Angesichts zunehmender Überschwemmungen und Dürren werfen die Gemeinden einen neuen Blick auf die unterirdische Speicherung von Wasser

11. Juni 2019 — Houston, Texas, hat in den letzten fünf Jahren jedes Jahr überflutet. Zur gleichen Zeit ist Texas auch für schlimme Wasserknappheit bekannt. Was wäre, wenn die Menschen das Hochwasser auffangen und für später in Grundwasserleitern speichern würden — unterirdischen Schichten aus durchlässigem Gestein, Kies und Sand, die Wasser durchlassen?

Eine kürzlich von Forschern der University of Texas in Austin durchgeführte Studie ergab, dass Küstengrundwasserleiter, aus denen Wasser für den Einsatz in Farmen und Städten gepumpt wurde, genügend Platz haben, um zwei Drittel des Wassers aus Hochwasserereignissen von 10 Flüssen in Texas zu speichern, wodurch die Auswirkungen von Überschwemmungen und Dürren verringert werden – wenn wir einen Weg finden, das überschüssige Wasser in sie zu bringen.Die aktive Bewegung von Wasser unter der Erde, eine Praxis, die als Managed Aquifer Recharge (MAR) bekannt ist, wird heute immer beliebter. Laut dem International Groundwater Resources Assessment Centre (IGRAC) mit Sitz in Delft, Niederlande, gibt es etwa 1.200 verwaltete Projekte zur Wiederauffüllung von Grundwasserleitern in 62 Ländern. MAR hilft nicht nur bei der Verwaltung der Über- und Unterversorgung mit Wasser, sondern kann auch zur Wiederherstellung erschöpfter Grundwasserleiter, zur Sanierung von Ökosystemen und zur Reinigung von verschmutztem Wasser eingesetzt werden. Aber es gibt auch Herausforderungen.

Wasser in der Bank

Die unterirdische Speicherung von Wasser für die zukünftige Verwendung wird aufgrund der wachsenden Volatilität des Angebots aufgrund des Klimawandels sowie der Nachteile der Alternative immer beliebter: stauen von Flüssen, um Oberflächenreservoirs zu schaffen.

Zum einen sind in Industrieländern bereits viele Flüsse aufgestaut. Zum anderen verursachen Dämme unzählige Umweltprobleme, z. B. die Verhinderung des Auffüllens von Sedimenten an den Küsten, die Blockierung von Fischwanderungen und die Zerstörung des Lebensraums von Flüssen, indem das Wasser verlangsamt und erwärmt wird. Reservoirs verlieren bis zu einem Viertel des gespeicherten Wassers durch Verdunstung und müssen manchmal Wasser freisetzen, um Platz für große Stürme zu schaffen. Und die Oberflächenspeicherung kann zu einer übermäßigen Nutzung von Wasser führen, da der Anblick den Menschen ein falsches Gefühl der Wassersicherheit vermittelt. Es kostet auch etwa das Doppelte des Preises der Grundwasserneubildung.

Das Speichern schwerer Flüsse unter Tage für höhere Nachfragezeiten ist seit den 1960er Jahren auf der Barriereinsel Wildwood, New Jersey, üblich, sagt Steven Phillips, Hydrologe und Grundwasserspezialist beim U.S. Geological Survey in Sacramento. Ein beliebter Ferienort, Wildwood beherbergt im Sommer zahlreiche Besucher. Wassermanager speichern überschüssiges Winterwasser unter der Erde und pumpen es dann zur Verwendung in der Hochsaison ab.

Kalifornien versucht, diese Strategie auszuweiten. Die Schneedecke, die historisch Wasser in den trockenen Frühling und Sommer geliefert hat, wird voraussichtlich mit der Klimakrise weitgehend verschwinden. Und seine Winterstürme werden voraussichtlich intensiver werden. Wassermanager und Wissenschaftler, angeführt vom California Department of Water Resources, suchen nach den besten Orten, um Wasser aus Winterstürmen in den trockenen Sommern unter die Erde zu bringen.

Weitere Vorteile

Die natürliche Tendenz des Wassers besteht an vielen Orten in vielen Jahreszeiten darin, auf dem Land zu verweilen. Wenn Oberflächengewässer langsamer werden, können einige unterirdisch versickern und Grundwasserleiter aufladen.

