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Grundwasserspiegelabsenkung am Beispiel des Ogallala

Aquifer

Referenten: Markus Gröne & Markus Lotze25.07.2012

Fachgebiet Geohydraulik und IngenieurhydrologieFachbereich Bauingenieur- und Umweltingenieurwesen

o. Prof. Dr. rer. nat. Manfred Koch

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Gliederung

1) Ogallala Aquifer

2) Bildung Aufbau des Aquifers

3) Ergiebigkeitsproblematik (Yield)

4) Entwicklung der landwirtschaftlichen Nutzung

5) Nutzung und Übernutzung

6) Ausblick

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Ogallala Aquifer

High Plains

Ogallala Aquifer

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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

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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

Pedocals:Pedalfers:

schwarzerdeartige Böden mit Kalkausscheidung im Unterboden parabraunerdeartige Böden, Färbung durch Al- und Fe-Ionen

• Zur charakteristischen Vegetation gehören vorwiegend Gräser und Sträucher; Baumbewuchs bildet die Ausnahme

• In Mississippi-Nähe eher üppiger Grasbewuchs ,weiter westlich hauptsächlich Kurzgrassteppe

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Ogallala Aquifer• Arkansas, Canadian, Platte River haben mit fluviatilen Prozessen zur

Landschaftsprägung beigetragen Ausbildung von kastenförmigen Gräben in den Hochplateaus

• Semiarides Gebiet

Canadian River

Arkansas River

Platte River

Arides Klima vollarides Klima: N < V für 10 bis 12 Monate im Jahr semiarides Klima: N < V für 6 bis 9 Monate im Jahr

   Humides K.   Teilarides K.   Arides K.

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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.

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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

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Bildung und Aufbau des Aquifers

• größtenteils gespannter Aquifer, (engl. confined aquiifer) teilweise von Kalkstein überlagert undurchlässig für Wasser, erschwert Infiltration zusätzlich

• Sedimentgesteine, wie Ton, Kalk- und Sandstein vorzufinden• Gneis und Granit in den Bergen

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)

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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

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Ergiebigkeitsproblematik (Yield)

• Hohe Verdunstung• Hoher Abfluss durch

zusätzliche Bodenerosion• Wenig Infiltration durch

zusätzliche Kalkschichten über dem Aquifersystem

Entnahmen zur Bewässerung von 26 km3 Wasser in 2000.Bis zum Jahr 2005, die betrug die Entnahme ca. 312 km3 Wasser

Vergleich : Bodensee fasst 48km³ Wasser

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Entwicklung der landwirtschaftlichen Nutzung

• Mitte 19. Jh. viele Siedler sesshaft in den Plains

Regierungszuschüsse (Homestead Act)• 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

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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)

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Anbaumethoden• Dry farming mit 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

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Anbaumethoden

• Bewässerungsfeldwirtschaft durch Furchen: Wasser wird in Gräben geleitet

• Center- Pivot Bewässerung: Ein großes Karussell fährt über das Feld und beregnet die Saat

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Anbauarten

Center Pivot Bewässerung; Ansicht rechts, ca. 160 km²

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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

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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

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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

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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 dryland farming, 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.

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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

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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

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Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit

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