An den qualitätsgerechten Bau von Grundwassermessstellen (GWM) werden durch die Landesbehörden hohe Anforderungen gestellt. Auf dieser Basis werden Aussagen zum mengenmäßigen und chemischen Zustand des Grundwassers sowie zum Verlauf von verschiedenen Parametern über längere Zeiträume beobachtet und ausgewertet. Die Auswertungen werden für nationale und internationale Berichtspflichten herangezogen. Dazu gehören auch zuverlässige Grundlagen für die Umsetzung der Maßnahmen- und Bewirtschaftungsprogramme gemäß der europäischen Wasserpolitik. Der Arbeitskreis Grundwasserbeobachtung hat sich zum Ziel gesetzt, gemeinsame technische Standards und Elemente der Qualitätssicherung in einem Handbuch zur Grundwasserbeobachtung zu erarbeiten. Das vorliegende Merkblatt 10: „Funktionsprüfung an Grundwassermessstellen“ soll der Unterstützung und Sicherstellung des Betriebs von Grundwassermessstellen der staatlichen Grundwasserbeobachtung dienen. Es ist als fachliche Grundlage zur Erarbeitung länderspezifischer Betriebsanweisungen geeignet. Darüber hinaus kann es zur Umsetzung der wasserrechtlichen Anforderungen für Wasser-, Bodenschutz-, Abfall- und Bergbehörden sowie Ingenieurbüros herangezogen werden, die mit dem Betrieb von Grundwassermessstellen und Grundwassermessnetzen betraut sind.

Im Grundwasser mobile Feststoff-Partikel stehen im Verdacht, den Transport schwerlöslicher Schadstoffe zu begünstigen. Die Partikel-Konzentration im Wasser lässt sich aber nur mittels einer aufwändigen Probenahme bestimmen. Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen dieser Arbeit Feld- und Laborversuche durchgeführt. In Feldversuchen zur Probenahme wurde festgestellt, dass für eine Stabilisierung der Partikel-Anzahl-Konzentration (CN in Partikel>Nachweisgrenze/L) die Dauer der Probenahme ausschlaggebend ist, nicht das insgesamt geförderte Volumen. Eine hohe Förderrate hat dabei nicht automatisch eine stärkere Mobilisierung von Partikeln aus dem Partikel-Depot im Umfeld der Messstelle zur Folge, wie es häufig postuliert wird. Die Gewinnung einer repräsentativen Partikelprobe macht eine Probenahme-Dauer von mindestens 5, häufig sogar über 10 oder 12 Stunden erforderlich. Empfehlungen zur Probenahme wurden erarbeitet. Es wurde aber festgestellt, dass sich stabilisierte Werte für CN als Funktion der Förderdauer (t in min) nach CN = a ? t^(-½) ungefähr abschätzen lassen, wenn der Parameter a über CN nach ca. 60 Minuten ermittelt wird. Bei Wässern mit Sauerstoff-Konzentrationen über ca. 1 mg/L kann überdies auch die Verteilung der Partikel auf einzelne Größenklassen bereits nach dieser Zeit ermittelt werden; bei sauerstoffärmeren Wässern verändert sie sich später noch. Angesichts einer starken Variation von CN einer Messstelle ist es generell aber nur möglich, eine Größenordnung für die Hintergrundkonzentration anzugeben. Von Messstelle zu Messstelle sind große Unterschiede bei CN festzustellen. Die Konzentration ist dabei nicht eindeutig abhängig von der Lithologie des Grundwasserleiters oder der Zusammensetzung des Grundwassers. Allerdings konnte eine schwache Korrelation mit dem Redox-Potential (Eh in mV) des Wassers gefunden werden (CN = 1,8?10^6?e^( 0,0087?Eh) [Partikel>2,58µm/L]; r² ≈ 0,46). Hierüber besteht die Möglichkeit, CN eines Grundwassers auch ohne Partikelmessung abzuschätzen. Insgesamt bewegen sich die Partikel-Massen-Konzentrationen (C in mg/L) der beprobten Wässer meist im Bereich von <1 mg/L, öfters sogar <0,1 mg/L, wenn die im Verlaufe von Probenahme und Messung ausgefällten Fe- und Mn-Oxide nicht berücksichtigt werden. Solche Konzentrationen sind vermutlich kaum in der Lage, relevante Mengen selbst sehr hydrophober Schadstoffen aufzunehmen und zu transportieren. Versuche mit Phenanthren ergaben zudem, dass es anscheinend weniger an bereits in Suspension befindliche Partikel sorbiert, sondern vielmehr in sorbiertem oder kristallinen Zustand aus dem Depot erodiert wird. In Laborversuchen wurde weiter gezeigt, dass in natürlichen Sedimenten ein großes Depot mobilisierbarer Partikel vorhanden ist, das Partikel über einen sehr langen Zeitraum kontinuierlich abgeben kann. Durchbruchsversuche ergaben außerdem, dass ein Großteil zugegebener Partikel bei der Passage durch eine Sedimentprobe zurückgehalten und nur sehr allmählich wieder abgegeben wird. Allerdings war auch ein schneller (präferentieller) Durchbruch zu verzeichnen. In Modellrechnungen konnte gezeigt werden, dass sich ein solcher Partikeltransport weder über eine Filterfunktion noch über die Transportgleichung zufrieden stellend berechnen lässt. Daher ist es nötig, einerseits einen bevorzugten Transport und andererseits eine starke Retardation zu berücksichtigen. Letzteres kann am besten über verschiedene Retardationsfaktoren oder ein dynamisches Partikel-Depot mit Anlagerungs- und Ablösungskonstanten geschehen. / Solid particles that are mobile in groundwater are suspected to enhance the transport of hardly soluble contaminants. But particle concentrations in water can only