3.1

3.1 Grundwasser und Aquifere3.1 Definitionen und Grundbegriffe

Grundwasser (GW): Wasser unterhalb der Bodenoberfläche

Grundwasserkörper: Grundwasservorkommen oder Teil davon

Grundwasserleiter (GWL): geologische Formation, die aufgrund von Hohlräumen Wasser

(Aquifer) führen kann

Grundwasserstockwerk: wenn mehrere GWL durch gering- oder nahezu undurchlässige

Schichten getrennt sind, wird von einer Gliederung des

Grundwasserkörpers in Stockwerke gesprochen

Lockergesteins-GWL: Poren-GWL aus Sanden und/oder Kiesen (v � 1 m/d)

Festgesteins-GWL: - Kluft-GWL (v � einige Meter pro Tag)

- Karst-GWL (v � 100 m/d)

Grundwassermächtigkeit: wassererfüllter Anteil eines GWL

Grundwasserstauer: geologische Formationen, die GW nicht leiten (Aquiclude)

gesättigte (Boden-)Zone: Hohlräume sind vollständig mit Wasser erfüllt

ungesättigte (Boden-)Zone: Hohlräume enthalten Wasser und Luft (Vadose- Zone)

Standrohrspiegelhöhe: Summe aus geodätischer Höhe und Druckhöhe (Druckspiegel) in

einem Standrohr (engl. hydraulic head)

Grundwasserdruckfläche: Verbindung einzelner Standrohrspiegelhöhen im Raum

Grundwasserspiegel: Wasserspiegel in einer Grundwassermeßstelle

Grundwasserstand: Höhe des Grundwasserspiegels zur Bezugsebene (z.B. NN)

Grundwasseroberfläche: Oberfläche des Grundwasserkörpers

Grundwasserflurabstand: Abstand zwischen Geländeoberkante (GOK) und

Grundwasserspiegel

freier (phreatischer) GWL: GWL mit frei beweglicher Grundwasseroberfläche innerhalb des

GWL ( engl. unconfined oder water table aquifer)

gespannter GWL: GWL, der von einer nahezu undurchlässigen Deckschicht

überlagert ist. Die Standrohrspiegelhöhe ist höher als die

D e c k s c h i c h t . E x t r e m f a l l : A r t e s i s c h e r G W L :

Standrohrspiegelhöhe steht über Gelände. (engl. confined

aquifer).

halbgespannter GWL: GWL, der durch eine halbdurchlässige Schicht von einem

weiteren GWL getrennt ist (engl. leaky aquifer)

schwebender GWL: örtlich und oft zeitlich begrenzter Grundwasserkörper auf einer

regional begrenzten schlecht durchlässigen Schicht innerhalb der

ungesättigten Zone (engl. perched aquifer)

Leakage: Ausgleich zwischen zwei GWL durch eine halbdurch-lässige

Schicht

3.2

3.2 Hydrologische Aufteilung des Untergrundes

3.2.1 Feuchtigkeitszonen

Abb. 3.1: Hydrologische Aufteilung des Untergrundes in die ungesättigte (Vadose) und

gesättigte Zone (Mattheß und Ubell, 1983)

Die erste hydrologische Aufteilung des Untergrunds ist nach dem Grad der Sättigung des

porösen Mediums mit Wasser.

a) die ungesättigte oder Vadose-Zone, wo die Poren nur teilweise mit Wasser

aufgefüllt sind. Diese Zone ist besonders in der Bodenphysik und in der

Landwirtschaft von Bedeutung, als Quellzone für das von Pflanzen

aufgenommene Wasser. Darüber hinaus ist sie aber auch die “Durchgangszone”

für die von der Erdoberfläche eingetragenen Schadstoffe.

b) die gesättigte Zone ist die eigentliche Grundwasser-Zone und der Hauptspeicher

von Untergrundwasser.

Wie später gezeigt wird, sind die physikalischen Gesetze der Geohydraulik in den beiden Zonen

sehr verschieden. Die der Vadose-Zone sind sehr viel komplexer und sind auch erst in jüngster

Zeit genauer erforscht worden. Dagegen sind die wesentlichen Zusammenhänge der

Grundwasserdynamik schon länger bekannt.

3.3

3.2.2 Aquifere und Aquitards

3.2.2.1 Hydrologische Klassifikation

Bei der hydrologische Klassifikation von Grundwasser-Aquiferen wird der Untergrund zunächst

nur als ein poröses Medium betrachtet dessen Poren mit Wasser gefüllt (Porosität), welches

sich mehr oder weniger gut bewegen kann (hydraulische Durchlässigkeit).

