ISOMETH: Methodenvergleich Tritium, Tritium-Helium, Schwefelhexafluorid (SF6), Krypton-85
Projektleitung
Martin Kralik
Forschungseinrichtung
Umweltbundesamt GmbH
Projektnummer
100816Projektlaufzeit
-
Finanzierungspartner
Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft
Allgemeine Projektinformationen
Abstract (deutsch)
Im Projekt \"GW-Alter\" konnte gezeigt werden, dass sich Isotopenmethoden in Zusammenschau mit dem hydrogeologischen Modellverständnis für die Interpretation der mittleren Verweilzeit des Grundwassers für bestimmte Altersbereiche gut eignen.
Weitere Umwelttracer können für die Differenzierung jüngerer Wässer hilfreich sein, bergen jedoch aufgrund ihrer jeweiligen physikalisch-chemischen Eigenschaften die Gefahr von Fehlinterpretationen der ermittelten Wasseralter.
Untersuchungen der in der Umweltgeologie zur Abschätzung der Grundwasseralter bis ca. 50 Jahre verwendeten Isotopen (18O, 2H, 3H, 3He, 85Kr) im Vergleich mit dem für dasselbe Zeitfenster eingesetzten Umwelttracer (SF6) sollen Auskunft darüber geben, ob SF6 grundsätzlich weiterhin eingesetzt werden sollte bzw. unter welchen Bedingungen.
Weitere Umwelttracer können für die Differenzierung jüngerer Wässer hilfreich sein, bergen jedoch aufgrund ihrer jeweiligen physikalisch-chemischen Eigenschaften die Gefahr von Fehlinterpretationen der ermittelten Wasseralter.
Untersuchungen der in der Umweltgeologie zur Abschätzung der Grundwasseralter bis ca. 50 Jahre verwendeten Isotopen (18O, 2H, 3H, 3He, 85Kr) im Vergleich mit dem für dasselbe Zeitfenster eingesetzten Umwelttracer (SF6) sollen Auskunft darüber geben, ob SF6 grundsätzlich weiterhin eingesetzt werden sollte bzw. unter welchen Bedingungen.
Schlagwörter (deutsch)
Isotopen, Umwelttracer, Tritium, Tritium-Helium, Schwefelhexafluorid, Krypton-85, Grundwasser, Mittlere Verweilzeit
Titel (englisch)
Comparison of methods: tritium, tritium-helium, Sulphur hexaflouride (SF6), krypton-85
Abstract (englisch)
The project \"GW-Alter\" (\"Groundwater-Age\") demonstrated the potential of isotopic investigation in connection with the hydrogeological knowledge in interpreting groundwater ages for specific time scales.
For young goundwaters additional environmental tracers can be used with limitations in interpreting the correct groundwater ages because of their physiochemical properties.
A comparison of methods of the isotopes 18O, 2H, 3H, 3He, 85Kr and the environmenatl tracer SF6 that are used in environmental geology for estimating groundwater ages up to 50 years should clarify if SF6 can still be used and accordingly on what terms.
For young goundwaters additional environmental tracers can be used with limitations in interpreting the correct groundwater ages because of their physiochemical properties.
A comparison of methods of the isotopes 18O, 2H, 3H, 3He, 85Kr and the environmenatl tracer SF6 that are used in environmental geology for estimating groundwater ages up to 50 years should clarify if SF6 can still be used and accordingly on what terms.
Projektziele
Die Verweilzeit des Grundwassers ist ein wesentliches Kriterium bei der Bewertung von Maßnahmen zur Verminderung von Stoffeinträgen in das Grundwasser. Im Rahmen des Projektes \"GW-Alter\" werden zu diesem Zweck seit 2009 Isotopenuntersuchungen an ausgewählten Grundwasserkörpern durchgeführt. Wegweisend an diesem Projekt ist vor allem die immer wieder propagierte Zusammenschau unterschiedlicher Isotopensysteme. Neben den allgemein bekannten Isotopen des Sauerstoffs (18O) und Wasserstoffs (2H, 3H) bietet nämlich der Einsatz zusätzlicher Tracer (wie z.B. SF6) die Möglichkeit, einerseits die ermittelten Daten zu verifizieren, aber andererseits auch jene Zeitbereiche zu differenzieren, die mit den herkömmlichen Methoden nicht mehr eindeutig abzubilden sind.
Im Zuge der Tätigkeiten hat sich gezeigt, dass insbesondere Fluorkohlenwasserstoffe (CFCs) - obwohl relativ häufig eingesetzt - für derartige Fragestellungen (neben den aus der Literatur bekannten Problemen im urbanen Raum) gerade in industrialisierten Gebieten nicht eingesetzt werden sollten, weil hier Überschüsse des Gases in der Luft zu erheblichen Fehlinterpretationen des Wasseralters führen können. Damit ist der Einsatz dieser Methode in Österreich vermutlich ausschließlich in (hoch)alpinen Einzugsbereichen vertretbar.
