Zwischentechnologie zur Vermeidung von CO₂-Emissionen bei der Energiegewinnung. Erwartet wird eine Speicherdauer von über 1 Million Jahren; bei der Speicherung in Ozeanen werden bis zu 10.000 Jahre angegeben.

Unter hohem Druck kann Formationswasser in Gesteinsporen Gas binden. Obwohl die Löslichkeit mit steigender Temperatur abnimmt, kann die Druckzunahme in größerer Tiefe insgesamt die gebundene Gasmenge erhöhen. Bei Druckentlastung tritt ein Teil als freies Gas aus oder sammelt sich in Lagerstätten. Der gelöst verbleibende Anteil heißt Aquifergas. Bei seiner Förderung drohen Landabsenkungen, wie sie in Japan und Italien beobachtet wurden. Die Reinjektion des entgasten Wassers kann dem entgegenwirken.

Trinkwasser und Bewässerung

Nur etwa 1 % des weltweiten Süßwassers ist für Menschen nutzbar; das entspricht ungefähr 0,007 % des gesamten Wasservorkommens der Erde. Süßwasser macht 2,5 % des weltweiten Wassers aus. Davon sind 68,7 % als „gebundenes Wasser“ in den Eisschichten der Polkappen enthalten; die übrigen 31,3 % befinden sich in Aquiferen oder sind als Bodenfeuchte gespeichert. Aquifere werden weltweit intensiv zur Trinkwassergewinnung genutzt, etwa 25 % der Weltbevölkerung beziehen ihr Trinkwasser aus Karst-Aquiferen. Übersteigt die Entnahme den Zufluss oder wird nicht erneuerbares fossiles Wasser genutzt, ist die Versorgung nicht dauerhaft nachhaltig.

Bei der Grundwasseranreicherung wird Oberflächenwasser in einen Grundwasserleiter re-infiltriert. Der Untergrund unterstützt dann die Entmanganung, Enteisenung und den biologischen Abbau. Zugleich können Schadstoffe eingetragen werden, die später beispielsweise durch Aktivkohlefilter entfernt werden müssen. Deshalb wird das Wasser häufig vorbehandelt.

Besonders umstritten ist die Nutzung nicht erneuerbaren Grundwassers zur Bewässerung. Beim Ogallala-Aquifer in Zentral-Nordamerika überschritt die Entnahme seit Beginn der Bewässerung im Jahr 1911 bald den Zufluss. Das Verhältnis von Entnahme zu Neubildung wird auf etwa 25 zu 1 geschätzt; örtlich sank der Wasserspiegel um bis zu 1,50 Meter jährlich. Manche Bereiche sind bereits wasserlos.

Beim fossilen Wasser des Nubischen Aquifers ist wegen des hyperariden Klimas nahezu keine Neubildung vorhanden. Nach dem Versiegen artesischer Quellen in westägyptischen Oasen wurde der Aquifer angezapft; bis 2009 sank sein Wasserspiegel um etwa 60 m. In nordwestindischen Aquiferen fiel der Spiegel in den sechs Jahren bis 2009 jährlich um mehr als 30 cm, der Verlust betrug über 100 km³. Indische Bauern nutzen nach einer WWF-Studie jährlich 400 km³ Wasser zur Bewässerung, davon stammen nur 150 km³ aus Niederschlägen. Im kalifornischen Zentraltal gingen durch intensive Landwirtschaft etwa 20 km³ Grundwasser verloren.

Verunreinigungen und Schutz

Industrie und Landwirtschaft belasten viele Grundwasserkörper durch direkte Einleitungen von Ab- oder Kühlwasser sowie durch versickernde Spritz- und Düngemittel. Besonders problematisch ist, dass Schadstoffe über Jahrzehnte oder länger im Untergrund gespeichert bleiben können.

Arsen kommt teilweise natürlich im Grundwasser vor, in Deutschland etwa im Schwarzwald und bei Bad Dürkheim. Die dortige „Maxquelle“ enthielt 12,5 mg As, den höchsten bekannten Wert einer Quelle, und wurde bis zum Ersten Weltkrieg kurmäßig genutzt. Hohe Konzentrationen treten auch in Teilen der USA, Südamerikas, Asiens und Europas auf.

