TZ Sambia: Entwicklung eines Grundwasser-Informations- und Managementprogramms für Lusaka

Beitrag zum Projekt:

Abb. 1: Lage des Projektgebiets

Hintergrund:
Die Bevölkerung der Hauptstadt Lusaka hat sich aufgrund des ungeregelten Zuzugs der ländlichen Bevölkerung in den vergangenen Jahrzehnten vervielfacht. Nach inoffiziellen Quellen leben gegenwärtig mehr als 2 Millionen Menschen im Großraum Lusaka, die Mehrheit davon in ungeplanten Siedlungen ohne adäquate Abwasserentsorgung. Haupt-Trinkwasserressource ist das Grundwasser aus dem im Stadtgebiet verbreiteten Lusaka-Karstgrundwasserleiter (der Grundwasseranteil an der öffentlichen Wasserversorgung liegt derzeit bei 60 %). Der flächenhafte Fäkalieneintrag in den Grundwasserleiter infolge unzureichender Sanitärversorgung gefährdet diese Grundwasserressourcen in starkem Maße. Zusätzliche Probleme ergeben sich aus planerischen Defiziten bei der Ausweisung neuer Industriezonen und Gewerbegebiete sowie durch wilde Müllablagerungen infolge des Fehlens einer geregelten Abfallentsorgung. Der Vielzahl der Probleme sowie den vorhandenen planerischen Defiziten soll durch die Entwicklung einer Strategie zum Schutz der vorhandenen Grundwasserressourcen entgegengewirkt werden.

Abb. 2: Verschmutztes Grundwasser

Das etwa 5000 km² große Projektgebiet umfasst den Großraum Lusaka sowie die angrenzenden Gebiete im Einzugsgebiet der Flüsse Kafue und Chongwe (Abb. 1). Das tropisch kontinentale Hochlandklima ist durch eine anfangs kühle, dann aber zunehmend heiße Trockenzeit von Mai bis Oktober und eine Regenzeit von November bis April gekennzeichnet. Der mittlere jährliche Niederschlag für den Zeitraum von 1963 bis 1993 lag bei 857 mm. 82 % der Niederschläge fallen in der viermonatigen Periode von Dezember bis März, der Januar ist mit Werten zwischen 206 und 237 mm im Mittel der Monat mit dem höchsten Niederschlag. Bisher fehlt es an gesicherten Erkenntnissen über die Auswirkung der Ausdehnung der Siedlungsflächen und der damit einhergehenden Abholzung und Versiegelung auf den Wasserhaushalt. Es wird vermutet, dass sie zu erhöhten Oberflächenabflüssen sowie verminderten Infiltrations- und Evaporationsraten führen.

Trotz der großen Bedeutung des Grundwassers war dessen Nutzung in Sambia bisher nicht durch gesetzliche Bestimmungen geregelt. Das im Jahr 2011 verabschiedete Gesetz zum Management der Wasserressourcen regelt nunmehr auch die Grundwassernutzung. Es bleibt abzuwarten, wie schnell sich diese gesetzlichen Regelungen einschließlich noch zu formulierender Ausführungsbestimmungen in die Praxis umsetzen lassen.

Abb. 3: Grundwasser-Managementplan

Methoden:
Kernaktivität der Projektphase war die Entwicklung einer Grundwasser-Managementstrategie zur verbesserten Bewirtschaftung und zum Schutz der Grundwasserressourcen. Zusätzlich wurde das im Rahmen der ersten Projektphase für die Südprovinz Sambias entwickelte Grundwasser-Informationssystem um das Lusaka-Grundwassersystem in den Einzugsgebieten des Kafue und Chongwe erweitert. Hierzu zählten in erster Linie die Sammlung, Aufarbeitung und Digitalisierung vorhandener Daten insbesondere aus hydrogeologischen Projekten, die seit den siebziger Jahren durchgeführt wurden. Weitere Arbeiten umfassten:

