Quellwasser

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Wenn sich Grundwasser einen Weg nach oben bahnt

Quellwasser ist Grundwasser, das sich an einer wasserundurchlässigen Schicht angereichert und sich an der Schnittstelle von wasserführender Schicht und Erdoberfläche einen Weg an die Oberfläche gebahnt hat. Ob das Quellwasser zur Trinkwassergewinnung geeignet ist, hängt u.a. davon ab, ob das Grundwasserreservoir oberflächennah ist oder ob es in tieferen Bodenschichten angesiedelt ist

Wenn die Quelle aus oberflächennahem Grundwasser gespeist wird, besteht eine höhere Gefahr der Verschmutzung, seien es Keime, Bakterien, Mineralöle oder Nitrate etc.

Unterschiedliche Quellenarten, die sich zur Trinkwassergewinnung eignen:

  • Schicktquellen: Hier kommt das Grundwasser an die Oberfläche, wenn die wasserführende Schicht die erdoberfläche kreuzt.
  • Stauquellen: Hier staut sich Grundwasser unterhalb einer wasserundurchlässigen Schicht. Es tritt bei einem Durchbruch an die Erdoberfläche.
  • Überlaufquellen: Hier wird das Grundwasser durch hydraulischen Druck, der in der Grundwasserschicht herrscht, an die Oberfläche gedrückt.

Oberflächenwasser

Zweithäufigste “Quelle” für Trinkwasser in Deutschland

Oberflächenwasser ist Wasser aus ober­irdischen Wasservorkommen wie Flüssen, Bächen, Seen oder Talsperren. Ein Beispiel ist der Bodensee, der sogar über eine Fernleitung Gebiete mit Wassermangel auf der Schwäbischen Alb versorgt.

Oberflächenwasser enthält i.d.R. weniger Mineralstoffe als Grundwasser und muss verstärkt aufbereitet werden, da es mehr Verschmut­zungen ausgesetzt ist, aber der natürliche Filtereffekt – das langsame Versickern durch verschiedenste Gesteinsschichten – entfällt.

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Grundwasser

Das Wasser, das man nicht sehen kann

d3-4-1-1-xart-16508494_xxlGrundwasser entsteht in erster Linie aus Nieder­schlags­wasser, das in der Erde ver­sickert. Aber auch aus Wasser, das aus Oberflächengewässern – Flüsse, Bäche, See oder Talsperren – in den Boden ge­langt. Grund­wasser ist der Teil des Was­sers, der sich in Hohl­räumen der Erdrinde zusammen­hängend sammelt und diese ausfüllt und somit durch Brunnen und/­oder Pumpen gefördert werden kann.

Aufgrund der Erdanziehung bewegt sich das Sickerwasser so lange es geht möglichst senkrecht in tiefere Bodenschichten vor und füllt auf seinem Weg Ritzen und Hohlräume, die vorher teilweise mit Luft gefüllt waren. Das Wasser stoppt seine Reise ins Erdinnere erst, wenn es auf wasserundurchlässige Gesteinsschichten trifft, die auch Grundwasserhemmer bezeichnet werden, weil sie nur über sehr kleine, zusammenhängende Hohlräume verfügen. Da das Wasser nicht weiter ins Innere der Erde sickern kann, sammelt es sich an dieser Barriere – beispielsweise aus Lehm oder Ton – zu einem geschlossenen Grundwasserareal.

d3-1-5-3-3-kalk-sand-stSchichten, die sehr wasserdurchlässig sind, werden Grundwasserleiter genannt. Dies kann lockeres Gestein sein oder festes – zum Beispiel Kalk- oder Sandstein – das über zusammen­hän­gen­de Zwischen- und Hohl­räume verfügt, durch die das Wasser hindurchströmen kann.

Andere Teile des Wassers werden von Pflanzen gespeichert und über Ver­dun­stung teilweise wieder an die Atmosphäre abgegeben oder es fließt oberirdisch in Richtung eines Baches oder eines Flusses.

