Hydrologie und Umwelt: Wasserkreislauf, Verschmutzung und Aquifere

Der Wasserkreislauf: Prozesse und Phasen

Das Wasser verdunstet aus den Ozeanen und Kontinenten durch die direkte Einwirkung von Solarenergie oder indirekt durch Transpiration von Pflanzen. Verdampftes Wasser kondensiert und bildet Wolken. Durch die Schwerkraft fällt es als Niederschlag zurück.

Ein Teil des Wassers, das über die Erdoberfläche fließt, wird zum Oberflächenabfluss, während ein anderer Teil durch Infiltration zum Grundwasser wird. Grundwasser bewegt sich im Allgemeinen sehr langsam und speist Quellen (Grundwasserabfluss).

Einfluss von Licht, Temperatur und Salzgehalt im Ozean

Licht und die Photic Zone

Licht dringt nur in die äußerste Schicht der Ozeane (100 m, manchmal bis zu 200 m) ein – die photic Zone. Der Bereich darunter ist die aphotische Zone, da die durchschnittliche Tiefe des Ozeans ca. 4.000 m beträgt. In der photischen Zone können Pflanzen unter dem Einfluss von Licht existieren, während die Abwesenheit von Licht in der aphotischen Zone deren Entwicklung ausschließt.

Salzgehalt (Salinität)

Der Salzgehalt ist die Menge der gelösten Salze im Meerwasser. Meerwasser enthält im Durchschnitt 3,5 % Salz. Dieser Prozentsatz variiert je nach Meer:

• Reduzierung des Salzgehalts: Regen, der Beitrag kontinentalen Wassers und schmelzendes Eis reduzieren den Salzgehalt durch Verdünnung (z. B. Ostsee).
• Erhöhung des Salzgehalts: Die Bildung von Eis, Vulkanismus und Verdunstung erhöhen tendenziell den Salzgehalt (z. B. Rotes Meer und Totes Meer).

Temperatur und Dichte

Die Temperatur schwankt mit Tiefe und Breitengrad. Der Salzgehalt bestimmt zusammen mit der Temperatur die Dichte des Meerwassers, was für die Verteilung der Meeresströmungen von entscheidender Bedeutung ist.

Grundwasserentnahme und Salzwasserintrusion

Szenario 1: Hier wird Wasser aus einem Aquifer entnommen, dessen Grundwasserspiegel gesunken ist. Der Grundwasserleiter ist wichtig, da die Extraktion aktiv ist und sein unteres Ende sich in der gesättigten Zone befindet.

Szenario 2 (Küsten-Aquifer): Dies ist ein Beispiel für die Übernutzung eines Küsten-Aquifers. Da die Grundwasserentnahme die natürliche Wiederauffüllung übersteigt, wird das entstehende Vakuum durch Meerwasser gefüllt (*Salzwasserintrusion*). Dies erhöht den Salzgehalt des Grundwassers. Das Wasser wird dadurch unbrauchbar für die häusliche und landwirtschaftliche Nutzung und kann Ökosysteme wie Feuchtgebiete verändern.

Eutrophierung: Ursachen, Folgen und Prävention

Eutrophierung tritt in stehenden Gewässern wie Seen, Teichen oder Stauseen auf.

Ursachen und Prozess

Ein wichtiger Eintrag von Nährstoffen (wie Nitraten oder Phosphaten) führt zu einem übermäßigen Wachstum von Algen und Wasserpflanzen und einer großen Ansammlung ihrer Reste am Boden. Dies wiederum führt zur Entwicklung von Zersetzungsmikroorganismen.

Die Zersetzung organischer Stoffe durch aerobe Bakterien verbraucht den vorhandenen Sauerstoff in den tieferen Zonen. Dieses Phänomen wird verstärkt, wenn eine thermische Schichtung des Wassers vorliegt. Dies begünstigt das Auftreten anaerober Bakterien, die weitere organische Substanz vergären. Fermentationsprozesse setzen Substanzen wie H₂S, NH₃ und CH₄ frei, die für den charakteristischen Geruch verantwortlich sind. Die Gewässer werden schlammig und verlieren Sauerstoff und damit aquatisches Leben.

