Environment, Nature, Landscape
Der Einfluss ungesteuerter Urbanisierung auf die Grundwasserressourcen am Beispiel der indonesischen Millionenstadt Yogyakarta
Abstract/Résumé
Uncontrolled urbanization and the growing population pressure are essential challenges for the water management in urbanized regions of the emerging- and developing nations. In the context of a recently made research study the influence of uncontrolled urbanization regarding the groundwater recourses of the megacity Yogyakarta was explicitly analyzed. The study shows, that the groundwater replenishment has not diminished despite of the growing soil sealing which comes as a consequence of the growing urbanization. On the contrary the urban groundwater replenishment has even slightly accumulated.
Admittedly the groundwater pollution rises very clearly. This is due to the effects of urban groundwater replenishment such as sewer leakages and badly constructed or actually missing sewage systems. These effects were also measured in Yogyakarta. Many inhabitants of Yogyakarta are not linked to the sewage system and conduct their sewerage through sumps and latrines directly into the subsoil. Thence the water infiltrates those aquifer located close to the surface in a little while and that often leads to a heavy contamination of the groundwater. Only 30% of the population living in the agglomeration of Yogyakarta are connected with the public water support system. Therefore many households have to cover their water demand with the help of dug wells directly from the groundwater.
Ungesteuerte Urbanisierung und steigender Bevölkerungsdruck sind wesentliche Herausforderungen für das Wassermanagement in urbanisierten Regionen der Schwellen- und Entwicklungsländer. Im Rahmen einer Forschungsarbeit wurde der Einfluss ungesteuerter Urbanisierung auf die Grundwasserressourcen der indonesischen Millionenstadt Yogyakarta untersucht. Es konnte einerseits gezeigt werden, dass trotz steigender Flächenversiegelungen als Folge des Urbanisierungsprozesses die Grundwassererneuerung nicht abgenommen hat, sondern durch die so genannte urbane Grundwassererneuerung eher zugenommen hat. Allerdings steigt die Verschmutzung des Grundwassers durch die Effekte der urbanen Grundwassererneuerung wie Kanalleckagen und schlechte bzw. fehlende Abwassersysteme deutlich an. Diese Effekte konnten auch in Yogyakarta gemessen werden. Große Teile der Bevölkerung Yogyakartas sind nicht an ein Abwassersystem angeschlossen und leiten ihre Abwässer durch Sickergruben und Latrinen direkt in den Untergrund. Von dort gelangt das Abwasser in relativ kurzer Zeit in den oberflächennahen Aquifer und führt in vielen Fällen zu starken Kontaminationen des Grundwassers. Da nur 30% der Bevölkerung des Agglomerationsraums Yogyakartas an das Wasserversorgungssystem angeschlossen sind, müssen viele Haushalte ihren Wasserbedarf über Schachtbrunnen direkt aus dem Grundwasser decken.
Table of content
Full text
Einleitung
1Zunehmend ungesteuerte Urbanisierung und steigender Bevölkerungsdruck sind wesentliche Herausforderungen für das Wassermanagement in urbanisierten Regionen der Schwellen- und Entwicklungsländer. Besonders in den letzten zwei Dekaden wurden asiatische Städte durch zunehmende Urbanisierung stark transformiert. Die Änderungen betrafen jedoch nicht nur den sozialen und ökonomischen Bereich – auch das morphologische Erscheinungsbild der Städte (Infrastruktur, Gebäude, Freiräume, Umwelt) unterlag bedeutenden Wandlungen. Zudem liegen die meisten der asiatischen Städte auf einem oberflächennahen ungeschützten beziehungsweise nur teilgeschützten Grundwasserleiter. Die Wasserversorgung hängt in vielen Fällen überwiegend von den lokalen Grundwasserressourcen ab. Somit besteht eine erhöhte Vulnerabilität der Wasserversorgung dieser Städte, da das rasante Wachstum städtischer Räume in Verbindung mit einer zunehmenden Ressourcennachfrage und der ungesteuerten Urbanisierung asiatischer Städte (z.B. durch wechselnde Landnutzung) zu gravierenden Veränderungen der Hydrologie des Grund- und Oberflächenwassers führen. Dadurch wird ein nachhaltiger Umgang mit der Ressource Wasser in der entsprechenden Region erschwert. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurden die Auswirkungen ungesteuerter Urbanisierung in der indonesischen Millionenstadt Yogyakarta untersucht.
Kurzbeschreibung des Untersuchungsgebiets
2Die Stadt Yogyakarta liegt im Süden der indonesischen Insel Java und ist die Hauptstadt der „Yogyakarta Special Province“(siehe Abbildung 1). Yogyakarta ist eines der wichtigsten kulturellen Zentren Indonesiens. Die Stadt wurde 1755 als Königreich von Sultan Hamengkubuwono dem 1. gegründet. Im Jahre 1930 hatte Yogyakarta ungefähr 60.000 Einwohner (Baiquni, 2004). In den letzten zwei Dekaden setzte der Urbanisierungsprozess ein und transformierte die Stadt, so dass die Stadt mit etwa 1.000.000 Einwohnern über ihre damaligen administrativen Grenzen hinauswuchs. Seit den 1970er Jahren beschleunigte der Urbanisierungsprozess den Wandel in der Siedlungsstruktur und der Landnutzung. Bis heute entstehen neue Geschäftszentren, Bildungseinrichtungen und Einrichtungen für den Tourismus Hand in Hand mit neuen formellen und informellen Siedlungen ohne Wasseranschlüsse und ohne ein adäquates Abwassersystem. Im Zuge des Urbanisierungsprozesses wurden ländliche Dörfer zu urbanen Siedlungen und es entstand der urbane Agglomerationsraum Yogyakarta, bestehend aus Yogyakarta und den zwei Städten Sleman und Bantul. Durch die Urbanisierung stieg der Anteil der urbanen Bevölkerung in der Provinz Yogyakarta von 22% im Jahre 1980 auf 58% im Jahre 2000 signifikant an. Die Bevölkerungsdichte variiert von 10.000 – 30.000 Einwohnern/km² in der Stadt Yogyakarta sowie von 1.000 – 3.000 Einwohnern/km² im Agglomerationsraum.
Auswirkungen des Urbanisierungsprozesses auf das Grundwasser
3Einer der wesentlichen Aspekte wachsender Städte ist die wechselseitige Beeinflussung von Stadtentwicklung und Grundwasser. Dies gilt im Besonderen für Städte, die über einem oberflächennahen, ungeschützten Grundwasserleiter liegen. Die Interaktion zwischen Stadtentwicklung und Grundwasser lässt sich durch die Einflüsse von Landnutzung und Entwicklungsstand der jeweiligen Stadt auf die Qualität und Quantität des Grundwassers verdeutlichen. Die Veränderung von Grundwasserqualität und Grundwasserquantität sind einerseits auf eine stark ansteigende Entnahme und andererseits auf neue Quellen der Grundwasserneubildung in diesen Städten zurückzuführen (siehe dazu auch Abbildung 2). Insgesamt können zwei Haupteffekte der Urbanisierung auf das Grundwasser ausgemacht werden:
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Urbanisierung verändert die Grundwasserneubildung und/oder den Kreislauf anhand von Veränderungen der bestehenden Grundwasserneubildung und durch das Entstehen neuer Quellen,
-
die Entstehung neuer Quellen der Grundwasserneubildung in urbanisierten Gebieten führt zu erheblichen, aber im Wesentlichen diffusen Grundwasserverschmutzungen (Foster et al., 1993, Morris et al., 1994).
