cover

Heribert Moser; Werner Rauert:

Isotopenmethoden in der Hydrologie

Mitarb.: H. Behrens

[Isotope Methods in Hydrology]

1980. XX, 400 Seiten, 227 Abbildungen, 32 Tabellen, 17x24cm, 1200 g
Language: Deutsch

(Lehrbuch der Hydrogeologie, Band 8)

ISBN 978-3-443-01012-6, gebunden, price: 71.00 €

in stock and ready to ship

Order form

BibTeX file

Keywords

HydrologieHydrogeologieIsotopOberflächeGrundwasserhydrologyhydrogeologyisotopesurfacegroundwater

Contents

Inhaltsbeschreibung top ↑

Isotopenmethoden in der Hydrologie können Fragestellungen (Mischung in Oberflächenwässern, Abflußmenge) lösen, für die Färbe- und Salzungsversuche nicht geeignet sind. Nach einer Einführung in die Systematik natürlicher Isotope lernt der Hydro(geo)loge, welche Isotopenmethode zur Lösung seiner Fragestellung geeignet ist oder dazu beitragen kann, welche Voraussetzungen erfüllt sein müssen und welcher Aufwand getrieben werden muß. In diesem Standardwerk hilft ein ausführliches Literaturverzeichnis dem interessierten Hydrogeologen, Hydrologen, Wasserbauer oder Wasserwirtschaftler in Detailfragen weiter.

