Grundwassererfassungssysteme in Deutschland dargestellt auf der Basis hydrogeologischer Prozesse und geologischer Gegebenheiten
Gespeichert in:
| Hauptverfasser: | , |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Stuttgart
Metzler-Poeschel
1998
|
| Schriftenreihe: | Materialien zur Umweltforschung
29 |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
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| adam_text | Titel: Grundwassererfassungssysteme in Deutschland
Autor: Schenk, Dietmar
Jahr: 1998
Inhaltsverzeichnis:
/. Bedeutung des Grundwassers und derzeitiger Stand der Gesetzgebung für das
Schutzgut Grundwasser, Problemstellung und Zielsetzung.__...__.__........___._____/
1.1 Darstellung der Definition von dauerhaft-umweltgerechter Entwicklung................ 6
12 Umsetzung des Leitbildes auf das Schutzgut Grundwasser „.._„.._...„.„._.....„...„..... 8
2. Wasserhaushalt und hydrogeologische Eigenschaften des Untergrundes_______10
2.1 Wasserkreislauf und Wasserhaushalt___________________________________10
12 Untergrundaufbau ..„.__................™.........™....„...„.„.„...__„™„„.....„..„„.„.„.„. 14
2.2.1 Art, Material und Mächtigkeiten der Deckschichten................................................................15
2.2.2 Art des Grundwasserleiters......................................................................................................18
2.2.2.1 Porengrundwasserleiter....................................................................................................20
2.2.2.2 Kluftgrundwasserleiter.....................................................................................................21
2.2.2.3 Übergangstypen................................................................................................................21
2.2.2.4 Karstgrundwasserleiter.....................................................................................................21
3* Prozesse und Mechanismen .............................................H..............»»...„.................^
3.1 Transportmechanismen .„_„„....„_...„_.___¦_..................¦¦¦—¦¦...—.¦¦¦—.—¦....„.¦„—.—. 24
3.1.1 ZweiphasenfluB........................................................................................................................27
3.1.2 Mehrphasenfluß.......................................................................................................................27
3.1.2.1 MehrphasenfluB flüssig/flüssig.........................................................................................27
3.1.2.2 MehrphasenfluB flüssig/fest.............................................................................................28
3.1.2.3 Mehrphasenfluß flijssig/fest/gasfbnnig............................................................................28
3.2KonzentrationsverändenideProzesse___..... - , m. ... ,, , -----30
3.2.1 Physikalische Prozesse.............................................................................................................30
3.2.1.1 Molekulare Diffusion.......................................................................................................30
3.2.1.2 Dispersion........................................................................................................................30
3.2.1.3 Verdünnung......................................................................................................................33
3.2.1.4 Filtration...........................................................................................................................33
3.2.1.5 Verdampfung....................................................................................................................33
3.2.1.6 Gasaustausch....................................................................................................................34
3.2.1.7 Radioaktiver Zerfall.........................................................................................................35
3.2.2 Chemische Prozesse.................................................................................................................36
3.2.2.1 Lösung/Fällung...............................................................................................................36
3.2.2.2 Sorption / Desorption / Ionenaustausch............................................................................36
3.2.2.3 Oxidation/ Reduktion......................................................................................................39
3.2.2.4 Komplexbildung...............................................................................................................41
3.2.3 Mikrobiologische Prozesse......................................................................................................42
4 Kontaminationen, Einflüsse und Schadstoffe.___________________________45
4.1 Art der Kontaminationen und Einflüsse auf das Wasser_____________________45