4Aufgrund der oben genannten Effekte können drei Kernprobleme im Bezug auf das Grundwasser unter schnell wachsenden Städten beschrieben werden; 1. Fluktuation des Grundwasserspiegels, 2. schwerwiegende Verschmutzungen und 3. Auswirkungen auf die Gebäudestabilität (Vasquez-Sune et al., 2005).
5Häufig wird die Meinung vertreten, dass Urbanisierung die Neubildung von Grundwasser durch die Versiegelung von Flächen verringert. Meistens ist jedoch das Gegenteil der Fall und die Neubildung von Grundwasser ist gewöhnlich größer als vor dem Urbanisierungsprozess (Foster et al., 1993, Lerner, 2002). Die Quellen und Pfade der Infiltration zur Grundwasserneubildung sind in urbanisierten Gebieten vielfältiger und komplexer als in ländlichen Gebieten. Der Hauptanteil der gestiegenen Grundwasserneubildung ist Abwässern und Austritten aus Wasserleitungen zu zuschreiben. Auch Regenwasser trägt einen Teil zur Grundwasserneubildung bei. In Städten ohne funktionierende Abwassersysteme gelangt bis zu 90% des genutzten und/oder des in die Stadt eingeführten Wassers ins Grundwasser und trägt so sehr zur Grundwasserneubildung bei (Lerner et al., 1990). In diesen Städten ist die Infiltration von Abwasser durch Sickergruben, Klärtanks und Latrinen die wichtigste Quelle der Grundwassererneuerung. In Städten mit diesen so genannten „vor Ort Abwassersystem“ kann man größere Auswirkungen auf das Grundwasser feststellen als in Städten, die über ein funktionierendes Leitungs- und Abwassersystem verfügen. Insgesamt bleibt aber festzuhalten, dass Urbanisierungsprozesse fast immer zum einem potentiellen Anstieg der Infiltrationsrate ins Grundwasser und damit zu urbaner Grundwassererneuerung führen. Wie aus Tabelle 1 zu entnehmen ist, führt dieser Prozess im Gegensatz zur Quantität in den meisten Fällen zu einer deutlichen Verschlechterung der Qualität des Grundwassers, besonders wenn Abwasser eine bedeutende Komponente urbaner Grundwassererneuerung darstellt. Tabelle 1 zeigt auch wie die Wasserqualität in urbanen Gebieten durch das Auftreten verschiedener Schadstoffe erheblich beeinträchtigt wird.
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Grundwasserneubildungsquelle/ Verschmutzungsquelle |
Bedeutung |
Wasserqualität |
Schadstoffe |
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Undichtes Wasserversorgungs-netz |
groß |
sehr gut |
keine Schadstoffe |
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„vor Ort Abwassersystem“ |
groß |
schlecht |
N, B, Cl, FC, DOC |
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„vor Ort Eintrag“/auslaufen von industriellem Abwasser |
klein - groß |
schlecht |
HC, N, B, Cl, FC, DOC, diverse industrielle Stoffe |
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Auslaufende Abwasserleitungen |
klein - groß |
schlecht |
N, B, CL, FC, SO4, diverse industrielle Stoffe |
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Versickerung von Regenwasser in Sickergruben |
klein - groß |
gut – schlecht |
N, Cl, FC, HC, DOC, diverse industrielle Stoffe |
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Sickerwasser aus Kanälen und Flüssen |
klein - groß |
moderat – schlecht |
N, B, Cl, FC, SO4, DOC, diverse industrielle Stoffe |
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B = Bor |
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Tabelle 1: Auswirkungen verschiedener Quellen urbaner Grundwassererneuerungen auf die Grundwasserqualität
(Verändert nach: Morris et all. 2003)
