Übung zur Vorlesung Hydrologie II SS 2005 Prof. Dr. M. Schöniger Technische Universität Carolo Wilhelmina, Institut für Geoökologie April 2005

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1 Aufgabe 1 a Bestimmung des Direktabflussanteils auf Ereignisbasis (Hochwasserwelle im paläozoischen Festgesteinsbereich, Harz) unter Verwendung des Umweltisotops 18 O Kurzinformation: Woher kommt wieviel Wasser wie schnell? Isotopenmethoden sind aus der modernen Hydrologie und Hydrogeologie nicht mehr wegzudenken und tragen dazu bei, einen möglichst detaillierten Einblick in den Wasser- und Stoffkreislauf von Landschaftsräumen zu gewinnen. Sie sind damit auch ein Werkzeug zur Optimierung der Bewirtschaftung der verschiedensten natürlichen Wasserressourcen. Messungen des Gehaltes an Umweltisotopen ermöglichen Beobachtungen von hydrologischen Systemen in großen räumlichen und zeitlichen Maßstäben. Sie gestatten insbesondere bei schwierigeren Grundwasserfließbedingungen eine Charakterisierung und Quantifizierung von beteiligten Grundwasserkomponenten und ihrer Inhaltsstoffe, die in den meisten Fällen durch direkte Meßmethoden nicht erfaßt werden können. Die Bestimmung von Isotopengehalten wird eingesetzt, um Fragen zu klären: der Verweildauer des Grundwassers im Untergrund, der Herkunft des Wassers und einzelner Inhaltsstoffe, hydrogeochemischen Prozesse wie Wasser-Gesteins-Interaktion, Mischungsvorgängen. In einem Trinkwassereinzugsgebiet im paläozoischen Festgestein (Große Schacht, A Eu 9.55 km 2, vgl. SCHÖNIGER 1998) wurden hydrologische Untersuchungen durchgeführt, um Aussagen über den Wasserumsatzmechanismus und das Abflussverhalten in Hinblick auf mögliche Degradierungen des Grundwasserreservoirs zu treffen. Nach Erstellung der Wasserbilanz ergibt sich bei Niederschlagswerten um mm/a und einer Verdunstungsrate von 440 mm/a eine Abflusshöhe von 980 mm/a. Zur Bestimmung der Zusammensetzung des Gesamtabflusses wurde mit synthetischen Separationsverfahren (TWL-, A u L-, MoMNQ-Verfahren nach WUNDT) in Anlehnung an die Empfehlungen der Fachsektion Hydrogeologie der Dt. Geol. Ges. (FH DGG, 1977) ein Grundwasserabfluss von 270 mm/a bei einem Direktabflussanteil von 710 mm/a ermittelt.

2 2 Gleichzeitig standen für den Untersuchungszeitraum Standrohrspiegelmessungen von mehreren Beobachtungsbrunnen in verschiedenen Formationen des Festgesteinsaquifers zur Verfügung, die auf aktuell infiltrierendes Niederschlagswasser deutliche und sehr rasche Reaktionen zeigten (SCHÖNIGER 1998). In Widerspruch zu diesen Beobachtungen steht der hohe Direktabfluss, der sich aus den synthetischen Separationsverfahren ergibt. Diese hohen Anteile können in derart gestalteten Einzugsgebieten nur mit hohem Oberflächenabflüssen bzw. Interflow erklärt werden, die jedoch in dem Einzugsgebiet aufgrund der pedologischen und hydrogeologischen Verhältnisse und der zu Kluftgrundwasserreaktionen auszuschließen sind. Zur Klärung der Zusammensetzung des Gesamtabflusses wurden isotopenhydrologische Untersuchungen durchgeführt, die unter Verwendung des stabilen Isotops 18 O eine Ganglinienseparation auf Ereignisbasis ermöglichen sollen. Für ein durch Regen in eine schmelzende Schneedecke initiiertes Hochwasserereignis im Januar 1993 ( , h N = 46,2 mm, h A = 43,7 mm) soll im Folgenden unter Einbeziehung des sogenannten Zwei-Komponentenfalls eine Abflussganglininenseparation durchgeführt werden. Zu diesem Zweck wurden die Abflüsse am Gebietsauslass (Pegel) im 8- bzw. 3-Stundentakt beprobt und die 18 O- Konzentrationen bestimmt. Der Grundwasserabfluss wurde vor Ereignisbeginn zu -8.8 ermittelt, das gewichtete Mittel der Niederschläge lag bei Berechnen Sie nun unter Verwendung des Zwei-Komponenten-Falls mit der einfachen Mischungsgleichung die Direkt- und Basisabflussanteile (in % bzw. mm/h) und setzen Sie die Ergebnisse graphisch um. Erläutern Sie die Randbedingungen unter denen eine analytische Ganglinienseparation mit Umweltisotopen durchgeführt werden kann. Welche Konsequenzen ergeben sich aus den Resultaten der Abflussganglinienseparation in Verbindung mit den Kluftgrundwasserreaktionen für den Wasserumsatz- bzw. Abflussbildungsmechanismus? Wo liegen die Diskrepanzen zwischen analytischen und synthetischen Separationsverfahren? Interpretieren Sie Ihre Separationsergebnisse mit den Karten- und Tabellenwerken aus DÖRHÖFER ET AL. [2001: Kap. 8 und 9]. Beachten Sie dabei, dass entsprechend der isotopen- und grundwasserhydrologischen Forschungsarbeiten der TU- Braunschweig und der Harzwasserwerke GmbH in drei geologisch differenzierten Wassereinzugsgebieten im Harz der Kluftgrundwasserkomponente (als Vorereigniskomponente) ein Anteil von ca % am Gesamtabfluss zugewiesen werden kann. Anlagen: Gebietsbeschreibung Große Schacht: Morphometrische Kenngrößen: Fläche 9,6 km 2 ; höchster/niedrigster Punkt: 861 und 441 münn; Flusslänge: 12,8 km; mittl. Gefälle des Hauptvorfluters: 10,0%, Relieffaktor: 520 m 2