Ebenso problematisch hat sich der Einsatz des SF6 -Tracers (unter bestimmten anthropogenen bzw. geogenen Verhältnissen) herausgestellt, wenn sich z.B. die Wassertemperatur ändert, kann das für SF6 mit seiner starken Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit Folgen haben. Die Ergebnisse innerhalb des Projektes \"GW-Alter\" waren oftmals unplausibel besonders in jungen dynamischen Grundwässern.
Im Projekt \"GW-Alter\" konnte gezeigt werden, dass sich Isotopenmethoden in Zusammenschau mit dem hydrogeologischen Modellverständnis für die Interpretation der mittleren Verweilzeit des Grundwassers für bestimmte Altersbereiche gut eignen.
Weitere Umwelttracer können für die Differenzierung jüngerer Wässer hilfreich sein, bergen jedoch aufgrund ihrer jeweiligen physikalisch-chemischen Eigenschaften die Gefahr von Fehlinterpretationen der ermittelten Wasseralter.
Untersuchungen der in der Umweltgeologie zur Abschätzung der Grundwasseralter bis ca. 50 Jahre verwendeten Isotopen (18O, 2H, 3H, 3He, 85Kr) im Vergleich mit dem für dasselbe Zeitfenster eingesetzten Umwelttracer (SF6) sollen Auskunft darüber geben, ob SF6 grundsätzlich weiterhin eingesetzt werden sollte bzw. unter welchen Bedingungen.
Im Zuge der Tätigkeiten hat sich gezeigt, dass insbesondere Fluorkohlenwasserstoffe (CFCs) - obwohl relativ häufig eingesetzt - für derartige Fragestellungen (neben den aus der Literatur bekannten Problemen im urbanen Raum) gerade in industrialisierten Gebieten nicht eingesetzt werden sollten, weil hier Überschüsse des Gases in der Luft zu erheblichen Fehlinterpretationen des Wasseralters führen können. Damit ist der Einsatz dieser Methode in Österreich vermutlich ausschließlich in (hoch)alpinen Einzugsbereichen vertretbar.
Ebenso problematisch hat sich der Einsatz des SF6 -Tracers (unter bestimmten anthropogenen bzw. geogenen Verhältnissen) herausgestellt, wenn sich z.B. die Wassertemperatur ändert, kann das für SF6 mit seiner starken Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit Folgen haben. Die Ergebnisse innerhalb des Projektes \"GW-Alter\" waren oftmals unplausibel besonders in jungen dynamischen Grundwässern.
Im Projekt \"GW-Alter\" konnte gezeigt werden, dass sich Isotopenmethoden in Zusammenschau mit dem hydrogeologischen Modellverständnis für die Interpretation der mittleren Verweilzeit des Grundwassers für bestimmte Altersbereiche gut eignen.
Weitere Umwelttracer können für die Differenzierung jüngerer Wässer hilfreich sein, bergen jedoch aufgrund ihrer jeweiligen physikalisch-chemischen Eigenschaften die Gefahr von Fehlinterpretationen der ermittelten Wasseralter.
Untersuchungen der in der Umweltgeologie zur Abschätzung der Grundwasseralter bis ca. 50 Jahre verwendeten Isotopen (18O, 2H, 3H, 3He, 85Kr) im Vergleich mit dem für dasselbe Zeitfenster eingesetzten Umwelttracer (SF6) sollen Auskunft darüber geben, ob SF6 grundsätzlich weiterhin eingesetzt werden sollte bzw. unter welchen Bedingungen.
Praxisrelevanz
Die Abschätzung von Zeithorizonten innerhalb deren Maßnahmen im Grundwasserkörper Auswirkungen zeigen, ist durch die Vorgaben der europäischen Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) bzw. des Wasserrechtsgesetzes (WRG § 30c) von großer Bedeutung, da bis zum Jahr 2015 im Grundwasser ein guter Zustand erreicht werden muss.
Bei Trinkwasserversorgungen und bei anderen Nutzungen mit landwirtschaftlich und urban geprägtem Grundwassereinzugsgebiet steht die Nitratproblematik an vorderster Stelle. Nitrat gelangt durch Versickerung aus intensiv bewirtschafteten Böden oder anderen Quellen in das Grundwasser und ggf. in das Trinkwasser.
