Angewandte Grundwasserchemie, Hydrogeologie und hydrogeochemische Modellierung: Grundlagen, Anwendungen und Problemlösungen

719 Pages·2018·31.03 MB·German

by  Frank Wisotzky, Nils Cremer, Stephan Lenk

Angewandte Grundwasserchemie,
Hydrogeologie und hydrogeochemische
Modellierung
Blankpage
Transpiration
Feuchtigkeits- Feuchtigkeits-
transport transport
Quelle
Quelle Versickerung
schwebendes Grundwasser
Geringleiter
Transpiration
Versickerung
Fluss oberflächennahes Grundwasser
Meer
oder
See
Geringleiter
Jahrzehnte
bis
Jahrtausende
Tiefengrundwasser
Geringleiter
Frank Wisotzky Nils Cremer Stephan Lenk
• (cid:129)
Angewandte
Grundwasserchemie,
Hydrogeologie und
hydrogeochemische
Modellierung
Grundlagen, Anwendungen
und Problemlösungen
2. Auflage
FrankWisotzky StephanLenk
FakultätfürGeowissenschaftenAngewandte Erftverband
Geologie/Hydrogeologie Bergheim
Ruhr-UniversitätBochum Deutschland
Bochum
Deutschland
NilsCremer
Erftverband
Bergheim
Deutschland
ISBN978-3-662-55557-6 ISBN978-3-662-55558-3(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-55558-3
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Danksagung
Dankenmöchteichallen,dieimRahmenvielerAusbildungs-undForschungspro-
jektezumGelingendiesesBuchesbeigetragenhaben.
Bedanken möchte ich mich zudem bei Prof. Dr. Stefan Wohnlich für die gu-
tenArbeitsmöglichkeitenamLehrstuhlAngewandteGeologiederRuhr-Universität
Bochum.
MeinDankrichtetsichauchandievielenProjektpartnerwieWasserversorgungs-
unternehmen, Bergbaufirmen, Wasserwirtschaftsverbände und Behörden, die zum
Knowhowbeigetragenhaben.
FürdieredaktionellenKorrekturengiltmeinDankFrauDr.SabineCremer.
BesondersdankenmöchteichmeinerFamilie,vorallemmeinerFrauDorothea,
fürihreUnterstützung.
V
Inhaltsverzeichnis
TeilI GrundwasserchemieundhydrogeochemischeModellierung
1 Wasserinhaltsstoffe, Grundwassertemperatur,
GrundwassermessstellentypenundQuellen.................... 3
1.1 Allgemeines ........................................ 3
1.2 Grundwasserzusammensetzung.......................... 4
1.3 Herkunft und übliche Konzentrationen von
anorganischenWasserinhaltsstoffen ...................... 9
1.4 IonenbilanzundweiterePlausibilitätskontrollenbeiWasserproben 12
1.5 Grundwassertemperatur ............................... 16
1.6 Grundwassermessstellentypen........................... 26
1.7 Quellen............................................ 29
1.7.1 Definition ................................... 29
1.7.2 Quelltypen................................... 30
1.7.3 Quellwasserchemie ............................ 34
1.8 Abhängigkeit der Grundwasserchemie von der
Gesteinszusammensetzung ............................. 39
Literatur ................................................ 41
2 ChemischeGrundlagenderanorganischenWasserchemie ........ 45
2.1 GrundlegendeBegriffederanorganischenWasserchemie ...... 45
2.2 GrundlagenanorganischerhydrogeochemischerReaktionen .... 49
2.2.1 Säure-Base-Reaktionen ......................... 50
2.2.2 Redoxreaktionen .............................. 60
2.2.3 Lösungs-Fällungs-Reaktionen .................... 68
2.2.4 Komplexbildungund-dissoziation ................. 75
2.2.5 Gas-Wasser-Reaktionen ......................... 77
2.2.6 IonenaustauschundSorption ..................... 79
Literatur ................................................ 80
3 Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht............................ 83
3.1 GrundlagendesKalk-Kohlensäure-Gleichgewichtes .......... 83
VII
VIII Inhaltsverzeichnis
3.2 BestimmungvonH2CO3∗,HCO3– undCO32– ausKS-