be measured using time-consuming sampling-procedures. On this background field- and laboratory-experiments were conducted in this work. In field experiments on sampling it turned out, that sampling time is crucial for stabilizing particle number-concentration (CN in particles>detection limit/L), not the volume sampled. A high sampling rate does not -as often argued- automatically result into higher mobilization of particles from the particle-depot in the vicinity of the sampling-well. Obtaining a representative particle sample requires a sampling-time of at least 5, often even more than 10 or 12 hours. In this work recommendations on sampling are given. It was noticed that stabilized values of CN can be estimated as function of sampling time (t in min) by CN = A ? t^(-½), if parameter A is calculated using CN after about 60 minutes. In waters having oxygen-concentrations above approximately 1 mg/L even distribution of the particles into size classes can be estimated after this time; in oxygen-poor waters size-distributions stabilized much later. Because of strong variations of CN in a single measuring well it is generally only possible to give the magnitude of the background-particle-concentration. But among several measuring wells CN may differ by several magnitudes. The concentrations do neither definitely depend upon the lithology of the aquifer nor on the groundwater-composition. But a weak correlation to the redox-potential (Eh in mV) can be found (CN = 1.8 ? 10^6 ? e^( 0.0087 ? Eh) [particles>2.58µm/L]; r² ≈ 0,46). Using this connection it is possible to estimate a magnitude of CN of a groundwater without even measuring particles. Over all particle mass-concentrations (C in mg/L) of all sampled groundwaters were almost always <1 mg/L, often even <0.1 mg/L, at least if iron- and manganese-oxides that precipitated during measurements were ignored. Such particle concentrations are probably hardly capable of adsorbing and carrying relevant amounts of contaminants, even very hydrophobic ones. Experiments using phenanthrene in contaminated sand additionally showed that it is probably hardly adsorbed onto already suspended particles, but mostly eroded from the particle depot in adsorbed or crystalline state. In laboratory experiments it was further shown that there is a huge depot of mobilizable particles in natural sediments that can continually release particles over a very long period of time. Break-through-experiments showed in addition that a large part of particles fed into the system are retained during the passage through a sediment sample and that they are re-released only very slowly. However, there also was a fast (preferential) break-through. In model calculations it could be shown that such a particle transport can neither be sufficiently described by the filter-function nor by the transport equation. Because of that it is necessary to take into consideration a preferential transport on the one hand and a strong retardation on the other. The last one can at the best be described by several retardation-factors or a dynamic particle-depot having constant attachment- and detachment rates.

Im Grundwasser mobile Feststoff-Partikel stehen im Verdacht, den Transport schwerlöslicher Schadstoffe zu begünstigen. Die Partikel-Konzentration im Wasser lässt sich aber nur mittels einer aufwändigen Probenahme bestimmen. Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen dieser Arbeit Feld- und Laborversuche durchgeführt. In Feldversuchen zur Probenahme wurde festgestellt, dass für eine Stabilisierung der Partikel-Anzahl-Konzentration (CN in Partikel>Nachweisgrenze/L) die Dauer der Probenahme ausschlaggebend ist, nicht das insgesamt geförderte Volumen. Eine hohe Förderrate hat dabei nicht automatisch eine stärkere Mobilisierung von Partikeln aus dem Partikel-Depot im Umfeld der Messstelle zur Folge, wie es häufig postuliert wird. Die Gewinnung einer repräsentativen Partikelprobe macht eine Probenahme-Dauer von mindestens 5, häufig sogar über 10 oder 12 Stunden erforderlich. Empfehlungen zur Probenahme wurden erarbeitet. Es wurde aber festgestellt, dass sich stabilisierte Werte für CN als Funktion der Förderdauer (t in min) nach CN = a ? t^(-½) ungefähr abschätzen lassen, wenn der Parameter a über CN nach ca. 60 Minuten ermittelt wird. Bei Wässern mit Sauerstoff-Konzentrationen über ca. 1 mg/L kann überdies auch die Verteilung der Partikel auf einzelne Größenklassen bereits nach dieser Zeit ermittelt werden; bei sauerstoffärmeren Wässern verändert sie sich später noch. Angesichts einer starken Variation von CN einer Messstelle ist es generell aber nur möglich, eine Größenordnung für die Hintergrundkonzentration anzugeben. Von Messstelle zu Messstelle sind große Unterschiede bei CN festzustellen. Die Konzentration ist dabei nicht eindeutig abhängig von der Lithologie des Grundwasserleiters oder der Zusammensetzung des Grundwassers. Allerdings konnte eine schwache Korrelation mit dem Redox-Potential (Eh in mV) des Wassers