Natürlicher Grundwasseraustritt (Raben Steinfelder Forst amPinnower See, Landkreis Ludwigslust-Parchim, Mecklenburg-Vorpommern)Eine Frau beim Wasserschöpfen aus einer offenen Wasserquelle, Mwamanongu Village,Tansania
Grundwasser istWasser unterhalb derErdoberfläche, das durch Versickern vonNiederschlägen und teilweise auch durch Infiltration/Migration des Wassers aus Seen und Flüssen dorthin gelangt.
Der Gesteinskörper, in dem sich das Grundwasser aufhält und fließt, wird alsGrundwasserleiter (aus dem Lateinischen auch:Aquifer, ‚wassertragend‘ bzw. ‚Wasserträger‘) bezeichnet.
„unterirdisches Wasser, das die Hohlräume derErdrinde zusammenhängend ausfüllt und dessen Bewegung ausschließlich oder nahezu ausschließlich von derSchwerkraft und den durch die Bewegung selbst ausgelöstenReibungskräften bestimmt wird.“
„das unterirdische Wasser in der Sättigungszone, das in unmittelbarer Berührung mit dem Boden oder dem Untergrund steht.“[1]
Die treibenden Kräfte für die Grundwasserströmung sind dieGewichtskraft und die durch sie hervorgerufenen Druckkräfte. Grundwasser bewegt sich (strömt, fließt) infolge von Differenzen in der Piezometerhöhe (=hydraulisches Potential) durch die Hohlräume des Untergrunds. Nach dieser Definition zählt auchStauwasser zum Grundwasser.
Die in der Definition genannten Hohlräume der Erdrinde sind je nach geologischer Beschaffenheit des Untergrunds:Poren (klastischeSedimente undSedimentgesteine wie zum BeispielSand,Kies,Schluff),Klüfte (Festgesteine wie beispielsweiseGranit,Quarzit,Gneis,Sandsteine) oder durch Lösung entstandene große Hohlräume (zum BeispielKalkstein). Dementsprechend unterscheidet man: Porengrundwasser (siehe auch:Porenwasser), Kluftgrundwasser und Karstgrundwasser.
Grundwasser nimmt amWasserkreislauf teil. Die Verweilzeit im Untergrund kann allerdings stark schwanken und reicht von unter einem Jahr bis hin zu vielen Millionen Jahren. Sehr alte Grundwässer werden auch alsfossiles Wasser bezeichnet.
Längsschnitt durch ein fiktives Grundwassersystem. Hellblau: Oberflächengewässer, dunkelblau: Grundwasserleiter („Aquifer“), olivgrün: permeables Gestein (wasserungesättigt), dunkelbraun: impermeables Gestein (Aquiklud)Video: Die Bedeutung vonanstehendem Gestein („Felsen“) im Untergrund als Wasserspeicher für Pflanzen
Ein Grundwasservorkommen oder ein abgrenzbarer Teil eines Grundwasservorkommens wird alsGrundwasserkörper bezeichnet. Die obere Begrenzungsfläche eines Grundwasserkörpers heißtGrundwasserspiegel, die untere Begrenzungsfläche wirdGrundwassersohle,Grundwassersohlfläche oderGrundwasserunterfläche genannt. Der vertikale Abstand von der Grundwassersohle zur Grundwasseroberfläche wird alsGrundwassermächtigkeit bezeichnet.[2]
Gesteinskörper, die in der Lage sind, nennenswerte Mengen an Wasser aufzunehmen und zu leiten, werden alsGrundwasserleiter („Aquifer“) bezeichnet. Sie müssen jedoch nicht notwendigerweise immer Wasser enthalten. Der Teil eines Grundwasserleiters, der zu einem bestimmten Zeitpunkt mit Wasser gefüllt ist, wird alsGrundwasserraum bezeichnet.[3] Grundwasserleiter sind nach unten durch wasserundurchlässige oder als wasserundurchlässig angesehene Gesteinskörper begrenzt. Ein solcherGrundwassernichtleiter wird auch alsAquiklud bezeichnet. Bei vertikaler Abfolge von mehreren Grundwasserleitern und Grundwassernichtleitern können mehrere übereinander liegendeGrundwasserstockwerke vorliegen.
