Grundwasserversalzung

Präsentation zum Thema: "Grundwasserversalzung"—  Präsentation transkript:

1 Grundwasserversalzung
in Deutschland Von: Yuriy Rogalski

2 Gliederung Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie
Prof. Dr. rer. nat. Manfred Koch Gliederung Versalzung & ihre Folgen für die Landwirtschaft Ursachen der Grundwasserversalzung in Deutschland - Meerwasserintrusion in Küstenbereichen - Salzstockablaugung - Tiefenwasseraufstieg - Anthropogene Quellen Geogene Grundwasserversalzung in Deutschland Schlussbetrachtung

3 1. Versalzung & ihre Folgen für die Landwirtschaft
Unter Versalzung versteht man die Anreicherung von wasserlöslichen Salzen in Böden oder Bodenhorizonten -Salzzufuhr durch Niederschläge (Tagwasserversalzung) -Salzzufuhr aus dem Grundwasser -künstliche Versalzung durch Düngung, Bewässerung etc. Die wichtigsten im Boden vertretenen Salze -𝑁𝑎𝐶𝑙, 𝑁𝑎 2 𝐶𝑂 3 ,𝐶𝑎 𝐶𝑙 2 , 𝑁𝑖𝑡𝑟𝑎𝑡𝑒 𝑢𝑛𝑑 𝐵𝑜𝑟𝑎𝑡𝑒 Salze stabilisieren das Bodengefüge Erhöhte Salzgehalte beeinflussen aber das Pflanzenwachstum & können toxisch wirken Vor allem beschränken Salze die Wassernutzung Unter Versalzung versteht man die Anreicherung von wasserlöslichen Salzen in Böden oder Bodenhorizonten. Grundsätzlich kann der Salzeintrag dabei über den im Niederschlag gelösten Salz, der meist aus dem Meer stammt, erfolgen. Salze können aber auch über das Grundwasser in den Boden gelangen. oder vom Menschen verursacht sein wie z.B. durch Düngung, Bewässerung Die wichtigsten im Boden vertretenen Salze sind Natriumchlorid (NaCl), Natriumsulfat (Na2SO4), Natriumcarbonat (Na2CO3), Calciumcholrid (CaCl2), sowie Nitrate und Borate. Salze stabilisieren vor allem das Bodengefüge bei Austrocknung. Die pH-Werte salzhaltiger Böden schwanken, je nach Bodenzusammensetzung, zwischen schwach sauer (bei hohem Gipsgehalt) bis stark alkalisch (bei hohem Sodagehalt). Erhöhte Salzgehalte beeinflussen den Pflanzenwuchs, da sie das osmotische Potenzial des Bodenwassers erhöhen und dadurch die Wasseraufnahme erschweren. Eine zu hohe Konzentration gelöster Salze im Boden kann auf salzempfindliche Pflanzen eine toxische Wirkung haben. Salz ist aber weltweit der wichtigste Stoff, der die Nutzung von Wasser einschränkt. Man kann Salz also als den wichtigsten Schadstoff im Wasser bezeichnen.

4 Abb. : Natürliche Grundwasserversalzungsvorgänge in Lockergestein
2. Ursachen der Grundwasserversalzung in DE Meerwasserintrusion in Küstenbereichen Ablaugungsprozesse in der Umgebung von Salzstrukturen Tiefenwasseraufstieg Anthropogene Quellen Grundsätzlich lassen sich als Ursachen der Versalzung von Grundwasservorkommen in Deutschland geogene Quellen wie So werden die Grundwasservorkommen im Wesentlichen durch geogene Quellen versalzt - Meerwasserintrusion in Küstenbereichen, - Ablaugungsprozesse in der Umgebung von Salzstrukturen, - Tiefenwasseraufstieg und - künstliche Versalzung durch Düngung, Bewässerung oder Streusalz unterscheiden. Natürliche Grundwasserversalzungsvorgänge in Lockergestein Abb. : Natürliche Grundwasserversalzungsvorgänge in Lockergestein