Inhaltsverzeichnis top ↑

1 Einführung 1

1.1 Zweck und Rahmen des Lehrbuchs 1
1.2 Isotope: Physikalische Grundlagen 2
1.2.1 Stabile Isotope 2
1.2.1.1 Isotopenfraktionierung in der Hydrosphäre 2
1.2.1.1.1 Isotopenfraktionierung bei Phasenübergängen
mit thermodynamischem Gleichgewicht 4
1.2.1.1.2 Isotopenfraktionierung bei Phasenübergängen
ohne thermodynamisches Gleichgewicht 8
1.2.1.2 Meßmethodik 11
1.2.1.2.1 Probenpräparation 11
1.2.1.2.2 Massenspektrometrische Messung, Auswertung und Standards 15
1.2.2 Radioaktive Isotope 17
1.2.2.1 Allgemeines zur Radioaktivität 17
1.2.2.2 Strahlungsmessung 19
1.2.2.3 Zur Auswertung von Strahlungsmessungen 21
1.3 Isotope als Tracer und Strahlungsquellen für hydrologische
Untersuchungen 23
1.3.1 Umweltisotope in der Hydrosphäre 23
1.3.1.1 Stabile Isotope 23
1.3.1.1.1 Allgemeines 23
1.3.1.1.2 Deuterium und Sauerstoff-18 in den Niederschlägen 25
1.3.1.2 Radioaktive Umweltisotope 32
1.3.1.2.1 Allgemeines zur Low-Level-Meßtechnik 33
1.3.1.2.2 Tritium 35
Tritium in den Niederschlägen 36
Messung des Tritiumgehalts in Wasserproben 38
1.3.1.2.3 Kohlenstoff-14 (M A GEYH) 43
Allgemeines zur Altersbestimmung mit der Radiokohlenstoff-Methode
(l4C-Methode) 44
Altersbestimmung von Grundwasser mit der 14C-Methode 46
Messung des 14C-Gehalts und 13C-Wertes in Grundwasser- und Karbonatproben 53
Fehlergrenzen bei 14C-Altern 55
1.3.1.2.4 Weitere radioaktive Umweltisotope für hydrologische
Untersuchungen (M. A. GEYH und H. MOSER) 56
1.3.2 Isotope als absichtlich zugegebene hydrologische Tracer
(H. BEHRENS und H. MOSER) 61
1.3.3 Verwendung von Radionukliden in umschlosserten Strahlenquellen
für hydrologische Untersuchungen 66
1.3.3.1 Wechselwirkung von Gamma-Strahlung mit Wasser und Boden 67
1.3.3.2 Wechselwirkung von Neutronen mit Wasser und Boden 68
1.3.4 Zur Planung und Probenentnahme bei isotopenhydrologischen
Untersuchungen 72
1.3.5 Zum Strahlenschutz bei hydrologischen Untersuchungen
mit radioaktiven Substanzen 75
2 Anwendungen von Isotopen im Oberflächenwasser 78
2.1 Offene Gerinne (H. BEHRENS) 78
2.1.1 Grundlagen der Abflußmessungen in offenen Gerinnen 79
2.1.1.1 Abflußmessung mit kontinuierlicher Tracereinspeisung 79
2.1.1.2 Abflußmessung mit momentaner Tracereinspeisung 82
2.1.1.3 Vergleich der Abflußmeßmethoden mit kontinuierlicher
und momentaner Tracereinspeisung 83
2.1.2 Bestimmung von Fließ- bzw. Verweilzeiten in offenen Gerinnen 83
2.1.3 Praktische Durchführung von Abfluß- und Fließzeitmessungen
in offenen Gerinnen mit radioaktiven Tracern 84
2.1.3.1 Art und Menge der Tracersubstanz 84
2.1.3.2 Vorrichtungen zur Tracereinspeisung 86
2.1.3.3 Probenentnahme und Meßanordnungen 86
2.1.3.4 Kalibrierung der Meßanordnungen 87
2.1.3.5 Auswertung der Meßergebnisse 88
2.1.4 Beispiele für Abfluß- und Fliehzeitmessungen in offenen Gerinnen 88
2.1.5 Das Problem der Durchmischung 91
2.1.5.1 Untersuchung von Durchmischungsvorgängen
in offenen Gerinnen mit Tracermethoden 92
2.1.5.2 Verwendung des Gehalts an stabilen Isotopen
zur Untersuchung von Durchmischungsvorgängen 93
2.1.6 Spezielle Anwendungen von Isotopenmethoden
bei Wasserqualitätsuntersuchungen in offenen Gerinnen 95
2.2 Sedimentbewegungen (H.PAHEKE) 95
2.2.1 Einführung 95