Bei einem ungespannten Grundwasserleiter ist der hydrostatische Druck definitionsgemäß gleich dem Luftdruck; praktischerweise wird der Luftdruck in der Hydromechanik oft gleich Null gesetzt; das hydraulische Druckpotential (engl.hydraulic head) ist an der freien Grundwasseroberfläche gleich der Summe aus ihrer geodätischen Höhe und dem Luftdruck (bzw. Null). Die in einerGrundwassermessstelle freiliegende Grundwasseroberfläche bezeichnet man alsStandrohrspiegel. Der Abstand zwischen Geländeoberfläche und Grundwasseroberfläche wird mitFlurabstand oderGrundwasserflurabstand bezeichnet. Sofern die über dem Grundwasserleiter liegende geologische Einheit, dieGrundwasserüberdeckung, eine wasserdurchlässige Schicht ist, herrschen ungespannte Verhältnisse vor. Ist die Grundwasserüberdeckung wasserundurchlässig, können gespannte Grundwasserverhältnisse vorliegen, was bedeutet, dass das hydraulische Potenzial höher liegt als die tatsächliche Grundwasseroberfläche (gespanntes, bei Überschreiten der Erdoberflächeartesisches Grundwasser).Schichtenwasser ist durch wasserstauende Schichten oberhalb des Grundwassers amVersickern gehindertes, meist oberflächennahes, vom Hauptgrundwasserleiter unabhängiges Grundwasser. Befindet sich darunter eine nicht wassergesättigte Zone, spricht man von schwebendem Grundwasser.
WieOberflächengewässer folgt auch Grundwasser der Schwerkraft und fließt in Richtung des größten (piezometrischen) Gefälles. Für Grundwasserströmungsgebiete lässt sich dieses aus Karten ermitteln, auf denen Standrohrspiegelhöhen alsHydroisohypsen dargestellt sind (Grundwassergleichenplan). Das größte Gefälle und damit die Grundwasserströmungsrichtung bzw. die Grundwasserstromlinien liegen immer imrechten Winkel zu den Grundwassergleichen. Die einfachste Methode zur Erstellung eines Grundwassergleichenplans ist die Anwendung des Verfahrens deshydrologischen Dreiecks.
Im Vergleich zu Oberflächengewässern fließt Grundwasser zumeist mit sehr viel geringerer Geschwindigkeit. Man beachte auch den Unterschied zwischenFiltergeschwindigkeit undAbstandsgeschwindigkeit. In Kies (Korngrößen 2–63 mm) beträgt die Abstandsgeschwindigkeit 5–20 m/Tag (Maximalwerte liegen bei 70–100 m/Tag), in feinporigerenSedimenten wie Sand (Korngrößen 0,063–2 mm) nur etwa 1 m/Tag, immer abhängig auch vom Gefälle. In tiefen Grundwasserleitern kann sich die Geschwindigkeit bis auf wenige m/Jahr verringern.
Grundwasser fließt (exfiltriert, entlastet) in einenVorfluter (Gerinne oder entwässernde Geländesenke) oder tritt inQuellen an der Erdoberfläche aus.
Der BegriffWasserader (Radiästhesie) ist ein pseudo- oderparawissenschaftlicher Begriff und wird in der naturwissenschaftlichen, hydrologischen und hydrogeologischen Fachsprache nicht verwendet.