5 2. Ursachen der Grundwasserversalzung in DE
2.1 Meerwasserintrusion Vorgang spielt sich wegen des Dichteunterschieds von Salz- und Süßwasser an fast allen Küsten an, die an das Meerwasser angrenzen. Seit langem ist die Versalzung küstennaher Grundwasservorkommen von See her bekannt. Dieser Vorgang spielt sich wegen des Dichteunterschieds von Salz- und Süßwasser auf natürliche Weise an fast allen Küsten ab, die an das Meerwasser angrenzen und kann sich bis in größere Entfernungen vom Küstensaum erstrecken. Erste Modellvorstellungen zur Berechnung der Salz-/Süßwassergrenze in küstennahen Grundwasserleitern wurden dazu von Ghijben (1888/89) und Herzberg(1901) entwickelt. Diese analytische Lösung, die auf der Annahme eines hydrostatischen Gleichgewichtes zwischen dem nicht gemischten Salz- und Süßwasser basiert, erlaubt es eine möglichst gut angenäherte Beschreibung des Verhaltens von intrudierendem Salzwasser aufzustellen. Form und Reichweite der intrudierenden Wässer und folglich die Lage der Salz-/Süßwassergrenzfläche werden hier durch die Morphologie, die geologischen Verhältnisse, die Grundwasserneubildung und die Menge des binnenländischen Grundwasserstroms zur Küste maßgeblich beeinflusst.

6 2. Ursachen der Grundwasserversalzung in DE
2.1 Meerwasserintrusion Auswirkungen auf das Trinkwasser Die Entnahme von Süßwasser aus dem Aquifer stört das hydrostatisch Gleichgewicht dadurch, dass der Druck des Süßwassers verringert wird, so dass Salzwasser landwärts vordringt. Dies kann dazu führen, dass das Salzwasser die Entnahmestellen erreicht, so dass diese Brackwasser fördern und für Trinkwasser- oder Bewässerungszwecke nicht mehr brauchbar sind. Zahlreiche Küstenorte davon betroffen (Norddeutsche Tiefebene) Auswirkungen auf das Trinkwasser Die Entnahme von Süßwasser aus dem Aquifer stört das hydrostatisch Gleichgewicht dadurch, dass der Druck des Süßwassers verringert wird, so dass Salzwasser landwärts vordringt. Geschieht dies in der Nähe einer Meeresküste, so wird der unterirdische Zufluss von Wasser aus dem Meer möglich, und das Grundwasser wird mit Salzwasser verunreinigt. Das Salz- und Süßwasser vermischen sich durch Diffusion und Dispersion. Dies kann dazu führen, dass das Salzwasser die Entnahmestellen erreicht, so dass diese Brackwasser fördern und für Trinkwasser- oder Bewässerungszwecke nicht mehr brauchbar sind. Dieser Vorgang spielt sich heute in zahlreichen Küstenorten ab, in Deutschland vorwiegend in der Norddeutschen Tiefebene.

7 2. Ursachen der Grundwasserversalzung in DE
2.2 Salzstockablaugung Im Binnenland auftretende Grundwasserversalzungen können auf Ablaugungsprozesse an hoch liegenden Salzstrukturen im Untergrund zurückgeführt werden. Ablagerungen aus dem Paläozoikum (Erdaltertum) und dem Mesozoikum (Erdmittelalter). Als potenzielle Salzquellen kommen insbesondere mächtige Salzvorkommen des Zechsteins in Deutschland in Frage. Im Binnenland auftretende Grundwasserversalzungen können auf Ablaugungsprozesse an hoch liegenden Salzstrukturen im Untergrund zurückgeführt werden. Diese gehen auf Ablagerungen aus dem Paläozoikum (Erdaltertum) und dem Mesozoikum (Erdmittelalter) zurück. Als potenzielle Salzquellen kommen insbesondere mächtige Salzvorkommen des Zechsteins in Deutschland in Frage. Diese sind Ablagerungen eines flachen Meeresbeckens, das ehemals weite Teile Mitteleuropas bedeckte. In dem damaligen trockenen und heißen Klima verdunstete das Meerwasser allmählich, und die im Wasser gelösten Stoffe reicherten sich an. Mit zunehmender Verdunstung fielen zuerst die schwer löslichen Karbonate und Sulfate, anschließend das Steinsalz und zuletzt die leichter löslichen Kali- und Magnesiumsalze aus (Scharf 1993). Im Laufe der Erdgeschichte wurden die Salzschichten durch hohe Deckschichten überlagert, und aufgrund der Erhöhung von Druck und Temperatur wurden die Evaporite (Eindampfungsgesteine) plastisch.

