Ermittlung von Verweil- und Fließzeiten Arbeitshilfe zur Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie

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1 Wasser-Boden-Abfall 2016 (Nr. G 1.16) Verweilzeiten Ermittlung von Verweil- und Fließzeiten Arbeitshilfe zur Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie Carsten Hansen, Christine Kübeck, Ralf Kunkel, Frank Wendland Grundwassermonitoring und -probenahme 2018 Schloss Hartenfels; Torgau

2 Vorbemerkungen Art und Umfang der Untersuchungsprogramme sind abhängig von der jeweiligen Fragestellung Grundwasserprobenahme und Monitoring werden benötigt zur Ermittlung der Nutzbarkeit des Grundwasser Auswirkungen von Landnutzungsänderungen Vorwarnung für schädliche Veränderungen Einflussbereiche von Altlasten und Schadensfälle Bewertung des chemischen Zustands der Grundwasserkörper Hierbei spielen vor allem großräumige diffuse Stoffeinträge eine Rolle Folie 2

3 kg N/(ha a) Hintergrund Stickstoffverbindungen sind ein typische Beispiel für diffuse Stoffeinträge in Boden und Grundwasserleiter Ursachen: Deposition und landwirtschaftliche Düngung, Hohe Flächenbilanzüberschüsse für Stickstoff seit mehreren Jahrzehnte 120 BRD (1) BRD (2) 80 Zielwert kgn/ha 40 Quelle: Bach et al. (2016): Bewertung von Maßnahmen zur Verminderung von Nitrateinträgen in die Gewässer auf Basis regionalisierter Stickstoff- Überschüsse; UBA-Texte (1) Koester et al. (1988) und (2) UBA (2007) Folie 3

4 Hintergrund Trotz Grundwasserschutz- Maßnahmen wurde der gute chemische Zustand des Grundwassers bis 2015 für 267 von insgesamt 990 GWK aufgrund der Nitratbelastung verfehlt. Fristverlängerungen zur Erreichung des guten Zustands sind zu begründen (2021; 2027) Lange Verweilzeiten und lange Fließzeiten können dazu führen, dass umgesetzte Maßnahmen nicht in allen Grundwasserkörpern bislang den gewünschten Effekt hatten. Folie 4

5 Kernbegriffe Grundwassermessstelle Waldgrundwässer Grundwassermessstelle Ackergrundwässer Grundwasser-Messstellen und Messnetze Sind in das lokale Grundwasserströmungsfeld eingebunden Erfassen einen Teilstrom des Grundwassers, der durch Stoffeinträge am Ort der Neubildung und hydrochemische Prozesse geprägt ist Wald Ort der Neubildung Acker Verweilzeit Grünland Fließzeit Folie 5

6 Raumbezüge und Kernbegriffe Punktbezogene Ansätze für die Abschätzung der Verweil- und Fließzeit für Messstellen und Monitoringmessnetze, Entnahmebrunnen und Quellen Flächenhafte Ansätze für die Abschätzung der Verweilzeiten in der ungesättigten Zone- und Fließzeiten des Grundwassers bis zum Vorflutereintritt. Grundwasserkörper Einzugsgebiet Brunnen Verweilzeit Fließzeit gesättigte Zone Folie 6

7 Verfahrensüberblick Grundwasserkörper XY Relevanzprüfung Betrachtungsmaßstab Klärung der Fragestellung Ermittlung von Verweil- und Fließzeiten Aggregieren der Ergebnisse Kennwerte zu Verweil- und Fließzeiten Ziele: Ermittlung der Verweil- und Fließzeiten auf Ebene von Grundwasserkörpern Ermittlung der Zeitdauer, bis zu der sich Maßnahmen an der GWO bemerkbar machen (Verweilzeit) Ermittlung der Zeitdauer, bis zu der sich Maßnahmen im Messnetz bemerkbar machen (Verweil- + Fließzeit = Reaktionszeit) Einfaches, leicht anwendbares, pragmatisches Verfahren Geringer Aufwand im Verfahrensgang für eine schnelle Umsetzung ( ca. 300 GWKs. ) Auf verfügbaren Daten basierend, behelfsweise auch mit robusten Annahmen umsetzbar Folie 7