Prävention

Der Weg zur Verhinderung der Eutrophierung ist die Reduzierung der Nährstoffzufuhr, insbesondere von Phosphor:

• Verwendung von Waschmitteln ohne Phosphate.
• Rationelle Nutzung von Düngemitteln.
• Vorbehandlung von Wasser vor der Einleitung.
• Begrenzung des Algenwachstums.

Prozesse in der Abwasserreinigungsanlage (ARA)

Die Abwasserreinigung ist eine Reihe von physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen, die in der Abwasserreinigungsanlage (ARA) durchgeführt werden, um die Eigenschaften des Wassers so weit wie möglich wiederherzustellen. Die Verarbeitung erfolgt auf drei Ebenen: Wasserlinie, Schlammlinie und Gaslinie.

1. Wasserlinie (Behandlungsstufen)

1. Vorbehandlung: Entfernung von Feststoffen durch Rechen und Siebe.
2. Primärbehandlung: Trennung von Schwebstoffen durch verschiedene physikalisch-chemische Prozesse (Sedimentation, Koagulation, Flotation usw.).
3. Sekundärbehandlung: Entfernung organischer Substanzen und restlicher Schwebstoffe, die in der Primärbehandlung nicht entfernt wurden, mittels mikrobieller Prozesse. Diese Prozesse finden in Faultürmen, Stabilisierungsteichen oder Tropfkörpern statt.
4. Tertiärbehandlung: Entfernung von Viren, Schwermetallen und gelösten organischen Substanzen. Prozesse umfassen unter anderem Zentrifugation und Umkehrosmose.

2. Schlammlinie

Nach all diesen Behandlungen entsteht Klärschlamm. Die Schlammbehandlung umfasst folgende Prozesse:

• Eindickung: Reduzierung des Volumens.
• Stabilisierung: Reduzierung organischer Substanz (oft durch anaerobe Faulung, die Biogas (Methan) produziert, das als Brennstoff für die Kläranlage genutzt werden kann).
• Entwässerung: Kann mechanisch oder thermisch erfolgen.

3. Gaslinie

Das entstehende Gas (Biogas) kann als Energieträger in der Kläranlage selbst wiederverwendet werden. Nicht verwendetes Gas wird in der Regel in Fackeln verbrannt.

Wasserverschmutzung: Definition und Ursprung

Definition

Wasserverschmutzung ist die Zugabe von Fremdkörpern (wie Mikroorganismen, Chemikalien, Abfall, Abwasser) oder Energie (wie Wärme und Radioaktivität), welche die Wasserqualität beeinträchtigen und es für die beabsichtigten Verwendungszwecke unbrauchbar machen.

Ursprung der Verschmutzung

• Natürlicher Ursprung: Ohne menschliches Eingreifen (Pflanzenreste, Tierkot, Vulkanausbrüche usw.).
• Anthropogener Ursprung: Verursacht durch menschliche Aktivitäten, insbesondere Industrie und Bergbau, landwirtschaftliche Betriebe oder Viehzucht, städtische Ballungsgebiete und Tiefbauarbeiten.

Wasserqualitätsparameter: BSB und CSB

Ein Parameter ist der numerische Ausdruck einer Variablen eines Systems. Der Zustand der Wasserverschmutzung kann durch eine Reihe von physikalischen, chemischen oder biologischen Parametern ausgedrückt werden.

Biologischer Sauerstoffbedarf (BSB)

Der BSB ist ein Maß für die Menge an Sauerstoff, die Mikroorganismen benötigen, um organische Substanz zu oxidieren. Er wird in ppm oder mg/l Sauerstoff angegeben. Am häufigsten wird der Wert über einen Zeitraum von fünf Tagen bei 20 °C gemessen (BSB₅), indem der vorhandene Sauerstoff nach fünf Tagen Inkubation vom anfänglichen Sauerstoffgehalt subtrahiert wird. Je höher der BSB₅, desto größer die organische Verunreinigung (z. B. saubere Flüsse: 3 mg/l; häusliches Abwasser: 300 mg/l).

Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)

Der CSB ist die Menge an gelöstem Sauerstoff, die benötigt wird, um die oxidierbare Materie durch chemische Oxidationsmittel in saurem Medium zu oxidieren. Der empfohlene Wert sollte ≤ 20 mg Sauerstoff/l betragen.

Folgen von Ölverschmutzungen im Meer (Schwarze Flut)

Ausgelaufenes Erdöl bildet auf der Meeresoberfläche eine „Schwarze Flut“, eine zähflüssige Masse.

