Befehle des Menübands überspringen
Zum Hauptinhalt wechseln

Institut für Bodenlandschaftsforschung

Institut für Landnutzungssysteme

Institut für Landschafts-Biogeochemie

Institut für Landschaftssystemanalyse

Institut für Landschaftswasserhaushalt

Institut für Sozioökonomie

Suche
Breadcrumb Navigation

Wasserkreislauf in der Landschaft

Hauptinhalt der Seite

Der Wasserkreislauf in der Landschaft – Ein physikalisches Modell​

Von Christian Lehr, Tobias Hohenbrink, Marcus Fahle, Marco Natkhin und Philipp Rauneker

Das hier vorgestellte physikalische Modell des Wasserkreislaufs in der Landschaft wurde gemeinsam von Doktoranden und Wissenschaftlern des Institutes für Landschaftswasserhaushalt des ZALF zur Veranschaulichung hydrologischer Fragestellungen entwickelt. Der Aufbau in einem Aquarium ermöglicht es die Wege des Wassers durch die Landschaft auf überschaubarem Raum zu visualisieren. Auf diesem Weg können wichtige Grundlagen der Hydrologie, wie z.B. die Bewegung des Wassers im Untergrund, nachvollzogen und verstanden werden. In dem Aquarium befindet sich ein Modell einer Landschaft, wie sie in Norddeutschland vorkommen könnte. Das Modell zeigt, wie sich Wasser auf und unter der Erdoberfläche verhält.

Ein Modell des Wasserkreislaufs in der Landschaft
Abbildung 1 Ein Modell des Wasserkreislaufs in der Landschaft.

Der Untergrund ist aus verschiedenen Schichten zusammengesetzt. Diese entsprechen geologischen Schichten des norddeutschen Tieflandes, wie sie in den Eiszeiten entstanden sind. Die oberste Schicht besteht aus einem Kies-Sand-Gemisch. Die unterste Schicht besteht aus Kies. Dazwischen befindet sich eine Lehmschicht, welche als diagonal verlaufendes hellbraunes Band in Abbildung 1 erkennbar ist. Kies und Sand sind relativ grobe Materialien mit großen Zwischenräumen. Im Gegensatz dazu sind die Zwischenräume der feineren, kaum sichtbaren Lehmkörner sehr viel kleiner.

Mit einer Bewässerungsanlage kann die Modelllandschaft von oben beregnet werden. Hinter den kleinen Wolken auf der rechten Seite in Abbildung 1 befinden sich gelöcherte Rohre, die verwendet werden um Regen simulieren. Regen, der auf die Oberfläche fällt, gelangt zum Teil in die Zwischenräume des Bodens – er versickert. Als Grundwasser bezeichnet man das Wasser, welches sich im Untergrund sammelt und die Zwischenräume vollständig ausfüllt, sodass sich keine Luft mehr in den Zwischenräumen befindet.

Die Bauweise der Pegel im Modell
Abbildung 2 Die Bauweise der Pegel im Modell.

An der vorderen Glasscheibe in Abbildung 1 sieht man graue Rohre, die von den Hydrologen Pegel genannt werden. In Abbildung 2 sind zwei Pegel im Detail zu sehen. Die Pegel sind unten und oben offen. Das Grundwasser kann hinein oder heraus strömen. In den Pegeln stellt sich der der Wasserstand stets als Gleichgewicht von Luftdruck in der Atmosphäre und dem in der Einbautiefe des Pegels herrschenden Wasserdruck im Grundwasser ein. Die Pegel haben verschiedene Einbautiefen, um unterschiedliche Bereiche des Grundwassers zu beobachten.

Wasser hat immer das Bestreben, sich entlang des Weges mit dem geringsten Widerstand zu bewegen. Flüsse fließen zum Beispiel so lange der Geländeoberfläche folgend von oben nach unten, bis sie in einen See oder letztlich in das Meer münden.

Verschiedene Böden sind für Wasser mehr oder weniger gut durchlässig. Dies wird durch die sogenannte hydraulische Leitfähigkeit eines Bodens beschrieben. Die Geschwindigkeit, mit der sich Wasser im Untergrund bewegt, hängt dabei von der Größe der Zwischenräume und dem antreibenden Druckunterschied ab. Je kleiner die Zwischenräume sind oder je kleiner der antreibende Druck ist, umso langsamer fließt das Wasser durch eine Bodenschicht. Beim Lehm sind die Zwischenräume so klein, dass sich das Wasser in dieser Schicht kaum noch bewegt. Solche Schichten werden Grundwasserhemmer genannt. Im Kies und Sand kann sich das Wasser dagegen gut bewegen, wir nennen diese Schichten deshalb Grundwasserleiter. Allerdings ist die Geschwindigkeit des Wassers im Untergrund viel niedriger als an der Oberfläche, wie zum Beispiel in einem Fluss.

Links im Modell befindet sich eine freie Wasseroberfläche, welche in unserem Beispiel das Meer sein könnte (Abbildung 1). Die Landschaftsoberfläche fällt von rechts nach links zum Meer hin ab. Damit liegt das „Meer“ in unserem Modell tiefer als das Grundwasser im oberen Grundwasserleiter. Deshalb fließt dieses über der Lehmschicht nach links in das Meer.

In der Mitte der Landschaft (In Abbildung 1 unter der rechten Hälfte der großen Wolke) liegt ein See mit seinem Einzugsgebiet. Als Einzugsgebiet eines Gewässers bezeichnet man das Gebiet aus welchem dem Gewässer Wasser zuströmt. Ein See ist lediglich eine Hohlform in der Landschaft, in der sich Wasser sammelt.

Der See ist mit dem oberen Grundwasserleiter verbunden, daher schwankt sein Wasserspiegel mit dem Grundwasserstand. Wenn z.B. das Grundwasser ansteigt, füllt es den See und der Seewasserspiegel steigt. Der See ist vom Grundwasser „gespeist“. Steigt der Seewasserspiegel immer weiter, dann „läuft der See irgendwann über“– es entspringt ein Fluss. Dieser mündet dann ins „Meer“.

Ein Teil des Wassers, welches im Hochland abregnet und versickert, durchströmt also den See auf seinem Weg zum Meer. Regnet es sehr stark, kann Hochwasser den Fluss über die Ufer treten lassen. Umgekehrt versickert auch Wasser aus dem Fluss in das Grundwasser. Man sagt das Flusswasser infiltriert ins Grundwasser. Das passiert immer dann, wenn das Grundwasser niedriger steht als das Wasser im Fluss. In Trockengebieten oder in Zeiten der Dürre kann es sogar vorkommen, dass das gesamte Flusswasser infiltriert und der Fluss versiegt.

Unter dem Fluss auf der linken Seite des Modelles befindet sich im oberen Grundwasserleiter eine Lehm-Linse (der hellbraune Fleck auf der linken Seite in Abbildung 1). Im Gegensatz zu einer Schicht ist eine Linse nicht durchgängig sondern eine kleinräumigere Erscheinung. Wenn über der Lehm-Linse Flusswasser infiltriert, stellt sie ein Hindernis dar. Es bildet sich ein unterirdischer „Wasserberg“. Unterirdisch fließt das Wasser dann zu beiden Seiten des Wasserberges weg. Auf der rechten Seite der Lehm-Linse fließt dann sogar ein wenig Wasser entgegen der Haupt-Fließrichtung des Grundwassers um die Lehm-Linse herum.

Druckunterschiede in den beiden Grundwasserleitern
Abbildung 3 Druckunterschiede in den beiden Grundwasserleitern. Oberer Strich: unterer Grundwasserleiter (gespannte Verhältnisse). Unterer Strich: oberer Grundwasserleiter.

Im den rechten Pegeln an Position A und B in Abbildung 3 steht das Wasser höher als die Oberfläche der Landschaft. Wie kann das sein?

Die linken Pegel sind mit dem oberen Grundwasserleiter, die rechten Pegel sind mit dem unteren Grundwasserleiter verbunden. Da der untere Grundwasserleiter von der Lehmschicht abgedeckt ist, kann das Wasser hier nicht so schnell in Richtung Meer abfließen wie im oberen Grundwasserleiter. Die Lehmschicht staut das Wasser unterirdisch auf. In unserem Modell kann das Wasser ganz oben rechts am Rand des Aquariums (Position C in Abbildung 1) an der abdeckenden Lehmschicht vorbei direkt in den unteren Grundwasserleiter versickern. Wenn nun Wasser in den unteren Grundwasserleiter versickert, aber wegen der Lehmschicht nicht im selben Maße abfließen kann, steigt der Wasserstand im unteren Grundwasserleiter. Regnet es immer weiter ist der untere Grundwasserleiter irgendwann voll. Zusätzlicher Regen kann dann nicht mehr versickern und läuft oberirdisch ab. In diesem Fall ist der maximale Grundwasserstand im unteren Grundwasserleiter erreicht. Der Grundwasserstand im dortigen Pegelrohr entspricht dann der Geländeoberfläche am rechten oberen Rand des Modelles. An dieser Stelle ist der Grundwasserleiter mit der Atmosphäre verbunden.

