Hydrogeologische und Hydrochemische Prozessstudien mittels verschiedener Tracer

Transkript

1 atural and rtificial ystems for echarge and nfiltration Hydrogeologische und Hydrochemische Prozessstudien mittels verschiedener Tracer Arbeitsgruppe Hydrogeologie der Freien Universität Berlin Prof. Asaf Pekdeger Dr. Gudrun Massmann Dr. Thomas Taute Bettina Ohm

2 Ausgangspunkt/ Ziele Basis für ein umfassendes Systemverständnis und Interpretation von Schadstoffen am Feldstandort ist Verständnis der - hydrogeologischen Situation - Hydraulik - Zeitskalen/Fließzeiten - hydrochemischen Prozesse

3 Anreicherungsbecken Uferfiltration

4 Eigenschaften Grundwasseranreicherungsbecken (GWA) Piezometer Trinkwasserbrunnen

5 Eigenschaften Grundwasseranreicherungsbecken clogging layer, k f = 8-10*E-05 m s -1

6 Eigenschaften Grundwasseranreicherungsbecken water level pond [masl] Beckenregenerierung Wasserstand/Infiltrationsrate im Untersuchungszeitraum pond base infiltration rate [m/d] groundwater-level [masl] 11/22/01 01/17/02 04/25/02 07/18/02 10/17/02 01/16/03 04/24/03 07/17/03 10/16/03 01/15/04 04/23/04 05/14/04 06/04/04 06/18/04 07/09/04 07/30/04 8/20/04 9/10/04 0 +

7 Eigenschaften Uferfiltrationsstandorte Andere Beschaffenheit der (natürlichen) Gewässersohle, keine Zyklen, kein Ausräumen der Kolmationsschicht! k f -Wert [m/s]

8 Tracer im Oberflächenwasser Im Oberflächenwasser kommt es zu saisonalen Schwankungen einiger Umwelttracer und Klarwasserindikatoren

9 Laufzeitenbestimmung mit Tracer Durchbruchskurven x x x Die Fließzeiten zu einzelnen Grundwassermessstellen lassen sich durch den Versatz der OFW-Eintragskurven abschätzen Bis zum Brunnen an der GWA ca. 50 Tage, an den UF Standorten Monate

10 Tracer Ergebnisse in tieferen Bereichen des GWL Auffällig war jedoch, dass die tieferen GWM des oberen GW-Leiters häufig keinerlei Saisonalitäten zeigten. X X

11 Konzentrationen anthropogener Spurenstoffe Sie unterschieden sich außerdem stark von den flacheren Grundwassermessstellen im Hinblick auf die Konzentrationen einiger rel. persistenter anthropogener Spurenstoffe.

12 Konzentrationen anthropogener Spurenstoffe

13 Redoxbedingungen Auch die eher horizontale als vertikale Redoxsequenz ist ungewöhnlich.

14 Ergebnisse der Laufzeit-/Altersbestimmungen Für die tieferen GWM ergaben sich T/He Alter von mehreren Jahren bis Jahrzehnten!

15 Zusammenfassung Tracerergebnisse - eine verlässliche Laufzeitenbestimmung im Feldmaßstab ist nur durch die Kombination verschiedener Tracermethoden möglich (Auflösung saisonal variabler Tracer: Monate; T/He Datierung: Jahre-Jahrzehnte) - relativ persistente anthropogene Spurenstoffe können zusätzliche Hinweise auf das Alter des Uferfiltrats geben, insbesondere, wenn Ihre Eintragskonzentrationen über die Jahre bekannt sind. -Es zeigte sich eine sehr starke vertikale Altersstratifizierung im obersten, von der Uferfiltration gespeisten Grundwasserleiter. Die Fließzeiten variieren zwischen wenigen Monaten ( junges UF ) bis zu Jahrzehnten ( altes UF ) in größerer Tiefe. - Diese Stratifizierung erklärt sich durch die Besonderheiten der Berliner Oberflächengewässer, die Vielerorts eher Seen ähneln. Die undurchlässigen Seesedimente verhindern eine Infiltration von Oberflächenwasser in der Gewässermitte. - Infiltration findet nur in den kolmatierten, aber sandigen Uferbereichen statt. Das Uferfiltrat stammt also entweder vom nächstgelegenen Ufer (junges UF) oder vom gegenüberliegenden, weit entfernten Ufer (altes UF).

16 Konzeptionelles Modell

17 Redoxbedingungen/ Tiefenprofil Im Bezug auf die Hydrochemie sind insbesondere die Redoxbedingungen wichtig, da sie Auswirkungen auf die Elimination redox-sensitiver Stoffe bei der Untergrundpassage haben (z.b. Phenazon: Massmann et al., 2006, Greskowiak et al., 2006).

