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Nachhaltige Grundwassernutzung: Kriterien und Strategien


Mehr noch als die nicht erneuerbaren Energieträger setzt die beschränkte Ressource Süßwasser dem globalen Bevölkerungswachstum Grenzen. Weltweit werden jährlich 4430 Kubikkilometer Süßwasser aus Aquiferen, Seen und Flüssen entnommen und zu 70 Prozent für die Bewässerung in der Landwirtschaft, also für die Nahrungsmittelproduktion, zu 25 Prozent in der Industrie und zu 5 Prozent im Haushalt als Brauch- und Trinkwasser verwendet. Grundwasser hat daran einen Anteil von etwa einem Viertel. Weitere 2350 Kubikkilometer aus Oberflächengewässern nutzt man direkt vor allem zum Verdünnen und zum Abtransport von Abwässern, für den Erhalt der flußnahen Flora und Fauna, sowie um die Schiffahrt über Kanäle und Flüsse während Trockenperioden aufrechtzuerhalten. Die Gesamtmenge entspricht bereits 54 Prozent des zugänglichen und sich durch Niederschläge erneuernden Oberflächen- und Grundwasserabflusses.
Prognosen zufolge wächst die Menschheit in den nächsten 30 Jahren noch um fast 50 Prozent. Die Entnahme von Wasser aus Flüssen und Seen läßt sich im selben Zeitraum durch zusätzlichen Dammbau aber nur um etwa 10 Prozent steigern.
Wasser ist auf der Erde räumlich und zeitlich sehr ungleich verteilt. Bereits 1990 war die Versorgung in 28 Ländern mit einer Gesamtbevölkerung von 335 Millionen Menschen knapp; dort standen also weniger als 1700 Kubikmeter pro Person und Jahr zur Verfügung. Doch werden 2025 in etwa 50 Ländern rund drei Milliarden Menschen von Wasserknappheit betroffen sein. Regional sind die Süßwasser-Ressourcen schon jetzt stark übernutzt.

Die Bedeutung des Grundwassers

Die wesentliche Aufgabe der Wasserwirtschaft ist es, Diskrepanzen zwischen Dargebot und Bedarf auszugleichen, die im Jahresverlauf oder zwischen verschiedenen Landesteilen auftreten können. Dazu nutzt sie nicht allein natürliche und künstliche Oberflächenspeicher wie Seen und Talsperren, sondern zapft auch unterirdische Grundwasserspeicher an; zum anderen verteilt sie über Fernleitungssysteme Wasser zwischen daran reichen und bedürftigen Regionen (siehe Kasten Seite 96).
Grundwasser bildet sich allerdings nur sehr langsam. Das Volumen und die Erneuerungsrate eines Aquifers sind schwer einzuschätzen, und die Förderung aus der Tiefe ist im allgemeinen energieaufwendiger als die etwa aus Flüssen, Seen und Quellen. Doch ist Grundwasser aufgrund der Filterwirkung des Bodens meist so sauber, daß es die Qualitätsanforderungen an Trinkwasser erfüllt. Weil Aquifere Wasser oft sehr langfristig speichern, können daraus auch Landstriche versorgt werden, in denen nur sehr unregelmäßig Regen fällt.
Obgleich Grundwasser gemessen am gesamten Süßwasser-Abfluß global weniger Bedeutung hat, ist es somit doch für viele Regionen eine entscheidende Ressource. Beispielsweise haben derzeit etwa 40 Prozent der Bevölkerung der Republik Südafrika keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser; noch in Jahresfrist sollen aber jedem ländlichen Haushalt 20 bis 30 Liter sauberes Trinkwasser pro Tag und Person zur Verfügung stehen, und das in weniger als 200 Metern Entfernung zur Wohnung. Das kann im wesentlichen nur mit Grundwasser gelingen, weil Seen und Flüsse dort bereits weitgehend erschöpfend genutzt werden oder die Anbindung an Fernleitungs-systeme für die verstreut gelegenen Dörfer viel zu kostspielig ist.

Nachhaltigkeit: Anforderungen und Probleme

Seit der Konferenz der Vereinten Nationen über Umwelt und Entwicklung 1992 in Rio de Janeiro entwickelt man verstärkt Konzepte, Ressourcen nachhaltig zu bewirtschaften, also so zu nutzen, daß sie künftigen Generationen ebenfalls zur Verfügung stehen. Das beinhaltet, die Entnahmerate von Grundwasser auf weniger als die der Neubildung zu beschränken, Absenkungen des Grundwasserspiegels zu limitieren, Mindestabflüsse in Vorflutern – Gewässern, die ober- oder unterirdisch zufließendes Wasser aufnehmen und abführen – einzuhalten, Versalzung oder sonstige Verschmutzungen der Grundwasserleiter zu verhindern sowie schließlich Versalzung von bewässertem Ackerland zu vermeiden.
In trockenen Zonen fallen größere Regenmengen selten, mitunter nur alle 5, 10 oder 20 Jahre. Nachhaltige Nutzung bedeutet dort deswegen, daß innerhalb einer solchen Periode Entnahme und Neubildung ausbalanciert sein müssen. In Jahren ohne effektive Auffüllung darf somit nur so viel Wasser aus dem Speicher entnommen werden, daß bis zum wahrscheinlichen Zeitpunkt des nächsten größeren Niederschlags genügend verbleibt, um die Mindestbedürfnisse der Menschen zu erfüllen. Ein Indikator für Übernutzung sind langfristig sinkende Grundwasserspiegel, wie sie weltweit zu beobachten sind (Bild 1). In Nordchina und Ostindien fallen sie seit den sechziger Jahren um rund einen, in einigen Gebieten sogar bis zu drei Meter pro Jahr; in Südafrika waren es in den letzten 25 Jahren örtlich bis zu 70 Meter. Der Ogallala-Aquifer in den USA war bis 1990 um etwa 162 Kubikkilometer übernutzt worden. Die Austrocknung des Aralsees infolge verminderter Zuflüsse aufgrund landwirtschaftlicher Nutzung hat auch das Grundwasservolumen in Kasachstan und Usbe-kistan reduziert; Pläne der früherenSowjetunion, jährlich bis zu 100 Milliarden Kubikmeter Wasser über 2600 Kilometer aus den nordsibirischen Flüssen heranzuführen, wurden 1990 wegen unwägbarer technischer, sozioökonomischer und ökologischer Probleme eingestellt. Fossile Grundwässer in Arabien und der libyschen Sahara, in der letzten Eiszeit gebildet und seitdem praktisch ohne Erneuerung, werden derzeit langsam entleert; in Saudi-Arabien dürften die tieferen Aquifere im Jahre 2010 nur noch rund 40 Prozent ihres Vorrats von 1985 enthalten. Weltweit gehen inzwischen mehr als 200 Kubikkilometer pro Jahr aus wichtigen Reservoiren verloren – das entspricht dem Mindestbedarf an Wasser von 200 Millionen Menschen.
