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28.10.2014 Strömungsmodellierung

Spezielle Hydrogeologie I Wintersemester 2014 / 2015

dienstags: Strömungsmodellierung

freitags: physiko-chemische Aspekte des

Stofftransportes

Prof. Sabine Attinger, Prof. Kai-Uwe Totsche

Friedrich-Schiller-Universität Jena


Der globale Wasserkreislauf

Reservoire (blaue Ziffern) in 1.000 km³, Flüsse (schwarze Ziffern) in 1.000 km³/Jahr


Süßwasserressourcen

Seen

0.06%

Bodenfeuchte

0.035%

Eiskappen

und Gletscher

68,7%

Grundwasser

30,1%

Oberflächen-

wasser

0,12%

Biota

0,005%

Flüsse

0,005%

Atmosphärischer

Wasserdampf

0,015%


Evaporation/Transpiration

Evaporation

Fluß

Infiltration

GW-Pegel Infiltration

Ungespannter Aquifer

Gespannter Aquifer

See

Pumpbrunnen

Artesischer Brunnen

Oberflächenabfluß

Niederschlag

Neubildungsgebiet

Aquifer

schlecht leitfähiges Material durchlässige Gesteinsschicht

Grundwasser

Fig. 15-3 p. 308


Grundwasserprobleme

Grundwasserübernutzung und

Grundwasserspiegelabsenkungen

Versalzung von Grundwasser

Verschmutzung von Grundwasser durch

Kontaminationen


Wassernutzung

• Weltweite Nutzung: jährlich werden ca. 4500 km³ Süßwasser aus

Aquiferen, Seen und Flüssen entnommen

• Verwendung: 70 % für die Bewässerung in der Landwirtschaft, 25 %

in der Industrie und zu 5 % im Haushalt als Brauch- und Trinkwasser

• Grundwasser hat daran einen Anteil von etwa einem Viertel.

• Weitere 2400 km³ aus Oberflächengewässern nutzt man direkt vor

allem zum Verdünnen und zum Abtransport von Abwässern, für den

Erhalt der flussnahen Flora und Fauna, sowie um die Schifffahrt über

Kanäle und Flüsse während Trockenperioden aufrechtzuerhalten.

• Die Gesamtmenge entspricht fast 8.000 km³ pro Jahr.


Grundwassernutzung

Frage:

Ist dann nicht genügend Wasser für alle

Menschen auf der Welt vorhanden?

Diskutieren Sie in Kleingruppen diese Frage!


Lokale

Grundwasserabsenkungen

Definition: Unter der Grundwasserabsenkung versteht man eine

gewollte oder ungewollte Absenkung des Grundwasserspiegels.

Ursachen: Die Grundwasserabsenkung kann natürliche Ursachen haben

(z.B. Erdbeben). Für die meisten Grundwasserspiegeländerungen ist aber

der Mensch verantwortlich.

Arten (beabsichtigt / unbeabsichtigt): Grundwasserabsenkungen

können gewollt im Rahmen von Tagebergbau, Bauarbeiten und in der

Landwirtschaft durch Drainagesysteme auftreten.

Aber auch ungewollte durch Regulierung von fließenden Gewässern,

Tiefbauarbeiten und Trinkwassergewinnung.



Frage:

Welche Folgen kann eine

Grundwasserspiegelabsenkung haben?



Grundwasserprobleme

Aufgabe:

Skizzieren Sie die Grundwasserprobleme, die

Sie gerade diskutiert haben, in einer

schematischen Skizze (wie in Folie 4).

Gehen Sie dafür wieder in Ihre Kleingruppen!


Grundwasserprobleme

Frage:

Was müssen wir wissen, um

Grundwasserprobleme quantitativ zu

beschreiben?

Warum brauchen wir Modelle?

Bitte diskutieren Sie wieder in Kleingruppen!


Grundwassernutzung

Frage: Ist dann nicht genügend Wasser für alle Menschen auf

der Welt vorhanden?

Mögliche Antworten:

Wasser ist nicht in allen Regionen der Erde gleich vorhanden (z.B. aride

Gebiete)

Wasserqualität ist global nicht überall gleich gut: z.B. Bangladesch: sehr

hohe natürliche GW-Arsen-Belastung, die geogen bedingt ist

Wassernutzer (Bevölkerungsdichte) sind global nicht gleichverteilt (z.B.