18 04/23/04 05/14/04 06/04/04 06/18/04 07/09/04 07/30/04 8/20/04 9/10/04 01/15/04 Temperaturen des Infiltrats Die Temperaturschwankungen im (jungen) Infiltrat sind für Grundwasserverhältnisse sehr 30 pond TEG365 TEG366 groß. 20 T [ O C] 10 11/22/01 01/17/02 04/25/02 07/18/02 10/17/02 01/16/03 04/24/03 07/17/ /16/03 Date x x x

19 Redoxbedingungen/ Temperatureinfluss Neben der Altersverteilung wirken sich auch die Temperaturschwankungen auf das Redoxmillieu aus. x x

20 Redoxbedingungen/ Sauerstoffeintragspfade Der Sauerstoff scheint nicht nur aus dem Oberflächenwasser zu stammen, vermutlich haben auch die Grundwasserspiegeloszillationen einen großen Einfluss - es besteht weiter Forschungsbedarf.

21 Zusammenfassung Redoxprozesse - Die Redoxprozesse sind von besonderem Interesse, da sie die Elimination redoxsensitiver Stoffe beeinflussen (z.b. Phenazone). - Die vertikale Redoxsequenz ist für Uferfiltratstandorte eher ungewöhnlich, für Standorte mit ähnlicher Beschaffenheit (große Gewässer, schlecht durchlässige Sedimente an der Gewässersohle) aber möglicherweise typisch. - Die Eintragswege des Sauerstoffs sind in ihrer Größenordnung noch nicht geklärt. Vermutlich spielen neben dem Eintrag durch das Oberflächenwasser auch die starken Oszillationen des Grundwasserspiegels eine Rolle. - Die saisonal stark variierenden Temperaturen im Infiltrat wirken sich auf das Redoxmillieu im jüngeren Infiltrat aus.

22 Vor- und Nachteile von Beckenanreicherung vs. Uferfiltration UF GWA Pro Kontra Längere Laufzeiten durch die natürlichen kolmatierten Sedimente gut gegen Eintrag unerwünschter Substanzen oder Keime geschützt Günstiger für Einzelstoffe die bei anaeroben Bedingungen abgebaut werden (z.b. Nitrat) starke Altersdifferenzierung puffert lokale oder zeitlich begrenzte akute Verunreinigungen des OFW ab Weniger Möglichkeiten der Steuerung stärkere Belastung durch Altlasten aufgrund der Fahrweise besser steuerbar Redox-Zustand evtl. einstellbar (z.b. Befüllung nur im Winter bei aeroben Bedingungen) Randbedingungen besser bekannt, deshalb Modellierung und Prognoserechnungen einfacher Günstiger für Einzelstoffe die bei aeroben Bedingungen abgebaut werden (z.b. Phenazon) Durch die kurzen Aufenthaltszeiten im Becken und die Siebanlage können keine Blaualgenblüten auftreten Kürzere Laufzeiten Durch Abräumen der Kolmationsschicht potenziell anfälliger für Durchbruch unerwünschter Substanzen oder Keime

23 Übertragbarkeit Berlin andere Standorte - eine verlässliche Laufzeitenbestimmung im Feldmaßstab muss an jedem Standort individuell vorgenommen werden und ist nur durch die Kombination verschiedener (geeigneter) Tracer möglich. - sofern im OFW vorhanden, können persistente anthropogene Spurenstoffe (z.b. Klarwasserindikatoren) zusätzliche Hinweise auf das Alter des Uferfiltrats geben, insbesondere, wenn Ihre Eintragskonzentrationen über die Jahre bekannt sind. - an Standorten mit schlecht durchlässiger Gewässersohle kann eine ähnlich starke (vertikale) Alters- und Redoxdifferenzierung erwartet werden. - Der Temperatureinfluss auf das Redoxmillieu und den Abbau (einiger) organischer Schadstoffe ist allgemein bei der Infiltration von Oberflächenwasser sehr groß (aufgrund mikrobieller Stoffwechselprozesse). - Die Oszillationen des Grundwasserspiegels durch die Brunnenfahrweise tragen zusätzlichen Sauerstoff in den Grundwasserleiter ein.

24 Wir bedanken uns bei Sponsoren und Kollegen des NASRI Projektes Algae: Retention and elimination of cyanobacterial toxins (microcystins) (Dr. Chorus/Dr. Bartel, German Environmental Acency). Bacteria: Using bacteriophages, indicator bacteria and viral pathogens for assessing the health risk (Dr. Lopez-Pila, Dr. Szewzyk, German Environmental Acency). Drugs: Occurrence and fate of drug residues and related polar contaminants (Dr. Heberer, Technical University, Dr. Dünnbier, Berlin Water Company). Hydrogeo: Hydrogeological-hydrogeochemical processes using a multi tracer approach (Prof. Pekdeger, Free University) Models: Integrated modelling concepts: coupled groundwater transport and biochemical reactions (Prof. Nuetzmann,Institute for Freshwater Ecology) Organics: Organic substances process studies (Prof. Jekel, Technical University) BWB: Data management, water sampling, analyses - und Birgit Fritz!

25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit