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Werner Käss:

Geohydrologische Markierungstechnik

1992. XIV, 519 Seiten, 234 Abbildungen, 30 Tabellen, 17x24cm, 1300 g
Language: Deutsch

(Lehrbuch der Hydrogeologie, Band 9)

ISBN 978-3-443-01013-3, gebunden

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Contents

Text aus Prospekt top ↑

Es ist kein Zufall, daß dieses Buch in einem Land entstand, in dem die ersten Wassermarkierungen auf wissenschaftlicher Grundlage durchgeführt wurden. Bei den berühmten Versickerungsstellen der oberen Donau zwischen Immendingen und Tuttlingen ist bereits 1869 ein allerdings fehlgeschlagener Färbversuch vom Geognosten A. Knop eingeleitet worden, dem 8 Jahre später erfolgreichere Tests folgten.

Im dichtbesiedelten, geologisch vielfältig aufgebauten Südwestdeutschland mit seinen industriellen Ballungszentren steht der hohe Wasserbedarf und die Erschließung neuer Grundwasservorräte in ständigem Interessenkonflikt mit der Ausweitung von Siedlungs-, Verkehrs- und Industrieflächen sowie mit der Entsorgung von Abwässern und Abfällen. Jährlich werden hier zahlreiche Markierversuche geplant, organisiert und ausgewertet.

Die hydrologischen Markierungstechniken gewinnen ständig an Bedeutung, weil nur mit den dabei gewonnenen Ergebnissen der Transport und das Ausbreitungsverhalten von Schadstoffen sowohl im Grundwasser als auch in Oberflächengewässern nachvollzogen und bewiesen werden können.

Der Verfasser war Referent für Geochemie und Leiter des Geochemischen Laboratoriums im Geologischen Landesamt Baden-Württemberg. Er und seine Mitautoren haben jahrelang Erfahrungen mit der Markierungstechnik gesammelt, die in diesem Buch zum erstenmal zusammenfassend beschrieben und den vielen Interessenten zugänglich gemacht werden.

Bespr.: Hydrologie und Wasserbewirtschaftung Heft 2/2005, S. 108 top ↑

Nachdem die 1. Auflage dieses Bandes schon nach verhältnismäßig kurzer Zeit vergriffen und 1998 eine inzwischen nachgedruckte englische Fassung bei A.A. Balkema erschienen war, reagierte Werner Käss auf das offensichtlich große Interesse an der vorliegenden Thematik mit einer 2. erweiterten Auflage. Insgesamt 14 Autoren aus verschiedenen Fachdisziplinen stellen in umfassender Weise die Techniken dar, mit deren Hilfe der Weg des Wassers und sein Verhalten im Untergrund nachgewiesen werden können. Markierungsmethoden gewinnen aber auch deswegen zunehmend an Bedeutung, weil mit ihrer Hilfe auch das Transport- und Ausbreitungsverhalten von Schadstoffen in unter- und oberirdischen Gewässern erkannt und beschrieben werden kann.

Im Einführungskapitel wird auf die Geschichte der Markierung von Gewässern, insbesondere des Grundwassers, und auf die verschiedenen Markierungstechniken eingegangen. Weiterhin werden die unterschiedlichen Markierungsmittel definiert und die Anwendungsgebiete skizziert.

Mit 255 Seiten ist das 2. Kapitel das umfangreichste. Der Schwerpunkt liegt auf der Beschreibung der breiten Palette der Markierungsmittel, in erster Linie Fluoreszenzfarbstoffe, aber auch Salze, radioaktive und aktivierungsanalytische Tracer, Bärlappsporen, Umweltisotope wie z.B. Tritium u.a. Angesprochen werden auch Probennahme, Nachweis der Tracer, Störeffekte, Bewertung der Markierungsmittel, ihre Auswirkung auf die Umwelt und ihre Anwendungsgebiete. Damit ein Markierungsversuch die erhofften Ergebnisse zeitigt, muss er gründlich vorbereitet und sorgfältig durchgeführt werden. Diese Arbeiten sind Gegenstand des folgenden Kapitels. Die Versuchsvorbereitung betrifft nicht nur die Auswahl der Eingabe- und Beobachtungsstellen sowie der am besten geeigneten Markierungsmittel und ihrer applizierten Menge, sondern unter anderem auch die Ausarbeitung eines Versuchsplans. Weiterhin werden der Markierungsvorgang, d.h. im Wesentlichen die Einspeisung der Markierungsmittel, die Gewinnung der Proben und deren nachfolgende Untersuchung sowie die Darstellung der Ergebnisse angesprochen.