8 gesättigte Zone ungesättigte Zone Verweilzeiten (1) 3. Ermittlung von Verweil- und Fließzeiten Messstellenscharfe Betrachtung L Verweilzeit Boden Verweilzeit GW-Deckschicht Verweilzeit GW- Deckschicht Hölting Flächenhafte Betrachtung Verweilzeiten in den Grundwasserdeckschichten Verweilzeitenermittlung differenziert nach Locker- und Festgesteinen Lockergesteine: in Anlehnung an Teufe-Neubildungs- Verfahren Strömungsmodellierung Altersdatierungen / Umwelttracer WEKU -Verfahren FZJ L: Lockergestein : Festgestein t Bo = t GWD = 1 Q SW 1 Q GWN i nfk i i FK i d i d i t Bo,GWD Q SW Qgw FK i nfki d i Verweilzeit Boden / Deckschichten [a] Sickerwasserrate [mm/a] Grundwasserneubildungsrate [mm/a] Feldkapazität [mm/dm] nutzbare Feldkapazität [mm/a] Schichtmächtigkeit [dm] Folie 8

9 gesättigte Zone Verweilzeit in der Deckschicht t Deck [Jahre] ungesättigte Zone Verweilzeiten (2) 3. Ermittlung von Verweil- und Fließzeiten Messstellenscharfe Betrachtung L Teufe-Neubildungs- Verfahren Strömungsmodellierung Altersdatierungen / Umwelttracer Verweilzeit Boden Verweilzeit GW-Deckschicht Verweilzeit GW- Deckschicht Hölting Flächenhafte Betrachtung WEKU -Verfahren FZJ L: Lockergestein : Festgestein Verweilzeiten in den Grundwasserdeckschichten Festgesteine: Hölting-Verfahren Umrechnung von Punktwerten aus der Schutzfunktionsbewertung in Verweilzeiten P P sw i F t Strukt Deck P gest = 9E-5 * P M i 1, Punktwert P Folie 9

10 Hölting Hölting Verweilzeiten (3) Lockergestein Lockergestein über Festgestein Festgestein Boden Mächtigkeit Boden gem. BK50, max. 2 m Sickerwasserrate nfk Dränage Sickerwasserrate nfk Sickerwasserrate nfk Interflow Grundwasser- Deckschichten Grundwasser- Neubildung FK Sickerwasserrate FK Interflow Oberkante Festgestein Sickerwasserfaktor Sickerwasserfaktor Grundwasser- Neubildung Grundwasserleiter Grundwasser- Neubildung Grundwasser- Neubildung Folie 10

11 gesättigte Zone ungesättigte Zone Verfahrensüberblick 3. Ermittlung von Verweil- und Fließzeiten Messstellenscharfe Betrachtung L Teufe-Neubildungs- Verfahren Strömungsmodellierung Altersdatierungen / Umwelttracer Verweilzeit Boden Verweilzeit GW-Deckschicht Verweilzeit GW- Deckschicht Hölting Flächenhafte Betrachtung WEKU -Verfahren FZJ L: Lockergestein : Festgestein Ermittlung der Fließzeiten Unterschiedliche Verfahren für punkt- und flächenhaften Ansatz Flächenhaft: WEKU (FZJ), Fließzeit für Rastzellen des GWK bis zum Vorfluter basierend auf dem Darcy-Ansatz Punktscharfe Verfahren für Messstellen: Fließzeit vom Ort der Neubildung bis zur Filterposition der Messstelle Altersdatierungen Strömungsmodelle Teufe/Neubildungsverfahren Folie 11

12 gesättigte Zone ungesättigte Zone Verfahrensüberblick 3. Ermittlung von Verweil- und Fließzeiten 320 m Messstellenscharfe Betrachtung L Teufe-Neubildungs- Verfahren Strömungsmodellierung Altersdatierungen / Umwelttracer Verweilzeit Boden Verweilzeit GW-Deckschicht Verweilzeit GW- Deckschicht Hölting Flächenhafte Betrachtung k f : 1E-3 WEKU -Verfahren FZJ L: Lockergestein : Festgestein Ermittlung der Fließzeiten Unterschiedliche Verfahren für punkt- und flächenhaften Ansatz Flächenhaft: WEKU (FZJ), Fließzeit für Rastzellen des GWK bis zum Vorfluter basierend auf dem Darcy-Ansatz Punktscharfe Verfahren für Messstellen: Fließzeit vom Ort der Neubildung bis zur Filterposition der Messstelle Altersdatierungen Strömungsmodelle Teufe/Neubildungsverfahren Folie 12

13 gesättigte Zone ungesättigte Zone Verfahrensüberblick 3. Ermittlung von Verweil- und Fließzeiten 320 m Messstellenscharfe Betrachtung L Teufe-Neubildungs- Verfahren Strömungsmodellierung Altersdatierungen / Umwelttracer Verweilzeit Boden Verweilzeit GW-Deckschicht Verweilzeit GW- Deckschicht Hölting Flächenhafte Betrachtung k f : 1E-3 WEKU -Verfahren FZJ L: Lockergestein : Festgestein Ermittlung der Fließzeiten Unterschiedliche Verfahren für punkt- und flächenhaften Ansatz Flächenhaft: WEKU (FZJ), Fließzeit für Rastzellen des GWK bis zum Vorfluter basierend auf dem Darcy-Ansatz Punktscharfe Verfahren für Messstellen: Fließzeit vom Ort der Neubildung bis zur Filterposition der Messstelle Altersdatierungen Strömungsmodelle Teufe/Neubildungsverfahren Folie 13