Fallende Pegel können zudem schon lange vor der völligen Entleerung eines Grundwasserleiters dauerhafte Schäden zur Folge haben. In den geklüfteten Aquiferen Südafrikas fand man beispielsweise, daß deren Speicherfähigkeit nachlassen kann: Fällt der Spiegel unter das Niveau der wichtigsten wasserführenden Klüfte, schließen sie sich oder werden durch ausfallende Eisenoxide verstopft. Auch die Vegetation an der Oberfläche leidet unter Umständen; so sterben beispielsweise Bäume in Namibia und selbst im hessischen Ried ab, weil sie nicht mehr genug Wasser über ihr Wurzelwerk aufnehmen können. Zudem können Vorfluter wie kleinere Bäche Feuchtgebiete nicht mehr ausreichend versorgen oder fallen zeitweilig trocken.
In Küstengebieten besteht bei Übernutzung des Grundwassers die Gefahr, daß Brunnen versalzen. Aufgrund des Dichteunterschieds zwischen Süß- und Meerwasser bildet sich an der Aquifer-Sohle stets ein Salzwasserkeil aus, der zwar vom ablandigen Abfluß zurückgedrängt wird, bei zu hoher Entnahme sich jedoch landeinwärts bewegt. Davon sind Grundwasserspeicher in Spanien und Portugal ebenso betroffen wie an den Küsten Indiens, Israels oder Südchinas. Im ägyptischen Nildelta hat sich der durch Meerwasser-Intrusion beeinträchtigte Bereich bis zu 130 Kilometer landeinwärts ausgedehnt. Auf Meeresinseln, wo die durch Regen gebildeten flachen Süßwasserlinsen auf dem Salzwasser schwimmen, besteht die Gefahr des Aufstiegs von Salzwasser und damit der Kontamination von Brunnen schon bei Entnahmen, die gering im Vergleich zur Neubildungsrate sind. Auch in küstenfernen Regionen kann bei starker Grundwasserabsenkung Sole aus tieferliegenden Stockwerken aufsteigen, wie es etwa im Bundesland Brandenburg geschieht.
Durch anthropogene Schadstoffe werden die verfügbaren Ressourcen gerade in wasserarmen Gebieten weiter verringert – außer der Menge des Grundwassers ist auch seine Qualität bei Strategien der Nachhaltigkeit zu bedenken. In landwirtschaftlich geprägten Regionen sickern vor allem Pestizide und Nitrat ein, in industriellen Erdölderivate und leichflüchtige chlorierte Kohlenwasserstoffe. Erfahrungen in Industrieländern zufolge lassen sich einmal verschmutzte Aquifere nur unter hohemfinanziellen Aufwand, wenn überhaupt, in überschaubarer Zeit sanieren. Die verbleibende Möglichkeit, verschmutztes Grundwasser nach der Entnahme im Wasserwerk technisch zu reinigen, steht den dezentral versorgten ländlichen Gebieten der Entwicklungsländer kaum zur Verfügung.

