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Grundwasser 01: Generelle Zusammenhänge über das Grundwasser

Entstehung von Grundwasser durch Sickerwasser und seitliche Auffüllung -- Jahreszeiten und Grundwasserspiegel -- langsame Geschwindigkeit des Grundwassers -- Oasen -- Tonschichten und Lehmschichten -- schwebendes Grundwasser und Quellen -- grosses Sumpftal mit Tonschicht -- artesisch gespanntes Grundwasser -- Fluss "gräbt sich ein" und der Grundwasserspiegel sinkt -- Höhlenbildung -- Hausbau in Grundwasserzonen -- Wasseradern -- Raubbau am Grundwasser durch Industrialisierung -- sinkendes Bangkok

Entstehung von Grundwasser, Schema 02
Entstehung von Grundwasser, Schema 03 ohne Lehmschicht mit Strand und Meer
Starker Regen mit
                          Feld
Starker Regen mit Feld [6]. Der Regen füllt den Grundwasserspiegel auf.



von Michael Palomino (2013)
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zum Teil 2: Verunreinigung, Verseuchung und Versalzung von Grundwasser


Wie Grundwasser entsteht - Wasser, das man nicht sieht

Die Erde besteht nicht nur aus Gestein und Sand, sondern auch aus Höhlen und unterirdischen Kanälen. In diesen unterirdischen, zum Teil riesigen Höhlen sammelt sich durch einen Flusslauf oder nach dem Regen und durch Überschwemmungen das durchsickernde Wasser an, das durch den durchlässigen Boden sickert, vor allem während Überschwemmungen von Wiesen und Feldern. Diese mit Wasser gefüllten Höhlen nennt man "Grundwasser". Der Bereich eines Flusses, der mit durchsickerndem Wasser angereichert ist, heisst "Grundwasserstrom". Besonders viele Höhlen und Wasservorkommen sind in Sandstein und Kalkstein vorhanden, wo sich das Wasser zum Teil selber neue Höhlen schafft.

Je nach Beschaffenheit und Struktur des Bodens sind die Umstände verschieden:


Schema 1: Entstehung von Grundwasser auf dem Land - ohne Lehmschicht im Boden


Entstehung von Grundwasser,
                                        Schema 01
Entstehung von Grundwasser, Schema 01 ohne Lehmschicht auf Prince Edward Island (PEI, bei Neuschottland in Ost-Kanada) [1]

Die Berge bestehen aus hartem Gestein, und der Talboden aus weichem Gestein. Zuerst hat die Erdplattenverschiebung innerhalb von Millionen Jahren die Berge aufgefaltet, und dann hat der Fluss schrittweise die weichen Erdschichten im Tal abgelagert (Sedimente, Sand und Kies). In diesen weichen Schichten befindet sich jeweils eine Menge Grundwasser.
In den Felsspalten und im weichen Sedimentboden versickert jeweils ungefähr 1/3 des Regenwassers, nur ca. 2/3 fliessen mit den Flüssen direkt ins Meer zurück [web01].

Details:

1. Die Wolken regnen vor allem in den Bergen ab. Der Regen erfolgt aber auch im Flachland im Tal. Das Regenwasser versickert. In kalten Gebieten mit Schneefall im Winter versickert dann im Frühling während der Schneeschmelze am meisten und der Grundwasserspiegel ist dann am höchsten, BEVOR die Pflanzen wachsen [web01].

2. Infiltriertes Wasser in den Bergen fliesst im Untergrund zusammen, kommt aber auch an die Oberfläche bildet viele Quellen, so dass Bächlein, Bäche und am Ende ein Fluss entsteht.

3. Anderes infiltriertes Wasser in den Bergen "rutscht" durch innere, kleine Kanäle immer tiefer ins harte Gestein und bleibt unterirdisch in Depots, in Ritzen (cracks) und in porösem Gestein (pores) gespeichert. Die Ritzen im harten Gestein entstehen durch die Temperaturunterschiede von Sommer und Winter oder auch Tag und Nacht.

4. Flusswasser und Regenwasser sickert in den weichen Sedimentboden: Langsam sickert das Sickerwasser an den Sandkörnern und Kieselsteinen vorbei immer weiter abwärts. Diese Zone heisst "Grundwasserstrom" (Englisch: "groundwater flow system") [web01]. Hier reinigt sich das Wasser und wird mit Mineralien angereichert [web05]. Das Sickerwasser reinigt sich an Sand, Kieseln und Kalk [web11], und je tiefer das Wasser sickern kann, desto mehr wird es durch die Steine, die es passiert, mit Mineralien angereichert [web12]. In den Poren der obersten Erdschicht ist aber noch ein Teil Luft und somit ist diese Schicht eine "ungesättigte Zone" (Englisch: "unsaturated zone"). Je nach Durchlässigkeit und Gefälle tröpfelt das Wasser langsamer oder schneller, manchmal nur ein paar Meter pro Jahr. Gleichzeitig saugen die Pflanzen aus dieser ungesättigten Zone ihr Wasser [web01].

Diese Filtrationsschicht kann auch mehrere Schichten umfallen:

Schema mit Schichtungen und
                            Grundwasser: Das Wasser durchläuft mehrere
                            Filtrationsschichten
Schema mit Schichtungen und Grundwasser: Das Wasser durchläuft mehrere Filtrationsschichten [2]


Regen -
                                      Sickerwasser - Grundwasser,
                                      Kinderzeichnung aus
                                      Friedrichsfehn, Deutschland:
Regen - Sickerwasser - Grundwasser, Kinderzeichnung aus Friedrichsfehn, Deutschland [3]

5. Dies ist eine tiefere Schicht Sand und Kies, die mit Sickerwasser nun voll angereichert ist wie ein Schwamm (gesättigte Schicht, englisch: "aquifer"). Hier ist nun keine Luft mehr in den Poren. Es ist die erste Schicht der Grundwasserzone unter dem Grundwasserspiegel (Englisch: "water table"). Der Grundwasserspiegel unter einer Sand-Kies-Schicht ist ein durchlässiger Grundwasserspiegel (Englisch: "permanent water table"), und bei langer Trockenheit, wenn die oberste Sickerschicht austrocknet, ist das Grundwasser nicht gefährdet, im Gegensatz zu einer Lehmschicht. [web01].