Aber an vielen Stellen haben wir die Möglichkeit zur natürlichen Auffüllung der Grundwasserleiter blockiert. Wir haben Flüsse von Auen mit Betonrinnen und Deichen abgeschnitten; entwässerte Feuchtgebiete und gepflastert mit weitläufigen, undurchdringliche Städte; und Biber beseitigt. Infolgedessen fließt Regenwasser in Oberflächengewässer und von der Region weg, anstatt in Grundwasserleiter einzudringen.Tatsächlich ergab eine Studie von NASA-Satellitendaten aus dem Jahr 2015, dass mehr als die Hälfte der wichtigsten Grundwasserleiter der Welt überzeichnet oder überbeansprucht waren.Zusammen mit der Tatsache, dass vielerorts Grundwasser für die Oberflächennutzung entnommen wird, hat diese Situation zu einem Nettoverlust an Grundwasser geführt. Tatsächlich ergab eine Studie der NASA aus dem Jahr 2015, dass mehr als die Hälfte der wichtigsten Grundwasserleiter der Welt überzeichnet oder überbeansprucht waren.Dies bedroht nicht nur die Wassersicherheit, sondern kann auch dazu führen, dass das Land darüber sinkt, wie es im kalifornischen San Joaquin Valley, in Peking und Mexiko-Stadt der Fall ist. Und das Pumpen aus einem Grundwasserleiter in Küstennähe kann den Wasserdruck bis zu dem Punkt verringern, an dem Salzwasser in den Untergrund eindringen und das Süßwasser verschmutzen kann.

MAR kann helfen, solche Probleme zu reduzieren. San Jose, Kalifornien, begann vor vielen Jahrzehnten mit MAR, nachdem die Innenstadt um 13 Fuß (4 Meter) gesunken war. Und die Grafschaften Los Angeles und Orange gehörten zu den ersten Orten, an denen MAR eingesetzt wurde, um das Eindringen von Salzwasser zurückzudrängen. In der Gegend von Hampton Roads in Virginia planen Beamte eine „ziemlich groß angelegte Grundwasserneubildung, um Salzwasser zurückzudrängen, das in ihr Grundwasser gelangt“, sagt Bill Alley, Direktor für Wissenschaft und Technologie der National Growwater Association. Das Eindringen von Salzwasser ist teilweise auf den raschen Anstieg des Meeresspiegels zurückzuführen.Da Oberflächenwasser und Grundwasser oft durch Schwerkraft und hydraulischen Druck miteinander verbunden sind, kann das Aufladen auch Feuchtgebieten, Quellen, Bächen und anderen Oberflächenwasserökosystemen neues Leben einhauchen, die austrocknen, zu warm werden oder von Algen erstickt werden, nachdem die Menschen das Oberflächenwasser oder Grundwasser, das sie ernährt, erschöpft haben. Im Sacramento Valley schnitt die Nature Conservancy eine Lücke in einem Damm, so dass hohe Flussflüsse das Cosumnas River Preserve erneut überfluten und in den Grundwasserleiter versickern würden, wo das Wasser das Ökosystem kontinuierlich versorgen könnte.

Wasser, das in den Boden gelangt, kann ihn oft reinigen, abhängig von den Schadstoffen und der Zusammensetzung des Substrats.Aber manchmal ist es zu spät. In einigen Teilen des San Joaquin Valley sind die Grundwasserspiegel durch Überpumpen mehr als 500 Fuß (150 Meter) unter die Erde gefallen, sagt Phillips. „Die Wasserstände sind tief genug, dass wir wahrscheinlich nie wieder Flüsse sehen werden, die vom Grundwassereintrag profitieren.“ Solche Aquifere könnten immer noch zur Wasserspeicherung genutzt werden — obwohl das nicht immer möglich ist, da Setzungen manchmal zu einem dauerhaften Kapazitätsverlust in einem Aquifer führen.

Wasser, das in den Boden gelangt, kann ihn oft reinigen, abhängig von den Schadstoffen und der Zusammensetzung des Substrats. Gilbert, Arizona, leitet Abwasser in Wiederaufladungsteiche ab, einschließlich eines Uferschutzgebiets, das Erholungsraum für Menschen und Lebensraum für Wildtiere bietet, wo es zur zukünftigen Verwendung in den Grundwasserleiter versickert. Teichwasser wird auch direkt für die Bewässerung und andere nicht trinkbare Zwecke verwendet, wodurch der Bedarf an Trinkwasser verringert wird.

Wie es gemacht wird

Ein seit langem verwendeter Ansatz, um Wasser unter die Erde zu bringen, der immer noch in ländlichen Gebieten auf der ganzen Welt praktiziert wird, besteht darin, Niederschläge in ein flaches Becken oder einen Graben zu ernten oder einzuleiten und es in den Boden einweichen zu lassen.

