Salzwasserintrusion

Salzwasserintrusion ist das Eindringen von Salzwasser in Süßwasser-Aquifere. Dieser Vorgang spielt sich wegen des Dichteunterschieds von Salz- und Süßwasser auf natürliche Weise an fast allen Küsten ab. Ebenfalls auf natürliche Weise können Sturmfluten die Intrusion von Salzwasser in küstennahe Bereiche verursachen.^[1] Salzwasserintrusion ist in fast allen Küsten-Aquiferen verbreitet, die an das Meerwasser angrenzen. In vielen Fällen wird dieser Vorgang darüber hinaus heute durch Grundwasser-Förderung aus küstennahen Brunnen erzeugt^[2] oder durch den Bau von Schiffahrtskanälen verursacht. Die Kanäle bieten dem Salzwasser eine Möglichkeit, mit Süßwasser in Küstenebenen in Berührung zu kommen.

Auswirkungen auf das Trinkwasser

Wenn Grundwasser durch Entnahme schneller entfernt wird, als es nachfließen kann, wird der Grundwasserspiegel abgesenkt. Diese Absenkung verringert den hydrostatischen Druck. Geschieht dies in der Nähe einer Meeresküste, so wird der unterirdische Zufluss von Wasser aus dem Meer möglich, und das Grundwasser wird mit Salzwasser verunreinigt. Dieser Vorgang spielt sich heute in zahlreichen Küstenorten ab, zum Beispiel in den Küstenstaaten der Vereinigten Staaten.^[3][4]

Hydrologie

Salzwasserintrusion ist in vielen Grundwasserkörpern in der Nähe des Ozeans auch in nicht durch Grundwasserentnahme gestörtem Zustand ein normaler Vorgang. Das Salzwasser hat eine höhere Dichte als das Süßwasser, so dass in der Druck unter einer Salzwassersäule etwas höher ist als unter einer gleich hohen Süßwassersäule. Falls der Grundwasserkörper und der Salzwasserkörper miteinander verbunden sind, führt dies in der Tiefe zu einem Wasserfluss vom dichteren (Salzwasser) zum weniger dichten (Süßwasser) Medium, bis die Druckverhältnisse ausgeglichen sind.

Dieser landwärts gerichtete Ausgleichsfluß von Salzwasser ist beschränkt auf Gebiete in der Nähe der Küste. Weiter landeinwärts ist der Stand des Grundwassers höher, da die Landoberfläche dort in der Regel höher ist, so dass der höhere Druck des Süßwassers dort ausreicht, dem landwärts gerichteten Druck des Salzwassers zu widerstehen. Der höhere Wasserstand des Süßwassers weiter landeinwärts erzeugt darüber hinaus eine ozeanwärts gerichtete Strömung im oberen Teil des Aquifers. An der Land-Meer-Grenze fließt so im höheren Teil des Aquifers Süßwasser meerwärts, im unteren Teil befindet sich Meerwasser im hydrostatischen Gleichgewicht mit dem darüberliegendem Süßwasser. Die Salzwasserintrusion ist somit keilförmig.

Die Entnahme von Süßwasser aus dem Aquifer stört dieses Gleichgewicht dadurch, dass sie den Druck des Süßwassers verringert, so dass Salzwasser landwärts vordringt. Dies kann dazu führen, dass das Salzwasser die Entnahmestellen erreicht, so dass diese Brackwasser produzieren und für Trinkwasser- oder Bewässerungszwecke nicht mehr brauchbar sind. Zur Verhinderung solcher Effekte wird das Grundwasser in Küstennähe in vielen Ländern intensiv überwacht, und der Fluss des Grundwassers wird durch numerische Modelle eingeschätzt.