6. Schlammschicht der Grundwasserzone mit Grundwasser. Grundwasserführende Bodenschichten werden auch als "Grundwasserleiter" bezeichnet.

7. Untere, gesättigte Grundwasserschicht mit Sand und Kies.

8.
Tief liegende Wasserdepots in Ritzen und Poren der harten Gesteinsschicht der Berge. Im Bereich des Grundwassers ist die Gesteinsschicht der "Boden" des Grundwassers, die "Bodenschicht" [web08] bzw. der "Grundwasserhemmer" (Englisch: "aquitard") [web20]

Wenn eine Lehmschicht vorhanden ist, sickert das Wasser sehr langsam durch den Lehm ins Grundwasser, und die erste, obere Schicht ist dann gesättigt und der Grundwasserspiegel ("water table") quasi undurchlässig (Englisch: "perched water table"). Wenn über einer Lehmschicht im Sommer dann die oberste Schicht austrocknet, ist das Grundwasser generell gefährdet [web01].

Die Anzahl Grundwasserströme pro Fluss kann variieren, oder mehrere Flüsse können auch ein einziges, grosses Grundwassersystem bilden [web01].





Schema 2: Schichtung des Erdbodens in Erdschicht, Sickerschicht, Kapillarschicht, Grundwasserspiegel und Grundwasser


Schema 2: Schichtung des
                                  Erdbodens in Erdschicht,
                                  Sickerschicht, Kapillarschicht,
                                  Grundwasserspiegel und Grundwasser

Schema 2: Schichtung des Erdbodens in Erdschicht, Sickerschicht, Kapillarschicht, Grundwasserspiegel und Grundwasser  [4]

Wir sehen hier das grundlegende Schema der Bodengestaltung in einem mässigen Klima:

Der Regen (Englisch: "rainfall") in dicken blauen Strichen macht die Erde fruchtbar.

1. Erdzone mit Wurzelwerk (Englisch: "soil zone"), wo die Pflanzen im Frühling und Sommer ihr Wasser ziehen und wo es durch die Pflanzen auch verdunstet (in dünnen, blauen Strichen eingezeichnet, Pfeile aufwärts)
2. Sickerzone (Englisch: "intermediate zone"), wo das Wasser versickert (blaue Punkte, Pfeile abwärts)
3. Kapillarsaum (Englisch: "capillary fringe"), gesättigte Gesteinsschicht
4. Grundwasserspiegel (Englisch: "water table", "water level")
5. Grundwasser (Englisch: "ground water").



Schwankender Grundwasserspiegel je nach Jahreszeit (gemässigtes bis alpines Klima mit Schneefall im Winter)


5 Jahreszeiten und Grundwasser: Schneeschmelze - treibender Frühling - Sommer - Herbst - Winter

5 Jahreszeiten und
                          der Schwankung des Grundwasserspiegels
5 Jahreszeiten und der Schwankung des Grundwasserspiegels [5]

Wenn der Jahresablauf in subalpinem Klima aus vier Jahreszeiten mit einem Winter mit Schnee besteht ergeben sich die folgenden Zusammenhänge:

Frühling: In den ersten Frühlingsmonaten erfolgt die Schneeschmelze und viel Sickerwasser versickert in den Erdschichten. Der Grundwasserspiegel nimmt zu und ist Ende Frühling auf einem Höchststand. Dann verbraucht das Pflanzenwachstum das Sickerwasser in der ersten Erdschicht, so dass weniger Wasser bis zum Grundwasser gelangt. Dadurch nimmt der Grundwasserspiegel in den späten Frühlingsmonaten jeweils ab [web01].

Sommer: Im Sommer verdunstet in der ersten Erdschicht weiterhin Sickerwasser durch die höheren Temperaturen und den vermehrten Pflanzenwuchs (Pflanzenatmung). Die Luft ist dadurch im Sommer feuchter, und gleichzeitig nimmt der Grundwasserspiegel bis in den Herbst hinein Schritt für Schritt ab [web01].

Herbst: Das Pflanzenwachstum ist zu Ende und die Temperaturen fallen. Wenn gleichzeitig viel Regen fällt, füllt sich das Grundwasser wieder auf [web01].

Winter: Wenn Schnee fällt, sickert kein Wasser mehr in den Boden, sondern die erste Schicht des Bodens gefriert. Der Grundwasserspiegel nimmt dann während des Winters schrittweise ab [web01].

Schwankungen: Die Schwankungen des Grundwasserspiegels können von Jahr zu Jahr und von Ort zu Ort sehr unterschiedlich sein. Generell ereignen sich die grössten Schwankungen im Oberlauf eines Flusssystems, wo Schwankungen bis zu 5 m oder mehr möglich sind. Im unteren Teil von Flüssen schwanken die Grundwasserspiegel nur noch maximal 1 Meter. Generell sollte nie mehr als 50% des Grundwassers verbraucht werden [web01].

Wenn das Grundwasser hauptsächlich durch seitliche Zuflüsse unter der Erde aufgefüllt wird, oder wenn der Winter ohne Schnee einhergeht und der Boden im Winter nicht gefriert, dann füllt sich das Grundwasser bereits während des regenreichen Winters auf. Dies gilt auch für tropische Klimaten, die nur zwei Jahreszeiten unterscheiden: Trockenzeit (Sommer, mit abnehmendem Grundwasserspiegel) und Regenzeit (Winter, mit zunehmendem Grundwasserspiegel).

Starker Regen mit
                            Feld
Starker Regen mit Feld [6]. Der Regen füllt den Grundwasserspiegel auf.

Verbrauch des Grundwassers: Im subalpinen Klima maximal 50%
Auf einer regenreichen Insel wie Prince Edward Island in Ost-Kanada werden insgesamt nur 2% der Grundwasserreserven genutzt, in Siedlungsgebieten mit Schwerindustrie sind es aber doch schon 50%, das Maximum, was für die Erhaltung der Wasserkreisläufe möglich ist [web01].

Zu hoher Grundwasserspiegel lässt Ernten und empfindliche Pflanzen absterben - eventuell Sumpfbildung
Nach heftigen Regenfällen oder bei zu viel Bewässerung kann der Grundwasserspiegel auch bis an die Wurzelzone der Pflanzen ansteigen. Wenn dies länger anhält, dann dies auf wasserempfindliche Pflanzen und Ernten eine verheerende Wirkung haben [web02].