14 Teufe/Neubildungsverfahren GWN: 150 mm/a GWN: 250 mm/a Verfahrensprinzip Kombination aus einem Wasserbilanzansatz und dem Darcy-Ansatz 1. Berechnung des Anstrombereichs einer Messstelle GWM m A 1 A 2 = GWN Mittel v f = F GWO b l b Geländeoberkante GOK l = F GWO GWN Mittel v f GWO A 1 l FOK FUK A 2 A1: Durchströmte Querschnittsfläche im Grundwasserleiter [m²] A2: Fläche der Grundwasserneubildung im Zustrom [m²] GWM Mittel: mittlere Grundwasserneubildung auf der Fläche A2 [m²] Vf Filtergeschwindigkeit [m/s] F: Filtertiefe [m NHN oder m u GOK] GWO Lage der Grundwasseroberfläche [m NHN oder m u GOK] b Breite des Stromstreifens, standardmäßig 1 m [m] l Fließstrecke [m] Folie 14

15 Teufe/Neubildungsverfahren GWN: 150 mm/a GWN: 250 mm/a Verfahrensprinzip Kombination aus einem Wasserbilanzansatz und dem Darcy-Ansatz 1. Berechnung des Anstrombereichs einer Messstelle GWM m A 1 A 2 = GWN Mittel v f = F WO b l b l = F GWO GWN Mittel v f Ergebnis Fließstrecken vom Ort der Neubildung: - bis FOK: 172 m - bis FUK: 344 m gewichtete Neubildung: 217 mm A1: Durchströmte Querschnittsfläche im Grundwasserleiter [m²] A2: Fläche der Grundwasserneubildung im Zustrom [m²] GWM Mittel: mittlere Grundwasserneubildung auf der Fläche A2 [m²] Vf Filtergeschwindigkeit [m/s] F: Filtertiefe [m NHN oder m u GOK] GWO Lage der Grundwasseroberfläche [m NHN oder m u GOK] b Breite des Stromstreifens, standardmäßig 1 m [m] l Fließstrecke [m] Folie 15

16 Teufe/Neubildungsverfahren GWN: 150 mm/a GWN: 250 mm/a GWM Verfahrensprinzip Kombination aus einem Wasserbilanzansatz und dem Darcy-Ansatz 1. Berechnung des Anstrombereichs einer Messstelle 2. Berechnung der Fließzeit m A 1 A 2 = GWN Mittel v f = F WO b l b Ergebnis Fließzeit FOK: 1,8 Jahre Fließzeit FUK: 3,6 Jahre t = l = l n v f = = F GWO F GWO GWN Mittel F GWO v f GWN Mittel v f n eff GWN Mittel v f n eff Folie 16

17 Verfahrensüberblick Filtertiefe in Bezug zur freien GWO FUK > 2,0 m u. GWO bei 200 mm/a oder > 1,0 m bei 100 mm/a Filterposition GWM Im obersten GW- Leiter FUK < 2,0 m unter GWO bei 200 mm/a (siehe Abb. 5.4) Unterhalb des obersten GW-Leiter Fließzeit 2 Jahre gesonderte Berechnung nicht erforderlich Fließzeitbestimmung über anderes Verfahren - Altersdatierung - Strömungsmodellierung Punktbezogene Ermittlung der Fließzeiten o o o Teufe/Neubildungsverfahren Strömungsmodelle Altersdatierungen Hydrogeologischer Aufbau Vertikal-homogener Aufbau heterogener Aufbau / Trenner zwischen GWO und FUK Varianz der kf-werte beträgt mehr als eine Größenordnung (sofern vorhanden bzw. abschätzbar) GWN *homogen GWN heterogen GWN: 250 mm/a Fließzeitbestimmung Teufe- Neubildungsverfahren ohne Ermittlung der Fließstrecke (nur Gl. 5.4) Fließzeitbestimmung über anderes Verfahren - Altersdatierung - Strömungsmodellierung GWN: 150 mm/a Hydraulische Einflüsse keine Einflüsse GWM im Absenkungsbereich eines Entnahmebrunnens Distanz > 500 m oder Berechnung n. Sichardt Fließzeitbestimmung über anderes Verfahren - Altersdatierung - Strömungsmodellierung GWM m GWN* homogen GWN* heterogen Fließzeitbestimmung Teufe-Neubildungsverfahren ohne Ermittlung der Fließstrecke Fließzeitbestimmung Teufe-Neubildungsverfahren mit Ermittlung der Fließstrecke Folie 17

