Hydrogeologie: Niederschlag, Abfluss & Grundwasser

Niederschlag und seine Ursachen

Niederschlag ist die Folge von Änderungen in der Luft und der Temperatur, die mit der Bewegung von Luftmassen verbunden sind. Diese Ursachen führen dazu, dass mit Wasserdampf gesättigte Luft um Kondensationskerne – winzige feste Partikel in der Luft, wie Pollen, Staub, Salzkristalle aus Seen oder vulkanische Aschen – kondensiert und Niederschlag bildet.

Die drei Hauptmechanismen des atmosphärischen Niederschlags:

1. Der größte Teil des Wassers fällt an den Rändern großer, warmer, feuchter Luftmassen, die mit kalten Luftmassen kollidieren, zum Beispiel bei Wirbelstürmen oder Hurrikanen.
2. Während Hitzeperioden erwärmt sich die Luft an der Erdoberfläche und steigt in großen Massen in Regionen mit kälterer Luft auf. Niederschlag kann auch durch Strömungen ausgelöst werden, die an Gebirgsketten kollidieren.
3. Eine weitere Ursache ist der orographische Niederschlag, der durch die adiabatische Abkühlung von Luftmassen entsteht, die über Berge oder Gebirgsbarrieren aufsteigen.

Evapotranspiration und Wasserabfluss

Evapotranspiration ist die Summe aus Verdunstung und pflanzlicher Transpiration.

• Xerophyten: Wüstenpflanzen transpirieren kaum.
• Phreatophyten (z.B. Kakteen): Dies sind Pflanzen trockener Klimate, die in der Nähe von Grundwasser wachsen und große Mengen Wasser transpirieren.

Wasserabfluss (Runoff)

Abfluss ist die Summe des Oberflächenabflusses und des unterirdischen Abflusses, der die Oberflächengewässer erreicht.

• Oberflächenabfluss: Entspricht dem Niederschlag abzüglich der Oberflächenretention und Versickerung.

Grundwasser: Quellen und Berechnung

Quellen des Grundwassers

1. Niederschlag.
2. Wasser, das aus der Tiefe des Untergrunds in Intrusivgesteinen eingeschlossen ist.
3. Wasser, das während der Bildung zwischen Sedimentgesteinen eingeschlossen wird.

Berechnung des Abflussvolumens

Die Formel zur Berechnung des Abflussvolumens lautet:

R = P - L - G

Wobei:

• R = Abfluss
• P = Niederschlag
• L = Becken-Recharge (Wiederauffüllung des Beckens)
• G = Zunahme des Grundwasserspiegels

Alle Werte werden als Höhe (in Zoll oder Millimeter) über dem entwässerten Gebiet angegeben. Genaue Schätzungen von R hängen von den Schätzungen der Becken-Recharge (L) und der Zunahme des Grundwassers (G) ab.

Abflusskoeffizient (K)

Der Abflusskoeffizient K wird oft als Verhältnis von Abfluss (R) zu Niederschlag (P) ausgedrückt: K = R / P.

Einige K-Werte für verschiedene Oberflächen (städtische Wohngebiete):

• Wohngebiete (dicht bebaut): K = 0,30
• Wohngebiete mit Grünflächen: K = 0,50
• Gewerbe- und Industriegebiete: K = 0,90
• Waldgebiete (abhängig vom Boden): K = 0,05 bis 0,20
• Parks, Felder und Weideland: K = 0,05 bis 0,30
• Asphalt- und Betonpflaster: K = 0,85

Infiltration: Bewegung des Wassers im Boden

Infiltration ist die Bewegung des Wassers durch die Bodenoberfläche und innerhalb des Bodens.

Die Infiltrationskapazität eines Bodens ist die maximale Geschwindigkeit, mit der Wasser unter bestimmten Bedingungen in den Boden eindringen kann.

Faktoren, die die Infiltrationskapazität beeinflussen:

1. Ein lockerer, durchlässiger Boden hat eine größere Kapazität als ein dichter Lehmboden.
2. Wenn viele Poren mit Wasser gefüllt sind, ist die Infiltrationskapazität in der Regel niedriger, als wenn der Boden relativ trocken ist.
3. Wenn der Porenraum an der Bodenoberfläche vollständig mit Wasser gefüllt ist, wird der weitere Übergang der Feuchtigkeit durch die Durchlässigkeit des Untergrunds gesteuert.

