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Band/volume 28: Adolph G. (2009): Kombination von Isotopenmethoden und Grundwassermodellen in der Altlastenbearbeitung

Die vorliegende Arbeit ist als Forschungsschwerpunkt im Projekt ERGO entstanden. Das Projekt ERGO „Entwicklung eines Bewertungskonzeptes und orientierende Risikoabschätzung zur Gefährdung des Trinkwassers durch Altlasten im Oberrheingraben“ verfolgt das Ziel, für den gesamten Oberrheingraben abzuschätzen, ob und wenn inwieweit Trinkwasserversorgungen durch unbekannte Altlasten und katalogisierte Verdachtsflächen gefährdet sind. Die Arbeit wurde von der AWBR (Arbeitsgemeinschaft Wasserwerke Bodensee Rhein) gefördert und soll in erster Linie für die Wasserversorger eine nachvollziehbare und zuverlässige Grundlage für die Einschätzung und Bewertung dieses Themas liefern. Vorliegende Arbeit behandelt das Thema der Altlasten zum ersten Mal grenzübergreifend aus Sicht der Wasserversorger auf regionaler Ebene in der Schweiz, Frankreich und Deutschland. Das Bearbeitungsgebiet von ERGO orientiert sich an den Grenzen des natürlichen Gesamtsystems (Oberrheingraben). Die neuen Anforderungen der EU-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) und der novellierten Trinkwasserverordnung (TrinkWV) wurden berücksichtigt.
Der Ansatz, die Gefährdung durch Altlasten regional integriert und aus der Perspektive der Wasserversorger zu betrachten, bietet mehrere Vorteile. Die Auswertungen haben gezeigt, dass nur ein kleiner Anteil der bekannten Verdachtsflächen in Wasserschutzgebieten liegt. Zudem sind die potentiellen Altlasten räumlich nicht zufällig verteilt, sondern viele Typen von Altlasten liegen im Gesamtgebiet des Oberrheingrabens nicht in ausgewiesenen Wasserschutzgebieten. Somit kann die Anzahl und die Art der möglichen Gefährdungen deutlich reduziert werden und wesentlich fokussierter bearbeitet werden. Es wurde eine Methode entwickelt, die zwei Wege der Betrachtung verfolgt. Der erste Weg erfolgt von der Verdachtsfläche zum Wasserwerk, folglich verdachtsflächen-orientiert genannt. Im Falle bekannter Verdachtsflächen werden diese mit den Wasserschutzgebieten verschnitten. Die einzelnen Branchen wurden in Klassen mit gleichen Produktionsprozessen eingeteilt. Es wurde aus der Literatur eine Liste mit branchenüblichen Kontaminationen, aus Stoff- bzw. Stoffgemischen erstellt. Anschließend können Fließpfade berechnet und für die betreffenden Flächen Transportprognosen erfolgen.
Der zweite Weg beschreibt vom Brunnen ausgehend die hydrologische Dynamik des Aquifers, folglich versorger-orientiert genannt. Die Dynamik wird über eine einfache Grundwassermodellierung mittels der Analytischen Elementen Methode und einen Multitraceransatz bestimmt. Durch die Anwendung von Tracern mit überlappenden Datierungsbereichen können im Modell erstellte Altersstrukturen überprüft werden. D.h. es können komplexe Altersstrukturen für die einzelnen Brunnen, bzw. das geförderte Wasser, ausgewiesen werden.
