Nicht jedes Grundwasser ist gleich. Man unterscheidet grob zwischen oberflächennahem Grundwasser, das in der Regel gut mit Niederschlägen in Verbindung steht, sich vergleichsweise schnell erneuert, aber auch anfälliger für Einträge von der Oberfläche ist – und Tiefengrundwasser, das durch dichte, wenig wasserdurchlässige Schichten (zum Beispiel Ton oder Mergel) von der Oberfläche getrennt und dadurch besonders geschützt ist.
Wie sich dieser Unterschied nachweisen lässt, wie die Stockwerke im Untergrund zusammenspielen und warum diese Grundlagen die Basis jeder seriösen Brunnen-, Quellen- oder Erdwärmeplanung sind, zeigt dieser Beitrag.
Grundwasser ist kein unterirdischer See
Grundwasser fließt nicht in unterirdischen Flüssen (außer in verkarsteten Kalkgebieten), sondern füllt die Hohlräume des Untergrunds: die Poren zwischen Kies- und Sandkörnern, die Klüfte im Festgestein, die Hohlräume im Karst. Die EU-Wasserrahmenrichtlinie definiert es als „alles unterirdische Wasser in der Sättigungszone, das in unmittelbarer Berührung mit dem Boden oder dem Untergrund steht". Darüber liegt die ungesättigte Zone, in der die Hohlräume nur teilweise mit Wasser gefüllt sind. Die Grenze dazwischen ist der Grundwasserspiegel.
Ein Grundwasserleiter hat „hinreichende Porosität und Permeabilität", so dass ein nennenswerter Grundwasserstrom oder die Entnahme erheblicher Mengen möglich ist. Sein Gegenstück ist der Grundwasserstauer (Geringleiter): Ton, Schluff oder dichter Fels, der Wasser kaum durchlässt und einen Leiter nach oben oder unten abschließt.
Nach dem zuständigen Bundesministerium (BMLUK) gibt es in Österreich drei Haupttypen von Grundwasserleitern:
- Porengrundwasser in Kies- und Sandablagerungen, etwa im Rheintal, im Inntal oder im Wiener Becken. Es wird meist über Brunnen genutzt.
- Kluftgrundwasser im Kristallin der Zentralalpen und der Böhmischen Masse, mit deutlich geringerer Ergiebigkeit.
- Karstgrundwasser in den Kalkalpen. Es wird überwiegend über Quellen genutzt, und die verkarsteten Kalkgebirge sind die größten Wasserspeicher Österreichs.
Das Trinkwasser in Österreich stammt, laut BMLUK, fast zu 100 % aus Grund- und Quellwasser.
Der Untergrund in Stockwerken
Die Abbildung zeigt einen typischen Aufbau. Unter der Deckschicht aus Boden, Lehm und Schluff liegt das 1. Stockwerk mit freiem Grundwasserspiegel (ungespannt). Es wird durch versickernden Niederschlag gespeist („Neubildung"), das Wasser fließt zum Vorfluter (Fluss in der Talsohle) und tritt an Geländekanten als Quelle aus.
Ein Grundwasserstauer aus Ton und Schluff trennt das 1. vom 2. Stockwerk. Dieses ist vollständig wassergefüllt und gespannt: Wird es angebohrt, steigt das Wasser bis zum Druckspiegel, wie an der Messstelle. Das 3. Stockwerk ist ebenfalls gespannt, sein Wasser meist älter, mit eigenem, tieferem Druckspiegel. Wasser strömt immer zum niedrigeren Druckspiegel. Eine Verbindung zwischen den Stockwerken, etwa durch eine Bohrung oder eine Störung (Versatz der Schichten), kann daher Wasserqualität und Druck verändern. Die Basis bildet das Festgestein.
Was ist ein Arteser? Liegt der Druckspiegel eines gespannten Leiters über der Geländeoberfläche, ist das Grundwasser artesisch gespannt: Wird der Leiter angebohrt, tritt das Wasser von selbst aus, ohne Pumpe. Das ist der Arteser rechts in der Abbildung; der Abstand zwischen Gelände und Druckspiegel ist der Überdruck. Steigt das Wasser nur im Rohr, ohne auszutreten, spricht man von „subartesisch". Artesische Brunnen brauchen jedenfalls eine wasserrechtliche Bewilligung (§ 10 Abs. 3 WRG) und sind heikel, weil ein unkontrolliert auslaufender Arteser schwer zu stoppen ist.
Warum gespanntes Wasser anders reagiert. In einem ungespannten Leiter entleeren sich beim Absenken Poren, in einem gespannten sinkt nur der Druck. Deshalb breitet sich die Druckabsenkung weit aus und kann Nachbarbrunnen in größerer Entfernung beeinflussen. Und kein Stauer ist absolut dicht: Bei Druckabfall strömt langsam Wasser aus der Nachbarschicht nach („Leakage").
