Kostbares Nass

Der globale Wasserkonsum geht über die Kräfte der Natur. Wissenschaftler der Freien Universität untersuchen, wie die wertvolle Ressource effektiver genutzt werden kann

17.04.2012

Der weltweite Wasserverbrauch steigt seit Jahrzehnten. Gleichzeitig drohen infolge des Klimawandels extreme Wetterereignisse wie Dürreperioden. Mit verschiedenen Verfahren wollen Geowissenschaftler der Freien Universität Grundwasser anreichern und die Wassernutzung nachhaltiger gestalten.

Kostbares Nass: Der globale Wasserkonsum geht über die Kräfte der Natur. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen, wie die wertvolle Ressource effektiver genutzt werden kann.
Kostbares Nass: Der globale Wasserkonsum geht über die Kräfte der Natur. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler untersuchen, wie die wertvolle Ressource effektiver genutzt werden kann. Bildquelle: photocase/skyla80 www.photocase.de/foto/177358-stock-photo-wasser-gruen-sommer-erholung-garten-wellness

Jeder Mensch in Deutschland verbraucht täglich im Schnitt 25 Badewannen voll Wasser, errechnete die Umweltschutzorganisation World Wide Fund for Nature (WWF). Das meiste davon bekommt der Verbraucher noch nicht einmal zu Gesicht. Es ist der versteckte Preis unserer Konsumprodukte: Bei deren Herstellung wird Wasser verbraucht, verschmutzt, oder es verdunstet einfach. Da viele unserer Waren aus dem Ausland kommen, geht der Konsum auf Kosten von Ländern, in denen die Ressource ohnehin häufig Mangelware ist.

Süßwasser ist knapp

Den Vereinten Nationen zufolge haben weltweit rund 900 Millionen Menschen keinen ausreichenden Zugang zu sauberem Trinkwasser. Bedingt durch das globale Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstum hat sich zudem der weltweite Wasserverbrauch in den vergangenen fünfzig Jahren ungefähr verdreifacht. Der wertvolle Rohstoff ist jedoch begrenzt: Nur 2,5 Prozent des globalen Wasservorkommens bestehen aus Süßwasser – und selbst davon kann der Mensch weniger als ein Prozent nutzen.

Konflikte sind programmiert

„Um der stetig steigenden Nachfrage zu begegnen, hat man die Wasserinfrastruktur und Versorgungssysteme in den letzten Jahrzehnten erheblich ausgebaut“, sagt Steffen Schwörer. Er ist Absolvent des Masterstudiengangs Umweltmanagement an der Freien Universität Berlin und arbeitet derzeit in Uganda als freier Berater für ein Projekt der Deutschen Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) zur Unterstützung der Nile Basin Initiative. Deren Ziel ist die nachhaltige Bewirtschaftung der Wasserressourcen im Nilbecken. „Die verschiedenen Maßnahmen weltweit haben vielen Menschen Zugang zu Trinkwasser verschafft, Wirtschaftswachstum ermöglicht und die Lebensmittelsicherheit erhöht.“ In zahllosen Regionen der Welt sei Wasser aber aufgrund der zunehmenden Nutzung bereits heute eine heiß begehrte Mangelware: etwa etwa im Mittelmeerraum, im Nahen Osten, in weiten Teilen Afrikas, aber auch in Teilen Nord- und Südamerikas sowie in Asien.

Spannungen sind programmiert. Verteilungskonflikte gibt es schon heute in verschiedenen Gebieten – auf nationaler Ebene zwischen einzelnen Nutzergruppen wie der Landwirtschaft, der Industrie und den Haushalten; auf internationaler Ebene zwischen Staaten, die sich beispielsweise ein Flussgebiet teilen.

Kaum zu stillen ist vor allem der Durst der landwirtschaftlichen Produktion: „Global werden rund zwei Drittel des Wassers für die Landwirtschaft genutzt, in trockenen Regionen sogar bis zu 90 Prozent“, sagt Schwörer. Dabei geht der Mensch mit dem wertvollen Gut häufig alles andere als nachhaltig um und entnimmt weltweit vielen Flüssen, Seen und Grundwasserreservoirs mehr, als die Natur wieder auffüllen kann.

