Grundwassererkundung

Der größte Teil der flüssigen Süßwasservorkommen befindet sich im Untergrund als Grundwasser gespeichert (99 %). Die regionale Verteilung auf der Erde ist jedoch ungleichmäßig und hängt wesentlich von den klimatischen Bedingungen sowie der geologischen Beschaffenheit des Untergrunds ab. Im Unterschied zu vielen Rohstoffen erneuert sich ein Großteil des Grundwassers im natürlichen Wasserkreislauf durch versickernde Niederschläge oder Infiltration von Oberflächenwasser.

Grundwasserprobenahme im Norden Namibias Quelle: BGR

Nur die genaue Kenntnis der Grundwasservorkommen ermöglicht eine dauerhafte Nutzung bei angepasster Bewirtschaftung. Die Grundwassererkundung geht daher weit über das klassische Abteufen von Bohrungen hinaus und zielt darauf ab, das Grundwassersystem als Ganzes zu verstehen. Wichtige zu bestimmende Kenngrößen sind die räumliche Abgrenzung, die hydraulischen Speichereigenschaften des Wirtsgesteins, die Wechselwirkungen mit Grundwasserleitern im Hangenden oder Liegenden bzw. mit Oberflächengewässern und die räumlichen und zeitlichen Variationen der Grundwasserbeschaffenheit. Zur nachhaltigen Bewirtschaftung müssen außerdem die Grundwasserneubildung, der natürliche Abfluss und Entnahmen durch den Menschen bekannt sein. Eine wichtige Frage für die Nutzung von Grundwasser ist auch dessen Alter, denn tiefe Grundwasserleiter enthalten oft sehr altes oder fossiles Grundwasser, das nicht oder nur teilweise erneuert wird.

Bei der Grundwassererkundung wird heute ein multidisziplinärer Methodenansatz verfolgt, der auf der Analyse der großräumigen Geologie und speziell im Festgestein der tektonischen Verhältnisse basiert. Dabei spielen geophysikalische und fernerkundliche Methoden eine zentrale Rolle. Unter den geophysikalischen Methoden werden elektrische (Geoelektrik) und elektromagnetische (Transienten-Elektromagnetik (TEM) und Aeroelektromagnetik (AEM)) Verfahren am häufigsten zur Erkundung der Grundwasserverhältnisse eingesetzt, da sich Grundwasserleiter, Grundwassergeringleiter und Festgestein oft durch die Messgröße des spezifischen Widerstands bzw. der elektrischen Leitfähigkeit unterscheiden.

Oberflächen-NMR-Messung auf Langeoog Quelle: BGR

In Gebieten, wo Grundwasserkommen an geologische Störungen gebunden sind, werden auch magnetische Methoden eingesetzt, wenn die Störungssysteme mit Kontrasten der magnetischen Suszeptibilität des Gesteins erkannt werden können. Diese geophysikalischen Verfahren können durch Messungen am Boden und durch Messungen aus der Luft (meist mit einem Hubschrauber) angewendet werden. Die Erkundungstiefen reichen von einigen Metern bis in Tiefen von mehreren Kilometern, wobei zur Aquifererkundung in der Regel Tiefen bis in etwa 1000 m in Frage kommen. Die Methode der nuklearmagnetischen Resonanz (NMR) nutzt zur Erkundung des Wassergehalts den angeregten Protonenspin. Dies ist die einzige Methode, die den Wassergehalt im Sediment direkt von der Oberfläche aus messen kann. Die Erkundungstiefe ist allerdings auf rund 100 m begrenzt.

Weitere Daten für die hydrogeologische Erkundung erhält man durch Beobachtungen und Messungen an Bohrungen und Brunnen. Bohrungen werden begleitet durch Bohrlochgeophysik, petrografische Bohrgutansprache, mineralogische Untersuchungen und hydraulische Tests. Bei Letzteren werden mittels Messung der Grundwasserstände die Ergiebigkeit von Brunnen und die Fließeigenschaften des Grundwassers ermittelt. Hydrochemische Analysen liefern nicht nur Informationen über die Grundwassergüte, sondern können mit Hilfe von Isotopenuntersuchungen auch Aufschluss über die Genese des Grundwassers liefern. Altersdatierungen erfolgen über Tritium-, Helium- und Radiokarbonmethoden und ergänzend über das natürlich vorkommende radioaktive Spurenelement Chlor-36 und die Edelgasisotope Argon-39 und Krypton-81.

Messung der vertikalen Strömung in einem Brunnen Quelle: BGR

Zur Datenhaltung und Darstellung werden Datenbanken, kombiniert mit GIS Methoden, verwendet. Die Auswertung erfolgt hauptsächlich digital und zunehmend räumlich in 3D. Sie umfasst alle Bereiche von konzeptionellen hydrogeologischen Modellen bis hin zu numerischen Modellen der Grundwasserströmung und des Stofftransports.

Die BGR arbeitet im Rahmen von Forschungsvorhaben, der Technischen Zusammenarbeit mit Entwicklungsländern oder im Zusammenhang mit Bundesaufgaben gemeinsam mit den geologischen Diensten der Bundesländer. Sie berät ausländische und inländische Institutionen beim Einsatz von Grundwassererkundungsmethoden, bildet ausländische Partner aus und entwickelt anwendungsorientiert Methoden weiter.

Aktuelle Projekte:

• D-AERO: Deutschlandweite Aerogeophysik-Befliegung
• D-AERO-Finsterwalde: Pilotstudie zur aerogeophysikalischen Untersuchung der Finsterwalder Restlochkette
• Erkundung der Grundwassersysteme im Cuvelai-Etosha-Becken (westliches Kalahari-Becken in Angola und Namibia)
• Tiefe Grundwasservorkommen im südlichen Angola (Cuvelai-Becken)
• TZ-Jordanien: Verbessertes Grundwassermanagement als Antwort auf die syrische Flüchtlingskrise
  

Eine Zusammenstellung aller Grundwasserprojekte finden Sie in der deutschen bzw. englischen Projektliste.