Raum- und Zeitmuster der Nitrat- und Ionenkonzentrationen in der Übergangszone zwischen Fluss und Grundwasser

Nico Trauth1, Andreas Musolff1, Jan H. Fleckenstein1
1 Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ

P 9.1 in Nitrat im Grundwasser - Eintrag, Abbau und Prognose

Die Interaktion zwischen Fließgewässer und dem Grundwasser ist für viele hydrogeologische und biogeochemische Prozesse von Bedeutung. In der Übergangszone zwischen Fluss und angrenzendem Aquifer, in der sich infiltrierendes Flusswasser mit dem Grundwasser mischt, können Schadstoffe zurückgehalten, umgewandelt oder abgebaut werden. Die Ausdehnung dieser Übergangszone ist abhängig von den hydraulischen Gradienten zwischen Fluss- und Grundwasser sowie den hydrogeologischen Verhältnissen und variiert sowohl durch Abflussereignisse als auch saisonal über das hydrologische Jahr. Damit verknüpft sind somit auch der Eintrag von Stoffen, wie z.B. Sauerstoff und Kohlenstoff in den Aquifer, die biogeochemische Prozesse maßgeblich steuern können.

In einem 2 km langen Abschnitt der Flussaue der Selke, im nördlichen Harzvorland, wurden 28 Brunnen und Piezometer in unterschiedlichem Abstand zum Fluss installiert. Über knapp zwei Jahre wurden Grundwasser, Flusswasser sowie ein kleiner Zufluss zur Selke im vier-wöchigen Abstand beprobt und hinsichtlich Feldparameter, Kationen, Anionen, DOC, sowie N- und O-Isotope analysiert. Der Fokus lag dabei auf der Verteilung und dem Transport von Nitrat sowie einer möglichen Denitrifikation im flussnahen Grundwasser.

Die Ergebnisse zeigen einen starken Einfluss des Fließgewässers auf das angrenzende Grundwasser der sowohl räumlich als auch zeitlich variiert. Anhand der Analysen können generell zwei hydrochemische Endglieder festgestellt werden: 1) Das Flusswasser der Selke mit relativ geringer Ionen- (< 250 mg/L) und Nitratkonzentration (< 10 mg/L) und 2) dem weit vom Fluss entfernten Grundwasser mit hoher Ionen-  (>500 mg/L) und Nitratkonzentration (> 50 mg/L). Mit abnehmender Distanz zum Fluss verringern sich die Ionen- sowie Nitratkonzentration, was sowohl auf eine Durchmischung von Grundwasser mit Flusswasser als auch einen reaktiven Umsatz von Nitrat hinweisen kann.

Die Ionenkonzentration im Fluss- und flussnahem Grundwasser ändert sich kurzeitig durch Hochwasserereignisse, ist jedoch auch saisonalen Schwankungen unterworfen. So ist das Chlorid/Nitrat - Verhältnis während der Sommermonate im flussnahen Grundwasser lokal niedriger als in den Wintermonaten was auf eine geringere Nitratkonzentration und damit auf einen möglichen Abbau unter wärmeren Bedingungen hinweist. Damit verbunden sind Verschiebungen in der isotopischen Signatur des Nitrats, die ebenfalls auf Denitrifikation hinweisen.

Die Untersuchungen zeigen die Bedeutung der zeitlich-räumlichen Dynamik der Fluss- und Grundwasser Interaktion für das Transport- und Rückhaltevermögen von Nitrat im flussnahen Grundwasser.