Auftausalz kann sich über Jahrzehnte in Grundwasserleitern ansammeln. Eine 2014 vorgelegte Untersuchung aus dem Südosten des Bundesstaates New York stellte sommers wie winters unerwartet hohe Salzbelastungen in Flüssen und Seen fest. In zwei Seen in Michigan veränderte Salz die Wasserdichte und behinderte die Zirkulation; in einem See entstand eine beständige, sauerstofflose und sehr salzige Bodenschicht. Im Oberrhein-Aquifer stammen erhebliche Salzbelastungen teilweise aus Abraumhalden und alten Lagerbecken der früheren Kalisalzgewinnung.

Bei der Salzwasserintrusion dringt wegen der unterschiedlichen Dichte von Süß- und Salzwasser natürlicherweise Meerwasser in küstennahe Süßwasservorkommen ein. Dauerhafte Übernutzung kann das natürliche Gleichgewicht durch veränderte Wasserstände stören, etwa im Chicot-Aquifer an der US-Golfküste.

Nitrat kann besonders bei Säuglingen und Menschen mit untypischer Darmflora im Darm in giftiges Nitrit umgewandelt werden. Es gilt außerdem als Hinweis auf stickstoffhaltige organische Verschmutzungen. Erhöhte Werte entstehen häufig in dicht besiedelten oder intensiv landwirtschaftlich genutzten Gebieten durch Stickstoff- und Gülledüngung. Trockenperioden verringern die Aufnahme durch Pflanzen; folgende Starkregen verstärken die Auswaschung. Der EU-Grenzwert für Trinkwasser lag 2010 bei 25 mg/l. Auch natürliche Ursachen sind möglich: Im südlichen Afrika wurden lokal bis zu 600 mg/l gemessen, deutlich über dem WHO-Grenzwert von 50 mg/l; die Ursachen sind nicht eindeutig geklärt.

Nachhaltige Gegenmaßnahmen sind Wassersparberatung und finanzielle Förderung sparsamer Installationen. München unterstützt Landwirte bei der Umstellung auf ökologischen Landbau. Dadurch wurde die seit Ende der 1960er Jahre stark gestiegene Nitratbelastung auf mittlerem Niveau stabilisiert, sodass das Wasser ohne weitere Aufbereitung nach München geleitet werden kann. Eine „Hoftorbilanz“ soll zudem die Nährstoffströme industrieller Mastbetriebe und Reststoffemissionen wie Gülle transparent machen.

Größe und weltweite Verbreitung

UNESCO und Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe präsentierten im April 2015 auf dem siebten Weltwasserforum in Daegu eine Weltgrundwasserkarte. Große Aquifere überschreiten häufig Staatsgrenzen und besitzen sehr unterschiedliche Ausdehnungen, Tiefen und Wasservorräte.

Der Acuífero Guaraní erstreckt sich über 1.200.000 km² in Argentinien, Brasilien, Paraguay und Uruguay und erreicht eine maximale Tiefe und Mächtigkeit von jeweils 1.500 m. Das Große Artesische Becken Australiens umfasst 1.711.000 km², enthält etwa 64.900 km³ Wasser, reicht bis 3.000 m Tiefe und ist 50–250 Millionen Jahre alt. Der Nubische-Sandstein-Aquifer unter Ägypten, Libyen, Sudan und Tschad bedeckt 2.000.000 km², enthält 373.000 km³ fossiles Wasser und reicht bis 4.500 m Tiefe. Für sein Wasser wird ein Alter von 4.500–5.000 Jahren angegeben. Der Ogallala-Aquifer unter den nordamerikanischen Great Plains umfasst 450.000 km², ist maximal 122 m tief, ungefähr 160 m mächtig und etwa 5 Millionen Jahre alt.

Der brasilianische Aquífero Alter do Chão wird mit einem Volumen von 86.000 km³ angegeben. Der deutsch-französische Oberrhein-Aquifer enthält etwa 45 km³ Wasser und ist im Mittel 70 m, stellenweise bis zu 260 m mächtig. Zum Vergleich wurde das Volumen sämtlicher Seen der Erde im März 2017 auf knapp 200.000 km³ geschätzt; der Baikalsee enthält etwa 23.000 km³.

Weitere grenzüberschreitende Systeme sind der Iullemeden-Aquifer in Mali, Niger und Nigeria sowie das Système d’Aquifères du Sahara Septentrional in Algerien, Libyen und Tunesien. Das 2013 entdeckte Lotipiki-Bassin in Kenia und Südsudan wird mit 4.164 km² Ausdehnung und 200.000 km³ Volumen angegeben. Der Gulf Coast Aquifer reicht von Florida durch Texas bis Mexiko, ist größtenteils über 100 Meilen beziehungsweise etwa 160 km breit und umfasst den Chicot-, Evangeline-, Jasper- und Catahoula-Aquifer.