3 3 Geologie: geologische Einheiten des Acker-Bruchbergzuges und der Sösemulde (oberdevonische und unterkarbonische Schichten: Quarzitschiefer, Diabas, Kammquarzit, Schiffelbornerschichten etc.) Messnetz bestehend aus 6 Beobachtungsbrunnen mit max Teufe 55,3 m, Abflusspegel (s. Bild), Niederschlagsmessstellen bestehend aus BELFORT-Waage, HELLMANN und JOSS-Tognini). Datengrundlage: Niederschlags-/Abflussdaten, Isotopendaten Literaturhinweise: FH-DGG (Arbeitskreis Grundwasserneubildung) [1977]: Methoden zur Bestimmung der Grundwasserneubildungsrate.- Geol. Jb. C 19: 3-98, Hannover SCHÖNIGER, M. [1998]: Regionale Studien zum Abflussvorgang im Untergrund unter Verwendung der Finiten-Elemente Methode.- Landschaftsökologie und Umweltforschung, H. 32, Braunschweig WENDLAND, F., TETZLAFF, B., KUNKEL, R. & DÖRHÖFER, G. [2001]: GIS- basierte Grundwasserneubildung von Niedersachsen.- Arb.-H. Wasser, Aufbruch nach Europa Hydrogeologie vor neuen Aufgaben, 2001/1: 37-43, Hannover WUNDT, W. [1958]: Die Kleinstwasserführung der Flüsse als Maß für die verfügbaren Grundwassermengen.- In: Grahmann, R.: Die Grundwässer in der Bundesrepublik Deutschland und ihre Nutzung.- Forsch. Dtsch. Landeskunde, Bd104:47-54, Remagen DÖRHÖFER, G., KUNKEL, R., TETZLAFF, B. & WENDLAND, F. [2001]: Der natürliche Grundwasserhaushalt in Niedersachsen.- Arb.-H. Wasser, Aufbruch nach Europa Hydrogeologie vor neuen Aufgaben, 2001/1: , Hannover 3

4 Hydrologie II Institut für Geoökologie, 4 Bild 1: Instrumentelle Ausstattung des Untersuchungsgebietes Gr. Schacht; HKSA, E, D u. F Beobachtungsbrunnen, 2: Gr. Mollental, 1: Kl. Mollental, Maßstab: 1: Bild 2: Hangprofil im Festgesteinsbereich, z.b. im Gr. Mollental. Das aktuell infiltrierende Niederschlagswasser fließt durch die ungesättigte Zone (Bodenhorizonte und ungesättigte, zerklüftete Festgesteinszone). Entsprechende Fließbahnen sind Makroporen und Kluftsysteme. Bestimmung von Herkunftsräumen, Fließpfaden und Verweilzeiten des Wassers und darin gelöster Stoffe/Tracer ist eine 4

5 Hydrologie II Institut für Geoökologie, wichtige Erkenntnis, die für die Wassergütewirtschaft und Landschaftsökologie von großer Bedeutung ist. Der relativ hoher Anteil an altem Wasser bei Hochwasserereignissen kann auf Grund der hydraulischen Bedingungen im Untergrund nur durch sogenannte Ausdruckmechanismen beschrieben werden (vgl. SCHÖNIGER 1998 und LEIBUNDGUT & UHLENBROOK 2002). Tab. 1: Datengrundlage Abflusspegel für das winterliche Hochwasserereignis 5 Datum Zeit (MEZ) δ 18 O ( ) Q (mm/h) ,4 0, ,7 0, ,9 0, ,86 0, ,78 0, ,64 0, ,52 0, ,42 0, ,41 0, ,36 0, ,36 0, ,39 0, ,3 0, ,38 0, ,38 0, ,67 0, ,75 0, ,69 0, ,64 0, ,42 0, ,29 0, ,26 0, ,32 0,1861 5