Die Erkundung und Charakterisierung der unterirdischen Einzugsgebiete gehören zu den zentralen Aufgabengebieten der hydrogeologischen Praxis. Die Erfassung und Ausnutzung von Schwankungen in den chemisch-physikalischen Eigenschaften der Grundwässer bildet dabei einen Grundpfeiler zahlreicher Studien. Ausgelöst werden diese Variationen u.a. durch den Zustrom von Niederschlagswässern in die Grundwassersysteme. Dies kann sowohl infolge des natürlichen Versickerungsprozesses geschehen oder aber technischen Ursprungs sein (z.B. künstliche Grundwasseranreicherung). Niederschlagswässer unterscheiden sich - als Endprodukt des natürlichen meteorologi-schen Destillationsprozesses - bezüglich ihrer Salinität (Mineralgehalt) und ihrer Isotopie zumeist deutlich von natürlichen Grund- und Oberflächenwässern. Die meisten Monitoring- und Erkundungskonzepte, welche derartige Unterschiede ausnutzen, beinhalten daher oft eine Kombination mehrerer Analyseverfahren, wie z.B. die Identifizierung des isotopischen Fingerabdruckes mittels Stabilisotopenanalytik sowie die Bestimmung der Salinität über z.B. Konduktometrie oder Ionenanalysen. Niederschlagswässer, Grundwässer sowie das poröse Medium selbst sind jedoch Materialien natürlichen Ursprungs und daher physikochemisch betrachtet eher komplexe Systemkomponenten. Ein perfekt konservatives Migrationsverhalten ohne Beeinflussungen ist daher nicht zu erwarten; ebenso wenig ist davon auszugehen, dass die messtechnische Erfassung stets einwandfrei verläuft.
Vor diesem Hintergrund setzt sich diese Dissertationsschrift kritisch mit dem Einfluss von Messunsicherheiten und Signalmodifikationen auf die Qualität der Nachverfolgung dieser Wässer auseinander. Hierfür wird das Niederschlagswasser als de-facto künstlicher Grundwassertracer behandelt und bezüglich der Anforderungen an diese Tracer-Gruppe bewertet. In mehreren Experimenten und Modellsimulationen auf Labor- und Feldskala wird zudem gezeigt, welche speziellen Anforderungen bei der Nutzung von Regenwässern und Schneeschmelzen als Tracer bestehen. Die Untersuchungsergebnisse verdeutlichen zum einen, dass die technischen Limitationen der Stabilisotopenanalytik bei der Auswertung von Versuchen mit natürlichen Niederschlags-wässern zwingend zu berücksichtigen sind, da sich die begrenzten isotopischen Unterschiede i.d.R. nur um wenige Vielfache vom Hintergrundrauschen der Messung unterscheiden. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die Eineindeutigkeit der invers ermittelten Parameter. Des Weiteren ist zu beachten, dass die stabilen Isotope, obwohl durch ein nahezu inertes Verhalten geprägt, dennoch physikalisch bedingten Transferprozessen unterliegen, welche wiederum von Experimentalbedingungen wie z.B. der Temperatur beeinflusst werden. Außerdem wird offenbart, dass die Migration der sehr gering mineralisierten und chemisch folglich untersättigten Wässer im porösen Medium von chemischen Umwandlungsprozessen (u.a. Mineralreaktionen, Ionenaustausch) z.T. erheblicher Intensität begleitet wird. Diese Reaktionen führen u.a. zur Modifikation des Proxy-Parameters ‚elektrische Leitfähigkeit‘.:Erklärung (mit Auflistung der Veröffentlichungen)
Kurzzusammenfassung / Abstract (English)
Thesen der Dissertation
Danksagung und Förderinformationen
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungs- und Symbolverzeichnis
1 Einleitung / Hintergrund
1.1 Motivation dieser Arbeit
1.2 Forschungsfragen im Kontext des Projektes „Regen als Grundwassertracer“
1.3 Struktur dieser Arbeit
1.4 Hinweis zum kumulativen Charakter dieser Arbeit
2 Theorie I - Markierungsversuche und Parameterermittlung im wassergesättigten, porösen Medium
2.1 Beschreibung von Lockersedimenten als poröse Medien
2.2 Hydrogeologische Markierungsversuche
2.3 Parameterermittlung anhand von Observationsdaten aus Markierungsversuchen
3 Theorie II - Die stabilen Isotope des Wassermoleküls und ihre Nutzung
3.1 Definitionen, Konventionen und Unsicherheiten
3.2 Wassermoleküle in der Hydrosphäre
3.3 Anwendungen in der Hydrogeologie
4 Methodik
4.1 Vorwort zur Methodik / Übersicht zu den Untersuchunge
4.2 Bestimmung der Stabilisotopensignaturen mittels IRMS
4.3 Konduktometrie zur Bestimmung des EC-Wertes
4.4 Verfahren zur Bestimmung weiterer Messgrößen und Parameter
4.5 Versuchsaufbauten auf Laborskala
4.6 Feldstandorte
4.7 Modellsysteme / Modellcodes
4.8 Weitere Hinweise zu den Untersuchunge
5 Variabilität der Quantität und δ2H-/δ18O-Isotopie von Niederschlagswässern
5.1 Zweck dieses Kapitels
5.2 Herkunft der analysierten Daten
5.3 Niederschlagsmengen und Schneehöhen (DAT1)
5.4 Verteilung der Isotopensignaturen (DAT2)
5.5 Dämpfung des Jahresganges / Berücksichtigung der Überdeckung
5.6 Bewertung / Zwischenfazit
6 Bewertung des Transportverhaltens und der Stabilität von Niederschlagswässern im porösen Medium
6.1 Zweck dieses Kapitels
6.2 Durchströmungsversuche mit künstlicher Isotopenmarkierung (LAB1)
6.3 Durchströmungsversuche mit natürlichen Niederschlagswässern (LAB2, LAB3)
6.4 Bedeutung des isotopischen Signal-Rausch-Verhältnisses (MOD1)
6.5 Batchversuche zur weiteren Stabilitätsbewertung (LAB4, LAB5)
6.6 Modellgestützte Analyse der beobachteten EC-Wert-Modifikation (MOD2)
6.7 Bewertung / Zwischenfazit
7 Bewertung des Transportverhaltens auf kleiner Feldskala
7.1 Zweck dieses Kapitels (inklusive Verfahrensauswahl)
7.2 Feldskala-Vorversuche mit Deuteriumoxid-Markierung (FELD1, FELD2)
7.3 Realisierung eines Feldskala-Versuchs mit Schneeschmelzwasser (FELD3)
7.4 Modellgestützte Abschätzung von Wassermengen (MOD3)
7.5 Bewertung / Zwischenfazit
8 Verhalten der δ2H-, δ18O- und EC-Signalkomponenten in komplexen Systemen
8.1 Zweck dieses Kapitels
8.2 Dynamische Mischungsberechnung im 3-Komponenten-System (LAB6)
8.3 Thermisch-bedingte Veränderungen der Transportbedingungen (LAB7)
8.4 Bewertung / Zwischenfazit
9 Abschließende Bewertung und Ausblick
9.1 Zusammenfassung der Erkenntnisse aus den Untersuchungen
9.2 Schlussfolgerungen für den aktiven Einsatz von Niederschlagswässern als Tracer
9.3 Ausblick / Empfehlungen für die künftige Forschung
Referenzliste / Literaturverzeichnis
Anhang A / Fachartikel
Hydrogeology Journal : Binder et al. (2019a) - Hauptmanuskript
Hydrogeology Journal : Binder et al. (2019a) - Ergänzungsmaterialien
Journal of Hydrology : Binder et al. (2019b) - Hauptmanuskript
Journal of Hydrology : Binder et al. (2019b) - Ergänzungsmaterialien
Water Resources Research : Binder et al. (in Revision) - Hauptmanuskript
Water Resources Research : Binder et al. (in Revision) - Ergänzungsmaterialien
Anhang B / Sonstige Ergänzungen
Erläuterung der Kernthesen sowie der ergänzenden Thesen
Peer-Review-Veröffentlichungen als Co-Autor mit Nennung in dieser Arbeit
Zu Kapitel 2 – Theorie
Zu Kapitel 5 – Datenrecherche
Zu Kapitel 6 – Laborskala-Untersuchungen
Zu Kapitel 7 – Feldskala-Untersuchungen
Zu Kapitel 8 – Verhalten in komplexen Systemen / The exploration and characterization of subsurface catchments is one of the central tasks in hydrogeology. Here, exploiting detected fluctuations in the chemical-physical properties of the groundwater is a cornerstone of numerous studies. These variations are triggered, among others, by precipitation waters flowing into the groundwater systems. This can happen either due to the natural infiltration process or as a result of technical applications (e.g., as part of artificial groundwater recharge). Being the end product of the natural meteorologically induced distillation process, typical precipitation waters differ from natural groundwater and surface waters in terms of their mineral content (salinity) and their isotopic signatures. Therefore, most monitoring and exploration concepts, which exploit such differences, employ a combination of several analytical methods, such as the identification of the isotopic fingerprint by stable isotope analysis and salinity determination by, e.g., conductometry or ion analysis. However, precipitation waters, groundwaters as well as the porous medium itself are materials of natural origin and, therefore, are physicochemically rather complex system components. Hence, an unmodified and perfectly conservative migration behaviour is not to be expected; it is equally unlikely that the analytical detection procedure always runs smoothly.
In this context, this doctoral dissertation gives a critical assessment on the influence of analytical uncertainties and signal modifications on the overall quality of the water tracing. For this purpose, precipitation water is treated as de-facto artificial groundwater tracer and evaluated according to the requirements defined for this tracer group. Furthermore, experiments and model simulations were carried out on the laboratory and on the field scale to assess which special requirements must be complied when rain waters or snowmelt waters are used as tracers. The investigations show on the one hand, that technical limitations of stable isotope analysis must be considered in the evaluation of tests with natural precipitation waters, as the limited isotopic differences typically differ only a fewfold from the background noise of the measurement device. This has a significant impact on the quality of the inversely determined parameters. Furthermore, it is highlighted that the stable isotopes, although showing an almost inert migration behaviour, are still subject to physically induced transfer processes. These transfer processes, in turn, depend on various experimental conditions such as temperature. Finally, it was found that the migration of the low mineralized waters in the po-rous medium is accompanied by a suite of chemical reactions (e.g. mineral reactions, ion exchange), which in turn lead to a modification of the proxy parameter 'electrical conductivity'.:Erklärung (mit Auflistung der Veröffentlichungen)
Kurzzusammenfassung / Abstract (English)
Thesen der Dissertation
Danksagung und Förderinformationen
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Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungs- und Symbolverzeichnis
1 Einleitung / Hintergrund
1.1 Motivation dieser Arbeit
1.2 Forschungsfragen im Kontext des Projektes „Regen als Grundwassertracer“
1.3 Struktur dieser Arbeit
1.4 Hinweis zum kumulativen Charakter dieser Arbeit
2 Theorie I - Markierungsversuche und Parameterermittlung im wassergesättigten, porösen Medium
2.1 Beschreibung von Lockersedimenten als poröse Medien
2.2 Hydrogeologische Markierungsversuche
2.3 Parameterermittlung anhand von Observationsdaten aus Markierungsversuchen
3 Theorie II - Die stabilen Isotope des Wassermoleküls und ihre Nutzung
