Infiltration und der Wasserkreislauf
Man kann es nicht sehen, aber ein großer Teil des Süßwassers der Welt liegt unter der Erde. Es beginnt zwar als Niederschlag, aber durch Infiltration und Versickerung versickert das Wasser in großen Mengen im Boden. Das Wasser im Boden hält alle Pflanzen am Leben und dient auch den Bedürfnissen der Menschen.
Grundwasser beginnt als Niederschlag
Überall auf der Welt versickert ein Teil des Wassers, das als Regen und Schnee fällt, in den Untergrund und das Gestein. Wie viel davon versickert, hängt stark von einer Reihe von Faktoren ab. Die Versickerung von Niederschlägen, die auf die Eiskappe Grönlands fallen, kann sehr gering sein, wohingegen ein Bach, der in einer Höhle in Südgeorgien verschwindet, wie dieses Bild eines Baches zeigt, als direkter Trichter ins Grundwasser wirken kann!
Ein Teil des versickernden Wassers verbleibt in der oberflächennahen Bodenschicht, wo es sich allmählich vertikal und horizontal durch den Boden und das unterirdische Material bewegt. Ein Teil des Wassers kann tiefer versickern und die Grundwasserleiter anreichern. Wenn die Grundwasserleiter so porös sind, dass sich das Wasser ungehindert durch sie hindurch bewegen kann, können Menschen Brunnen in die Grundwasserleiter bohren und das Wasser für ihre Zwecke nutzen. Das Wasser kann weite Strecken zurücklegen oder lange Zeit im Grundwasser verbleiben, bevor es an die Oberfläche zurückkehrt oder in andere Gewässer wie Flüsse und Meere versickert.
Faktoren, die die Infiltration beeinflussen
- Niederschlag: Der größte Faktor, der die Versickerung steuert, sind die Menge und die Eigenschaften (Intensität, Dauer usw.) der Niederschläge, die als Regen oder Schnee fallen. Niederschläge, die in den Boden einsickern, versickern oft über einen längeren Zeitraum in den Bachbetten, so dass ein Bach oft auch dann noch fließt, wenn es lange Zeit nicht geregnet hat und kein direkter Abfluss von den jüngsten Niederschlägen vorhanden ist.
- Grundströmung: In unterschiedlichem Maße fließt das Wasser in Bächen auch in regenarmen Zeiten weiter. Ein Großteil dieses “Grundwassers” in Bächen stammt aus dem Grundwasser, das in das Bachbett und die Ufer sickert.
- Bodeneigenschaften: Einige Böden, z. B. Tonböden, nehmen weniger Wasser auf als sandige Böden. Böden, die weniger Wasser aufnehmen, führen dazu, dass mehr Wasser über Land in die Bäche abfließt.
- Bodensättigung: Wie ein nasser Schwamm kann ein Boden, der bereits durch vorangegangene Regenfälle gesättigt ist, nicht mehr viel Wasser aufnehmen … daher wird mehr Regen zu Oberflächenabfluss.
- Bodenbedeckung: Einige Bodenbedeckungen haben einen großen Einfluss auf die Infiltration und den Abfluss von Niederschlägen. Die Vegetation kann die Bewegung des Abflusses verlangsamen, so dass mehr Zeit zum Versickern bleibt. Undurchlässige Flächen wie Parkplätze, Straßen und Siedlungen dienen als “Überholspur” für Regenfälle – direkt in die Regenwasserkanäle, die direkt in die Flüsse abfließen. Auch die Landwirtschaft und die Bodenbearbeitung verändern die Infiltrationsmuster einer Landschaft. Wasser, das unter natürlichen Bedingungen direkt in den Boden infiltriert wurde, fließt nun in Bäche ab.
- Neigung des Geländes: Wasser, das auf steil abfallendes Land fällt, fließt schneller ab und versickert weniger als Wasser, das auf flaches Land fällt.
- Evapotranspiration: Ein Teil des versickernden Wassers bleibt in der Nähe der Bodenoberfläche, wo die Pflanzen ihre Wurzeln schlagen. Pflanzen benötigen dieses flache Grundwasser zum Wachsen, und durch den Prozess der Evapotranspiration wird das Wasser zurück in die Atmosphäre transportiert.