8 2. Ursachen der Grundwasserversalzung in DE
2.2 Salzstockablaugung Das Salz konnte aber die überlagernden Schichten durchbrechen und entlang von Störungszonen aufsteigen. Auf diese Weise gelangten die Salzstrukturen in den Wirkungsbereich oberflächennaher Grundwässer und unterliegen bis heute der allmählichen Ablaugung. Dies führt dazu, dass in der Nähe dieser Salzstöcke teilweise Süßwasser von Salzwasser überschichtet wird. Die Salzkonzentration in der Umgebung von hoch aufragenden Salzstöcken kann dabei bereits in einer Tiefe von 200 bis 300 m unter Gelände bei über dem Trinkwassergrenzwert von 250 g/L liegen. Das bedeutet, dass in diesem Fall der Salzgehalt des Grundwassers bereits in mäßiger Tiefe höher konzentriert ist als im Meerwasser. Im direkten Kontaktbereich mit den Salzstöcken können sich sogar Gehalte bis zur Sättigung einstellen. Durch diese Ablaugungsvorgänge kann das Grundwasserdargebot in seiner Nutzbarkeit infolgedessen erheblich geschmälert werden. Abb. : Versalzung des Grundwassers infolge Ablaugung in Schleswig - Holstein

9 2. Ursachen der Grundwasserversalzung in DE
2.3 Tiefenwasseraufstieg Wässer aus tiefen Grundwasserstockwerken, die nicht oder nur eingeschränkt am Wasserkreislauf teilnehmen. Aufgrund der in größeren Tiefen auftretenden sehr kleinen hydraulischen Gradienten sind Tiefenwässer oftmals durch langsame Zirkulation und lange Verweilzeiten gekennzeichnet Oftmals im Porenraum eingeschlossenes, fossiles Meerwasser als auch ursprünglich aus Niederschlagsinfiltration gespeiste Grundwasservorkommen Flächenhafte Erscheinung z.B. in Lockergesteinen Norddeutschlands Eine weitere Ursache für binnenländische Versalzungen stellt der Aufstieg von Tiefenwässern dar. Dabei handelt es sich um Wässer aus tiefen Grundwasserstockwerken, die nicht oder nur eingeschränkt am Wasserkreislauf teilnehmen. Ab einer Tiefe von einigen hundert Metern sind alle Grundwässer versalzt. Aufgrund der in größeren Tiefen auftretenden sehr kleinen hydraulischen Gradienten sind Tiefenwässer oftmals durch langsame Zirkulation und lange Verweilzeiten in der Größenordnung von mehreren Jahren gekennzeichnet. Die Zusammensetzung der Tiefenwässer ist heterogen, und sie sind räumlich unterschiedlich verteilt, da sie nicht das Resultat eines einheitlichen Entstehungsprozesses sind. Es kann sich sowohl um im Porenraum eingeschlossenes, fossiles Meerwasser als auch um ursprünglich aus Niederschlagsinfiltration gespeiste Grundwasservorkommen handeln. Die Grundwasserversalzung durch Tiefenwässer ist häufig eine flächenhafte Erscheinung, beispielsweise in den Lockergesteinen Norddeutschlands. Durch den Aufstieg und eine Zumischung von Tiefenwässern in Süßwässer in wasserwirtschaftlich genutzten Grundwasserleitern besitzen diese eine besondere Relevanz für die Wasserversorgung.