4.1.1 Definition von Schadstoffeintragsursachen und Prozessauslösem...........................................45
4.1.1.1 Rein geogene Reaktionen.................................................................................................45
4.1.1.2 Anthropogene Reaktionen...............................................................................................46
4.1.1.3 Gekoppelte Reaktionen....................................................................................................46
4.1.2 Beschreibung von Einträgen und Eintragswegen.....................................................................46
4.1.2.1 Aerosole und Gase...........................................................................................................47
4.1.2.2 Flüssige Stoffe..................................................................................................................48
4.1.2.3 Feste Stoffe..................................................................................................................... .48
4.1.3 Dauer der Kontamination.........................................................................................................48
4.1.3.1 Stoßbelastungen...............................................................................................................48
4.1.3.2 Dauerbelastungen.............................................................................................................49
4.1.3.3 Zyklische Belastungen.....................................................................................................50
4.1.4 Ausdehnung der Kontaminationen (mit Beispielen)................................................................50
4.1.4.1 Flächenhafte Kontaminationen (begrenzt oder diffus).....................................................50
4.1.4.2 Linienförmige Kontaminationen......................................................................................51
4.1.4.3 Punktförmige Kontaminationen.......................................................................................51
4.1.5 Mittelbare anthropogene Einflüsse auf den Grundwasserhaushalt...........................................53
4.1.5.1 Versiegelung des Bodens.................................................................................................53
4.1J.2 Eingriffe in die Vegetation...............................................................................................54
4.1.5.3 Kanalisation und Begradigung von Fließgewässern.........................................................54
4.1.5.4 Grundwasserabsenkung bzw. - aufstau.............................................................................54
4.1.5.5 Baumaßnahmen................................................................................................................55
4.1.5.6 Nutzung des Grundwassers..............................................................................................55
43. Schadstoffe________________________________________________________________57
4.2.1 Schwefelverbindungen.............................................................................................................57
4.2.2 Stickstoffverbindungen............................................................................................................58
4.2.3 Salze.........................................................................................................................................60
4.2.4 Schwermetalle..........................................................................................................................60
4.2.5 Radionuklide............................................................................................................................61
4.2.6 Organische Stoffe.....................................................................................................................62
4.2.7 Bakterien und Viren, infektiöse Substanzen............................................................................63
5. Grundwassereinheiten, Grundwassertypen, Belastungsempfindlichkeiten..„.........66
5.1 Bestehende Richtlinien zur Charakterisierung und Überwachung der
Grundwasserbeschaffenheit und zur Einteilung von Grundwasseriandschaften und
Grundwasserregionen ......„..„„„..........._„............„.........„..„.....„.„„....„„...„._.„„.„...... 67
5.2 Möglichkeit einer Charakterisierung von Grundwasser-einheiten und deren
Pfla^ingsfmpfjnriljfh^it ,,..,..,... ......¦ ,.,.¦¦„,..„..,-,„................... .........., 73
6 Strömlings- und Transportmodellierung in Grundwassereinheiten.........................82
6.1 Bewertung von mathematischen Modeilen als Instrument zur Darstellung von
komplexen Prozessen..-......—..............—..__.......................—.......................—............._ 89
6.1.1 Charakterisierung der Problemstellung....................................................................................90
6.1.2 Auswahl des geeigneten mathematischen Modells..................................................................92
