Grundwasserspiegelabsenkung am Beispiel des Ogallala Aquifer

1. Grundwasserspiegelabsenkung am Beispiel des Ogallala Aquifer Referenten: Markus Gröne & Markus Lotze 25.07.2012 Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Fachbereich Bauingenieur- und Umweltingenieurwesen o. Prof. Dr. rer. nat. Manfred Koch

2. Gliederung • Ogallala Aquifer • Bildung Aufbau des Aquifers • Ergiebigkeitsproblematik (Yield) • Entwicklung der landwirtschaftlichen Nutzung • Nutzung und Übernutzung • Ausblick

3. Ogallala Aquifer High Plains Ogallala Aquifer

4. Ogallala Aquifer • Die Great Plains erstrecken sich von Saskatchewan in Kanada bis Texas und von den Rocky Mountains bis zum Mississippi • Ogallala Aquifer benannt nach einem Ort in Nebraska durch Hydrologe Nelson Horatio Darton im Jahr 1899 • Ogallala Aquifer erstreckt sich über 8 Bundesstaaten und hat eine Fläche von 450.000 km² • Fällt auf Grund der Gebirgsbildung der Rocky Mountains von 2.000 m Höhe im Westen bis auf 300 m im Osten ab • 1/3 des zur Bewässerung in den USA genutzten Wassers aus dem Ogallala Speicher

5. Ogallala Aquifer • Klimaverhältnisse bilden in den östlichen Bereichen die Voraussetzung für mineralstoffhaltige, humusreiche Schwarzerden, die sog. Mollisole • Richtung Rocky Mountains eher kalkhaltige, aber sehr ertragreiche Kastanozem-Böden dominieren • Zur charakteristischen Vegetation gehören vorwiegend Gräser und Sträucher; Baumbewuchs bildet die Ausnahme • In Mississippi-Nähe eher üppiger Grasbewuchs ,weiter westlich hauptsächlich Kurzgrassteppe

6. Ogallala Aquifer • Arkansas, Canadian, Platte River haben mit fluviatilen Prozessen zur Landschaftsprägung beigetragen  Ausbildung von kastenförmigen Gräben in den Hochplateaus • Semiarides Gebiet Arides Klima vollarides Klima: N < V für 10 bis 12 Monate im Jahr semiarides Klima: N < V für 6 bis 9 Monate im Jahr Platte River Arkansas River Humides K.    Teilarides K.    Arides K. Canadian River

7. Ogallala Aquifer • Das Klima der Great Plains ist kontinental geprägt mit extremen jährlichen Temperaturunterschieden • Da der Jahresniederschlag im westlichen Teil der Plains mit ca. 300 mm wesentlich niedriger ausfällt als im östlichen Teil mit ca. 800 mm, findet man sowohl Feucht- als auch Trockensteppenklima vor. • Niederschläge fallen oft unregelmäßig; der Schwerpunkt liegt im Frühsommer. Aufgrund dieser Variabilität des Niederschlags und der relativ hohen Verdunstung sind Dürrejahre keine Seltenheit.

8. Bildung und Aufbau des Aquifers • Schneeschmelzwasser und Niederschläge reicherten sich während Kaltzeit im Quartär vor 2,6 Mio. Jahren an • hauptsächlich fossiles Wasser aus Vorzeit-klimaten • bei jetzigen Klimaverhältnissen beträgt der Zufluss lediglich wenige Millimeter pro Jahr • Mächtigkeit der wasserführende Schicht bis zu 366 m • liegt in 15 -100 m Tiefe

9. Bildung und Aufbau des Aquifers • größtenteils gespannter Aquifer, (engl. confinedaquiifer) teilweise von Kalkstein überlagert  undurchlässig für Wasser, erschwert Infiltration zusätzlich • Sedimentgesteine, wie Ton, Kalk- und Sandstein vorzufinden • Gneis und Granit in den Bergen

10. Ergiebigkeitsproblematik (Yield) • Ergiebigkeitsproblematik, durch hohe Entnahme bei gleichzeitig geringem Zufluss • Überentnahme liegt vor, wenn dir Entnahmerate aus Brunnen und der natürliche Abfluss größer sind als die Auffüllungsrate • Quote von 25 • Flüsse, wie der Platte River, liegen tiefer als der Aquifer und entziehen ihm so zusätzlich Wasser (Grundwasserabfluss, eingeschliffene Kastenprofile)

