Effektiver Nitratumsatz an der Grenzfläche Grundwasser-Oberflächenwasser: Expositions- statt Verweilzeit

Stefan Peiffer1, Sven Frei1
1 Lehrstuhl Hydrologie, University of Bayreuth

O 9.2 in Nitrat im Grundwasser - Eintrag, Abbau und Prognose

14.04.2016, 10:30-10:45, Plank Hörsaal, Geb. 40.32

 

 

Ein effektiver Stoffumsatz in aquatischen Systemen, wie die Entfernung von Nitrat durch Denitrifikation, erfordert eine ausreichende Reaktionszeit. Diese Aussage erscheint trivial, ihre Implikation für die Beurteilung stofflichen Umsatzes erscheint jedoch bei weitem nicht verstanden.

Die Zeit teff, die für einen effektiven Nitratumsatz zur Verfügung steht, wird durch die zu Grund liegenden reaktonskinetischen Geschwindigkeitsgesetze kontrolliert. Im einfachsten Fall einer Reaktion 1. Ordnung wird teff häufig berechnet als die Zeit in der 63% der Anfangskonzentration verbraucht wurde. Die Zeit teff  entspricht daher dem Kehrwert der Reaktionskonstante kreaction. Alternativ kann man den Wert teff,90% oder teff,99% aus dem entsprechenden Geschwindigkeitsgesetz ableiten. Für einen effektiven Stoffumsatz ist eine minimale Zeit t > teff nötig, innerhalb derer ein spezifischer biogeochemischer Prozess ablaufen kann. Voraussetzung ist, dass ein transportiertes Wasservolumen Bedingungen ausgesetzt ist, die günstig sind für den spezifischen Prozess, im Falle der Denitrifikation also anoxische Bedingungen.

Diese Expositionszeit τexp ist nicht notwendigerweise identisch mit der Verweilzeit  τ des Wassers in einem bestimmten System oder Fliesspfad. Die Expositionszeit kann viel kürzer sein und auch mit der Zeit variieren. Als eine Konsequenz sind Damköhler Zahlen (Da = τexp/teff) für die Denitrifikation < 1 möglich (pseudokonservatives Verhalten), obwohl das Wasseralter vergleichbar hoch ist. Wir argumentieren daher, dass der Schlüssel zum Verständnis für die Denitrifikations-Effizienz an der Grenzfläche Grundwasser-Oberflächenwasser (bzw. in Grundwasser-Systemen im Allgemeinen) in der Quantifizierung der Expositionszeit liegt.

Dieser Beitrag zielt daher darauf ab i) Expositionszeiten abzuschätzen für eine effektive Denitrifikation basierend auf einer Analyse von Geschwindigkeitskonstanten für die Denitrifikation, ii) diese Zeitskalen auf typische Verweilzeitenverteilungen zu beziehen wie sie an der Grenzfläche Grundwasser-Oberflächenwasser gefunden werden und iii) Implikationen für die Denitrifikationseffizienz natürlicher Systeme zu diskutieren.



 

 

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