Eignung von Niederschlagswässern als aktiv eingesetzte δ2H-δ18O-Isotopentracer für die Erkundung von Grundwasserleitern

Martin Binder1, Felix Tritschler2, Diana Burghardt1, Peter Dietrich2, Rudolf Liedl1, Falk Händel1
1 Institut für Grundwasserwirtschaft, Technische Universität Dresden
2 Department Monitoring- und Erkundungstechnologien, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung

O 12.7 in Reaktiver Stofftransport in heterogenen Grundwasserleitern

24.03.2018, 11:00-11:15, 3

Künstliche Tracerversuche gelten als eine weitverbreitete und belastbare Methode zur Erkundung und Charakterisierung des hydrogeologischen Untergrundes. Oftmals ist hierfür ein rein konservatives Verhalten des eingegebenen Markierungsmittels unabdingbar. Diese Voraussetzung kann bei der Verwendung der schweren Wasserisotope (δ2H und δ18O) als Tracer i.d.R. als erfüllt angesehen werden, jedoch limitieren hier hohe Tracer-Materialkosten eine aktive Nutzung in der hydrogeologischen Praxis. In diesem Zusammenhang wird die Eignung von Niederschlagswässern, die sich auf natürliche Weise bezüglich ihrer Isotopensignatur vom Grundwasser unterscheiden können, als aktiv eingebrachte Grundwassertracer geprüft.
Die Validierung der Annahme, dass sich Niederschlagswässer als konservative Isotopentracer eignen, erfolgte im Rahmen von 24h-Batchtestserien mit Sedimenten verschiedener Zusammensetzung sowie Wässern mit variablen Signaturen und elektrischen Leitfähigkeiten (ähnlich lokal verfügbaren Wässern). Hier zeigte sich keine signifikante Änderung der Isotopensignaturen vor und nach dem Batchversuch. In Folge wurden ergänzend Durchströmungsversuche realisiert, wobei neben Kaliumbromid und Natriumchlorid auch eine Kombination aus Deuteriumoxid und Wasser-18O (zur Abbildung eines synthetischen Regens) für eine Dauer von 24 h eingegeben wurde. Eine gute Übereinstimmung zwischen den jeweiligen Durchbruchskurven bestätigte ein konservatives Transportverhalten. Abschließend wurden natürliche Niederschlagswässer (ohne Beimischung künstlicher Isotope) in ausgewählte Säulen eingegeben, ebenfalls mit positivem Ergebnis.
Basierend auf den Laborerkenntnissen wurden Modellsimulationen für drei Tracertest-Szenarien (Push-Drift-Pull-Versuch, Zweibrunnentest, Infiltrationstest) exemplarisch durchgeführt, um notwendige Eingabemengen zur Erreichung einer Mindestauslenkung der Isotopensignatur im Peak des Durchbruchs abschätzen zu können. Der Push-Drift-Pull-Versuch benötigt hierbei erwartungsgemäß die geringste Wassermenge.
Dieses Szenario wurde abschließend am Testfeldstandort Pirna-Copitz, Sachsen, realisiert. Hierfür wurden im Januar 2017 ca. 10 m³ Neuschnee in Dresden gesammelt, unter Vermeidung eines größeren Austauschs mit der Atmosphäre geschmolzen (ca. 1 m³ Schmelzwasser) und schließlich auf dem Testfeld in den Untergrund eingebracht (Push-Phase). Die Differenz der Isotopensignatur zwischen Eingabe- und Grundwasser lag bei ca. 60 ‰ für δ2H und ca. 8 ‰ für δ18O. Nach einer kurzen Driftphase wurde das Wasser zurückgepumpt (Pull-Phase) und eine deutlich erkennbare δ2H- und δ18O-Durchbruchskurve erfasst.



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