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Ghergut, Iulia (2003): Altersbetrachtung und numerische Simulation zu Möglichkeit und Grenzen einer prozessorientierten Kontrolle (Frühwarnsystem) der Bewirtschaftung tiefer Grundwässer. Dissertation, LMU München: Faculty of Geosciences
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Abstract

Long-term threats to groundwater quality arising at regional scale from the exploitation of deep groundwaters, and some ways to tackle with them have been revealed by Seiler (1983, 1987, 2001), Seiler & Lindner (1995). They have shown that, once the passive recharge zone of a groundwater system is penetrated by pumping wells and the duration and/or rate at which these are operated exceeds a certain threshold, the natural hydrogeologic barrier between the passive and the active recharge zone gets disrupted, and deep water turnover rates get visibly accelerated; alongside with them, the migration of near-subsurface pollutants towards greater aquifer depths is enhanced in such a way that (a) it remains unnoticeable to standard water quality monitoring for a good number of years, and (b) by the time it is perceived by standard monitoring instruments, it has already affected depths and areas so large that it has turned into a major, irreversible degradation of water quality at regional scale. The deep water abstraction rate beyond which such negative effects occur lies far below the bulk recharge rate estimation; moreover, the actual 'feeding streamlines' of a deep pumping well stretch laterally far upstream the well, so that the usual protection zones concentric around the well itself will not really protect it (Seiler 1987, 2001). Here, the possibility of an early-warning system regarding deep aquifer contamination, and of a process-oriented control of deep groundwater abstractions is examined anew: first explained in terms of a time scale contrast between the transport of 'polluting' and of 'monitoring' species, it is then investigated numerically for two hydrogeologic situations, one with a mild and one with a marked permeability change over depth. The progressive contamination of the deep aquifer is simulated assuming a simplified, yet realistic scenario of shallow aquifer pollution; and the environmental radioisotope response to deep water abstractions is predicted as a function of pumping rate, duration and depth, and of aquifer heterogeneity. The readjustment time of environmental radioisotope repartitions under given hydraulic stress lies somewhere between the (relatively short) pressure adjustment time (determined by hydraulic diffusivities, or T/S) and the (depth-dependent) groundwater age value. The time scope of radioisotope response to hydraulic stress will thus increase with depth, however in competition with radioactive decay which makes isotope concentrations decrease with depth and become irrelevant below a so-called 'nil-line' defined by the detection limit of the respective isotope (the latter may advance toward greater depths, as detection techniques improve). The possibility of an EARLY-WARNING system resides in the time-scale contrast between the ('slow') migration of polluting species and the ('rapid') spatial readjustment of monitoring species. The time scope of a PROCESS-ORIENTED control is confined to the interval in which the response of monitoring species correlates monotonously with the magnitude of the applied stress (pumping rate). For deep porous aquifers of the (Bavarian) Upper Freshwater Molasse with an average porosity over 10%, the time scope of a process-oriented control, before the environmental radioisotope responses under different pumping regimes approach a common plateau, comprises at least 4-5 decades. Besides hydraulics and solute transport, an interest arose for dealing with transient groundwater ages, during or following hydraulic stress. Groundwater age, or 'flow-time', or residence time repartitions are often invoked as a 'microscopic' foundation of lumped-parameter models for (conservative) solute transport in groundwater. How stable are these repartitions against hydraulic perturbations? can their hydraulically-induced shift with time be related consistently and unequivocally to variations in the lumped-parameter values used by black-box models to assess system change? Part of the answer is provided by groundwater age - hydraulic head phase portraits, which are marked by hysterese. The direct, unsteady age modeling furthermore reveals the possibility of a 'groundwater age mining' to occur even without having a 'groundwater mining'.

