Verkarstete, zerklüftete unterirdische Aquifere sind wichtige Trinkwasserquellen. Der Einsatz von Düngemitteln in der Landwirtschaft hat jedoch zu einer Nitratinfiltration geführt. Der Konsum von nitrathaltigem Trinkwasser könnte zu gesundheitlichen Problemen führen, und die Europäische Union hat festgelegt, dass die Stickstoffkonzentration im Trinkwasser weniger als 50 mg/L betragen muss, um trinkbar zu sein. In landwirtschaftlich genutzten Regionen liegen die Nitratkonzentrationen jedoch häufig über diesem Grenzwert. So wurden beispielsweise im Einzugsgebiet der Ammer (Deutschland) Nitratkonzentrationen von bis zu 60 mg/l gemessen, während die Abflussgebiete nur 1 mg/l Nitrat enthielten. Diese Konzentrationsunterschiede lassen auf eine intensive Denitrifikation schließen. In unterirdischen oligotrophen Umgebungen können Mikroorganismen die Nitratreduktion mit der Eisen-/Schwefeloxidation koppeln. Die Bestimmung räumlicher Hot Spots, in denen Mikroben eine wichtige Rolle bei der Denitrifikation im Untergrund spielen, ist eine Herausforderung, und es ist daher nicht bekannt, ob die Denitrifikation nur in Klüften oder auch in der porösen Gesteinsmatrix stattfindet. Wir haben Gesteinskerne aus 70 m Tiefe entnommen - der gesättigten Zone der Bronnbachquelle (Deutschland). Das einzigartige Bohrloch ohne Verrohrung diente der Errichtung einer Grundwassermessstelle. Das erste Ziel dieses Projekts besteht darin, die Taxonomie und die funktionellen Fähigkeiten der denitrifizierenden Mikroorganismen zu bestimmen, die das Karbonatgestein bewohnen. Das zweite Ziel ist die Charakterisierung der mikrobiellen Besiedlung Pyrit-haltiger künstlicher und natürlicher poröser Gesteinsmatrixen und der Pyritoxidationsrate durch Laborexperimente. Für diese In-vitro-Studie werden Mikroorganismen verwendet, die zuvor aus Karbonatgestein angereichert wurden und die die Nitratreduktion mit (Eisen/Schwefel)-Oxidation verbinden. Das dritte Ziel besteht darin, die In-situ-Pyrit-Oxidationsrate in den künstlichen und natürlichen porösen Gesteinsmatrixen zu bestimmen. Dies wird durch die langfristige Inkubation von Pyrit-haltigen mikrobiellen Fallen (MTDs; mit Gesteinsmatrixen) im neu installierten Grundwasserbrunnen und durch die Überwachung der Veränderungen in der Zusammensetzung und der Funktionen der mikrobiellen Gemeinschaften, die die MTDs besiedeln, erreicht. Mittels der kombinierten Ergebnisse der Feld- und Laborarbeiten werden wir Folgendes ermitteln: i) die ökologischen Nischen der nitratreduzierenden Mikroorganismen im Grundwasserleiter des Einzugsgebiets der Bronnbachquelle, ii) die wichtigsten Mikroorganismen, die für den Nitratumsatz verantwortlich sind, iii) die Stoffwechseleigenschaften und Funktionen der nitratreduzierenden Mikroorganismen, iv) das Potenzial der Denitrifikanten, die poröse Gesteinsmatrix zu besiedeln, v) die Faktoren, die die Effizienz der Denitrifikation beeinflussen, und v) die Pyritoxidationsrate innerhalb der porösen Gesteinsmatrix.