6.2 Exemplarische Darstellung von Szenariomoddlen_________________________95
6.2.1 Fließwege und FlieBzeiten in einem heterogenen Porenaquifer unter Einfluß
von Uferfiltration..............................................................................................................................95
6.2.1.1 Fragestellung und Modellauswahl....................................................................................95
6.2.1.2 Limitierende Faktoren....................................................................................................101
6.Z2 SüB-/Salzwasserinterrace in Küstennahe................................................................................103
6.2.2.1 Fragestellung und Modellauswahl..................................................................................103
6.2.2.2 Limitierende Faktoren....................................................................................................107
6.2.3 Rückbau in Bergbaugebieten, Probleme bei Tagebaurestseen...............................................108
6.2.3.1 Fragestellung und Modellauswahl..................................................................................108
6.2.3.2 Limitierende Faktoren....................................................................................................112
6.2.4 Einfluß der Bodenpassage auf die chemische Beschaffenheit des Sickerwassers..................113
6.2.4.1 Fragestellung und Modellauswahl..................................................................................113
6.2.4.2 Limitierende Faktoren....................................................................................................117
6.2.5 Kontaminationen mit organischen Verbindungen bei Unfällen oder Altlasten......................118
6.2.5.1 Fragestellung und Modellauswahl..................................................................................118
6.2.5.2 Limitierende Faktoren....................................................................................................121
6.2.6 Modellierung in Kluft- und Karstgrandwasserleitem.............................................................122
6.2.6.1 Fragestellung und Modellauswahl..................................................................................122
6.2.6.2 Limitierende Faktoren....................................................................................................127
7. Die Instrumentarien der Grundwasserüberwachung in der Bundesrepublik
Deutschland..................................................................................................................128
7.1 Maßgebende Vorgaben zur Grundwasserbeobachtung___.........____..............___129
7.2 Grundwassermeßprogramme......------------...-------....--------------....___________130
7.2.1 Grundwasserstandserfassung in den Ländern.........................................................................130
7.2.2 Grundwasserbeschaffenheitserfassung in den Ländern..........................................................134
7.2.2.1 GrundwasserbeschaffenheitsmeBnetze in den Ländern..................................................138
7.2.2.2 Parameter und Stofferfassung bei der Beobachtung der Grundwasserbeschaffenheit.... 155
7.2.3 Einsatz von Modellberechnungen zur wasserwirtschaftlichen Planung.................................176
7.2.4 Instrumentarien zur Umsetzung des Grundwasserschutzes....................................................177
7.2.4.1 Wasserschutzgebiete......................................................................................................177
7.2.4.2 Wasserwirtschaftliche Rahmenpläne..............................................................................179
7.2.4.3 Bewirtschaftungspläne...................................................................................................180
73 Ausbück__________________________________________________________181
7.4 Grundwasserleitersysteme /Grundwassereinheiten in Deutschland und Darstellung
der Empfindlichkeiten gegenüber Schadstoffen______________________________182
8. Zuammenfassung und Schlußfolgerungen-----------------------------------...........186
9. Literatur, Allgemein.................................................................................................189
10. Literatur, Länderdaten...........................................................................................202
Abbildlingsverzeichnis:
Abbildung 1-1: Herkunft des Rohwassers für die öffentliche Wasserversorgung (1992),
(FÖRSTNER, 1995).............................................................................................................1
Abbildung 1-2: Nutzung des Oberflächenwassers für die Trinkwasserversorgung (1992),
(FÖRSTNER, 1995).............................................................................................................2
Abbildung 1-3: Grundprinzip der dauerhaft-umweltgerechten Entwicklung, Leitbildorientierte
Entwicklung von Umweltindikatoren (SRV, 1994 a)..........................................................7
Abbildung 2-1: Prozentuale Anteile der Wasservorkommen auf der Erde, nach BUND (1995) 10
Abbildung 2-2: Schematische Darstellung des Wasserkreislaufes (MATTHEß, 1983)............11
Abbildung 2-3: Elemente des globalen Wasserkreislaufes (DOMENICO und SCHWARTZ,
1990)...................................................................................................................................12
Abbildung 2-4: Kompartiment-Modell des Wasserkreislaufes (SOKOLLEK, 1983)................13
Abbildung 2-5: Prozesse, Eigenschaften und Begriffe der gesättigten und der ungesättigten
Zone....................................................................................................................................16
Abbildung 2-6: Hydrogeologische Begriffe des Grundwassers, aus HÖLTING (1996)............19
Abbildung 2-7: Darstellung unterschiedlicher Formen von Gesteinshohlräumen (nicht
maßstabsgerecht), (MATTHEß, 1983)...............................................................................20
Abbildung 2-8: Unterschiedliche Aquifertypen, die wesentlichen Eigenschaften und
Ausbildung der Hohlraumgefüge.......................................................................................22
Abbildung 3-1: Schematische Darstellung der Advektion im konstanten 1 D-Strömungsfeld
(HOLZBECHER, 1996).....................................................................................................24
Abbildung 3-2: Durch piston-flow hervorgerufene Tritium-Verteilung in der Englischen Kreide
(nach FOSTER und SMTTH-CARRINGTON, 1980, aus APPELO und POSTMA (1994)26
Abbildung 3-3: Mobilitätsbereiche und relative Durchlässigkeiten des Untergrundes gegenüber
den nicht mischbaren fluiden Phasen Wasser, Öl und Gas (LUCKNER, 1993)...............29
Abbildung 3-4: Wirkung der komgerüstbedingten Dispersion (KINZELBACH, 1992)............32
Abbildung 3-5: Dispersion in unterschiedlichen räumlichen Skalenwerten (KINZELBACH,
1992)...................................................................................................................................32
Abbildung 3-6: Bildliche Darstellung der verschiedenen Sorptionsprozesse, nach APPELO und
POSTMA (1994)................................................................................................................37
Abbildung 3-7: Stabilitätsfelder für Eisen(ü und Eisen(m Spezies im System mit Karbonat
und Schwefel, nach HEM (1961) aus MATTHEß (1990).................................................40
Abbildung 3-8: Häufig auftretende Koordinationspolyeder bei der Komplexbildung, nach
MORTTMER(1987)...........................................................................................................41
Abbildung 3-9: Biogene Redoxprozesse bezogen auf pH 7, nach SCHWOERBEL (1985) aus
DVWK(1988)....................................................................................................................44
Abbildung 4-1: Ausbreitung eines momentanen punktförmigen Stoffeintrags, verändert nach
KOBUSÜ993)...................................................................................................................49
Abbildung 4-2: Ausbreitung eines kontinuierlichen punktförmigen Stoffeintrags, verändert nach
KOBUS(1993)...................................................................................................................49
Abbildung 4-3: Kontaminationen und Transportpfade zum Grundwasser, verändert nach
MATCHES (1985)..............................................................................................................53
Abbildung 4-4: Folgen einer Absenkung der Grundwasseroberfläche auf Boden- und
Vegetationswasserhaushalt und auf die Grundwasserneubildung (WOHLRAB, 1992)... 56
Abbildung 4-5: Nitratstickstoffkreislauf (JORDAN und WEDER, 1995).................................59
Abbildung 4-6: Künstliche radioaktive Elemente und ihre Halbwertszeiten (DVWK, 1993)... 61
Abbildung 4-7: Größen der im Grundwasser vorkommenden Organismengruppen (DVWK,
1988)...................................................................................................................................65
Abbildung 5-1: Schutzpotential von Grundwasserleitern, modifiziert und ergänzt nach BLfW
(1996).................................................................................................................................73
Abbildung 5-2: Definition der Grundwassereinheiten................................................................74
Abbildung 5-3: Definition der Grundwasseruntereinheiten.......................................................75
Abbildung 5-4: Definition der Nutzungskategorien...................................................................76
Abbildung 5-5: Charakterisierung der Grundwassereinheiten...................................................77
Abbildung 5-6: Charakterisierung der Grundwasseruntereinheiten...........................................78
Abbildung 5-7: Charakterisierung der Nutzungskategorien.......................................................79
Abbildung 5-8: Exemplarische Darstellung für silicatische Porengrundwasserleiter,
Grundwassereinheiten und Belastungsempfindlichkeit.....................................................81
Abbildung 6-1: Umsetzung von Daten in ein hydrogeologisches Modell (nach Entwurf FH-
DGG, 1996)........................................................................................................................83
Abbildung 6-2: Möglichkeiten der mathematischen Modellierung in Abhängigkeit der
Komplexität der Strömlings-, Transport- und Reaktionsprozesse......................................89
Abbildung 6-3: Hydrogeologisches Modell des Untersuchungsraumes (KAUPE, 1995)..........97
Abbildung 6-4: Umsetzung der zweidimensionalen Dreieckselemente in Tetraederelemente
(RAUPE, 1995)..................................................................................................................98
Abbildung 6-5: Räumliche Darstellung der Modelldiskretisierung (RAUPE, 1995).................99
Abbildung 6-6: krWert Verteilung [m/s] im Modellgebiet, W-E Vertikalschnitt (RAUPE,
1995).................................................................................................................................100
Abbildung 6-7: Vordringen von Salzwasser in einem küstennahen Grundwasserleiter bei
Absenkung des Grundwasserspiegels (Seawater Instrusion), aus BOGACKI (1987).....104
Abbildung 6-8: Anstieg von Salzwasser unter einem Entnahmebrunnen (Upconing Interface),
aus BOGACRI (1987)......................................................................................................104
Abbildung 6-9: Graphische Darstellung der SüB-/Salzwassergrenze in einem freien küstennahen
Grundwasserleiter unter hydrostatischen (a) und hydrodynamischen (b) Bedingungen, aus
MATTHEß (1983)............................................................................................................105
Abbildung 6-10: Ergebnisse der Berechnungsvarianten zur Bewirtschaftung des
Grundwassersystems im Modellgebiet, nach BOGACRI (1987)....................................106
Abbildung 6-11: Vergleich der modellierten Veränderung der Wasserchemie bei unbegrenzter
Pyritmenge, zunehmendem Eintrag von Sauerstoff und Gleichgewicht mit Raolinit mit
gemessenen Daten (Meßpunkte) einer Versuchskippe (WISOTZKY, 1996)..................109
Abbildung 6-12: Dreidimensionale Ansicht des Modellnetzes für Transport- und
Reaktionsberechnungen (RÖNIG BRAND, 1996)......................................................111
Abbildung 6-13: Konzentrationsprofile der Sufaltgehalte [mg/1] nach der Berechnung für 200
Jahre (RÖNIG BRAND, 19%)....................................................................................111
Abbildung 6-14: Schematischer Überblick über das Mulit-Component-Modell (SCHULZ
BAUMANN, 1985), nach DAHMKE et al. (1986).........................................................114
Abbildung 6-15: Vergleichende Berechnungsergebnisse für PSM mit unterschiedlichen
Simulationsmodellen, aus DIBBERN (1992)..................................................................116
Abbildung 6-16: Ausbreitungsverhalten eines organischen Stoffes geringer Dichte im
Untergrund, nach DORGARTEN (1989).........................................................................118
Abbildung 6-17: Ausbreitungsverhalten eines organischen Stoffes mit hoher Dichte im
Untergrund, nach DORGARTEN (1989).........................................................................119
Abbildung 6-18: Geologischer Schnitt durch das Untersuchungsgebiet und Umsetzung in das
Finite-Elemente-Netz, nach DORGARTEN (1989).........................................................120
Abbildung 6-19: Fließsysteme und Prozesse in Rarstaquiferen, nach SAUTER et al. (1997) 122
Abbildung 6-20: Eigenschaften der Modelltypen für Karstmodellierungen, nach TEUTSCH und
SAUTER(1997)...............................................................................................................124
Abbildung 6-21: Diskretisierung des Diskontinuierlichen Modells (MOHRLOK und SAUTER,
1997).................................................................................................................................125
Abbildung 6-22: Diskretisierung für das Doppel-Kontinuum-Modell (MOHRLOCK und
SAUTER, 1997)...............................................................................................................125
Abbildung 6-23: Vorgang von Abfluß und Speicherung in den Modellansatzen (MOHRLOCK
und SAUTER, 1997)........................................................................................................126
Abbildung 7-1: Konzeption der Grundwasserbeschaffenheitserfassung in den Ländern, nach
TOUSSAINT(1996)........................................................................................................137
Tabellenverzeichnis:
Tabelle 5-1: Analysen von Grundwassern aus verschiedenen Gesteinen, HÖLTING (1996) aus