Wenn der Grundwasserspiegel bis an die Oberfläche tritt (ein "offener Grundwasserspiegel"), so bildet sich ein Sumpf [web02].

Sumpf im
                              Cepkeliu-Reservat in Litauen
Sumpf z.B. im Cepkeliu-Reservat in Litauen [7]. Hier kommt der Grundwasserspiegel an die Erdoberfläche.

Zu tiefer Grundwasserspiegel im Sommer

Wenn der Grundwasserspiegel zu sehr sinkt und die Pflanzen den Kontakt zum Grundwasser verlieren, muss bewässert werden [web02]. Bei der Bewässerung gibt es viele verschiedene Möglichkeiten bis hin zur Tröpfchenbewässerung mit perforierten Schlauchsystemen, um das Wasser möglichst effizient einzusetzen.

Wird nicht bewässert, so trocknen zuerst die Pflanzen mit kurzen Wurzeln aus, also die Wiesen und das Getreide. Bei jahrelanger Trockenheit oder durch Übernutzung sinkt der Grundwasserspiegel dermassen, dass auch die langen Baumwurzeln den Kontakt zum Grundwasser verlieren und absterben.

ausgetrocknete Wiese nahe des
                                    Catheys Valley in Kalifornien
Ausgetrocknete Wiese nahe des Catheys Valley in Kalifornien [z001]. Es ist kein
Sickerwasser in der ersten Erdschicht vorhanden, und bewässert wurde nicht.






Die Grundwasserspiegel müssen genau kontrolliert werden, damit im Zweifelsfall Warnungen zum Wasser sparen ausgegeben werden können (Unterlassen von Autowaschen, Swimmingpool füllen etc.).


Schema 03: Entstehung von Grundwasser ohne Lehmschicht mit Strand und Meer


Entstehung von Grundwasser,
                                  Schema 02

Entstehung von Grundwasser, Schema 03 ohne Lehmschicht mit Strand und Meer [8]

1. Regenfälle

2. Bildung von Quellen

3. Wasser sickert in Ritzen der harten Gesteinsschichten.

4. Regenwasser im weichen, nicht gesättigten  Sedimentboden

5. Grundwasserzone mit gesättigter Erd- und Schlammschicht (englisch: "aquifer")

6. Grundwasser fliesst horizontal abwärts in Richtung tiefer gelegenes Tal.

7. Grundwasser fliesst horizontal in Richtung Meer und entwässert im Meer

8. Salzwasser dringt in die Grundwasserzone in die gesättigte Erdschicht ein.

9. Die Pflanzen ziehen während des Wachstums im späten Frühling und im Sommer viel Sickerwasser hoch.




Schema 4: Geschwindigkeiten von Grundwasser sind sehr, sehr langsam


Schema 4: Die Geschwindigkeiten
                                  des Grundwassers sind sehr, sehr
                                  langsam

Schema 4: Die Geschwindigkeiten des Grundwassers sind sehr, sehr langsam [9]

Das Wasser sammelt sich meistens in den Bergen, wo der meiste Regen fällt (im Schema als Neubildungsgebiet angegeben, Englisch: groundwater recharge area).

1/3 des Regenwassers tröpfelt in den Erdboden (im Schema violett dargestellt).

Wenn das tröpfelnde Regenwasser das Grundwasser-System erreicht (Englisch: Ground Water System) erreicht (mit gesättigter Erde), dann fliesst es sehr langsam seitwärts in geneigter Richtung in Richtung Flusstal. Für lange Distanzen braucht das Grundwasser unter Umständen Jahrzehnte (Englisch: decades), Jahrhunderte (Englisch: centuries) oder 1000e von Jahren (Englisch: millenia).

Das Grundwasser im Tal wird also nicht nur von oben her, sondern auch von der Seite her immer wieder "aufgefüllt", aber nur sehr, sehr langsam.


Schema 5: Wüste mit Oasen mit Grundwasser


Schema 4: Wüste mit Oasen mit
                                  Grundwasser

Schema 5: Wüste mit Oasen mit Grundwasser [10]

Wenn an Orten ohne Regen - oder in der Wüste - Grundwasser entnommen wird, dann sinkt der Grundwasserspiegel ebenfalls, und wird durch seitliche Kanäle im Gestein nur langsam wieder aufgefüllt. Dieses Grundwasser ist absolut kostbar und sollte wirklich nur sehr sparsam verwendet werden.

Szene 1: Ziehbrunnen: In einem Tal wachsen Palmen, deren Wurzeln dort das Grundwasser erreichen. Dort wurde ein Dorf angelegt und ein Brunnen gebaut, der das Grundwasser erreicht. Die Bewässerung erfolgt von Hand. Das Grundwasser ist dabei immer in Gefahr, verschmutzt zu werden, wenn etwas in den Brunnen fällt.

Dieses Grundwasser wird nur seitlich und mit sehr langsamer Geschwindigkeit gespiesen, ist sehr kostbar und sollte nur sparsam verwendet werden.

Ziehbrunnen in der
                            Wüste  Ziehbrunnen in der Wüste in Tunesien
Ziehbrunnen in der Wüste [11+12]

Szene 2: Fluss in der Wüste: Ein Fluss fliesst durch die Wüste, und am Flussufer wachsen Palmen, die mit ihren Wurzeln das Grundwasser erreichen. Am Hang wurde ein Dorf gebaut. Mit dem Flusswasser werden die Felder in der Flussebene bewässert.

Dieses Grundwasser wird vom Fluss und von der Seite her gespiesen und kann in mässigen Mengen verwendet werden, aber nicht zu viel, denn sonst kann der Grundwasserspiegel sinken und auch der Boden sinken. Im Falle, dass der Fluss austrocknet, muss ein Ziehbrunnen gebaut werden.

Szene 3: sprudelnder Brunnen (artesischer Brunnen): Neben Bergen, die regelmässig Regen erhalten, liegt ein Wüstental (diese Situation trifft zum Beispiel in Chile zu). Die kleinen Kanäle mit dem Grundwasser reichen bis ins Tal, wo ein Brunnen durch den Wasserdruck aus dem Gebirge automatisch sprudelt.