Zur Prognose oder Nachbildung von Grundwasserströmungen werdenmathematische Grundwassermodelle eingesetzt, mit denen man Zuströmung, Entnahme, Absenkung und Neubildung von Grundwasser gut und detailgenau darstellen kann. Auch Gefährdungen (Migration von Umweltschadstoffen) lassen sich damit frühzeitig erkennen, selbst historische Zustände kann man damit nachvollziehen, zum Beispiel bei der Altlastenerkundung.[4][5]
Grundwasser entsteht dadurch, dass Niederschläge versickern oder Wasser im Sohl- und Uferbereich von Oberflächengewässern durch Migration oder künstliche Anreicherung (Infiltrationsanlagen, zum Beispiel Sickerbeete, Schlitzgräben, Infiltrations-Brunnen) in den Untergrundinfiltriert. Von den 22,6 Mio. km³ Grundwasser der oberen zwei Kilometer derErdkruste sind etwa 0,1–5,0 Mio. km³ jünger als 50 Jahre.[6] Hierbei spricht man auch vonUmsatzwasser, das rezenter Bestandteil des Wasserkreislaufes ist. Im Gegensatz dazu stehtfossiles Grundwasser, das im tieferen Untergrund seit geologischen Zeiträumen (wenige zehntausende bis viele Millionen Jahre) vom Wasserkreislauf abgeschnitten ist.
Bei der lang andauernden Untergrundpassage wird das Grundwasser durch physikalische, chemische und mikrobiologische Prozesse verändert; es stellt sich ein chemisches und physikalisches Gleichgewicht zwischen der festen und flüssigen Phase desBodens oderGesteins ein. So entsteht beispielsweise durch Aufnahme vonKohlenstoffdioxid (aus der Atmung der Bodenorganismen) und seine Reaktion mit demCalcit undDolomit dieWasserhärte. Bei genügend langerVerweilzeit könnenpathogene Mikroorganismen (Bakterien, Viren) so weit eliminiert werden, dass sie keine Gefährdung mehr darstellen. Diese Prozesse sind aus wasserwirtschaftlicher Sicht überwiegend positiv für die Beschaffenheit des Grundwassers und werden daher summarisch auch alsSelbstreinigung bezeichnet.
Menschliche Eingriffe können sich qualitativ und quantitativ negativ auf das Grundwasser auswirken: Z. B. sind inChina 60 bis 80 Prozent des Grundwassers schwerverschmutzt und nicht mehr alsTrinkwasser geeignet.[9] In Deutschland sind mengenmäßige Engpässe durch übermäßige Grundwasserentnahme nur lokal von Bedeutung. Insemiariden oderariden Regionen mit geringer Grundwasserneubildung führt eineübermäßige Entnahme von Grundwasser zu einer großflächigenAbsenkung der Grundwasseroberfläche und zu entsprechenden Umweltschäden. Bei grobem Verstoß gegen geltende Gesetze kann ein Strafverfahren gegenUmweltverschmutzer eingeleitet werden.
Der pflegende (kurative) und wiederherstellende (sanierende) Grundwasserschutz hat daher eine wichtige Bedeutung imUmweltschutz. Zum vorbeugenden Grundwasserschutz zählt die Ausweisung vonWasserschutzgebieten im Einzugsgebiet (Gewinnungsanlagen) von Wasserwerken. DieSanierung von Grundwasserschäden ist meist teuer und zeitaufwändig.
Für küstennahe Brunnen und die Wasserversorgung auf Inseln kann eineSalzwasserintrusion problematisch sein: Aufgrund des empfindlichen hydrostatischen Gleichgewichtes zwischen Süß- und Salzwasser im Untergrund kann dort bereits eine geringfügige Entnahme von Süßwasser zu einer rapiden Verringerung der Mächtigkeit der Süßwasserschicht durch den Aufstieg von Salzwasser führen. Infolgedessen kann das Wasser an der Entnahmestelle für Menschen ungenießbar oder für die Bewässerung unbrauchbar werden.
