Projekt Tracerhydrologie Hartheim

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:

 

[english]   [Uni-Freiburg]   [Startseite Hydrologie]

Stand: Juli 2006