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Untersuchung der Nitratanreicherungsprozesse im Ntane Sandstein-Aquifer in Botsuana

Beitrag zum Projekt:

In einer Forschungskooperation zwischen der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), dem Department of Geological Survey Botswana (DGS), dem Council of Scientific and Industrial Research South Africa (CSIR) sowie dem Ministry of Agriculture, Water & Rural Development Namibia (MAWRD) arbeiten Wissenschaftler gemeinsam an der Untersuchung der Nitratanreicherung im Grundwasser semi-arider Gebiete.

Erhöhte Nitratgehalte im Grundwasser sind ein weltweit bekanntes Phänomen, das meist auf anthropogene Einflüsse in dicht besiedelten Gebieten zurückgehen. In semi-ariden unbesiedelten Gebieten kommen jedoch ebenfalls erhöhte Nitratgehalte in Grundwasser vor. Diese können jedoch nicht auf anthropogene Einflüsse zurückgeführt werden. In den Ländern des südlichen Afrika (Republik Südafrika, Namibia, Botsuana) werden lokal Nitratkonzentrationen von bis zu 600 mg/l angetroffen, die erheblich über dem Grenzwert der World Health Organization (WHO) von 50 mg/l NO3- liegen. Hohe Nitratgehalte im Grundwasser stellen ein Gesundheitsrisiko dar und belasten die ohnehin schon geringen Wasserressourcen dieser Länder.

Die Herkunft der erhöhten Nitratgehalte ist bisher nicht völlig geklärt. In der Kalahari Botswanas scheinen natürliche Anreichungsprozesse eine wichtige Rolle zu spielen. Im Rahmen des Projektes wurden diese Anreicherungsprozesse im Ntane Sandstein Aquifer näher untersucht. Dieser Aquifer hat eine erhebliche Bedeutung für die Trinkwasserversorgung und Viehzucht in der Kalahari sowie zur Wasserversorgung der Diamantminen Botswanas.

Typische Landschaft der KalahariTypische Landschaft der Kalahari Quelle: BGR

Probenahme auf einer Farm, deren Rinder durch hohe Nitratgehalte im Grundwasser starbenProbenahme auf einer Farm Quelle: BGR

Probenahme an einem BohrbrunnenProbenahme an einem Bohrbrunnen Quelle: BGR

Zur Identifizierung der Nitratquellen wurde ein integrativer Ansatz verwendet, der Methoden der Grundwasserchemie, Geochemie und Isotopenhydrologie kombiniert. In der Folge konnten natürliche Prozesse als Quelle des Nitrats im Grundwasser ausgewiesen werden. Trotz heterogener Verteilung der Nitratkonzentrationen im Aquifer wurden sehr einheitliche 15N- und 18O-NO3- -Signale im Grundwasser nachgewiesen. Diese 15N- und 18O-NO3- -Signale liegen im für Nitrate aus dem Bodenkreislauf typischen Bereich, während mögliche Nitrateinträge aus der Aquiferlithologie und durch aufsteigendes Grundwasser aus tiefer liegenden Aquiferen, sowie aus Zuflüssen aus hängenden Aquiferen im Untersuchungsgebiet vernachlässigbar klein sind.

Hydrochemische und isotopenhydrologische Untersuchungen an Grundwasserproben zeigen eine Verbindung von Nitratkonzentrationen und Grundwasserverweilzeiten auf. Mindestens zwei Grundwasserkomponenten unterschiedlicher Bildungsbedingungen und verschiedener Nitratgehalte wurden ausgewiesen:

  • Der Ca-HCO3-Typ ist deutlich mit erhöhten Nitratgehalten assoziiert. Gemäß seiner 14C-Gehalte handelt es sich um relativ junges Grundwasser.
  • Der Na-HCO3-Typ mit niedrigen Nitratkonzentrationen weist niedrigere 14C-Gehalte auf, die auf Verweilzeiten von mehreren tausend Jahren (Paläowässer) hindeuten.

Eine Verbindung zwischen Nitratgehalten und Neubildungsbedingungen wurde aufgezeigt: Grundwässer mit hohen Nitratgehalte wurden unter trockeneren Bedingungen neugebildet, während niedrige Nitratgehalte auf feuchtere Neubildungsbedingungen hindeuten. Diese Unterschiede resultieren vermutlich aus klimatischen Änderungen, da die beobachteten Grundwasserverweilzeiten im Aquifer innerhalb der Zeiträume größerer klimatischer Änderungen zu Feuchtphasen hin liegen, während hohe Nitratgehalte auf die Bindung an heutige semi-aride Bedingungen hindeuten. Die heterogene Nitratverteilung scheint nur wenig durch reaktive Prozesse wie z.B. Nitratabbau beeinflusst zu sein.

Die Ergebnisse dieser Studie können als Grundlage zum allgemeinen Verständnis der Nitratdynamik in semi-ariden Gebieten dienen.

Motorpumpe an einem Schachtbrunnen zur ViehtränkungMotorpumpe an einem Schachtbrunnen zur Viehtränkung Quelle: BGR

Arenosol-Bodenprofil mit WurzelkanälenArenosol-Bodenprofil mit Wurzelkanälen Quelle: BGR

Schematische Darstellung des Nitrateintrags ins GrundwasserSchematische Darstellung des Nitrateintrags ins Grundwasser Quelle: BGR


Literatur:

  • STADLER, S., HOYER, M.von & HIMMELSBACH, T. (2005): Natural nitrate in the Ntane sandstone aquifer: origin, fate and impacts on groundwater management. – In: Proc. Intern. Workshop on Environmental Geology in Semi-Arid Environments, Nov. 11 - 12, 2004, Selebi-Phikwe, Botswana / Department of Geological Survey (DGS), Environmental Geology Division, S. 113 – 120.
  • STADLER, S. (2006): Investigation of natural processes leading to nitrate enrichment in aquifers of semi-arid regions. – Schr. Angew. Geol. – AKG Karlsruhe, Band 71, 238 S.
  • STADLER, S., OSENBRÜCK, K., HIMMELSBACH, T. & HÖTZL, H. (2006): Einfluss verschiedener Neubildungsmechanismen auf die Wasserqualität in semi-ariden Gebieten - In: Indikatoren im Grundwasser: Kurzfassungen der Vorträge und Poster ; Tagung der Fachsektion Hydrogeologie in der DGG, Cottbus, 24. bis 28. Mai 2006, S. 93.

Kontakt:

    
Prof. Dr. Thomas Himmelsbach
Tel.: +49-(0)511-643-3794
Fax: +49-(0)511-643-2304
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