Beurteilung von Oberflächenwasser-Grundwasser-Interaktionen auf Basis isotopenhydrologischer Analysen

Diana Burghardt1, Luisa Schmidt1, Rudolf Liedl1, Susanne van den Berg-Stein2, Hans Jürgen Hahn2
1 Institut für Grundwasserwirtschaft, TU Dresden
2 Institut für Grundwasserökologie GmbH, Landau i.d. Pfalz

O 9.13 in Groundwater-surface water-interactions - processes and methods

22.03.2018, 16:15-16:30, 1

Für den Schutz von Grundwasserressourcen sind Informationen zu Grundwasser­neu­bildungs­­gebieten und Wechselwirkungen mit Oberflächenwässern von wesentlicher Bedeu­tung. Oberflächen- und Niederschlagswässer unterscheiden sich aufgrund von Verdun­stungs- und Kondensationsprozessen von Grund­wässern in ihren d18O- und d2H- Stabilisotopenverhältnissen. Diese ändern sich nach dem Eintritt in die Grund­wassersysteme nur noch durch Mischung mit den Grundwässern (Geyh, 2000, Ptak et al., 2004). Damit können d18O und d2H als natürliche Tracer zur Identifi­kation der Herkunft und Zu­sam­mensetzung eines Wassers genutzt werden.

Im Rahmen des BMBF-Projektes StygoTracing-EZG (FKZ 031B0245) wird derzeit durch die Institut für Grundwasserökologie  GmbH ein innovative, Mikrosatelliten-basiertes, faunistisches Tracerverfahren (Patent EP 3115464) zur Identifikation von Ober­flächenwasser-Grundwasser- Wechselwirkungen in Freilanduntersuchungen erprobt. Hierfür wurden Unter­suchungsgebiete in Bayern (n=4), Baden-Württemberg (n=1), Rhein­land-Pfalz (n=1) und Sachsen (n=1) aus­ge­wählt und insgesamt 73 Grund-, Quell- und Bach­wässer im Herbst 2016 und z.T. nochmals im Frühjahr 2017 beprobt. Zur Validierung dieser Biotracer-Methodik wurden dabei je­weils Proben für die d18O-/d2H-Analytik genommen und im Institut für Grund­wasserwirtschaft der TU Dresden mittels HT-IRMS (Hoch­tempera­tur­pyrolyseofen, HEKAtech und MAT 253, Thermo Fisher Scientific) analysiert.

Bei der Auswertung der Stabilisotopenanalysen wurden zunächst für die Wasserproben eines Untersuchungsgebietes (UG) Nieder­schlags­wasseranteile mit Hilfe einer Zwei­kompo­nenten­- Mischungs­rechnung abge­schätzt. Als Eingangssignale wurden dabei jeweils die langjährig gewichteten, höhen­korrigierten d18O- bzw. d2H-Werte des Niederschlages einer nahe­gelegenen GNIP- Niederschlagsstation sowie d18O bzw. d2H einer vom Nieder­schlag nicht (oder kaum) beein­flussten Grundwasserprobe (nega­tivste d18O-/d2H-Werte im UG) ver­wen­det. Damit konnten nieder­schlags­geprägte Grundwasser­proben (Anteil der Niederschlags­isotopen­sig­na­tur >50%, n=10) identifiziert und von den weiteren Aus­wert­ungen ausge­schlossen werden. An­schlie­ßend wurden für d2H bzw. d18O der geogen geprägten Grund­wasser­proben (mit Nieder­schlags­anteilen zwischen 13% und 33%) und der mittleren Höhe des UG bzw. mittleren Entfernung zum Meer (GNIP-Station Norderney) lineare Re­gressions­beziehungen (r = 0,73 bis 0,92) ermittelt (Bsp. in Abb. 1). Im Bezug zur topografischen Höhe von zwei nahe­gelegenen GNIP-Stationen war es nun möglich, für jedes UG die mittlere Höhenlage des Grund­wasser­neu­bildungs­gebietes abzuschätzen. Die ermittelten Höhen (680 – 990 m ü NN) konnten bzgl. der lokalen Topografie als plausibel eingeschätzt werden. Auf Basis einer Clusteranalyse nach dem Medianverfahren wurden abschließend Ähnlichkeiten zwischen den einzelnen UG geprüft. Diese sind offenbar nicht nur durch deren räumliche Nähe, sondern auch durch ähnliche Grundwasser­neubildungshöhen bedingt.




GEYH, M.A. (2000): Environmental Isotopes in the Hydrological Cycle – Principles and Applications -Volume IV: Groundwater Saturated and Unsaturated Zone, IAEA, Hannover

PTAK, T. et al. (2004): Tracer tests for the investigation of heterogeneous porous media and stochastic modelling of flow and transport – a review of some recent developments, J. Hydrol, 294: 122-163



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