10 2. Ursachen der Grundwasserversalzung in DE
2.4 Anthropogene Quellen Neben geogenen Grundwasserversalzungen kommt vielerorts auch anthropogen verstärkten bzw. hervorgerufenen Salzkonzentrationen eine große Bedeutung zu. Als Quellen anthropogen erhöhter Salzgehalte im Grundwasser kommen u.a. in Betracht: - Deponien - Verrieselung von Abwässern und defekten Abwasseranlagen - Uferfiltration von Salzwasser belasteten Vorfluter - Streusalz auf den Straßen - Oxidation von künstlich entwässerten Torf- und Kohlevorkommen Neben geogenen Grundwasserversalzungen kommt vielerorts auch anthropogen verstärkten bzw. hervorgerufenen Salzkonzentrationen eine große Bedeutung zu. Als Quellen anthropogen erhöhter Salzgehalte im Grundwasser kommen u.a. in Betracht: Altstandorte und Altablagerungen so können z.B. in Deponien Salze in Grundwasser eingetragen werden. Des Weiteren können Salze ins Grundwasser gelangen durch: Verrieselung von Abwässern und defekten Abwasseranlagen Uferfiltration von Salzwasser belasteten Vorfluter Streusalzeinsatz auf den Straßen Oxidation von künstlich entwässerten Torf- und Kohlevorkommen Die anthropogenen Ursachen haben unterschiedliche Wirkungen auf das Ausmaß und die räumliche Verteilung der Salzkonzentrationen. Je nach Menge, Art und Dauer des Direkteintrages können die Salzgehalte im Grundwasser stark variieren. So lassen sich in vielen Stadtgebieten in Deutschland erhöhte Salzgehalte in flachen Grundwasserleitern auf den Einsatz von Streusalz in den Wintermonaten zurückführen. Dabei ist ein eindeutiger Zusammenhang zwischen den höher mineralisierten Bereichen und den Hauptrouten der Streufahrzeuge in Stadtgebieten festzustellen.

11 3. Geogene Grundwasserversalzung in Deutschland
3.1 Salzwasservorkommen in Deutschland In einiger Tiefe unter der Oberfläche kommen stets salzhaltige Wässer vor Norddeutsche Tiefebene von stark bis hoch konzentrierten Salzwässern erfüllt. Buntsandstein in Mittel- und Süddeutschland enthält unter dem Niveau des Vorfluters auch fast ausnahmslos Salzwässer. Keuper-Sandsteine Süddeutschlands enthalten vorwiegend Natrium-Sulfat, aber auch NaCl-Wässer Die einzige bundesweite Dokumentation von Versalzungszonen des oberflächennahen Grundwassers findet sich im Hydrologischen Atlas des BMU, die wir hier sehen können Ein umfassender Überblick über die regionalen Verteilung der Salzwasservorkommen in Deutschland hat anhand einer Vielzahl an Bohrungen gezeigt, dass in einiger Tiefe unter der Oberfläche stets salzhaltige Wässer vorkommen. So ist der Untergrund der Norddeutschen Tiefebene wie wir gleich sehen werden durchgehend von stark bis hoch konzentrierten Salzwässern erfüllt. Der Buntsandstein in Mittel- und Süddeutschland enthält unter dem Niveau des Vorfluters auch fast ausnahmslos Salzwässer und die Keuper-Sandsteine Süddeutschlands enthalten vorwiegend Natrium-Sulfat-, aber auch Natrium-Chlorid-Wässer. Ebenso trifft man im Oberrhein-Graben mit tieferen Bohrungen stets Salzwässer an und solche Wässer sind auch in den alpinen Vortiefen oder Innenbecken nicht selten. Für die Salzwasservorkommen in oberflächennahen Grundwassersystemen ist allerdings eine differenzierte Betrachtungsweise notwendig. Da ich in der Kürze der Zeit nicht detailliert darauf eingehen kann, soll ein Beispiel die überregionale Problematik der Grundwasserversalzung verdeutlichen.