Die Ghijben-Herzberg-Gleichung

Die Abbildung zeigt die Ghyben-Herzberg-Beziehung (auch Formel), dabei ist h die Dicke der Süßwasserzone über dem Meeresspiegel und Z die Dicke unter dem Meeresspiegel.^[2]

Die erste physikalische Formel zur Berechnung der Salzwasserintrusion wurde unabhängig voneinander 1888 - 1889 von den beiden holländischen Militärs J. Drabbe und Willem Badon Ghyben (1845–1907, auch Willem Badon Ghijben geschrieben) sowie 1901 vom deutschen Baurat Alexander Herzberg beschrieben.
Sie entwickelten dabei analytische Lösungen zur möglichst gut angenäherten Beschreibung des Verhaltens von intrudierendem Salzwasser, basierend auf einer Reihe von Annahmen, welche allerdings nicht in allen Fällen zutreffen.
Die von ihnen gefundene Formel wird als Ghijben-Herzberg-Gleichung bezeichnet^[5], vereinzelt auch als DGH-Effekt^[6]. Der Effekt folgt dem archimedischen Prinzip.^[7]

Die Abbildung verdeutlicht die Formel: $z = \frac{ \rho f} {(\rho s-\rho f)} h$; dabei stehen

• h: für die Höhe des Süßwassers oberhalb des Meeresspiegels
• z: für die Höhe des Süßwassers unterhalb des Meeresspiegels

Die beiden Werte h und z sind über ihre jeweiligen Dichten ρf (Süßwasser: 1,0 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm³) bei 20 °C) und ρs (Salzwasser: 1,025 g/cm³) verbunden. Die Gleichung kann auf den Ausdruck $z\ = 40 h$ vereinfacht werden.^[2]
In dieser Form zeigt die Ghijben-Herzberg-Gleichung, dass in einem nicht begrenzten Aquifer jedem Meter Süßwasser oberhalb des Meeresspiegels eine Wassersäule von 40 m unterhalb desselben entspricht- ähnlich der Erscheinung eines im Salzwasser schwimmenden Eisbergs, wo jeweils auch nur ein Bruchteil seiner Masse sichtbar ist.

Die Modellierung mittels Computer erlaubt heutzutage die Anwendung numerischer Methoden (im Allgemeinen die Methode der Finite Differenzen oder der Finiten Elemente), die besser an die spezifischen Verhältnisse eines Standortes angepasst sind.

Modellierung von Salzwasserintrusion

Die Modellierung von Salzwasserintrusion ist aus mehreren Gründen schwierig. Typische Probleme bei der Modellierung sind:

• das Vorkommen von Spalten und Klüften im wasserführenden Gestein. Ihr Vorhandensein oder Fehlen hat großen Einfluss auf das Eindringen von Salzwasser, ihre Größe und Raumlage ist jedoch nicht genau bekannt.

• das Vorkommen von unterschiedlichen hydraulischen Eigenschaften im kleinen Maßstab. Sie haben möglicherweise ebenfalls einen großen Einfluss auf das Verhalten des Aquifers, können jedoch aufgrund ihrer geringen Ausdehnung nicht vom Modell erfasst werden.

• die Änderung der hydraulischen Eigenschaften durch die Salzwasserintrusion. Eine Mischung aus Salz- und Süßwasser ist oft untersättigt in Bezug auf Calcium, löst in der Mischungszone die Lösung von Calcium aus und ändert so die hydraulischen Eigenschaften.

• der als Kationenaustausch bekannte Prozess, der Vordringen und Rückzug von Salzwasser bremst, und genaue Berechnungen schwierig macht.

• die Tatsache, dass eine Salzwasserintrusion normalerweise in Bewegung ist, also nicht im Gleichgewicht, erschwert die Kontrolle der Modellierungsätze mit Daten zum Wasserstand oder den Pumpraten.

• bei Langzeit-Modellierungen ist die langfristige Entwicklung des Klimas nicht bekannt. Die Modelle reagieren jedoch zum Beispiel empfindlich auf Änderungen des Meeresspiegels und der Rate der Grundwasserneubildung, deren Änderung nach heutigem Wissensstand nicht genau vorhersehbar sind.