Die „Weltkarte zur Grundwassergefährdung durch Hochwasser und Dürren“ (Global Map of Groundwater Vulnerability to Floods and Droughts) entstand in Zusammenarbeit des Projekts „Grundwasser für Notsituationen“ (Groundwater for Emergency Situations, GWES) des „InternationalenHydrologischen Programms“ (International Hydrological Programme, IHP) derUNESCO mit der „Internationalen Vereinigung der Hydrogeologen“ und dem „Weltweiten hydrogeologischen Kartier- und Datenerhebungsprogramm“ (World-wide Hydrogeological Mapping and Assessment Programme, WHYMAP), koordiniert durch die UNESCO und die deutscheBundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR). Die Karte, die eigentlich aus mehreren Karten besteht, basiert im Wesentlichen auf der Karte „Grundwasserressourcen der Erde 1 : 25 000 000“ (Groundwater Resources of the World 1 : 25 000 000) des WHYMAP von 2011; sie zeigt in drei Stufen, „niedrig“, „mittel“, „hoch“, wie stark das Grundwasser in den verschiedenen Regionen der Erde aufgrund der jeweiligen natürlichen Gegebenheiten im Hinblick auf bestimmteNaturkatastrophen gefährdet ist.[12] Die Karte wurde der Öffentlichkeit beim siebtenWeltwasserforum vorgestellt, das vom 12. bis zum 17. April 2015 imsüdkoreanischenDaegu stattfand.[13]
Die meisten weltweiten Grundwasservorkommen befinden sich hinsichtlich der Zu- und Abfluss-/Entnahmemengen aktuell noch etwa im Gleichgewicht.[14] Es käme hingegen zu einem Absinken und schließlich Versiegen des Grundwassers, wenn in einem Gebiet die mittleren Zufluss- die mittleren Abfluss- und Entnahmemengen nicht mehr ausgleichen könnten. Anhand einer in internationaler Zusammenarbeit erstellten Grundwassermodellierung wurde aufgezeigt, dass im Zuge desKlimawandels in den kommenden 100 Jahren nur noch etwa die Hälfte der weltweiten Grundwasservorkommen im Gleichgewicht sein könnten. Bei der anderen Hälfte könnten selbst extreme Regenfälle durch die Häufung von Trockenperioden die Reservoirs im Mittel nicht mehr auffüllen. Obschon sich dies erst mit einer zeitlichen Verzögerung bemerkbar machte, so versiegten diese Grundwasservorkommen letztlich doch vollständig.[15] Gerade das verzögerte Eintreten der Auswirkungen des Klimawandels auf die Grundwasserneubildung wird hierbei als „Umwelt-Zeitbombe“ beschrieben.[16]
DieAtmosphärenerwärmung zieht auch eineErwärmung des Grundwassers nach sich.[17] In Ballungsräumen wird als Folge vor allem desWärmeinsel-Effektes eine Erwärmung des Grundwassers beobachtet. Diese „thermische Verschmutzung“ wird von Hydrogeologen als potenzielle Bedrohung für die Lebewesen im Grundwasser und mithin für die Grundwasserqualität betrachtet.[18]
Das Grundwasser ist in derWasserrahmenrichtlinie derEU als Schutzgut eingestuft.[19] Spezielle Vorgaben macht dieRichtlinie 2006/118/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 12. Dezember 2006 zum Schutz des Grundwassers vor Verschmutzung und Verschlechterung. Sie begründet das mit der besonderen Bedeutung diesesSchutzes für grundwasserabhängige Ökosysteme und für die Nutzung des Grundwassers zur Versorgung mit Wasser für den menschlichen Gebrauch. Sie verpflichtet die Mitgliedsstaaten zur Überwachung insbesondere mit Hilfe vonGrundwassermessstellen und bestimmt Kriterien zur Beurteilung der Wassergüte. Demnach sei ein Grundwasserkörper alsGrundwasser in gutem chemischen Zustand zu betrachten, wenn insbesondere die von den Mitgliedsländern für diverse Stoffe festzulegendenSchwellenwerte und die in der Richtlinie festgelegtenGrundwasserqualitätsnormen an allen Messstellen eingehalten sind. Für Nitrat bestimmt sie diese Qualitätsnorm auf 50 mg/l und für Pestizidwirkstoffe (einschließlich aller relevanten Reaktions- oder Abbauprodukte) auf je 0,1 μg/l oder insgesamt 0,5 μg/l.[20]