Im Jahr 2011 sah der IGRAC-Hydrogeologe Arnaud Sterckx bei einem Projekt in Tigray, Äthiopien, einem bergigen, ländlichen Gebiet, Menschen, die Dämme in Schluchten bauten, steile Talflanken aufforsteten, Terrassen für die Landwirtschaft bauten und Teiche gruben, um Regenwasser aufzufangen. Solche Projekte erscheinen normalerweise nicht im MAR Global Inventory, sagt er, weil diese traditionellen Methoden keine Genehmigungen, Machbarkeitsstudien oder Umweltverträglichkeitsprüfungen erfordern.

Sterckx sagt, dass das eingepferchte Wasser nicht einmal in einen Grundwasserleiter gefiltert werden muss, um dies zu einer nützlichen Praxis zu machen. Indem es im Boden verweilt, kann es Pflanzen helfen, mit reduziertem Bewässerungsbedarf zu wachsen.Eine urbane Version dieses Ansatzes ist die zunehmende Nutzung grüner Infrastruktur durch Städte. Ergänzungen wie begrünte Dächer, Bioswales, durchlässiger Bürgersteig und Parks entlang der Flussufer absorbieren Regenwasser, Verringerung von Überschwemmungen und Speicherung von Wasser vor Ort für die zukünftige Versorgung.

Wassermanager bauen auch große Infiltrationsbecken, wie Arizonas 38 Hektar (15 Hektar) Hieroglyphic Mountains Recharge Facility, die Colorado River Wasser für die spätere Verwendung speichert. Solche Becken sind oberhalb geeigneter Geologie für die Infiltration gebaut, typischerweise eine Mischung aus Sand, Kies und Ton. Die Becken können jedoch verstopfen, wenn das Wasser viel Sediment enthält und daher regelmäßig gereinigt werden muss, warnt Sterckx.Eine natürlichere Art, Wasser unter der Erde zu speichern, besteht darin, Bächen und Flüssen, die so konstruiert wurden, dass sie in ihren Ufern bleiben, zu helfen, sich wieder in ihre historischen Auen auszubreiten.In einem frühen Beispiel bauten lokale Führer in Los Gatos, Kalifornien, in den 1920er Jahren Teildämme über einen Bach mit mit Schmutz gefüllten Leinsäcken, um das Wasser zu verlangsamen und sich über flache Bereiche neben dem Bach auszubreiten. Heute werden aufblasbare Dämme in mehreren nördlichen und südlichen kalifornischen Grafschaften eingesetzt, um Flüsse und Bäche während hoher Flüsse zu verlangsamen, um mehr Infiltration im natürlichen Kanal zu ermöglichen, sagt Phillips.

Der industriellste Ansatz besteht darin, überschüssiges Wasser über einen Brunnen oder ein Bohrloch in den Boden zu injizieren. Es ist teurer als passive Methoden wegen der benötigten Energie. Dennoch kann es nützlich sein, um Wasser durch eine nicht absorbierende Tonschicht in einen darunter liegenden Grundwasserleiter oder an Stellen zu bewegen, an denen kein Platz für ein Ausbreitungsbecken ist. Dieser Ansatz wurde in Rio Rancho, einem Vorort von Albuquerque, New Mexico, verwendet, sagt Alley.

Eine weitere MAR-Methode wird als induzierte Bankfiltration bezeichnet. Die Menschen graben einen Brunnen mehrere zehn Meter vom Fluss entfernt, so dass der hydraulische Druck Wasser aus dem Fluss anzieht und es durch Sand und Schlick bewegt, die gute Filtrationseigenschaften haben, sagt Sterckx. Deutschland und die Niederlande haben viele dieser Projekte und verwenden es normalerweise als Vorbehandlung für Trinkwasser. Ungarn bekommt etwa die Hälfte seiner öffentlichen Versorgung auf diese Weise, sagt Alley.

Herausforderungen

Trotz der vielen Vorteile von MAR kann es auch Nachteile geben. Das Hauptanliegen ist die Verschmutzung. Obwohl unterirdisches Wasser es reinigen kann, kann es in einigen Fällen das Grundwasser aufgrund von Schadstoffen im Wasser oder Boden verschmutzen. „Deshalb braucht man Wissen über Grundwasserleiter, Hydrogeologie, die Richtung des Grundwasserflusses, die Qualität des Wassers, das man infiltriert“, sagt Sterckx. „Andernfalls haben Sie möglicherweise ernsthafte Probleme.“Schadstoffe können aus städtischen Abflüssen oder aus dem Einsatz von Düngemitteln und Pestiziden in der Landwirtschaft stammen. In der Nähe von Wichita, Kansas, sagt Alley, Menschen haben hohe Ströme aus dem Little Arkansas River gezogen, um die Equus Beds-Grundwasserleiter aufzufüllen, aus denen sie ihr Wasser beziehen. „Sie mussten sich damit befassen, Atrazin aus dem Wasser zu entfernen, bevor sie es injizieren.“