Abstract

Um der Kontamination durch Schadstoffe aus flaechenhaften Eintraegen auszuweichen, ist die Trinkwassergewinnung in den letzten Jahrzehnten immer haeufiger und in vielen Laendern der Welt in grosse Tiefen (>50 m) vorgedrungen. Langfristige Grundwasserentnahmen aus tiefen wasserfuehrenden Schichten, die frueher aufgrund natuerlicher hydraulischer Leitfaehigkeitsbarrieren vor oberflaechennahen Verunreinigungen als geschuetzt erschienen, fuehren jedoch wegen der beschraenkten unmittelbaren Verfuegbarkeit der Grundwasserneubildung zu einer vertikalen Neuverteilung der Durchflussraten und allmaehlich zu grossraeumigen Aenderungen des Stroemungsfeldes, die der hydrogeologischen Abschirmung des tiefen Grundwassers entgegenwirken. Die Erschliessung tiefer Grundwaesser zur langfristigen Wasserversorgung bedeutet nach einigen Jahrzehnten nichts Anderes, als die nahezu direkte Exposition dieser Grundwaesser zum oberflaechennahen Kontaminationsgeschehen; diese langjaehrig instationaere Entwicklung wird durch das herkoemmliche Monitoring erst spaet erfasst. In den Arbeiten von SEILER (1983, 1987), SEILER & LINDNER (1995) erfuhr dieses Problem seine erste systematische Beschreibung; darauf folgte durch die Arbeiten von RAUERT et al. (1993), SEILER et al. (1999), SEILER & MALOSZEWSKI (2000), WEISE et al. (2000), MALOSZEWSKI et al. (2001) ein qualitativer und quantitativer Beweis des ernsthaften Problemcharakters. Zu den Meilensteinen des gewonnenen Wissens zaehlt die Erkenntnis (SEILER 1987, 2001), dass die Massstaebe an die nachhaltige Bewirtschaftung und den Schutz tiefer Grundwaesser anders anzusetzen sind als fuer oberflaechennahe Grundwaesser, und zwar: a) in Hinblick auf die Entnahmemengen: es ist von einer geringeren, unmittelbar verfuegbaren Grundwasserneubildung in tiefen als in oberflaechennahen Grundwaessern auszugehen, und b) in der Ausweisung von Schutzgebietszonen - die eher ferner oberstromig als unmittelbar um den Entnahmeort auszuweisen sind. Die herkoemmlichen hydrogeologischen Informationen ueber die Tiefengrundwasserleiter und ihre zugehoerigen Aquifere sind zu lueckenhaft, um zu einer belastbaren Prognose nach gelaeufiger Art ueber ihre Kontaminationsgefaehrdung zu gelangen. Es wird daher versucht, die Prognoseleistung zunaechst auf methodischer Ebene qualitativ zu verbessern. Fuer ein Fruehwarnsystem (FWS) zur prozessorientierten Kontrolle der Bewirtschaftung tiefer Grundwaesser bieten sich Umweltindikatore, vortrefflich instabile "Umwelt"-Isotope wie C-14, Ar-39, Tritium, Kr-85 u. a. (mit einer ggf. anthropogen-induzierten/beeinflussten Praesenz in der Atmosphaere) an. Prinzipiell beruht die Moeglichkeit eines FWS auf dem Loesungskontrast der Anfangs- und Randwertprobleme die, unter einer als Stoerung behandelten neu-gegebenen Bewirtschaftungsbedingung, den Schadstofftransport (ausgehend von einem nur oberflaechennah verunreinigten Aquifer) und die Umverteilung ausgewaehlter Umweltindikatoren (ausgehend von in geologischen/historischen Zeiten eingestellten, hydraulisch ungestoerten "Anfangsbedingungen") beschreiben. Die Anpassungs- bzw. Erholungszeit der hydraulisch-gestoerten Umweltindikatorverteilungen liegen meistens im intermediaeren Bereich zwischen der hydraulischen Anpassungs- bzw. Erholungszeit und dem in jeweiliger Tiefe erreichten Grundwasseralterswert. Als Anwendungsfaelle wurden zwei hydrogeologische "Musterverteilungen", stellvertretend fuer