Großen Raum nehmen im nächsten Kapitel die Auswertung der Markierungsversuche und die Erläuterung der radiohydrologischen Einbohrlochmethoden ein. Voraussetzung für eine Auswertung der Versuchsergebnisse ist insbesondere die Kenntnis der physikalischen Grundlagen des Stofftransports und der geochemischen Reaktionen im Untergrund. Darauf aufbauend lassen sich die Durchgangskurven der Tracer auswerten, wobei auch mathematische Modelle wie z.B. TRACI hilfreich sein können. Im 5. und letzten Kapitel werden auf knapp 140 Seiten Anwendungs- und Auswertebeispiele präsentiert; diese stellen für den Leser eine große Hilfe zum Verständnis der Tracergeohydrologie dar. Der Schwerpunkt liegt auf Grundwasserleitern, die Autoren gehen aber auch auf die Markierung von Uferfiltrat, Gletscherabfluss, Fließgewässern, Seen sowie Meere ein, auch das Ingenieurwesen wird berücksichtigt, z.B. Dichtheitsprüfungen. Das Buch wird abgeschlossen durch ein sehr umfangreiches Schriftenverzeichnis (knapp 1250 Zitate!), eine Umrechnungstabelle, Farbtafeln, ein Orts- und ein Sachregister und schließlich ein Glossar deutsch/englisch.

Die Autoren haben es vermocht, in einem geschlossenen Werk eine Fülle von Information verständlich und überwiegend kompakt zu vermitteln. Das empfehlenswerte Buch, dessen Preis in Höhe von 94,- Euro allerdings zu hoch erscheint, richtet sich vornehmlich an geowissenschaftlich ausgerichtete Fachleute in Hochschulen, Ingenieurbüros und Behörden, die sich nicht nur informieren, sondern selbst Markierungsversuche durchführen wollen.