11. Ergiebigkeitsproblematik (Yield) • Eigentlich optimale Bodenbedingungen für Landwirtschaft • Maisanbau benötigt >500 mm Niederschlag • Gebiet einfach nicht geeignet zum Anbau Wasserintensiver Nutzpflanzen, da in den meisten gebieten weniger als 500mm fallen, besonders westlich des 100° westlichen Längengrades

12. Ergiebigkeitsproblematik (Yield) • Hohe Verdunstung • Hoher Abfluss durch zusätzliche Bodenerosion • Wenig Infiltration durch zusätzliche Kalkschichten über dem Aquifersystem EntnahmenzurBewässerung von 26 km3Wasser in 2000. BiszumJahr 2005, die betrug die Entnahme ca. 312 km3 Wasser Vergleich : Bodensee fasst 48km³ Wasser

13. Entwicklung der landwirtschaftlichen Nutzung • Mitte 19. Jh. viele Siedler sesshaft in den Plains  Regierungszuschüsse (HomesteadAct) • zunächst Rinderwirtschaft in den Graslandschaften • regenreiche Jahre, versprachen viel agrarisches Potential • 1. Weltkrieg führte zu stärker Nachfrage von Weizen • Ausdehnung der Anbauflächen über die 100° westliche Länge in die semiariden Gebiete • bis in 1960er Jahre forcierte Ausdehnungspolitik

14. Entwicklung der landwirtschaftlichen Nutzung • Fortschritte in der Brunnen- und Pumpentechnik erleichterten den Zugang zum Wasser des Aquifers • Anfangs nur als Ersatz für ausbleibenden Regen genutzt • Hochpreisphase für Getreide in den 1970er Jahren führte zur weiteren Ausdehnung der Bewässerungsflächen, besonders westlich des 100. Längengrades • Neue Bewässerungssysteme reduzieren Wasserverluste • Heute größtenteils Produktionsgroßbetriebe mit vertikaler Integration (Futtermittel, Viehhaltung, Schlachthof)

15. Anbaumethoden • Dry farmingmit Brachetechnik: Felder in Streifen angelegt, einen Teil bestellt den zweiten brach liegen lassen. Um Wasser aufnehmen zu können wird die Erde umgebrochen, nach dem Niederschlag verdichtet um Wasser zu speichern • Erosionsprobleme: durch fehlenden Baumbestand und die im vorhinein umgebrochenen Erde kann Wind den Mutterboden abtragen, starke Regengüsse waschen tiefe Rinnen aus und tragen den Boden gänzlich ab • Stubble-mulching: lediglich geeggter Acker; Wurzeln der geernteten Pflanzen halten das Erdreich fest, schützen vor Erosion durch Wind

16. Anbaumethoden • Bewässerungsfeldwirtschaft durch Furchen: Wasser wird in Gräben geleitet • Center- Pivot Bewässerung: Ein großes Karussell fährt über das Feld und beregnet die Saat

17. Anbauarten Center Pivot Bewässerung; Ansicht rechts, ca. 160 km²

18. Nutzung und Übernutzung • erste Absenkungen des Grundwassers bereits in 1940ern • bis 1980 erreichte die Absenkung im Panhandle - Gebiet teilweise mehr als 30 m • auch in den Folgejahren keine Verbesserung zu verzeichnen • für 2020 ist die vollständige Erschöpfung prognostiziert

19. Nutzung und Übernutzung • In Dürrejahren der 1960er Jahre ist die 4-mal mehr Wasser gefördert worden, wie durch Niederschläge dem Aquifer zugeführt wurden • Ende der 1970er Jahre wurden die Auswirkungen deutlich • Wasser wurde aus größeren Tiefen gefördert • gestiegene hohe Energiekosten für die Pumpen • Getreidepreise sanken

20. Ausblick • In Hochzeiten werden die Ressourcen maximal ausgenutzt und vor allem Großbetriebe erzielen höchste Gewinne. Stagnationsphasen sind primär für Kleinunternehmen ein finanzieller Kraftakt. Eine nachhaltige Nutzung scheint nach dieser Vorgehensweise nicht möglich. • Bei Absenkung des Grundwasserspiegels bis 2020, stehen steigende Energiepreise und ein sinkender Getreidepreis bevor, die zu Veränderungen der Wirtschaftsweise führen werden