Der Blick in die Zukunft fällt daher nicht allzu rosig aus: „Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstum werden auch in Zukunft dazu führen, dass die Nachfrage nach Wasser zunimmt“, sagt Schwörer. Zudem könnten infolge des Klimawandels extreme Wetterereignisse wie Dürren manche Teile der Erde häufiger ereilen. Steffen Schwörer sieht den Kern des Problems allerdings weniger in der Knappheit der Ressource als vielmehr in der Art und Weise, wie Wasser genutzt und gemanagt wird. Deshalb müsse die Politik genau hier ansetzen: „Institutionen und Vorgänge müssen so gestaltet werden, dass die verschiedenen Interessens- und Nutzergruppen im Entscheidungs- und Managementprozess berücksichtigt und eingebunden werden.“

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"Prepaid Water Meter" in Ugandas Hauptstadt Kampala: Wer Wasser nutzen will, muss ein Guthaben auf eine Wertmarke laden. Mit ihr kann der Nutzer das Ventil freischalten und Wasser in Kanister abfüllen.
"Prepaid Water Meter" in Ugandas Hauptstadt Kampala: Wer Wasser nutzen will, muss ein Guthaben auf eine Wertmarke laden. Mit ihr kann der Nutzer das Ventil freischalten und Wasser in Kanister abfüllen. Bildquelle: Steffen Schwörer
Für den Anbau von Paddy-Reis (Nassreis) werden in Indien die Felder - wie hier im Mündungsdelta des Cauvery Flusses - geflutet, um das Wachstum von Unkraut und Schädlingen zu verhindern.
Für den Anbau von Paddy-Reis (Nassreis) werden in Indien die Felder - wie hier im Mündungsdelta des Cauvery Flusses - geflutet, um das Wachstum von Unkraut und Schädlingen zu verhindern. Bildquelle: Stefan Görlitz

Projekte in Peru, China und Indien

Neben der Politik kommt auch der Wissenschaft bei dem „Zukunftsprojekt Wasser“ eine Schlüsselrolle zu. An vielen Orten der Erde arbeiten Forscher daran, die Wassernutzung effektiver und nachhaltiger zu gestalten und den möglichen Folgen des Klimawandels vorzubeugen. Ein Land, in dem derartige Bemühungen auf fruchtbaren Boden fallen sollen, ist Peru. Von 2008 bis 2011 lief hier das Verbundprojekt CASCUS (Conservación del agua y suelo en las cuencas de los ríos Chetillano y Ronquillo en la Sierra norte del Perú), in dem peruanische und deutsche Einrichtungen zusammen arbeiteten, gefördert durch die Hans-Sauer-Stiftung nach einer Anschubfinanzierung durch die Freie Universität Berlin. Einer der beteiligten Wissenschaftler war Achim Schulte, Professor für Angewandte Physische Geographie an der Freien Universität. „Bei dem Projekt ging es darum, die Wasser- und Bodenressourcen in den Einzugsgebieten der Flüsse Chetillano und Ronquillo in der nördlichen Sierra Perus zu erhalten und zu verbessern“, sagt der Hydrologe. Diese Gebirgsregion ist ein Gebiet der Wetterextreme: Ausgeprägte Trockenund Regenperioden wechseln sich ab. „In der Regenzeit fallen die Niederschläge derart intensiv aus, dass der Boden das Wasser nicht vollständig aufnehmen kann“, sagt Achim Schulte. Ein zu großer Teil fließt an der Oberfläche in Gewässer ab, statt in den Untergrund zu versickern und neues Grundwasser zu bilden. Doch genau diese zusätzliche Reserve fehlt später dem Fluss Ronquillo. Denn ob das Flussbett auch in der Trockenzeit gefüllt ist, hängt vom Grundwasser aus der Regenzeit ab. Das Trinkwasser aus dem Fluss reicht deshalb in der Trockenzeit nicht aus, die Menschen der nahe gelegenen Stadt Cajamarca, die aufgrund einer örtlichen Goldmine rasant wächst, 24 Stunden am Tag zu versorgen.

Spezielle Böden nutzen

Im Einzugsgebiet des Flusses wollten die Forscher daher optimale Bedingungen dafür schaffen, dass sich in der Regenzeit neues Grundwasser bilden kann. „Wir haben untersucht, wie man das Niederschlagswasser vor dem Direktabfluss zurückhalten kann“, erläutert Schulte. Dafür griff seine Arbeitsgruppe auf ein bereits in Deutschland erprobtes computergestütztes Niederschlags-Abfluss-Modell zurück. „Bei dieser Software können wir beispielsweise Daten wie die Art der Landnutzung, die Böden und das Relief eingeben“, sagt der Hydrologe. So lässt sich die Situation vor Ort abbilden, und verschiedene Szenarien können simuliert werden. „Wir haben etwa verschiedene Speicher, kleine Wasserrückhaltebecken, in das Modell eingefügt und geschaut, welche Wirkung das auf die Wasserrückhaltung hat.“ Bei der Untersuchung der lokalen Böden stießen die Hydrologen auf eine Besonderheit äquatorialer Hochgebirge, den sogenannten Paramoboden. Er ist für die Grundwasseranreicherung besonders geeignet: Aufgrund eines hohen Organikgehalts hat er eine sehr gute Speicherwirkung und ähnelt darin Torfböden. Das Ziel sei es langfristig, auf landwirtschaftlichen Flächen im Einzugsgebiet des Ronquillo kleine, flache Dämme einzubauen, um den Oberflächenabfluss des Niederschlags zu stoppen. Das Wasser soll in kleinen Becken eingefangen werden und zwar an den Stellen, an denen sich der Paramoboden befindet.