gefunden werden (CN = 1,8?10^6?e^( 0,0087?Eh) [Partikel>2,58µm/L]; r² ≈ 0,46). Hierüber besteht die Möglichkeit, CN eines Grundwassers auch ohne Partikelmessung abzuschätzen. Insgesamt bewegen sich die Partikel-Massen-Konzentrationen (C in mg/L) der beprobten Wässer meist im Bereich von <1 mg/L, öfters sogar <0,1 mg/L, wenn die im Verlaufe von Probenahme und Messung ausgefällten Fe- und Mn-Oxide nicht berücksichtigt werden. Solche Konzentrationen sind vermutlich kaum in der Lage, relevante Mengen selbst sehr hydrophober Schadstoffen aufzunehmen und zu transportieren. Versuche mit Phenanthren ergaben zudem, dass es anscheinend weniger an bereits in Suspension befindliche Partikel sorbiert, sondern vielmehr in sorbiertem oder kristallinen Zustand aus dem Depot erodiert wird. In Laborversuchen wurde weiter gezeigt, dass in natürlichen Sedimenten ein großes Depot mobilisierbarer Partikel vorhanden ist, das Partikel über einen sehr langen Zeitraum kontinuierlich abgeben kann. Durchbruchsversuche ergaben außerdem, dass ein Großteil zugegebener Partikel bei der Passage durch eine Sedimentprobe zurückgehalten und nur sehr allmählich wieder abgegeben wird. Allerdings war auch ein schneller (präferentieller) Durchbruch zu verzeichnen. In Modellrechnungen konnte gezeigt werden, dass sich ein solcher Partikeltransport weder über eine Filterfunktion noch über die Transportgleichung zufrieden stellend berechnen lässt. Daher ist es nötig, einerseits einen bevorzugten Transport und andererseits eine starke Retardation zu berücksichtigen. Letzteres kann am besten über verschiedene Retardationsfaktoren oder ein dynamisches Partikel-Depot mit Anlagerungs- und Ablösungskonstanten geschehen. / Solid particles that are mobile in groundwater are suspected to enhance the transport of hardly soluble contaminants. But particle concentrations in water can only be measured using time-consuming sampling-procedures. On this background field- and laboratory-experiments were conducted in this work. In field experiments on sampling it turned out, that sampling time is crucial for stabilizing particle number-concentration (CN in particles>detection limit/L), not the volume sampled. A high sampling rate does not -as often argued- automatically result into higher mobilization of particles from the particle-depot in the vicinity of the sampling-well. Obtaining a representative particle sample requires a sampling-time of at least 5, often even more than 10 or 12 hours. In this work recommendations on sampling are given. It was noticed that stabilized values of CN can be estimated as function of sampling time (t in min) by CN = A ? t^(-½), if parameter A is calculated using CN after about 60 minutes. In waters having oxygen-concentrations above approximately 1 mg/L even distribution of the particles into size classes can be estimated after this time; in oxygen-poor waters size-distributions stabilized much later. Because of strong variations of CN in a single measuring well it is generally only possible to give the magnitude of the background-particle-concentration. But among several measuring wells CN may differ by several magnitudes. The concentrations do neither definitely depend upon the lithology of the aquifer nor on the groundwater-composition. But a weak correlation to the redox-potential (Eh in mV) can be found (CN = 1.8 ? 10^6 ? e^( 0.0087 ? Eh) [particles>2.58µm/L]; r² ≈ 0,46). Using this connection it is possible to estimate a magnitude of CN of a groundwater without even measuring particles. Over all particle mass-concentrations (C in mg/L) of all sampled groundwaters were almost always <1 mg/L, often even <0.1 mg/L, at least if iron- and manganese-oxides that precipitated during measurements were ignored. Such particle concentrations are probably hardly capable of adsorbing and carrying relevant amounts of contaminants, even very hydrophobic ones. Experiments using phenanthrene in contaminated sand additionally showed that it is probably hardly adsorbed onto already suspended particles, but mostly eroded from the particle depot in adsorbed or crystalline state. In laboratory experiments it was further shown that there is a huge depot of mobilizable particles in natural sediments that can continually release particles over a very long period of time. Break-through-experiments showed in addition that a large part of particles fed into the system are retained during the passage through a sediment sample and that they are re-released only very slowly. However, there also was a fast (preferential) break-through. In model calculations it could be shown that such a particle transport can neither be sufficiently described by the filter-function nor by the transport equation. Because of that it is necessary to take into consideration a preferential transport on the one hand and a strong retardation on the other. The last one can at the best be described by several retardation-factors or a dynamic particle-depot having constant attachment- and detachment rates.