Ökologische Auswirkungen

Die Auswirkungen sind besonders negativ für:

• Fische nahe der Oberfläche (Atemwegsstörungen).
• Seevögel (Verlust der Wasserdichtigkeit des Gefieders und der isolierenden Luftschicht).
• Marine Wirbellose, Meeressäuger und Planktonorganismen (Phytoplankton wird isoliert und kann keine Photosynthese betreiben).
• Benthische Organismen.

Ölteppiche, die die Küste erreichen, verursachen schwerwiegende Störungen in Küstenökosystemen: Klippen und felsige Gebiete, Riff-Formationen, Feuchtgebiete und Flussmündungen. Das Öl enthält krebserregende Stoffe, die sich in Muscheln anreichern können.

Wirtschaftliche Auswirkungen

Ölverschmutzungen verursachen schwere wirtschaftliche Schäden für die Fischerei, die marine Fischzucht, die Aquakultur sowie die Qualität der Strände für den Tourismus und die Erholung.

Die Wasserbilanz (Bh)

Die Wasserbilanz (Bh) stellt die Ein- und Ausgänge von Wasser auf Kontinenten und Ozeanen dar:

$$Bh = \text{Wasserzugänge} - \text{Wasserverluste}$$

Die Verluste entstehen durch Verdunstung und Evapotranspiration; die Zugänge durch Niederschläge, die zu Oberflächenabfluss oder Grundwasseranreicherung führen. Global betrachtet (unter Einbeziehung aller Meere) ist die Bilanz im Gleichgewicht:

$$\text{Globale Wasserbilanz} = \text{Regenzufuhr} - \text{Wasserverlust} = 0$$

In anderen Fällen ist die Wasserbilanz nicht ausgeglichen, oft aufgrund klimatischer Bedingungen. Zum Beispiel übersteigt im Mittelmeer der Wasserverlust durch Verdunstung die Wasserzufuhr durch Flüsse und Regen. Man spricht dann von einer negativen Wasserbilanz.

Konzept und Bedeutung Hydrologischer Pläne

Das größte Problem im Zusammenhang mit Süßwasser ist dessen Knappheit. In vielen Ländern herrscht aufgrund klimatischer Kriterien, Saisonalität und Umweltverschmutzung ein erheblicher Mangel an Trinkwasser (z. B. große Gebiete in Afrika, Asien, dem Nahen Osten).

Gleichzeitig steigt die Nachfrage nach Wasser aufgrund von Bevölkerungswachstum, Intensivierung der Landwirtschaft (Bewässerung) und industrieller Expansion, oft gekoppelt mit der fortschreitenden Verschlechterung der Wassereinzugsgebiete.

Hydrologische Pläne sind eine Reihe von Richtlinien für die Wasserwirtschaft, die sicherstellen sollen, dass die Interessen der Landwirtschaft, Industrie, städtischen Gebiete und der Umwelt in einem nachhaltigen Modell zusammenarbeiten.

Maßnahmen zur rationellen und effizienten Wassernutzung

Allgemeine Maßnahmen

• Schutz von Bächen, Flüssen und Grundwasser vor Verunreinigungen.
• Schutz der Wälder, die den Wasserfluss und den Wasserkreislauf beeinflussen.
• Regulierung der Grundwassernutzung zur Stabilisierung.
• Förderung der Wiederverwertung (Recycling).

Sektorspezifische Einsparungsmaßnahmen

• Landwirtschaft: Vermeidung verschwenderischer Bewässerungssysteme; Förderung von Sprinkler- und Tröpfchenbewässerung, insbesondere in ariden Gebieten.
• Industrie: Nutzung von Prozessen mit geringem Wasserverbrauch und sauberer Produktion; Verwendung von Recyclingwasser in geschlossenen Kreisläufen.
• Städtische Gebiete: Förderung von Einsparungen durch Sensibilisierung der Öffentlichkeit; Einsatz von Niedrigenergiegeräten; Reinigung von Abwasser zur Wiederverwendung (z. B. Bewässerung von Parks und Gärten).

