Klausurfragen

1. Fahrtvertiefung in Flüssen: Durchfluss wird erhöht, Erosion wird erhöht -> ggf. Problem bei Hochwasser!

2. Flächenversiegelung: Abfluss wird erhöht, die Verdunstung verringert, da das Wasser so schnell weg ist. Das Wasser fließt direkt in die Kanalisation, wird also nicht dem Grundwasser zugeführt.

3. Talsperren: Die Verdunstung wird erhöht, siehe alle möglichen Talsperren im Sommer 2022. Die Sedimentationsrate wird signifikant erhöht, da aufgrund der Verringerung des Gefälles keine oder weniger Erosion stattfindet. Außerdem wird der Abfluss vom Menschen reguliert.

Niederschlag + Zufluss = Abfluss + ETR + S

a) Niederschlag = Abfluss + ETR + S (Zufluss fällt weg)

b) die Speicheränderung S fällt weg.

Ein Wasserlauf, der Wasser aufnimmt und weiterleitet (Fluss)

effluent: Übertritt von Grundwasser in den Vorfluter/ein oberirdisches Gewässer

influent: Übertritt von oberirdischem Gewässer in das Grundwasser

1. Niederschlag

   a) Totalisator: für abgelegende, meist aride Gebiete, nicht-schreibend, ggf. für lange Zeiträume sinnvoll, aber Windfehler, Benetzungsfehler, Verdunstungsfehler

   b) Hellmann’scher Regenmesser für fallenden Niederschlag. Problem: Nur punktuell, große Fehler bei Wind, Benetzung ggf. falsch, Schnee bleibt ggf. an den Seiten hängen, Verdunstungsfehler

   c) Radarmethode: Reflektionsfehler, misst flächendeckend, gibt keine Absolutwerte an

2. Verdunstung

   a) Verdunstungskessel: Oaseneffekt -> möglichst groß wählen! Korrekturfaktor ist nötig.

   b) Piche-Atmometer: geht weniger verloren, dennoch Oaseneffekt

   c) WIld’sche Waage: Einfache Verdunstungswaage, die mit Wasser gefüllt ist. Auch hier Verdunstungseffekt

   d) Lysimeter: ETR kann berechnet werden, kein Oaseneffekt. Aber teuer.

3. Abfluss:

   a) Tracermessung: für Gebirge nützlich, wo viele der anderen Methoden nicht funktionieren

   b) Venturikanal: für kleine und mittlere Durchflüsse, auch bei stark verschmutztem Wasser möglich

   c) Hydrometrischer Messflügel: großer Messbereich, wie eine kleine Schiffsschraube, nur bei geringer Verkrautung und wenig Turbulenzen möglich, sehr genaue Messwerte

   d) Gefäßmessung: Nur für kleine Durchflüsse, recht ungenau

Städte sind Wärmeinseln. Warme Luft kann mehr Feuchtigkeit aufnehmen, was bedeutet, dass sich über der Stadt Wolken bilden können. Diese regnen sich dann auf der windabgewandten Seite der Stadt ab, d.h. Städte haben eine trockenere und eine feuchtere Seite, abhängig von den vorherrschenden WIndrichtung.

1. Evaporation: Verdunstung über freier Oberfläche

2. Transpiration: Verdunstung von Wasser über die Pflanzen, d.h. über deren Spaltöffnungen

3. Interzeption: Verdunstung von Wasser von den Blatt- und Stammoberflächen

Genauigkeit und Aufwand abnehmend:

• Penman-Formel

• Turc-Formel

• Ivanov-Formel

• Haude-Formel

Haude:

Wobei

U = relative Luftfeuchtigkeit

T = Lufttemperatur

f = monatsabhängiger HAUDE-Faktor

es = Sättigungsdampfdruck der Luft über Wasser (temperaturabhängig)

Es gibt wägbare und nicht wägbare Lysimeter (& Großlysimeter, die sind aber selten).

