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Philipp Magiera:

GIS-gestützte Bewertung der Verschmutzungsempfindlichkeit des Grundwassers

[A new method for GIS-based assessment of the vulnerability of aquifers to pollution]

2002. 165 Seiten, 27 Abbildungen, 20 Tabellen, 21x30cm, 650 g
Language: Deutsch

(Sonderhefte Reihe C - Geol. Jahrb., Heft 3)

ISBN 978-3-510-95886-3, brosch., price: 36.00 €

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Keywords

hydrogeology groundwater pollution

Contents

Inhaltsbeschreibung top ↑

In der vorliegenden Arbeit werden Wege aufgezeigt, wie die Verschmutzungsempfindlichkeit des Grundwassers gegenüber Schadstoffeinträgen standortspezifisch bewertet werden kann. Diese standortspezifische Bewertung stellt eine häufige Fragestellung bei der Ausformulierung von Wasserschutzgebiets-Verordnungen dar. Da auch in Wasserschutzgebieten qualitative Beeinträchtigungen des Grundwassers vermehrt auftreten, sind standortangepasste Nutzungsbeschränkungen in Wasserschutzgebieten nötig. Diese sollten sich an der jeweiligen Verschmutzungsempfindlichkeit des Grundwassers orientieren, um einen optimalen Schutz der Ressource Grundwasser gewährleisten zu können. Für die zielgerichtete Bewertung der Verschmutzungsempfindlichkeit ist die Berücksichtigung von Einflüssen des gesamten Untergrundes, also des Bodens, der ungesättigten und der gesättigten Zone nötig. Im ersten Teil der Arbeit werden nach der Erläuterung der Grundlagen für den Eintrag von Schadstoffen in das Grundwasser vorhandene Verfahren diskutiert, die durch unterschiedlich komplexe Modelle die Verschmutzungsempfindlichkeit abzuschätzen versuchen. Die vorliegende Arbeit zielt auf die Empfehlung einer praktisch anwendbaren Methode, welche die Randbedingungen: Bezug auf spezifische Schadstoffe, Betrachtung der gesättigten Zone, Übertragbarkeit und Verifizierbarkeit der Ergebnisse einhält. Die praktische Anwendbarkeit sollte durch Realisation des Verfahrens als GIS-Software garantiert werden. Deshalb wurden im zweiten Schritt alle verfügbaren Daten aus den Untersuchungsgebieten - vier Wasserschutzgebiete in Niedersachsen - digital aufbereitet und für ein GIS nutzbar gemacht. Daran konnte sich die Anwendung von vier vorhandenen Bewertungs-verfahren auf die Untersuchungsgebiete anschließen. Die Ergebnisse dieser Methodentests und die Schlussfolgerungen aus der Literaturstudie ergaben, dass keines der vorhanden Verfahren in der Lage war, alle o.g. Randbedingungen zu erfüllen. Die Entwicklung eines neuen Bewertungsverfahren war deshalb nötig.

Synopsis top ↑

The following publication attempts to demonstrate how groundwater vulnerability can be assessed based on a specific location. Regulators working on the formulation of land-use restrictions in wellhead protection areas are often asked to assess the site-specific groundwater vulnerability. As groundwater quality is deteriorating even in wellhead protection areas, these land-use restrictions become increasingly important. They should be geared towards the intrinsic groundwater vulnerability to guarantee optimal protection of the vital resource groundwater. It is necessary to take into account influences of the soil, the vadose and the phreatic zone in order to achieve a goal-oriented assessment. After the introduction of some basic concepts of contaminant transport in groundwater, the first part of this work is dealing with existing groundwater vulnerability assessment methods of varying complexity. The overall aim of this work is to recommend a practical and feasible method that encompasses the following governing principles: vulnerability assessment of specific contaminants, inclusion of the phreatic zone, transferability, and the possibility of verification using contaminant concentrations in groundwater. Realisation of the assessment procedure within a Geographical Information System guarantees practical usability. Thus, all available data from four test areas (wellhead protection areas in Lower Saxony) had to be processed digitally to be used within the GIS. Following data preparation, four existing assessment methods were applied to the test areas. Results of these tests along with the outcome of the literature review lead to the conclusion that no existing method was able to fulfil all governing principles. The development of a new assessment method was necessary. The new method was developed by making use of logistic regression. Measured data of groundwater quality were related to a multitude of parameters with influence on groundwater vulnerability by uni- and multivariate regression. Regression models were developed for five parameters, namely potassium, electrical conductivity, nitrate, pH and sulphate, wherein ten independent variables explained groundwater vulnerability. Independent variables were derived within the GIS in a spatial instead of a point-oriented manner, which was possible due to the construction of 3D hydrogeologic underground models Groundwater vulnerability is expressed as the probability that certain threshold values of anthropogenic influence are exceeded. The five resulting regression models were tested for their plausibility in the three model building areas and one independent test area. Verification was achieved by comparison of the resulting probability maps with regionalised maps of the five groundwater quality parameters. The quality of the new approach was also shown by application in the independent test area. Error matrix analyses showed successful classification rates of between 46 % and 75 %. To assist in the practical use of the method, it was programmed as a modular extension software for ArcView GIS. This software enables the user to compute exceeding probabilities for a certain contaminant in groundwater in a certain aquifer depth. For those areas that were marked as vulnerable, land-use restrictions should be put into place. By assessing the site-specific groundwater vulnerability, the new approach can contribute to improving groundwater protection.

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Inhaltsverzeichnis
Verzeichnis der Abbildungen (Titel gekürzt)
Verzeichnis der Tabellen (Titel gekürzt)
Abkürzungs- und Symbolverzeichnis
1 Einführung
1.1 Problemstellung
1.2 Zielsetzung
2 Grundlagen
2.1 Schadstoffe im Grundwasser
2.1.1 Nutzungen in Wasserschutzgebieten
2.1.2 Die Bedeutung von Nitrat
2.2 Verschmutzungsempfindlichkeit des Grundwassers
2.2.1 Maßgebende Prozesse
2.2.2 Definitionen
2.2.3 Einflussfaktoren
2.3 Bewertungsmethoden
2.3.1 Klassifikation
2.3.2 Hydrogeologische Systemansätze
2.3.3 Indexverfahren und Analogiemodelle
2.3.4 Matrix- und Punktbewertungsverfahren
2.3.5 Mathematische Modelle
2.3.6 Statistische Verfahren
2.3.7 Folgerungen
3 Untersuchungsgebiete
3.1 Kurzcharakteristik
3.2 Daten und Datenaufbereitung
3.3 Sickerwasserrate
3.4 Untergrundmodelle
3.4.1 Grundsätze der Erstellung
3.4.2 Klassisch-geologisches Verfahren mit GIS-Unterstützung
3.4.3 Geostatistisches Verfahren
3.5 Visualisierung dreidimensionaler Schichtenmodelle
4 Anwendung vorhandener Methoden
4.1 Auswahl
4.2 Ad-hoc Arbeitskreis Hydrogeologie
4.3 Aquifer Vulnerability Index
4.4 Schleyer
4.5 DIN 19732
4.6 Methodenvergleich
4.7 Folgerungen
5 Entwicklung der neuen Methodik
5.1 Ausgangssituation
5.2 Logistische Regression
5.3 Erstellung der Regressionsmodelle
6 Anwendung und Ergebnisse
6.1 Untersuchungsgebiete
6.2 Testgebiet WSG Sulingen
6.3 Folgerungen aus den Anwendungen
7 Zukünftige Nutzung der neuen Methodik
7.1 Praktische Anwendung der Methodik
7.1.1 Nutzungsmöglichkeiten
7.1.2 Anforderungen an die Datenlage
7.1.3 GIS-Software
7.2 Mögliche Weiterentwicklung der Methodik - Ausblick
8 Literatur
ANHANG

Verzeichnis der Karten im Anhang
Verzeichnis der Abbildungen im Anhang
Verzeichnis der Tabellen im Anhang (Titel gekürzt)
A Karten
B Tabellen
C Software
C1 Daten
C2 Arbeitsanleitung zur Nutzung der GIS-Software