Im Einzugsgebiet der Fassung A des Wasserwerks Thülsfelde wurden in langjährigen Beobachtungen Nitratgehalte an einzelnen Lokationen von bis zu 300 mg/L im oberflächennahen Grundwasser gemessen. Dennoch ist die betrachtete Fassung A des 27 km2 großen Einzugsgebietes weitgehend nitratfrei. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, welche Prozesse im Untersuchungsgebiet wirken, wie die hierfür in Frage kommenden Abbauprozesse und das für die Prozesse notwendige reaktive Material verteilt sind. Es ist bekannt, dass mikrobielle Reduktionsprozesse die effektivsten Nitratsenken sind. Diese Prozesse benötigen geeignete Reaktionspartner, die im Untergrund auch vorhanden sind, z.B. organischer Kohlenstoff oder Disulfidschwefel. In der vorliegenden Arbeit wurden folgende Teilaufgaben bearbeitet: • Identifikation reaktiver Zonen • Identifikation der Umsetzungsprozesse • Identifikation ihrer räumlichen Lage • Identifikation der Verteilung reaktiven Materials • Aufbau eines Prognosewerkzeuges. Mit den Ergebnissen der Untersuchungen (Gesamtschwefelgehalt, Gesamtkohlenstoffgehalt) an Gesteinsmaterial aus 13 Rammkernsondierungen bis in eine Tiefe von 19 m uGOK sowie einer Bohrung bis in eine Tiefe von 40 m uGOK, konnte im Grundwasserleiter eine vertikale Zonierung des reaktiven Materials abgebildet werden. Bis in eine Tiefe von 20 m uGOK sind nur geringe Gehalte reaktiven Materials gefunden worden (gemessen als Schwefelgesamtgehalte: kleiner 100 [mg/kg]). Erst darunter wurden bis 26 m uGOK Schwefelgesamtgehalte zwischen 100 und 1000 [mg/kg] und in Tiefen bis zu 36 m uGOK bis zu 6400 [mg/kg] Gesamtschwefel gefunden. Die Auswertung der Beschaffenheitsdaten an Vorfeldmessstellen und an der für diese Arbeit projektierten Mehrstufenmessstelle SGM (7 Beprobungshorizonte, bis in 35,6 m uGOK) zeigten, dass genau in den Tiefenbereichen mit ansteigenden Gehalten reaktiven Materials die Redoxgrenze verläuft. Unterhalb von 25 m uGOK ist das Grundwasser praktisch nitratfrei. Untersuchungen zum Grundwasseralter ergaben für den Bereich der Redoxgrenze ein Alter zwischen 15 und 25 Jahren. Dies konnte als Hinweis darauf gedeutet werden, zusammen mit den beschriebenen Erkenntnissen zur Zonierung des reaktiven Materials und der Nitratkonzentrationen in diesem Bereich, dass der Grund für die praktische Nitratfreiheit unterhalb von 20 bis 25 m uGOK Umsatzprozesse im Grundwasserleiter sind. Die durchgeführten Batch-und Säulenversuche zum Abbau von Nitrat an Material aus dem Grundwasserleiter zeigten in ihren Ergebnissen ebenfalls eine vertikale Zonierung über die Tiefe. Mit zunehmender Tiefe wurde eine höhere Abbauleistung (bezogen auf die Ausgangsmassenkonzentrationen von Nitrat in den Versuchsgefäßen) erreicht. Im oberen Grundwasserleiter wurden bis zu 50 % Abbauleistung erreicht, nur in den tiefen Zonen wurden mehr als 50 bis zu 100 % Abbauleistung erreicht. In den Versuchen mit Material aus dem oberen Grundwasserleiter konnten keine vollständigen ablaufenden Reaktionen beobachtet werden. Für die Berechnung des Nitrattransportes wurde ein Grundwasserströmungs- und Transportmodell aufgebaut. Verwendet wurde die Software Modflow und MT3d99. In das Transportmodul MT3d99 wurden für den Abbau von Nitrat aus Feldversuchen ermittelte Geschwindigkeitskonstanten eingebaut. Mit dem Prognosewerkzeug wurden Szenarien unterschiedlicher Nitrateinträge abgebildet. Es konnte gezeigt werden, dass steigende Nitratkonzentrationen im Grundwasserleiter abhängig vom Eintrag und von der reaktiven Kapazität eines Grundwasserleiters sind. Dabei wurde anhand von 3 unterschiedlichen Szenarien deutlich, dass das Vorhandensein z.B. von Disulfidschwefel im Untergrund nur eine Scheinsicherheit darstellt. Der Reaktionspartner wird bei dem mikrobiellen Umsatz aufgebraucht. Es kann innerhalb weniger Jahre zum Ansteigen der Nitratkonzentrationen und zum Nitratdurchbruch kommen. Das aufgebaute Modell ist in der Lage unterschiedliche Szenarien für den Nitrateintrag, z.B. bei Landnutzungsänderungen, unter der Berücksichtigung der Verteilung reaktiven Materials, zu simulieren. Das Ergebnis des Rechenmodells sind Spannweiten von Nitratkonzentrationen für das System Grundwasserleiter. Für die Fassung A bleiben noch Fragen offen: • Wie ist die Verteilung reaktiven Materials im tiefen Grundwasserleiter? • Welche Massen reaktiven Materials sind verfügbar, nicht nur stöchiometrisch? • Wie sind die Reaktionen im tiefen Grundwasserleiter verteilt? • Welche Abbausequenzen existieren im tiefen Grundwasserleiter? (Anlage Rohdaten auf CD-Rom in Printversion 226 MB)

Neun Fachbeiträge dokumentieren die Ergebnisse der aktuellen Projekt- und Forschungsarbeit des Landesamtes in den Themenbereichen Grundwasser, Altlasten und Boden.

