Projekt Tracerhydrologie Hartheim
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Tracerhydrologische Ansätze zur Bestimmung der Grundwasserneubildung
im Hartheimer Kiefernwald
Ein interdisziplinäres Forschungsprojekt des Institutes für Hydrologie
und des Meteorologischen Institutes
der Albert-Ludwigs Universität in Freiburg i. Br.
Zusammenfassung:
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die quantitative Bestimmung
der Grundwasserneubildung am Standort der Forstmeteorologischen Messstelle
Hartheim während einer dreijährigen Untersuchungsperiode von November
1997 bis Oktober 2000. Mikrometeorologische Messungen zur Wasserhaushalts-
und Strahlungsbilanz werden dort vom Meteorologischen Institut der Universität
Freiburg seit mehr als dreißig Jahren kontinuierlich vorgenommen. Aufgrund
geringer Mengen an Niederschlag, relativ hoher Verdunstung und anthropogen
verursachter Absenkung des Grundwasserspiegels ist die Rheinaue bei Hartheim
als Trockenstandort zu klassifizieren. Der Boden weist geringes Speichervermögen
und hohe Durchlässigkeit auf, ein kapillarer Grundwasseraufstieg ist
bei 7 m Flurabstand in der Aue auszuschließen.
Tracerhydrologische Verfahren zählen zu den präzisesten Methoden
für die Bestimmung der Grundwasserneubildung. In der vorliegenden Arbeit
wurden natürliche Tracer in der gesättigten und ungesättigten
Zone, sowie künstliche Tracer in der ungesättigten Zone (Beregnungsversuche
und Trockenmarkierung) angewendet. Schließlich erfolgte die Ermittlung
der Grundwasserneubildung über die Wasserhaushaltsbilanz. Das Schwergewicht
liegt auf der Anwendung der leichten stabilen Isotope des Wassermoleküls
Deuterium und Sauerstoff-18. Sie wurden in dieser Arbeit sowohl als natürliche
und auch als künstliche Tracer verwendet. Mikrometeorologische und hydrometeorologische
Untersuchungen zu Evapotranspiration, Niederschlag und Bodenwasserspeicherung
während der dreijährigen Beobachtungsperiode zeigten überdurchschnittlich
feuchte Verhältnisse im Versuchsgebiet, die insbesondere durch hohe
Niederschläge im Jahr 1999 verursacht waren. Aus der Wasserbilanz errechnete
sich eine direkte Grundwasserneubildung von 5 mm für das hydrologische
Jahre 1998, 200 mm für 1999 und 100 mm für 2000. Die Wasserbilanzgrößen
zeigten eine hohe zeitliche Variabilität. Die Isotopengehalte im Niederschlag
wurden an der Messstelle ermittelt und als Isotopeninput für die Untersuchungen
in der gesättigten und ungesättigten Zone verwendet.
Untersuchungen in der gesättigten Zone zeigten, dass Umweltisotope für
die Bestimmung der direkten Grundwasserneubildung nicht verwendet werden
konnten. Der Einfluss der indirekten Grundwasserneubildung während Hochwasserereignissen
des Rheins überdeckt die Signale durch infiltrierten Niederschlag. Der
Anteil an Uferfiltrat ist in der Rheinaue bedeutend größer als
der Anteil an direkter Grundwasserneubildung. Über die gesamte Untersuchungsperiode
waren Schwankungen der Isotopengehalte im Grundwasser zu beobachten, woraus
der Einfluss von Rheinuferfiltrat und dessen Anteil interpretiert werden
konnte.
Untersuchungen zur Uferfiltration während
eines Hochwasserereignisses
Untersuchungen zur Infiltration in
die obere Bodenschicht
In der ungesättigten Zone wird durch Versuche mit künstlichen Tracern
die Beurteilung von Versickerungstiefen und Fliessgeschwindigkeiten möglich.
Im Untersuchungsgebiet gelangte bei diesen Versuchen Wasser in Tiefen bis
140 cm und war bei einer Durchwurzelungstiefe von nur ca. 40 cm für
Pflanzen nicht mehr verfügbar. Deuterium bewährte sich als künstlicher
Tracer für Untersuchungen in der ungesättigten Zone und zeigte
mit Uranin vergleichbare Ergebnisse. Der Isotopengehalt im Bodenwasser von
tiefen Profilen lässt im Allgemeinen Rückschlüsse auf infiltrierten
Niederschlag und oberflächennahe Verdunstung zu. Im Versuchsgebiet wurden
innerhalb eines Jahres vier Profile entnommen und die Änderung der Isotopenkon-zentration
auf Wasserbewegung interpretiert. Zwischen zwei Profilnahmen im August und
November 1999 änderte sich die Isotopenkonzentration über die gesamte
Mächtigkeit. Eine sichere quantitative Bestimmung konnte daher nicht
erfolgen. Kontinuierliche Beobachtungen der Isotopengehalte im oberen Bereich
der ungesättigten Zone ermöglichten jedoch die Bestimmung der Dämpfungstiefe
und ergaben bei ca. 200 cm eine Abschwächung des jahreszeitlichen Signals
auf 1%. Die Ermittlung von Fliessgeschwindigkeiten aus der Anpassung von
Sinuskurven an die saisonalen Schwankungen resultierte in Werten um 1 bis
2 cm pro Tag. Sie charakterisieren im Gegensatz zu den Sickergeschwindigkeiten
aus den Markierversuchen den langsameren Matrixfluss.
Eine Interpretation der Sauerstoff-18 – Deuterium Beziehung und des Deuteriumexzesses
veranschaulicht den Einfluss von Evaporation auf die verschiedenen Wasserkomponenten
im Untersuchungsgebiet. Das Bodenwasser der obersten Bodenschicht zeigte den
stärksten Einfluss. Schwankungen des Deuteriumexzesses im Bodenprofil
konnten nicht eindeutig jahreszeitlichen Signalen zugeordnet werden, weil
der Deuteriumexzess im Niederschlag keine Unterschiede aufwies. Die Parameter
der „Local Meteoric Water Line“ stimmen sehr gut mit denen benachbarter Stationen
im Oberrheingraben überein.
Für die Untersuchungsperiode ergab sich die Grundwasserneubildung quantitativ
aus der Wasserhaushaltsbilanz des Kiefernwaldes. Mit Tracermethoden war der
Nachweis von Versickerung qualitativ möglich. Somit ist die Grundwasserneubildung
in der Hartheimer Rheinaue nicht vernachlässigbar, sondern kann in Abhängigkeit
der Variabilität der anderen Wasserhaushaltsgrößen beträchtlich
sein.
Stichworte: Grundwasserneubildung,
ungesättigte Zone, gesättigte Zone, Tracermethoden, Sauerstoff-18,
Deuterium, Deuteriumexzess
Projektteam:
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