Abb. 3.2: Aquifere, Standrohrhöhen und Grundwasser (Bear and Verruijt, 1987)

Abb. 3.3: Aquifere, Standrohrhöhen und Grundwasser ( Mattheß und Ubell, 1983)

3.4

Zufolge Abb. 3.2 und 3.3 unterscheidet man:

1) Ungespannter (phreatische) (engl. unconfined) Aquifer:

Oberster Aquifer, der nach oben durch den Wasserspiegel abgegrenzt ist; daher ist die

Spiegelstandrohrhöhen gleich dem Wasserspiegel.

2) Gespannter (artesischer) (engl. confined) Aquifer:

Aquifer, der zwischen zwei mehr oder weniger undurchlässigen Schichten (Aquitard

oder Aquiclude “gesandwicht” ist. Die Spiegelstandrohrhöhe liegt über der oberen

Deckschicht und im Fall eines artesischen Aquifers sogar über der Erdoberfläche. Für

den Fall, daß die obere Deckschicht zum ungespannten Aquifer relativ durchlässig ist,

spricht man auch von einem halbgespannten Aquifer.

Beispiele: Pariser Becken ( mit ursprünglicher Sprunghöhe von 33 m über EO) und

Dakota Aquifer System (Abb. 3.4-3.6). Durch langjähriges Überpumpen liegt die

Spiegel standrohrhöhe allerdings heute unter EO. Geologisch entstehen artesische

Aquifer-Systeme vornehmlich in topographischen Senken, insbesondere wenn sich

durch Ablagerungen oder tektonische Verwerfungen noch impermeable Deckschichten

über dem GWL ausbilden (s. Abb. 3.6)

3) Leckender (leaking) Aquifer:

Ungespannter oder gespannter Aquifer, dessen Deck- oder Bodenschicht relativ

durchlässig ist. Die meisten Aquifere sind immer etwas leckend.

4) schwebender (engl. perched) Aquifer:

Diese sind oft Ursache von zeitweiligen Quellen im Mittelgebirge nach starken

Niederschlägen und bezeichnen eine Ansammlung von Grundwasser über einer

wasserundurchlässigen Schicht oberhalb eines Haupt-Aquifers.

5) Aquitard oder Aquiclude: Wasserundurchlässige oder wenig-durchlässige Schicht, die

Aquifere voneinander abgrenzt.

6) Aquifuge: Grundwassernichtleiter

Bedeutung des Aquifers als:

1) Wasser-Quelle (Problematik des Yields (Ergiebigkeit), s. Kap. 1.3.1.1)

2) Wasserspeicher

3) Wasserleiter

4) Filter

5) Kontrollfunktion für Basisabfluß von Fließgewässern

3.5

Abb. 3.4: Typisches artesisches Aquifer-System (Pariser Becken) ( Mattheß und Ubell, 1983)

Abb. 3.5: Lageplan des Dakota- artesischen Aquifer-Systems ( Mattheß und Ubell, 1983)

Abb. 3.5: Das Dakota- artesische Aquifer-Systems ( Mattheß und Ubell, 1983)

3.6

Abb. 3.6: Zur geologische Ausbildung von artesischen Aquiferen

( Mattheß und Ubell, 1983)

Abb. 3.7: Ausbildung eines artesischen Aquiferen im Permafrost ( Mattheß und Ubell, 1983)

3.7

3.2.2.2 Geologische Klassifikation

Ausgangspunkt der geologischen Klassifikation von Aquiferen ist die Art der Poren, die sich

in unterschiedlichen Gesteinen ausbilden können. Dementsprechend unterscheidet man folgende

Aquifertypen (Abb. 3.8):

(1) Poren- oder Lockergesteins- Aquifere, in Sedimentgesteinen wo die Porenräume

aufgrund der Agglomeration von diskreten Mineral-Körnern entstanden sind

(z.B. fluviale Sandaquifere), die u.U. aufgrund vom lithostatischen Druck und

erhöhter Temperatur sich noch zu einem festerem Gestein (z.B. Sandstein)

konsolidieren können (sogenannte Diagenese). Grundsätzlich sind solche

Sediment-Formationen gute Aquifere.