Karst aquifers can be conceptualized as dual flow systems comprised of a low-conductive matrix with embedded high-conductive conduits / preferential flow zones. Discharge in conduits ranges from low-velocity laminar flow to high-velocity transitional and turbulent flow. Commonly employed continuum models do not account for the specific behavior of transitional and turbulent flow. In response to this limitation, enhancements have been made to MODFLOW, a commonly used groundwater flow model, by adding a discrete conduit network to the matrix continuum (hybrid model). The Conduit Flow Process (CFP) package is the latest realization of this model approach. CFP Mode 1 (CFPM1) computes laminar and turbulent flow in discrete conduits that are coupled to the laminar continuum model. CFP Mode 2 (CFPM2) accounts for turbulent flow in preferential flow layers by adapting the continuum model. Therefore, laminar hydraulic conduc-tivities are converted into turbulent hydraulic conductivities. CFPM2 was further modified to consider steady turbulent pipe flow. Karst models based on CFPM2 require potentially less input data and computational efforts than karst models based on CFPM1. Furthermore, CFPM2 integrates more easily into MODFLOW versions including e.g. transport models. Parameter studies for a synthetic catchment demonstrates that continuum models with turbulent flow representation and an additional flow barrier between conduits and matrix can represent karst systems similar to hybrid models. For simulation of highly transient flow processes in karst conduit systems, i.e. during flood events, it is crucial to consider dynamics such as free-surface flow, wave propagation, and changes between pressurized and non-pressurized conduit flow. The coupled overland- and groundwater flow model MODBRANCH was therefore enhanced to consider unsteady and non-uniform flow processes in karst conduits. Flow in discrete conduits is simulated using the Saint-Venant-equations for free-surface flow. Contrary to overland flow, the cross sectional area of karst conduits is finite. Accordingly, both pressurized and non-pressurized flow may occur within conduits. To simulate pressurized flow, a hypothetical, narrow, open-top slot (Preissmann slot) is added to the conduit crown, which allows the use of the free-surface flow equations for fully filled conduits. Beyond this, the model features a variable time step to consider wave speed variations, for example due to the transition from free-surface to pressurized flow. Parameter studies for a synthetic catchment demonstrate the significance of free-surface flow representation for variably filled conduits. / Karstgrundwasserleiter können als duale Fließsysteme konzeptionalisiert werden, bestehend aus einer geringdurchlässigen Matrix mit eingebundenen hochdurchlässigen Bereichen, z. B. Karströhren. Der Abfluss in den hochdurchlässigen Bereichen reicht von langsamer laminarer Strömung bis zu schneller turbulenter Strömung. Herkömmliche numerische Grundwasser-strömungsmodelle berücksichtigen nicht die spezifischen Eigenschaften von nicht-laminarer Strömung (Übergangsbereich laminar-turbulent bzw. turbulente Verhältnisse). Ein Ansatz um diese Einschränkung zu umgehen, ist die Erweiterung des laminaren Kontinuums um ein dis-kretes Röhrenmodell, das zustandsabhängig laminare und turbulente Strömung berücksichtigt (Hybridmodell). Eine aktuelle Umsetzung dieses Ansatzes ist Conduit Flow Process (CFP), ein Modul für das weitverbreitete Grundwasserströmungsmodell MODFLOW. CFP Mode 1 (CFPM1) berechnet laminare und turbulente Strömung in diskreten, mit dem Kontinuummodell gekoppelten Röhren. CFP Mode 2 (CFPM2) berücksichtigt nicht-laminare Strömung in hochdurchlässigen Schichten mit einer angepassten hydraulischen Leitfähigkeit des Kontinuummodells. CFPM2 wurde weiter modifiziert, so dass auch turbulente Strömung in Karströhren berechnet werden kann. Dadurch kann möglicherweise der Parameterbedarf sowie der Rechenaufwand gegenüber Hybrid¬modellen reduziert werden. CFPM2 lässt sich einfach in vorhandene MODFLOW Modelle einbinden, z. B. zur Berechnung von Transportprozessen. Parameterstudien für ein idealisiertes Karsteinzugsgebiet zeigen, dass Kontinuummodelle bei Berücksichtigung der turbulenten Strömung sowie des zusätzlichen hydraulischen