3.1 Definitionen, Konventionen und Unsicherheiten
3.2 Wassermoleküle in der Hydrosphäre
3.3 Anwendungen in der Hydrogeologie
4 Methodik
4.1 Vorwort zur Methodik / Übersicht zu den Untersuchunge
4.2 Bestimmung der Stabilisotopensignaturen mittels IRMS
4.3 Konduktometrie zur Bestimmung des EC-Wertes
4.4 Verfahren zur Bestimmung weiterer Messgrößen und Parameter
4.5 Versuchsaufbauten auf Laborskala
4.6 Feldstandorte
4.7 Modellsysteme / Modellcodes
4.8 Weitere Hinweise zu den Untersuchunge
5 Variabilität der Quantität und δ2H-/δ18O-Isotopie von Niederschlagswässern
5.1 Zweck dieses Kapitels
5.2 Herkunft der analysierten Daten
5.3 Niederschlagsmengen und Schneehöhen (DAT1)
5.4 Verteilung der Isotopensignaturen (DAT2)
5.5 Dämpfung des Jahresganges / Berücksichtigung der Überdeckung
5.6 Bewertung / Zwischenfazit
6 Bewertung des Transportverhaltens und der Stabilität von Niederschlagswässern im porösen Medium
6.1 Zweck dieses Kapitels
6.2 Durchströmungsversuche mit künstlicher Isotopenmarkierung (LAB1)
6.3 Durchströmungsversuche mit natürlichen Niederschlagswässern (LAB2, LAB3)
6.4 Bedeutung des isotopischen Signal-Rausch-Verhältnisses (MOD1)
6.5 Batchversuche zur weiteren Stabilitätsbewertung (LAB4, LAB5)
6.6 Modellgestützte Analyse der beobachteten EC-Wert-Modifikation (MOD2)
6.7 Bewertung / Zwischenfazit
7 Bewertung des Transportverhaltens auf kleiner Feldskala
7.1 Zweck dieses Kapitels (inklusive Verfahrensauswahl)
7.2 Feldskala-Vorversuche mit Deuteriumoxid-Markierung (FELD1, FELD2)
7.3 Realisierung eines Feldskala-Versuchs mit Schneeschmelzwasser (FELD3)
7.4 Modellgestützte Abschätzung von Wassermengen (MOD3)
7.5 Bewertung / Zwischenfazit
8 Verhalten der δ2H-, δ18O- und EC-Signalkomponenten in komplexen Systemen
8.1 Zweck dieses Kapitels
8.2 Dynamische Mischungsberechnung im 3-Komponenten-System (LAB6)
8.3 Thermisch-bedingte Veränderungen der Transportbedingungen (LAB7)
8.4 Bewertung / Zwischenfazit
9 Abschließende Bewertung und Ausblick
9.1 Zusammenfassung der Erkenntnisse aus den Untersuchungen
9.2 Schlussfolgerungen für den aktiven Einsatz von Niederschlagswässern als Tracer
9.3 Ausblick / Empfehlungen für die künftige Forschung
Referenzliste / Literaturverzeichnis
Anhang A / Fachartikel
Hydrogeology Journal : Binder et al. (2019a) - Hauptmanuskript
Hydrogeology Journal : Binder et al. (2019a) - Ergänzungsmaterialien
Journal of Hydrology : Binder et al. (2019b) - Hauptmanuskript
Journal of Hydrology : Binder et al. (2019b) - Ergänzungsmaterialien
Water Resources Research : Binder et al. (in Revision) - Hauptmanuskript
Water Resources Research : Binder et al. (in Revision) - Ergänzungsmaterialien
Anhang B / Sonstige Ergänzungen
Erläuterung der Kernthesen sowie der ergänzenden Thesen
Peer-Review-Veröffentlichungen als Co-Autor mit Nennung in dieser Arbeit
Zu Kapitel 2 – Theorie
Zu Kapitel 5 – Datenrecherche
Zu Kapitel 6 – Laborskala-Untersuchungen
Zu Kapitel 7 – Feldskala-Untersuchungen
Zu Kapitel 8 – Verhalten in komplexen Systemen
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:73170 |
| Date | 17 December 2020 |
| Creators | Binder, Martin Ortwin |
| Contributors | Liedl, Rudolf, Dietrich, Peter, Vienken, Thomas, Stefan, Catalin, Technische Universität Dresden, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.1016/j.jhydrol.2019.123982, 10.1007/s10040-018-01917-6, info:eu-repo/grantAgreement/Deutsche Forschungsgemeinschaft/Sachbeihilfe/275519227//Regen als Grundwassertracer/Regentracer |
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