Understanding deep groundwater flow systems to contribute to a sustainable use of the water resource in the Mexican Altiplano

Aachen (2018, 2019) [Doktorarbeit]

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Kurzfassung

In der vorliegenden Forschungsarbeit wurden zwei Sedimentbecken im Mexikanischen Altiplano hinsichtlich ihres hydrogeologischen Aufbaus und ihrer Fließprozesse untersucht: das Becken von San Luis Potosí (Bundesstaat San Luis Potosí) und das Calera-Benito Juárez Becken (Bundesstaat Zacatecas). Beide Projektgebiete liegen in Zentralmexiko auf ungefähr 2,000 m ü. NN. Trotz des semiariden Klimas, haben sich beide Regionen zu wichtigen Agglomerationszentren, umgeben von landwirtschaftlichen Betrieben, entwickelt. Infolgedessen ist die Überbeanspruchung der Grundwasserressource eine gemeinsame Herausforderung. In den letzten Jahrzehnten ist der Wasserbedarf stark gestiegen, wodurch die Grundwasseroberfläche deutlich - 0.6 bis 2.5 m pro Jahr - gefallen ist. Neue Herangehensweisen im Wassermanagement sind demnach erforderlich um die Wasserversorgung in naher Zukunft zu gewährleisten. Das Ziel dieser Forschungsarbeit liegt darin, über die Analyse der hydrogeologischen Eigenschaften beider Grundwassersysteme einen Beitrag zu einer nachhaltigen Nutzung der Wasserressource zu leisten und die Auswirkungen auf regionaler Ebene für den Mexikanischen Altiplano zu beurteilen.Die technische Umsetzung erfolgte über die Entwicklung von numerischen Strömungsmodellen, basierend auf hydrogeologischen Modellvorstellungen, die wichtige Werkzeuge zur Bewertung von Strategien im Wassermanagement darstellen. Die Untersuchungen beinhalten ebenfalls eine Betrachtung der tektonischen Gegebenheiten, da die Störungen des Grabensystems wichtige Fließpfade darstellen. Die verfügbaren geologischen und strukturgeologischen Informationen wurden anschließend in 3D Modelle umgesetzt. Die zwei untersuchten Einzugsgebiete erstrecken sich über eine Fläche von rund 1,900 km² (San Luis Potosí) bzw. 2,500 km² (Calera-Benito Juárez). Die horizontale Grundwasserströmung erfolgt im porösen Medium der sedimentären Beckenfüllung. Im Gegensatz zum Calera-Benito Juárez System, welches aus einem ungespannten Grundwasserkörper besteht, wird das San Luis Potosí Becken von einer gering permeablen Schicht aus kompaktem Sand unterteilt, sodass ein ungespannter, oberflächennaher („flacher“) Grundwasserleiter vorliegt und ein gespannter bis halbgespannter tiefer Grundwasserleiter. Die Basis des Sedimentbeckens bilden Tertiäre Vulkanite unterlagert von niedrig permeablen kretazischen oder mesozoischen Gesteine.Die Evaluierung der geophysikalischen Daten ergab Erkenntnisse über das überdeckte Störungssystem des Beckens, welches mit der regionalen Tektonik übereinstimmt. Die Mächtigkeit der Beckensedimente konnte im Calera-Benito Juárez Becken nicht bestimmt werden. Jedoch erlauben die Daten Aussagen bis zu einer Tiefe von 600 m. Dieses Ergebnis ist unerwartet, da gleichartige Becken im Mexikanischen Altiplano, z.B. das San Luis Potosí Becken, eine maximale Tief von 500 m aufweisen. Die Hauptfließrichtung des tiefen Grundwasserleiters beider Systeme ist in Richtung der Hauptgrundwasserfördergebiete, welche ausgedehnte Absenkungstrichter erzeugen. Die Brunnenförderung beträgt rund 130 Mm³ a-1 (Jahr 2007 in San Luis Potosí) und 200 Mm³ a-1 (Jahr 2015 in Calera-Benito Juárez) und übersteigt die Grundwassererneuerung, erkennbar anfallenden Grundwasserständen. Dieser Kontext wurde in Wasserbilanzen untersucht und mithilfe der Strömungsmodelle überprüft. In den semiariden Regionen ist die Grundwasserneubildung sehr gering: ca. 10 % des Gebietsniederschlags infiltriert über Störungen im Vulkangestein der umliegenden Gebirgsketten. Im Tal ist die Neubildungsrate geringer. In San Luis Potosí wird der flache Grundwasserleiter vorwiegend über Leckage im Verteilungsnetz gespeist und wurde auf 35.3 Mm³ a-1 bestimmt; übereinstimmend mit Literaturwerten. Die Erneuerung der tiefen Grundwasserressource geschieht hauptsächlich durch vertikalen Zufluss von thermalen Tiefenwässern über Störungen und wurde auf 60 % in San Luis Potosí und 40 % in Calera-Benito Juárez vom gesamten Fördervolumen berechnet. Zusätzlich erhält der tiefe Grundwasserleiter in San Luis Potosí einen Infiltrationszufluss aus dem flachen Grundwasserleiter, welcher auf rund 49 Mm³ a-1 numerisch berechnet wurde. Literaturwerte liegen jedoch niedriger. Ein lateraler Abstrom ist nur aus diesem Grundwassersystem bekannt (19 Mm³ a-1), wohingegen laterale Zuflüsse von angrenzenden Grundwassersystemen in das Calera-Benito Juárez Becken erfolgen - ca. 8 Mm³ a-1. Die hydraulischen Gegebenheiten ergeben in beiden Gebieten eine negative Speicheränderung, -11 Mm³ a-1 in San Luis Potosí und -51 Mm³ a-1. Folglich wird der Wasserkonsum rund zur Hälfte aus nicht erneuerbaren oder fossilen Grundwasserressourcen gedeckt. Die Simulation von Szenarien beinhaltet eine Niederschlagsreduzierung von -9 %, aufgrund des prognostizierten Klimawandels, und variierende Fördervolumen bis zum Jahr 2060. Bei Beibehaltung der konstant hohen Förderraten sind starke Auswirkungen auf das Calera-Benito Juárez Grundwassersystem zu erwarten, die Grundwasserabsenkungen von -10 bis -15 m im Durchschnitt verursachen, die höhere Bohr- und Förderkosten erfordern werden. In San Luis Potosí ist die Absenkung im tiefen Grundwasserleiter abgemindert durch eine höhere Infiltration aus dem flachen Grundwasserleiter, die jedoch aufgrund der Verunreinigung eine Gefahr für die Wasserversorgung darstellt. Umfallende Grundwasserlevel zu verhindern und eine gute Wasserqualität zu erhalten, ist eine fundierte Kenntnis über die hydraulischen Eigenschaften der Grundwasserleiter, sowie über die Herkunft und Erneuerbarkeit des Grundwassers von größter Bedeutung. Flächendeckende Untersuchungen des Mexikanischen Altiplano sind aufgrund der hydraulischen Verbindungen erforderlich, um effiziente Maßnahmen für eine nachhaltige Grundwassernutzung zu konzipieren.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Krienen, Lisa

Gutachterinnen und Gutachter

Rüde, Thomas R.
Cardona Benavides, Antonio
Lopez Loera, Hector

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2019-03162

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