21. Ausblick • Negative Prognose bis 2020 • Aufbauphase: Kein Anbau "wasserintensiver“ Nutzpflanzen wie Mais, lediglich Bewässerung von Hirse und Weizen als Substitutionsprodukte wegen ihres geringeren Wasserbedarfs • Fortgeschrittene Phase: bewässert wird nur noch alle zwei Jahre; Regenfeldbau von Weizen als drylandfarming, d. h. unter Anwendung "wasseranreichernder“ Bodennutzungsformen wie Sommerbrache und stubble-mulching. Der Ackerboden wird zur Verminderung der Verdunstung und besseren Versickerung von Niederschläge aufgerissen aber nicht umgebrochen. • Endphase: durch steigende Erschließungskosten erfolgt ein nachhaltiger Strukturwandel der Agrarwirtschaft. Bewässerung ist nicht mehr nötig. Die Wirtschaftsweise wird extensiviert auf die Fruchtfolge Weizen - Brache - Weizen, in Dürrejahren bleibt extensive Rinderwirtschaft als zweites Standbein.

22. Ausblick • Verschiedene Überlegungen werden aufgrund dieser Prognose diskutiert • Rücksichtsvoller Umgang mit dem Grundwasser, sparsame Techniken, vor allem Karussellbewässerung, bei beständiger Dürre Verzicht auf den Anbau von Mais, baut dafür weniger wasserintensive Pflanzen, wie Hirse, an. • pumps-out-get-out-Strategie, Farmer nutzen das verfügbare Wasser bis zur Erschöpfung; danach suche nach neuen Alternativen. • Anstelle der Rindermast könnten andere Wirtschaftszweige mit hohen Erträgen etabliert werden. Beispiele: Schweinemast, Milchproduktion

23. Quellenverzeichnis • Textverzeichnis: • http://www2.klett.de/sixcms/list.php?page=geo_infothek&node=Great+Plains • www.wikipedia .de • http://www.iup.uni-heidelberg.de/institut/forschung/groups/aquasys/lehre/material/Kap6%20Grundwasser.pdf • Bildverzeichnis: • Folie 3: National Atlas Of The United States • Folie 4: ktwu.washburn.edu • Folie 5: http://www2.klett.de/sixcms/list.php?page=geo_infothek&node=Great+Plains • Folie 6: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Klimate-humidit%C3%A4t.png?uselang=de Präsentation High Plains Aquifer unter www.clemson.edu • Folie 7: http://www2.klett.de/sixcms/list.php?page=geo_infothek&node=Great+Plains • Folie 8: http://www2.klett.de/sixcms/list.php?page=geo_infothek&node=Great+Plains • Folie 9: snr-1349.uni.edu • http://www.iup.uni-heidelberg.de/institut/forschung/groups/aquasys/lehre/material/Kap6%20Grundwasser.pdf • Folie 11: http://www2.klett.de/sixcms/list.php?page=geo_infothek&node=Great+Plains • Folie 12: Präsentation High Plains Aquifer unter www.clemson.edu • Folie 13: animalpetdoctor.homestead.com http://www.ncfh.org/images/content/farmworkers_tractor.jpg • Folie 14: http://www.auslandserfahrungen.de/Auslandsprogramme/USA/Landwirtschaft/Farming/Bildergalerie/Maehdrescher_USA.jpeg • Folie 15: http://lwww.kunst-fuer-alle.de/deutsch/kunst/kuenstler/kunstdruck/manfred-mothes-%28f1-online%29/12016/116/276183/farm-an-feld,- wyoming-usa,-farmland/index.htm http://ed101.bu.edu/StudentDoc/current/ED101fa10/jferraro/Images/dryfarm.jpg • Folie 16: http://www.agplastik.com/agplastikImages/karik.jpg • http://academic.emporia.edu/aberjame/student/zabriskie1/centerp1.jpg • Folie 17: Google Earth http://chemicallygreen.com/wp-content/uploads/2008/07/wsci_03_img0398.jpg • Folie 19: http://www2.klett.de/sixcms/list.php?page=geo_infothek&node=Great+Plains

24. Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit Fragen???