geschichtete Grundwasserleiter mit mildem und mit starkem Leitfaehigkeitskontrast gewaehlt. Diese entstammen hydrogeologischen Erkenntnissen zum Aufbau der Aquifere der Oberen Suesswassermolasse, die von ANDRES & EGGER (1983) gewonnen und durch Arbeiten von EINSELE et al. (1987), SEILER (1987), SEILER & LINDNER (1995) praezisiert wurden. Fuer diese Musterverteilungen mit vereinfachten Geometrien, und unter naturnahen Szenarien des Schadstoffeintrags an der Aquiferoberflaeche, wurden Wasserentnahmen in Hoehe von 5%, 10%, 20%, 30% der Gesamtgrundwasserneubildung in verschiedenen Tiefen im untersten Stockwerk angenommen und es wurden die durch diese Wasserentnahmen bewirkten Beschleunigung der Aquiferkontamination und Verschiebung der Umweltindikatorverteilungen numerisch simuliert. Fuer alle Musterverteilungen zeigte sich: die Umweltindikatorantwort (die "Fruehwarnung" an sich), sowie ihre Abhaengigkeit von der Tiefenwasserentnahmemenge und -Dauer (der prozessorientierte Charakter des FWS) sind in unterschiedlichen Tiefen/Profilen unterschiedlich ausgepraegt; mit steigender Dauer der Wasserentnahme nimmt die relative Antwort eines Umweltindikators, sowie ihre Differenzierung nach Entnahmemenge ab. Quantitativ definieren diese Elemente den zeitlichen, raeumlichen und entnahmemengenmaessigen Rahmen eines FWS fuer jedes konkret gegebene System. Begleitend zur Simulation von Hydraulik und Stofftransport wird auch eine Grundwasseraltersbetrachtung vorgeschlagen; nicht zuletzt aus dem Grund, dass Alters- oder "Fliesszeit"-Verteilungen haeufig die kleinskalige Grundlage bestimmter niedrig-parametrisierter Modelle zur Beschreibung des Tracer- oder Stofftransports im Grundwasser darstellen (VOGEL 1967, 1970; ZUBER 1986); wobei es zu hinterfragen wäre, wie stabil solche "Fliesszeitenverteilungen" gegenueber hydraulischen Stoerungen sind, und inwieweit sie fuer Grundwasserleiter gelten, die "zu stark heterogen", oder dagegen "nicht heterogen genug" sind. Hierfuer wird erstmalig eine modell-unabhaengige Dichtefunktion der stationaeren Altersverteilungen direkt aus den hydrogeologischen Materialverteilungen hergeleitet, anhand derer auch notwendige und hineichende Voraussetzungen der klassischen Altersmodelle sich abgrenzen lassen. Fuer die Praxis ist dem simulierten Umweltindikatorverhaltens als Hauptbotschaft zu entnehmen: oberflaechennahe Isotopenbeobachtungen (um 50 m Tiefe), wie auch Isotopensignale im gefoerderten Wasser, koennen nur beschraenkt einem FWS dienen; im vertikalen Vergleich sind die Isotopensignale am staerksten ausgepraegt im Bereich und unterhalb der Hemmerschicht; im horizontalen Vergleich sind die Isotopensignale am staerksten ausgepraegt im Unterstrom-Nahbereich der Wasserentnahme; Kohlenstoff-14 scheidet als FW-Element fuer die Mildkontrast-Musterverteilung aus; Tritium scheidet als kuenftiges FW-Element fuer alle Musterverteilungen noch nicht aus, und bleibt jedenfalls (soweit frueher gemessen) wertvoll fuer die Kalibrierung eines hydrogeologischen Modells als erste Voraussetzung eines funktionsfaehigen FWS, ebenfalls ist Kr-58 aufgrund seines steigenden Eintragssignals fuer ein FWS vielversprechend. Durch die von DEIGLMAYR (2000) berichteten isotopisch/hydrochemischen Befunde am bewirtschafteten Tertiaergrundwasserleiter im Raum Muenchen-Augsburg scheint fuer die Implementierung eines umweltisotopenbasierten FWS gerade um 2003-2005 ein guter Zeitpunkt gegeben zu sein.