6Grundwasserverschmutzung durch die Infiltration von Abwässern ist ein sehr großes Problem in Städten der Entwicklungsländer. Diese Städte verfügen über eine extrem hohe Bevölkerungsdichte sowie über einen hohen Anteil durch Migration besiedelter und nicht ans Abwassersystem angeschlossene Stadtgebiete. In den meist in den Außenbezirken und an Einfallstraßen gelegenen, ungeplanten Slumsiedlungen gehören Latrinen und Klärtanks zur Normalität. In einigen Städten sind Klärtanks und Latrinen die einzige Möglichkeit zur Beseitigung von Abwässern, während das Grundwasser häufig die einzige Quelle für Trinkwasser darstellt. Liegen diese Städte dann über einem ungeschützten oder nur halbgeschützten Aquifer wird das Grundwasser häufig stark kontaminiert. Urbanisierung wirkt sich nicht nur durch Quellen urbaner Grundwassererneuerung negativ auf die Grundwasserqualität aus, sondern auch durch den Schadstoffeintrag aus so genannten Punktquellen wie Mülldeponien, industrielle Verschmutzungen usw. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass die Kontamination von Grundwasser nicht nur durch urbane Prozesse bedingt wird, sondern auch von der Schutzfunktion der Deckschichten zwischen Schadstoffquelle und Grundwasser abhängt (Morris et al., 2003). Die Deckschichtenschutzfunktion ist abhängig von geologischen, hydrologischen und hydrogeologischen Faktoren (Daly et al., 2002).
7Zusammenfassend kann man von 4 Hauptquellen urbanen Schadstoffeintrags sprechen: urbanes und suburbanes Abwasser, urbane und suburbane Dienstleistungen (Deponien, Tankstellen etc.) Landwirtschaft sowie Industrie und Handwerk.
Wasserversorgung und Abwasserentsorgung in Yogyakarta
8An das in mehreren Phasen seit der 1. Hälfte des zwanzigsten Jahrhundert erbaute und erweiterte Abwassersystem sind lediglich 9% der urbanen Bevölkerung angeschlossen (Sukarma & Pollard, 2002). Aus diesem Grund nutzen mehr als 90% der Bevölkerung „vor Ort Abwassersysteme“. Ein anderes Charakteristikum der urbanen Abwasserentsorgung Yogyakartas sind die weit verbreiteten oberflächennahen Sickergruben, zur Entsorgung häuslichen oder gewerblichen Abwassers durch kleine Werkstätte und Betriebe direkt in den Untergrund. Einerseits wird durch die Sickergruben ein Teil der Grundwasserneubildung garantiert, andererseits sind die Sickergruben große Verschmutzungsquellen für das Grundwasser. Durch das fehlende flächendeckende Abwassersystem und die weit verbreiteten „vor Ort Abwassersysteme“ wie Beispielsweise Klärtanks und Latrinen, sowie der direkten Einleitung von Abwässern durch Sickergruben in den Boden, ist das Grundwasser, das durch Schachtbrunnen gewonnen wird, stark kontaminiert (Sinton, 1982, Morris et al., 1994, GWMAP, 2000).
9Neben dem fehlenden Abwassersystem, ist auch das Versorgungsnetz in einem sehr schlechten Zustand. Der Trinkwasserverlust liegt bei durchschnittlich 40%. Basierend auf den Daten der drei Wasserwerke in Yogyakarta sind nur 30% der Bevölkerung des Agglomerationsraums an das Versorgungsnetz angeschlossen. Mit anderen Worten 70% der Bevölkerung im Agglomerationsraum Yogyakarta haben keinen Zugang zu sauberem Wasser. Wegen dieser unzureichenden Versorgungslage, wird das Grundwasser sowohl vom öffentlichen als auch vom privaten Sektor durch Brunnenanlagen selbst gefördert. Nahe zu alle Wohnviertel und kleinere Betriebe in dem Untersuchungsgebiet verfügen über Handschachtbrunnen oder über oberflächennahe Brunnen zur Deckung des Wasserbedarfs. In jüngerer Zeit nutzen Wasserwerke, Hotels, Krankenhäuser große Industriebetriebe und Universitäten vermehrt das besser geschützte tiefe Grundwasser (Putra 2003). Insgesamt nutzen aber auch kommerzielle Nutzer das oberflächennahe Grundwasser sehr stark.
