Internationale WasserforschungsAllianz Sachsen

Wasserkreislauf

Einleitung

Basierend auf den von den Arbeitsgruppen Landnutzung und Klimawandel (WP 1 und 2) erstellten Szenarios fällt der Tätigkeitsbereich der Arbeitsgruppe 3 (WP 3) in die Beschreibung und Modellierung des hydrologischen Kreislaufes. Weitere Aufgaben sind die Simulation von Änderungen der Umweltbedingungen und der Wasserverfügbarkeit (unter Verwendung historischer hydrologischer Daten) im Hauptsstadtbezirk Brasiliens (Distrito Federal). Dafür wird der Zugang zu bereits existierenden Datenquellen geschaffen, die mit zukünftigen Klima- und Landnutzungsszenarien kalibriert werden. Ferner wird die Interaktion zwischen Grund- und Oberflächenwasser im Hinblick auf periodische Trockenzeiten modelliert. Hauptaugenmerk ist auf die Entwicklung eines Wasserhaushaltmodels für Oberflächen- und Grundwasser gelegt, welches die großen Einzugsgebiete Paranóa, Santa Maria und Descoberto einschließen.

Detaillierte Arbeitspläne der einzelnen Teilgebiete der Arbeitsgruppe 3 wurden erstellt, um die geplanten Arbeiten zur Charakterisierung der hydrologischen und hydrogeologischen Parameter im Untersuchungsgebiet im Hinblick auf die verfügbaren Wasserressourcen effektiv durchführen zu können.

Ziele

  • Sichtung und Evaluierung der hydrogeologischen Daten des Distrito Federal
  • Entwicklung eines umfangreichen Grundwasser-Monitoring-Programms
  • Datenakquise und Evaluierung fluviometrischer Daten (Oberflächen- und Grundwasserabfluss)
  • Datenakquise und Evaluierung von Klima- und Landnutzungsdaten des Distrito Federal
  • Durchführung Machbarkeitsstudie für eine künstliche Grundwasseranreicherungsmaßnahme
  • Untersuchung der Einzugsgebiete der CAESB: São Sebastião und Santa Maria (CAESB)
  • Geophysikalische Untersuchungen auf Deponien im Distrito Federal

Methoden und Daten

Für die Entwicklung eines hydrologischen Models (siehe Abb. 1) zur Durchflussabschätzung in ausgewählten Einzugsgebieten der CAESB (Pipiripau, Santa Maria, Descoberto und Paranoá) werden sowohl klimatische Daten als auch Abflussdaten für de Erstellung eines SWAT-Modells herangezogen.

Schematischer Wasserkreislauf

Abb. 1: Schematischer Wasserkreislauf

Das Pipiripau-Becken (Abb. 2) stellt in diesem Zusammenhang das Pilotprojekt für die Modellierung von Grund- und Oberflächenwasser dar. Das Wassereinzugsgebiet Pipiripau erstreckt sich auf einer Fläche von ca. 21.300 Hektar auf, wobei die Hauptfließrichtung eine Länge von ca. 41 km beträgt und in Abhängigkeit zum Vorfluter São Bartolomeu steht.

Pipiripau

Abb. 2: Abgrenzung des Einzugsgebietes Pipiripau im Distrito Federal

Das größte Augenmerk dieser Arbeit liegt in der Entwicklung einer Integrationsmethode für Grund- und Oberflächenwasserdaten am Beispiel des Pipiripau-Beckens. Die Methode soll alle umweltrelevanten Parameter inklusive der geologischen, geomorphologischen, klimatischen und pedologischen Einflussgrößen, sowie die Landnutzung und Landbedeckung einbeziehen.

Um alle quantitativen und qualitativen Daten des Grund- und Oberflächenwassers zu speichern und sie für eine hydrodynamische Charakterisierung des Wasserkreislaufs und der Wasserspeicherung im Untergrund zur Verfügung zu stellen wird eine Geodatenbank genutzt. Mit Hilfe einer Datenbank ist es beispielsweise möglich, sortierte Datenreihen zu Verweilzeiten von Sickerwasser in der Bodenzone gemäß dem für die Cerrado (Savannenlandschaft) zugewiesenen CN-Verfahren (Curve Number) zu erstellen. Es ist weiterhin möglich, Infiltrations- und Anreicherungsbedingungen zu bestimmen, sowie hydrogeologische Einzugsgebiete zu definieren. Die Datenbank stellt weiter ein Management-Tool dar, das es erlaubt, Flächen gleicher Nutzung aber unterschiedlicher hydrogeologischer Voraussetzung unter Berücksichtigung der Gesichtspunkte der Wasserwirtschaft, der Grundwasseranreicherung sowie der Wasserqualität darzustellen. Der Aufbau der Geodatenbank beinhaltet auch die Archivierung von Daten gemäß der Detailanforderungen der jeweiligen Anwendung. Der Aufbau der Datenbank und die Modellierung der Untersuchungsgebiete werden auf einem Client-Server System durchgeführt. In der Datenbank werden Informationen zu Niederschlag, Hangneigung, Landnutzung und Landbedeckung, geologische, hydrogeologische und pedologische Informationen sowie Daten der Flusseinzugsgebiete, der Abwasserbehandlungsanlagen und der Wasserquellen zur Verfügung gestellt.

