Auswirkungen der Fluss-Grundwasser Interaktion auf den Eintrag und Transport von Nitrat in einem mesoskaligen Flusseinzugsgebiet

Nico Trauth1, Andreas Musolff1, Benjamin Gilfedder2, Sven Frei2, Jan H. Fleckenstein1
1 Department Hydrogeologie, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ
2 Lehrstuhl für Hydrologie, Universität Bayreuth

O 9.5 in Grundwasser-Oberflächenwasser Interaktionen: Prozesse und Methoden

22.03.2018, 12:30-12:45, 1

Diffuse Stickstoffeinträge in Flusseinzugsgebieten (EZG) werden durch verschiedene natürliche und anthropogene Faktoren kontrolliert, wodurch Konzentrationen und -umsatzraten (z.B. durch Denitrifikation) im Fluss- und Grundwasser zeitlich-räumlich stark variieren können.

Zur Charakterisierung der kontrollierenden Faktoren wurde eine longitudinale Beprobung der Selke von der Quelle im Harz bis zur Mündung in die Bode durchgeführt (67 km). Hierzu wurde unter Niedrigwasserabfluss ca. alle 2 km eine Flusswasserprobe sowie der wichtigsten Nebenflüsse beprobt. Die Proben wurden auf Feldparameter, Hauptionen, N-O-Isotope und Radon-222 (Rn) untersucht. An jeder Probenahmestelle fand zusätzlich eine manuelle Messung des Abflusses statt. Der Grundwasserzustrom zwischen zwei Probenahmestellen wurde basierend auf den Rn Messungen für jeden Flussabschnitt bestimmt (Frei und Gilfedder 2015).

Generell steigt die elektrische Leitfähigkeit von der Quelle bis zur Mündung an, während sich die Nitratkonzentration erst signifikant erhöht, wenn die Selke den bewaldeten Harz verlässt. Im unteren EZG treten zwischen Flusskilometer 20 und 10 erhöhte Nitratkonzentrationen von 15 mg/l auf, die danach auf einen konstanten Wert von 10 mg/l absinken. Der beobachtete Verlauf der Nitratkonzentration im Flusswasser lässt sich durch folgende Faktoren erklären:

1)      Basierend auf den Rn Konzentrationen wurde insbesondere an dem besagten Flussabschnitt ein erhöhter Grundwasserzustrom zum Fluss berechnet, welcher sich aus der regionalen hydrogeologischen Situation ergibt. Der Fluss ändert in diesem Abschnitt seine Fließrichtung um ca. 90° von NE nach NW aufgrund der vorherrschenden Sattel-Mulden Struktur der Subherzynen Senke. Im ausgedehnten alluvialen Aquifer zwischen diesen Flussabschnitten ist die Grundwasserströmung nahezu senkrecht auf den Flussabschnitt gerichtet.

2)      Dort wo der Fluss den Harz verlässt und in das flachere Subherzyn eintritt, wechselt die Landnutzung im EZG von vorwiegend wald- zu landwirtschaftlich genutzten Flächen. Als Folge liegen im Grundwasser erhöhte Nitratkonzentrationen vor. In Kombination mit dem oben beschriebenen erhöhten Grundwasserzustrom führt dies zu der beobachteten lokal erhöhten Nitratkonzentration im Flusswasser.

3)      Die weiter flussabwärts beobachtete Verminderung der Nitratkonzentration ist wahrscheinlich auf den Zustrom von tiefem Grundwasser mit einer sehr geringen Nitratkonzentration zurückzuführen, vermutlich verursacht durch die starke Grundwasserentnahme im ehemaligen Tagebau Nachterstedt. Dafür sprechen auch die erhöhten Rn, Kalzium-, Sulfat- und Eisenkonzentrationen.

Ein potentieller Abbau von Nitrat durch die Denitrifikation ist vor allem im Unterlauf des EZGs zu verzeichnen. Hier steigen die Anreicherungen von 15N Isotopen im Flusswasser an, was auf eine erhöhte Denitrifikations-Aktivität im dem zum Fluss zuströmenden Grundwasser schließen lässt.



Frei, S., Gilfedder, B.S., 2015. FINIFLUX: An implicit finite element model for quantification of groundwater fluxes and hyporheic exchange in streams and rivers using radon: FINIFLUX: Finite Element mass-balance modelling using Radon. Water Resources Research 51, 6776–6786. doi:10.1002/2015WR017212



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