Dieses Grundwasser wird aus den Bergen gespiesen, aber die Fliessgeschwindigkeit im Gestein ist immer sehr langsam. Deswegen solle auch dieses Grundwasser nur sparsam verwendet werden, sonst kann der Grundwasserspiegel zurückgehen und sich der Boden senken.




Schema 6: Grundwasserstrom mit Tonschicht / Lehmschicht und Grundwasser darunter


Schema 5: Grundwasserstrom mit
                                  Tonschicht / Lehmschicht, mit
                                  gesättigter Erdschicht darüber und mit
                                  Grundwasser darunter

Schema 6: Grundwasserstrom mit Tonschicht / Lehmschicht, mit gesättigter Erdschicht darüber und mit Grundwasser darunter [13]

Wenn eine Lehmschicht vorhanden ist, dann sind die Schichte komplett anders geschichtet:
1. zuoberst liegt eine lockere Erdschicht mit Sand und Kies (Englisch
2. es folgt eine mit Sickerwasser gesättigte Erdschicht (Englisch: "perched water layer")
3. darunter die Tonschicht / Lehmschicht (Englisch "clay layer"), hier undurchlässige Schicht genannt (Englisch: "compacted layer")
4. darunter eine lockere Schicht mit Sand und Kies
5. der Grundwasserspiegel
6. das Grundwasser.

Das Regenwasser sickert durch die lockere, erste Schicht mit Erde, Sand und Kies (1), staut sich dann in der gesättigten Schicht (2) ÜBER der Tonschicht / Lehmschicht (3). Ein Teil des Sickerwassers sickert dann weiter langsam durch den Ton und erreicht die lockere Sand- und Kiesschicht darunter (4), die relativ schnell durchsickert wird, bis der Grundwasserspiegel (5) und das Grundwasser (6) erreicht sind [web01, web02].

Man spricht auch von zwei Grundwasserspiegeln
-- der erste ist der quasi undurchlässige Grundwasserspiegel ("perched water table")
-- der zweite ist der tiefe, wirkliche Grundwasserspiegel [web01].

Wenn über einer Lehmschicht im Sommer dann die oberste Schicht austrocknet, ist das Grundwasser generell gefährdet [web01].


Diese Schichtung mit einer fast wasserundurchlässigen Lehmschicht dazwischen hat zwei Grundwasserspiegel,
-- die erste gesättigte Schicht (Englisch: "perched water layer") und
-- das wirkliche Grundwasser (Englisch: "groundwater table") [web02].

Die Tonschicht kann unterschiedlich tief liegen. Wenn die Tonschicht dicht unter der Erdoberfläche liegt, besteht bei viel Regen oder bei zu viel Bewässerung das Risiko der Versumpfung [web02].

Die Tonschicht kann auch sehr unterschiedlich gross sein und ist oft lokal auf unter 100 m begrenzt [web02]. In anderen Fällen wie unter der Stadt Bangkok kann sie mehrere Kilometer gross sein.




Schema 7: Gesättigte Schicht mit Tonschicht und Quellenbildung und Grundwasserbrunnen 1


Schema 6: Gesättigte Schicht mit
                                  Tonschicht und Quellenbildung und
                                  Grundwasserbrunnen

Schema 7: Gesättigte Schicht mit Tonschicht und Quellenbildung und Grundwasserbrunnen [14]

Der Regen sickert in die Wiese (dicke, blaue Striche). Das Sickerwasser trifft auf die Tonschicht (1) und bildet einen kleinen, quasi undurchlässigen Grundwasserspiegel (eine "Grundwasserlinse" [web04] oder "schwebendes Grundwasser" auf einem "schwebenden Grundwasserleiter" [web07]) (2). Gleichzeitig geht die Tonschicht bis an einen Abhang, wo das Wasser als Quelle herauskommt und einen kleinen Bach bildet (3). Ein kleiner Teil des Sickerwassers durchdringt auch die Tonschicht (dünne, blaue Striche) und erreicht den grossen Grundwasserspiegel (4) und mischt sich in die Grundwasserzone ein (5). Regenwasser, das neben der Tonschicht versickert, sickert direkt an den Grundwasserspiegel (4) und in die grosse Grundwasserzone (5).

Diese kleinen Lehmschichten (1) mit ihren gesättigten Erdschichten (2) sind sehr wichtig für die Quellenbildung. Da diese kleinen Grundwasservorkommen nahe an der Erdoberfläche liegen, sind sie extrem gefährdet, durch Dünger oder Pestizide oder sonst was verschmutzt zu werden [web03]. Deswegen sollte in Quellgebieten NIE gedüngt oder Pestizide versprayt werden, und schon gar keine Industrie angesiedelt werden (Bergbau).

Im Schema sind zwei Brunnenbohrungen eingezeichnet:
-- eine Brunnenbohrung (6) war erfolgreich und ist auf das Grundwasser des ersten, kleinen Grundwasserspiegels gestossen (Englisch: "successful borehole")
-- die andere Brunnenbohrung (7) ist im Erdreich steckengeblieben und der Brunnen bleibt trocken.

Das Wasser des Brunnens (6) darf nur sparsam verwendet werden, da es sich nur um ein kleines Grundwasservorkommen handelt.

Schema 8: Ein
                            "schwebender Grundwasserleiter"
                            mit "schwebendem Grundwasser" und
                            dem "Hauptgrundwasserleiter", der
                            grossen Grundwasserzone
Schema 8: Ein "schwebender Grundwasserleiter" mit "schwebendem Grundwasser" und dem "Hauptgrundwasserleiter", der grossen Grundwasserzone [15]

Schema 9: Schwebendes Grundwasser
                            und oberflächennahes Grundwasser
                            ("Schichtenwasser")
Schema 9: Schwebendes Grundwasser und oberflächennahes Grundwasser ("Schichtenwasser") [16]


Schema 10: Gesättigte Schicht mit Tonschicht und Quellenbildung und Grundwasserbrunnen 2


Schema 10: Gesättigte Schicht mit
                                  Tonschicht und Quellenbildung und
                                  Grundwasserbrunnen 2, im Berggebiet

Schema 10: Gesättigte Schicht mit Tonschicht und Quellenbildung und Grundwasserbrunnen 2, im Berggebiet [17]

Wir sehen auch in diesem Schema in einer etwas realistischen Darstellung das Prinzip einer kleinen Tonschicht (1), einer Grundwasserlinse (2) und einer Quellbildung (3).

Das Regenwasser sickert bis zur Tonschicht und bildet eine kleine, mit Wasser gesättigte Gesteinsschicht ("Grundwasserlinse"). Das Sickerwasser rechts und links der Tonschicht sickert direkt zum grossen Grundwasserspiegel (4) und ins grosse Grundwassersystem (5). Ein kleiner Teil des Wassers der Grundwasserlinse durchdringt die Tonschicht und erreicht ebenfalls das Grundwassersystem.


Schema 11: Grosses Sumpftal mit Tonschicht, Grundwasservorkommen und Stadt oben drauf


Schema 11: Grosses Tal mit
                                  Tonschicht, Grundwasservorkommen und
                                  Stadt oben drauf, Santa Clara Valley,
                                  Kalifornien, "USA"

Schema 11: Grosses Tal mit Tonschicht, Grundwasservorkommen und Stadt oben drauf, Santa Clara Valley, Kalifornien, "USA" [18]

Solche Täler mit einer dicken Tonschicht dicht unter der Erdoberfläche waren früher Sumpftäler. Sie wurden mit Kanälen trockengelegt, und der Boden ist nicht sehr stabil und für hohe Häuser ungeeignet.

Auch das Grundwasser kann kaum verwendet werden, denn die Tonschicht isoliert das Grundwasser vom Regen-Sickerwasser und das Grundwasser wird hauptsächlich von der Seite her gespiesen:
1. Speisung vom harten Gestein her, Englisch: "bedrock recharge"), und
2. von oben durch direkten Regen, aber nur dort, wo die grosse Tonschicht NICHT existiert, in der direkten Auffüllungszone am Talrand links und rechts (Englisch: "surface recharge zone").

Durch die grosse Tonschicht (3) kommt dagegen kaum Regenwasser durch (die abgeschlossene Wasserzone (4), Englisch: "confined aquifer").

Das heisst, das tiefe Grundwasser (5) in einem grossen, sumpfigen oder trockengelegten Tal mit einer grossen Tonschicht ist hochsensibel und wird nur sehr langsam von den Seiten her (1 und 2) wieder aufgefüllt.

Die Trinkwasserversorgung von Städten und Ortschaften in solchen Tälern muss mit Stauseen (6) erfolgen (Englisch: "reservoir").

Im Santa Clara-Tal in Kalifornien wurde in der Auffüllungszone wurde ein Sickerbecken (7) (Englisch: "percolation pond") eingebaut, um das Auffüllen des Grundwassers zu beschleunigen. Vom sensiblen Grundwasser darf über Brunnenbauten (8) nur wenig tiefes Grundwasser abgezapft werden, weil das Grundwasser ja nur von der Seite in langsamem Tempo wieder aufgefüllt wird.


Schema 12: Grosses Tal mit Grundwasser in Tonschichten und mit artesisch gespanntem Grundwasser


Schema 12: Grosses Tal mit
                                  Grundwasser in Tonschichten und mit
                                  gespanntem, artesischem Grundwasser
Schema 12: Grosses Tal mit Grundwasser in Tonschichten und mit gespanntem, artesischem Grundwasser [19]

Wenn die Tonschichten ganz geschlossen an die Bergränder anschliessen, ist das Grundwasser unter Druck, so dass in der Ebene die Brunnen von alleine aus dem Boden schiessen ("gespanntes Grundwasser") bzw. es ergeben sich dann "artesische Brunnen" durch "artesisch gespanntes Wasser" [web15].

Weitere Details über Zusammenhänge mit dem Grundwasser


Schema 13: Sinkender Fluss "gräbt sich ein" und provoziert einen sinkenden Grundwasserspiegel



Schema 13: Sinkender Fluss
                                  "gräbt sich ein" und
                                  provoziert einen sinkenden
                                  Grundwasserspiegel

Schema 13: Sinkender Fluss "gräbt sich ein" und provoziert einen sinkenden Grundwasserspiegel [20]

Der Grundwasserspiegel im Umkreis eines grossen Flusses wird vom Niveau des Flusses bestimmt.

Gräbt sich der Fluss in einem Gestein ein, dann sinkt auch der Grundwasserspiegel (Abbildung b und c).

Wenn es sich um Kalkstein handelt (Englisch: "limestone") wie zum Beispiel im Jura-Gebirge oder in anderen Mittelgebirgen, werden Zwischenräume frei und es bilden sich Stalagmiten und Stalagtiten (c).

Das Grundwasser löst zum Teil den Kalkstein auf und bildet neue Höhlen. Wenn dann der Grundwasserspiegel sinkt, wird die Höhle frei [web16].

Schema 14:
                            Höhlenbildung durch Grundwasser im
                            Kalkstein
Schema 14: Höhlenbildung durch Grundwasser im Kalkstein [21]

Der Vorgang eines sinkenden Grundwasserspiegels ergibt sich auch dann, wenn ein Fluss kanalisiert und "tiefergelegt" wird. Bäume, die ihre Wurzeln nicht verlängern können, sterben dann reihenweise ab. So geschah es zum Beispiel beim Bau des Rhein-Kanals zwischen Basel und Freiburg im Breisgau, wo nach dem Bau des Rhein-Kanals auf der französischen Seite langsam aber sicher alle Birken abstarben.




Schema 15a+15b: Haus in Ex-Grundwasserzone



Schema 15a+15b:
                                  Haus in Ex-Grundwasserzone

Schema 15a+15b: Haus in Ex-Grundwasserzone [22]

Wer ein Haus mit Keller (Untergeschoss) baut, muss wissen, wo der Grundwasserspiegel liegt, und ob sich Lehmschichten im Boden befinden, damit das Haus trocken bleibt (erstes Bild).

Es gibt Grundstücke, wo der Grundwasserspiegel sehr schwankt. Dauernde Probleme mit der Entwässerung sind die Folge [web06]. In solchen Zonen mit grossen Schwankungen sollte man also keine Häuser bauen sondern den Boden der Landwirtschaft überlassen.

Wenn ein Haus an einem Fluss steht, so besteht dauernd die Gefahr, dass Grundwasser in den Keller eindringt.