Hilfestellung - Abgrenzung von Trinkwassereinzugsgebie- ten für die Bewertung nach TrinkwEGV für den 1. Zyklus Zielstellung Grundlegend für die nach § 7 TrinkwEGV durchzuführende Gefährdungsanalyse und Risikoabschätzung ist die Gebietskulisse des Trinkwassereinzugsgebietes. Für diese Gebietskulisse sind alle verfügbaren Informationen zur Erstellung einer Gefährdungs- analyse zusammenzutragen, welche anschließend die Basis für die Risikoabschät- zung bilden. Dahingehend ist eine Bestimmung des Trinkwassereinzugsgebietes der erste Schritt und essenziell für alle folgenden Schritte. So hat gemäß § 6 Abs. 1 Satz 1 TrinkwEGV der Betreiber einer Wassergewinnungsanlage eine Bestimmung und Be- schreibung des Trinkwassereinzugsgebietes vorzunehmen. Mit der folgenden Unterlage werden Empfehlungen zum praktikablen Vorgehen im Rahmen der Festlegung des Trinkwassereinzugsgebietes bei Grundwasser- fassungen, bei Trinkwassereinzugsgebieten, deren Trinkwassergewinnung aus Uferfiltrat oder durch Grundwasseranreicherung erfolgt und bei grenzüberschreitenden Trinkwassereinzugsgebieten gegeben. Darüber hinaus werden Empfehlungen zur erstmaligen Bestimmung eines Trinkwassereinzugsgebietes für den 1. Zyklus formuliert. Trinkwassereinzugsgebiet Das Trinkwassereinzugsgebiet bezeichnet ein Gebiet, aus dem Grundwasser oder Oberflächenwasser zu der Entnahmestelle oder den Entnahmestellen für die Trink- wassergewinnung gelangt (§ 2 Nr. 1 TrinkwEGV). Zur Bestimmung ist das Gebiet unter Berücksichtigung der wasserrechtlich gestatteten Entnahmemengen fachlich abzu- grenzen. Die TrinkwEGV nutzt den Begriff des Trinkwassereinzugsgebietes synonym zum hydrodynamischen Einzugsgebiet (EG), um den Zweck der Trinkwassergewin- nung zu verdeutlichen. Der Verlauf der Grenze des oberirdischen Einzugsgebietes wird maßgebend durch das Relief bestimmt. Der Verlauf der Grenze des unterirdi- schen Einzugsgebietes wird durch geologisch-hydrogeologische, hydrologische sowie anthropogene Größen wie geologischer Aufbau und Durchlässigkeit des Untergrun- des, Grundwasserneubildung und Höhe der Grundwasserentnahme beeinflusst. Seite 1 von 13 Uferfiltrat Uferfiltrat wird als das Wasser definiert, das aus oberirdischen Gewässern unmittelbar in den Grundwasserraum eingedrungen ist, ausgenommen durch Versinkung (Defini- tion nach DIN 4049-3). Der Anteil von Uferfiltrat am Gesamtrohwasser einer Wasser- gewinnungsanlage kann sowohl natürlichen als auch künstlichen Ursprungs sein. In den meisten Fällen liegt jedoch der Prozess einer künstlichen Uferfiltration infolge ei- ner durch einen Brunnen induzierten Absenkung des Grundwasserstandes und eine damit einhergehenden Fließrichtungsumkehr zwischen oberirdischen Gewässern und Grundwasser vor. Die Bestimmung des Uferfiltratanteils ist Gegenstand komplexer ge- ohydraulischer Auswertungen, zum Beispiel mittels Grundwasserströmungsmodell im Rahmen eines Fachgutachtens. Im 1. Zyklus der Umsetzung der TrinkwEGV ist die Durchführung weitreichender Un- tersuchungen und Auswertungen in der Regel nicht möglich. Daher wird das folgende vereinfachte Vorgehen für den 1. Zyklus empfohlen. Grundsätzlich ist davon auszugehen, dass dem Betreiber bekannt ist, ob Uferfiltrat gewonnen wird. Ist dies nicht der Fall, ist die räumliche Lage des oberirdischen Ge- wässers zur Entnahmestelle maßgeblich. Als vorläufige Bewertungsgrundlage werden die Bemessungslinien für die Trinkwasserschutzzone II gemäß Arbeitsblatt DVGW W 101 (A) für geeignet erachtet. D. h. sollte ein oberirdisches Gewässer im Bereich zwi- schen der Entnahmestelle und der 50-Tages-Fließzeit oder 100 m-Mindestabstandsli- nie (Ersatzkriterium) liegen, so ist überschlägig von einem auf das Jahr bezogenen durchschnittlichen Uferfiltratanteil größer 10 m³/d gemäß § 6 Abs. 6 Nr. 2 TrinkwEGV auszugehen. Sollten keine Kenntnisse zu Fließzeiten vorliegen, so wird empfohlen, die 100 m-Mindestabstandslinie bzw. die 300 m-Mindestabstandslinie bei Karst- und Kluft- grundwasserleitern mit hohen Abstandsgeschwindigkeiten (Ersatzkriterium) zu ver- wenden. Ist über die beschriebene räumliche Beziehung ein Uferfiltratanteil festzustel- len, so ist im 1. Zyklus ebenfalls von