Widerstand zwischen Röhren und Matrix, Karstsysteme ähnlich wie Hybridmodelle darstellen. Zur Simulation von instationären Prozessen in Karströhren, z. B. ausgeprägte Abflusssignale infolge pulsförmiger Grundwasserneubildung, ist es notwendig, dynamische Prozesse infolge Freispiegelabfluss, Wellenausbreitung sowie Wechsel zwischen Abfluss in teil- und vollgefüllten Röhren zu berücksichtigen. Aus diesem Grund wurde das numerische Modell MODBRANCH, welches ein diskretes Oberflächenwassermodell mit einem Kontinuummodell koppelt, so angepasst, dass instationäre und nichtgleichförmige Abflussprozesse in Karströhren berücksichtigt werden können. Der Abfluss in diskreten Röhren wird dabei mit den Saint-Venant-Gleichungen für Freispiegelabfluss berechnet. Im Gegensatz zu Oberflächengewässern ist der für den Abfluss zur Verfügung stehende Querschnitt in Karströhren limitiert, so dass sowohl Freispiegel- als auch Druckabfluss innerhalb der Röhren auftreten kann. Druckabfluss wird mit Hilfe eines schmalen virtuellen Schlitzes an der Röhrenoberkante simuliert (Preissmann Schlitz), der auch im Fall vollgefüllter Röhren die Anwendung der Gleichungen für Freispiegelabfluss erlaubt. Durch die Verwendung eines variablen Zeitschrittes kann die geänderte Dynamik beim Übergang von Freispiegel- zu Druckabfluss berücksichtigt werden. Parameterstudien für idealisierte, synthetische Karsteinzugsgebiete demonstrieren die Bedeutung der Berücksichtigung von Freispiegelabfluss in teilgefüllter Röhren.

Die mit dem Sommer 2018 einsetzende Grundwasserdürre in Sachsen führte zum Trockenfallen von Brunnen und Quellen, aber gleichzeitig auch zu einer steigenden Nachfrage an der Nutzung der Grundwasserressource. Weiterhin projizieren Klima- und Wasserhaushaltsmodelle für Sachsen regional-spezifische Rückgänge der mittleren Grundwasserneubildung. Um die langfristigen Planungen der Wasserversorgung sowie die nachhaltige Bewirtschaftung des Grundwassers zu qualifizieren, wurden Anforderungen und methodische Grundlagen zur Erstellung von Dargebotsnachweisen für Grundwasserentnahmen aktualisiert. Leitfadenbestandteile zur Auswertung und Darstellung beobachteter und modellierter Wasserhaushaltsdaten sollen Antragstellern von Grundwasserentnahmen und wasserrechtlichen Vollzugsbehörden bei der Abschätzung prognostischer Grundwasserdargebote unterstützen. Redaktionsschluss: 18.08.2021

Neun Fachbeiträge dokumentieren die Ergebnisse der aktuellen Projekt- und Forschungsarbeit des Landesamtes in den Themenbereichen Grundwasser, Altlasten und Boden.

Im Einzugsgebiet der Fassung A des Wasserwerks Thülsfelde wurden in langjährigen Beobachtungen Nitratgehalte an einzelnen Lokationen von bis zu 300 mg/L im oberflächennahen Grundwasser gemessen. Dennoch ist die betrachtete Fassung A des 27 km2 großen Einzugsgebietes weitgehend nitratfrei. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, welche Prozesse im Untersuchungsgebiet wirken, wie die hierfür in Frage kommenden Abbauprozesse und das für die Prozesse notwendige reaktive Material verteilt sind. Es ist bekannt, dass mikrobielle Reduktionsprozesse die effektivsten Nitratsenken sind. Diese Prozesse benötigen geeignete Reaktionspartner, die im Untergrund auch vorhanden sind, z.B. organischer Kohlenstoff oder Disulfidschwefel. In der vorliegenden Arbeit wurden folgende Teilaufgaben bearbeitet: • Identifikation reaktiver Zonen • Identifikation der Umsetzungsprozesse • Identifikation ihrer räumlichen Lage • Identifikation der Verteilung reaktiven Materials • Aufbau eines Prognosewerkzeuges. Mit den Ergebnissen der Untersuchungen (Gesamtschwefelgehalt, Gesamtkohlenstoffgehalt) an Gesteinsmaterial aus 13 Rammkernsondierungen bis in eine Tiefe von 19 m uGOK sowie einer Bohrung bis in eine Tiefe von 40 m uGOK, konnte im Grundwasserleiter eine vertikale Zonierung des reaktiven Materials abgebildet werden. Bis in eine Tiefe von 20 m uGOK sind nur geringe Gehalte reaktiven Materials gefunden worden (gemessen als Schwefelgesamtgehalte: kleiner 100 [mg/kg]). Erst darunter wurden bis 26 m uGOK Schwefelgesamtgehalte zwischen 100 und 1000 [mg/kg] und in Tiefen bis zu 36 m uGOK bis zu 6400 [mg/kg] Gesamtschwefel gefunden. Die Auswertung der Beschaffenheitsdaten an Vorfeldmessstellen und an der für diese Arbeit projektierten Mehrstufenmessstelle