11.3 Grundwasserhaushalt

11.3.1 Grundwasserhaushaltsgleichung

N = ET + Q d + Q i + R - B

Für langfristige Betrachtungen wird (R - B) = ∆R (in m³) konstant. Die Größe der Grundwasservorratsänderung hängt ab vom Speichervolumen des Grundwasserleiters bzw. des betrachteten Grundwasserkörpers, bestimmt durch Speicherkoeffizient bzw. effektive Porosität, vom Grundwasserstand (-spiegel) und der Fläche der entsprechenden Grundwasseroberfläche (AGW):

Δ R = Δ h · S · A GW hm 3 oder Δ R = Δ h · S mm

Der praktische Nutzen derartiger Abschätzungen liegt in der Vorratsbewirtschaftung von Trinkwassereinzugsgebieten der Wasserwerke (Steuerungsinstrument für Grundwasser-Förderraten).

Einige Begriffe und Erläuterungen zur Wasserversorgung aus DIN 4046 Wasserversorgung:

Trinkwasserbedarf [m³/a]:
Planungswert für das in einer bestimmten Zeitspanne vorausichtlich benötigte Trinkwasservolumen aus öffentlicher Wasserversorgung und Eigenversorgung.
Wasserschutzgebiet:
AGW-Schutz in km², Einzugsgebiet oder Teil eines Einzugsgebietes einer Wassergewinnungsanlage, das zum Schutz des Wassers Nutzungsbeschränkungen unterliegt.
Wasserfassung:
Bauliche Anlage zur Gewinnung von Wasser, z.B. Förderbrunnen, Quellfassungen etc.

11.3.2 Bestimmung der Grundwasserneubildung

Es wird die Grundwasserneubildungshöhe [mm] und -spende [l/(s km²] angegeben.

Die Bestimmung erfolgt mittels:

  • Lysimeter (... genaue Bestimmung, Übertragungsproblem)
  • Bodenwasserhaushalt (Time-Domain-Reflectrometry-Verfahren), Software-Programm GWNB nach Renger & Strebel (Dibbern 1998) (flächen- und zeitdifferenziert)
  • analytischer Abflussganglinienseparation (nicht flächendifferenziert)
  • Wasserwerksdaten: G = QFördermenge / AGW in l/(s km²).

Ist in einem Landschaftsraum der Grundwasserspiegel bekannt, so kann der unterirdische Grundwasserzu- und abstrom über die unterirdische Wasserscheide berechnet werden. Voraussetzung ist, dass zwei Teilstrecken der Wasserscheide längs der Grundströmung senkrecht zu den Potentiallinien verlaufen (= Randstromlinien)

Abb. 11.2: Grundwassereinzugsgebiet mit durchströmter Fläche (F1 bzw. F2 = b ·M). Mit T = kf · M erhält man QGWZ bzw. QGWA = T · b · grad(h).

Unter Hinzunahme der Grundwasservorratsänderung ∆R und dem Grundwasserabfluss Q1 im Vorfluter (Gerinne) berechnet sich die Grundwasserneubildung G nach folgender Haushaltsgleichung:

Grundwasserhaushalt
G = Q GWA - Q GWZ + Q i ± Δ R
G Grundwasserneubildung [mm/d]
QGWA Grundwasserabstrom [mm/d]
QGWZ Grundwasserzustrom [mm/d]
Qi Grundwasserabflusskomponente [mm/d]
∆R Grundwasservorratsänderung

Unter der Vorausetzung, dass die Grundwasserabflusskomponente bekannt ist und der Direktabflussanteil verhältnismäßig niedrig anzusetzen ist, gilt für die Abschätzung/Berechnung des Volumens der Grundwasserneubildung [m³] für eine Zeitspanne t1 - t2:

Grundwasserneubildung
G = t 0 t 1 T · grad h t s t + t 0 t 1 Q out t - Q in t t + A Eu S g t 1 - S g t 0 A Eu
s Wegkoordinate längs der unterirdischen Wasserscheide [m]
Qin Abfluss aus dem vorgelagerten Einzugsgebiet gleich Input über Gerinne ins betrachtete Gebiet
Qout Gebietsabfluss (Vorfluter, Q » Qi) [m³/s]
AEu Gebietsfläche [m²]
Sg gespeichertes Wasservolumen im Grundwasserleiter (=ne · h)
Abb. 11.15: Darstellung eines Grundwasserabschnitts mit Bilanzierungen für das erste und zweite Grundwasserstockwerk (aus DIN 4049-10, 1994).

Die Bilanz für das erste Grundwasserstockwerk aus Abb. 11.15 enthält als positive Bilanzglieder die Grundwasserneubildung aus Niederschlag, aus Influenz und aus Seihwasser sowie Zusickerung, Einleitung und Grundwasserzufluss. Negative Bilanzglieder sind Grundwasseraustritt als Effluenz, Aussickerung, Grundwasserentnahme und Grundwasserabfluss. Ergebnis der Bilanzierung ist die Änderung des Grundwasservorrats.

Für das zweite Grundwasserstockwerk sind Zusickerung, Einleitung und Grundwasserzufluss als positive Beiträge zu verbuchen, Aussickerung, Grundwasserentnahme und Grundwasserabfluss liefern negative Beiträge. Ergebnis der Bilanz ist keine (bzw. verschwindend geringe) Änderung des Grundwasservorrates.

11.3.3 Der Speicherkoeffizient

Der spezifische Speicherkoeffizient SS (m-1) ist das pro Volumen V0 und Standrohrspiegelhöhenänderung ∆h (t) aufgenommene oder freigesetzte Wasservolumen ∆Vw:

S S = Δ V w V 0 · Δ h t

Beachtet man dagegen die gesamte Mächtigkeit eines Grundwasserleiters und bezieht ∆Vw auf die Grundfläche A einer Säule, so erhält man die flächenspezifische Speicherkapazität des Grundwasserleiters, den dimensionslosen Speicherkoeffizienten S (-):

S = Δ V w A · Δ h t oder S S z d z

Somit ergibt sich für den Speicherkoeffizient:

Speicherkoeffizient
gespanntes Grundwasser : S E = ρ · g · M · a + n · b
freies Grundwasser : S = n e ; S SE · M n e
SE Speicherkapazitätsanteil aus elastischen Eigenschaften
ρ Dichte des Wassers
g Erdbeschleunigung
M Mächtigkeit des Grundwasserleiters
a Kompressibilität des Korngerüstes
b Kompressibilität des Wassers

Der Speicherkoeffizient kann aus Pumpversuchen bestimmt werden. Die Größenordnungen für Speicherkoeffizienten für ungespannten Porengrundwasserleiter liegen bei 0,1 - 0,3; für gespannte zwischen 10-5 und 10-3.