Eine Abschätzung der Mittleren Verweilzeit (MVZ) des Grundwassers bzw. die Erkundung der natürlichen Fließwege des Grundwasserkörpers (Hydrogeologisches Konzept) ist mit Hilfe einer Kombination von isotopenhydrologischen Messungen (Sauerstoff-18, Deuterium, Tritium, Tritium/Helium-3 etc.) und Messungen von Spurengasen (SF6 etc.) sowie mit guten hydrogeologischen Grunddaten zuverlässig.
Bei Trinkwasserversorgungen und bei anderen Nutzungen mit landwirtschaftlich und urban geprägtem Grundwassereinzugsgebiet steht die Nitratproblematik an vorderster Stelle. Nitrat gelangt durch Versickerung aus intensiv bewirtschafteten Böden oder anderen Quellen in das Grundwasser und ggf. in das Trinkwasser.
Eine Abschätzung der Mittleren Verweilzeit (MVZ) des Grundwassers bzw. die Erkundung der natürlichen Fließwege des Grundwasserkörpers (Hydrogeologisches Konzept) ist mit Hilfe einer Kombination von isotopenhydrologischen Messungen (Sauerstoff-18, Deuterium, Tritium, Tritium/Helium-3 etc.) und Messungen von Spurengasen (SF6 etc.) sowie mit guten hydrogeologischen Grunddaten zuverlässig.
Berichte
Kurzfassung
Im Rahmen von systematischen Untersuchungen der Mittleren Verweil-Zeit (MVZ) in sechs Porengrundwas-serkörpern Österreichs mittels Isotopen- und Spurengasen musste festgestellt werden, dass die Verweilzeiten, die mittels des Spurengas SF6 (Schwefelhexafluorid) ermittelt wurden, überwiegend längere Perioden als die Tritium/Helium-3-Daten und die bestehenden hydrogeologischen Konzepte erwarten ließen. Um diese Unterschiede besser interpretieren zu können, wurden zwei Grundwassersituationen ausgewählt, die bereits sehr genau untersucht wurden und von denen viele ergänzende hydrologisch gut interpretierbare Daten vorlagen.
Die Messung von Tritium, Tritium/Helium-3 und Krypton-85 ergaben an der Fischa-Dagnitz-Quelle sowie an einem 300 m oberhalb liegenden Brunnen (Südl. Wr. Becken) im April 2011 Modellalter zwischen acht und zehn Jahren. Das Spurengas SF6 ergab signifikant höhere Alter von 21 Jahren. Eine nochmalige Beprobung im November 2011 mit einer neuen SF6-Probenahmeart ergab eine gute Übereinstimmung mit den Tritium/Helium-3- (April + November) und Krypton-85-Daten (April).
Die Probenahme am Lysimeter-Standort Wagna (Leibnitzer Feld) ergab für die Methoden Tritium, Tritium-Helium-3 und Krypton-85 übereinstimmende sehr geringe Modellalter von weniger als einem Jahr, jedoch die Spurengasmethode SF6 ergab mit der konventionellen Probenahme wie bereits im Jahre 2009 (21 Jahre) ein wesentlich höheres Modellalter von 16 Jahren.
Aus den vorliegenden Messungen der zwei Untersuchungsgebiete kann gefolgert werden, dass unter den in Österreich üblichen hydrologischen Bedingungen (höher liegende bewaldete Einzugsgebiete), bei der kon-ventionellen SF6-Probenahme samt anschließendem Transport SF6 verloren gehen kann und daher besonders die jungen Grundwasserproben als zu alt eingestuft werden.
Als generelle Schlussfolgerung kann angeführt werden, dass die mehrmalige Messung von Sauerstoff-18, die zweimalige Messung von Tritium und die einmalige Messung von Tritium/Helium-3 eine gute Kombination ist, die mittleren Verweilzeiten an einer Messstelle verlässlich einzustufen. Krypton-85 wird wegen des großen Probenahmeaufwandes (Extraktion von 200 L) üblicherweise nur in Einzelfällen als Ergänzung herangezogen. Auch SF6 scheint nur mit einem höheren Probenahmeaufwand (abgeschmolzene Glasampullen) gute Ergebnisse zu bringen. FCKW-Messungen waren bisher in allen Beckenlagen in Österreich kontaminiert und dürften daher nur in unberührten alpinen Lagen erfolgreich sein.
Berichtsdateien
Autor/innen
Univ. Doz. Mag. Dr. Martin Kralik; Mag. Franko Humer; Dr. Heike Brielmann (Umweltbundesamt, Abteilung Grundwasser); Dr. Jürgen Sültenfuß (Universität Bremen, Institut für Umweltphysik); Dr. Roland Purtschert; Christoph Gerber; (Universität Bern, Institut für Physik)