SGM (7 Beprobungshorizonte, bis in 35,6 m uGOK) zeigten, dass genau in den Tiefenbereichen mit ansteigenden Gehalten reaktiven Materials die Redoxgrenze verläuft. Unterhalb von 25 m uGOK ist das Grundwasser praktisch nitratfrei. Untersuchungen zum Grundwasseralter ergaben für den Bereich der Redoxgrenze ein Alter zwischen 15 und 25 Jahren. Dies konnte als Hinweis darauf gedeutet werden, zusammen mit den beschriebenen Erkenntnissen zur Zonierung des reaktiven Materials und der Nitratkonzentrationen in diesem Bereich, dass der Grund für die praktische Nitratfreiheit unterhalb von 20 bis 25 m uGOK Umsatzprozesse im Grundwasserleiter sind. Die durchgeführten Batch-und Säulenversuche zum Abbau von Nitrat an Material aus dem Grundwasserleiter zeigten in ihren Ergebnissen ebenfalls eine vertikale Zonierung über die Tiefe. Mit zunehmender Tiefe wurde eine höhere Abbauleistung (bezogen auf die Ausgangsmassenkonzentrationen von Nitrat in den Versuchsgefäßen) erreicht. Im oberen Grundwasserleiter wurden bis zu 50 % Abbauleistung erreicht, nur in den tiefen Zonen wurden mehr als 50 bis zu 100 % Abbauleistung erreicht. In den Versuchen mit Material aus dem oberen Grundwasserleiter konnten keine vollständigen ablaufenden Reaktionen beobachtet werden. Für die Berechnung des Nitrattransportes wurde ein Grundwasserströmungs- und Transportmodell aufgebaut. Verwendet wurde die Software Modflow und MT3d99. In das Transportmodul MT3d99 wurden für den Abbau von Nitrat aus Feldversuchen ermittelte Geschwindigkeitskonstanten eingebaut. Mit dem Prognosewerkzeug wurden Szenarien unterschiedlicher Nitrateinträge abgebildet. Es konnte gezeigt werden, dass steigende Nitratkonzentrationen im Grundwasserleiter abhängig vom Eintrag und von der reaktiven Kapazität eines Grundwasserleiters sind. Dabei wurde anhand von 3 unterschiedlichen Szenarien deutlich, dass das Vorhandensein z.B. von Disulfidschwefel im Untergrund nur eine Scheinsicherheit darstellt. Der Reaktionspartner wird bei dem mikrobiellen Umsatz aufgebraucht. Es kann innerhalb weniger Jahre zum Ansteigen der Nitratkonzentrationen und zum Nitratdurchbruch kommen. Das aufgebaute Modell ist in der Lage unterschiedliche Szenarien für den Nitrateintrag, z.B. bei Landnutzungsänderungen, unter der Berücksichtigung der Verteilung reaktiven Materials, zu simulieren. Das Ergebnis des Rechenmodells sind Spannweiten von Nitratkonzentrationen für das System Grundwasserleiter. Für die Fassung A bleiben noch Fragen offen: • Wie ist die Verteilung reaktiven Materials im tiefen Grundwasserleiter? • Welche Massen reaktiven Materials sind verfügbar, nicht nur stöchiometrisch? • Wie sind die Reaktionen im tiefen Grundwasserleiter verteilt? • Welche Abbausequenzen existieren im tiefen Grundwasserleiter? (Anlage Rohdaten auf CD-Rom in Printversion 226 MB)

Karst aquifers can be conceptualized as dual flow systems comprised of a low-conductive matrix with embedded high-conductive conduits / preferential flow zones. Discharge in conduits ranges from low-velocity laminar flow to high-velocity transitional and turbulent flow. Commonly employed continuum models do not account for the specific behavior of transitional and turbulent flow. In response to this limitation, enhancements have been made to MODFLOW, a commonly used groundwater flow model, by adding a discrete conduit network to the matrix continuum (hybrid model). The Conduit Flow Process (CFP) package is the latest realization of this model approach. CFP Mode 1 (CFPM1) computes laminar and turbulent flow in discrete conduits that are coupled to the laminar continuum model. CFP Mode 2 (CFPM2) accounts for turbulent flow in preferential flow layers by adapting the continuum model. Therefore, laminar hydraulic conduc-tivities are converted into turbulent hydraulic conductivities. CFPM2 was further modified to consider steady turbulent pipe flow. Karst models based on CFPM2 require potentially less input data and computational efforts than karst models based on CFPM1. Furthermore, CFPM2 integrates more easily into MODFLOW versions including e.g. transport models. Parameter studies for a synthetic catchment demonstrates that continuum models with turbulent flow representation and an additional flow barrier between conduits and matrix can represent karst systems similar to hybrid