Nach einer ersten Priorisierung der Verdachtsflächen wurde die entwickelte Methode an vier Wasserwerken, mit sehr unterschiedlicher hydrologischer Dynamik, getestet. Im Wasserschutzgebiet Zartener Becken wurde die Methode als erstes angewendet und entwickelt. Die hydrologische Dynamik wird durch die Fließgewässer Dreisam und Eschbach mitgeprägt. So konnte eine Altersverteilung mit zwei Maxima berechnet werden. Wobei der erste Peak bei 70 Tagen und der zweite Peak zwischen drei und vier Jahren mittlerer Verweilzeit (MVZ) liegt. Im Wasserwerk Hausen konnten für die sechs Brunnen zwei Brunnengruppen ausgewiesen werden. Wobei die eine stärker durch die Uferinfiltration beeinträchtigt ist. Des Weiteren konnte durch die Messungen von Krypton-85 und Argon-39/37 festgestellt werden, dass eine weitere Komponente mit höherer mittlerer Verweilzeit zuströmen muss. Die beiden Schweizergebiete sind in ihrer hydrologischen Dynamik stark durch die künstliche Infiltration von Rheinwasser beeinflusst. Während in den Langen Erlen die Infiltrationsflächen wechseln bleibt diese im Hardwald konstant. Die Wässerung wird bei Hochwasser, in Verbindung mit hoher Trübung des Rheins und bei Rheinalarm in beiden Gebieten eingestellt. Es zeigte sich, dass die Zeitreihenauswertung von Sauerstoff-18 und Deuterium hier zu guten Ergebnissen kommt. Beide Gebiete ließen sich allerdings durch die große Instationärität nur bedingt mit dem einfachen Modellansatz nachmodellieren, große Fehler mussten in Kauf genommen werden. Eine Altersverteilung konnte nicht oder nur eingeschränkt modelliert werden. Dies weist auch die Grenzen der AEM nach heutigem Stand auf. Es zeigte sich bei den Gastracern, in Basel und Umgebung eine lokale Erhöhung von SF6 und den FCKWs vorherrscht. Da in der Regel keine Inputfunktionen zu Verfügung stehen, wurde eine Korrekturmethode für die vorhandenen Daten verwendet. In den Langen Erlen konnten bei abgeschalteter Wässerung und Hochwasser in der Wiese Fließzeiten von unter zwei Tagen festgestellt werden. In der Hard konnte die Hypothese, dass ausschließlich infiltriertes Rheinwasser gefördert wird, widerlegt werden. Jedoch konnte der genaue Anteil nicht verifiziert werden, da es keine ungestörten Proben aus dem Muschelkalk gibt, d.h. unbeeinflusst durch die künstliche Infiltration.
Eine Gefährdungsabschätzung der in den Gebieten liegenden Verdachtsflächen wurde in zwei Schritten durchgeführt. Mit der Grundwassermodellierung wurden Fließbahnen berechnet. Anschließend wurde für die Fließbahnen welche die Brunnen erreichen, oder durch Dispersion erreichen können, das Dispersionsmodell für die Leitstoffe der Verdachtsflächen berechnet. Als Randbedingung wurde der Grenzwert der TrinkWV in Deutschland bzw. der Leitwert der WHO angenommen. Dadurch konnten konkrete Mengen ausgerechnet werden, die ins Grundwasser versickert sein müssen um den Grenzwert am Brunnen zu überschreiten.
Die Grundwassermodellierung weist in stark instationären Gebieten und in Gebieten mit großen Aquifersteigungen zurzeit noch gewisse Schwierigkeiten auf. Es ist jedoch absehbar, dass die AEM-Arbeitsgruppen diese in nächster Zeit bearbeiten. Die Vorteile der korrekten Fließbahnberechnung und der Möglichkeit effektiv Altersstrukturen zu berechnen ist entscheidender Vorteil der Methode. Durch die Möglichkeit, dem geförderten Wasser eine Altersstruktur zu zuweisen, können Zonen bzw. Gefährdungsklassen aufgezeigt werden. Der Anteil an jungem, beispielsweise über indirekte Neubildung gebildetem Grundwasser, kann berechnet werden. Zusätzlich kann der Einfluss alter Komponenten nachgewiesen werden. Durch die Multitraceruntersuchung können die gerechneten Altersstrukturen überprüft werden. Durch die explizite Altersstruktur können Mischungen angegeben werden, die dann einer Bewertung hinsichtlich ihrer Gefährdung unterzogen werden kann.

english summary: 

This thesis was written as scientific part of the “ERGO” project (“Effective assessment of risks for drinking water supplies from contaminated sites in the Upper Rhine”).
The aim of ERGO is to assess whether and to which degree known or suspected contaminated sites can be hazardous to the drinking water supply in the entire Upper Rhine valley. This thesis was supported by the AWBR (Working Committee of water works) and is intended to provide a clear and reliable basis for the evaluation of contaminated sites. This thesis is the first publication to focus on the special needs of water suppliers transnationally in Switzerland, France and Germany. The spatial domain of this study follows the natural outlines of the system Upper Rhine Valley. The new requirements from the Water Framework Directive and the new Drinking Water Laws (TrinkWW) are also taken into account.
There are several advantages to a regionally integrated view of brownfields for water suppliers. The Analyses show only a small part of known brownfields to be within water protection areas. Brownfields are not distributed randomly but clustered in unprotected areas. Therefore the number of potentially hazardous sites can be reduced and resources can be focused on the remaining ones.
The method developed in this thesis incorporates two approaches.
The “suspected site approach” investigates the transport of contaminants from the site to the well: Known suspected sites get intersected with water protection areas and flow paths get calculated. These data feed into a transport prediction for the sites.
The “supplier oriented approach” focuses on the well and investigates the hydrological dynamics of the aquifer using the Analytical Elements Method for groundwater modelling and a multi-tracer approach.
After an initial prioritisation of suspected sites, the method was applied to four water works with diverse hydrological dynamics. The first test case was the water protection area Zartener Becken. The hydrological dynamics are dominated by two rivers, the Dreisam and the Eschbach. The dual influence is reflected in a bimodal age distribution with peaks at 70 days and three to four years mean residence time (MRT).
At the water works Hausen six wells were investigated which could be assigned to two groups, one of which is heavily affected by river infiltration. Measurements of Krypton-85 and Argon-39/37 indicate the inflow of another groundwater component with higher MRT.
The hydrological dynamics of the two Swiss study sites are heavily influenced by artificial infiltration of Rhine water. In one area, Langen Erlen, the areas of infiltration keep changing whereas in the other, Hardwald, they are fixed. In both areas irrigation gets suspended at high stage in combination with high turbidity and at “Rhine alarm”. Time series analysis of oxygen-18 and deuterium yields good results in these areas. However, the simple AEM approach to groundwater modelling proved insufficient to deal with the large instationarities from irrigation and results come with large uncertainties attached. An age distribution could not or only partially be modelled. This shows the limits of the AEM at the current state of knowledge. Gas tracer analysis showed a local increase in SF6 and FCKW around Basel. As no input data are generally available, a method for data correction was applied. At Langen Erlen, flow times in the meadows could be shown to be below two days at high spate and without irrigation. At the Hard, the hypothesis that only infiltrated Rhine water gets pumped from the well could be rejected. However it was not possible to quantify the contribution from the Rhine, as there was no undisturbed (not influenced by artificial infiltration) end member from the shell limestone.
A risk assessment of the suspected contaminant areas within the study sites was performed in two steps. The flow paths got calculated based on the groundwater modelling. For paths which approach a well or may influence it by dispersion, a dispersion model for the main contaminants of the site was fitted. The maximum permissible value of the TrinkWV or the guide value of the WHO was used as a boundary condition. From this one can calculate the amount of hazardous material which would need to infiltrate at the site to exceed the maximum permissible value at the well.
Groundwater modelling via AEM is still deficient in highly instationary areas and in areas with high slope in aquifers, but it is foreseeable that the AEM-work groups will tackle these problems in the near future. The advantages of the method are the correct flow path delineation and the effective age structure calculation. By assigning an age structure to the pumped water hazard zones and classes can be identified. The fraction of young groundwater, e.g. stemming from indirect groundwater regeneration, can be calculated. A mixture model can be fitted to the explicit age structure and assessed for its risk to drinking water.