Regen als Grundwassertracer
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes ‚Regen als Grundwassertracer‘ wurde die Nutzung natürlich verfügbarer Niederschlagswässer als Grundwassertracer wissenschaftlich validiert. Zu diesem Zweck wurde im Detail untersucht, ob gesammelte Niederschlagswässer kontrolliert in ein poröses, zuvor grundwassergesättigtes Medium eingebracht und dann mittels Analyse der Stabilisotopensignaturen und Erfassung der elektrischen Leitfähigkeit wiedergefunden werden können. Dem Tracerkonzept liegen dabei die an den meisten Standorten vorhandenen natürlichen Unterschiede zwischen Grund- und Niederschlagswässern zugrunde. Speziell bezüglich der Stabilisotopensignaturen der Wassermoleküle selbst sowie der elektrischen Leitfähigkeit bestehen hierbei deutliche regionale und auch vom Aggregatzustand des Niederschlags abhängige Unterschiede. Um unabhängig von standortspezifischen Bedingungen eine möglichst korrekte Interpretation von erhobenen Tracer-Messdaten sicherstellen zu können, war eine systematische und schrittweise Analyse des tatsächlichen Transportverhaltens unter kontrollierten experimentellen Bedingungen notwendig. Im Fokus der Untersuchungen der ersten von zwei geplanten Projektphasen stand dabei die Beurteilung möglicher Einflussfaktoren auf die Signalstabilität bei Betrachtung kleinskaliger, homogener Fließsysteme. Dies erfolgte laborgestützt mittels eindimensionaler Durchströmungsexperimente und Batchversuche, jeweils unter Verwendung verschiedener Wasser-Sediment-Kombinationen. Eine Übertragung auf kontrollierte, heterogene Systeme konnte aufgrund der erfolgten Kürzungen nicht erfolgen. In den Experimenten wurden nicht nur sedimentbedingte Veränderungen der Wasserzusammensetzung bzw. des Summenparameters ‚elektrische Leitfähigkeit‘ (EC-Wert) bezüglich ihrer Relevanz eingeschätzt, sondern auch chemische Fällungs- und Lösungsreaktionen beachtet. Zudem wurde der Einfluss von orts- und zeitabhängigen Vermischungen des Eingabewassers und von natürlichen Schwankungen untersucht. Hierfür erfolgte die Durchführung eines entsprechenden Experiments mit einer dynamisch variierten Zugabe von drei Wässern verschiedener Isotopensignaturen, die Prüfung von Methoden zur Porenwasserextraktion und die Durchführung mehrerer Monitoring-Kampagnen; Letzteres mit Fokus auf dem Testfeld der TU Dresden in Pirna, Deutschland. Als erster Test der Machbarkeit wurden Push-Drift-Pull- Versuche mit Schneeschmelze und Regen realisiert. Zur Bewertung von Temperatur-bedingten Effekten wurden Durchströmungsversuche in einer wärmegedämmten Versuchssäule mit gezielt temperierten Eingabewässern durchgeführt. Die Projektergebnisse zeigen, dass die Wasserisotope als de-facto inerte Tracerkomponenten angesehen werden können. Es ist lediglich zu beachten, dass die initiale Auslenkung während der Tracereingabe ausreichend hoch ist. Hier hat es sich als sinnvoll erwiesen, dass mindestens ein Verhältnis von 10 zwischen der isotopischen Auslenkung (während des Durchbruches) und der verfügbaren technischen Präzision der Analytik besteht. Dies gilt insbesondere, wenn mehr als zwei Komponenten vermischt sind oder dynamische Vermischungen zu erwarten sind. Besonders der Versuch auf Feldskala bekräftigt diese Aussage. Bezüglich der Verwendung der Komponente EC-Wert ist zu vermerken, dass dieser aufgrund von Wasser-Sediment-Reaktionen, insb. Lösungs- und Fällungsprozessen, verfälscht wird. Die Komponente ‚Temperatur‘ hat sich als schwierig zu beherrschen herausgestellt. Insbesondere wurden deutliche Energieverluste über die Experimentgrenzen (trotz sehr großzügig dimensionierter Dämmungen) sowie Veränderungen des Durchbruchsverhaltens bei Temperaturänderung erfasst. Mit Bezug auf die stabilen Isotope besteht das Zwischenfazit darin, dass die Niederschlagswässer als aktive, konservative Grundwassertracer verwendet werden können, insofern ein geeignetes Eingabewasser mit einer ausreichend ausgeprägten isotopischen Auslenkung ausgewählt wird. Der EC-Wert und die Temperatur können als zusätzliche Informationen mit spezifischen Einschränkungen genutzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2016). A Straightforward Random Walk Model for Fast Push‐ Pull Tracer Test Evaluation. Groundwater 55(1): 129-135
Klotzsch, St., Binder, M., Händel, F.
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(2016). „Experimental recharge by smalldiameter wells: the Pirna, Saxony, case study”. Environmental Earth Sciences 75: Article 930
Händel, F., Binder, M., Dietze, M., Liedl, R., Dietrich, P.
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(2017). „Abschätzung des Einflusses von Parameterunsicherheiten bei der Planung und Auswertung von Tracertests unter Verwendung von Ensembleprognosen“. Grundwasser 22(2):135-142
Klotzsch, St., Binder, M., Händel, F.
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(2018). “Application of Precipitation as a Groundwater Tracer – Laboratory Experiments with an ‘ideal’ Tracer (?)”. EGU Konferenz, 8.-13.04.2018, Wien, Österreich
Tritschler, F., Binder, M., Händel, F., Burghardt, D., Dietrich, P., Liedl, R.
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(2018). „Evaluation of Decentralized, Closely-Spaced Precipitation Water and Treated Waste Water Infiltration“. Water 10(10): Article.1460
Händel, F., Engelmann, C., Klotzsch, S., Fichtner, T., Binder, M., Gräber, P.W.
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(2018). „Migration behavior of storm waters within water-saturated porous media – Laboratory experiments and reactive transport simulations”. AGU Fall Meeting, 10.-14.12.2018, Washington/D.C., USA
Binder, M., Händel, F., Burghardt, D., Prommer, H., Tritschler, F., Dietrich, P., Liedl, R.
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(2019). “Application of snowmelt as an active and inexpensive dual isotope groundwater tracer”. Hydrogeology Journal 27(1): 423–433
Binder, M., Tritschler, F., Burghardt, D., Klotzsch, S., Dietrich, P., Liedl, R., Händel, F.
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(2019). “Suitability of precipitation waters as semi-artificial groundwater tracers”. Journal of Hydrology 577: Article 123982
Binder, M., Burghardt, D., Engelmann, C., Tritschler, F., Simon, E., Prommer, H., Dietrich, P., Liedl, R., Händel, F.
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(2019). „Collected rainwater as cost-efficient source for aquifer tracer testing “. Groundwater
Tritschler, F., Binder, M., Händel, F., Burghardt, D., Dietrich, P., Liedl, R.