Nicht-wägbar:

-> Bodenfeuchtemesssonden, messen die Bodenfeuchte S

Wägbar:

-> unterkellerte Lysimeter

• nehmen einen Bodenmonolithen (möglichst naturnah und unbeschädigt) aus dem Boden und legen ihn in das Lysimeter hinein

• stehen auf einer Waage

• kann messen: Bodenfeuchte S mittels Massendifferenz, Sickerwasser (unterirdischer Abfluss), ggf. Niederschlag P

• was man berechnen kann: Sickerwasser- und Grundwasserneubildungsraten, ETR

Die potenzielle Verdunstung berücksichtigt nur das Energiedargebot (=meterologische Voraussetzungen), nicht das Vorhandensein von Wasser.

a) Hohes Energiedargebot, da viel Sonne, ABER kein Wasserdargebot -> potenzielle Verdunstung viel höher als die reale Verdunstung

b) geringes Energiedargebot -> niedrige potenzielle Verdunstung, ABER: hohes Wasserdargebot -> dennoch niedrige reale Verdunstung, da keine Energie zur Verdunstung da.

Der Nadelwald hat die höchste Interzeptionsverdunstung, da die Bäume das ganze Jahr über ihre Blätter bzw. Nadeln behalten, während Laubbäume ihre Blätter im WInterhalbjahr verlieren.

Gilt natürlich nur für die genäßigten Breiten.

1. Oberflächenabfluss: reagiert zuerst auf Niederschlagsereignisse, fließt entlang der Geländeoberfläche schnell dem Vorfluter zu

2. Hypodermischer Abfluss/Zwischenabfluss: fließt in der ungesättigten Bodenzone

3. Grundwasserabfluss/Basisabfluss: fließt ins GW, reagiert zuletzt

• Bodenart (Ton hält mehr Wasser auf) -> Saugspannung des Bodens

• Bodenoberflächenbeschaffenheit

• Vegetation

Oberflächenabfluss je nach Vegetation usw. anders. Bei starker Flächenversiegelung gibt es viel Oberflächenabfluss. Er tritt aber als erstes auf, gefolgt vom hypodermischen und dann vom Basisabfluss.

DIe TWL ist im Sommer etwas steiler, ggf. durch die im Osmmer eher auftretenden Starkregenereignisse, während es im WInter weniger, aber stetiger regnet.

Die Art des GWL spielt eine große Rolle.

Bei Porengrundwasserleitern ist die TWL fiel flacher als bei Karstgrundwassserleitern, bei denen das Wasser einfach “durchrauscht”.

TWL und Durchflussganglinienseperationsverfahren.

Bei der TWL werden die fallenden Teile der Durchflussganglinienkurve abgetragen und zusammengesetzt, sodass sie eine fallende Exponentialkurve ergeben. Das ist dann die Trockenwetterfalllinie. Um das echte Grundwasser zu bestimmen, wird der mittlere GW-Abfluss bestimmt.

Hierfür werden zwei Tangenten an die Trockenwetterfallinie angelegt: Einmal zu Beginn der Kurve und einmal am Ende. Der Schnittpunkt beider Tangenten ist der mittlere Grundwasserabfluss und kann abgelesen werden.

Dieser Wert wird nun mit der Größe des Einzugsgebiets und der gemessenen Zeit verrechnet und somit erhält man die Rate der Grundwasserneubildung.

Das Durchflussganglinienseperationsverfahren trägt die höchsten Werte des Abflusses auf der Durchflussganglinienkurve senkrecht ab (Lote fällen). Dann werden jeweils am stärksten und am niedrigsten Durchflussrückgang Tangenten angelegt und verlängert, bis sie sich schneiden. Alle offenen Stellen werden miteinander verbunden und es entsteht eine Art gezackte Linie. Diese Linie ist die Trennlinie, die den Basisabfluss von den anderen Abflüssen trennt. Die abgelesenen Werte werden mit der Größe des Einzugsgebiets und der gemessenen Zeit verrechnet und somit erhält man die Rate der Grundwasserneubildung.

