Stabile Wasserisotope als Tracer der Oberflächenwasser-/Grundwasser-Interaktion

Marc Schürch1, Ulrich Schotterer2, Ronald Kozel2
1 Abteilung Hydrologie, Bundesamt für Umwelt BAFU
2 Universität Bern, Physikalisches Institut, Klima- und Umweltphysik

O 8.9 in Isotopen- und Tracermethoden in der Hydrogeologie

16.04.2016, 10:45-11:00, Audimax A, Geb. 30.95

Die stabilen Isotope des Wassermoleküls, Deuterium und Sauerstoff-18, sowie der entsprechende Deuterium-Überschuss markieren den Wasserkreislauf und seine zeitlichen Veränderungen. Im Rahmen der Nationalen Grundwasserbeobachtung NAQUA, Modul Wasserisotope ISOT, erhebt das Bundesamt für Umwelt BAFU in der Schweiz seit 1992 Isotopendaten im Niederschlag (13 Stationen) und im Oberflächenwasser (9 Stationen). Die Isotope wurden 2007-2013 an den 50 Messstellen des NAQUA-Moduls TREND (Grundwasserqualität) analysiert.

Das Isotopensignal im Niederschlag überträgt sich auf die Oberflächengewässer und das Grundwasser. Anhand der stabilen Isotope lässt sich somit überprüfen, ob und wie die lokale Information einer Niederschlagsstation durch die unterschiedlichen Vorgänge bei der Abflussbildung eines Fliessgewässers modifiziert wird. Dies hat Einfluss auf die saisonalen Schwankungen im Flusswasser. Die stabilen Wasserisotope stellen somit einen natürlichen Tracer dar, um in Flusstalebenen die Oberflächenwasser-/Grundwasser-Interaktion zu beschreiben. In Abhängigkeit von den Grundwasserverhältnissen kommt es zu jahreszeitlich und räumlich wechselnden In- bzw. Exfiltrations-Verhältnissen entlang der Flüsse mit jeweils charakteristischen Isotopensignaturen im Flusswasser und Grundwasser. Viele Flüsse in der Schweiz haben ein höher gelegenes Einzugsgebiet als das lokale Grundwasser, wodurch im Grundwasser anhand der stabilen Wasserisotope der Anteil des Flusswasser- und des Niederschlagswasserinfiltrats unterschieden werden kann.

Im Raum Bern zum Beispiel ist der Unterschied im Sauerstoff-18 (d18O) zwischen dem Fluss Aare und dem Grundwasser mit 2 bis 3 ‰ gross genug, um den jahreszeitlichen Verlauf der Wechselwirkung zwischen Flusswasser und flussnahem Grundwasser verfolgen zu können. Die stabilen Wasserisotope werden hier im Grundwasser an der Messstelle Kiesen beobachtet. Der Förderbrunnen liegt in den Aareschottern mit hydraulischer Anbindung an den Fluss. Die den Grundwasserleiter bildenden Ablagerungen sind hier rund 30 Meter mächtig. Sie weisen eine mittlere Durchlässigkeit von 4.2*10-3 m/s und eine Porosität von 15 % auf. Die mittlere Fliessgeschwindigkeit des Grundwassers liegt zwischen 8 und 15 m/Tag. Die saisonale Dynamik im d18O ist in der Aare und im Grundwasser ähnlich, wobei die negativen d-Werte des Winterniederschlags durch die hohe Bedeutung von Schmelzwasser in den Sommer verschoben sind. Diese Übereinstimmung im Gang der Isotopensignatur zeigt, dass das Grundwasser in diesem Bereich – v.a. im Sommer während der Schnee- und Gletscherschmelze – grösstenteils durch Flusswasserinfiltration gespiesen wird. Die anhand der stabilen Isotope bestimmten jahreszeitlichen Anteile an Fluss- und Niederschlagswasserinfiltrat stimmen gut mit den Ergebnissen eines grossangelegten Tracerversuchs überein. Während extremer Trockenperioden oder Hochwasserspitzen sind die Mischungsverhältnisse jedoch deutlich verändert, was sich dann auch in der abweichenden Isotopensignatur widerspiegelt.



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