Atmosphärische Gase als natürliche Tracer für die Dynamik von Fluss- und Grundwassersystemen

Transkript

1 1 / 30 Atmosphärische Gase als natürliche Tracer für die Dynamik von Fluss- und Grundwassersystemen Matthias Brennwald matthias.brennwald@eawag.ch Eawag PEAK Kurs,

2 Übersicht 2 / 30 Gasdynamik Atmosphärische (Edel-)Gase als Umwelttracer Methoden zur Gasanalyse in Gewässern Beispiele & Fallstudien

3 3 / 30 Kapitel 1 Gasdynamik Atmosphärische (Edel-)Gase als Umwelttracer Fluss/Grundwassersysteme Lösungsgleichgewicht Excess Air Biogeochemische Quellen & Senken Summe der Prozesse Echtes Grundwasser vs. Flusswasser

4 Gasdynamik Fluss/Grundwassersysteme 4 / 30 Natürlich vorkommende Gase als Tracer für Umweltprozesse in Oberflächen- und Grundwasser (Physik, Chemie, Biologie): Systemübersicht: Oberflächengewässer und Grundwasser Physikalische Prozesse: Gasaustausch, Transport Chemie und Biologie (z.b. O 2 als Indikator für Grundwasserqualität, Denitrifikation)

5 Gasdynamik Fluss/Grundwassersysteme 5 / 30 Atmosphäre Atmosphere Fliessgewässer Atmosphäre Gasaustausch (Temperatur, Salinität) Excess Air Transport & Mischung (gelöste Substanzen, Wärme) Aquifer Excess Air: Auflösung von Luftblasen, die in der Aquifer-Matrix gefangen sind Überschuss gelöster Gase im Grundwasser

6 Gasdynamik Lösungsgleichgewicht Austausch eines Gases i an der Wasseroberfläche (C i : Konzentration im Wasser, C i : Gleichgewichtskonz.): C i > C i C i < C i C i = C i netto-gasfluss: Wasser Luft netto-gasfluss: Luft Wasser netto-gasfluss = 0 (Gleichgewicht) Das Henry-Gesetz beschreibt das Lösungsgleichgewicht zwischen Wasser und Luft (für ein Gas i): p i = H i C i p i : Partialdruck des Gases an der Wasseroberfläche H i : Henry-Koeffizient ( Löslichkeit ) 6 / 30

7 Gasdynamik Lösungsgleichgewicht 7 / Gleichgewichtskonzentration im Wasser (mg/l) m über Meer (p tot = 965 hpa) N 2 O 2 Gleichgewichtskonzentrationen der meisten Gase nehmen mit zunehmender Temperatur ab Wassertemperatur ( C)

8 Gasdynamik Lösungsgleichgewicht 8 / 30 NG conc. (normalized) 100% 75% 50% He Ne Ar Kr Xe Temp. [ C] Salinity [g/kg]

9 Gasdynamik Excess Air 9 / 30 Air vadose saturated water recharge pressure increase dissolution of entrapped bubbles Water Air bubble

10 Gasdynamik Excess Air 10 / 30 Gaskonzentration (rel. Sättigung) 250% 200% 150% 100% 50% Sättigungskonzentration Excess Air Chemie, Biologie??? 0% He Ne Ar Kr Xe N 2 O 2

11 Gasdynamik Biogeochemische Quellen & Senken 11 / 30 O 2 -Produktionsrate Tageszeit 0 Photosynthese Respiration Interne Quellen und Senken von O 2 in einem Fluss Photosynthese und aerobe Respiration

12 Gasdynamik Biogeochemische Quellen & Senken 12 / 30 Denitrifikation NO H NO 2 + H 2 O NO H NO + H 2 O 2 NO + 2 H N 2 O + H 2 O N 2 O + 2 H N 2 + H 2 O

13 Gasdynamik Summe der Prozesse 13 / 30 Analyse verschiedener Gaskomponenten und der dazugehörigen Prozesse Komponente (Prozess) Welche Gase Quantifizierung Luftgesättigtes Wasser (Gas-Equilibrierung) atmosphärische Gase Excess Air (Anstieg Grundwasserspiegel) atmosphärische Gase Abbau + Produktion (Biologie, Chemie) reaktive Gase (O 2, N 2, CO 2, CH 4,... ) Summe / Messung reaktive Gase + Edelgase

14 Gasdynamik Summe der Prozesse 14 / 30 Gaskonzentration (rel. Sättigung) 250% Sättigungskonzentration Excess Air 200% Chemie, Biologie? 150%?? 100% 50% 0% He Ne Ar Kr Xe N 2 O 2 Physik: Luft/Wasser Gleichgewicht Excess Air Biologie Chemie

15 Gasdynamik Echtes Grundwasser vs. Flusswasser 15 / 30 Atmosphere Excess Air Excess Air Gaskonzentrationen: echtes Grundwasser vs. Flusswasser

16 16 / 30 Kapitel 2 Methoden zur Gasanalyse in Gewässern Total dissolved gas probe (TDGP) Sauerstoffkonzentration Alle Gasspezies Wenn und Aber... GE-MIMS

17 Methoden Total dissolved gas probe (TDGP) 17 / 30 Totaldruck: p = p i (Summe der Partialdrucke) Aber: welche Gase? Ursprung der Gase?