Ein “Leaky Aquifer” ist ein gespannter Grundwasserleiter, der auf mindestens einer Seite an einen Geringleiter angrenzt. Aufgrund der hydraulischen Druckhöhe, die höher als die Obergrenze des Aquifers liegt, strömt das Grundwasser vertikal nach oben durch den Geringleiter in das nächste Grundwasserstockwerk.

Ein schwebender Grundwasserleiter ist eine gesättigte Zone innerhalb einer ungesättigten Zone, die von einem GW-Nichtleiter (=Aquiclude) unterlagert wird.

Es gibt Infiltraions- und Entnahmebrunnen. Bei Entnahmebrunnen entsteht ein "Tal” in den Grundwassergleichen, ähnlich einem Tal bei einer Höhenlinenkarte. Bei einem Infiltraionsbrunnen entsteht ein Berg bzw. Hügel.

Die Fließrichtung lässt sich durch die Grundwassergleichen erkennen, sprich zu welcher Richtung sie ab- bzw. zunehmen. Die FLießrichtung ist in Richtung der abnehmenden Werte der Grundwassergleichen.

Influent bedeutet, dass Wasser vom Vorfluter in das Grundwasser fließt.

Effluent bedeutet, dass das Wasser vom Grundwasser in den Vorfluter fließt.

Erkennen kann man dies in einer Karte, wenn ein Fluss eingezeichnet ist. Wenn von den Grundwassergleichen zum Fluss senkrechte Linien abgetragen werden und diese so aussehen wie auf dem Bild, liegen effluente Verhältnisse vor.

Influente Verhältnisse liegen vor, wenn die Grundwassergleichen so aussehen:

Infiltration von Wasser durch die ungesättigte Zone in die gesättigte Zone.

Prozesse sind:

• die Infiltraion selbst

• in ariden Gebieten: Die Kondensation von Tauwasser

• Wasserauspressung bei der Sedimentation/Versenkung, das ist aber nur für geologisch längere Zeiträume relevant

• juvenile Wässer aus magmatischer Differentiation, auch dies ist nur für geologisch längere Zeiträume relevant

Die Grundwasserneubildung ist gleich dem Basisabfluss RU, man nimmt also die Wasserhaushaltsgleichung P = RO + RU + ETR und stellt nach RU um.

Benötigt werden also P, RO und ETR. Um diese Größen zu messen, kann ein Lysimeter verwendet werden, zum Beispiel für den Niederschlag durch die Gewichtsänderung bei einem wägbaren Lysimeter. ETR kann durch Bodenfeuchtemesssonden, also nicht-wägbare Lysimeter, bestimmt werden.

Wenn kein Interflow vorhanden ist, ist die GWN = Rate des Sickerwassers an der Basis des Bodenmonoliths.

Ansonsten können graphische Verfahren zur GWN-Ermittlung genutzt werden, z.B. das Durchflussganglinienseperationsverfahren oder die TWL.

Die Infiltrationsrate ist von

• Oberflächenbeschaffenheit (Versiegelung, Sättigungsgrad)

• Durchlässigkeitsbeiwert kf = hydraulische Leitfähigkeit

• Saugspannung des Bodens

abhängig.

Nein, nicht alles fließt dem Grundwasser zu. Ein Teil setzt sich auch als Haftwasser an den Körnern oder in den Porenzwischenräumen ab.

Das hydraulische Potential beschreibt den Energiezustand des Wassers an einer bestimmten Stelle.

h = z + psi

Das hydraulische Potential setzt sich aus derm Lagepotential und der Druckhöhe zusammen. Das Lagepotential ist gleich der Wasseroberfläche/-obergrenze, die Druckhöhe ist das, was ggf. darüber liegt.

Das hydraulische Potential wird mithife eines Piezometers gemessen, einer Art Röhre, die den hydrostatischen Druck der Wassersäule misst.

In einem See herrschen ungespannte Verhältnisse. Das Lagepotential ist also gleich dem hydraulischen Potential, die Druckhöhe ist gleich der Wasseroberfläche.