Laut einer Studie haben von ~39 Millionen untersuchten Grundwasserbrunnen 6–20 %ein hohes Risiko, trocken zu laufen, wenn der Grundwasserspiegel wenige Meter sinkt oder – wie in vielen Gebieten und möglicherweise bei mehr als der Hälfte der großenGrundwasserleiter[21] – weiterhin drastisch gesenkt wird.[22][23]
(„Lebewesen, die bevorzugt oder ausschließlich im Grundwasser leben“ und „in derGeologie der von Grundwasser durchströmte Hohlraum in den Gesteinen im Untergrund unterhalb derBöden“)
Grundwasserräume gehören zu den größten und ältesten (das heißt langzeitstabilsten) kontinentalen Lebensräumen der Welt; sie sind dabei mit konstant relativ kühlen Temperaturen von z. B. 14 °Celsius auch thermisch sehr stabil;[24] viele der hier lebenden Arten sind „lebende Fossilien“,[25] z. B.Brunnenkrebse, dabei vermutlich auch noch viele unentdeckt.[24]
Als erstesdeutsches Bundesland überwachtBaden-Württemberg im Rahmen einesMonitorings dieGrundwasserfauna. Dabei wurden an einer Messstelle inNeuenburg am Rhein eine auch im internationalen Vergleich relativ hohe Anzahl an Arten gefunden, nämlich 21. Durchschnittlich werden sonst an solch einer Untersuchungsstelle lediglich zwei bis drei Arten gefunden.[24]
Der Zustand und die Entwicklung des Grundwassers in derSchweiz wird durch dieNationale Grundwasserbeobachtung NAQUA desBundesamts für Umwelt ermittelt.[29] 2014 wurde bei mehr als der Hälfte aller Grundwassermessstellen Rückstände vonPflanzenschutzmitteln nachgewiesen. Bei rund 20 Prozent der Messstellen lagen die Konzentrationen von Pflanzenschutzmittel-Metaboliten über 0,1 µg/l.[30] Von 2014 bis 2017 habenAtrazin,Bentazon undMetolachlor jedes Jahr an mehreren Messstellen den Grenzwert überschritten.[31] 2019 war der Einsatz vonChlorthalonil besonders in der Fokus derÖffentlichkeit gelangt, da die Grenzwerte vielerorts nicht eingehalten werden konnten. Auch Metaboliten der HerbizideChloridazon undDimethachlor sind weit verbreitet.[32] Bei denArzneimitteln konnten die WirkstoffeSulfamethoxazol (Antibiotikum),Carbamazepin (Antiepileptikum),Amidotrizoesäure undIopamidol (beides Röntgenkontrastmittel) am häufigsten im Grundwasser nachgewiesen werden.[33] Im Jahr 2021 wurden alle rund 550 NAQUA-Messstellen auf mehr als zwanzig verschiedeneper- und polyfluorierte Alkylverbindungen (PFAS) untersucht.[34]Trifluoressigsäure wurde in allen Proben gefunden.[35]
Trotz der ökologischen Bedeutung besteht für die Grundwasserräume bei der rechtlichen Anerkennung als Lebensraum Nachholbedarf, da Grundwasser bislang im Gegensatz zu z. B.Oberflächengewässern in erster Linie als „unbelebte“Ressource behandelt und gesehen wird.[24]
