Markierung s technik. Geohydrologische. Prof. Dr. habil. Werner KASS überarbeitete Auflage - von

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Geohydrologische

Markierung s technik

von

Prof. Dr. habil. Werner KASS

Umkirch/Lkr.Breisgau-Hochschwarzwald Freiwilliger und ständiger Mitarbeiter

im Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg mit Beiträgen von

Dipl.-Ing. H.

BEHRENS,

Dr. habil J.

FANK,

Dr. K.

GRUST,

Dr. Th.

HIMMELSBACH,

Dr. R.

HOCK,

Dr. P.

HÖHENER,

Prof. Dr. H.

HÖTZL,

Dipl.-Ökologe D.

HUNKELER,

Prof. Dr. H.

MOSER,

Dr. P. Rossi, Prof. Dr. H. D.

SCHULZ,

Prof. Dr. habil. I.

STOBER

und Dr. A.

WERNER

- 2. überarbeitete Auflage -

mit 239 Abbildungen, 43 Tabellen und 8 Farbtafeln

Gebrüder Borntraeger • Berlin • Stuttgart 2004

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Inhalt

Vorwort des Herausgebers VII Vorwort des Autors VIII 1. Einführung (W. KÄSS) 1 1.1 Einleitung ' 1 1.2 Begriffsbestimmungen 8 1.2.1 Künstliche Markierungsmittel 8 1.2.2 „Natürliche" Markierungsmittel 11 1.3 Anwendungsgebiete 11 2. Markierungsmittel (Tracer) 14 2.1 Farbstoffe (W. KÄSS) 15 2.1.1 Fluoreszenzstoffe 16 2.1.1.1 Uranin 18 2.1.1.2 Eosin 28 2.1.1.3 Rhodamin B 29 2.1.1.4 Sulforhodamin B : 31 2.1.1.5 Amidorhodamin G 33 2.1.1.6 Rhodamin WT 35 2.1.1.7 Andere Xanthenfarbstoffe 36 2.1.1.8 Pyranin 38 2.1.1.9 Natrium-Naphthionat 40 2.1.1.10 Lanaperl-Echtgelb i 41 2.1.1.11 Lissamin 42 2.1.1.12 Optische Aufheller 44 2.1.2 Nichtfluoreszierende Farbstoffe 49 2.1.3 Analytik 50 2.1.3.1 Physiko-Chemie der Fluoreszenzstoffe 50 2.1.3.2 Qualitative Untersuchung .-. 64 2.1.3.3 Quantitative Bestimmung 67 2.1.3.4 Stofftrennungen 79 2.1.3.5 Anreicherungsmethoden 87 2.1.4 Physiologie der Farbstoffe 93 2.1.4.1 Abbau von Fluoreszenzfarbstoffen in Gewässern 93 2.1.4.2 Toxikologie 98 2.2 Salze (W. KÄSS) 104 2.2.1 Natriumchlorid 106 2.2.2 Lithium .' 112 2.2.3 Kaliumchlorid 117 2.2.4 Borax 121

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X Inhalt

2.2.5 Andere Salze 124 2.3 Tenside, Geruchsstoffe und andere Chemikalien (W. KÄSS) 129 2.3.1 Tenside (oberflächenaktive Stoffe) 129 2.3.2 Geruchsstoffe 136 2.3.3 Andere Chemikalien 141 2.4 Radioaktive und aktivierungsanalytische Tracer (H. BEHRENS) 144 2.4.1 Einführung und Grundbegriffe der Radioaktivität 144 2.4.2 Der radioaktive Zerfall 145 2.4.2.1 Das Zerfallsgesetz 145 2.4.2.2 Ativitätseinheiten und Mengen von Radionukliden 146 2.4.2.3 Zerfallsarten und Eigenschaften der radioaktiven Strahlung 147 2.4.3 Die Messung der radioaktiven Strahlung 148 2.4.3.1 Strahlungsdetektoren 148 2.4.3.2 Strahlungsmesselektronik 151 2.4.3.3 Genauigkeit und Empfindlichkeit von Radioaktivitätsmessungen 151 2.4.3.4 Genauigkeit von Radioaktivitätsmessungen, Absolut- und