Technische und Rechtliche Maßnahmen

• Technische Maßnahmen: Regulierung der Gewässer durch den Bau von Dämmen und Stauseen; Nutzung des Grundwassers durch Brunnen, Bohrungen und Pumpen; Wassertransfers im Rahmen nationaler Wasserpläne (von Überschuss- zu Mangelgebieten).
• Rechtliche Maßnahmen: Regulierung der Wasserentnahme, Kontrolle der Abfallentsorgung, Wirtschaftlichkeit und Nutzung des Grundwassers (z. B. Spanisches Wassergesetz von 1985).

Grundlegende Elemente eines Aquifers

Ein Parameter ist der numerische Ausdruck einer Variablen eines Systems. Der Zustand der Wasserverschmutzung kann durch eine Reihe von physikalischen, chemischen oder biologischen Parametern ausgedrückt werden.

• Grundwasserspiegel (Piezometrische Fläche): Die Oberfläche der gesättigten Zone des Grundwassers. Dies ist kein statischer Bereich; seine Höhe variiert je nach angesammelter Wassermenge (saisonal, nach Niederschlägen usw.).
• Brunnen (Freier Aquifer): Eine Bohrung in einem freien Aquifer, aus der Wasser durch Pumpen entnommen werden muss.
• Grundwasserleiter (Aquifer): Eine unterirdische geologische Formation, die porös und durchlässig ist und mit Wasser gesättigt ist, was dessen Bewegung und Entnahme ermöglicht.

Einfluss von Meeresströmungen auf das Klima

Der Golfstrom im Nordatlantik, eine warme Oberflächenströmung, beeinflusst die thermischen Eigenschaften der europäischen Atlantikküste stark. Dies führt zu milderen Temperaturen, insbesondere im Winter, während Gebiete auf dem gleichen Breitengrad an der Atlantikküste Nordamerikas niedrigere Temperaturen aufweisen.

Das Phänomen La Niña und die Wasserschichtung

Das dargestellte Phänomen ist La Niña. In den östlichen Teilen des tropischen Ozeans werden die Oberflächenschicht und die Sprungschicht vor der Küste durch Passatwinde, die nach Westen wehen, beeinflusst. Das abfließende Oberflächenwasser wird durch kaltes Tiefenwasser ersetzt, das reich an Nährstoffen ist. Diese Nährstoffe bilden die Grundlage für die Entwicklung wichtiger Fischbestände, weshalb diese Gebiete zu den wichtigsten Fischgründen der Welt gehören. Die trockenen Winde vom Kontinent machen das Klima der angrenzenden Regionen sehr trocken, was zu Wüstengebieten wie der Atacama-Wüste in Südperu und Nordchile führt.

Schichtung des Ozeans

1. Oberflächenschicht: Marine Schicht, die in Bezug auf Temperatur und hydrologische Veränderungen weniger dicht ist, bedingt durch den ständigen Energieaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre. Ihre Mächtigkeit beträgt in der Regel nicht mehr als 500 m.
2. Thermokline (Sprungschicht): Eine Schicht, die einen schnellen Temperaturabfall aufweist. Sie trennt das weniger dichte, weniger salzhaltige Oberflächenwasser vom kühleren, dichteren und salzhaltigeren Tiefenwasser.
3. Tiefenschicht: Eine tiefe Schicht mit kalten Wassermassen, deren Temperatur je nach Breitengrad zwischen 5 °C und 1 °C schwankt. Die Temperaturen bleiben am Meeresboden nahezu konstant.
4. Auftrieb (Upwelling): Dieser Bereich entsteht, wenn Passatwinde das Oberflächenwasser von der Küste wegdrücken, wodurch kaltes, nährstoffreiches Tiefenwasser aufsteigt. Auftriebszonen sind daher oft sehr reich an Fischerei- und Meerespopulationen (z. B. an der Westküste Südamerikas).

Die Strömung des Mittelmeerwassers

Das Wasser des Mittelmeeres hat aufgrund der reichlichen Verdunstung einen hohen Salzgehalt. Es wird dadurch dichter und sinkt ab, fließt am Boden in den Atlantischen Ozean ab. Im Gegenzug strömt weniger dichtes Atlantikwasser als Oberflächenstrom in die entgegengesetzte Richtung in das Mittelmeer.