undKB-Werten ..................................... 88
3.3 Abschätzende Bestimmung des Kalk-Kohlensäure-
Gleichgewichtes ..................................... 90
3.4 BestimmungdesKalk-Kohlensäure-Gleichgewichtes
durchVersuche...................................... 95
3.5 pH-PufferungderKohlensäurespeziesundvonGesteinen ...... 96
3.6 BerechnungdesKalk-Kohlensäure-Gleichgewichtes .......... 98
3.7 Aufbereitung zurErzielung desKalk-Kohlensäure-
Gleichgewichtes ..................................... 101
3.8 VeränderungdesKalk-Kohlensäure-Gleichgewichtes
durchKochenoderKohlendioxidentgasung................. 104
3.9 AachenerundBurtscheiderThermalquellen ................ 114
3.10 KalkausfällungenimMono-Lake(USA)................... 116
Literatur ................................................ 120
4 ChemischeGrundlagenderorganischenHydrochemieund
desVerhaltensorganischerStoffeimUntergrund ............... 121
4.1 GrundlagenundSystematikorganischerStoffe .............. 121
4.2 StoffeigenschaftenunddarausresultierendesVerhalten
organischerStoffeimUntergrund ........................ 124
4.2.1 AggregatzuständeundStoffübergänge .............. 124
4.2.2 WasserlöslichkeitundDichte,Bildungeiner
eigenenFlüssigphase ........................... 125
4.2.3 Oktanol-Wasser-Verteilungskoeffizient,
SorptionundRetardation ........................ 129
4.2.4 VerflüchtigungindieGasphase(Übergangin
dieGrundluft/Bodenluft) ........................ 136
4.2.5 AbbauorganischerStoffe........................ 140
4.3 Beschreibung des Stoffverhaltens ausgesuchter
organischerStoffe.................................... 144
4.3.1 KettenförmigeKohlenwasserstoffe(inkl.MKW,LCKW) 144
4.3.2 Leicht flüchtige chlorierte (kettenförmige)
Kohlenwasserstoffe(LCKW,CKW,LHKW) ......... 147
4.3.3 AromatischeKohlenwasserstoffe(BTEX,PAK)....... 158
4.4 SchemazeichnungenzumVerhaltenvonLeicht-und
Schwerphasen....................................... 165
4.5 HistoriederGrundwasserbelastungmitorganischen
Stoffen(Internetrecherche) ............................. 166
Literatur ................................................ 168
5 EntwicklunghydrogeochemischerModelleinderHydrogeologie... 171
5.1 AllgemeineEinführung................................ 171
5.2 EingabeeinerWasseranalyseundSpeziesberechnungen
mitPHREEQC-2 .................................... 173
Inhaltsverzeichnis IX
5.3 ModellierungvonreversiblenGleichgewichtsreaktionen
(homogenundheterogen) .............................. 184
Literatur ................................................ 189
6 HydrogeochemiederWasseraufbereitungundBeispieleder
Modellierung............................................ 191
6.1 HydrochemiederWasseraufbereitung ..................... 191
6.2 HydrogeochemischeModellierungderProzesseinder
Wasseraufbereitung .................................. 197
Literatur ................................................ 206
TeilII SpezielleHydrogeologie/HydrochemieundWasserwirtschaft
7 AuswirkungendesdeutschenBraunkohlenbergbausauf
denChemismusdesGrundwassers–ÜberblicküberdieReviere... 209
7.1 GrundwasserverhältnisseimRheinischenBraunkohlenrevier.... 213
7.2 Pyritoxidation durch Belüftung eines Aquifer-
sediments über den trocken fallenden Filter
einer Grundwassermessstelle bei Absenkung der
Grundwasseroberfläche................................ 227
7.3 EinflussderAußenkippe„Sophienhöhe“desTagebaus
HambachaufdieGrundwasserbeschaffenheit ............... 229
7.4 ModellierungdesHydrochemismusinKippengrund-
wasserleiternundvondurchBraunkohlengewinnung