Relativmessungen 153 2.4.4 Aktivierungsanalytische Tracer 153 2.4.5 Auswahl von Radionukliden und aktivierungsanalytischen Tracern als

hydrologische Markierungsmittel 154 2.4.5.1 Strahlungseigenschaften 154 2.4.5.2 Chemische Eigenschaften von Radiotracern 157 2.4.6 Anwendung von Radiotracern in der geohydrologischen Praxis 158 2.4.6.1 Radioaktive Tracer in Oberflächengewässern 159 2.4.6.2 Radioaktive Tracer im Grundwasser 160 2.4.7 Schlussfolgerungen 161 2.5 Bärlappsporen (W. KÄSS) 162 2.5.1 Naturbelassene Sporen 165 2.5.2 Einfachgefärbte Sporen 166 2.5.3 Fluoreszierende Sporen 172 2.5.4 Zur Durchführung von Sporentriftversuchen , 175 2.6 Fluoreszierende Kügelchen (W. KÄSS) ; 186

2.7 Bakterien (W. KÄSS) ; 192

2.7.1 Einleitung 192 2.7.2 Anforderungen an Bakterien zur Wassermarkierung 193 2.7.3 Bakterienarten zur Wassermarkierung 193 2.7.3.1 Serratia marcescens Brno 1823 193 2.7.3.2 Escherichia coli ESCHERICH 1885 201 2.7.3.3 Andere Mikroorganismen 201 2.7.4 Einsatzgebiete 203 2.7.4.1 Kluftgrundwasserleiter 203 2.7.4.2 Porengrundwasserleiter 204 2.7.4.3 Karstwasser 205 2.7.4.4 Ungesättigte Zone 207 2.7.4.5 Säulenversuche , 207 2.7.4.6 Oberflächengewässer 208 2.7.4.7 Küstengewässer 208 2.8 Phagen (P. Rossi & W. KÄSS) 209 2.8.1 Einleitung 209

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Inhalt XI 2.8.2 Was sind Bakteriophagen? 210 2.8.3 Phagen als hydrologische Markierungsmittel 211 2.8.4 Die Vorbereitung der Phagensuspension 213 2.8.5 Umwelteinflüsse auf das Überleben von Phagen 213 2.8.6 Probennahme, Probentransport, Probenlagerung und Phagenzählung in

Wasserproben 216 2.8.7 Anwendungsgebiete für Phagenmarkierungen 221 2.8.8 Die natürliche Verbreitung von Phagen 232 2.8.9 Bewertung von Phagen als Markierungsmittel 232 2.9 Geobombe (W. KÄSS) 233 2.10 Andere Triftkörper (W. KÄSS) 234

2.11 Umweltisotope (H. MOSER) 238

2.11.1 Einleitung 238 2.11.2 Nachweis, Vorkommen und Verhalten im Wasserkreislauf der derzeit für

hydrologische Untersuchungen verwendeten Umweltisotope 239 2.11.2.1 Deuterium (2H) und Sauerstoff-18 (18O) 240 2.11.2.2 Tritium (³H) 242 2.11.2.3 Edelgasisotope (3He, 4He,39Ar, 85Kr) 243 2.11.2.4 Kohlenstoff-13 und -14 (13C, 14C) 246 2.11.2.5 Chlor-36 (36C1) 247 2.11.2.6 Schwefel-34 (³⁴S) und Stickstoff-15 (¹⁵N) 248 2.11.3 Spezielle Auswerteverfahren von Umweltisotopen-Messungen 251 2.11.3.1 Radioaktiver Zerfall 251 2.11.3.2 Input-Output-Modelle zur Bestimmung von Grundwasserverweil-