In einem gespannten Aquifer ist das Lagepotential geringer als die Druckhöhe. Die Druckhöhe liegt also oberhalb der Aquiferoberkante. Das hydraulische Potential nimmt in Fließrichtung ab.

Der Speicherkoeffizient eines gespannten Aquifers ist viel geringer als der eines ungespannten Aquifers, da das Wasser eines gespannten Aquifers bereits unter Druck ist, es ist “nicht so viel Platz”. Der Porenwasserdruck ist höher.

Der Speicherkoeffizient eines ungespannten Aquifers entricht in etwa der effektiven Porosität.

Der eines gespannten Aquifers berechnet sich aus der Mächtigkeit des Aquifers und dem spezifischen Speicherkoeffizient.

Pauschal gilt: S = V/(A*deltah)

Im Feld kann der Speicherkoeffizient durch Pumpversuche ermittelt werden, wobei die Reaktion des Aquifers bei Entnahme und Infiltraion beobachtet wird. Die Pegelstandskurve wird dann mit Typkurven verglichen.

An eine mit Sand gefüllte Säule werden auf beiden Seiten Piezometer angeschlossen. Durch die Säule wird eine Wassermenge Q durchgeschleust - das ist die Durchflussmenge. Mit den Piezometern wird der Potentialverlust gemessen. Dieser hängt vom Sandtyp bzw. der Korngrößenverteilung ab.

Der Durchfluss berechnet sich folgendermaßen: Q = kf x I x A

Wobei I = (h1 - h2)/L (hydraulischer Gradient)

Es könnten effluente oder influente Verhältnisse vorliegen. Effluente Verhältnisse liegen vor, wenn das Wasser aus dem Grundwasser in den Vorfluter strömt. Influente Verhältnisse liegen vor, wenn das Wasser aus dem Vorfluter in das Grundwasser strömt.

Grundwasserinfiltration: Wasser, dass nahe dem Vorfluter entnommen wird.

Bei einem gespannten Aquifer nimmt das hydraulische Potential mit der Fließrichtung ab.

Die Darcy-Geschwindigkeit beträgt vf = Q/A

Die Abtsandsgeschwidigkeit beträgt va = vf/ne und berücksichtigt die effektive Porosität.

Die Bahnliniengeschwindigkeit ist noch genauer, kann aber kaum bestimmt werden.

Advektion:

• geradlinige Bewegung des gelösten Stoffs mit der mittleren Abstandsgeschwindigkeit va der Grundwasserströmung

• 𝑗𝑎𝑑𝑣 = 𝑛e ∙ 𝑣𝑎 ∙ c (va = Abstandsgeschwindigkeit, c = Konzentration)

Diffusion:

• das mit dem Teebeutel

• isotroper Ausgleich des Konzentrationsgradienten nach der Brown’sche Molekularbewegung

• j = -ne x Dmeff x c (Dmeff = Dm,0/t, t = Tortosität = 1/neff, Dm,0 = molarer Diffusionskoeffizient für freie Lösung)

Dispersion:

• Anisotroper Ausgleich (ca. 1/10) des Konzentrationsgradienten, bedingt durch verschiedene Fließwege im GWL bzw. Inhomogenität des Aquifers

• 𝑗𝑑𝑖𝑠𝑝 = −𝑛𝑒𝑓𝑓 ∙ 𝐷 ∙ 𝛻c (D = Dispersionstensor)

Reaktiver Stofftransport:

• Sorptionsprozesse

• Fällungs- und Lösungsprozesse

• Radioaktive Zerfallsprozesse

• Mikrobiologisch katalysierte Abbauprozesse

allgemein: Bekämpfung der Fahne und/oder Eliminierung der Quelle und/oder Sanierung am Rezeptor/Pumpbrunnen

spezifischer Volumenstrom = spezifisch nur für eine Raumrichtung!