Grundwasser entsteht also jedes Mal, wenn Niederschläge etc. in den Boden eindringen. Diesen Vorgang nennt man auch Grundwasserneubildung. Darüber hinaus kann Wasser, das sich in Bodenhohlräumen gesammelt hat aber auch unterirdisch in Bäche oder Flüsse abfließen. Dieser Vorgang wird Zwischen­abfluss genannt. Und auch Grundwasser kann sich unterirdisch einen Weg bahnen – entweder in Bäche und Flüsse oder es sucht sich einen Ausgang noch oben – d.h. es bildet sich eine Quelle. Umgekehrt kann Wasser aus Bächen und Flüssen, seitlich oder an der Sohle versickern und zu Grundwasser werden – was häufig bei Hochwasser geschieht.

Jahreszeitliche Schwankungen des Grundwasserspiegels

Der Grundwasserspiegel steigt oder fällt mit dem Wasserstand von Bächen und Flüssen. Dies kann in einem subalpinem Klima jahreszeitlich sehr schwanken. Den höchsten Grundwasserstand gibt es i.d.R. zu Beginn des Frühlings, bei der Schneeschmelze. In tropischen Klimazonen – hier gibt es nur zwei Jahreszeiten – kommt es im Sommer, während der Trockenzeit, zu einem abnehmenden Grundwasserspiegel. Im Winter, während der Regenzeit dagegen, steigt der Grundwasserspiegel.

Das Wassergargebot einer Region hängt allerdings nicht nur von der jeweiligen Niederschlagsmenge ab, sondern auch von der Speicherfähigkeit des Bodens. Die Grundwasserneubildung ist also nicht grundsätzlich mit dem Grundwasserdargebot gleichzusetzen.

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Schneeschmelze – Extrem steigender Grundwasserspiegel:
Die ersten Frühlingsmonate sind geprägt von der Schneeschmelze. Hier versickert jahreszeitlich gesehen das meiste Sickerwasser ins Erdinnere. Der Grundwasserspiegel errreicht zum Ende der Schneeschmelze i.d.R. den höchsten Stand.

Frühjahr – Abnehmender Grundwasserspiegel:
Nachdem der Grundwasserspiegel seinen jahreszeitlichen Höchststand erreicht hat, verbraucht nun das beginnende Pflanzenwachstum das Sickerwasser in der obersten Erdschicht, so dass weniger Wasser bis zum Grundwasserreservoir gelangt. Der Grundwasserspiegel beginnt zum Ende des Frühjahrs langsam wieder abzunehmen.
Sommer – Abnehmender Grundwasserspiegel:
Das Sickerwasser in der ersten Erdschichten reduziert sich weiter – jetzt durch die höheren Außentemperaturen, das stärkere Pflanzenwachstum und die erhöhte Pflanzenatmung. Dadurch ist die Luft im Sommer feuchter. Der Grundwasserspiegel sinkt bis Herbst weiter.
Herbst – Steigender Grundwasserspiegel:
Das Pflanzenwachstum klingt aus. Die Temperaturen sinken wieder. Wenn nun viel Niederschlag fällt, können die Grundwasserreservoirs wieder aufgefüllt werden.
Winter – Abnehmender Grundwasserspiegel:
Wenn nun die Niederschläge als Schnee fallen, hat dies trotzdem keine positive Wirkung auf den Grundwasserspiegel. Weil die obere Erdschicht gefroren ist, sickert kein Wasser in den Boden. Der grundwasserspiegel nimmt also trotz Niederschläge schrittweise ab. Sollten die Grundwasserspeicher unterirdisch aus Flüssen oder Bächen gespeist werden oder sollte der Winter frostfrei sein, dann steigt bereits im Winter der Grundwasserspiegel.

