Ein Grundwasserleiter, auch Grundwasserhorizont oder Grundwasserträger, ist ein Gesteinskörper mit Hohlräumen, der zur Leitung von Grundwasser geeignet ist.
Begriffsbestimmung: Aquifer und Grundwasserleiter Eine weite Verbreitung hat inzwischen auch der aus dem englischen Sprachraum übernommene Begriff Aquifer ((neu-)lat. „wassertragend“ bzw. „Wasserträger“ aus Wasser und tragen) erfahren; er wurde jedoch nicht in die für Deutschland gültige hydrogeologische Begriffsbestimmung nach DIN 4049-3 übernommen. Obwohl auch in Teilen der deutschen Fachwelt meist als Synonym zum Grundwasserleiter genutzt, umfasst ein Aquifer ausschließlich wassergesättigte Schichtenfolgen. Der Begriff Grundwasserleiter bezeichnet stattdessen einen Gesteinskörper, der geeignet ist, Grundwasser zu leiten, unabhängig davon, ob der Gesteinskörper wassergesättigt ist oder nicht. Diese Definition schließt also auch die ungesättigte Zone mit ein. Die Definition eines Aquifers bezieht sich im Gegensatz dazu nur auf die wassergesättigte Zone bzw. schließt die ungesättigte Zone aus. Daraus folgt, dass beide Begriffe höchstens im Einzelfall als Synonyme gebraucht werden können. Man kann jedoch davon ausgehen, dass bei der Verwendung des Begriffs Aquifer im deutschsprachigen Raum ein Grundwasserleiter gemeint ist.
Arten von Grundwasserleitern und Eigenschaften Es werden drei Arten von Grundwasserleitern unterschieden: Porengrundwasserleiter bestehen aus Locker- oder Festgestein, dessen Porenraum von Grundwasser durchflossen werden kann Kluftgrundwasserleiter bestehen aus Festgestein, sie enthalten durchflusswirksame Klüfte und Gesteinsfugen Karstgrundwasserleiter bestehen aus verkarsteten Karbonatgesteinen mit durchflusswirksamen Verkarstungen
Ein Grundwasserleiter wird geologisch durch wasserundurchlässige Schichten (z. B. Tone) begrenzt, die Aquifugen genannt werden.
Ihre Kenntnis und Erkundung ist wichtig für die Trinkwassergewinnung (siehe dazu Wasserhaltung) und die bergbauliche Grundwasserbeeinflussung (Tagebauentwässerung).
Wichtig für die Nutzung des Grundwassers ist die Permeabilität des Grundwasserleiters, die bei Lockergesteinen von seiner Porosität, bei Festgesteinen von deren Klüftigkeit abhängt. Diese wird im einfachsten Fall durch den Durchlässigkeitsbeiwert bestimmt. Die Transmissivität, definiert als Summe der Produkte von Durchlässigkeitsbeiwert und Mächtigkeit der jeweiligen grundwasserführenden Schichten, ist ein noch besseres Maß, wenn der Grundwasserleiter etwa aus mehreren Schichten unterschiedlicher Permeabilität besteht.Bernward Hölting und Wilhelm Georg Coldewey: Hydrogeologie. Einführung in die Allgemeine und Angewandte Hydrogeologie. Springer-Spektrum, Berlin und Heidelberg, 8. Auflage 2013. ISBN 978-3-8274-2353-5. Abschnitt 3.3.4 Transmissivität, S. 33–34.
Abgrenzung und verwandte Begriffe mini|Querschnitt durch einen typischen Grundwasserleiter|hochkant=1.4
Ein Grundwassernichtleiter () ist ein Gesteinskörper, der kein Grundwasser leitet. Ein Geringleiter () dagegen hat einen sehr geringen Durchlässigkeitsbeiwert, wobei der Übergang zu einem Nichtleiter nicht scharf abgegrenzt ist. Ein den Grundwasserleiter begrenzender Bereich mit schlechter Durchlässigkeit ist ein Grundwasserhemmer. All diesen gemeinsam sind meist geringe Korngrößen und eine geringe Porosität.
Ein Grundwasserkörper ist ein räumlich eindeutig abgrenzbares Grundwasservorkommen, wohingegen der Grundwasserraum den mit Grundwasser gefüllten Gesteinskörper bezeichnet. Die Grundwassermächtigkeit ist als lotrechter Abstand zwischen Grundwasseroberfläche und Grundwassersohle definiert, also zwischen der oberen und unteren Grenze des Grundwasserkörpers.