Urbane Grundwassererneuerung in Yogyakarta
10Infiltrationen von Schadstoffen gehören generell zum Prozess der Grundwassererneuerung. In urbanisierten Gebieten können zwei Quellen der Grundwassererneuerung unterschieden werden: einerseits natürliche Grundwassererneuerung durch Niederschlag und andererseits urbane Grundwassererneuerung. Da, wie bereits erwähnt lediglich 9% der Bevölkerung Yogyakartas an das Abwassernetz angeschlossen sind, kann angenommen werden, dass Abwasser aus „vor Ort Abwassersystemen“, Latrinen, Sickergruben und Kanalleckagen die Hauptquellen der Grundwassererneuerung sind. Basierend auf diesen Faktoren wurde die bereinigte urbane Grundwassererneuerung wie folgt berechnet:
Urbane Grundwassererneuerung: Uu = LI + LS + LW + Lnd
LI = Auslauf aus Wasserversorgungssystem
LS = Auslauf aus Kanalisation
LW = nicht abtransportiertes häusliches Abwasser
Lnd = nicht häusliches Abwasser
11Insgesamt beträgt die bereinigte urbane Grundwassererneuerung in Yogyakarta 45,6 Millionen m³/Jahr (vgl. Tabelle 2). Im Bezug auf die Größe des Untersuchungsgebiets (226, 4 km²) bedeutet das eine durchschnittliche urbane Grundwassererneuerung von 201 mm/Jahr im Untersuchungsgebiet.
12In humiden Gebieten werden die negativen Effekte der urbanen Grundwassererneuerung, sowie die Verluste der natürlichen Grundwassererneuerung durch Flächenversiegelung etwas gemindert (Lerner et al., 1990). Die gesamte Grundwassererneuerung beträgt im Untersuchungsgebiet 434 mm/Jahr. Unterschiedliche Rahmenbedingungen der Stadtentwicklung (formelle – informelle Siedlungen, Abwassersystem, vor Ort Abwassersysteme etc.) führen allerdings dazu, dass die urbane Erneuerungsrate in Yogyakarta in Abhängigkeit von Zeit und Ort stark variiert. Diese lokalen Unterschiede in der Abwasserbeseitigung, Flächenversiegelung und Grundwasserentnahmen führen zu erheblichen Unterschieden bei der Verteilung der Grundwassererneuerung. Das bedeutet, dass in einigen Gebieten des Untersuchungsgebiets die Auswirkungen der urbanen Grundwassererneuerung deutlich größer sind als in anderen.
Auswirkungen der urbanen Grundwassererneuerung im Untersuchungsgebiet
13Da in Yogyakarta hauptsächlich der oberflächennahe Aquifer zur Wasserversorgung genutzt wird, führen diese Bedingungen zu großen Problemen bei der qualitativen Trinkwasserversorgung. Urbanen Grundwasserneubildungsquellen stehen gewöhnlich in direktem Bezug zur Landnutzung und ein Abschätzen der Schadstoffbelastung kann auf Basis dieses Faktors unter Berücksichtigung der lokalen Rahmenbedingungen vorgenommen werden.
14Als Folge der urbanen Grundwassererneuerung kommt es in Yogyakarta zu starken Kontaminationen des Grundwassers. Als besonders problematisch gelten hier z.B. bakterielle Verschmutzung wie beispielsweise pathogene Bakterien und fäkale Kolibakterien. Das Absterben bzw. die Inaktivierung von Mikroorganismen in der ungesättigten Zone hängt von verschiedenen Faktoren ab: Anzahl und Art des Mikroorganismus, Temperatur, Feuchtigkeit sowie Eigenschaft des Bodens, dazu zählen Feuchtigkeitsgehalt, PH-Wert und organische Stoffe. Untersuchungen haben ergeben, dass die Überlebensrate verschiedener pathogener Bakterien sehr stark variieren. Die Überlebenszeit kann in ungesättigten Böden unter oligotrophen Bedingungen mehr als 6 Monate betragen. Aus diesen Rahmenbedingungen lässt sich die Gefährdung des Grundwassers durch bakterielle Kontaminationen am Beispiel von Kolibakterien modellhaft darstellen (Abbildung 3).