D.h. qz = Darcy-Geschwindigkeit Q/A = kf x (h1 - h2)/l = 10^-8 x 0,5 = 5 * 10^-9 m/s

1. von rechts nach links, in Richtung des niedrigeren Potentials

2. auch von links nach rechts, in Richtugn des niedrigeren Potentials

1. Mechanische Reinigung: Rechenanlagen, Sandfangrinnen und Vorklärbecken. Hier setzt sich der Schlamm ab, der dann in die Schlammbehandlung gegeben wird.

2. Schlammbehandlung: Der Schlamm wird entwässert und anschließend verbrannt, wobei Wärmeenergie entsteht. DIese wird u.a. zum Heizen genutzt.

3. Biologische Reinigung: Bakterien entfernen in einem anaeroben und einem aeroben Bereich Schadstoffe wie Nitrat, Phosphor und Stickstoff.

4. Die 4. Reinigungsstufe soll mithilfe von UV-Licht das Wasser weiter reinigen, UV-Licht desinfiziert nämlich das Wasser und tötet Viren und Bakterien ab.

1. Dolomit: Mg, Ca und HCO3

2. Gips - Anhydrit: Ca, SO4

3. Halit: Na, Cl

4. Sylvin: K, Cl

Verdunstungsfaktor A = Cl-(Probe)/Cl-(Regen)

Süßwasser hat einen viel geringeren Gesdamtlösungsanteil als Salzwasser.

Süßwasser: bis zu 1000 mg/kg

Salzwasser: bis zu 100000 mg/kg

a) Kalkstein: CaCO3 -> viel Ca2+ und HCO3

b) Dolomit: CaCO3 * MgCO3 -> viel Ca und Mg

c) Sandstein: relativ viel K, wenig CO2

d) Granit: enthält Felspat, daher Na und Ca (Plagioklase)

e) Muschelkalk = enthält Kalk = Ca, Einlagerungen von Salz = Na, Cl-Werte hoch

f) Gipsmergelstein: hohe Leitfähigkeit, hoher Ca- und SO4-Wert

vor allem mit Stoffen aus der Textilindustrie/Textilreinigung, z.B. CHC (carbonated hydrocarbons), aber auch mit Stoffen auss Raffinerien, Schwermetallen aus der Metall- und Elektroindustrie, Nitrat aus der Landwirtschaft…

Redoxzonen im Grundwasser können wichtige Auswirkungen auf die Wasserqualität haben, da sie den Transport von Schadstoffen beeinflussen können. Zum Beispiel können reduzierende Bedingungen in Reduktionszonen dazu führen, dass Schwermetalle oder andere Schadstoffe aus dem Grundwasser entfernt werden, während in Oxidationszonen die Ausbreitung von Schadstoffen begünstigt werden kann.

Jedoch ist es allgemein anerkannt, dass bei ungestörten Bedingungen in einer bodenkundlichen Landschaft eine typische Abfolge von Redoxzonen im Boden und im Grundwasser vorkommt. Diese Abfolge von Redoxzonen wird auch als Redoxsequenz bezeichnet und umfasst typischerweise folgende Zonen, von der Oberfläche nach unten:

1. Oxische Zone: Eine Zone mit hohem Sauerstoffgehalt, in der Oxidationsreaktionen dominieren.

2. Reduktive Zone: Eine Zone mit einem niedrigen Sauerstoffgehalt, in der Reduktionsreaktionen dominieren.

3. Eisenreduktionszone: Eine Zone, in der Eisenverbindungen durch Reduktion gelöst werden, was zu einer charakteristischen gräulichen Färbung führt.

4. Methanogene Zone: Eine Zone mit sehr geringem Sauerstoffgehalt, in der Methan produziert wird.

5. Sulfatreduktionszone: Eine Zone, in der Sulfatverbindungen durch Reduktion gelöst werden, was zu einem charakteristischen sulfidischen Geruch führen kann.

6. Denitrifikationszone: Eine Zone, in der Nitrat durch Reduktion in Stickstoffgas umgewandelt wird.

7. Reduktive Schlammzone: Eine Zone, in der organische Verbindungen unter Sauerstoffmangel abgebaut werden und es zur Bildung von Schlamm kommt.