einer signifikanten Beeinflussung des Rohwassers und eine Überschreitung des Uferfiltratanteils am Rohwasser von 10 % gemäß § 7 Abs. 1 TrinkwEGV auszugehen und das oberirdische Gewässer in der Gefährdungs- analyse und Risikoabschätzung zu berücksichtigen. Eine abweichende Entscheidung zur im vorherigen Absatz erläuterten Vorgehens- weise ist im Einzelfall (wie zum Beispiel bei tiefen Brunnen, die in Grundwasserleitern mit einer mächtigen Überdeckung ausgebaut sind) fachlich und nachvollziehbar, u. U. auf Basis bereits vorliegender Auswertungen oder Kenntnisse, zu begründen. Seite 2 von 13 Für die Bestimmung des für die Uferfiltration relevanten Gewässerabschnitt gemäß § 6 Abs. 6 Nr. 2 TrinkwEGV wird folgende im 1. Zyklus vereinfachte Herangehensweise empfohlen. Abbildung 1 Schematische Darstellung der empfohlenen Herangehensweise zur Bestimmung des relevanten Gewässerabschnitts bei Uferfiltrat als Grundlage für die Bestimmung des oberirdischen Einzugsgebiet gemäß § 6 Absatz 5 TrinkwEGV (Abbildung nicht maßstabsgerecht) Von der mit Uferfiltrat identifizierten Entnahmestelle, die sich am oberstromigsten in Bezug auf das betrachtete oberirdische Gewässer befindet, ist eine gedachte Linie, möglichst senkrecht zur mittleren Fließrichtung des Oberflächengewässers, zum Seite 3 von 13
Als hydrogeologischer Teilraum wird ein Gebiet definiert, in dem sich einzelne oder mehrere hydrogeologische Einheiten regional durch einen einheitlichen Bau des oberen Grundwasserraumes auszeichnen. Die Grenzziehung berücksichtigt, wo hydrogeologisch sinnvoll, die naturräumliche Gliederung der Physischen Geographie. Die Teilraumgliederung bildet die Grundlage für die Abgrenzung von sog. Grundwasserkörpern, auf deren Basis die Mengen- und Beschaffenheitsbefunde des Grundwassers für die Berichterstattung nach EG-WRRL sinnvoll interpretiert werden können.
Die Hydrogeologische Karte von Nordrhein-Westfalen im Maßstab 1:50.000 [HK 50] zeigt Verbreitung, Lage und Gesteinsbeschaffenheit der im Blattgebiet vorkommenden Grundwasserleiter und -geringleiter. In den Karten sind Locker- und Festgesteine entsprechend ihrer hydraulischen Eigenschaften verschiedenen Durchlässigkeitsklassen zugeordnet; im Lockergestein ist zusätzlich die Mächtigkeit des nutzbaren Grundwasserraumes wiedergegeben. Ferner enthalten die Karten Angaben zur Lage von Quellen, Brunnen, Grundwassermessstellen und potenziellen Grundwassergefährdungen (Abgrabungen, Aufschüttungen). Schnittserien vermitteln einen Eindruck über die Lagerung, die Mächtigkeit und die hydraulischen Verbindungen der hydrogeologischen Einheiten.
The International Geodynamics and Earth Tide Service (IGETS) was established in 2015 by the International Association of Geodesy (IAG). IGETS continues the activities of the Global Geodynamics Project (GGP, 1997-2015) to provide support to geodetic and geophysical research activities using superconducting gravimeter (SG) data within the context of an international network. In 2014 December the Royal Observatory of Belgium installed the iGrav #019 at the surface site of the Rochefort "Lorette" cave laboratory. The Lorette cave is one of several cavities that belong to the Wamme–Lomme karst system, a 10 km long karst area. At the surface of the site, a small and solid building, located at the border of a large sinkhole, hosts the gravity laboratory, which is thermally stabilized at ~25°C by a heater, excepted during a few days each summer when the temperature may increase above that level. The iGrav #019 is installed directly on the bedrock (limestone) in a 1 m deep shaft. Two meters away from the iGrav there is a pillar of cement (60% sand, 40% cement, no iron nor stones) founded 1 meter deep on the bedrock and on which absolute gravity measurements are performed 10 times or more per year with the FG5#202 absolute gravimeter. See description in Fig A7 in Van Camp et al., 2017. As this instrument was installed among others to investigate flash floods in the caves, it regularly monitors sudden changes in gravity reaching 50-100 nm/s², especially during the winter (Watlet et al., 2020). This should be considered when performing e.g. tidal analyses.