Grundwasserleiter und Brunnenarten

1. Piezometrische Fläche (Standrohrspiegelhöhe): Die Höhe, die das Grundwasser aus einem geschlossenen (gespannten) Grundwasserleiter unter Druck erreichen würde, wenn es durch eine Bohrung oder natürlich aufsteigen könnte.
2. Geschlossener (Gespannt/Konfinierter) Aquifer: Eine unterirdische geologische Formation, die porös und durchlässig ist und mit Wasser gesättigt ist. Bei gespannten Aquiferen ist der Wasserdruck höher als der atmosphärische Druck.
3. Artesischer Brunnen: Der Brunnenmund liegt unterhalb der piezometrischen Fläche, sodass das Wasser durch natürlichen Druck die Oberfläche erreicht.
4. Normaler Brunnen: Der Brunnenmund liegt über der piezometrischen Fläche. Das Wasser erreicht die Oberfläche nicht von selbst und muss durch Pumpen entnommen werden.

Hauptursachen der Grundwasserverschmutzung

Die wichtigsten Ursachen der Grundwasserverschmutzung sind:

• Punktquellen: Häusliches und industrielles Abwasser, Sickerwasser aus Deponien und Bergwerken usw.
• Diffuse Verschmutzung: Nitrate und andere Produkte aus landwirtschaftlichen Düngemitteln und Pestiziden.

Aquifer: Konzept und wesentliche Elemente

Ein Aquifer ist eine unterirdische geologische Formation, die porös und durchlässig ist und mit Wasser gesättigt ist, was dessen Bewegung und Entnahme ermöglicht.

Wesentliche Elemente eines Grundwasserleiters

• Belüftungszone (Ungesättigte Zone): Der unterirdische Bereich, in dem Wasser vertikal infiltriert.
• Gesättigte Zone: Der Bereich, in dem die Gesteine mit Wasser gesättigt sind.
• Grundwasserspiegel (Wasserstand): Der obere Teil der gesättigten Zone.

Oft liegen unterhalb der gesättigten Zone undurchlässige Schichten.

Beziehung zwischen Aquiferen und Brunnen (A1, A2, A3)

Aquifer-Typen

• A1 (Freier Aquifer): Ein freier Grundwasserleiter, der den Fluss speist. Er ist daher ein Gewässerableiter oder speist das Flussbett.
• A2 (Hängender Aquifer): Ein Grundwasserleiter, der sich an einem Hang befindet.
• A3 (Geschlossener Aquifer): Ein gespannter (konfinierter) Grundwasserleiter.

Brunneneigenschaften

• P1 (Artesischer Brunnen): Das Wasser steigt spontan bis zu einer Höhe (NP) auf.
• P2 (Trockener Brunnen): Ein Brunnen ohne Wasser, da er den Grundwasserspiegel nicht erreicht. Er müsste vertieft werden, um Wasser zu fördern.
• P3 (Pumpbrunnen): Eine Bohrung, bei der eine Pumpe verwendet werden muss, um Wasser zu entnehmen, da sie nur bis zum Grundwasserspiegel gefüllt wäre.

Die Selbstreinigungskraft von Flüssen

Die Selbstreinigung ist der natürliche Prozess, durch den Schadstoffe in einer natürlichen Umgebung (wie einem Fluss) verarbeitet oder eliminiert werden. Dies geschieht durch eine Reihe von physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen, die die Eigenschaften des Wassers wiederherstellen.

Zusammenfassung der Folgen von Ölteppichen auf See

Der Ölteppich im Meer bildet auf seiner Oberfläche eine „Schwarze Flut“, eine zähe Masse, deren Auswirkungen besonders schädlich sind für:

• Fische, die in der Nähe der Oberfläche leben (Atemwegserkrankungen).
• Seevögel (Verlust der Wasserdichtigkeit und der isolierenden Luftschicht).
• Marine Wirbellose, Meeressäuger und Planktonorganismen (Phytoplankton wird isoliert und kann keine Photosynthese betreiben).
• Benthische Organismen.

Darüber hinaus reichern sich krebserzeugende Stoffe aus dem Öl in Muscheln an. Ölteppiche, die die Küste erreichen, verursachen sehr ernste Störungen in Küstenökosystemen: Klippen und felsige Gebiete, Riff-Formationen, Feuchtgebiete und Flussmündungen. Auch verursachen sie schwere wirtschaftliche Schäden für die Fischerei, marine Fischzucht, Aquakultur sowie die Qualität der Strände für die öffentliche Nutzung in den Bereichen Tourismus und Erholung.