Anwendung natürlicher Umweltisotope zur Validierung und Kalibrierung numerischer Grundwassermodelle

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1 Anwendung natürlicher Umweltisotope zur Validierung und Kalibrierung numerischer Grundwassermodelle

2 Umweltisotope und Grundwassermodellierung H 2 H C 9 9 Ar Kr O Umweltisotope Herkunft des Grundwassers und spezifischer Wasserinhaltsstoffe Datierung von Grundwässern Charakterisierung und Quantifizierung Kalibrierung und Validierung unterschiedlicher Wassserkomponenten Bilanzmodelle Strömungsmodelle Transportmodelle Sauerstoff-18 ( 18 O) Deuterium ( 2 H) Tritium ( H) Krypton-85 ( 85 Kr) Kohlenstoff-14 ( 14 C) Argon-9 ( 9 Ar) Messung und Auswertung Hydrogeologische Interpretation Bestimmung repräsentativer hydraulischer Durchlässigkeiten Quantifizierung der Randzuströme Migrationsraten von Schadstoffen hydraulische Verhältnisse vor z.b. intensiver Nutzung Grundwassermodelle 1

3 Allgemeine Grundlagen der Isotopenhydrologie δ 18 O [ ] Schwankung des 18 O-Gehaltes im Wasserkreislauf, Schematische Darstellung Bergsee ,5 Grundwasserströmung Fluß -11-9,5 See -,5 Transpiration Durch physikalische, chemische und biologische Prozesse werden Isotopenverhältnisse geändert. Diese Isotopeneffekte führen zu einer örtlich und zeitlich charakteristischen Markierung des Wasserkreislaufes. Alle chemischen Elemente besitzen Isotope. Wasserstoff z. B. besitzt zwei stabile Isotope 1 H (99,99 %) und 2 H (Deuterium) sowie das radioaktive Isotop H (Tritium). Verdunstung Meer, δ 2 H ( ) Stabile Umweltisotope Niederschlagsgerade δ 2 H = 8 δ 18 O + 1 lokal gebildetes Grundwasser Bergsee 2 H O Seewassereinfluß (Verdunstung ) Uferfiltrat Gebirgsfluß δ 18 O ( ) Radioaktive Umweltisotope Die radioaktiven Umweltisotope H Kr 9 9 Ar C markieren Oberflächenwässer global. Neben der Einwirkung kosmischer Strahlung auf die obere Atmosphäre tragen vor allem anthropogene Aktivitäten zur Herkunft der radioaktiven Umweltisotope bei. Stratosphäre Atmosphäre Grundwasser Atomwaffentests Kernkraftanlagen Kosmische Strahlung H (12,4 a) 9 Ar (269 a) 14 C (5 7 a) 6 Cl (1 1 a) 81 Kr (21 1 a) H (12,4 a) Niederschlag 85 Kr (1,8 a) Isotopengehalt im Niederschlag Gleichgewicht Bodenluft-Sickerwasser H (TU) 85 Kr (dpm/ml Kr ) So stammt ein Großteil des H aus Kernwaffenversuchen, während 85 Kr in kerntechnischen Anlagen freigesetzt wird. Der Eintrag in das Grundwasser erfolgt direkt über den Niederschlag ( H) oder als gelöstes Bodengas im Sickerwasser ( 85 Kr, 9 Ar, 14 CO 2 ). 2

4 Anwendungen Umweltisotope & Grundwassermodelle Beispiel Bilanzmodelle Kalibrierung eines Grundwasser- Bilanzmodelles mit Hilfe der Umweltisotope Tritium ( H) und Krypton-85 ( 85 Kr) Grundwasserneubildung aus Niederschlägen Flußinfiltration + 5 l/s l/s + 17 l/s -154 l/s Zufluß Entnahmen GW-Leiter E, D, C -7 l/s Abfluß Problem: Unbekannter Randzustrom durch aufsteigendes Tiefengrundwasser Schicht 2 Schicht Schicht 4 Schicht 5 Schicht 6 Schicht 7 Schicht 8 Grundwassergeringleiter e/d gespannter Grundwasserleiter D Grundwassergeringleiter d/c gespannter Grundwasserleiter C Zufluß aus den Jura-Schichten: unbekannt Isotopenergebnisse: H- und 85 Kr-Gehalte zeigen im GW-Leiter C Anteile von ca. 5 % alter Tiefenwässer Schlußfolgerung: Zufluß von +59 l/s Tiefengrundwasser aus den jurassischen Schichten Beispiel Strömungsmodell Problem: Bestimmung von Herkunft und langfristig verfügbarem Dargebot an Tiefen-GW Validierung eines numerischen Strömungsmodelles über Altersdatierungen mittels Tritium ( H), Kohlenstoff-14 ( 14 C) und Argon-9 ( 9 Ar) Isotopenergebnisse: Zumischung von ca. 4% eines jungen (< a) zu einem sehr alten (> 5 a) Grundwasser Schlußfolgerung: Zustrom an Tiefen-GW deckt nur 2 % der Entnahme. Folge: Junges ggf. anthropogen beeinflußtes GW wird durch tiefes GW ergänzt.

