Die Vermessung des Grundwassers

Die Erde gilt gemeinhin als „Blauer Planet“, immerhin sind rund 70 Prozent ihrer Oberfläche sichtbar von Wasser bedeckt. Große Reservoirs finden sich aber auch untertage. So stößt man hierzulande üblicherweise schon in zwei Metern Tiefe auf Grundwasser. Es stammt aus Regen und geschmolzenem Schnee, der im Boden versickert. Im Bundesdurchschnitt entstehen so rund 30 Liter Grundwasser pro Jahr und Quadratmeter. Als Teil des Wasserkreislaufs fließt das Grundwasser zum größten Teil in Flüsse, sofern es nicht zur Trinkwassergewinnung, zur Bewässerung oder für industrielle Zwecke entnommen wird. Doch der Weg durch die sogenannten Grundwasserleiter ist ein Hindernisparcours: Das Grundwasser muss sich dafür durch Gesteinsporen und andere Hohlräume zwängen. Der unterirdische Strom kommt daher nur im Schneckentempo voran. Olaf Cirpka, Professor für Hydrogeologie an der Universität Tübingen, erläutert dies mit einem Vergleich: „Die typische Fließgeschwindigkeit im Neckar ist ein Meter pro Sekunde. Die typische Geschwindigkeit, mit der sich das Grundwasser in der Nähe des Neckars bewegt, liegt dagegen bei nur einem Meter pro Tag.“ Was dabei im Untergrund geschieht, lässt sich nur schwer verfolgen. „Der Boden ist leider nicht durchsichtig“, sagt Cirpka. Seine Arbeitsgruppe testet daher – gemeinsam mit Partnern der Universität Heidelberg und aus der Industrie – neue Methoden, um die Strömung des Grundwassers und die Ausbreitung von Stoffen darin zu erfassen.

Das auf drei Jahre angelegte Projekt mit dem Namen „Tomographische  Methoden in der Hydrogeologie“ (TOMOME) wird im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprogramm GEOTECHNOLOGIEN gefördert. Der Startschuss fiel Ende 2010. Neben Feldversuchen, die im Neckartal stattfinden, setzen die Forscher auf aufwändige Computeranalysen. Von ihren Ergebnissen könnte beispielsweise die Auslegung von Wasserschutzzonen profitieren. Ein besseres Verständnis der Vorgänge im Boden ist aber auch von weitergehendem Interesse. Denn die unterirdischen Gewässer sind eine wichtige Ressource. „Etwa dreiviertel unseres Trinkwassers kommt aus Grundwasser“, so Cirpka.

Untergrund in 3D

„Tomographisch“ werden Verfahren genannt, die Strukturen in allen drei Dimensionen erfassen, in dem das Untersuchungsobjekt von unterschiedlichen Richtungen anregt und an verschiedenen Punkten die Reaktion beobachtet wird. Ein bekanntes Beispiel gibt es in der Medizin: die „Computer-Tomographie“. Hier werden Röntgenaufnahmen von verschiedenen Richtungen aufgenommen und daraus die dreidimensionale Verteilung von Organen und Geweben berechnet. In ähnlicher Weise, wenn auch mittels völlig anderer Untersuchungsmethoden, geht es beim Projekt TOMOME darum, die verborgene Struktur des Untergrundes dreidimensional zu erfassen. Im Fokus steht die Fähigkeit des Bodens, Grundwasser zu leiten. „Grundwasserleiter“ heißt daher auch die Erdschicht, um die es dabei geht. „Die Hauptgröße, die uns interessiert, ist die Durchlässigkeit“, erläutert Geoforscher Olaf Cirpka. „Das ist die Größe, die räumlich am stärksten variiert.“

Etablierte Untersuchungsmethoden wie Bodenradar oder seismische Messungen helfen hier nicht weiter. Sie liefern zwar Angaben über die elektromagnetischen Eigenschaften des Bodens oder über dessen Struktur. Doch derlei Daten sagen nur wenig aus über die hydraulischen Eigenschaften des Untergrundes. Das Team von TOMOME setzt daher auf andere Techniken. „Wenn man Aussagen über Grundwasserströmungen treffen möchte, muss man den Untergrund auch mit Strömungen reizen. Deshalb machen wir zum Beispiel Pumpversuche“, beschreibt Cirpka die Vorgehensweise. Die Wissenschaftler treiben dazu Rohre, die mit Einlassöffnungen ausgestattet sind, senkrecht in den Boden. An über das Gelände verteilten Punkten registrieren sie dann Veränderungen des Grundwasserpegels. „Dazu entnimmt man an einer Stelle Wasser und misst an anderen Stellen, wie infolgedessen der Wasserstand absinkt.“ Wiederholt man dies mit unterschiedlichen Entnahmepunkten, ergibt sich eine tomographische Untersuchung, so wie in der Computertomographie Röntgenaufnahmen aus verschiedenen Richtungen durchgeführt werden.

Im Boden verankerte Messsonden. (Bild: Uni Tübingen/AG Hydrogeologie)

Thermometer im Boden

Bei einem weiteren Verfahren wird Wasser, dem eine unbedenkliche Substanz beigemischt wurde, in den Boden gepumpt und an anderer Stelle gemessen, wann sich der Markierstoff dort bemerkbar macht. Die Markierung kann zum Beispiel durch einen Fluorenzfarbstoff geschehen. Aber es geht auch anders. Cirpka: „Wir haben im Rahmen unseres Projektes vor, die Zugabe eines Stoffes durch die Zugabe von Wärme zu ersetzen.“ Die Vorteile: Einerseits müssen dazu keine Fremdstoffe in den Untergrund geleitet werden, anderseits ist das Verfahren kostengünstig. „Das Wasser nimmt seine Wärme mit, wenn es sich bewegt und dieses Signal lässt sich auswerten“, so Cirpka „Alles was ich benötige, sind Thermometer im Boden und die sind vergleichsweise billig.“ Als Wärmequelle dient ein Durchlauferhitzer. „Das Grundwasser hat die mittlere Jahrestemperatur. In Deutschland sind das etwa 10 Grad Celsius. Davon muss man sich natürlich abheben. Wenn man das zugeführte Wasser auf 30 Grad erwärmt, erhält man bereits ein deutliches Messsignal.“

Im Rahmen solcher Feldversuche wird allerdings nicht nur Wasser in den Boden gepumpt, sondern an anderer Stelle auch wieder entnommen. „Ich möchte ein Strömungsfeld haben, das sich über die Dauer des Experiments möglichst nicht verändert. Das macht die Auswertung einfacher. Durch den Doppelstress, also durch gleichzeitiges Zu- und Abpumpen, fallen etwaige Schwankungen nicht so ins Gewicht“, meint Cirpka. „Außerdem will man die Wärme, die man in den Boden bringt, auch gerne wieder loswerden.“

Neben Wärme wollen die Forscher dem Grundwasser auch Salz zugeben. Cirpka: „Wir verändern dadurch die elektrische Leitfähigkeit des Wassers. Über Elektroden können wir messen, wie sich das Signal im Untergrund ausbreitet und diese Veränderung auf die Strömung des Grundwassers zurückführen.“

In Zusammenarbeit mit einem Unternehmen entwickeln die Forscher ein Messsystem, das idealerweise verschiedene dieser Verfahren kombiniert. Es soll kostengünstig sein, einfach zu installieren und die Apparaturen sollen sich ohne größeren Aufwand auch wieder abbauen lassen, um sie an anderer Stelle erneut einzusetzen zu können. Zur Kartierung des Untergrundes werden die Messfühler in verschiedenen Tiefen positioniert. „Unsere Idee ist die, dass man an den jeweiligen Messpunkten eine ganze Sensorkette in die Tiefe lässt“, sagt Cirpka. „Mit Elektroden, Thermometern und eventuell gibt es auch die Möglichkeit, eine Wasserprobe zu entnehmen.“

Die Messsonden werden mit einem Raupenfahrzeug in den Boden getrieben. (Bild: Uni Tübingen/AG Hydrogeologie)

Geballte Computerpower

Um aus den Messwerten physikalisch interessante Parameter ableiten zu können, nutzen die Forscher sogenannte Inversionsverfahren. Das sind aufwändige mathematische Methoden. „Die Auswertung ist kompliziert“, gibt Cirpka zu. „Vor allem muss man darauf achten, dass sämtliche Daten konsistent zusammenpassen, damit letztlich kein unphysikalisches Ergebnis rauskommt.“ Die Tübingen Forscher haben dafür Verfahren nach dem Prinzip der „gekoppelten Inversion“ entwickelt. „Die sind in Laborversuchen getestet und wir wollen sie nun ins Feld bringen und auch richtig in 3 D durchführen.“ Da das Vorhaben geballter Computerpower bedarf, kooperieren die Geoforscher mit dem „Interdisziplinären Zentrum für wissenschaftliches Rechnen“ in Heidelberg. „Die sind Spezialisten im Hochleistungsrechnen und können partielle Differentialgleichungen in Windeseile lösen“, so Olaf Cirpka.

Untersuchungen im Neckartal

Ort der Feldversuche ist das Neckartal bei Tübingen. Das betreffende Areal ist im Besitz eines lokalen Wasserversorgers, dient allerdings nicht der Trinkwasserversorgung. Etwa zehn Meter weit werden die Wissenschaftler in den Boden vordringen. In dieser Tiefe endet bereits der örtliche Grundwasserleiter, begrenzt von einer Tonschicht, durch die nahezu kein Wasser fließt. Auf dem Gelände haben bereits Voruntersuchungen stattgefunden, die Messkampagne wird nun mehr und mehr ausgeweitet. „Wir stecken derzeit in einer heißen Phase der Planungen und Untersuchungen“, sagt Cirpka, „so dass wir über den Sommer bis in den Herbst hinein die erste Runde an Experimenten durchgeführt haben sollten.“

MN, iserundschmidt 05/11

Weitere Informationen zum Projekt TOMOME finden Sie hier. Eine interaktive Karte zu den weltweiten Grundwasservorkommen bietet die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) im Rahmen des Projekts WHYMAP.