Verhinderung von Salzwasserintrusionen an Schleusen

Schleusen der Catfish Pond-Kontrollstruktur (Schleuse) am Mermentau River im küstennahen Louisiana

Salzwasserintrusion kann im Bereich von Schleusen ein Problem sein, an denen Salzwasser auf Süßwasser stößt. Spezielle Schleusen wie etwa die Hiram M. Chittenden Locks in Washington werden mit einem Sammelbecken ausgestattet, aus dem das aus den Schleusen abgepumpte Salzwasser gesammelt wird und in den salzführenden Teil des Gewässers zurückgepumpt werden kann. An den Hiram M. Chittenden Locks wird darüber hinaus ein kleiner Teil des Salzwassers zur Fischtreppe gepumpt, um diese für flussaufwärts wandernde Fische attraktiver zu machen.^[8]

Gebiete mit aktiver Salzwasserintrusion

Aktive Salzwasserintrusion findet in vielen Küstengebieten der Erde statt. Beispiele für Problemgebiete in Bezug auf die Wasserversorgung finden sich etwa in Benin, auf Zypern, in Marokko, Pakistan, Tunesien oder am Golf von Bohai in China. In den Vereinigten Staaten sind beispielsweise Küstenstriche von Florida und Georgia, die Umgebung von San Leandro in Kalifornien sowie das Gebiet des Lake Pontchartrain in Louisiana betroffen.

Einzelnachweise

1. ↑ CWPtionary Saltwater Intrusion. LaCoast.gov (1996). Abgerufen am 21. März 2009.
2. ↑ ^{a b c} Paul M. Barlow (2003): Ground Water in Freshwater-Saltwater Environments of the Atlantic Coast. USGS. Abgerufen am 21. März 2009.
3. ↑ David K. Todd: Salt water intrusion of coastal aquifers in the United States. In: IAHS Publ. (Hrsg.): Subterranean Water. Nr. 52, 1960, S. 452–461. Abgerufen am 22. Juni 2009.
4. ↑ Jacques Willy Delleur: The handbook of groundwater engineering Second Edition. 2nd edition. CRC Press, Boca Raton FL u. a. 2007, ISBN 0-8493-4316-X.
5. ↑ Georg Mattheß (Hrsg.): Lehrbuch der Hydrogeologie. Band 1: Georg Mattheß, Károly Ubell: Allgemeine Hydrogeologie, Grundwasserhaushalt. 2. überarbeitete und erweiterte Auflage. Gebrüder Borntraeger, Berlin u. a. 2003, ISBN 3-443-01049-0, S. 245–246.
6. ↑ bienenwaage.de, Vortrag, 17. April 2010, Dannenberg, Dieter Ortlam: Pleistozäne Rinnen und der DGH-Effekt – Warum „Gorleben“ die falsche Wahl war, 2.3. Die pleistozänen Rinnen (29. Juli 2011)
7. ↑ bienenwaage.de, Vortrag, 17. April 2010, Dannenberg, Dieter Ortlam: Pleistozäne Rinnen und der DGH-Effekt – Warum „Gorleben“ die falsche Wahl war, 2.1. Der DGH-Effekt (29. Juli 2011)
8. ↑ Sherrill Mausshardt, Glen Singleton: Mitigating Salt-Water Intrusion through Hiram M. Chittenden Locks. In: Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering. 121, Nr. 4, 1995, S. 224–227. doi:10.1061. Abgerufen am 20. März 2009.

Literatur

• Sascha Wisser, Wolfgang Korthals, Heiko Gerdes, Yunshe Dong, Fulin Li, Rolf-Dieter Wilken: Salzwasser-Intrusion im Küstengebiet um das Bohai-Meer, China. In: GWF Wasser Abwasser. 147, Nr.7/8, 2006, ISSN 0016-3651, S. 496–500 (Kurzfassung).

Weblinks

• M. Schipek: Übung Salzwasserintrusion. Seminar Hydrogeologie II – Sommersemester 2007. TU Bergakademie Freiberg, Lehrstuhl für Hydrogeologie (pdf, 410 Kb)
• Sebastian Bauer: Modellieren in der Angewandten Geologie II: Geohydromodellierung. Institut für Geowissenschaften, Christian-Albrechts-Universität Kiel (pdf; 3,1 Mb)