B. Toussaint, Wiesbaden

Hydrologie und Wasserbewirtschaftung Heft 2/2005, S. 108

Inhaltsverzeichnis top ↑

Vorwort des Herausgebers Vl
Vorwort des Autors VIII
1 Einführung 1
1.1 Einleitung 1
1.2 Begriffsbestimmungen 10
1.2.1 Künstliche Markierungsmittel 11
1.2.2 "Natürliche" Markierungsmittel 13
1.3 Anwendungsgebiete 13
2 Markierungsmittel (Tracer) 15
2.1 Farbstoffe (W. KÄSS) 16
2.1.1 Fluoreszenzstoffe 16
2.1.1.1 Uranin 19
2.1.1.2 Eosin 28
2.1.1.3 Rhodamin B 29
2.1.1.4 Sulforhodamin B 32
2.1.1.5 Amidorhodamin G 35
2.1.1.6 Rhodamin WT 36
2.1.1.7 Rhodamin 6G 36
2.1.1.8 Andere Xanthenfarbstoffe 37
2.1.1.9 Pyranin 38
2.1.1.10 Natrium-Naphthionat 40
2.1.1.11 Lanaperl-Echtgelb 41
2.1.1.12 Lissamin 42
2.1.1.13 Optische Aufheller 43
2.1.2 Nichtfluoreszierende Farbstoffe 49
2.1.3 Analytik 49
2.1.3.1 Physiko-Chemie der Fluoreszenzstoffe 50
2.1.3.2 Qualitative Untersuchung 68
2.1.3.3 Quantitative Bestimmung 72
2.1.3.4 Stofftrennungen 82
2.1.3.5 Anreicherungsmethoden 90
2.1.4 Physiologie der Farbstoffe 96
2.1.4.1 Abbau von Fluoreszenzfarbstoffen in Gewässern 96
2.1.4.2 Toxikologie 103
2.2 Salze (W. KÄSS) 112
2.2.1 Natriumchlorid 114
2.2.2 Lithium 121
2.2.3 Kaliumchlorid 128
2.2.4 Borax 132
2.2.5 Andere Salze 136
2.3 Tenside, Geruchsstoffe und andere Chemikalien (W. KÄSS) 140
2.3.1 Tenside (oberflächenaktive Stoffe) 140
2.3.2 Geruchsstoffe 149
2.3.3 Andere Chemikalien 154
2.4 Radioaktive und aktivierungsanalytische Tracer (H. BEHRENS) 157
2.4.1 Einführung und Grundbegriffe der Radioaktivität 157
2.4.2 Der radioaktive Zerfall 158
2.4.2.1 Das Zerfallsgesetz 159
2.4.2.2 Aktivitätseinheiten und Mengen von Radionukliden 160
2.4.2.3 Zerfallsarten und Eigenschaften der radioaktiven Strahlung 161
2.4.3 Die Messung der radioaktiven Strahlung 163
2.4.3.1 Strahlungsdetektoren 163
2.4.3.2 Strahlungsmeß-Elektronik 167
2.4.3.3 Genauigkeit und Empfindlichkeit von Radioaktivitätsmessungen 167
2.4.4 Aktivierungsanalytische Tracer 169
2.4.5 Auswahl von Radionukliden und aktivierungsanalytischen Tracern als
hydrologische Markierungsmittel 171
2.4.5.1 Strahlungseigenschaften 172
2.4.5.2 Chemische Eigenschaften von Radiotracern 173
2.4.6 Anwendung von Radiotracern in der hydrologischen Praxis 175
2.4.6.1 Anwendungen in Oberflächengewässern 176
2.4.6.2 Anwendungen im Grundwasser 177
2.5 Bärtappsporen (W. KÄSS) 178
2.5.1 Naturbelassene Sporen 182
2.5.2 Einfachgefärbte Sporen 183
2.5.3 Fluoreszierende Sporen 189
2.5.4 Zur Durchführung von Sporentriftversuchen 192
2.6 Fluoreszierende Kügelchen (W. KÄSS) 205
2.7 Bakterien (W. KÄSS) 213
2.7.1 Einleitung 213
2.7.2 Anforderungen an Bakterien zur Wassermarkierung 214
2.7.3 Bakterienarten zur Wassermarkierung 214
2.7.3.1 Serratia marcescens 214
2.7.3.2 Escherichia coli 224
2.7.3.3 Bacillus stearothermophilus 224
2.7.3.4 Pseudomonas violacea 224
2.7.3.5 Bacillus acidocaldarins 224
2.7.3.6 Andere Mikroorganismen 225
2.7.4 Einsatzgebiete 226
2.7.4.1 Kluftgrundwasserleiter 226
2.7.4.2 Porengrundwasserleiter 227
2.7.4.3 Karstwasser 229
2.7.4.4 Ungesättigte Zone 231
2.7.4.5 Säulenversuche 231
2.7.4.6 Oberflächengewässer 232