Wenn der Fluss kanalisiert wurde und der Fluss "tiefergelegt" wurde, so ist auch der Grundwasserspiegel "tiefergelegt".

Wenn nun durch den Klimawandel die Wolken immer mehr Regen abgeben und die Flüsse oft grosse Überschwemmungen provozieren, so wird der Grundwasserspiegel dabei wieder aufgefüllt und erhöht sich, so dass viele Keller dann unter Schimmel und Feuchtigkeit leiden oder sogar unter Wasser stehen und Pumpen installiert werden müssen (zweites Bild). Dies ist zum Beispiel an den deutschen Flüssen Rhein, Main und Mosel der Fall. Die Massnahmen sind u.a. eine Abdichtung des Kellergeschosses mit Bitumen ("schwarze Wanne") oder mit wasserundurchlässigem Beton ("weisse Wanne") [web09].



Schema 16: Haus in wasserführender Lehmschicht gebaut


Schema 16: Haus in
                                  wasserführender Lehmschicht gebaut

Schema 16: Haus in wasserführender Lehmschicht gebaut [23]

Wenn ein Haus in einer wasserführenden Lehmschicht gebaut wurde, dann wird der Keller dauernd von Wasser umspült und liegt quasi in einem Sumpf.

Manchmal ergibt ein Klimawandel, dass ein Haus sich plötzlich in einer solchen Position in einem Sumpf befindet, zum Beispiel beim Auftauen des Permafrostbodens in den Polarzonen in Russland, China, Kanada und Alaska. Die Häuser sinken dann langsam immer mehr in den Boden oder stehen auch schräg.


Grundwasserkanal unter dem Haus - die "Wasserader"

Unterirdische Grundwasservorkommen werden auch "Wasseradern" genannt, wenn sie sich in engen Kanälen bewegen. Da das Wasser mit grossem Druck vorwärtsgepresst wird und sich am Sand und an den Kieseln reibt, ist das Wasser in solchen Grundwassergängen jeweils geladen und gibt eine Strahlung ab. Diese Strahlung kann für Menschen unangenehm werden, wenn das Haus auf einer solchen "Wasserader" steht. Es müssen dann Isolationsmassnahmen ergriffen werden, um die Wasserstrahlung zu neutralisieren [web12].


Zeichnung mit Wasseradern in der
                                Ebene mit Haus, Strasse und
                                Wasseraderkreuzung
Zeichnung mit Wasseradern in der Ebene mit Haus, Strasse und Wasseraderkreuzung [z004]

Bettruhe über einer Wasserader sollte unbedingt vermieden werden. Vor dem Bau eines Hauses sollte mit einem Wünschelrutengänger abgeklärt werden, ob auf dem Grundstück Wasseradern existieren, damit das Schlafzimmer nicht über einer Wasserader gebaut wird. Mögliche Krankheiten durch Wasseradern und deren Strahlung können sein: Gelenkschmerzen, Gicht, Rheuma, Ischias, Migräne, Schlafstörungen, Schwermut, Verspannungen und Müdigkeit [web12].



Raubbau am Grundwasser


Schema 17: Raubbau am Grundwasser durch Industrialisierung, Zerstörung von Lebensräumen


Schema 17 mit Raubbau am
                                  Grundwasser durch Industrialisierung

Schema 17 mit Raubbau am Grundwasser durch Industrialisierung [24]

Wenn der Boden ein Kalkboden ist, dann kann der Grundwasserspiegel sinken, aber der Boden sinkt nicht, sondern gibt "nur" Höhlen frei.

Im Schema 17 sehen wir die Landschaft vor der Industrialisierung mit einem hohen Grundwasserspiegel
-- mit einer Aue (Au-Bereich)
--  mit einem Fluss mit einem natürlichen Flussbett
-- mit einer Feuchtwiese, die vom Grundwasserspiegel gespiesen wird
-- und mit einer Bodenschicht (Ton, Lehm oder undurchlässiges Gestein).

Grundwasser "trägt zur Erhaltung von Feuchtgebieten und Flussläufen bei und gleicht in niederschlagsarmen Zeiten den Wasserhaushalt im Boden aus. [...] Der Grundwasserleiter stellt im Wechsel feuchter und trockener Jahreszeiten und Jahre einen vorzüglichen Wasserspeicher dar, da der Abfluss sehr verzögert ist." [web14]

Die Industrialisierung bewirkt nun
-- die Versiegelung des Bodens, so dass der Grundwasserspiegel viel weniger Sickerwasser erhält
-- die Feuchtwiese wurde trockengelegt oder trocknete durch den sinkenden Grundwasserspiegel automatisch aus
-- ein Brunnen zieht riesige Mengen Grundwasser aus dem Boden, was lokal zu einer enormen Abnahme des Grundwasserspiegels führt
-- der Fluss wurde kanalisiert und "tiefergelegt", was wiederum einen tieferen Grundwasserspiegel bewirkt
-- insgesamt liegt der Grundwasserspiegel nun viel tiefer und Bäume sterben ab, da ihre Wurzeln nicht nachwachsen können, die Flussaue mit all ihrem Artenreichtum, Brutplätzen und Laichplätzen ist zerstört.

Generell hat ein sinkender Grundwasserspiegel verheerende Auswirkungen bei Trockenheit (Beispiel Region Vogelsberg, Hessen, Deutschland):
-- Grundwasserspiegel können bei intensiver Brunnenbenutzung um mehr als 40 m absinken (z.B. im Gewinnungsgebiet Kohden in Hessen, Deutschland)
-- bei trockenen Sommern ist keine Wasserreserve durch das Grundwasser mehr vorhanden und Quellen, Bäche, Teiche, Moore und Feuchtgebiete trocknen dann aus und der Oberboden verdichtet sich unwiederbringlich "bis hin zur Wasserundurchlässigkeit"
-- im Extremfall versiegen - wie in der Region Vogelsberg in Hessen in Deutschland - ganze Bäche und bestehen nur noch aus trockenen Bachbetten, oder Feuchtgebiete verlieren ihren Grundwasseranschluss und ganze Naturräume trocknen aus, Wassertiere und Wasservögel sind dort ausgestorben
-- es kommt zu Setzungsschäden (Absenkungen) und zu Staunässe nach Bodensenkungen, es entstehen Setzungstrichter, Bodenssetzungen auf landwirtschaftlichen Flächen
-- Häuser bekommen durch Setzungsschäden Risse.