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23 MPN/100 ml – 2400 MPN Kolibakterien an der Grundwasseroberfläche (überwiegend fäkale Kolibakterien aus den „vor Ort Abwassersystemen“)
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Lage des Schachtbrunnens in unmittelbarer Nähe zum vor Ort Abwassersystem, so dass die Transportzeit der Kolibakterien durch die gesättigte Zone als vernachlässigbar angenommen werden kann
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Ausfließendes Abwasser enthält gewöhnlicher Weise Kolibakterien von etwa 103 - 108 MPN/100 ml (Foster & Hirata 1988; US EPA 2002)
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Inaktivierungsraten von Kolibakterien liegen im Bereich von 0,044 MPN/Tag und 0,84 MPN/Tag.

Abbildung 3: Konzeptuelles Modell zur Abschätzung der Kontamination des Grundwassers am Beispiel von Kolibakterien durch vor Ort Abwassersysteme
15Ausgehend von den vorher getroffenen Annahmen kann die Verweildauer des Abwassers aus vor Ort Abwassersystemen im Untergrund innerhalb des Untersuchungsgebiets stark variieren. Die Zeitspanne bis zum Eintreten ins Grundwasser reicht von ein paar Tagen bis zu mehreren Monaten. Es konnte festgestellt werden, dass im gesamten Untersuchungsgebiet die Schutzfunktion des Bodens sehr niedrig bzw. niedrig ist und damit die Vulnerabilität des Grundwassers sehr groß ist (Putra 2007).
16Insgesamt lässt sich feststellen, dass die urbane Grundwassererneuerung erhebliche Kontaminationsgefahren mit sich bringt. Insbesondere Städte mit schlechter Abwasserinfrastruktur, die über einem oberflächennahen ungeschützten oder nur teilgeschützten Aquifer liegen, sind von diesen Risiken betroffen.
Fazit
17Der Urbanisierungsprozess hat erhebliche Auswirkungen auf das Grundwasser. Die natürliche Grundwassererneuerung wird verringert und die urbane Grundwassererneuerung steigt an. Besonders negativ sind die Effekte der urbanen Grundwassererneuerung in Städten ohne geeignetes Abwassersystem. Verstärkt werden die Effekte noch wenn diese Städte auf einem ungeschützten bzw. nur teilgeschütztem Aquifer liegen. Hier belasten Kontaminationen aus Abwässern das Grundwasser sehr stark.
18Neben umfassenden infrastrukturellen Verbesserungen sind Landnutzungsmanagement, Ausweisung von Schutzzonen sowie eine Veränderung im Umgang mit der Ressource Wasser in Yogyakarta dringend notwendig um einen nachhaltigen Schutz der Ressource Wasser zu gewährleisten.
19Das gilt jedoch nicht nur für Yogyakarta sondern auch für die viele andere Städte insbesondere für die Megacities in Schwellen- und Entwicklungsländern.
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To quote this document
Doni P.E. Putra and Klaus Baier, « Der Einfluss ungesteuerter Urbanisierung auf die Grundwasserressourcen am Beispiel der indonesischen Millionenstadt Yogyakarta », Cybergeo : European Journal of Geography, Environment, Nature, Landscape, Article 469, put online on 29 septembre 2009, modified on 29 septembre 2009. URL : http://cybergeo.revues.org/index22573.html. Consulted on 31 juillet 2010.