18 3. Ermittlung von Verweil- und Fließzeiten Messstellenscharfe Betrachtung Flächenhafte Betrachtung Verweilzeiten gem. Standortschema berechnet Fließzeiten berechnet 4. Aggregieren der Ergebnisse Mittlere Reaktionszeit des Messnetzes Mindestzeit Wirkung von GW- Schutzmaßnahmen Folie 18

19 Test-GWK GWK 1: Örtze Lockergestein links Lockergesteinsgrundwasserleiter, glaziofluviatile Sande; 8 von 25 GWM weisen Nitratkonzentrationen über 50 mg/l auf GWK 2: SAL GW014 Mansfeld Querfurt Naumburger Triasmulden Kluftgrundwasserleiter im Buntsandstein und Muschelkalk, mitteldeutsches Trockengebiet; 10 von 34 GWM weisen Nitratkonzentrationen über 50 mg/l auf GWK 3: Hessisches Ried Fluviatile Lockergesteine im Oberrheingraben; 3 von 10 GWM weisen Nitratkonzentrationen über 50 mg/l auf Folie 19

20 Fließzeit Jahre Häufigkeit (Anzahl) Beispiele 10 5 Anzahl GWM: 23 Mittelwert: 7,5 Jahre Medianwert: 6,6 Jahre GWK 1 Örtze Verfahren für 23 von 25 Messstellen geeignet, Fließzeiten zwischen 5 und 15 Jahren, mittlere Fließzeit: 7,5 Jahre - < > 50 Fließzeit in Jahren Jahre Fließzeit (FUK) Fließzeit FOK Fließzeit MW Grundwasser-Messstelle (anonymisiert) Folie 20

21 Verweil- Fließzeit und Fließzeit Jahre [Jahre] Nitratkonzentration [mg/l] Häufigkeit (Anzahl) Ergebnisse GWK 1 Örtze < Reaktionszeit in Jahren Anzahl GWM: 23 Mittelwert: 13 Jahre Medianwert: 11 Jahre > 50 Verfahren für 23 von 25 Messstellen geeignet, Fließzeiten zwischen 5 und 15 Jahren, mittlere Fließzeit: 7,5 Jahre Reaktionszeiten des Messnetzes meist zwischen 5 und 15 Jahren, Mittelwert 13 Jahre, Reaktionszeit der hoch nitratbelasteten Messstellen: im Mittel 7,5 Jahre Jahre Verweilzeit (Boden und GW-Deckschichten) Fließzeit Nitratkonzentration Reaktionszeit 7,5 Jahre Fließzeit (FUK) Fließzeit FOK Fließzeit MW Grundwasser-Messstelle (anonymisiert) Grundwasser-Messstelle (anonymisiert) 0 Folie 21

22 Fließzeit [Jahre] Nitratkonzentration mg/l Häufigkeit (Anzahl) Ergebnisse GWK 2 SAL Anzahl GWM 26 Mittelwert 33,2 Jahre Medianwert 25,25Jahre Verfahren für 26 von 34 Messstellen geeignet, mittlere Fließzeit bei 14 Jahren - große Spanne 5 Reaktionszeiten stärker durch Verweilzeiten dominiert, Mittelwert: 33 Jahr - extreme Spanne. - < Reaktionszeit in Jahren > 50 Reaktionszeit der hoch nitratbelasteten Messstellen: im Mittel 29 Jahre. 150 Verweilzeit (Boden und GW-Deckschichten) Fließzeit Nitratkonzentration Grundwasser-Messstellen (anonymisiert) Folie 22

23 Zusammenfassung Verweil- und Fließzeiten führen dazu, dass die Wirkung umgesetzter Grundwasserschutzmaßnahmen (noch) nicht im Messnetz erkennbar ist. Zusammenstellung, Entwicklung und Anwendung einfacher, praxistauglicher Verfahren, die mit vorhandenen Daten eine Ermittlung der Fließ- und Verweilzeiten erlauben: plausible und begründet Abschätzung Verweilzeiten: (Lockergestein), Hölting-Verfahren (Festgestein) Fließzeiten flächenhafter Ansatz: WEKU-Verfahren, Fließzeit zum Vorfluter punktbezogener Ansatz: neu entwickeltes Teufe/Neubildungsverfahren Fließzeit vom Ort der Neubildung zur GWM Reaktionszeiten: Verweilzeiten + Fließzeiten Prüfung und Einschätzung der Anwendbarkeit anhand von drei Testgrundwasserkörpern und Test durch die Projektbegleitgruppe Folie 23

24 Wasser-Boden-Abfall 2016 (Nr. G 1.16) Verweilzeiten Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit