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Gudrun Franken:

Neutralisation saurer Einträge in einem Aquifer aus basenarmen Sanden

Feldstudie und Modellierung

[Neutralization of acid contaminants in a sandy aquifer of low buffering capacity. Field study and model]

2000. 157 Seiten, 53 Abbildungen, 19 Tabellen, 490 g
Language: Deutsch

(Sonderhefte Reihe C - Geol. Jahrb., Heft 1)

ISBN 978-3-510-95858-0, brosch., price: 46.00 €

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Keywords

NeutralisationSandAquiferPufferTrinkwasserSulfatVerwitterung

Contents

Inhaltsbeschreibung top ↑

Die Stadt Hannover deckt einen Großteil ihres Trinkwasserbedarfs durch Grundwasser aus dem Fuhrberger Feld. Die Grundwasserqualität wird unter Waldnutzung durch saure Einträge belastet. Um die Entwicklung der Grundwasserqualität im Hinblick auf eine Versauerung abzuschätzen, wurde daher der aktuelle Säureeintrag ins Grundwasser unter Wald erfasst und die Neutralisationsprozesse im Aquifer untersucht. Diese sind in der karbonatfreien, oberen Zone des Aquifers Sulfatreduktion, Verwitterung und Kationenaustausch.

Zur Quantifizierung des Säureeintrags ins Grundwasser wurde das oberflächennahe Grundwasser beprobt und die Grundwasserneubildungsrate berechnet. Aus Beprobungen von Multilevelmeßstellen und des Sediments wurde die aktuelle Lage der Versauerungsfront bestimmt. Durch die Kopplung des Modells MINTRAN mit 2 kinetischen Teilmodellen wurde der Beitrag der quantitativ bedeutenden Prozesse Sulfatreduktion, Verwitterung und Kationenaustausch zur gesamten Neutralisationskapazität des Aquifers berechnet.

Der Säureeintrag ins Grundwasser liegt bei ca. 1 keq ha-1 a-1, die Freisetzung aufgespeicherter Säure aus dem Boden ist gering. Der Prozeß der Sulfatreduktion wird anhand von Isotopenwerten belegt und die ermittelte Rate lag bei ca. 0,02 mmol l-1 a-1. Der Beitrag der Verwitterung entspricht im Mittel ca. 1/7 der Neutralisationskapazität der Sulfatreduktion. Den Berechnungen zufolge führen beide Prozesse zusammen nach einer Verweilzeit im Grundwasser von ca. 14 Jahren zu einem pH > 5 und einer Alkalinität > 0,1 meq l-1. Dies entspricht einem maximalen Vordringen der Versauerungsfront bis auf 1200 m Fließstrecke (aktuelle Lage der Versauerungsfront: bei ca. 600 m). An der Versauerungsfront dominiert die Neutralisation durch Calciumfreisetzung vom Austauscher. Ein Vordringen der Versauerung vom Waldgebiet Sprillgehege bis zum 6 km nördlich gelegenen Brunnen kann bei gleichbleibenden Randbedingungen aufgrund der Pufferkapazität durch Reduktion, Verwitterung und Kationenaustausch auf absehbare Zeit weitgehend ausgeschlossen werden. Die Ableitung der Neutralisationsraten und -kapazitäten im Aquifer ist jedoch mit Unsicherheiten behaftet. Diese resultieren im wesentlichen aus der Heterogenität des Transportes und der Stoffumsetzungen. Für eine detailliertere Erfassung der Neutralisationskapazität im Aquifer müssen diese in Geländeuntersuchungen und die Modellierung miteinbezogen werden.

Wo die Randbedingungen vom vorliegenden Fall stark abweichen (z.B. bei oberflächennaher Trinkwasserentnahme) kann eine Gefährdung der Brunnen durch Versauerung nicht generell ausgeschlossen werden. Entscheidend ist dabei im karbonatfreien Sediment die Verweilzeit des Grundwassers (> 15 Jahre), der ausreichende Vorrat austauschbarer Kationen und der Ablauf der Sulfatreduktion. Zu klären ist außerdem, inwieweit Stoffumsetzungen aus der Neubildung unter Acker (Grünlandumbruch, NO3-Eintrag) zu eine Versauerung des Grundwassers beitragen können.

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Kurzfassung/Abstract I/II
Abbildungsverzeichnis IV

Tabellenverzeichnis VIII
1 Einleitung 1
2 Untersuchungsgebiet 5
2.1 Lage und Klima 5
2.2 Geologie und Hydrogeologie 5
2.3 Vegetation und Böden 10
3 Allgemeine Methoden und Auswertung 11
3.1 Probenbehandlung und Analytik 11
3.1.1 Grundwasser 11
3.1.2 Sediment 13
3.2 Auswertung 15
4 Stoffeintrag ins Grundwasser 16
4.1 Einleitung 16
4.2 Stoffkonzentrationen im oberflächennahen Grundwasser 17
4.2.1 Methodik 17
4.2.2 Ergebnis und Diskussion 18
4.2.2.1 Zeitliche Variabilität 18
4.2.2.2 Räumliche Variabilität 26
4.3 Stoffflüsse ins Grundwasser auf der Intensivmeßstelle 29
4.3.1 Methodik 29
4.3.2 Ergebnis und Diskussion 30
4.3.2.1 Wasserflüsse 30
4.3.2.2 Stoffflüsse 33
4.4 Abschätzung des langfristigen Stoffeintrags im
Waldgebiet Sprillgehege 36
4.4.1 Methodik 36
4.4.2 Ergebnis und Diskussion 37
4.4.2.1 Stoffeintrag im Waldgebiet Sprillgehege 37
4.4.2.2 Zeitlicher Verlauf der Stoffkonzentrationen 41
4.5 Zusammenfassung und Schlußfolgerungen aus Kapitel 4 42
5 Stoffkonzentrationen und Versauerung im Grundwasser
und Grundwasserleiter 44
5.1 Einleitung und theoretischer Hintergrund 44
5.2 Stoffkonzentrationen und Versauerung im Grundwasser 46
5.2.1 Methodik 46
5.2.2 Ergebnis und Diskussion 47
5.2.2.1 Stoffkonzentrationen der Multilevelmeßstellen im Modellgebiet 47
5.2.2.2 pH und Alkalinität im Untersuchungsgebiet Sprillgehege 56
5.2.2.3 Spurenmetalle im Grundwasser 59
5.3 Sedimenteigenschaften und Versauerung 61
5.3.1 Methodik 61
5.3.2 Ergebnis und Diskussion 61
5.3.2.1 Korngrößenverteilung 61
5.3.2.2 Mineralbestand 63
5.3.2.3 Chemische Parameter: pH, Alox-, Feox-, C- und S-Gehalte 65
5.3.2.4 Effektive Austauschkapazität und Basensättigung 68
5.4 Zusammenfassung und Schlußfolgerungen aus Kapitel 5 72
6 Prozesse der Neutralisation saurer Einträge im
Grundwasserleiter des Fuhrberger Feldes 73
6.1 Einleitung und theoretischer Hintergrund 73
6.2 Sulfatreduktion 78
6.2.1 Methodik 78
6.2.2 Ergebnis und Diskussion 79
6.2.2.1 Isotopenzusammensetzung in der Deposition und im
oberflächennahen Grundwasser 79
6.2.2.2 SO4-Isotope und Reduktionsraten im tieferen Grundwasser 82
6.3 Lösungs- und Fällungsprozesse: Gleichgewichtsberechnungen mit
MINTEQA2 88
6.3.1 Methodik 88
6.3.2 Ergebnis und Diskussion 90
6.4 Zusammenfassung und Schlußfolgerungen aus Kapitel 6 94
7 Numerische Modellierung der Neutralisation
saurer Einträge im Aquifer 96
7.1 Ermittlung des 2D-vertikalen Strömungsfeldes 98
7.1.1 Methodik 98
7.1.2 Ergebnis und Diskussion 100
7.2 Das reaktive Stofftransportmodell 102
7.3 Modellierung des reaktiven Stofftransportes 106
7.3.1 Methodik 106
7.3.1.1 Eingangsparameter der Simulation 106
7.3.1.2 Ermittlung der zurückgelegten FlieBstrecke und das
Grundwasseralters der Messtiefen 109
7.3.2 Ergebnis und Diskussion 110
7.3.2.1 Einfluß der Sulfatreduktion auf die Lösungschemie 110
7.3.2.2 Einfluß der Verwitterung auf die Lösungschemie 113
7.3.2.3 Einfluß von Sulfatreduktion und Verwitterung 119
7.3.2.4 Bedeutung des Kationenaustauschs 120
7.3.3 Sensitivitäts- und Fehlerbetrachtung der Modellrechnungen 123
7.3.3.1 Strömungsfeld und Transportmodell 124
7.3.3.2 Stoffkonzentrationen im Eintrag 127
7.3.3.3 Konstanten in MINTEQA2 129
7.3.3.4 Parameter im kinetischen Reduktions- und im Verwitterungsmodell 130
7.4 Zusammenfassung und Schlußfolgerungen aus Kapitel 7 133
8 Zusammenfassende Diskussion und Ausblick 135
9 Zusammenfassung 142
10 Summary 144
11 Literatur 145