zeiten 251 2.11.3.3 Bereiche und Genauigkeit der Grundwasserdatierung mit Umwelt-

isotopen. 255 2.11.3.4 Bestimmung von Mischwasser-Komponenten 258 2.11.3.5 Weitere hydrologische Aussagen 259 2.11.3.6 Schlussbemerkungen 259 2.12 Umweltchemikalien (W. KÄSS) 260 2.12.1 Schleichende Stoffabgabe ., 260 2.12.2 Grundwasser-Schadensfälle 263 2.13 Umweltorganismen (W. KÄSS) 266 2.14 Physikalische Umwelteinflüsse (W KÄSS) 267 3. Vorbereitung und Durchführung von Markierversuchen (W. KÄSS) 269 3.1 Vorerkundungen und Vorerhebungen 269 3.2 Die Versuchsvorbereitung 270 3.2.1 Rechtliche Fragen 270 3.2.2 Auswahl der Eingabestellen 271 3.2.3 Auswahl der Beobachtungsstellen 271 3.2.4 Auswahl des Markierungsmittels 272 3.2.5 Auswahl der Markierungsmittelmenge 277 3.2.6 Versuchsplan 279 3.3 Markierungsvorgang 279 3.3.1 Einspeisezeitpunkt 279 3.3.2 Markierungsmittel-Einspeisung 280 3.3.3 Probennahme 284

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XII Inhalt

3.4 Die Untersuchung der Proben 287 3.5 Dokumentation von Markierversuchen 288 3.6 Darstellung der Untersuchungsergebnisse 289 4. Auswertung von Markierungsversuchen (H.D. SCHULZ) 291 4.1 Physikalische Grundlagen des Stofftransports im Untergrund (H.D. SCHULZ) 291 4.1.1 Stofftransport und Dispersion 291 4.1.2 Der Dispersions-Koeffizient 295 4.1.3 Räumliche Verteilung von Tracer-Wolken 298 4.1.4 Zeitliche Verteilung von Tracer-Wolken 301 4.1.5 Computer-Modelle zur Simulation des Stofftransports 303 4.2 Stofftransport und geochemische Reaktionen (H.D. SCHULZ) 304 4.2.1 Verteilungs-Koeffizient und Retardations-Faktor 305 4.2.2 Abbau-Reaktionen 307 4.2.3 Kationenaustausch-Reaktionen, Selektivitäten 307 4.2.4 Lösungs- und Fällungs-Reaktionen 309 4.2.5 Computer-Modelle zur Simulation des reaktiven Stofftransports 310 4.3 Auswertung von Durchgangskurven (H.D. SCHULZ) 314 4.3.1 Ermittlung der Abstandsgeschwindigkeit 314 4.3.2 Ermittlung der Dispersivitäten 317 4.3.3 Erkennen und Bewerten geochemischer Reaktionen 319 4.3.4 Auswertungsbeispiele 320 4.4 TRACI - Ein mathematisches Interpretationsmodell für Markierversuche

(A.WERNER) 322

4.4.1 Analytische Lösungen 323 4.4.2 Durchführung eines Markierungsversuches für die Auswertung mit analyti-

schen Lösungen 326 4.4.3 Bestimmung der Parameter 327 4.5 Radiohydrometrische Einbohrlochmethoden (H. MOSER) 329 4.5.1 Einleitung 329 4.5.2 Tracerverdünnungslog und Tracerflowmeter 330 4.5.3 Anwendungsbereiche 332 5. Anwendungs- und Auswertebeispiele 335 5.1 Ungesättigte Zone 335 5.1.1 Porensickerwasser - Leibnitzer Feld (J. FANK) 335 5.1.1.1 Einleitung 335 5.1.1.2 Fallbeispiel „Forschungsstation Wagna" 337 5.1.2 Müllsickerwasser - Eckenweiherhof/Mühlacker (H. HÖTZL) 343 5.1.2.1 Problemstellung und Fallbeispiel Sondermülldeponie 343 5.1.2.2 Tracereignung für Sickerwässer 346 5.1.2.3 Versuchsdurchführung und Ergebnisse 348 5.2 Karstgrundwasser (H. HÖTZL) 350 5.2.1 Besonderheiten des Einsatzes von Tracerversuchen 350 5.2.2 Entwässerungssysteme alpiner Karstareale 355 5.2.2.1 Karstplateau des Tennengebirges 355 5.2.2.2 Hochalpines Faltengebirge - Muotatal 359 5.2.3 Abgrenzung von Einzugsgebieten auf der Schwäbischen Alb 364 5.2.4 Wasserwirtschaftliche Fragen - Donauversickerung 369