Des Weiteren unterscheidet man zwischen gespannten und ungespannten Grundwasserleitern, die über die relative Position von Grundwasseroberfläche und Grundwasserdruckfläche definiert sind. Dabei ist die Grundwasserdruckfläche der Bereich, bis zu dem das Wasser entsprechend seinem hydrostatischen Druck in einer freien Grundwassermessstelle ansteigen würde. Insofern dieser Bereich der Grundwasseroberfläche entspricht, handelt es sich um einen ungespannten bzw. freien Grundwasserleiter. Wird der Anstieg des Grundwassers jedoch vor Erreichen der Druckfläche durch eine nicht- bzw. schlechtleitende Schicht unterbunden, so liegt ein gespannter Grundwasserleiter vor. Diese Unterscheidung wirkt sich maßgeblich auf das Verhalten eines Grundwasserleiters bei der Anlage von Grundwassermessstellen sowie der Durchführung von Pumpversuchen und der letztlichen Grundwasserentnahme aus.
Einen Sonderfall des gespannten Grundwasserleiters bilden artesische Grundwasserleiter, bei denen die Druckfläche über dem Erdboden liegt und das Grundwasser somit unter ungespannten Verhältnissen (z. B. durch eine Bohrung) eine Quelle bilden würde.
Nutzung, Risiken Speicherung Aquiferspeicher Aquifere können genutzt werden, um thermische Energie zu speichern und sie so zum Heizen oder Kühlen von Gebäuden verfügbar zu machen. Diese Technologie wird als Aquiferspeicher bezeichnet. Im Englischen werden diese als „“ (ATES) bezeichnet. Dazu wird warmes Wasser aus einem Aquifer z. B. im Winter zum Heizen von Gebäuden verwendet und kühlt sich dabei ab. Dieses abgekühlte Wasser wird in den Aquifer zurückgeführt und kann dann im Sommer wiederum der Gebäudekühlung dienen. Beim Kühlen des Gebäudes kann das Wasser im Nachgang noch zusätzlich, z. B. durch Sonnenkollektoren erwärmt und wieder im Aquifer gespeichert werden. Für dieses Verfahren sind mindestens zwei Brunnen, ein Schluck- und ein Entnahmebrunnen nötig, die je nach Jahreszeit in ihrer Funktion wechseln. In den Niederlanden sind derzeit über 2500 Aquiferspeicher installiert. In Deutschland sind hingegen derzeit nur zwei Aquiferspeicher in Betrieb, (1) Bonner Bogen und (2) Rostock.
In nichtvulkanischen Gebieten können die Temperaturen im Untergrund sehr unterschiedlich sein. Zur Wärmegewinnung aus einem Aquifer sind dann in der Regel tiefere Bohrungen notwendig: für eine wirtschaftliche Stromerzeugung sind Temperaturen über 100 °C erforderlich. Liegen diese vor, so kann Wasser gefördert, abgekühlt und reinjiziert werden. Man spricht dann von hydrothermaler Geothermie.
CO2 Die Speicherung in Aquiferen weit unterhalb einer nutzbaren Grundwassertiefe (ab einer Tiefe von 900 Metern) wird aufgrund des begrenzten Speicherpotentials als Zwischentechnologie für die Vermeidung von CO2-Emissionen bei der Energiegewinnung gesehen.
Im Gegensatz zur Sequestrierungsdauer in Ozeanen (bis zu 10.000 Jahren) kann hierbei mit einer Speicherdauer von über 1 Million Jahren gerechnet werden.
Rohstoffgewinnung Erdgas Die Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit steigt mit zunehmendem Druck und sinkt mit zunehmender Temperatur. Durch die steigende Temperatur in zunehmender Tiefe sinkt die Löslichkeit. In der Summe beider Effekte kann das in Gesteinsporen gehaltene Wasser (Formationswasser) jedoch mit wachsender Tiefe größere Mengen Gas binden. Bei Druckentlastung gast dann ein Teil aus und tritt entweder als freies Gas in die Atmosphäre oder wird bei geeigneten geologisch-strukturellen Voraussetzungen in Lagerstätten gefangen. Der im Formationswasser verbleibende Teil wird als Aquifergas bezeichnet. Hauptproblem bei der Förderung ist die Landabsenkung, wie sie in Japan und Italien beobachtet wurde. Dieser kann jedoch durch Reinjektion des entgasten Wassers begegnet werden.
Trinkwasser mini|hochkant|links|(Trink)wasser aus einem Wasserhahn mini|Eine Ultrafiltrationsanlage zur Trinkwasseraufbereitung
Für Menschen ist nur ca. 1 % des weltweit vorkommenden Süßwassers nutzbar – das entspricht einem Anteil von ca. 0,007 % des gesamten (Salz-, Süß- usw.) Wassers, das auf der Erde überhaupt vorkommt.