Wasserschutzgebiete brauchen heute vielfach selber Schutz

Wasserschutzgebiete – eigentlich dazu da, unsere Grundwasserreservoirs großflächig zu schützen – sind teilweise selbst in ihrer Existenz bedroht oder können ihrer Aufgabe nicht mehr gerecht werden, weil sie nach neueren geologischen Erkenntnissen ausgeweitet oder verlagert werden müssten. Um den Schutz unseres Trinkwassers zu gewährleisten, werden heute auch Prozesse unterhalb der Erdoberfläche mit einbezogen, wie beispielsweise Fließrichtung und Fließgeschwindigkeit der Grundwasserströme etc. Eine Ausweitung oder Veränderung von Wasserschutzgebieten stößt jedoch weiterhin vielfach auf Widerstand.

Natürliche Selbstreinigungsprozesse des Wassers in Gefahr

Die externen Schadstoffeinträge der Gewässer und in der Folge zeitversetzt auch des Grundwassers beeinträchtigen nicht zuletzt die Selbstreinigungskräfte der Gewässer, mit deren Hilfe sie standardmäßige Belastungen mit organischen Verunreinigungen abbauen. Bei starker Verschmutzung kann der Sauerstoffgehalt des Wassers jedoch so weit absinken, dass die Selbstreinigungskraft überfordert wird: Das Gewässer kippt um.

Was unser Grundwasser besonders belastet

  • Ein weiteres Problem: Manche der externen Eintragsstoffe sind im Reinigungsprozess der Kläranlagen nicht erfassbar bzw. nicht oder nur schwer abbaubar. Manche, wie beispielsweise multiresistente Keime – können sich,so neueste Vermutungen von Wissenschaftlern, sogar vermehren.
  • Wenn sie im Grundwasser in bedenklichen Konzentrationen nachgewiesen werden, müssen Wasserversorgungsanlagen als Lösung u.U. abgeschaltet werden und die Versorgung durch andere Wasserversorger übernommen werden.
  • Auch das Erwärmen der Gewässer durch nicht ausreichend abgekühltes Kühlwasser fördert – vor allem im Zusammenwirken mit anderen biologischen und chemischen Belastungen – das Algen- und Pflanzenwachstum.
  • Einfluss auf den Grundwasserspiegel haben außerdem wasserbauliche Maßnahmen, die Förderung von Kohle, Sand und Kies und die zunehmend Überbauung von freien Flächen, die die Neubildung von Grundwasser beeinträchtigt.

 
 
 

Trinkwassergewinnung

Der Ursprung des Rohwassers

d3-4-1-xart-29017946_xxlWas bei uns als Trinkwasser aus der Leitung fließt, wird vorher von den Wasser­versorgungs­unternehmen als Rohwasser gewonnen. Mehr als die Hälfte des Rohwassers in Deutschland wird aus Grund­wasser­reservoirs gewonnen, die sich über viele Jahre, oft viele Jahrhunderte, gebildet haben. Häufig hat es sich in ca. 50 bis 150 Metern Tiefe gesammelt, in Einzelfällen kann es aber auch bis 400 Meter tief unter der Erde lagern. Von hier wird es über Brunnen an die Oberfläche gefördert. Durch Niederschläge erneuern sich die Wasserreservoirs kontinuierlich.

  • Oberflächennahes Grundwasser – ca. 8 bis 10 Meter – wird meist mittels Schachtbrunnen gefördert.
  • Wasser aus tieferen Schichten – wird mit dagegen i.d.R. mittels Bohrbrunnen (Tiefenbrunnen) erschlossen.

Die jeweilige Brunnentiefe richtet sich nach Lage und Volumen der wasserführenden Schicht. Die maximale Förderkapazität eines Brunnens wiederum hängt von Größe und Durchlässigkeit des Grundwasserleiters sowie der Brunnen- und Filterrohre und von der Länge der Brunnenfilterstrecken ab.

c2-01-01-EnergDie Brunnen haben jeweils im Bereich der wasser­führenden Schichten ein durchlässiges Filterrohr. So werden die oberen Grund­wasser­schichten abgesperrt, da diese am ehesten von eventuellen Verunreinigungen betroffen sind. Um die Filterrohre herum werden die Zwischen­räume mit feinkörnigem Kies aufgefüllt, was als zusätzlicher Filter wirkt. Wenn irgendmöglich, werden nur natürliche Filtersysteme eingesetzt.