Das beantragte Projekt verfolgt das Ziel, ein vollständig gekoppeltes Vegetations-Grundwasser-Modell für Mangrovenökosysteme zu entwickeln. Im Speziellen soll das Prozessverständnis der Interaktionen zwischen Pflanzen und der Hydrodynamik im Grundwasser erweitert werden. Speziell sollen dabei Beziehungen zwischen (i) sichtbaren Vegetationsmustern wie Allometrie, Artenzusammensetzung und Zonierung, sowie (ii) unterirdischen Aquiferstrukturen und Potentialgradienten durch Grundwasser- und Gezeiteneinfluss untersucht werden. Von dem gekoppelten Modellansatz werden beide Seiten gleichermaßen profitieren: für (i) wird das Verständnis der physikalischen Mechanismen unterirdischer Konkurrenz ergründet und ein neues Konkurrenzkonzept für individuenbasierte Modelle entwickelt werden, welches Bodeneigenschaften und Gradienten berücksichtigt; für (ii) sollen oberirdisch sichtbare Vegetationsmuster, wie Zonierung, für Rückschlüsse auf die Aquiferstruktur und deren Parametrisierung im Modell Verwendung finden. Als Pilotökosystem wurden Mangroven gewählt. Unsere primäre Hypothese ist dabei, dass Gradienten der Salinität das Bindeglied zwischen Vegetationsmustern (Allometrie des Einzelbaumes, Zonierung des Bestandes) und hydrodynamischen Prozessen in der Grundwassermatrix darstellen. Salinität beeinflusst zum einen über das osmotische Potential die Wasseraufnahme der Pflanzen und hat daher einen Einfluß auf deren Wachstum und allometrische Ausprägung. Zudem erhöhen Wasseraufnahme und Salzexklusion den Salzgehalt im Untergrund. Dichtegradienten durch Unterschiede im Salzgehalt werden neben Randbedingungen wie Grundwasserzufluss oder Gezeiten zu einer Triebkraft der hydrodynamischen Fließprozesse, welche wiederum die Salinität im Wurzelraum der Pflanzen ändern können. Das Potentialkonzept des Pflanzenmodells BETTINA bietet eine geeignete Schnittstelle zu den hydrodynamischen Prozessen in der Bodenmatrix, welche seinerseits mit OpenGeoSys abgebildet werden können. Mit dem gekoppelten Modell wollen wir aus abiotischen Randbedingungen Eigenschaften wie Artenzusammensetzung, Zonierung und die Allometrie der Bäume (z.B. Höhe, Durchmesser) prognostizieren. Beide Seiten werden davon zu gleichen Teilen profitieren: für die Grundwassermodellierung wird es möglich sein, sichtbare Vegetationsmuster (Allometrie, Zonierung) für Rückschlüsse auf Aquifereigenschaften und in geeigneter Weise zur Paramtrisierung der Hydrodynamik zu nutzen. Für Ökosystemmodellierung wird ein Konzept der unterirdischen Konkurrenz erstellt werden, was im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen (z.B. Field Of Neighbourhood) Eigenschaften der unterirdischen abiotischen Gegebenheiten (Porosität, bevorzugte Fließrichtung) berücksichtigt.
Geophysical measurements are a valuable source of information for the parameterization of hydrological models. Traditionally, relevant information on hydrological properties and/or state variables is obtained in a sequential approach from geophysical measurements: the geophysical survey data are inverted first, and the information thus obtained is used within the hydrological model. The aim of this project is to further develop an alternative so-called coupled hydrogeophysical inversion approach to use geophysical data in hydrological models that overcomes some of the limitations of the sequential approach. In this approach, geophysical measurements are directly included in the hydrological inverse problem by coupling a forward model of the geophysical measurements with a hydrological model and minimizing the difference between modeled and observed data by perturbing the relevant hydrological flow and transport parameters. The development of this coupled inversion approach was started in the first phase of the project. In this second phase, it will be further developed and tested on two experimental data sets consisting of electrical resistivity measurements in the saturated zone and self-potential and electrical resistivity measurements in the unsaturated zone. The first data set has already been acquired and the second data set will be acquired in this second phase. The analysis of these experiments will aim to determine both effective and spatially variable flow and transport properties from the available geophysical and conventional hydrological measurements.
