Interaktionen zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser entlang von Bundeswasserstraßen am Beispiel der Mosel – Prozessverständnis und Tracertechniken

Abstract

Wasserbauliche Maßnahmen (z. B. Schleusen) verändern die hydraulischen Randbedingungen an Flüssen und damit auch die Interaktion zwischen Oberflächenwasser (OW) und Grundwasser (GW). Die Auswirkungen solcher Veränderungen sowie deren Relevanz für den Stoffhaushalt sind vor allem in Bezug auf größere, anthropogen veränderte Flussläufe bislang kaum untersucht. Ziel des OGIMo- Projektes war es, das derzeitige Wissen über die Wechselwirkungen zwischen OW und GW an BWaStr zu vertiefen. Hierfür wurden einerseits großmaßstäbliche Untersuchungen entlang des deut- schen Teils der staugeregelten Mosel (insg. 242 km) durchgeführt sowie andrerseits Detailuntersu- chungen an der Staustufe Lehmen (Mosel-km 20,8). Neben dem OW-bürtigen Tritium als Tracer für einen OW-Zustrom ins GW und dem GW-bürtigen Radon als Tracer für einen GW-Zustrom zum OW wurden auch stabile Isotope sowie organische Spurenstoffe und deren Transformationsprodukte (TPs) als im System vorhandene OW-GW-Tracer verwendet. Die Auswertung der Konzentrationen von Radon im OW sowie von Tritium im GW zeigte sich als grundsätzlich geeignet, OW-GW-Interaktionszonen großmaßstäblich zu identifizieren. Allgemein kann geschlussfolgert werden, dass die Zonen erhöhten GW-Eintrages ins OW neben den grundsätzlich steuernden hydraulischen Randbedingungen an geologische Haupteinheiten sowie an Störungszonen geknüpft sind. GWM mit relevanter OW-GW-Interaktion konnten daneben nur im Bereich der Stau- stufe Lehmen identifiziert werden (s. u.). Modellsimulationen mit FINIFLUX (Modell zur quantitativen Analyse von GW-Einträgen in das OW, Universität Bayreuth) auf Grundlage der Radonkonzentratio- nen zeigen einen GW-Anteil am Moselwasser von etwa 1 %, wobei die Quantifizierung des Grund- wasserzustroms zur Mosel mit einem großen Fehler behaftet ist, da sich unterschiedliche methodi- sche Limitierungen addieren (u. a. u. a. statische Probennahmetiefe in der Mosel). Dass der künstlich erzeugte Gradient zwischen Oberwasser und Unterwasser zu einer verstärkten In- teraktion zwischen OW und GW führt – mit influenten Bedingungen im Oberwasser und effluenten Be- dingungen im Unterwasser – konnte mit Tritium an der Staustufe Lehmen nachgewiesen und mit Hilfe der Auswertungen organischer Spurenstoffkonzentrationen im GW untermauert werden. Für den Standort Lehmen ergab sich ein OW-Anteil von minimal 10 bis maximal 100%. Die erhobenen Daten legen dabei nahe, dass der Zustrom von OW ins GW diffus im Oberwasser der Staustufe erfolgt und das infiltrierte Wasser längere Zeit uferparallel Richtung Unterwasser der Staustufe strömt. Influente Bedingungen konnten in OGIMo durch den eindeutigen OW-Tracer Tritium nachgewiesen werden. Die hohen Konzentrationen zahlreicher typischer abwasserbürtiger Spurenstoffe wie Carbamazepin, Tramadol und Sucralose im GW vom Detailstandort Lehmen belegen konsistent zu den Tritiumergebnissen die dortigen influenten Verhältnisse. Die Eignung dieser Stoffe zur eindeuti- gen Identifizierung des Grundwasserzustroms ist jedoch durch die Möglichkeit des (zusätzlichen) Ein- trags über z. B. Leckagen von Abwasserleitungen begrenzt. Die Untersuchung der Verhältnisse von Tramadol und dessen TPs am Detailstandort Lehmen hat da- neben gezeigt, dass die Analyse von organischen Spurenstoffen, deren Abbauverhalten bekannt ist, wertvolle Zusatzinformationen zu Abbauprozessen und Milieubedingungen liefern können. Ein großes Potential in dieser Hinsicht hat die Analyse chiraler Substanzen, da im Falle eines enantioselektiven Abbaus, durch die Bestimmung der Enantiomerenverhältnisse eindeutig biologische Abbauprozesse unabhängig von einer Verdünnung identifiziert werden können. Datei-Upload durch TIB Hydraulic engineering measures (e.g., locks) alter the hydraulic conditions of rivers, thereby affecting the interaction between surface water (SW) and groundwater (GW). The effects of such changes and their relevance for the interaction between SW and GW have been scarcely investigated, especially concerning larger, anthropogenically modified rivers. The aim of the OGIMo project was to deepen current knowledge about the interactions between SW and GW at federal waterways. For this pur- pose, extensive investigations were conducted along the German part of the dam-regulated Moselle River (totaling 242 km), as well as detailed studies at the Lehmen dam site (Moselle-km 20.8). In addi- tion to tritium from SW as a tracer for SW inflow into GW and radon from GW as a tracer for GW inflow into SW, stable isotopes as well as organic micropollutants and their transformation products (TPs) were used as SW-GW tracers present in the system. The evaluation of radon concentrations in SW as well as tritium in GW proved to be fundamentally suitable for identifying large-scale SW-GW interaction zones. In general, it can be concluded that zones with increased GW inflow into SW are linked not only to generally controlling hydraulic bound- ary conditions but also to geological units and fault zones. Observation wells with significant SW-GW interaction could only be identified in the area of the Lehmen dam (see below). Model simulations us- ing FINIFLUX (a model for the quantitative analysis of GW inflows into SW, University of Bayreuth) based on radon concentrations indicate a GW fraction in the Moselle water of about 1%. However, quantifying the groundwater inflow to the Moselle is subject to a large error due to the aggregation of different methodological limitations (including, among others, static sampling depth in the Moselle). The artificially induced gradient between upstream and downstream water leads to an intensified inter- action between SW and GW—with influent conditions in the upstream water and effluent conditions in the downstream water—demonstrated using Tritium at the Lehmen dam and supported by evaluations of organic micropollutant concentrations in the GW. For the Lehmen site, a SW fraction ranging from a minimum of 10% to a maximum of 100% was determined. The collected data suggest that the inflow of SW into GW occurs diffusely in the upstream water of the dam and that the infiltrated water flows parallel to the bank for an extended period towards the downstream water of the dam. Influent conditions were confirmed through the distinct SW tracer Tritium. The high concentrations of numerous typical wastewater-derived micropollutants such as carbamazepine, tramadol, and su- cralose in the GW from the Lehmen site consistently support the influent conditions found in conjunc- tion with the Tritium results. The suitability of these substances for the identification of groundwater inflow is limited due to the possibility of (additional) entry through e.g. leaks in wastewater pipelines. The examination of tramadol and its transformation products (TPs) at the Lehmen site has shown that the analysis of organic micropollutants, whose degradation behavior is known, can provide valuable additional information on degradation processes and environmental conditions. The analysis of chiral substances holds significant potential in this regard, as in the case of enantioselective degradation, determination of enantiomeric ratios can unequivocally identify biological degradation processes inde- pendent of dilution.