18 Methoden Sauerstoffkonzentration Aber: woher kommt der Sauerstoff? 18 / 30

19 Methoden Alle Gasspezies Massenspektrometrie & Gaschromatographie Liefert Konzentrationen aller gelösten Gasspezies (O 2, N 2, He, Ne, Ar, Kr, Xe, SF 6, CFCs, CH 4, etc.) Physik und (Bio-)Geochemie unterscheidbar Grundwasserdatierung (SF 6, CFCs; Jahre, Jahrzehnte) Aber: Analytik beruht auf einzelnen Wasserproben. Aufwand! Apparatur ist teuer und bedingt Entwicklungsaufwand. 19 / 30

20 Methoden Wenn und Aber / 30 Analytische Ansprüche zur Erfassung von Umweltprozessen in Fluss/Grundwasser-Systemen: Gleichzeitige Analyse verschiedener Gasspezies: Edelgase: physikalische Prozesse / Eigenschaften O2, CO 2, CH 4, N 2, etc.: chemisch-biologische Prozesse / Eigenschaften Zeitauflösung zwischen Messwerten muss der Dynamik der untersuchten Prozesse angepasst sein: Saisonal, Jahreszeiten Tag / Nacht Stunden Minuten Logistik, Arbeit, Kosten: Autonome on-site Analytik

21 Methoden GE-MIMS 21 / 30 Pressure reducing step (capillary) Mass spectrometer (vacuum) Membrane Water Mächler et al, Env. Sci. Tech., 2012 Gas-Equilibrium Membrane-Inlet Mass Spectrometer (GE-MIMS) Membran trennt head space und Wasser Lösungsgleichgewicht zwischen Wasser und head space, Partialdrucke entsprechen den Konzentrationen der gelösten Gase im Wasser Massenspektrometer zur Bestimmung der Partialdrucke (geringer Gasfluss, um Lösungsgleichgewicht nicht zu stören)

22 Methoden GE-MIMS 22 / 30

23 23 / 30 Kapitel 3 Beispiele & Fallstudien Grundwasserdynamik der Thur Demonstration GE-MIMS Gasprofile im Rotsee

24 Beispiele Grundwasserdynamik der Thur /

25 Beispiele Grundwasserdynamik der Thur Bild: Naturzentrum Thurauen 25 / 30

26 Beispiele Grundwasserdynamik der Thur 26 / 30 Heat Water table Alluvial loam cover River Advection Aquifer Excess air Microbial consumption Microbial consumption Microbial consumption Dynamik des Fluss/Grundwassersystems und gelöstem O 2

27 Beispiele Grundwasserdynamik der Thur Gaskonzentrationen im Grundwasser (cm 3 / g) STP Ar (x10-4 ) Tag-1 Tag-2 Tag-3 Tag-4 Tag-5 Messung Berechnet aus Löslichkeit (in-situ Temperatur) O 2 (x10-3 ) Messung Initiale O 2 Konzentration (aus Ar berechnet) ΔO 2 ΔO 2 (x10-3 ) CO 2 (x10-3 ) Löslichkeit Messung nach Mächler et al., Env. Sci. Technol., / 30

28 Beispiele Grundwasserdynamik der Thur 28 / 30 Ar-Zeitreihe zeigt, dass die gelösten Gase im Grundwasser durch den Gasaustausch im Fluss zustande kommen. Die Fliesszeit vom Fluss bis zur Grundwasserbeobachtungsstelle beträgt ca. 5.5 h. Aus den gemessenen Ar-Konzentrationen lässt sich die Konzentration des O 2 -Anteils im Grundwasser bestimmen, der durch den Gasaustausch mit der Atmosphäre sowie dem Fluss/Grundwasser-Austausch zustande kommt ( stable O 2 ). Die Differenz zwischen stable O 2 und der beobachteten O 2 -Konzentration im Grundwasser entspricht dem biogeochemischen O 2 -Umsatz. Die O 2 -Respiration zeigt einen Tageszyklus, welcher in der CO 2 -Zeitreihe (qualitativ!) abgebildet wird.

29 Beispiele Demonstration GE-MIMS 40 Concentration difference to ambient air (percent) He x 10-3 Ar O 2 CO 2 x Time (seconds) 29 / 30

30 Beispiele Gasprofile im Rotsee CO 2 O 2 Depth [m] O 2 (air saturation) CH Gas concentration [mmol/l] 0.5 nach Mächler et al., Chimia, / 30