Ökotoxikologisch begründete Schwellenwerte (ÖSW) werden für 5 Stoffe (Benzol, Toluol, MTBE, Benzo(a)pyren, Naphthalin) über Predicted-No-Effect-Concentration-Werte (PNEC) in den Risikobewertungsberichten der Europäischen Union formuliert und den Geringfügigkeitsschwellenwerten (GFS) der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) gegenüber gestellt. Zudem wird zur Bewertung der Stoffgruppe der Polycyclischen Aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) eine alternative Vorgehensweise vorgeschlagen. Die ÖSW stellen ökologisch unbedenkliche Konzentrationen in der aquatischen Umwelt dar und stützen sich im Wesentlichen auf Untersuchungen an Süßwasserlebewesen in Oberflächengewässern, da entsprechende ähnlich aussagekräftige Untersuchungsmethoden für den Lebensraum Grundwasser fehlen. Bei bereits eingetretenen Schadensfällen können die GFS-Werte der LAWA nicht als Sanierungszielwerte genutzt werden, sondern müssen im Einzelfall abgeleitet werden. In der Bearbeitung eingetretener Schadensfälle konnten bislang keine Schwellenkonzentrationen ermittelt werden, ab der eine nachhaltige Veränderung der Biozönose im Grundwasserraum zu beobachten ist. Entsprechend können keine allgemein gültigen Maßnahmenwerte formuliert werden, die eine Sanierung notwendig machen. Dies muss ebenfalls in Einzelfallprüfungen vorgenommen werden, wobei die ÖSW berücksichtigt werden sollten.
Die Schaffung einer hessenweit abgestimmten Datenbasis für den Bereich Grundwasserschutz-Wasserversorgung ist erklärtes Ziel der Umweltverwaltung in Hessen. Die Generierung und zentrale Haltung von wasserwirtschaftlichen Rahmendaten gewinnt auch durch die EU-Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL) immer mehr an Bedeutung. Die EU-WRRL fordert u.a. die Beschreibung des mengenmäßigen Dargebots von Grund- und Rohwasser. Die regionale Modellierung der Grundwasserneubildung stellt somit eine zentrale Aufgabe zur Umsetzung der EU-WRRL dar. Unter Grundwasserneubildung wird die Zusickerung von in den Boden infiltriertem Wasser in den Grundwasserraum verstanden. Regional differenzierte Grundwasserneubildungsraten dienen vor allem zur Abschätzung der erschließbaren Grundwassermengen und sind eine Voraussetzung für die nachhaltige Bewirtschaftung der natürlichen Grundwasserressourcen. Regional differenzierte Kenntnisse über die Grundwasserneubildung werden auch für die Abschätzung des Gefährdungspotentials des Grundwassers durch den Eintrag von Schadstoffen, wie z.B. durch die Nitratauswaschung, benötigt. Zur Ermittlung der Grundwasserneubildung in Hessen ist ein Modellansatz gesucht, mit dem der durch das BWHM berechnete Gesamtabfluss (Qgesamt) in die Komponenten Direktabfluss (Qdirekt) und Grundwasserneubildung(GWN) separiert werden kann. Die Bestimmung der Grundwasserneubildung (GWN) erfolgt indirekt und beruht auf der Separation des Gesamtabflusses in die beiden Abflusskomponenten Basisabfluss (QBasis) und Direktabfluss (Qdirekt):Der Direktabfluss ist die Summe aller schnellen Abflussanteile(Oberflächenabfluss und Zwischenabfluss bzw. Interflow), die mit nur geringer Zeitverzögerung(Stunden bis eine Woche) nach einem Niederschlagsereignis den Vorfluter erreichen. Der Basisabfluss resultiert aus der sog. langsamen Abflusskomponente im Aquifer und ist weitgehend dessen Leerlaufen in Trockenwetterperioden gleichzusetzen. Die Ermittlung der Abflusskomponenten bei dem gewählten Verfahren erfolgt durch die Verwendung so genannter Baseflow-Indizes . Der Baseflow-Index (BFI) beschreibt den Anteil des Basisabflusses (Qbasis)am Gesamtabfluss (Q gesamt). Mit dem vorliegenden Datenkollektiv kann nun der statistische Zusammenhang zwischen den auf Abflussmessungen beruhenden BFI-Werten (Zielgröße)und signifikanten Einflussgrößen (Prädiktorvariablen)mittels schrittweiser linearer Regression ermittelt werden. Durch die ermittelte Regressionsgleichung lässt sich nun der BFI für die Gesamtfläche Hessens berechnen. Die ermittelte Schätzfunktion kann theoretisch auf beliebige Flächeneinheiten angewendet werden. Durch Multiplikation des flächendifferenzierten BFI mit dem Gesamtabfluss des Bodenwasserhaushaltsmodells(BWHM) werden abschließend die Grundwasserneubildung und der Direktabfluss bestimmt. Das fertige Gesamtmodell(BWHM und Regressionsmodell) soll in Zukunft auch für Vorhersagezweckeeingesetzt werden.
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