Infiltrationsrate und Index "W"

Die Infiltrationsrate ist die tatsächliche Geschwindigkeit, mit der Wasser während eines Gewitters oder Regenschauers in den Boden eindringt. Sie sollte entweder der Infiltrationskapazität oder der Regenintensität entsprechen, je nachdem, welcher Wert der niedrigere ist.

Der durchschnittliche Infiltrationsindex oder "W"-Index wird mit der Formel berechnet:

W = (P - R) / Tr

Wobei:

• W = Infiltrationsindex
• P = Niederschlag
• R = Abfluss
• Tr = Dauer des Niederschlags in Stunden

Ein zweiter Index, der durch die Regenintensität definiert ist, oberhalb dessen die Niederschlagsmenge dem Abflussvolumen entspricht. Wenn W = I (Intensität), bedeutet dies, dass der Regen einigermaßen gleichmäßig ist.

Mit diesen Daten können wir die Infiltration des Abflusses berechnen: K = (I - W) / I, wobei I die Niederschlagsintensität ist.

Grundwasserleiter (Aquifere) und Gesteinsformationen

• Aquifer: Formationen, die Grundwasser enthalten und leiten können. Ihre Kapazität wird durch die Porosität gemessen, die durch Trocknen im Ofen und Wiegen einer ungestörten Probe bestimmt wird.
• Aquifuge: Ein Gestein, das Wasser weder leitet noch speichert.
• Aquiclude: Ein Gestein, das Wasser speichert, aber nicht leitet.
• Aquitard (Grundwassergeringleiter): Leitet und speichert Wasser, aber nicht ausreichend, um einen einzelnen Brunnen zu versorgen.

Arten von Grundwasserleitern

Grundwasserleiter umfassen: Lockersedimente, Bruchzonen in Plutoniten, poröse Schichten von Sandstein, Kalksteinhöhlen und so weiter.

Eigenschaften von Grundwasserleitern

• Spezifischer Ertrag: Das Volumen des Wassers, ausgedrückt als Prozentsatz des Gesamtvolumens des Grundwasserleiters, das frei aus dem Aquifer abfließt.
• Grundwasserspiegel (Piezometrischer Spiegel): Dies ist die statische Höhe des Wassers in Brunnen, die in die gesättigte Zone eindringen.

Arten von Grundwasser

• Gespanntes Wasser (Confined Water): Wasser, das durch eine undurchlässige Schicht von der Atmosphäre getrennt ist.
• Halbgespanntes Wasser (Semi-Confined Water): Ein Zwischenzustand.
• Schwebendes Grundwasser (Perched Water): Dies ist das erste freie Wasser, das über dem regionalen Grundwasserspiegel gefunden wird, an einer einzelnen Stelle, deren Position durch Strukturen und Stratigraphie gesteuert wird.
• Ungespanntes oder freies Wasser (Unconfined Water): Wasser, das in direktem Kontakt mit der Atmosphäre und freien Oberflächen in porösen Materialien steht.

Grundwasserstandskarten und Abfluss

Grundwasserstandskarten: Die im Sediment gemessenen Wasserstände werden einfach mittels Karten von Höhenlinien (Isohypsen) dargestellt. Diese Linien werden als Isofreata bezeichnet, wenn sie Werte für den freien Grundwasserleiter oder Grundwasserspiegel darstellen, oder als Isopresen in Fällen, die piezometrische Ebenen von gespannten Grundwasserleitern darstellen. Die allgemeine Fließrichtung des Grundwassers kann auf Isofreata- oder Isopresenkarten angezeigt werden.

Das Fließnetzwerk ermöglicht es, Bereiche der Anreicherung oder Entlastung zu finden und die Menge des unterirdischen Wasserflusses zu berechnen.

Grundwasserentnahme (Entlastung)

Das Grundwasser, das die lokalen Kapazitäten eines Aquifers übersteigt, wird durch Verdunstung und Oberflächenentlastung abgegeben. Wenn das Kapillarwasser die Wurzeln der Vegetation erreicht hat, stellt dies eine direkte Verbindung zur Transpiration in die Atmosphäre dar.

Quellen: Bestimmende Variablen und Variabilität

Die drei Hauptvariablen, die eine Quelle bestimmen, sind:

1. Die Permeabilität des Grundwasserleiters.
2. Die Fläche, die den Grundwasserleiter speist (Recharge-Gebiet).
3. Die Höhe dieser Entladung.