Grundwassertiere sind meist durchsichtig oder weiß und „blind“. ZurFauna des Grundwassers wurden in Europa bislang über 2.000Tierarten nachgewiesen, in Deutschland über 500;[36] dabei vorherrschend sind – wohl weltweit –Krebstiere; daneben sind zu finden „Wenigborster-Würmer“ (Regenwurm-Verwandte),Fadenwürmer, zum Teil kleineSchnecken. In der Regel sind diese Tiere recht klein, die größten sind dabei mit bis zu vier Zentimetern LängeHöhlenflohkrebse bei genügend Platz im Lückensystem. Viele der hier lebenden Arten sind mit einem Millimeter oder weniger Größe sehr klein – und werden vor einer etwaigen menschlichen Nutzung des Grundwassersherausgefiltert.[24]
Den im Grundwasser lebenden Tieren wird eine nicht unbedeutende Funktion für die Reinigung des Grundwassers vonorganischen Bestandteilen nachgesagt: Sie ernähren sich zwar vonBakterienfilmen auf den Gesteinsoberflächen und Sedimentkörnern, wobei ebendiese Bakterien den überwiegenden Anteil an der Reinigung des Grundwassers haben, aber die Fraßtätigkeit der Grundwassertiere dämmt das Wachstum der Bakterien ein und hält den Poren- und Kluftraum in den Grundwasserleitern offen. So wird die Selbstreinigungskraft des Ökosystems aufrechterhalten.[37][25]
Eine 2024 veröffentlichte Studie derEawag zeigt, dass sich dieLandnutzung (Ackerland) negativ auf die Grundwassertiere auswirkt.[38][39]
Normalerweise geht von Grundwasser keine direkte Gefahr für den Menschen (wie zum Beispiel bei unmittelbar benachbarter magmatischer Aktivität, siehephreatomagmatische Explosion) aus. Es kommt jedoch gelegentlich zu Überschwemmungen und Unterspülungen durch austretendes Grundwasser.[40] Eine tödliche Gefahr stellt eintretendes Grundwasser beim Tunnelbau dar. Grundwasser kann Beton und dieStahlbewehrung angreifen. Deshalb muss grundsätzlich dort, wo Betonteile mit Wasser in Berührung kommen können, eine Grundwasserprobe entnommen werden, die gemäß DIN 4030 aufBetonaggressivität untersucht werden muss.
Weltweit beziehen rund 300 Mio. Menschen ihr Wasser aus Grundwasservorräten. Rund 10 Prozent der Grundwasserbrunnen sind jedoch mitArsen oderFluorid kontaminiert. DieseSpurenstoffe sind meist natürlichen Ursprungs und werden vom Wasser aus Felsen und Sedimenten ausgewaschen.[41]
2008 präsentierte das Schweizer WasserforschungsinstitutEawag eine neue Methode, mit der sich Gefahrenkarten für geogene Giftstoffe im Grundwasser erstellen lassen, ohne dass sämtliche Brunnen und Grundwasservorräte einer Region dafür überprüft werden müssen.[42][43][44] 2016 machte die Eawag ihr Wissen auf der Grundwasser Assessment Plattform (GAP) frei zugänglich. Dieses Internetportal bietet Behördenmitgliedern, Mitarbeitern von NGOs und anderen Fachleute die Möglichkeit, eigene Messdaten hochzuladen und Risikokarten für Gebiete ihrer Wahl zu erstellen.
Grundwasser, imBauwesen auch alsDruckwasser bezeichnet, stellt besonders imTiefbau ein Problem dar, wenn wechselnde, in den Baubereich reichende Grundwasserstände nicht beachtet werden oder wenn bewusst ins Grundwasser gebaut wird, das dann in dieBaugrube beziehungsweise das Bauwerk drückt. Eine auf wasserundurchlässigem Beton basierende und damit grundwasserfeste Bauweise von Kellern und sonstigen Bauwerken wird alsWeiße Wanne bezeichnet.[45][46] Dabei muss stets der Auftrieb (Auftrieb = Gewicht der verdrängten Flüssigkeit) berücksichtigt werden, der die Wanne nach oben drückt.
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