Dynamik von Grund- und Oberflächenwässern

Die Bestimmung der Reservoirgröße eines Grundwasserkörpers gehört ebenso wie die Geschütztheitsbewertung und der Grad der Wechselbeziehung zwischen Grund- und Oberflächenwasser zu typischen Problemen bei der Abschätzung der Verfügbarkeit und der Qualitätssicherung von (Trink-)Wasser. Mittels Isotopen- (und anderen Tracer-) Methoden kann die zeitliche und räumliche Struktur hydrologischer Systeme parametrisiert werden ("Datierung"). Dazu wird von der Zeitabhängigkeit im Verteilungsmuster natürlicher stabiler und radioaktiver Isotope innerhalb des hydrologischen Kreislaufs Gebrauch gemacht.

Ziele und Arbeitsfelder:

  • Räumliche und insbesondere zeitliche Klassifizierung von Grundwasser-Fließsystemen für Stofftransport-Untersuchungen und die Entwicklung von Grundwasser-Managementstrategien;
  • qualitative und quantitative Bestimmung von Austauschprozessen innerhalb von Oberflächen- und Grundwässern sowie dazwischen als Grundlage z. B. von Rekultivierungsmaßnahmen und Geschütztheitsbewertungen;
  • Sicherung und Ausbau von methodisch unverzichtbaren Basisdaten wie z. B. Isotopengehalte im Niederschlag;
  • Optimierung bestehender und Entwicklung weiterer Methoden als Anpassung an neue und erweiterte Problemstellungen wie z. B. andere Klimazonen.

Methodik:

Die grundlegenden, für Tracer-Untersuchungen zur Dynamik hydrologischer Systeme genutzten Eigenschaften der diversen Isotopen- oder sonstigen Tracermethoden sind

  • der radioaktiver Zerfall des Isotops selbst (z.B. 14C, 39Ar) oder seines Ausgangsisotops (z.B. 4He aus U und Th, 40Ar aus 40K),
  • die zeitliche und/oder örtliche Variation im Niederschlag bzw. sich neu bildenden Grundwasser (z.B. 2H, 18O, FCKWs) sowie
  • die Kombination von beidem (z.B. 3H, 3He, 85Kr).

In der AG Isotopenhydrologie ist die vollständige Analytik für die stabilen Isotope 2H und 18O präsent sowie für die radioaktiven Isotope 3H (Tritium) und 14C (Radiokohlenstoff; zu Interpretationszwecken zusammen mit dem stabilen 13C). Eine Messtechnik für 85Kr im Grundwasser befindet sich im Aufbau. Die als Grundlage der Analytik auf 85Kr (und 39Ar) im Labor erforderliche Anlage zur Grundwasserbeprobung im Gelände ist jedoch bereits vorhanden.

Die Tracerinformationen werden über einfache Black-Box-Modelle mit geringer Parameter-Anzahl (Speicher-Durchfluss-Modelle) interpretiert oder als Randbedingungen in numerische Fließmodelle integriert.

Anwendungsbeispiele:

a) Verfolgung des Flutungsgeschehens von Bergbau-Restseen

b) Parametrisierung regionaler Grundwasser-Fließsysteme

Um dem steigenden Wasserbedarf bei natürlich begrenzten Ressourcen nachkommen zu können, werden verstärkt situativ angepasste Grundwasser-Managementstrategien entwickelt. Dies kann insbesondere im Bereich von Ballungsgebieten nur mit der Kenntnis des großräumigen Grundwasser-Fließgeschehens gelingen.

Am Beispiel eines tertiären Grundwasserleiters in der Nähe von Warschau (Polen) wurde mit Isotopen- in Verbindung mit Edelgas- und hydrochemischen Methoden festgestellt, dass das untersuchte Grundwasser in der Hauptsache eiszeitlich neugebildet worden war. Daneben konnte der Einfluss von salinaren Tiefenwässern ebenso nachgewiesen werden wie die Grundwasser-Neubildung über Erosionsfenster in der pliozänen Deckschicht des Aquifers.

c) Grundwasser-Fließsystem und lokalen Kontaminationen

Für ein mit BTEX kontaminiertes Untersuchungsgebiet in der Nähe von Zeitz wurde herausgefunden, dass die vergleichsweise "alte" Kontamination durch z. T. "junges" Grundwasser umflossen wird, das Sulfat als Energienachschub für mikrobielle Aktivität anliefert.

d) Uferfiltration