Unterwaserpumpen fördern das Wasser nun an die Oberfläche – je nach Qualität direkt ins Trinkwasserleitungsnetz oder andernfalls zur Aufbereitungsanlage im Wasserwerk. Das Wasser, das durch die Schlitze in die Filterrohre eindringt, wird über eine Unter­wasser­kreisel­pumpe durch die Steigleitung in den Brunnenschacht gefördert. Dort wird das Wasser gemessen und die Förderleistung der Brunnenpumpen durch einstellbare Ventile reguliert. Die Förderleitungen der einzelnen Brunnen vereinigen sich dann in der Rohr­wasser­sammel­leitung, die das Brunnenwasser zur jeweiligen Aufbereitungsanlage fördert.

Je tiefer das Wasser aus der Erde kommt, desto reiner ist es

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Grundwasser ist deshalb besonders als Trinkwassergrundlage geeignet, weil die Niederschläge auf ihrem langen Weg durch die verschiedenen Erd- und Gesteinsschichten auf natürliche Weise gefiltert werden und in der Tiefe des Bodens vor Oberflächenverschmutzungen i.d.R. bestmöglich geschützt ist. Zudem reichert sich das Sickerwasser auf seinem Weg durch Auswaschung von Bodenschichten mit wertvollen Mineralien und Spurenelementen an.

In Regionen, in denen nicht genügend Grundwasser vorhanden ist, gewinnen die örtllichen Wasserversorger ihr Rohwasser aus Oberflächengewässern, beispielsweise aus Flüssen und Seen oder aus Talsperren. Es wird durch Brunnen in der Nähe der betroffenen Gewässer gefördert. Trinkwasser aus Oberflächengewässern ist i.d.R. anfälliger für Verschmutzungen und muss daher meist aufwendiger aufbereitet werden.

Die dritte Quelle für Rohwasser sind Quellen. Allerdings werden weniger als zehn Prozent des deutschen Trinkwassers aus Quellwasser gewonnen.

Entnahmekapazitäten hängen von der jeweiligen Niederschlagsmenge ab

c2-01-01-9830110_xxlDie Rohwasserentnahme unterliegt strengen Bestim­mungen. Das Landratsamt legt die jeweilige Höchst­menge im Rahmen von Wasser­entnahme­rechten fest, da jeweils nur die Menge entnommen werden darf, die sich durch das Versickern von Nieder­schlägen neu bildet, was von Region zu Region sehr unterschiedlich ist. 2014 fielen in Bayern beispiels­weise durch­schnitt­lich 810 l/m2 Nieder­schläge. Der bundes­weite Durch­schnitt lag bei 729 l/m2. Zur Überwachung betreiben die Wasser­versorger in ihrem Gewinnungs­gebieten ein umfangreiches Netz an Mess­stellen, um die Grundwasserstände zu kontrollieren.

c2-01-01-IMG_0068Dabei darf die Entnahmehöchstmenge die Menge, die sich über versinkernde Nieder­schläge ständig neu bildet, nicht überschreiten. Um den Grund­wasser­bestand zu überwachen betreiben die Wasser­ver­sorger ein umfangreiches Netz an Grundwasser­messstellen in ihrem jeweiligen Versorgungs­gebiet. Um die Qualität des Grundwassers zu gewährleisten, sind Grundwasser­reservoirs und Brunnen von Wasser­schutz­gebieten umgeben.

Die Fördermenge und dadurch bedingt die Anzahl der Brunnen hängt von der Größe des Versorgungsgebiets sowie der geforderten Mengenanforderung der Verbraucher ab. Allerings sind die gesetzlichen Obergrenzen für die Entnahmekapazitäten der Quelle einzuhalten, die behördlich festgelegt sind. Grundsätzlich darf maximal immer nur soviel Wasser entnommen werden, wie durch die Niederschlagsmenge wieder erneuert wird.