Variabilität einer Quelle

Die Variabilität einer Quelle kann wie folgt ausgedrückt werden:

Variabilität = ((Qmax - Qmin) / QMedia) * 100

Wobei:

• Qmax = Maximale gemessene Durchflussmenge
• Qmin = Minimale gemessene Durchflussmenge
• QMedia = Mittlere gemessene Durchflussmenge

Diese Beobachtungen werden über das gesamte hydrologische Jahr gemacht, d.h. von der Trockenzeit bis zum Ende der nächsten Saison. Dieser Variabilitätsindex sagt viel über die Zuverlässigkeit aus, die eine bestimmte Quelle als ewige Wasserquelle haben kann.

Künstliche Entnahme

Künstliche Entnahme erfolgt durch Brunnen, die an anderer Stelle untersucht werden.

Grundwasser in verschiedenen Gesteinsarten

Grundwasser in magmatischen und metamorphen Gesteinen

Die extremen Variationen in lithologischen und strukturellen Merkmalen in vulkanischem Gelände machen die Lokalisierung von Grundwasser in vulkanischen Gesteinen sehr schwierig, ebenso wie die Vegetation und sehr oft die Dicke der vulkanischen Aschen. Detaillierte Untersuchungen von Aufschlüssen und geologische Karten sind bei magmatischen und metamorphen Gesteinen sowie plutonischen Festgesteinen, die sehr geringe Porositäten (z.B. 3% und 1% oder noch weniger) aufweisen können, sehr schwierig. Diese Brunnen sind in der Regel nicht miteinander verbunden, da die Permanenz eines Fragments als gleich null angesehen werden kann. Lange Körper, die durch Gesteinsbrüche und Verwitterungsprozesse entstanden sind, können jedoch eine hohe Porosität aufweisen.

Vulkanische Gesteine

Innerhalb dieser Gesteinsart sind die hydrogeologischen Eigenschaften sehr unterschiedlich. Einige Basalte weisen Transmissivitäten auf, die zu den höchsten bekannten gehören, während die meisten Tuffe, obwohl sie eine sehr hohe Porosität haben können, als praktisch undurchlässig eingestuft werden können.

Grundwasser in konsolidierten Sedimentgesteinen

Zwischen den sehr unterschiedlichen Formtypen von Sedimentgesteinen können auch andere petrographische und hydrogeologische Merkmale gefunden werden. Dennoch kann das geologische Wissen der jeweiligen Region wertvolle Hinweise auf das Vorhandensein von Grundwasser in diesen Gesteinsklassen geben.

Sandstein

Die Porositäten in Sandsteinen variieren stark, von weniger als 1% bis über 30%. Diese Porosität hängt von der Sortierung, Packung und Zementation ab, wobei die Zementation am wichtigsten ist.

Die häufigsten Zementationsmaterialien sind:

• Ton
• Calcit
• Dolomit
• Siliziumdioxid (Quarz)

Karbonatgestein

Kalksteine und Dolomite sind die beiden häufigsten Arten von Karbonatgesteinen. Ihr Ursprung kann variieren, z.B. einige aus Tonablagerungen, anorganischen Ausfällungen oder Ansammlungen von mikroskopischen oder einzelligen Skeletten, aus denen sich die Sedimente in den Meeren bilden. Dieses Gestein ist in seiner ursprünglichen Form relativ dicht und kompakt.

Grundwasser in unkonsolidierten Sedimenten

Die Suche nach Grundwasser beginnt typischerweise mit der Untersuchung von Lockersedimenten aus folgenden Gründen:

1. Sie erleichtern Bohrungen, was sich in relativ geringen Kosten für Beobachtungsbrunnen niederschlägt.
2. Da sich diese Ablagerungen in Tälern befinden, ist der Grundwasserspiegel relativ nah an der Oberfläche, was die Pumpkosten erheblich senkt.
3. Da diese Ablagerungen oft in der Nähe von Seen oder Flüssen liegen, gewährleisten sie eine zuverlässige Wiederauffüllung (Recharge).
4. Unkonsolidierte Sedimente weisen spezifische Erträge auf, die viel höher sind als die von Festgesteinen.
5. Die Durchlässigkeit dieser Materialien ist vielen anderen Gesteinen, wie vulkanischen Gesteinen oder tiefen Kalksteinen, weit überlegen.