Wenn Salzwasser in eine Süßwasser-Grundwasseranlage eindringt, verändert sich die chemische Zusammensetzung des Wassers. Der Salzgehalt des Grundwassers steigt, während der Gehalt an gelösten Stoffen wie Magnesium und Kalzium abnimmt. Dies kann zu einer Verschiebung des chemischen Gleichgewichts führen, da der Austausch von Ionen zwischen den verschiedenen Mineralen im Boden und im Grundwasser beeinflusst wird.

Ein weiterer wichtiger hydrochemischer Prozess, der bei der Salzwasserintrusion auftritt, ist die Verschiebung des pH-Werts des Grundwassers. Wenn salzhaltiges Meerwasser in das Grundwasser eindringt, kann dies den pH-Wert des Wassers senken und zu einer Versauerung führen. Dies kann wiederum die Löslichkeit von Schwermetallen im Boden erhöhen und das Wachstum von Pflanzen und anderen Organismen beeinträchtigen.

Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, wie Sie 1,5 Millionen Euro am besten in den Grund- und Trinkwasserschutz investieren können, um eine nachhaltige Wasserbewirtschaftung und Wassersicherheit sicherzustellen. Hier sind einige potenzielle Ansätze:

1. Sanierung von Altlasten und Kontaminationen: Es ist wichtig, dass Sie überprüfen, ob es in Ihrer Region Bereiche mit Altlasten und Kontaminationen gibt, die das Grund- oder Trinkwasser beeinträchtigen könnten. Wenn dies der Fall ist, könnte es sinnvoll sein, einen Teil des Geldes für die Sanierung dieser Gebiete zu verwenden.

2. Förderung von nachhaltigen Landwirtschaftspraktiken: Landwirtschaftliche Aktivitäten sind oft ein wichtiger Faktor für den Zustand von Grund- und Trinkwasser. Durch die Förderung von nachhaltigen Landwirtschaftspraktiken, wie beispielsweise der Reduzierung von Dünger- und Pestizideinsatz, können Sie dazu beitragen, die Wasserqualität langfristig zu verbessern.

3. Bau von natürlichen oder künstlichen Wasseraufbereitungsanlagen: Der Bau von natürlichen oder künstlichen Wasseraufbereitungsanlagen kann dazu beitragen, eine sichere Trinkwasserversorgung zu gewährleisten und gleichzeitig den Wasserbedarf der Region zu decken.

4. Schutz von Feuchtgebieten: Feuchtgebiete spielen eine wichtige Rolle bei der Erhaltung der Wasserqualität, da sie eine natürliche Filterfunktion haben. Durch den Schutz von Feuchtgebieten können Sie dazu beitragen, die Qualität des Grund- und Trinkwassers zu erhalten.

5. Förderung von Maßnahmen zur Wassereinsparung: Die Förderung von Maßnahmen zur Wassereinsparung, wie beispielsweise die Installation von Wasserspararmaturen in öffentlichen Gebäuden oder die Förderung von Regenwassernutzung, kann dazu beitragen, den Wasserverbrauch zu reduzieren und die Nachhaltigkeit der Wasserbewirtschaftung zu verbessern.

6. Ausbildung und Bewusstseinsbildung: Eine wichtige Maßnahme, um eine nachhaltige Wasserbewirtschaftung und Wassersicherheit sicherzustellen, ist die Ausbildung und Bewusstseinsbildung der Bevölkerung. Durch die Förderung von Bildungsprogrammen und Kampagnen zur Sensibilisierung für Wasserprobleme können Sie dazu beitragen, das Verständnis und die Wertschätzung für das kostbare Gut Wasser zu erhöhen.

Letztendlich hängt die Wahl der am besten geeigneten Maßnahmen von den lokalen Gegebenheiten und Bedürfnissen ab. Eine sorgfältige Analyse der Situation vor Ort kann dazu beitragen, dass das Geld effektiv eingesetzt wird, um eine nachhaltige Wasserbewirtschaftung und Wassersicherheit zu gewährleisten.