Der Anteil von 2,5 % Süßwasser am weltweiten Wasservorkommen befindet sich dabei zu 68,7 % als „gebundenes Wasser“ in den Eisschichten der Polkappen, die restlichen 31,3 % verteilen sich in Aquiferen bzw. sind als Bodenfeuchte gespeichert.Fachabteilung für Hydrologie und Wasserwirtschaft der Christian-Albrechts-Universität Kiel, Seminar Regionale Wasserwirtschaft, SS/2005, Juli 2005, Freya-Elisabeth Hensgens: , S. 1, .1, Einleitung: Wasservorkommen auf der Erde.
Weltweit werden Aquifere in großem Umfang zur Trinkwassergewinnung genutzt. Übersteigt die Entnahme den Zufluss, oder wird nicht erneuerbares fossiles Wasser genutzt, ist eine nachhaltige und dauerhafte Nutzung nicht gegeben., sonnenseite.com, 3. Oktober 2010
Ca. 25 % der Weltbevölkerung erhalten ihr Trinkwasser aus Karst-Aquiferen. Das Institut für angewandte Geowissenschaften am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) veröffentlichte als Projekt der IAH Karst Commission (International Association of Hydrogeologists) im September 2017 auf dem 44. jährlichen Kongress der IAH in Dubrovnik in Ergänzung der 2000 veröffentlichten Grundwasser-Weltkarte (WHYMAP, World-wide Hydrogeological Mapping and Assessment Programme) zusammen mit dem Federal Institute for Geosciences and Natural Resources (BGR) und der UNESCO eine „Weltkarte der Karst-Grundwasserleiter“ (World Karst Aquifer Map).
Bei der Trinkwasseraufbereitung werden Verfahren zur Grundwasseranreicherung in einigen Fällen genutzt: Dabei wird Oberflächenwasser in den Grundwasserleiter re-infiltriert, um die Reinigungswirkung (Entmanganung, Enteisenung, biologischer Abbau) des Untergrundes zu nutzen. Allerdings können dadurch auch Schadstoffe in den Boden eingetragen werden. Diese Schadstoffe müssen dann im weiteren Prozess der Trinkwasseraufbereitung wieder z. B. durch Aktivkohlefilter eliminiert werden. Um den Schadstoffeintrag möglichst gering zu halten, wird das in den Grundwasserleiter infiltrierte Wasser oftmals vorbehandelt.
Bewässerung mini|links|Ein Bewässerungskanal Die Nutzung nichterneuerbaren Wassers für landwirtschaftliche Bewässerung ist aus ökonomischer und ökologischer Sicht sehr umstritten.Deutsch-Arabische Gesellschaft, Kristina Bergmann, Abu Minkar: , d-a-g.de, 18. September 2010.
mini|Wasserspiegel des Ogallala-Aquifers bei Morton, Kansas, USA: in 15 Jahren um ca. 25 m gesunken mini|Wasserspiegel des Ogallala-Aquifers bei Seward/Kansas, USA: im Beobachtungszeitraum während 15 Jahren um ca. 20 m gesunken Der Ogallala-Aquifer in Zentral-Nordamerika wurde ab 1911 zur landwirtschaftlichen Bewässerung genutzt. Da die Menge des entnommenen Wassers schon bald die Menge des zufließenden Wassers überschritt, begann der Wasserspiegel schnell zu sinken. Heutigen Schätzungen zufolge liegt die Quote von entnommenem zu zugeführtem Wasser etwa bei 25, das heißt, dass für 25 Liter entnommenen Wassers nur ein Liter neues Wasser durch Versickerung nachfließt, an manchen Stellen wurde ein Absinken des Wasserspiegels von bis zu 1,50 Metern pro Jahr gemessen. Einige Teile des Aquifers sind somit heute bereits wasserlos; hält diese Austrocknung an, könnte mittelfristig die Landwirtschaft in der Gegend unmöglich werden. Einige Flüsse der Region liegen außerdem teilweise tiefer als der Grundwasserspiegel, was dem Aquifer zusätzlich Wasser entzieht. Noch deutlicher wird die Größenordnung eines derartigen Absinkens des Wasserspiegels, zieht man die Ausdehnung dieses Aquifers (siehe untenstehende Tabelle) in Betracht.
Äußerst problematisch ist die Nutzung von fossilem Grundwasser. Im Westen Ägyptens wurde, nach dem Versiegen der artesischen Quellen in einigen Oasen (Bahariya, Farafra, Abu Minkar, Dahkla und Kharga) der Nubische Aquifer angezapft.Deutsch-Arabische Gesellschaft, Kristina Bergmann: , d-a-g.de, 6. Oktober 2010. In dieser Region ist, aufgrund des vorherrschenden hyperariden Klimas, nahezu keine Grundwasserneubildungsrate vorhanden. Wegen der starken Nutzung der Grundwasserressourcen sank der Grundwasserspiegel des nubischen Aquifers bis 2009 um ca. 60 m.