12 3. Geogene Grundwasserversalzung in Deutschland
3.2 Norddeutsche Tiefebene Küstenversalzungen an der Nordsee 20 km breiter Küstenstreifen von Meerwasserintrusion betroffen Versalzungszonen in Flussniederungen Binnenländische Versalzungen nur in bestimmten Gebieten Norddeutschlands konzentriert Dutzende Salzstöcke, deren Oberkanten weniger als 400m unter dem Gelände liegen, versalzen die Grundwasserleiter Hier sehen wir nun, zugegebenermaßen etwas unscharf, eine Übersicht zur geogenen Grundwasserversalzung in genutzten Grundwasserleitern der Norddeutschen Tiefebene, dem größten zusammenhängenden Gebiet mit reichen Grundwasservorkommen in Deutschland. Die Kartendarstellung zeigt die relativ großflächige Verbreitung der geogenen Versalzungen sowie von geogener Grundwasserversalzung betroffene öffentliche Wasserwerke. Küstenversalzungen treten hauptsächlich an der Nordsee, besonders ausgeprägt im Bereich der Flussmündungen von Elbe und Weser, auf. Ein bis zu 20 Kilometer breiter Küstenstreifen ins Landesinnere ist von der Meerwasserintrusion betroffen. (zeigen) Hauptursache für die großflächigen Versalzungen ist der allgemeine Meeresspiegelanstieg nach der letzten nordeuropäischen Vereisung. Nach dem Abschmelzen der skandinavischen Eismassen stieg der Nordseespiegel rasch an, wodurch auf breiter Front Salzwasser in die binnenländischen Grundwasserleiter drang. Außerdem wird die Meerwasserintrusion an der Nordsee durch die flache Morphologie, die Westwindvormacht und stärkere Sturmflutwirkung begünstigt (Grube et al. 2000). An der Ostseeküste besitzt die Küstenversalzung eine wesentlich geringere Ausdehnung. Ferner hat der durchschnittliche weltweite Salzgehalt des Meerwassers von 35‰ im Fall der Ostsee keine Gültigkeit. Die Ostsee zeigt von Westen nach Osten, d.h. mit wachsendem Abstand von den westlichen Zugängen zum Weltmeer, deutlich abnehmende Salzgehalte, z.B. in der Kieler Bucht 12 bis 15‰ und um Rügen mit 7 bis 9‰ . Die binnenländischen Versalzungen sind in bestimmten Gebieten Norddeutschlands konzentriert, wobei überregionale Zusammenhänge festzustellen sind. Da der Aufstieg von Salzwässern oftmals auch an Exfiltrationsbereiche gekoppelt ist, finden sich die Versalzungszonen entsprechend häufig in Flussniederungen (Urstromtäler der Elbe und Weser) und größeren morphologischen Depressionen. Dagegen sind Salzwasservorkommen in den oftmals hoch gelegenen Neubildungsgebieten seltener und die Salz-/Süßwassergrenze liegt in diesen Gebieten deutlich tiefer. Weitere entscheidende Ursache der geogenen Salzwasservorkommen sind die zahlreichen Salzstrukturen Norddeutschlands. Insgesamt sind in der Region mehrere Dutzend Salzstöcke vorhanden, deren Oberkanten weniger als 400 Meter unter Gelände liegen, und viele dieser Salzstöcke unterliegen ständigen Ablaugungsvorgängen. Beispielsweise ist im zentralen Elbe-Urstromtal der tiefere Grundwasserleiter aufgrund der Ablaugungen fast flächendeckend versalzen. Vor allem in den östlichen Bundesländern spielen die Begrenzungen hydraulisch flächenhaft wirksamer Trennhorizonte (z.B. Rupelton) für die Verbreitung des Salzwassers eine Rolle. In Bereichen mit reduzierten oder fehlenden Rupelton-Mächtigkeiten bzw. im nördlichen Ausbissbereich des Rupeltons sind Versalzungszonen feststellbar.

