BGR Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe

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Methodenkompetenz zur Bestimmung, Bewertung und Nutzung des Alters von Grundwässern

Land / Region: Deutschland

Projektanfang: 01.02.2020

Projektende: 30.03.2027

Projektstand: 15.01.2024

Anlass und Ziele
Unter Grundwasseraltern bzw. der Verweilzeit von Grundwasser versteht man generell den Zeitraum, den das Wasser von der Versickerung in den Boden bis zur Beprobung im Untergrund im Wasserkreislauf verbracht hat. Die Kenntnis des Grundwasseralters verbessert im Allgemeinen das Verständnis für die Dynamik von Grundwassersystemen. So ist das Grundwasseralter beispielsweise eine wichtige Größe zur Bewertung von Grundwasserneubildungs- und Fließprozessen, zur räumlichen Differenzierung zwischen mobilem und stagnierendem Grundwasser sowie zur Abschätzung der Vulnerabilität von Grundwasserleitern. In Deutschland und weltweit ist die Erfassung von Grundwasseraltern lückenhaft und konzentriert sich sich in vielen Fällen auf oberflächennahe, wasserwirtschaftlich genutzte Grundwasserleiter.

Ziel des Vorhabens ist es, Grundwasseraltersdaten in effizienter Weise verfügbar zu machen und Methoden hinsichtlich der Nutzung von Grundwasseraltern weiter auszubauen. Neugewonnene Erkenntnisse und Daten sollen insbesondere für die Erkundung tiefer Grundwasserleiter (Schwerpunkte Deutschland und Afrika) und bei der zukünftigen Erkundung potentieller Endlagerstandorte (§22 StandAG) eingesetzt werden. Ferner können sie für die Modellierung der Grundwasseraltersverteilung, die Kalibrierung regionaler Strömungsmodelle und ggf. die Untersuchung der Ausbreitung von Schadstoffen (z.B. Nitrat) von Nutzen sein.

Gemäß § 22 StandAG ist das Grundwasseralter als ein Ausschlusskriterium definiert. Dabei gilt, dass wenn „in […] Gebirgsbereichen, die als einschlusswirksamer Gebirgsbereich oder Einlagerungsbereich in Betracht kommen, […] junge Grundwässer nachgewiesen worden [sind]“, diese als Standort für ein Endlager für hochradioaktiven Abfall auszuschließen sind. Der Datierung des Grundwassers in diesen Gebirgsbereichen in Deutschland kommt somit eine wichtige Rolle zu. Als Indikatoren für junges Grundwasser werden dabei in der Begründung zum StandAG die Konzentrationen von Tritium (3H) und Kohlenstoff-14 (14C) genannt.

Projektaktivitäten

Zeitskala von Indikatoren zur GrundwasseraltersdatierungZeitskala von Indikatoren Quelle: BGR

Datensammlung
Ein Kernelement des Projekts besteht darin, auf dem Gebiet der Bundesrepublik Deutschland vorhandene Altersdatierungen des Grundwassers zu recherchieren und sie in Projekten der relationalen Datenbank (AQUA) zu speichern und für statistische und räumliche wissenschaftliche Fragestellungen dokumentiert und langzeitgesichert bereitzustellen. Die Daten zur Altersdatierung umfassen Tritium, Tritium-Helium (3H/3He), 14C sowie in deutlich geringerer Zahl Schwefelhexafluorid (SF6) und Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKWs) sowie die Edelgasisotope (z.B. 4He, 39Ar, 85Kr, 81Kr). Neben den Altersdaten werden, soweit verfügbar, Begleitdaten wie Koordinaten, Entnahmetiefe, Art der Messstelle und Beprobungsdatum digital erfasst. In begrenztem Umfang ist zur Vervollständigung der Datenbank und Methodenentwicklung eine Neubeprobung auf Hydrochemie und Altersdatierung vorgesehen. Dies betrifft speziell alte Grundwässer in größerer Tiefe und ausgewählten Gebieten.

Regionale Auswertungen von Grundwassersystemen
Die vorhandenen Daten werden für regionale Auswertungen von Grundwassersystemen (Skale: hydrogeologische Großräume) herangezogen. Die Untersuchungen konzentrieren sich dabei auf die norddeutsche Tiefebene und Gebiete mit Buntsandstein in Süddeutschland.

  • In der norddeutschen Tiefebene konnte in Zusammenarbeit u. a. mit der Universität Bremen und der Universität Oldenburg ein einzigartiger großer Datensatz von Grundwasserproben auf Tritium- und Heliumisotope aus den letzten 20 Jahren ausgewertet werden (Desens et al. 2023). Dabei wurden die vielfältigen natürlichen und technischen Einflüsse auf das Tritium-Helium-Alter, wie z.B. Filtertiefe und –länge der beprobten Brunnen, Grundwasserneubildungsrate und klimatische Effekte untersucht. Bis zu einer Beprobungstiefe von ~40 m unter Gelände steigt das mittlere Tritium-Helium-Alter fast linear mit der Tiefe an und erreicht ein Maximum von 40 Jahren. Darunter steigt der Anteil an älterem, Tritium-freiem Wasser an. Die regionale Verteilung für flache Brunnen zeigt, dass das Tritium-Helium-Alter von Westen nach Osten zunimmt, was mit der abnehmenden Grundwasserneubildung aufgrund des kontinentaleren Klimas im Osten zusammenhängt.
  • Aktuell liegt der Schwerpunkt auf der vollständigen Digitalisierung und Auswertung von Daten, die aus Brunnen im Buntsandstein (Unter- bis Mitteltrias) in Baden-Württemberg und im Westen Bayerns vorliegen. Bei dieser Untersuchung steht die Charakterisierung der Grundwässer im Deckgebirge des Kristallin im Fokus.

Literatur:

Fachberichte

NEUKUM, C., SEIBERT, S., POST, V.E.A., KÖNIGER, P., BÄUMLE, R., DESENS, A. & HOUBEN, G. (2020): Standortauswahl - Ausschlusskriterium Grundwasseralter, Abschlussbericht. 127 S.; BGR, Hannover. (PDF, 2 MB)

Veröffentlichungen (peer-reviewed)

  • BÄUMLE, R., PURTSCHERT, R., MUELLER, P., KREKELER, T., ZAPPALA, J.C., MATSUMOTO, T., GRÖGER-TRAMPE, J., KOENIGER, P., VOCKENHUBER, C., ROMEO, N. & MABRY, J. (2024): New insights into the flow dynamics of a deep freshwater aquifer in the semi-arid and saline Cuvelai-Etosha Basin, Northern Namibia: Results of a multi-environmental tracer study. - Journal of Hydrology: Regional Studies, 52, 101721. DOI: 10.1016/j.ejrh.2024.101721
  • DESENS, A., HOUBEN, G., SÜLTENFUß, J., POST, V. & MASSMANN, G. (2023): Distribution of tritium-helium groundwater ages in a large Cenozoic sedimentary basin (North German Plain). - Hydrogeology Journal, 31, 621-640. DOI: 10.1007/s10040-023-02600-1

Kontakt:

    
Dr. Roland Bäumle
Tel.: +49-(0)511-643-2394

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