Schema 18: Raubbau am Grundwasser: Sinkende Stadt Bangkok auf einer Tonschicht - und weitere sinkende Städte


Schema 19: Sinkendes Bangkok auf
                                  einem Sumpfboden mit Tonschicht und
                                  Raubbau am Grundwasser
Grosses Tal mit Tonschichten und Grundwasservorkommen, sinkende Stadt [10]

Schema 18: Sinkendes Bangkok auf einem Sumpfboden mit Tonschicht und Raubbau am Grundwasser [25]

Die Stadt Bangkok steht auf einer Tonschicht, betreibt aber gleichzeitig einen exzessiven Raubbau am Grundwasser, so dass die ganze Stadt um 5 bis 10 cm pro Jahr sinkt

Solche Täler mit einer grossen Tonschicht oder Lehmschicht neigen zur Bildung von Sumpfland und grossen Seen oder Seenplatten. Die Menschen haben mit Kanälen diese Sümpfe zum Teil trockengelegt und Städte auf den weichen, trockengelegten Sumpfboden gebaut, und waren noch stolz darauf. Zuerst waren es Holzhäuser, die vom weichen Boden getragen wurden. Schwere Steinhäuser und Wolkenkratzer trägt der weiche, trockene Sumpfboden aber nicht. Deswegen sinken in Mexiko City reihenweise Häuser in den Sumpfboden und auch die gesamte Stadt sinkt.

Beispiel Bangkok (Schema 18)
In Bangkok sind schwere Bauten heute mit langen, 15 m langen Pfählen auf der harten Tonschicht abgestützt. Gleichzeitig hat die Regierung von Bangkok einen grossen Teil der Trinkwasserversorgung auf der Basis des Grundwassers installiert, und ausserdem hat die Regierung der Industrie erlaubt, das Grundwasser in grossem Stil zu verbrauchen in der Meinung, es komme nicht drauf an. Das Resultat ist eine sinkende Stadt Bangkok:
-- der Grundwasserspiegel sinkt
-- die grosse Lehmschicht sinkt mit
-- und die ganze Stadt Bangkok sinkt, je nach Stadtteil mehr oder weniger, vor allem aber dort, wo die Industrie direkt Grundwasser entnimmt.

Beispiel Shanghai
In Shanghai sinkt die Stadt schon seit 1900, weil die Häuser immer schwerer werden und weil zu viel Grundwasser entnommen wird:
-- der Grundwasserspiegel sinkt
-- und die ganze Stadt Shanghai sinkt. Eine Wasserversorgung mit Oberflächenwasser ist nicht vorhanden.

Massnahmen für sinkende Städte
Wir sehen, wenn Bangkok nicht versinken will, dann muss die Stadt umgehend eine Wasserversorgung von aussen her mit Stauseen und geklärtem Flusswasser aufbauen, damit kein Grundwasser mehr konsumiert wird. Flüsse müssen generell sauber gehalten werden, damit das Flusswasser auch an den Unterläufen für Trinkwasser brauchbar ist. Ausserdem scheint die Verlegung grosser Teile der Stadt auf sicheren Boden angebracht, um die Tonschicht und den Sumpfboden generell zu entlasten, und an den durchlässigen Zonen muss Landwirtschaftszone sein, um das Grundwasser möglichst auch von oben her wieder aufzufüllen. Dasselbe gilt auch für das sinkende Shanghai, das sinkende Mexiko City und für ca. 50 weitere sinkende Städte in China.

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Quellen
[web01] Prince Edward Island: Groundwater: http://www.gov.pe.ca/environment/index.php3?number=1015822&lang=E
[web02] Soil and water: http://www.fao.org/docrep/R4082E/r4082e03.htm
[web03] Perched ground water: http://www.dwa.gov.za/Groundwater/Groundwater_Dictionary/index.html?introduction_perched_groundwater.htm
[web04] Hängender Grundwasserleiter: http://hydrologie.org/glu/IT/GF0891IT.HTM
[web05] Grundwasser: http://www.grundschule-friedrichsfehn.de/projekte/wassertropfen/wasserreinigung/grundwasser.html
[web06] Seasonal high water table in Lake County: www.lakecountyohio.gov/swcd/Landowners/HighWaterTables.aspx
[web07] schwebendes Grundwasser: http://www.geodz.com/deu/d/schwebendes_Grundwasser
[web08] Fachdokumente zu Altlasten: http://www.fachdokumente.lubw.baden-wuerttemberg.de/servlet/is/10105/mtbe0012.html?COMMAND=DisplayBericht&FIS=161&OBJECT=10105&MODE=BER&RIGHTMENU=null
[web09] http://www.wuerzburg.de/de/themen/umwelt-verkehr/wasserrechtgewaesserschutzwasserwirtschaft/grundwasser/15316.Bauen_und_Grundwasser.html
[web10] Schutzgemeinschaft Vogelsberg e.V.: Wasserraubbau: www.sgv-ev.de/page/index.php?page=wasser&cur=raub

[web11] Grundwasser: http://www.primolo.de/archiv/grugro/hp_innen6.htm
[web12] Informationen zu Wasseradern: http://www.rutengaengeraktuell.de/infos/wasseradern/wasseradern.html
[web13] http://www.land-oberoesterreich.gv.at/cps/rde/xchg/ooe/hs.xsl/18696_DEU_HTML.htm
[web14] Grundwasser: www.lanuv.nrw.de/wasser/grundwasser.htm
[web15] Grundwasser im grossen Tal in Tonschichten mit artesisch gespanntem Grundwasser:
http://www.wwa-an.bayern.de/wasser_erleben/lehrpfade/burghaslach/stationen/index.htm
[web16] Groundwater: http://earthsci.org/education/teacher/basicgeol/groundwa/groundwa.html
[web17] Grundwasserreinigung mit reaktiver Wand: www.bafu.admin.ch/in_situ_sanierung/04107/04121/04131/04316/index.html?lang=de
[web18] Our groundwater, California: http://www.watersavingtips.org/groundwater.html
[web19] Battling seawater intrusion in the Central & West Coast Basins: http://www.wrd.org/engineering/seawater-intrusion-los-angeles.php
[web20] Groundwater: http://earthsci.org/education/teacher/basicgeol/groundwa/groundwa.html