Grundwasser anzureichern war auch das Ziel bei dem von 2009 bis 2011 gelaufenen Verbundprojekt MOWARES (Modelling of the risk oriented and integrative management of Water Resources under changing climatic conditions in the coastal catchment of the Muzhu River,Weihai, China), das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wurde, und an dem neben deutschen Forschungsinstituten wie dem Dresdner Leibniz-Institut für Ökologische Raumentwicklung e.V. auch verschiedene chinesische Institutionen beteiligt waren: In der Region der chinesischen Küstenstadt Weihai im Nordosten der Provinz Shandong sind Hochwasser in der Regenzeit keine Seltenheit. „In China wollen wir daher die großen Wassermengen ebenfalls an Stellen aufstauen und versickern lassen, an denen es für die Grundwasserneubildung günstig ist“, erklärt Schulte. Damit ließen sich gleich zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen. Denn in der Region nutzt man das Grundwasser so stark, dass sein Pegel unter den Meeresspiegel sinkt. In der Folge kommt es in küstennahen Regionen wie Weihai zur sogenannten Salzwasserintrusion: Salzwasser sickert aus dem Meer in den Grundwasserbereich hinein. „Wenn man durch die von uns vorgeschlagenen Maßnahmen den Grundwasserspiegel anheben könnte, löste sich dieses Problem ebenfalls“, sagt Schulte.

Lösungen für Ballungszentren

Während sich Hydrologen wie Achim Schulte vorwiegend mit oberirdischem Wasser beschäftigen, erforschen Hydrogeologen wie Michael Schneider Wasser in der Erdkruste. Als Professor für Hydrogeologie an der Freien Universität arbeitet Schneider ebenfalls am MOWARES-Projekt in China mit. Daneben setzt er sich in Indien für sauberes Wasser ein. Saph Pani (Hindi für „Reines Wasser“) heißt bezeichnenderweise das von der Europäischen Union geförderte dreijährige internationale Verbundprojekt mit 20 Partnerorganisationen. An Standorten in Neu-Delhi, Chennai und Raipur wirken die Wissenschaftler daran mit, zum Teil bestehende naturnahe Systeme der Wasserbehandlung und Grundwasseranreicherung nach modernen Gesichtspunkten zu verbessern. „Anders als konventionelle Wasseraufbereitungsanlagen kommen die naturnahen Verfahren ohne hohe Investitionen und Betriebskosten aus, und es muss nicht zuviel Know-how aus dem Ausland herangezogen werden“, sagt Michael Schneider.

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Geowissenschaftler nehmen von einem Schwimm-Ponton, einer Art Mini-Bohrinsel, Bohrungen auf dem Wannsee beim Wasserwerk Beelitzhof vor.
Geowissenschaftler nehmen von einem Schwimm-Ponton, einer Art Mini-Bohrinsel, Bohrungen auf dem Wannsee beim Wasserwerk Beelitzhof vor. Bildquelle: Thomas Taute

Im Mittelpunkt des wissenschaftlichen Interesses stehen urbane Räume, besonders Ballungszentren, in denen die Nachfrage nach der flüssigen Ressource entsprechend hoch ist. „Indien steht bei der Wasserversorgung vor sehr großen Herausforderungen“, erläutert der Hydrogeologe. Dies mache die Forschung sehr sinnvoll. „Derzeit leben dort 18 Prozent der Weltbevölkerung – 1,15 Milliarden Menschen. Aber sie haben nur Zugang zu vier Prozent der weltweiten Ressourcen an frischem Süßwasser.“ In dem Schwellenland, das sich zunehmend industrialisiert und dessen Bevölkerungszahl rasant wächst, steigt auch der Wasserbedarf mit hoher Geschwindigkeit.

Indien hängt besonders stark vom Grundwasser ab und schon heute sinkt dessen Spiegel, vor allem in den Ballungszentren. „In vielen Gebieten ist das Oberflächen- und Grundwasser zudem extrem belastet, etwa mit krankheitserregenden Keimen, Schwermetallen und Düngemitteln“, sagt Michael Schneider. Der Klimawandel verschärft die Situation noch. Besonders heftige Niederschläge treten häufiger auf, der Untergrund kann in solchen Fällen nur einen Teil der enormen Wassermengen aufnehmen. Wertvolles Grundwasser geht einmal mehr verloren. Zudem drohen Indien in Zukunft möglicherweise immer längere Trockenphasen.