RICHTER und LILLICH (1975)........................................................................................66
Tabelle 5-2: Grundwasserlandschaften in den Bundesländern...................................................70
Tabelle 5-3: Grundwasserlandschaften in den Bundesländern...................................................71
Tabelle 5-4: Grundwasserlandschaften in den Bundesländern...................................................72
Tabelle 6-1: Möglichkeiten und Modellierung von Grundwasserströmungs- und Transport-
bzw. Reaktionsvorgängen...................................................................................................87
Tabelle 6-2: Möglichkeiten des Einsatzes von numerischen Strömlings- und TransportmodeUen
für unterschiedliche Fragestellungen.................................................................................88
Tabelle 6-3: Schadstoffspezifische Prozesse und Mechanismen, die bei Modellrechnungen
berücksichtigt werden müssen...........................................................................................91
Tabelle 7-1: Grundwasserstandserfassung in den Ländern......................................................132
Tabelle 7-2: Grundwasserstandserfassung in den Ländern......................................................133
Tabelle 7-3: Grundwasserbeschaffenheitserfassung in Baden-Württemberg...........................139
Tabelle 7-4: Grundwasserbeschaffenheitserfassung in Bayern................................................140
Tabelle 7-5: Grundwasserbeschaffenheitserfassung in Berlin.................................................141
Tabelle 7-6: Grundwasserbeschaffenheitserfassung in Brandenburg.......................................142
Tabelle 7-7: Grundwasserbeschaffenheitserfassung in Bremen...............................................143
Tabelle 7-8: Grundwasserbeschaffenheitserfassung in Hamburg.............................................144
Tabelle 7-9: Grundwasserbeschaffenheitserfassung in Hessen................................................145
Tabelle 7-10: Grundwasserbeschaffenheitserfassung in Mecklenburg-Vorpommern.............146
Tabelle 7-11: Grundwasserbeschaffenheitserfassung in Niedersachsen..................................147
Tabelle 7-12: Grundwasserbeschaffenheitserfassung in Nordrhein-Westfalen.......................148
Tabelle 7-13: Grundwasserbeschaffenheitserfassung in Rheinland-Pfalz................................149
Tabelle 7-14: Grundwasserbeschaffenheitserfassung im Saarland..........................................150
Tabelle 7-15: Grundwasserbeschaffenheitserfassung in Sachsen............................................151
Tabelle 7-16: Grundwasserbeschaffenheitserfassung in Sachsen-Anhalt................................152
Tabelle 7-17: Grundwasserbeschaffenheitserfassung in Schleswig-Holstein..........................153
Tabelle 7-18: Grundwasserbeschaffenheitserfassung in Thüringen.........................................154
Tabelle 7-19: Parameter- und Stofferfassung in Baden-Württemberg.....................................157
Tabelle 7-20: Parameter- und Stofferfassung in Bayern...........................................................158
Tabelle 7-21: Parameter-und Stofferfassung in Berlin............................................................159
Tabelle 7-22: Parameter- und Stofferfassung in Brandenburg.................................................160
Tabelle 7-23: Parameter- und Stofferfassung in Bremen..........................................................161
Tabelle 7-24: Parameter- und Stofferfassung in Hamburg.......................................................162
Tabelle 7-25: Parameter- und Stofferfassung in Hessen...........................................................163
Tabelle 7-26: Parameter- und Stofferfassung in Mecklenburg-Vorpommern..........................164
Tabelle 7-27: Parameter- und Stofferfassung in Niedersachsen...............................................165
Tabelle 7-28: Parameter- und Stofferfassung in Nordrhein-Westfalen....................................166
Tabelle 7-29: Parameter- und Stofferfassung in Rheinland-Pfalz............................................167
Tabelle 7-30: Parameter- und Stofferfassung im Saarland.......................................................168
Tabelle 7-31: Parameter- und Stofferfassung in Sachsen.........................................................169
Tabelle 7-32: Parameter- und Stofferfassung in Sachsen-Anhalt.............................................170
Tabelle 7-33: Parameter- und Stofferfassung in Schleswig-Holstein.......................................171
Tabelle 7-34: Parameter- und Stofferfassung in Thüringen.....................................................172
Tabelle 7-35: Wasserschutzgebiete in den Ländern, verändert nach UM BADEN-
WÜRTTEMBERG (1995)...............................................................................................178
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