Beispiele: Fluviale Terrassen Aquifer

(2)Kluftwasser Aquifer in Feuer- und metamorphen Gesteinen haben inherent fast keine

Porosität, jedoch können Poren im beträchtlichen Maße in Form von

tektonischen Rissen und Klüften auftreten, so daß die Gesamtporosität solcher

Aquifere, besonders wenn das Gestein noch verwittert ist (Schiefer), bis auf 0,5

anwachsen kann. Trotzdem ist die Menge an beweglichem Wasser (d.h. die

Ergiebigkeit des Aquifer) i.a. gering, es sei denn, die Klüfte bilden ein

zusammenhängendes Netz. Insbesondere können Basalt- Aquifer mit relativ

hoher Kluft-Porosität z. T. sehr ergiebig sein.

Beispiele: Vogelsberg- Basalt Aquifer

(3) Karst-Aquifer in Kalkstein Formationen, wo die Poren mehr längliche Röhren

und Kanäle bilden, die durch Lösung des Kalksteins durch das i.a. saure

Grundwasser entstanden sind. Im Extremfall entstehen km-lange große

unterirdischen Höhlen und Gänge, wo das Wasser wie in einem Gerinne strömt

und wo die unten vorgestellten Modellvorstellungen bzgl. der Fluiddynamik ihre

Gültigkeit verlieren. Karst-Aquifere sind die ergiebigsten Aquifere

Beispiele: Florida, Schwäbische Alb.

3.8

Abb. 3.8: Mögliche Arten von Gesteinsporen in verschieden Gesteinen und die damit

definierten Aquifer-Typen (Matheß und Ubell, 1983)

Die Poren oder Hohlräume im Gestein lassen sich nach Abb. 3.8 aufteilen in

Primäre Hohlräume:

- Haufwerksporigkeit verfestigter und unverfestigter Sedimente

- Primäre Hohlräume durch Einschlüsse bei der Entstehung chemischer und biogener

Einflüsse

- Primäre Hohlräume durch Gasaustausch aus dem Magma bei der Eruption

Sekundäre Hohlräume:

- Klüfte, Spalten und Schichtflächen

- Hohlräume in Zerrüttungs- und Bruchzonen

- Lösungshohlräume durch: * Auflösung wasserlöslicher Minerale

* chemische Verwitterung einzelner Gesteine

- Sekundäre Hohlräume durch Organismen und Kristallisationssprengungen

3.9

Unterscheidung wasserführender Bodenschichten nach ihrem geologischen Aufbau:

Poren-GWL Karst-GWL Kluft-GWL

Hohlräume

mittlere Fließ-

geschwindigkeiten

Speichervermögen

Temperatur

innere Oberfläche

Filterwirkung

Porenraum

niedrig

gut

konstant

sehr groß

gut

Karstspalten

hoch

gering

schwankend

klein

schlecht

Klüfte

je nach Art u. Flächen-

anteile der Klüfte

gering

wenig schwankend

klein

mittel

3.3 Aquifer- Oberflächengewässer Wechselwirkungen

3.3.1 Grundwasseraustritte (Quellen)

Abb. 3.9: Zur Entstehung von Grundwasseraustritte (Quellen) ( Mattheß und Ubell, 1983)

3.10

Grundwasseraustritte (Quellen) entstehen grundsätzlich dort wo der Grundwasserspiegel zur

Erdoberfläche ausstreicht. Die Klassifizierung der Quellen geschieht nach

a) geologischer Struktur:

1) Schichtquellen entstehen an der Ausbißstelle der Grenze von GWL und Nicht-GWL meistens

an Hanglagen (Abb. 3.9). Sie sind sehr häufig anzutreffen im Bundsandstein (GWL), der

oft entweder über dem magmatischen Kristallin (Nicht-GWL) (wie im Schwarzwald)

oder über Schiefer (im mittleren Deutschland) liegt, aber auch im Jura.

Beispiele: Baden- Badener Quellen, Karstquellen in Florida mit maximaler Schüttung

von Q= 24 m3/sec

2) Überfallquellen entstehen ähnlich wie Schichtquellen, jedoch in geologischen Mulden und

Trögen wenn Nicht-GWL über einem GWL anliegt..

Beispiele: Vaucluse Quelle in Frankreich mit mittleren Q = 29 m3/sec; Karstquellen die

für die Wiener Wasserversorgung genutzt werden.

3) Stauquellen entstehen, wenn sich infolge von tektonische Verwerfungen ein Nicht-GWL über

einen GWL schiebt und sich an der Verwerfungsflächen größere, fast vertikale Klüfte

ausbilden, in denen das Grundwasser an die Erdoberfläche aufsteigen kann.