Andere Schadstoffe kommen natürlich vor, wie Arsen, das in Floridas Geologie vorkommt. Wenn man dort Wasser nachlädt, ist es möglich, eine Grundwasserverschmutzung zu verhindern, aber es ist kompliziert, sagt Alley. „In den Everglades hatten sie diese massive Idee der verwalteten Aquifer-Wiederaufladung , und sie haben das vor allem wegen der chemischen Probleme mit Arsen nicht verfolgt.“

In einigen Fällen kann verschmutztes Grundwasser mit aufgeladenem Süßwasser verdünnt werden, um es auf ein Niveau zu reinigen, das für bestimmte Anwendungen geeignet ist. Im San Joaquin Valley, wo ein Teil des Grundwassers mit Nitraten aus Düngemitteln verschmutzt ist, messen die Landwirte den Grundwasserspiegel, den sie pumpen, um ihre Pflanzen zu bewässern, und reduzieren ihre Düngemittelanwendungen entsprechend, eine Praxis, die die Grundwasserqualität im Laufe der Zeit verbessern könnte. Wasser kann auch zum Trinken gereinigt werden, nachdem es aus einem Brunnen gepumpt wurde, obwohl „es tendenziell teuer ist“, sagt Phillips.

Das Aufladen von Wasser zur späteren Verwendung kann ebenfalls zu Bestürzung über den Besitz führen. Der Zugang zur Wasserversorgung zum Aufladen kann ein weiteres Problem sein. Obwohl ein Großteil des Wassers, das zum Auffüllen von Grundwasserleitern verwendet wird, aus Exzessen der Regenzeit stammt, kann es in einigen Ländern aufgrund rechtlicher oder politischer Erwägungen kompliziert sein, Rechte an diesem Wasser zu erhalten oder sicherzustellen, dass es von geeigneter Qualität ist, sagt Jim LaMoreaux, Präsident der US-Niederlassung der International Association of Hydrogeologists.

Das Aufladen von Wasser zur späteren Verwendung kann ebenfalls zu Bestürzung über den Besitz führen. Andere Leute können Wasser abpumpen, das Sie injizieren, wie in El Paso und San Antonio, Texas, wo, sagt Alley, es ist das „Gesetz der größten Pumpe“ — was im Wesentlichen bedeutet, dass jeder unterirdisches Wasser pumpen kann, wenn es unter seinem Grundstück liegt. Das war bis vor kurzem auch in Kalifornien der Fall. Aber der Staat 2014 Sustainable Grundwassermanagement Act erfordert nun Wassernutzer in einer Wasserscheide, um zusammenzuarbeiten, um ihr Grundwasser nachhaltig zu nutzen, eine Herausforderung, die einige Bezirke motiviert, es zu nutzen. Sie teilen sich die Ressource und sind daher untereinander rechenschaftspflichtig.

Abhängig von der Geologie kann auch ein Teil des unterirdisch bewegten Wassers in die weitere Umgebung „verloren“ gehen. Die Akzeptanz einiger Verluste erfordert eine ähnliche Denkweise von einer Eigentümermentalität hin zu einer fokussierten Nachhaltigkeit, bei der das Aufladen von Wasser die Gesundheit des Ökosystems unterstützt und möglicherweise weniger menschliche Eingriffe erforderlich sind, um den Zusammenbruch abzuwehren. Und es lohnt sich, noch einmal darauf hinzuweisen, dass oberirdische Stauseen bis zu einem Viertel des gespeicherten Wassers durch Verdunstung verlieren und manchmal Wasser freisetzen müssen, um Platz für große Stürme zu schaffen — „Verlust“ ist also bereits Teil des Status Quo.

Die wachsende Weltbevölkerung und unsere gebaute Umwelt verändern zunehmend den natürlichen Wasserkreislauf. Die Auswirkungen dieser Veränderungen werden verschärft, da das Klimachaos größere Überschwemmungen und längere Dürren mit sich bringt. Als eine Methode, den Wasserkreislauf zu reparieren, wird sich MAR wahrscheinlich ausbreiten, zumal die Menschen aus Erfahrung lernen, wie sie potenzielle Probleme mit den Prozessen abmildern können.