Megastädte in Afrika)

Wasser in Flüssen und Seen ist zeitlich nicht homogen verteilt vorhanden

(daher Stauseen, Nutzung von GW-Speicher)


Grundwassernutzung

Nachhaltige Wassernutzung:

Nutzung von erneuerbaren Wasser-Ressourcen

max. Nutzung eines Bruchteils der Flußwassermenge, die jährlich in

Flüssen abfliesst (Gewährleistung der ökologischen Funktionen)

max. Nutzung der GW-Wassermenge, die jährlich neugebildet wird

(Erhalt des GW-Speichers).

max. Nutzung der erneuerbaren Wassermenge in Stauseen



Frage: Welche Folgen kann eine

Grundwasserspiegelabsenkung haben?


langfristiger Wassermangel für Pflanzen → welken & sterben ab; kann zu

großflächigen Dürreschäden führen

Tieren fehlt Nahrungsgrundlage

Gefährdung von Ökosystemen wie z.B. Feuchtgebieten

bei langfristiger Grundwasserspiegelabsenkung können sich Gebiete

absenken → hat Auswirkungen auf die umliegende Bevölkerung &

Bausubstanz


Versalzung von

Grundwasser in küstennahen Regionen: Aufgrund des Dichteunterschieds

zwischen Süß- und Meerwasser bildet sich an der Aquifer-Sohle stets ein Salzwasserkeil aus, der im Allgemeinen vom ablandigen Abfluss zurückgedrängt wird.

auf Meeresinseln: Durch Regen bilden sich flache Süßwasserlinsen, die auf dem Salzwasser schwimmen.

in küstenfernen Regionen: Sole (Salzlauge) kann in tieferliegenden geologischen Gesteinsschichten vorkommen, wie zum Beispiel im Zechstein in den europäischen Sedimentbecken.


Versalzung von

Grundwasser

Frage:

Warum ist Versalzung ein Problem? Und durch welche Eingriffe in den Wasserhaushalt kann

Versalzung von Grundwasser verstärkt werden?


28.10.2014


Versalzung von

Grundwasser Frage: Warum ist Versalzung ein Problem? Und durch welche Eingriffe in den

Wasserhaushalt kann Versalzung von Grundwasser verstärkt werden?


Versalzung ist ein Problem, weil jeder Organismus eine bestimmte Toleranzschwelle bei der Salzverträglichkeit hat

natürliche Versalzung: z.B. in küstennahen Gebieten

anthropogen bedingte Versalzung durch:

- flächige Versalzung:

• Wasserentnahme, z.B. Aralsee

• künstliche Flutungen in Tagebauen (Salze werden ausgewaschen)

• Düngung in der Landwirtschaft (Pflanzen verdunsten Salz nicht; reichert sich an)

• Streusalzverwendung im Winter

- lokale Versalzung: Bohrungen: dadurch entstehen Risse im Gestein und Salze werden

freigesetzt

28.10.2014


Grundwasserverschmutzungen

Grundwasserverschmutzung ist ein Teilaspekt der Umweltverschmutzung und stellt ein ernstzunehmendes Problem dar.

Ursachen können sein:

• die wasserlöslichen oder flüssigen Bestandteile illegal deponierter Abfälle aus privaten Haushalten, Industrie und Gewerbe

• Abwasser aus undichten Kanalisationsrohren

• übermäßiges Düngen von Feldern mit Mist und Gülle hauptsächlich aus der Massentierhaltung

• in Industrie oder Gewerbebetrieben absichtlich oder unabsichtlich freigesetzte Schadstoffe (z. B. durch unentdeckte Leitungsleckagen, fahrlässiges Verhalten von Betriebsangehörigen, Betriebsunfälle, in früheren Zeiten auch aufgrund fehlenden Problembewusstseins)


Grundwasserverschmutzung

Frage:

Was können die Folgen einer Grundwasserverschmutzung sein?



Grundwasserverschmutzung

Frage: Was können die Folgen einer Grundwasserverschmutzung sein?

Mögliche Antworten: Unterscheidung zwischen flächiger / diffuser und lokaler Verschmutzung

Problem: Verschmutzung wird durch Grundwasser weitertransportiert und bleibt nicht stationär (Transport im Grundwasser: etwa 1m / Tag) !

Trinkwasserschutzgebiete können erreicht werden

Terrestrische Systeme werden beeinträchtigt:

- Pflanzen können geschädigt werden und absterben

- landwirtschaftliche Erträge gehen zurück

Atmosphäre wird über Verdunstung erreicht

Anreicherung der Kontaminationen in der Nahrungskette über aquatische Systeme

Deshalb ist eine Prognose / Vorhersage der Ausbreitung von Kontaminationen wichtig!

28.10.2014


Grundwasserprobleme

Aufgabe:

Skizzieren Sie die Grundwasserprobleme, die

Sie gerade diskutiert haben, in einer

schematischen Skizze (wie in Folie 4).

Gehen Sie dafür wieder in Ihre Kleingruppen!


Grundwasserprobleme

Frage:

Was müssen wir wissen, um

Grundwasserprobleme quantitativ zu

beschreiben?

Warum brauchen wir Modelle?

Bitte diskutieren Sie wieder in Kleingruppen!


Mögliche Fragestellungen

Wo kommt das Grundwasser her?

Fließt das Grundwasser? Und warum?

Wovon hängt Fließgeschwindigkeit ab?

Wo fließt das Grundwasser hin?

Gibt es menschliche Eingriffe, die wir

berücksichtigen müssen?

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