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Inhalt XIII 5.3 Kluftgrundwasser 376 5.3.1 Allgemeine Betrachtungen (W. KÄSS) 376 5.3.2 Talzuschübe und Felsgleitungen (H. HÖTZL) 378 5.3.3 Tracerexperimente in einer hochdurchlässigen Störungszone des Albtalgranits

-Testgebiet Lindau im Südschwarzwald - (TH. HIMMELSBACH) 383 5.3.3.1 Einleitung 383 5.3.3.2 Hydrogeologie des Testgebietes 384 5.3.3.3 Tracer-Experimente 386 5.3.3.4 Transport-Modell 390 5.3.3.5 Ergebnisse der Markierungsversuche 396 5.3.3.6 Mehrfach-Markierungsversuche (W. KÄSS) 400 5.4 Porengrundwasser (W. KÄSS) 403 5.4.1 Hydraulik - Merdingen 403 5.4.2 Stofftransport - Savinja-Tal 407 5.4.3 Schutzgebiet Merdingen 409 5.5 Uferfiltrationsuntersuchungen 410 5.5.1 Trinkwasserschutz (H. MOSER) 410 5.5.2 Schadstoffausbreitung - Böckinger Wiesen, Heilbronn/Südwestdeutschland

(H. HÖTZL) 414

5.5.3 Quantifizierung im Kluftwasser (W. KÄSS) 421 5.6 Tiefenwässer (W. KÄSS) 423 5.6.1 Tiefenwasserzirkulation - Saulgau 423 5.6.2 Ölfeldwässer - Steimbke 426 5.7 Gletscherabfluss (K. GRUST & R. HOCK) 428 5.7.1 Einführung. 428 5.7.2 Das Entwässerungssystem eines Gletschers 429 5.7.3 Methodische Hinweise 430 5.7.4 Auswertung der Tracerdurchgangskurve 434 5.7.5 Ergebnisse aus der Forschung 438 5.7.5.1 Künstliche Tracer 438 5.7.5.2 Natürliche Tracer 444 5.7.6 Schlussfolgerung und Ausblick ••. 445 5.8 Oberflächengewässer (K. GRUST) \ 445 5.8.1 Fließgewässer 445 5.8.1.1 Methodische Hinweise 446 5.8.1.2 Abflussmessung 447 5.8.1.3 Transport gelöster Stoffe 451 5.8.1.4 Geschiebetransport 452 5.8.1.5 Gewässerökologische Untersuchungen 455 5.8.1.6 Bestimmung der Wiederbelüftungsrate eines Flusses 456 5.8.2 Stehende Gewässer 457 5.8.3 Küstengewässer und Ozeane 461 5.9 Ingenieurwesen 461 5.9.1 Dichtheitsprüfung (W. KÄSS) 462 5.9.2 Tiefbohrtechnik (W. KÄSS) 464 5.9.3 Hydraulische Tests (I. STOBER) 465 5.9.4 Verteilungstracer (D. HUNKELER & P. HÖHENER) 469 Schrifttumsverzeichnis 474

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XIV Inhalt

Anhang

Umrechnungstabelle 520 Farbtafeln I-VIII 521 Register

Ortsregister 529 Sachregister 533 Glossar Deutsch/Englisch - English/German 540