die Interpretation von Satellitenbildern,
die Einrichtung und der Betrieb eines hydrologischen und hydrogeologischen Messnetzes,
ein umfangreiches hydrogeologisches Untersuchungsprogramm einschließlich hydraulischer Modellrechnungen zur Erkundung des Fließsystems, der Ermittlung der Grundwasserneubildung sowie des Aquiferpotenzials,
Untersuchungen zur Grundwasserqualität,
die Erfassung potenzieller Verschmutzungsquellen sowie die flächenhafte Erfassung der Aquifer-Vulnerabilität,
GIS-gestützte Erstellung und Publikation hydrogeologischer thematischer Karten (Hydrogeologie, Wasserqualität, Aquifer-Vulnerabilität),
Trainingsprogramme für sambische Fachkräfte in Grundwassererkundung und Ressourcen-Management,
die kontinuierliche Information sambischer Planer und Nutzer über Projektergebnisse sowie die laufende Abstimmung mit den Beteiligten bei der Entwicklung der Management-Strategie sowie
die Entwicklung von Handlungsanweisungen zur effizienten Nutzung, dem Schutz und dem Management der Grundwasserressourcen.

Sambischer Projektpartner ist das Department of Water Affairs (DWA); zudem kooperiert die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) mit den lokalen Behörden des Lusaka City Council sowie dem Wasserversorger Lusaka Water and Sewerage Company (LWSC). Durch gezielte Einbeziehung weiterer Planungsbehörden und Nichtregierungsorganisationen versucht das Projekt zudem, Bewusstsein für die Bedeutung eines Integrierten Wasser-Ressourcenmanagements zu wecken.

Hydrogeologische Karten im Maßstab 1:75.000 und 1:250.000 bilden zusammen mit dem hydrogeologischen Informationssystem eine wichtige Informationsbasis für die Entwicklung des Managementplans. Die Karten bieten Informationen zur Grundwassernutzung sowie zur Lithologie und zum Potenzial der Aquifere. Eine weitere Karte im Maßstab 1:75.000 zur Verschmutzungsempfindlichkeit der Aquifere ermöglicht Planungen zum Schutz der Grundwasserressourcen. Generallegende und Design der Karten folgen internationalen Standards. Die Karten können als nationaler Standard für ein landesweites hydrogeologisches Kartenwerk dienen.

Abb. 4: Lusaka-Aquifersystem

Ergebnisse:
Geologie: Die im Raum Lusaka anstehenden Gesteine sind Teil des Zambezi Belt, der entlang der Mwembeshi Shear Zone an den Lufilian Belt im Norden grenzt. Es handelt sich um intensiv gefaltete und zerscherte Metasedimente neoproterozoischen (Katanga) Alters mit Intrusionen von granitischen und basischen Magmatiten. Die intensive tektonische Deformation der Katanga Serie erschwert deren stratigrafische und regionale Korrelation. Nach Simpson et al. (1963) lassen sich die Metasedimente in 3 Formationen gliedern: Schiefer und Quarzite der Chunga Formation, Schiefer und Karbonate der Cheta Formation sowie Karbonate der Lusaka Dolomite Formation.

Hydrogeologie: Das Lusaka-Aquifersystem, das in einem Gebiet von etwa 2800 km² Größe verbreitet ist, umfasst:

als Hauptaquifer die verkarsteten Marmore und Dolomite der Lusaka Dolomite Formation mit einer WNW – ESE Erstreckung von etwa 65 km,
kleinere Aquifere in kalkigen und dolomitischen Partien der Cheta Formation im Norden und Süden des Lusaka Dolomite Aquifers,
Kluftaquifere von insgesamt geringem hydraulischen Potenzial in Schiefern, Psammiten und Quarziten der Cheta und Chunga Formation sowie
lokal entwickelte Lockergesteinsaquifere z.B. in der Nähe des Internationalen Flughafens.

Grundwasserqualität: Eine erste Übersichtsbeprobung im Zeitraum von Januar bis Oktober 2008 konzentrierte sich auf natürliche Quellaustritte sowie Brunnen des Wasserversorgers LWSC. Analysiert wurden chemische Haupt- und Nebenbestandteile, relevante, potenziell toxische Schwermetalle und Spurenelemente sowie der mikrobiologische Zustand der Grundwässer. Erwartungsgemäß zählen Wässer aus Karbonaten und Dolomiten zum Ca-Mg-HCO₃-Typus mit hohen Karbonathärten der Kategorie hart (>250 mg/l CaCO₃) bis sehr hart (>375 mg/l CaCO₃). Demgegenüber weisen Grundwässer aus Schiefern geringere Gesamtsalzgehalte, geringfügig niedrigere pH-Werte, niedrigere HCO₃:SiO₂-Verhältnisse sowie generell niedrigere Wasserhärten und Alkalitäten auf.