13 3. Geogene Grundwasserversalzung in Deutschland
3.2 Norddeutsche Tiefebene Eine quantitative Abschätzung für die von geogenen Versalzungen betroffenen Flächen in der Norddeutschen Tiefebene hat in diesem Zusammenhang folgende Ergebnisse hervorgebracht. Danach sind im gesamten Bilanzraum Flächen von etwa km² durch die Küstenversalzung und etwa km² bzw. 24,5% der gesamten Fläche des Bilanzgebietes durch binnenländische Versalzung betroffen. In diesem Zusammenhang, fand ich erstaunlich dass allein in Berlin 50 Salzwasseraufstiege bekannt sind.

14 4. Schlussbetrachtung Eine verlässliche Überwachung von Versalzungserscheinungen im Umfeld von Wasserfassungen und bekannten Salzwasseraufstiegsbereichen ist eine wichtige Voraussetzung, um im Sinne der Europäischen WRRL Schäden zu vermeiden und bereits eingetretene Schäden zu regulieren. Es sind Frühwarnmessstellen für die Beobachtung kritischer Bewegungen der Süß-/Salzwassergrenze sowie für hydrochemische Auswertungen sinnvoll zu positionieren und regelmäßig zu überwachen. Für optimale Bewirtschaftung werden in der Regel dreidimensionale Strömungs- und Transportmodelle eingesetzt, die im Bedarfsfall durch dichteabhängige Modellierungen ergänzt werden. Von einer nachhaltigen Wassernutzung kann daher nur gesprochen werden, wenn ein Vordringen von Süß-/Salzwassergrenzen ausgeschlossen werden kann. Eine verlässliche Überwachung von Versalzungserscheinungen im Umfeld von Wasserfassungen und bekannten Salzwasseraufstiegsbereichen ist eine wichtige Voraussetzung, um im Sinne der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie Schäden zu vermeiden und bereits eingetretene Schäden zu regulieren. Hierzu werden Messungen und Analysen in bzw. aus vorhandenen Messstellen und Brunnen sowie Pumpversuche durchgeführt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Anstieg der Salzkonzentration in Förderbrunnen einer sorgfältigen Beobachtung bedarf, da die Fließgeschwindigkeiten im Salzwasser im Verhältnis zum Süßwasser verhältnismäßig klein sind. Damit ist auch die Umkehrung, d.h. ein Zurückdrängen einer näher gerückten Versalzungsfront in übersehbaren Zeiträumen kaum möglich. Daher sind Frühwarnmessstellen für die Beobachtung kritischer Bewegungen der Süß-/Salzwassergrenze sowie für hydrochemische Auswertungen sinnvoll zu positionieren und regelmäßig zu überwachen. Numerische Grundwassermodelle können bei der Entwicklung von Entscheidungsgrundlagen für eine optimale Bewirtschaftung eine große Hilfe darstellen. Dabei werden in der Regel dreidimensionale Strömungs- und Transportmodelle eingesetzt, die im Bedarfsfall durch dichteabhängige Modellierungen ergänzt werden.

15 Quellen BGR (2010): Grundwasseranteil an der öffentlichen Wasserversorgung der Bundesländer in 2007. bgr.bund.de/nn_322854/DE/Themen/Wasser/grundwasser__gewin__tab.html BMU (Hrsg.) (2003): Hydrologischer Atlas von Deutschland, Bonn. CARLÉ W. (1975): Die Mineral- und Thermalwässer von Mitteleuropa – Geologie, Chemismus, Genese. Wiss. Verl.-Ges., Stuttgart. GRUBE A., WICHMANN, K., HAHN, L & NACHTIGALL, K.H. (2000): Geogene Grundwasserversalzung in den Poren-Grundwasserleitern Norddeutschlands und ihre Bedeutung für die Wasserwirtschaft. TZW-Schriftenreihe, 9, Karlsruhe, 203 pp. HAHN J. (1982): Hydrochemische Probleme (Versalzung) bei natürlichen Grundwässern in Niedersachsen. Veröff. Inst. Siedlungswasserwirtschaft, TU Braunschweig, 34, Martens S & Wichmann K. (2011): Grundwasserversalzung in Deutschland, WICHMANN K. & GRUBE A. (2000): Wasserressourcen und Grundwasserversalzung in Norddeutschland. gwf Wasser/Abwasser 141 (13), 8-65.

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !!!