Die Integration der Daten und Informationen und die hydrologische Modellierung werden mit Elementen der IWAS-Toolbox ausgeführt.

Testflächen

Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie für die künstliche Grundwasseranreicherung wurde eine Testfläche für ein Langzeitmonitoring des Infiltrationsprozesses angelegt. Auf dem Gelände einer Abwasserbehandlungsanlage (siehe Abb. 3) nahe São Sebastião (37 km im SO von Brasília) wurde ein Testfeld mit zwei Infiltrationsflächen (5 x 5 m) errichtet. Vorbehandeltes kommunales Abwasser aus dem Einzugsgebiet São Sebastião wird in dieser Anlage behandelt und nach einem mehrstufigen Reinigungsprozess dem Vorfluter zugeführt. Die Behandlung des kommunalen Abwassers erfolgt in drei Hauptschritten. Nach einer ersten mechanischen Grobseparation wird das Abwasser in Becken gepumpt und anaerob behandelt. Anschließend wird das Abwasser über oberirdische Rohrleitungssysteme auf Infiltrationsflächen verrieselt. Hier findet der Hauptteil der Abwasserbehandlung statt. Das verrieselte Abwasser sickert durch die tonig-schluffigen Schichten des anstehenden Latosol, welcher hier die ungesättigte Bodenzone und den Bereich der Filtration darstellt. Um den Einfluss der Vegetation auf die Infiltration auszuschließen, wurde der Pflanzenbewuchs sowie der obere durchwurzelte Boden entfernt.

Abwasserbehandlungsanlage

Abb. 3: Abwasserbehandlungsanlage in São Sebastião nahe Brasília

Zur Überwachung des Infiltrationsprozesses wurde das Testfeld mit einem dreidimensionalen Geoelektrik-Netz bestehend aus 64 Decodern überspannt. Der Aufbau (15 x 6 m) besteht aus 4 parallelen Dekoderreihen (siehe Abb. 4). Mit diesem Aufbau wird eine Messtiefe von ca. 3 m unter Geländeoberfläche erreicht. Das Infiltrationsbecken befindet sich dabei im Zentrum des Messnetzes. Die Messung selbst erfolgte mit einer Dipol-Dipol Konfiguration. Der Beobachtung der Infiltration ging eine Hintergrundmessung der lokalen geophysikalischen Widerstandsverteilung voraus. Nach der Flutung des Testfeldes wurde die geoelektrische Messung täglich wiederholt und mit der Widerstandsverteilung der anfänglichen Hintergrundmessung verglichen. Durch den hohen Nährstoffgehalt des vorbehandelten kommunalen Abwassers kann die Zunahme der elektrischen Widerstände im Untergrund durch eine Funktion der Infiltrationsrate beschrieben werden. Für weitere kleinmaßstäbige Untersuchungen wurden Bodenproben in Form von Liner aus unterschiedlichen repräsentativen Böden im Distrito Federal entnommen, die für Säulenversuche mit ungesättigtem Milieu herangezogen werden. Weiterhin ist eine Kombination aus hydrochemischem und geoelektrischem Monitoring im Labormaßstab geplant.

Messkonfiguration

Abb. 4: Schematischer Aufbau der geoelektrischen Messkonfiguration

Beteiligte Arbeitsgruppen

  • Prof. H. Weiss, Helmholtz Zentrum für Umweltforschung - UFZ - Leipzig, Department Grundwassersanierung
  • Prof. S. Koide, Universidade de Brasília (UnB), Department of Civil Engineering
  • R. Santos, Companhia de Saneamento Ambiental do Distrito Federal – Brasília (CAESB)
  • M. Strauch, Technische Universität Dresden (TUD), Institut für Bodenkunde und Standortslehre

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