2.7.4.7 Küstengewässer 233
2.8 Phagen (W. KÄSS) 234
2.8.1 Einleitung 234
2.8.2 Phagen als hydrologische Markierungsmittel 235
2.8.3 Das Prinzip der Wassermarkierung mit Phagen 236
2.8.4 Die Vorbereitung der Phagensuspension 236
2.8.5 Umwelteinflüsse auf das Uberleben von Phagen 238
2.8.6 Zur Phagenzählung in Wasserproben 241
2.8.7 Anwendungsgebiete für Phagenmarkierungen 246
2.8.8 Die natürliche Verbreitung von Phagen 253
2.8.9 Zu den Phagen-Arten 254
2.8.10 Bewertung von Phagen als Markierungsmittel 256
2.9 Geobombe (W. KÄSS) 257
2.10 Andere Triftkörper (W. KÄSS) 258
2.11 Umweltisotope (H. MOSER) 265
2.11.1 Einleitung 265
2.11.2 Nachweis, Vorkommen und Verhalten im Wasserkreislauf der derzeit für
hydrologische Untersuchungen verwendeten Umweltisotope 267
2.11.2.1 Deuterium (2H) und Sauerstoff- 18 (~80) 267
2.11.2.2 Tritium (3H) 269
2.11.2.3 Edelgasisotope (3He, 4He,39Ar, 85Kr) 270
2.11.2.4 Kohlenstoff-13 und-14 (13C, 14C) 272
2.11.2.5 Chlor-36 (36C1) 274
2.11.2.6 Schwefel-34 (34S) und Stickstoff-15 (AN) 275
2.11.3 Spezielle Auswerteverfahren von Umweltisotopen-Messungen 277
2.11.3.1 Radioaktiver Zerfall 277
2.11.3.2 Input-Output-Modelle zur Bestimmung von Grundwasserverweilzeiten 278
2.11.3.3 Bereiche und Genauigkeit der Grundwasserdatierung mit
Umweltisotopen 281
2.11.3.4 Bestimmung von Mischwasser-Komponenten 286
2.11.3.5 Weitere hydrologische Aussagen 286
2.11.3.6 Schlußbemerkungen 287
2.12 Umweltchemikalien (W. KÄSS) 287
2.12.1 Schleichende Stoffabgabe 287
2.12.2 Grundwasser-Schadensfälle 291
2.13 Umweltorganismen (W. KÄSS) 294
2.14 Physikalische Umwelteinflüsse (W. K ÄSS) 295
3 Vorbereitung und Durchführung von Markierversuchen (W. KÄSS) 298
3.1 Vorerkundungen und Vorerhebungen 298
3.2 Die Versuchsvorbereitung 299
3.2.1 Rechtliche Fragen 299
3.2.2 Auswahl der Eingabestellen 300
3.2.3 Auswahl der Beobachtungsstellen 300
3.2.4 Auswahl des Markierungsmittels 301
3.2.4.1 Sorptivität und Ionenumtausch 301
3.2.4.2 Porenweiten 302
3.2.4.3 Wasserbeschaffenheit 302
3.2.4.4 Lichteinwirkung 302
3.2.4.5 Wassernutzung 303
3.2.4.6 Analytische Kriterien 304
3.2.4.7 Aufwand für Beschaffung, Transport, Eingabe, Beprobung und
Analytik 305
3.2.4.8 Einspeisepunkt 306
3.2.4.9 Beprobungsstellen 306
3.2.4.10 Langzeitverhalten der Markierungsmittel 306
3.2.5 Auswahl der Markierungsmittelmenge 307
3.2.6 Versuchsplan 312
3.3 Markierungsvorgang 313
3.3.1 Einspeisezeitpunkt 313
3.3.2 Markierungsmittel-Einspeisung 313
3.3.3 Probennahme 317
3.3.3.1 Probennahmeplan 317
3.3.3.2 Probennahmevorgang 317
3.3.3.3 Probengefäße und -präparate 318
3.3.3.4 Probentransport und -lagerang 320
3.4 Die Untersuchung der Proben 320
3.5 Dokumentation von Markierversuchen 321
3.6 Darstellung der Untersuchungsergebnisse 321
4 Auswertung von Markierungsversuchen 324
4.1 Physikalische Grundlagen des Stofftransports im Untergrund
(H. D. SCHULZ) 325
4.1.1 Stofftransport und Dispersion 325
4.1.2 Der Dispersions-Koeffizient 330
4.1.3 Räumliche Verteilung von Tracer-Wolken 332
4.1.4 Zeitliche Verteilung von Tracer-Wolken 335
4.1.5 Computer-Modelle zur Simulation des Stofftransports 337