Beispiele: Paderquellen (Abb. 3.10)

4) Schuttquellen sind kleine, nicht-direkt sichtbare Quellen, die am Fuße von Bergsturzmassen

unter dem hochpermeablen Geröll, das sich über der geringdurchlässigen Gebirgsschicht

abgelagert hat, entstehen.

b) Schüttung

Bei der Schüttungseinteilung werden 8 Klassen unterschieden, wobei die 1. Klasse nach

Meinzer (1925) Schüttungsraten Q > 2,83 m3/sec und die 8. Klasse Q < 7,9 ml /sec beinhaltet.

Da die Schüttung der Quellen je nach Jahreszeit extrem schwanken, wird zwischen maximaler

und mittlerer Schüttung unterschieden. Die ergiebigsten Quellen treten in Kalksteinaquiferen

auf (sogenannte Karstquellen), obwohl auch große Quellen in Wechselschichten von Kies und

vulkanitischen Gesteinen entstehen (z.B. Quellen am Snake-River in Idaho).

3.11

Abb. 3.10: Die Paderquelle als Beispiel einer Stauquelle ( Mattheß und Ubell, 1983)

Beispiele von großen Quellen (in diesem Falle Karstquellen)

1) die Syrische Quellgruppe mit mittleren Q = 38,7 m3/sec,

2) die Silver Springs Quelle in Florida mit maximalen Q = 23,28 m3/sec

3) die Vaucluse Quelle in Süd-Frankreich mit mittleren Q = 29 m3/sec

c) dem Quellmechanismus:

Hier unterscheidet man vorwiegend

1) Absteigende Quellen: Das Wasser fließt mit freiem Spiegel dem Austrittspunkt zu.

2) Aufsteigende Quellen durch:

a) Aufsteigen des Grundwassers durch gespannte Verhältnisse

b) Aufsteigen durch auftreibende Gase (Wasserdampf, Luft, und insbesondere

CO2 ) Aufgrund des geringeren hydrostatische Druckes beim Aufsteigen werdn

die gelösten Gases zum Teil freigesetzt (==> sprudelnde Wässer, Säuerlinge)

Beispiele: Thermalquellen und als Extremfall Geysire, die in unterschiedlichem

Intervall-Zeiträumen eruptieren (Für den Old Faithful im Yellowstone Park

liegt die durchschnittliche Eruptions-Periode zwischen 38 und 81 Minuten)

3.12

3.3.2 Aquifer-Fluß Wechselwirkungen

Sohlen von natürlichen Flüssen sind ebenfalls Ein-oder Austrittstellen von Grundwässern. Im

ersten Fall spricht von einem effluenten und im letzten Fall von einem influenten Fluß

(s. Abb. 3.11).

In den gemäßigten Klimazonen mit genügend Niederschlägen sind die Flüsse die meiste Zeit

effluent, d.h. sie werden vom Grundwasser gespeist, was voraussetzt, daß der

Grundwasserspiegel höher als der Flußpegel liegt. Nur bei kurzen Hochwasserspitzen kann es

zum Umkehren des hydraulischen Gradienten kommen, so daß der Fluss Wasser in den Aquifer

einspeist (Abb. 3.12) und dadurch influent wird. Unter Umständen besteht dann auch die Gefahr

der Grundwasserverschmutzung, falls das Flußwasser anthropogen vorbelastet ist. Eine

diesbezügliche Untersuchung wurde z. B. vom Autor für einen Industriefluß in Florida, der

durch Einleitungen der Abwässer eines Zellstoffwerkes verschmutzt war, durchgeführt.

Permanente influente Verhältnisse herrschen auch in ariden Zonen, wo die Flußbette häufig

total austrocken. Während kurzer Starkregen füllen sich diese Wadi schnell mit Wasser, daß

dann in den Boden infiltriert und den ausgetrockenen Aquifer speist. Die quantitative

Beschreibung dieses influenten Infiltrationsvorganges ist von Bedeutung für das Verständnis

der Grundwasserneubildung in diesen mit natürlichen Wasserressourcen wenig gesegneten

Gebieten

3.13

Abb. 3.11 Aquifer-Fluß Wechselwirkungen. Oben: Effluenter Fluß; unten: Influenter Fluß

(Fetter, 1994)

Abb. 3.12: Influent-werden eines normalerweise effluenten Flußes während einer Hochwasser

spitze (Fetter, 1994)