5 Grundwasseralter als Kalibrierparameter Monate Jahre Jahrzehnte Jahrhunderte Jahrtausende Jahrmillionen Natürliche Umweltisotope erlauben die Erfassung eines großen Zeit- und Entfernungsmaßstabes im Bereich von Tagen bis zu Jahrtausenden H/ O 85 H Kr 9 Ar 14 C 5 Cl 81 Kr Datierungsbereich in Jahren Deuterium Sauerstoff-18 Tritium Krypton-85 Argon-9 Chlor-6 Krypton-81 Junge Grundwässer Durch die gleichzeitige Bestimmung von 85 Kr- und H läßt sich das Alter sowie der Anteil von Grundwasserkomponenten jünger als 45 Jahre quantifizieren. 85 Kr (dpm/ml Kr ) Alte Grundwasserkomponente, H- und 85 Kr-frei (> 45 Jahre) 25 % 1a 2a 4a 6a 1a Entwicklungspfad für junges Grundwasser (Mittlere Verweilzeit in Jahren) 14a 5 % 75 % Anteil junge Komponente 2a 26a 12 1 Junges Grundwasser ( H- und 85 Kr-haltig) 14 C-Anfangsgehalt = 65 %-modern 9 Ar-Anfangsgehalt = 1 %-modern Tritium (TU) 5a 9 Ar (%-modern) Mischung mit pleistozäner Komponente 2 a Mischungsbereiche 12 a 1 a 5 a 2 a 1 a 5a 1a 2a Alte Grundwässer Die Datierung alter Grundwässer erfolgt mittels der 9 Ar- und 14 C- Gehalte. Durch die gleichzeitige Bestimmung von 9 Ar und 14 C läßt sich eine Beteiligung von Mischungen erkennen und quantifizieren C (%-modern) 4

6 Markierungsversuche zur Modellkalibrierung Im Gegensatz zu den natürlichen Umweltisotopen werden bei Grundwassermarkierungsversuchen künstliche Tracer absichtlich in das zu untersuchende Wasserregime eingegeben. Eosin Uranin Isotopentracer Mit Deuterium angereichertes Wasser (96 % D 2 O) kann als idealer Tracer angesehen werden und unterliegt keinen Änderungen durch physikalische, chemische und biologische Prozesse. δ 2 H ( ) Uranin (mg/m ) Eosin (mg/m ) ,4,,2, Deuterium ( 2 H) Uranin Eosin Zeit nach Eingabe (h) Deuterium Fluoreszenztracer Neben isotopischen Tracern werden vor allem Fluoreszenz- (Farb-) tracer zur Überprüfung von Fließwegen, der Grundwasserfließgeschwindigkeit sowie der Aquiferparameter eingesetzt. Vorteil:geringer Untergrund, einfache Analytik, Vor-Ort meßbar. Markierungsversuche mit z.b. gleichzeitigem Einsatz von mehreren Farb- und Isotopentracern erlauben es zeitlich und örtlich begrenzte Fließwege nachzuzeichnen und bieten eine Möglichkeit sehr genaue Angaben über Herkunft, Mischungsanteile und Fließgeschwindigkeiten zu erhalten. 5

7 Arbeitsbereiche der Firma Hydroisotop Laboratorium zur Bestimmung von Isotopen in Umwelt und Hydrologie Verweilzeitbestimmungen von Grundwässern Herkunftsbestimmungen von Schadstoffen Isotopengehaltsbestimmungen Traceruntersuchungen Quantitive Analyse Isotopenchemische Analyse radioaktive Isotope stabile Isotope Fluoreszenzfarbstoffe chemische Tracer chemische Analytik organische Verbindungen anorganische Verbindungen H, 85 Kr, 14 C, 9 Ar, Ra, 222 Rn 2 H, 1 C, 18 O 87 Sr, Pb Uranin, Eosin, Sulforhodamin, Na-Naphthionat Cl -, Br -, Li +, FCKW, SF 6 lhkw, AKW, PAK, usw. 2 H, 1 C in lhkw, AKW, Methan usw. 15 N, 18 - O in NO 4 S, O in SO 4 Referenzliste und bestehende Zusammenarbeiten (Auswahl) Atomenergiebehörde (IAEA) Wien, Österreich; Projektarbeit, Untersuchung von Grundwässer Bayer. Landesamt für Wasserwirtschaft, München; Isotopenuntersuchungen zur Ermittlung der Herkunft von Grundwasser zur Trinkwassergewinnung Stadtwerke Singen; Erstellung eines Grundwasserbewirtschaftungskonzeptes ETH Zürich, Schweiz; Isotopenuntersuchungen an Gasgehalten zur Bestimmung der Gasherkunft Landesanstalt für Umweltschutz, Baden-Württemberg, Karlsruhe; Hydrochemische und isotopenhydrologische Untersuchungen im Rahmen des Grundwasserüberwachungsprogrammes des Landes Baden-Württemberg Institut Fresenius, Taunusstein; Isotopenhydrologische Untersuchungen zur Erkundung von Mineral- und Heilwasservorkommen Geologisches Landesamt Baden-Württemberg, Freiburg; Ausweisung von Trinkwasserschutzgebieten, isotopenhydrologische und hydrochemische Untersuchungen in Grundwässern des Landes Baden-Württemberg 6