4.2 Stofftransport und geochemische Reaktionen (H. D. SCHULZ) 338
4.2.1 Verteilungs-Koeffizient und Retardations-Faktor 338
4.2.2 Abbau-Reaktionen 340
4.2.3 Kationenaustausch-Reaktionen, Selektivitäten 341
4.2.4 Lösungs- und Fällungs-Reaktionen 343
4.2.5 Computer-Modelle zur Simulation des reaktiven Stofftransports 344
4.3 Auswertung von Durchgangskurven (H. D. SCHULZ) 347
4.3.1 Ermittlung der Abstandsgeschwindigkeit 348
4.3.2 Ermittlung der Dispersivitäten 350
4.3.3 Erkennen und Bewerten geochemischer Reaktionen 35ö
4.3.4 Auswertungsbeispiele 353
4.4 Radiohydrometrische Einbohrlochmethoden (H. MOSER) 356
4.4.1 Einleitung 356
4.4.2 Tracerverdünnungslog und Tracerflowmeter 357
4.4.3 Anwendungsbereiche 360
5 Anwendungs- und Auswertebeispiele 363
5.1 Ungesättigte Zone 363
5.1.1 Müllsickerwasser - Eckenweiherhof/Mühlacker (H. HÖTZL) 363
5.1.2 Horizontallysimeter - Egelsee (W. K ÄSS) 372
5.2 Karstgrundwasser (H. HÖTZL) 374
5.2.1 Besonderheiten des Einsatzes von Tracerversuchen 374
5.2.1.1 Fragestellungen und Anwendungsbereiche 374
5.2.1.2 Versuchsdurchführung 376
5.2.2 Entwässerungssysteme alpiner Karstareale 378
5.2.2.1 Geologische Randbedingungen 378
5.2.2.2 Karstplateau des Tennengebirges 379
5.2.2.3 Hochalpines Faltengebirge - Muotatal 385
5.2.3 Abgrenzung von Einzugsgebieten auf der Schwäbischen Alb 389
5.2.3.1 Hydrogeologische Kennzeichnung und Problemstellung 389
5.2.3.2 Kombination von Einzelversuchen zur Abgrenzung von
Einzugsgebieten 392
5.2.4 Wasserwirtschaftliche Fragen - Donauversickerung 396
5.2.4.1 Aufgabenstellung und Zielsetzung der Versuchsdurchführung 396
5.2.4.2 Vorerkundung zur Versuchsplanung 398
5.2.4.3 Kombinierter Markierungsversuch 1969 402
5.3 Kluftgrundwasser 406
5.3.1 Allgemeine Betrachtungen (W. KÄSS) 406
5.3.2 Talzuschöbe und Felsgleitungen (H. H ÖTZL) 407
5.3.2.1 Auswirkungen des Wassers 407
5.3.2.2 Talzuschub Gradenbach 409
5.3.2.3 Talzuschub Reppwandgleitung 413
5.4 Porengrundwasser (W. KÄSS) 418
5.4.1 Hydraulik - Merdingen 418
5.4.2 Stofftransport- Sanntal 423
5.4.3 Schutzgebiet, Merdingen 425
5.4.4 Pumpversuch (I. STOBER) 427
5.5 Uferfiltrationsuntersuchungen 430
5.5.1 Trinkwasserschutz (H. MOSER) 430
5.5.2 Schadstoffausbreitung - Böckinger Wiesen, Heilbronn/Südwestdeutschland
(H. HÖTZL) 434
5.5.2.1 Stofftransport im Grundwasser 434
5.5.2.2 Versuchsgebiet Böckinger Wiesen 435
5.5.2.3 In-situ-Versuche zur Schadstoffsimulation 436
5.5.2.4 Bewertung der Schadstoffausbreitung mittels Tracer 443
5.5.3 Quantifizierung im Kluftwasser (W. KÄSS) 443
5.6 Tiefenwässer (W. KÄSS) 445
5.6.1 Tiefenwasserzirkulation - Saulgau 445
5.6.2 Ölfeldwässer - Steimbke 448
5.7 Gletscherabfluß (W. KÄSS) 452
5.8 Oberflächengewässer (W. KÄSS) 452
5.8.1 Stehende Gewässer 453
5.8.2 Fließgewässer 453
5.8.2.1 Fließdynamik 453
5.8.2.2 Abflußmessungen 454
5.8.2.3 Geschiebetransport 457
5.8.3 Küstengewässer 457
5.9 Ingenieurwesen (W. K ÄSS) 457
5.9.1 Dichtheitsprüfung 457
5.9.2 Bohrtechnik 460
Schrifttumsverzeichnis 461
Anhang 492
Umrechnungstabellen 492
Farbtafeln I - IV 493
Register 497
Ortsregister 497
Sachregister 502