Unterirdisches Wasser
Wenn Niederschlagswasser in den Boden einsickert, bildet es im Allgemeinen eine ungesättigte und eine gesättigte Zone. In der ungesättigten Zone enthalten die Hohlräume, d. h. die Räume zwischen Kies‑, Sand‑, Schlamm- und Tonkörnern sowie die Risse im Gestein, sowohl Luft als auch Wasser. Obwohl in der ungesättigten Zone viel Wasser vorhanden sein kann, kann dieses Wasser nicht durch Brunnen gepumpt werden, da es durch Kapillarkräfte zu fest gehalten wird. Der obere Teil der ungesättigten Zone ist die Boden-Wasser-Zone. Die Bodenzone ist von Wurzeln, von Öffnungen, die von abgestorbenen Wurzeln hinterlassen werden, sowie von Tier- und Wurmgängen durchzogen, durch die das Niederschlagswasser in die Bodenzone einsickern kann. Das Wasser im Boden wird von den Pflanzen für die Lebensfunktionen und die Transpiration der Blätter genutzt, kann aber auch direkt in die Atmosphäre verdunsten. Unterhalb der ungesättigten Zone befindet sich eine gesättigte Zone, in der das Wasser die Hohlräume zwischen Gestein und Bodenpartikeln vollständig ausfüllt.
Infiltration füllt Grundwasserleiter wieder auf
Die natürliche Wiederauffüllung von tiefen Grundwasserleitern ist ein langsamer Prozess, da sich das Grundwasser nur langsam durch die ungesättigte Zone und den Grundwasserleiter bewegt. Auch die Anreicherungsrate ist ein wichtiger Faktor. Es wurde beispielsweise geschätzt, dass es Jahrhunderte dauern würde, bis der Grundwasserleiter, der unter den High Plains von Texas und New Mexico liegt – einem Gebiet mit geringen Niederschlägen -, bei der derzeitigen geringen Wiederauffüllungsrate wieder aufgefüllt wäre. Im Gegensatz dazu kann ein flacher Grundwasserleiter in einem Gebiet mit beträchtlichen Niederschlägen, wie z. B. in der Küstenebene in Südgeorgien (USA), fast sofort wieder aufgefüllt werden.
Künstliche Anreicherung gibt der natürlichen Infiltration einen Schub
Überall auf der Welt nutzen die Menschen das Wasser in unterirdischen Grundwasserleitern in großem Umfang. Mancherorts pumpen sie sogar schneller Wasser aus den Grundwasserleitern ab, als die Natur sie wieder auffüllt. In diesen Fällen kann der Grundwasserspiegel, unter dem der Boden gesättigt ist und möglicherweise genügend Wasser liefert, das an die Oberfläche gepumpt werden kann, durch das übermäßige Abpumpen abgesenkt werden. Brunnen können “versiegen” und unbrauchbar werden.
An Orten, an denen der Grundwasserspiegel nahe der Landoberfläche liegt und sich das Wasser mit hoher Geschwindigkeit durch den Grundwasserleiter bewegen kann, können die Grundwasserleiter künstlich aufgefüllt werden. So werden zum Beispiel auf Long Island, New York, große Mengen an Grundwasser, das für Klimaanlagen verwendet wird, durch Anreicherungsbrunnen in die Grundwasserleiter zurückgeführt.
Grundwasserleiter können im Wesentlichen auf zwei Arten künstlich aufgefüllt werden:
Schnellfiltrationsgruben: Eine Möglichkeit besteht darin, Wasser in Gruben, Furchen oder Gräben über das Land zu verteilen oder kleine Dämme in Flusskanälen zu errichten, um den Oberflächenabfluss zurückzuhalten und umzuleiten, so dass er in den Grundwasserleiter infiltrieren kann.
Grundwassereinspeisung: Die andere Möglichkeit besteht darin, Anreicherungsbrunnen zu bauen und Wasser direkt in einen Grundwasserleiter zu injizieren.
Das Bild oben zeigt Schnellversickerungsbecken in Orlando, Florida. Das in diese Becken eingeleitete Wasser füllt den oberflächlichen Grundwasserleiter auf und wird für die Bewässerung der örtlichen Zitrusfruchtfelder verwendet.