beeinflusstenOberflächengewässern ...................... 232
7.4.1 GenesedesKippengrundwasserchemismus .......... 232
7.4.2 Entwicklung des Hydrochemismus beim
ÜbertrittvonKippenwässernineinenTagebaurestsee... 240
7.5 VeränderungdesHydrochemismusdurchhydraulische
Veränderungen ...................................... 246
7.5.1 ZustromvonchloriertenKohlenwasserstoffen
zudenBrunneneinesWasserwerksaufgrund
einessümpfungsbedingtenVerschwenkensdes
Einzugsgebiets................................ 246
7.5.2 VeränderungderGrundwasserbeschaffenheit
durchbergbaubedingtenWechselderZustromrichtung.. 248
Literatur ................................................ 250
8 Wassergewinnung durch Uferfiltration und
Grundwasseranreicherung(Ruhrtal) ......................... 253
Literatur ................................................ 262
9 VersauerungsproblemeinGrundwasserleitern(Sennesande) ...... 263
Literatur ................................................ 274
10 HydrogeochemischeUntersuchungenbeiderNutzungvon
tieferenGrundwässern(Niederrhein)......................... 275
X Inhaltsverzeichnis
10.1 Untersuchungsgebiet1:VenloerScholle ................... 276
10.2 Untersuchungsgebiet2:KrefelderScholle.................. 289
Literatur ................................................ 297
11 Nitrat und weitere durch Düngung/Landwirtschaft
eingetrageneStoffe ....................................... 299
11.1 StickstoffkreislaufundlandwirtschaftlicheEinträgein
dasGrundwasser..................................... 299
11.2 DurchlandwirtschaftlicheEinträgeausgelösteProzesse
inGrundwasserleitern................................. 304
11.3 Bestimmung des Nitratabbauweges und der
AbbaukapazitätinSäulenversuchen ...................... 310
11.4 Nitratbeständigkeit–DauereinesNitratdurchbruchesin
Förderbrunnen ...................................... 313
11.5 NitratreduktionundIsotopie ............................ 313
11.6 Beispiel1:Zustromnitrathaltigenoberflächennahen
GrundwassersindaszweiteGrundwasserstockwerk
über ein „geologisches Fenster“ und Fehlen von
NitratreduktionsprozessenimGrundwasserleiter............. 315
11.7 Beispiel2:Zustromnitrathaltigenoberflächennahen
GrundwassersindaszweiteGrundwasserstockwerküber
denAusstrichderstockwerkstrennendenGeringleiter
und Ausbleiben von Nitratreduktionsprozessen im
Grundwasserleiter.................................... 318
11.8 Beispiel3:Nitratdurchbruchskurvenanverschiedenen
GrundwassermessstellenalsBelegfüreineErschöpfung
desNitratabbaupotenzials .............................. 319
11.9 Beispiel4:RückgangderNitratkonzentrationdurch
großräumigeInfiltrationnitratfreienWassers................ 320
11.10 Beispiel5:NitratverteilungundNitratreduktioninden
HalternerSanden(NRW) .............................. 323
11.11 Beispiel 6: Nitratverteilung und Nitratreduktion in
einemGrundwasserleitermitzunehmenderMächtigkeit
(Bocholt,NRW) ..................................... 331
11.12 Beispiel 7: Nitratverteilung und organotrophe
Nitratreduktion in einem Grundwasserleiter
(Rheinterrassengrundwasserleiter)........................ 334
11.13 Beispiel8:Nitratverteilungunddominanteorganotrophe
Nitratreduktionineinemgeringmächtigenquartären
Grundwasserleiter(GroßeEmsterrasse,Ostwestfalen)......... 342
11.13.1 ZielderUntersuchung .......................... 342
11.13.2 Untersuchungsgebiet ........................... 343
11.13.3 Methodik.................................... 344
11.13.4 ErgebnisseundDiskussion....................... 345
Literatur ................................................ 351