Im Pegelrohr selbst gibt es weder Lehm noch ein anderes Material was sich dem Druck des Grundwassers entgegenstellt. Das Grundwasser drückt in das Pegelrohr und der Wassertand im Pegelrohr steigt solange bis sich im Rohr ein Gleichgewicht zwischen dem Grundwasserdruck und dem Luftdruck der Atmosphäre eingestellt hat. Der Luftdruck ist an allen Pegeln der gleiche.

Der Wasserdruck im unteren Grundwasserleiter unseres Modells hingegen ist an allen Pegeln nahezu der gleiche. Aufgrund der minimalen Durchlässigkeit der Lehmschicht entsteht auch im unteren Grundwasserleiter ein Druckunterschied. Dieser ist aber mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen und spielt für unsere weitere Betrachtung keine Rolle. Näherungsweise sind also die Wasserstände aller mit dem unteren Grundwasserleiter verbundenen Pegel gleich hoch.

Daher steigt auch in den rechten Pegeln in Abbildung 1 das Grundwasser bis zu derselben Höhe wie in allen anderen Pegeln, die in den unteren Grundwasserleiter reichen. Im Modell liegt die Oberfläche der Landschaft bei Position A tiefer als am rechten Rand bei Position C (Abbildung 1). Da der maximale Grundwasserstand des unteren Grundwasserleiters aber durch die Geländeoberkante am rechten Rand gegeben ist, kann das Wasser im rechten Pegelrohr bei Position A also weit über die Geländeoberfläche hinaus ansteigen.

Hydrologen bezeichnen so eine Situation als „gespanntes Grundwasser“. Würde man an dieser Stelle einen Brunnen bauen, bräuchte man keine Pumpe, weil das Wasser durch den Überdruck angetrieben aus dem Brunnen heraussprudeln würde. Ein solcher Brunnen wird artesischer Brunnen genannt. Nimmt der Druck wieder ab, z.B. wenn dem unteren Grundwasserleiter Wasser entnommen wird, sinkt auch der Grundwasserstand.

Ausbreitung eines (Farb-)Stoffes im Grundwasser
Abbildung 4 Ausbreitung eines (Farb-)Stoffes im Grundwasser in 4 Zeitschritten.

Rechts neben dem Pegel in Abbildung 4 sieht man einen dunkelblauen Bereich im oberen Grundwasserleiter. Hier wurde das Wasser mit Tinte eingefärbt. Im Laufe der Zeit bewegt sich das gefärbte Wasser in Richtung des Pegelrohrs. Wäre die Tinte ein Schadstoff und würden wir bei dem Pegelrohr Trinkwasser aus einem Brunnen fördern, wäre unser Trinkwasser verunreinigt. Dabei muss die Ursache für eine solche Verunreinigung nicht in unmittelbarer Nähe des Brunnens zu finden sein. Verschmutztes Grundwasser kann bereits einen weiten Weg hinter sich haben, bevor es einen Trinkwasserbrunnen erreicht.

Draußen in der Landschaft können wir aber nicht so einfach das Grundwasser einfärben und von der Seite schauen, in welche Richtung es fließt. Wie wir anhand unseres Modells sehen können, fließt Grundwasser typischerweise auch deutlich langsamer als Oberflächenwasser. Die Ursache für eine Verunreinigung eines Trinkwasserbrunnens könnte also auch schon sehr lange zurück liegen.

Beides sind Gründe dafür, dass Hydrologen und Wasserversorger das Grundwasser stets sehr genau und mit viel Sachverstand beobachten müssen. Das dafür notwendige Wissen über das Verhalten von „Wasser in der Landschaft“ muss stetig erweitert und für die Allgemeinheit verfügbar gemacht werden. Dies ist eine der wichtigsten Aufgaben unseres Forschungsinstitutes.

 

Frei verfügbare Videos (CC-BY-3.0)

Die jeweiligen Links in den PDF-Dateien zeigen auf die entsprechende Stelle im Video, so dass eine leichte Navigation zu den einzelnen Kapiteln möglich ist.

 

Veröffentlichung

Die Videos sind Grundlage einer HP-Eye Veröffentlichung der Video-Sektion der Fachzeitschrift Hydrological Processes (doi: 10.1002/hyp.10963).

 

Fusszeile der Seite
YouTube
Twitter
Facebook
© Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e. V. Müncheberg