2.2.2 Schwebstoffe 96
2.2.2.1 Bestimmung der Schwebstoffkonzentration mit Hilfe
der Schwächung von Gamma-Strahlen 96
2.2.2.1.1 Grundlagen des Meßverfahrens 96
2.2.2.1.2 Meßanordnungen 98
2.2.2.1.3 Vor- und Nachteile des radiometrischen Verfahrens gegenüber
mechanischen Messungen der Schwebstoffkonzentration 99
2.2.2.1.4 Anwendungsbeispiel 99
2.2.2.2 Messung der Schwebstoffhewegung mit Hilfe
von Tracerverfahren 100
2.2.2.2.1 Markierung der Schwebstoffe 100
2.2.2.2.2 Meßverfahren 101
2.2.2.2.3 Anwendungsbeispiele 102
2.2.3 Geschiebe 102
2.2.3.1 Messung der Geschiebebewegung 103
2.2.3.1.1 Voruntersuchungen 103
2.2.3.1.2 Markierung des Geschiebes 103
2.2.3.1.3 Einbringung des markierten Geschiebes als Tracer 105
2.2.3.1.4 Tracernachweis und Bestimmung der Parameter
der Geschiebebewegung 106
2.2.3.2 Bestimmung der Transportrate des Geschiebes 109
2.2.3.2.1 Methode der Raumintegration 110
2.2.3.2.2 Methode der stetigen Verdünnung 111
2.2.3.2.3 Methode der Zeitintegration 111
2.2.3.2.4 Dispersionsmodelle 112
2.2.3.3 Anwendungsbeispiele 112
2.3 Seen und Stauseen 116
2.3.1 Durchmischung und Schichtung in Seen 116
2.3.1.1 Beispiele für Untersuchungen der Durchströmung von Seen
mit Hilfe von Umweltisotopen 117
2.3.1.2 Beispiele für Untersuchungen der Durchströmung von Seen
mit Hilfe absichtlich zugegebener radioaktiver Tracer 121
2.3.2 Verdunstung bei Seen 125
2.3.2.1 Vorbemerkungen und theoretische Ansätze 125
2.3.2.2 Anwendungsbeispiele 128
2.3.3 Dichtigkeit von Stauanlagen 135
2.3.3.1 Isotopenmethoden zur Lokalisierung von Undichtigkeiten
und zur Bestimmung von Leckraten 135
2.3.3.2 Anwendungsbeispiele 139
2.4 Schnee und Eis (H. MOSER und W. STICHLER) 149
2.4.1 Vorbemerkungen 142
2.4.2 Entstehung von Hagelkörnern 143
2.4.3 Auf- und Abbau der Schneedecke 145
2.4.3.1 Wasseräquivalent und Dichteprofil einer Schneedecke 145
2.4.3.1.1 Grundlagen des Meßverfahrens 146
2.4.3.1.2 Bestimmung des Gesamtwasseräquivalents einer Schneedecke
mit Hilfe von umschlosserten radioaktiven Quellen 146
2.4.3.1.3 Bestimmung des Gesamtwasseräquivalents einer Schneedecke
mit Hilfe der natürlichen Gamma-Strahlung des Bodens 148
2.4.3.1.4 Messung des Dichteprofils einer Schneedecke
mit umschlossenen radioaktiven Quellen 150
2.4.3.2 Abbild des Isotopengehalts der Niederschläge
in der Schneedecke 151
2.4.3.3 Isotopengehalt und Winddrift 154
2.4.3.4 Isotopengehalt und Reifbildung 154
2.4.3.5 Isotopengehaltsänderung bei Verdunstung
von der Schneeoberfläche 155
2.4.3.6 Perkolation von Regen und Schmelzwasser und ihre Wirkung auf
das Isotopengehaltsprofil einer temperierten Schneedecke 156
2.4.3.7 Mechanismus des Abbaus einer Schneedecke 158
2.4.4 Isotopengehaltsänderungen im Akkumulationsgebiet von Gletschern
beim Ubergang der Schneedecke in Eis 159
2.4.4.1 Isotopengehaltsänderung in oberflächennahen Schneeschichten 159
2.4.4.2 Isatopengehaltsprofil in der porösen Firnzone
von Gletschern 159
2.4.4.3 Isotopengehaltsprofil im kompakten Gletschereis;
Theorie der Diffusionsströmung von JOHNSEN 161
2.4.4.4 Verteilung der Gesamt-Beta-Aktivität in Firn-
und Eisprofilen 162
2.4.4.5 Messung von Akkumulationsraten 164
2.4.5 Schnee- und Eishydrologie 165
2.4.5.1 Wasserbilanz einer Schneedecke aus Isotopengehaltsmessungen in
Schneelysimetern 165
2.4.5.2 Bestimmung von Abflußanteilen aus Isotopengehaltsmessungen 166
2.4.5.2.1 Abflußanteile bei der Schneeschmelze in Einzugsgebieten
mit temporärer Schneedecke 168
2.4.5.2.2 Abflußanteile in Vergletscherton Einzugsgebieten
während der Ablationsperiode 169
2.4.5.3 Verweilzeit von Wasser in Einzugsgebieten
mit temporärer Schneedecke oder Gletschern 171
2.4.6 Historische Glaziologie 172
2.4.6.1 Datierung von Firn und Eis in Gletschern mit Hilfe
von Isotopengehaltsmessungen 173
2.4.6.2 Paläoklimatische Aussagen aus Sauerstoff-18-Messungen
an Eiskernen 174
3 Anwendungen von Isotopenmethoden im Grundwasser 176
3.1 Einführung 176
3.2 Ungesättigte Zone des Grundwasserleiters 177
3.2.1 Methodik der Messung und Auswertung der Tracer-Verteilung
im Wasser der ungesättigten Zone 178
3.2.1.1 Tracer-Input in die ungesättigte Zone 178
3.2.1.2 Nachweis der Tracer im Vertikalprofil der ungesättigten Zone 180
3.2.1.3 Zur Ausbreitung des markierten Wassers in der ungesättigten Zone 181
3.2.1.4 Bestimmung der Grundwasserneubildungsrate 182
3.2.2 Anwendungsbeispiele 184
3.2.2.1 Untersuchungen mit Hilfe des Gehalts am Umweltisotopen
(meist Tritium) 184
3.2.2.2 Untersuchungen mit Hilfe von absichtlich zugegebenen
Tracern (meist Tritium) 194
3.3 Gesättigte Zone des Grundwasserleiters 198
3.3.1 Interpretation von Messungen des Gehalts an Umweltisotopen 198
3.3.1.1 Interpretation von Messungen des Deuterium- und
Sauerstoff-18-Gehalts im Grundwasser 198
3.3.1.1.1 Zeitliche Differenzierung von Grundwässern 198
3.3.1.1.2 Lokalisierung von Grundwassereinzugsgebieten 204
3.3.1.1.3 Typisierung von Grundwässern und Grundwasserleitern 206
Typisierung von Thermal- und Mineralwässern 207
Unterscheidung von verschiedenen Grundwasserströmen
in einem Grundwasserleiter 209
Anteil von uferfiltriertem Flußwasser im Grundwasser 209
Hydraulische Verbindung von Grundwasserleitern 209
Identifizierung von Salzwässern 211
Typisierung von Grundwasserleitern 211
3.3.1.2 Interpretation von Messungen des Tritium und
Kohlenstoff-14-Gehalts im Grundwasser (M.A.GEYH) 213
3.3.1.2.1 Modelle zur Bestimmung von Verweilzeiten des Grundwassers
mit Hilfe von Messungen des 3H- und 14C-Gehalts 213
3.3.1.2.2 Aussagen über die Grundwasserneubildung aus
Messungen des 3H- und 14C-Gehalts im Grundwasser 217
3.3.1.2.3 Bestimmung der Abstandsgeschwindigkeit
des Grundwassers aus Messungen des 14C-Gehalts 219
3.3.1.2.4 Weitere hydrologische Interpretationsmöglichkeiten
des 14C- und 3H-Gehalts im Grundwasser 221
3.3.1.2.5 Paläohydrologische Informationen aus Messungen
des 14C-Gehalts an Kalksintern 223
3.3.2 Einbohrlochmethoden (W. DROST und H. MOSER) 224
3.3.2.1 Zur Grundwasserbewegung am Filterrohr 224
3.3.2.2 Bestimmung der Filtergeschwindigkeit des Grundwassers 230
3.3.2.2.1 Grundlagen 230
3.3.2.2.2 Meßtechnik 231
3.3.2.2.3 Meßbereich und Meßgenauigkeit 235
3.3.2.3 Bestimmung der GrundwasserflieBrichtung 236
3.3.2.3.1 Grundlagen 236
3.3.2.3.2 Meßtechnik 237
3.3.2.4 Bestimmung der vertikalen Strömungsgeschwindigkeit
in einem Filterrohr 240
3.3.2.4.1 Grundlagen 240
3.3.2.4.2 Meßtechnik 242
3.3.2.5 Single-Well-Pulse-Methode 244
3.3.2.6 Interpretation und Anwendungsbereiche
der Einbohrlochmessungen 244
3.3.2.6.1 Allgemeines zur Interpretation von Einbohrlochmessungen 244
3.3.2.6.2 Bestimmung des Durchlässigkeitsbeiwerts
des Grundwasserleiters 248
3.3.2.6.3 Bestimmung der Wasserwegsamkeit im Untergrund 249
3.3.2.6.4 Messung der Kommunikation von Wasserkörpern 252
3.3.3 Messungen der Ausbreitung von Tracern (D. KLOTZ und H. MOSER) 252
3.3.3.1 Messung der Abstandsgeschwindigkeit und Bestimmung
der hydrodynamischen Dispersion im unbeanspruchten
porösen Grundwasserleiter 254
3.3.3.2 Messungen im beanspruchten porösen Grundwasserleiter 258
3.3.3.3 Karsthydrologische Untersuchungen 261
3.3.4 Untersuchung des Grundwasserleiters mit Hilfe
der natürlichen Gamma-Strahlung (S. LORCH und H. MOSER) 262
3.3.5 Untersuchung des Grundwasserleiters mit Hilfe von umschlosserten
radioaktiven Quellen (S. LORCH und H. MOSER) 265
3.3.5.1 Gamma-Gamma-Verfahren 265
3.3.5.2 Neutron-Neutron-Verfahren 270
3.4 Lösung hydrogeologischer Probleme mit Hilfe von isotopen-hydrologischen
Untersuchungen (H. MOSER und K.-P. SEILER) 273
3.4.1 Wüstengebiete 273
3.4.1.1 Nordafrika, Sinai, Saudi-Arabien 273
3.4.1.1 Kalahari-Wüste 283
3.4.2 Semiaride und humide Gebiete mit Poren- und Kluft-Grundwasserleitern 286
3.4.2.1 Herkunft und Fließgeschwindigkeit des Grundwassers
in den albischen Sanden des Pariser Beckens 286
3.4.2.2 Herkunft und Fließgeschwindigkeit des Grundwassers
in der Schreibkreide des Londoner Beckens 288
3.4.2.3 Grundwasserfließgeschwindigkeiten im Wiener Becken 293
3.4.2.4 Speichervermögen der Basalte der Insel Cheju (Rep. Korea) 294
3.4.2.5 Herkunft des Grundwassers im Sperkhiostal (Griechenland) 297
3.4.2.6 Grundwasserbewegung in den Talkiesen
des Oberen Loisachtals (Oberbayern) 297
3.4.2.7 Altersmäßige Gliederung des Grundwassers
im Fuhrberger Feld bei Hannover 301
3.4.2.8 Durchlässigkeit und Porosität eines geschichteten
Porengrundwasserleiters in der Bucht von Haifa (Israel) 302
3.4.2.9 Lokale Untersuchungen der Anströmung zu Brunnen 304
3.4.3 Karstgebiete 307
3.4.3.1 Schwäbische Alb (Baden-Württemberg) 309
3.4.3.2 Totes Gebirge (Österreich) 311
3.4.3.3 Karsteinzugsgebiet der Ljubljanica (Slowenien) 313
3.4.4 Thermal- und Mineralwässer 317
3.4.4.1 Thermalquellen in Österreich, Frankreich und Island 318
3.4.4.2 Quellwässer in der Danakil-Senke (Äthiopien) 320
3.4.4.3 Thermalwässer in Swaziland 322
3.4.4.4 Thermal- und Mineralwässer in Polen 322
3.4.4.5 Schwefelquellen in Latium (Mittelitalien) 324
3.4.4.6 Mineralwässer im Gebiet von Bad Oeynhausen und
Bad Salzuflen (Westfalen) 328
3.4.4.7 Thermalquellen der Campi Flegrei bei Neapel (Italien) 330
3.4.4.8 Herkunft des Thermalwassers und Wasserdampfs
im Gebiet von Lardarello in der Toskana (Italien) 332
4 Anwendung von Isotopen zur Untersuchung
von Wechselbeziehungen im Wasserkreislauf 335
4.1 Niederschlag-Abfluß-Beziehungen 335
4.2 Kommunikation von Oberflächenwasser und Grundwasser 341
4.2.1 Infiltration aus Flüssen ins Grundwasser 341
4.2.2 Infiltration aus Seen ins Grundwasser 349
4.2.3 Grundwasser und Mülldeponien 353
4.2.4 Grundwasserschutz bei Trinkwassergewinnungsanlagen 356
4.3 Wechselbeziehungen zwischen Salz- und SüBwasser 358
Literatur 363
Register 389
Sachregister 389
Ortsregister 397