Indikatoren für Grundwasserkontaminationen sind erhöhte elektrische Leitfähigkeiten von bis zu 1450 µS/cm, Natrium- und Chloridgehalte von 138 bzw. 123 mg/l sowie Sulfatkonzentrationen von bis zu 172 mg/l. Während diese Konzentrationen generell unter den Grenzwerten der sambischen Trinkwasserverordnung liegen, überschreiten die Nitratgehalte in vielen Fällen den Grenzwert von 10 mg/l NO₃-N (entsprechend 44,3 mg/l NO₃). Grund für die erhöhten Nitratgehalte ist die unbefriedigende Sanitärsituation, die sich zudem in einer weitverbreiteten Kontamination durch Fäkalkeime manifestiert. Aufgrund der hohen pH-Werte sowie der hohen Karbonat-Pufferkapazität der Wässer sind die Gehalte an potenziell toxischen Schwermetallen Cadmium, Blei und Zink sowie Eisen durchweg sehr niedrig.

Abb. 5: Grundwasserprobenahme

Eine zweite umfangreichere Beprobung im April und Mai 2010 erfasste etwa 100 Bohrbrunnen im Großraum Lusaka. Neben den genannten chemischen und bakteriologischen Parametern wurde in besonders kontaminationsgefährdeten Gebieten versuchsweise eine zusätzliche spezielle Beprobung zur Analyse volatiler chlorierter organischer Schadstoffe (CVOC) sowie monoaromatischer organischer Schadstoffe (BTEX) entnommen und im BGR-Labor in Hannover analysiert. Messbare Konzentration von organischen Schadstoffen wurden in 10 der beprobten Brunnen gemessen, wobei eine Kontamination mit BTEX nur an einem nicht aktiv genutzten Brunnen festgestellt wurde. Die mikrobiologischen Analysen bestätigten das verbreitete Auftreten von coliformen Bakterien und E. Coli im Grundwasser, wobei 2/3 der Proben die Höchstwerte der sambischen Trinkwasserverordnung überschreiten. Ebenso verbreitet sind Überschreitungen des Nitrat-Grenzwertes. Der Median für Nitrat liegt bei den untersuchten Proben bei 16,9 mg/l NO₃ mit einer Spannweite der Werte von Gehalten unterhalb der Nachweisgrenze bis zu einem maximalen Wert von 260 mg/l NO₃. Während die Förderbrunnen des zentralen Wasserversorgers LWSC die Grenzwerte für Nitrat durchgängig einhalten, zeigen die lokalen Versorgungsbrunnen in Randbezirken der Stadt verbreitet Grenzwertüberschreitungen mit Werten um 100 mg/l NO₃. Als Weiterführung dieser Untersuchungen werden 9 Bohrbrunnen sowie eine Karstquelle regelmäßig in monatlichen Abständen analysiert.

Neben dem Großraum Lusaka wurden zusätzlich die hydrogeologischen Verhältnisse in ausgewählten, benachbarten Einzugsgebieten untersucht. Im 5150 km² großen Chongwe-Einzugsgebiet ist die derzeitige Grundwassernutzung gering, kann aber zukünftig bei anhaltendem Bevölkerungs- und Industriewachstum stark an Bedeutung gewinnen. Die Untersuchung ergab, dass nur ein räumlich begrenzter Karbonat-Aquifer für eine nennenswerte Grundwassergewinnung in Frage kommt. Der Aquifer wies während zweier Messkampagnen im Dezember 2014 und März/April 2015 eine gute Wasserqualität auf, hat jedoch aufgrund einer geringen Deckschichtmächtigkeit kurze Neubildungszeiten und daher ein hohes Gefährdungspotenzial für Verschmutzungen.

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