Oberflächennahes Grundwasser und Tiefengrundwasser
Eine einheitliche Definition von „Tiefengrundwasser" gibt es in Österreich nicht, und die Tiefe allein entscheidet nicht. Das Strategiepapier der Steiermark (2011) beschreibt Tiefengrundwässer als Grundwässer, die nicht unmittelbar von der Oberfläche gespeist werden, weil sie weiträumig von gering durchlässigen Schichten überdeckt sind. Abgrenzungskriterien sind ein fehlender Gehalt an gelöstem Sauerstoff (< 0,2 mg/l) und ein Tritiumgehalt unter 1 TU, entsprechend einer Verweilzeit von mehr als etwa 50 Jahren. Andere Fachautoren legen die Grenzwerte etwas anders fest. Umgekehrt gilt: „Oberflächennah" heißt nicht automatisch „jung". Porengrundwasser kann laut BMLUK zwischen wenigen Jahren und mehreren tausend Jahren alt sein.
Wie lässt sich der Unterschied nachweisen?
Fachleute kombinieren mehrere Methoden. Jede liefert für sich nur einen Hinweis, zusammen ergibt sich ein belastbares Bild.
Alter. Das Alter eines Grundwassers, also die Zeit seit der Neubildung, lässt sich über Isotope bestimmen, deren Gehalt sich mit der Zeit in bekannter Weise verändert. Tritium (Halbwertszeit rund 12,3 Jahre) deckt das junge Wasser der letzten etwa 50–60 Jahre ab: Ist es nicht mehr nachweisbar, ist das Wasser überwiegend älter. Kohlenstoff-14 (Halbwertszeit 5.730 Jahre) reicht von etwa 1.000 bis 30.000 Jahren. Dazwischen liegt eine Datierungslücke, die weitere Methoden schließen müssen. Ein berechnetes Alter ist dabei immer eine mittlere Verweilzeit, denn eine Probe mischt Wasser unterschiedlicher Herkunft und Fließwege.
Weitere Hinweise. Die stabilen Isotope des Wassers (¹⁸O, ²H) verraten die Herkunftshöhe und das Klima bei der Neubildung; Tiefengrundwasser ist in Österreich im Median etwas „leichter" als Brunnenwasser (Wasserisotopenkarte). Auch die Mineralisierung und das chemische Milieu unterscheiden sich, allerdings nicht einfach nach der Tiefe. Tiefengrundwasser ist meist sauerstoff- und nitratfrei.
Druck und Temperatur. Jedes Stockwerk hat seinen eigenen Druckspiegel, und die Temperatur nimmt mit der Tiefe zu (in der Steiermark ca. 1 °C pro 33 m, also etwa 3 K pro 100 m), während oberflächennahes Grundwasser meist bei 8-12 °C liegt (UBA 2023).
Stockwerkstrennung prüfen. Ob zwei Stockwerke hydraulisch getrennt sind, zeigen stockwerksgetrennte Messstellen, Pumpversuche mit Beobachtungsmessstellen auch in anderen Stockwerken, Bohrlochmessungen (Gamma, Widerstand, Leitfähigkeit, Temperatur) sowie Chemie und Isotope. Das steirische Arteser-Aktionsprogramm nennt als Zeichen für eine Vermischung der Stockwerke: abnehmende Druckunterschiede, angeglichene Leitfähigkeit und Temperatur und zunehmend jüngere Wasseranteile im sonst mehrere tausend Jahre alten Tiefengrundwasser.
Wenn der Schutz versagt: Bohrungen als Wegsamkeit
Die schützende Deckschicht wirkt nur, solange sie intakt ist. Jede Bohrung, die einen Stauer durchörtert, ist eine mögliche Wegsamkeit. Das zeigt die Steiermark: Laut Arteser-Aktionsprogramm 2.0 (2016) gibt es noch etwa 1.600 artesische Brunnen, von denen rund 95 % nicht dem Stand der Technik entsprechen und ein Drittel nicht bewilligt ist. Etwa 210 l/s fließen frei aus. Zumindest die ersten beiden Stockwerke sind in großen Teilen der Oststeiermark eindeutig flächendeckend miteinander verbunden. Im Seewinkel war 1985 bei rund 70 % der Brunnen der artesische Druck so weit abgesunken, dass kein freier Überlauf mehr bestand.
Der Grund ist einfach: Die nachhaltig entnehmbare Menge von Tiefengrundwasser kann niemals größer sein als die mittlere Neubildung, und die ist sehr gering (Strategiepapier Steiermark). Einmal verlorener Druck baut sich nicht schnell wieder auf.
Was das für die Planung bedeutet
Diese Grundlagen sind keine akademische Fingerübung, sondern die Basis jeder seriösen Brunnen- oder Quellenplanung. Nur wer weiß, mit welchem Grundwasser er es zu tun hat, kann eine Nutzung planen, die auf Dauer trägt. Vor jeder Bohrung sollte geklärt sein:
- Welche Stockwerke gibt es und wie dicht sind die Stauer dazwischen?
- Welcher Druck herrscht? Liegt der Druckspiegel über Gelände, ist mit einem Arteser zu rechnen.
- Wie alt und wie empfindlich ist das Wasser?
- Wie wird die Trennung der Stockwerke dauerhaft gesichert?
- Wer ist betroffen? Die Druckabsenkung reicht in gespannten Leitern weiter, als man vermutet.