Wissenschaftliche Werkzeuge

Um eine mit nachhaltigem Wirtschaften vereinbarte Entnahme aus einem Grundwasserreservoir festzulegen, muß man die Neubildungsrate kennen. Sie ist häufig sehr schwer zu ermitteln, muß man sie doch indirekt aus anderen Größen erschließen; das gilt vor allem für trockene Gebiete oder tiefere Aquifere.
Bodenwasserbilanzen, die Niederschlag, Verdunstung und Ablauf auf der einen, die Versickerung auf der anderen Seite ins Verhältnis setzen, liefern allenfalls in feuchten, nicht aber in ariden und semi-ariden Regionen brauchbare Schätzwerte. Gleiches gilt für die Beobachtung von Grundwasserständen, denn der Rückschluß auf die Neubildungsrate ist bei mangelnder Kenntnis der Durchlässigkeit des oft vielschichtigen Untergrunds mathematisch nicht eindeutig. Zusätzliche Meßdaten etwa aus Pumpversuchen, zur Bodenfeuchte, zu Bodenprofilen oder auch durch Auswertung von Satellitenbildern schränken dieses Problem ein (Bild 2).
Als weitere Hilfe bieten sich sogenannte Umwelttracer an: anthropogene Spurenstoffe in der Atmosphäre, deren Konzentrationsentwicklung in der Vergangenheit bekannt ist. Im Niederschlagswasser gelöst, gelangen sie in den Aquifer, und der Konzentrationsverlauf eines Stoffes in der Atmosphäre zeigt sich dann verzögert im Grundwasser der Beobachtungsstellen und Brunnen. Aus der Zeitdifferenz bestimmt man die Aufenthaltszeit des Wassers zwischen Neubildung und Entnahme. Zusammen mit dem Speichervolumen ergibt sich so die Erneuerungsrate. Solche Umwelttracer sind beispielsweise das in Kernwaffentests freigesetzte Tritium, die in der Kälte- und Schaumstofftechnik eingesetzten Freone, das als Schutzgas in der Isolationstechnik verwendete Schwefelhexafluorid, aber auch das Meersalz, das als Aerosol übers Land transportiert und dort mit dem Regen deponiert wird.
Aus dem Verhältnis der Konzentrationen von Tritium und dem durch Zerfall des Elements entstehenden Helium-Isotop 3He im Grundwasser läßt sich dessen Alter direkt bestimmen. Der Vergleich der Meersalz- beziehungsweise der Chloridkonzentrationen in Regen- und Grundwasser ermöglicht, in ariden Gebieten indirekt auf die Grundwasserneubildung zu schließen: Durch Verdunstung erhöht sich die Salzkonzentration im Boden und damit letztlich auch im Aquifer; aus dem Vergleich mit der im Regen erhält man bei vernachlässigbarem Oberflächenabfluß die verdunstete Menge, und die Differenz zum Niederschlag entspricht mithin dem versickerten Volumen.
Aus der temperaturabhängigen An- beziehungsweise Abreicherung der schweren Wassermoleküle H218O und HDO (D steht für das Wasserstoff-Isotop Deuterium) infolge Verdunstung und Ausregnen lassen sich Grundwässer früheren Klimaepochen zuordnen. Damit datierte man beispielsweise das Alter des fossilen Grundwassers in arabischen Ländern auf etwa 20000 Jahre (siehe auch Spektrum der Wissenschaft, September 1985, Seite 120). Zu diesem Zweck bestimmt man auch Edelgaskonzentrationen: Sie variieren in der Atmosphäre praktisch nicht; doch ihre Löslichkeit ist temperaturabhängig, so daß man Klimaschwankungen aus den Konzentrationen im Grundwasser ermitteln kann (Bild 3).
Niederschlag und Bodenbeschaffenheit variieren zeitlich wie räumlich. Klimatische Verhältnisse sind schwer vorherzusagen, geologische vielfach nicht im Detail bekannt. Um trotz solcher Unsicherheiten Entscheidungen treffen zu können, werden Verfahren des Risiko-Managements angewendet, die auf stochastischen Methoden beruhen (vergleiche Spektrum der Wissenschaft, Februar 1998, Seite 94). Generell sind Simulationsmodelle auf der Basis der genannten Daten zur Neubildung und Variabilität der Parameter geeignet, nachhaltige Nutzungsstrategien zu entwerfen.
Praktische Umsetzung