[web21] Saltwater intrusion: http://en.wikipedia.org/wiki/Saltwater_intrusion
[web22] Salzwasserintrusion: http://de.wikipedia.org/wiki/Salzwasserintrusion
[web23] Müllhalde mit giftigem Sickerwasser in Wuppertal: http://www.wuppertal.de/rathaus-buergerservice/umweltschutz/boden/102370100000277898.php

Fotoquellen
[1] Schema 1: Entstehung von Grundwasser, Schema 1: http://www.gov.pe.ca/environment/index.php3?number=1015822&lang=E
[2] z004: Schichtungen und Grundwasser: http://www.land-oberoesterreich.gv.at/cps/rde/xchg/ooe/hs.xsl/18696_DEU_HTML.htm
[3] z001: Regen - Sickerwasser - Grundwasser, Kinderzeichnung aus Friedrichsfehn, Deutschland:
http://www.grundschule-friedrichsfehn.de/projekte/wassertropfen/wasserreinigung/grundwasser.html
[4] Schema 2: Schichtung des Erdbodens in Erdschicht, Sickerschicht, Kapillarschicht, Grundwasserspiegel und Grundwasser: th.wikipedia.org/wiki/น้ำบาดาล
[5] z040: 5 Jarheszeiten: Schneeschmelze - treibender Frühling - Sommer - Herbst - Winter:
-- 4 Jahreszeiten in Bad Waldsee: http://www.fotocommunity.de/pc/pc/display/26765106
-- Schneeschmelze auf dem Golfplatz St. Michael in Lungau: http://www.meinbezirk.at/sankt-michael-im-lungau/magazin/schneeschmelze-im-lungau-d143829.html
[6] starker Regen mit Feld: http://putzlowitsch.de/2012/06/30/autofahrt-mit-hindernissen-aste-auf-der-strase/
[7] z040 Sumpf im Cepkeliu-Reservat in Litauen: http://de.wikipedia.org/wiki/Sumpf
[8a] Schema 3: Entstehung von Grundwasser, Schema 2: http://www.ec.gc.ca/eau-water/default.asp?lang=En&n=300688DC-1
[8b] Wolken: http://de.123rf.com/photo_10422366_set-der-comic-stil-sprechblasen.html
[9] Schema 4: Strömungsgeschwindigkeiten des Grundwassers, Schema: http://pubs.usgs.gov/gip/gw_ruralhomeowner/
[10] Schema 5: Wüste und Oasen mit Grundwasser:
http://www.klett-pressebox.de/sixcms/list.php?page=miniinfothek&node=Oasen&miniinfothek=Religion%20Infothek&article=Infoblatt+Oasen

[11] z014: Ziehbrunnen in der Wüste: http://www.pixelio.de/search/ziehbrunnen
[12] z015: Ziehbrunnen in der Wüste, Tunesien: http://www.1000urlaubsideen.de/individualreisen/kamel-trekking-steppen-loudais-bis-zu-hohen-dunen-awinsabat
[13] Schema 6: Grundwasserstrom mit Tonschicht und Grundwasser: http://www.fao.org/docrep/R4082E/r4082e03.htm
[14] Schema 7: Grundwasserstrom mit kleiner Tonschicht und Quelle obendrüber:
http://www.dwa.gov.za/Groundwater/Groundwater_Dictionary/index.html?introduction_perched_groundwater.htm
[15] z002: Schema eines schwebenden Grundwasserleiters mit schwebendem Grundwasser:
http://www.geodz.com/deu/d/schwebendes_Grundwasser
[16] z007: schwebendes Grundwasser und oberflächennahes Grundwasser ("Schichtenwasser"):
http://www.stadtentwicklung.berlin.de/umwelt/wasser/hydrogeo/de/gw_gleichen.shtml
[17] Schema 8: Grundwasserstrom mit kleiner Tonschicht und Quelle obendrüber 2: http://hydrologie.org/glu/IT/GF0891IT.HTM
[18] Schema 9: Grosses Tal mit Tonschichten, Grundwasser und Stadt oben drauf, Santa Clara Valley, Kalifornien: http://www.museumca.org/creeks/z-groundwater.html
[19] Tal mit Tonschichten und gespanntem Grundwasser: http://www.wwa-an.bayern.de/wasser_erleben/lehrpfade/burghaslach/stationen/index.htm
[20] Schema 11: sinkender Fluss im Kalkgebirge mit sinkendem Grundwasserspiegel, Höhlen im Kalkgebirge werden freigelegt:
http://www.museumca.org/creeks/z-groundwater.html

[21] z010: Höhlenbildung durch Grundwasser: http://earthsci.org/education/teacher/basicgeol/groundwa/groundwa.html
[22] Schema 12a+12b: Wohnhaus in Ex-Grundwasserzone: http://www.lakecountyohio.gov/swcd/Landowners/HighWaterTables.aspx
[23] Schema 13: Wohnhaus in wasserführendem Lehmboden: http://www.lakecountyohio.gov/swcd/Landowners/HighWaterTables.aspx
[24] Schema 14: Raubbau am Grundwasser durch Industrialisierung: http://www.sgv-ev.de/page/index.php?page=wasser&cur=raub
[25] Schema 15: sinkendes Bangkok: http://www.museumca.org/creeks/z-groundwater.html, Bearbeitung von Michael Palomino

[z001] ausgetrocknete Wiese nahe des Catheys Valley in Kalifornien:
http://de.123rf.com/photo_656809_red-landwirtschaftlichen-gebauden-gegen-trockene-ausgetrocknete-h-gel-morgan-hill-kalifornien-usa.html
[z002] abgestorbener Baum in einer Savanne und Wüste: http://de.123rf.com/photo_1638516_frau-am-anfang-der-roten-w-ste-d-ne-whit-abgestorbener-baum.html
[z003] Zeichnung mit Wasseradern im Gebirge: http://vitalist.info/das-konnen-wir-fur-sie-tun/erdstrahlen-geopathogene-strahlung/wasseradern/
[z004] Zeichnung mit Wasseradern in der Ebene mit Haus, Strasse und Wasseraderkreuzung: http://www.rutengaengeraktuell.de/infos/wasseradern/wasseradern.html


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