models. For simulation of highly transient flow processes in karst conduit systems, i.e. during flood events, it is crucial to consider dynamics such as free-surface flow, wave propagation, and changes between pressurized and non-pressurized conduit flow. The coupled overland- and groundwater flow model MODBRANCH was therefore enhanced to consider unsteady and non-uniform flow processes in karst conduits. Flow in discrete conduits is simulated using the Saint-Venant-equations for free-surface flow. Contrary to overland flow, the cross sectional area of karst conduits is finite. Accordingly, both pressurized and non-pressurized flow may occur within conduits. To simulate pressurized flow, a hypothetical, narrow, open-top slot (Preissmann slot) is added to the conduit crown, which allows the use of the free-surface flow equations for fully filled conduits. Beyond this, the model features a variable time step to consider wave speed variations, for example due to the transition from free-surface to pressurized flow. Parameter studies for a synthetic catchment demonstrate the significance of free-surface flow representation for variably filled conduits. / Karstgrundwasserleiter können als duale Fließsysteme konzeptionalisiert werden, bestehend aus einer geringdurchlässigen Matrix mit eingebundenen hochdurchlässigen Bereichen, z. B. Karströhren. Der Abfluss in den hochdurchlässigen Bereichen reicht von langsamer laminarer Strömung bis zu schneller turbulenter Strömung. Herkömmliche numerische Grundwasser-strömungsmodelle berücksichtigen nicht die spezifischen Eigenschaften von nicht-laminarer Strömung (Übergangsbereich laminar-turbulent bzw. turbulente Verhältnisse). Ein Ansatz um diese Einschränkung zu umgehen, ist die Erweiterung des laminaren Kontinuums um ein dis-kretes Röhrenmodell, das zustandsabhängig laminare und turbulente Strömung berücksichtigt (Hybridmodell). Eine aktuelle Umsetzung dieses Ansatzes ist Conduit Flow Process (CFP), ein Modul für das weitverbreitete Grundwasserströmungsmodell MODFLOW. CFP Mode 1 (CFPM1) berechnet laminare und turbulente Strömung in diskreten, mit dem Kontinuummodell gekoppelten Röhren. CFP Mode 2 (CFPM2) berücksichtigt nicht-laminare Strömung in hochdurchlässigen Schichten mit einer angepassten hydraulischen Leitfähigkeit des Kontinuummodells. CFPM2 wurde weiter modifiziert, so dass auch turbulente Strömung in Karströhren berechnet werden kann. Dadurch kann möglicherweise der Parameterbedarf sowie der Rechenaufwand gegenüber Hybrid¬modellen reduziert werden. CFPM2 lässt sich einfach in vorhandene MODFLOW Modelle einbinden, z. B. zur Berechnung von Transportprozessen. Parameterstudien für ein idealisiertes Karsteinzugsgebiet zeigen, dass Kontinuummodelle bei Berücksichtigung der turbulenten Strömung sowie des zusätzlichen hydraulischen Widerstand zwischen Röhren und Matrix, Karstsysteme ähnlich wie Hybridmodelle darstellen. Zur Simulation von instationären Prozessen in Karströhren, z. B. ausgeprägte Abflusssignale infolge pulsförmiger Grundwasserneubildung, ist es notwendig, dynamische Prozesse infolge Freispiegelabfluss, Wellenausbreitung sowie Wechsel zwischen Abfluss in teil- und vollgefüllten Röhren zu berücksichtigen. Aus diesem Grund wurde das numerische Modell MODBRANCH, welches ein diskretes Oberflächenwassermodell mit einem Kontinuummodell koppelt, so angepasst, dass instationäre und nichtgleichförmige Abflussprozesse in Karströhren berücksichtigt werden können. Der Abfluss in diskreten Röhren wird dabei mit den Saint-Venant-Gleichungen für Freispiegelabfluss berechnet. Im Gegensatz zu Oberflächengewässern ist der für den Abfluss zur Verfügung stehende Querschnitt in Karströhren limitiert, so dass sowohl Freispiegel- als auch Druckabfluss innerhalb der Röhren auftreten kann. Druckabfluss wird mit Hilfe eines schmalen virtuellen Schlitzes an der Röhrenoberkante simuliert (Preissmann Schlitz), der auch im Fall vollgefüllter Röhren die Anwendung der Gleichungen für Freispiegelabfluss erlaubt. Durch die Verwendung eines variablen Zeitschrittes kann die geänderte Dynamik beim Übergang von Freispiegel- zu Druckabfluss berücksichtigt werden. Parameterstudien für idealisierte, synthetische Karsteinzugsgebiete demonstrieren die Bedeutung der Berücksichtigung von Freispiegelabfluss in teilgefüllter Röhren.