Ist eine solche Strategie gefunden, bedarf es geeigneter Kontrollmaßnahmen und Anreize, um sie auch durchzusetzen. Beispielsweise müßte jegliche Entnahme aus den schon weit bis ins Inland von Versalzung betroffenen Aquiferen Ostindiens untersagt werden, doch erfordert die Praxis selbst bei drohender weiterer Beeinträchtigung hier wie auch sonst vielfach Kompromisse. So werden lediglich maximale Brunnentiefen festgelegt und überwacht sowie Vergehen zum Teil drakonisch durch Zerstörung des Brunnens geahndet. Verteilen Tankwagen das Wasser, lassen die Behörden Fahrten bei Straßenkontrollen zählen.
Anderswo wird die maximale Einbautiefe von Pumpen limitiert. In Ländern mit einer überschaubaren Anzahl von Bohrunternehmen wie etwa in Botswana läßt sich die regionale Dichte von Brunnen durch Kontrolle der Bohrfirmen begrenzen. So wird dort nicht mehr als ein Brunnen pro Quadratkilometer für Viehtränken genehmigt, was auch das Anwachsen der Herden beschränkt und Überweidung verhindert.
Sehr viel feiner läßt sich die Entnahme über Preise und Abgaben steuern, deren Höhe sich nach dem Übernutzungsgrad eines Aquifers richtet. Das wird vor allem im Westen der Vereinigten Staaten erfolgreich praktiziert.
Die Übernutzung von Aquiferen ist meist mit Bewässerung aus Brunnen verbunden. Mithin dürfte nur noch Wasser für den Gebrauch im Haushalt und allenfalls für die Ansaatbewässerung oder die industrielle Produktion entnommen werden. Dies würde die Probleme der meisten übernutzten Aquifere lösen.
Dabei ist auch zu bedenken, daß Bewässerung in trockenen Regionen oft Versalzung landwirtschaftlicher Flächen zur Folge hat: In Gebieten mit hoher potentieller Verdunstung können bei einer Berieselung mit 10000 Kubikmetern pro Hektar und Jahr zwei bis fünf Tonnen gelöster Salze jährlich im Boden verbleiben. Bei geringen Niederschlägen reichern sie sich an und mindern die Ertragsfähigkeit, ansonsten gelangen sie ins Grundwasser. Die Schäden sind alarmierend: Im Irak sind bereits mehr als die Hälfte, in Ägypten 30 bis 40, in Indien 27, in den USA 20 bis 25 und in Australien 15 bis 20 Prozent der bewässerten Flächen betroffen. Eine dauerhafte Lösung erfordert, ein Teilgebiet der Region als Deponie für den hochkonzentrierten Abfluß von den genutzten Flächen zu opfern. So ist beispielsweise eine nachhaltige Landwirtschaft im ariden Sinkiang (Westchina) nur dadurch möglich, daß das Schmelzwasser aus dem Tianshan-Gebirge beim Bewässern Salz aufnimmt und im abflußlosen Tarimbecken verdunstet, wobei sich Salzpfannen ausbilden.
Künstliche Vermehrung der Grundwasserressourcen ist nur eingeschränkt möglich. So versucht man in Oman, den Hochwasserabfluß der Wadis – in Regenzeiten Wasser führenden Flußbetten – durch Dämme zu stauen und versickern zu lassen, um Aquifere anzureichern (Bild 4). Allerdings können dabei Feinsedimente die obersten Bodenschichten verstopfen und somit den Effekt mindern. Eine oft empfehlenswerte Strategie ist, Grundwasser ausschließlich als Ergänzung zu Oberflächenwasser in trockenen Jahren zu fördern und in Zeiten hohen Niederschlags die unterirdischen Speicher durch direktes Einleiten von Oberflächenwasser wieder aufzufüllen.
Enormes Potential zum Ressourcenschutz bieten Sparmaßnahmen. Schätzungen zufolge dürfte sich der weltweite Verbrauch schon mit heutiger Technologie reduzieren lassen: in der Landwirtschaft um 10 bis 50, in der Industrie um 40 bis 90 und in Städten und kleineren Kommunen um bis zu 30 Prozent.
Ein Beispiel von Vergeudung bietet derzeit Saudi-Arabien: Das Wüstenland ist mittlerweile zum sechstgrößten Weizenexporteur der Welt geworden, aber jedes Kilogramm Getreide benötigt etwa 2000 Liter nicht erneuerbaren Grundwassers. Sinnvoll wäre eine solche nicht nachhaltige Nutzung nur, wenn sie vorübergehend bliebe und die Einkünfte des Landes daraus für Investitionen zur Schonung von Ressourcen verwendet würden. Die Süßwasserversorgung der Menschheit muß langfristig gesichert werden. Dazu bedarf es aller, auch unkonventioneller Maßnahmen, zudem aber weiterer Anstrengungen und Aufwendungen für die Entwicklung von Wissen, Technologien und Bewirtschaftungsstrategien, die ein Überleben nach dem Trockenfallen der Quellen und Brunnen ermöglichen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 4 / 1998, Seite 94
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
4 / 1998

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 4 / 1998

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