„In Neu-Delhi testen wir daher die Methode der Uferfiltration“, sagt Schneider. Bei diesem Verfahren entziehe man denjenigen Brunnen Wasser, die sich in der Nähe von Flüssen oder Seen befinden. „Auf diese Weise zwingt man das Oberflächenwasser, in den Untergrund zu infiltrieren und auf relativ kurzem Weg in den Brunnen einzuströmen.“ Ein besonderer Vorteil: Im Untergrund wird das Wasser durch Filtration sowie durch chemische und biologische Prozesse natürlich gereinigt. Schneider und seine Kollegen untersuchen, wie sich die Schadstoffe im stark belasteten Oberflächenwasser im Zuge der Uferfiltration noch weiter verringern lassen.

Forschung in Berlin und Brandenburg

Bei den naturnahen Verfahren bringen die Wissenschaftler ihre Erfahrungen aus Deutschland ein. In Berlin forschen sie unter anderem daran, Wasser nachhaltig zu nutzen, schließlich bleibt die Stadt wohl ebenfalls nicht von den Folgen des Klimawandels verschont. Der promovierte Hydrogeologe Thomas Taute aus Schneiders Arbeitsgruppe arbeitet an einem Teilprojekt des „Innovationsnetzwerks Klimaanpassung Berlin-Brandenburg“; ebenfalls ein Verbundvorhaben des Bundesforschungsministeriums (BMBF), das von 2009 bis 2013 läuft. Bei dem Teilprojekt geht es um Technologien für klimaangepasste Wasserbewirtschaftung in Berlin-Brandenburg, Partner sind die Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umwelt Berlin und die Berliner Wasserbetriebe. „Ausgangspunkt ist die auf Ergebnisse numerischer Modellierungen gestützte Zukunftsperspektive, dass die Grundwasserneubildung durch den Klimawandel in 50 Jahren voraussichtlich um rund 30 Prozent zurückgehen könnte“, sagt Taute. Sinkende Jahresniederschlagssummen und steigende Verdunstung als Folge des Temperaturanstiegs könnten dem Grundwasser zu schaffen machen. „Außerdem nehmen in Zukunft möglicherweise auch in Berlin und Brandenburg Dürreperioden zu.“

Die Berliner können zumindest in einem Punkt gleich wieder aufatmen: Die Trinkwasserversorgung bleibt voraussichtlich gesichert, da etwa zwei Drittel des wertvollen Nasses aus Uferfiltrat der Oberflächengewässer wie der Havel oder der Spree stammen. Doch die Qualität könnte leiden: „Da in Zukunft wohl geringere Mengen an Wasser fließen, werden das Oberflächen- und Grundwasser stärker mit Schadstoffen belastet sein“, erläutert Taute. Außerdem könnten die Veränderungen Ökosysteme treffen, die auf das Grundwasser angewiesen sind. „In unserer Arbeitsgruppe machen wir uns deshalb Gedanken, an welchen Stellen der Stadt man sinnvoller Weise Grundwasser anreichern sollte und welches Wasser hierfür geeignet ist.“ Eine Möglichkeit wäre geklärtes Abwasser.

Ob es für diese Zwecke infrage kommt, soll das Projekt „Entwicklung eines integrierten Landmanagements durch nachhaltige Wasser- und Stoffnutzung in Nordostdeutschland“ zeigen, ein Vorhaben, das vom BMBF gefördert wird und von 2011 bis 2015 läuft. Bisher leitet man das Regenwasser über die Kanalsysteme ins Klärwerk und anschließend gereinigt in Oberflächengewässer. Das gereinigte Abwasser darf aber bislang laut Gesetz nicht zur Anreicherung von Grundwasser eingesetzt werden. „Wir prüfen jetzt an einem Versuchsstandort, dem ehemaligen Rieselfeld Ruprechtsfelde, inwieweit eine Grundwasseranreicherung mit geklärtem Abwasser besorgniserregend ist oder nicht“, sagt Taute. Geklärtes Abwasser wird dort in Teiche geleitet, die einen direkten Auslauf in Gräben haben. Auf diese Weise kann man das ansonsten versteppende Gebiet feucht halten. „Als Hydrogeologen schauen wir uns an, wie sich im Wasser Reststoffe wie Keime und industrielle Stoffe auf dem Weg verändern, den es von den Gräben bis zum Grundwasser nimmt.“ So könnten beispielsweise Bestandteile des Bodens wie Tonminerale und Humus die Schadstoffe aufnehmen und sie festhalten. Allerdings sind sie unter Umständen irgendwann so beladen, dass sie diese wieder ins Grundwasser abgeben.

Ob das Abwasser tatsächlich unter den gegebenen Umständen für die Anreicherung von Grundwasser taugt, müssen Untersuchungen wie die von Thomas Taute erst noch zeigen.

Sicher ist für die Wissenschaftler aber: Lokal und global bleibt in Sachen Wasser noch viel zu tun. Die Wasserversorgung der Weltbevölkerung ist und bleibt eine der großen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts.

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