Joseph Hölscher
Stickstoffbilanz für ein durch Kiesgewinnung gestörtes Grundwasser in einem Wassereinzugsgebiet
Zusammenfasssung
Mit den Untersuchungen zum Stickstoffhaushalt in einem vielfältig und intensiv genutzten Grundwassergewinnungsgebiet liegen Ergebnisse vor, die das Ausmaß der Stickstoffbelastung im Grundwasser, die einzelnen Stoffquellen und die Nitratabbauprozesse im Grundwasser beschreiben. Im ausgewählten Untersuchungsgebiet besteht, wie in vielen anderen Regionen, eine Nutzungskonkurrenz zwischen der Trinkwassergewinnung, der Landwirtschaft und dem Kiesabbau. Das Wasserwerk fördert derzeit über 25 Mio. cbm Wasser pro Jahr aus einem quartären Grundwasserleiter, der bis maximal 50 Meter mächtig ist.
Basis der Untersuchungen sind langfristig beobachtete hydrologische Daten, hydrochemische Meßreihen der Jahre 1986 bis 1990 für die Gewässersysteme, Rohwasserdaten des Wasserwerksbetreibers sowie Erhebungen zur Flächennutzung im Untersuchungsgebiet.
Zur Beschreibung des Stickstoffhaushaltes wird ein einfacher, auf vergleichbare Gebiete übertragbarer Bilanz-Ansatz (Black-Box) getestet, der alle Stoffströme erfasst, die in das Schutzgebiet hineingehen, bzw. das Schutzgebiet verlassen. Auf der Grundlage der Meßdaten werden Frachten für das fließende Grundwasser, für die oberirdischen Gewässer, für die Stoffverlagerung aus dem Oberboden und für den Stoffeintrag mit den Niederschlägen berechnet. Die Bilanzierungen für das Schutzgebiet und den Grundwasserleiter im Schutzgebiet erstrecken sich auf die Parameter Stickstoff, Sulfat und Chlorid. Grundlage ist die Wasserbilanz für den Untersuchungszeitraum.
Die durchgeführten Grundwasserbeprobungen erlauben es, Rückschlüsse auf regional bestimmende geochemische Bedingungen und unterschiedlich einwirkende Nutzungseinflüsse zu ziehen. Der Grundwasserkörper kann in der Schutzzone in 7 Regionen mit jeweils unterschiedlichen hydrochemischen Eigenschaften unterteilt werden. Deutlich wird die Wirkung der Kiesteiche auf die Hydrochemie im Aquifer. Im westlichen Teil des Okertales werden ebenso wie in den Seitentälern Sauerstoffgehalte um 0 mg/L angetroffen. Im Grundwasser herrscht ein reduzierendes Milieu. Es ist anzunehmen, dass dies den Ursprungszustand des Aquifers im Okertal darstellt. Das Grundwasser im östlichen Teil des Okertales wird beim Durchfließen der Kiesteiche mit Sauerstoff angereichert und bis zur Aquifersohle belüftet. Dadurch erfolgt eine Verschiebung vom ursprünglichen reduzierenden zu einem oxidierenden Zustand des Grundwassers. Dadurch werden u.a. alle ablaufenden Redox-Reaktionen und das Kalk-Kohlensäuregleichgewicht im Grundwasser beeinflusst. Aus landwirtschaftlich genutzten Flächen im Einzugsgebiet angeliefertes Nitrat, das zum Teil im reduzierenden Milieu des Grundwasserleiters denitrifikativ abgebaut wird, kann in den belüfteten Grundwasserbereichen nicht mehr denitrifiziert werden. Der Ablauf der Denitrifikationsprozesse wird im Grundwasser im wesentlichen von den Sauerstoffgehalten gesteuert. Die durch den Kiesabbau verursachten hydrochemischen Milieuveränderungen im Grundwasser haben die Nitratgehalte in einigen Förderbrunnen des Wasserwerkes stark ansteigen lassen.
Die Abgrenzung der einzelnen Grundwassertypen wird durch Isotopenuntersuchungen gestützt. Deuterium-Werte und Delta180-Werte erlauben die Zuordnung einzelner Grundwasserproben mit ähnlicher isotopischer Zusammensetzung. Darüber hinaus wurden Isotopen (14C und 3H) zur Festlegung des Grundwasseralters und der mittleren Verweilzeit des Grundwassers bestimmt. Nach einer Sonderuntersuchung an zwei Brunnenreihen können über die zeitlich und örtlich variierenden Gehalte an Delta 180 sowie der Grundwassertemperatur Aussagen über die Fließverhältnisse in diesem Bereich getroffen werden.
Die Stickstoffbilanz des Grundwasserleiters zeigt starke Eintragsüberschüsse gegenüber den Austrägen auf. Der errechnete Überschuss wird im Aquifer durch Denitrifikationsreaktionen abgebaut und als molekularer Stickstoff in die Atmosphäre abgegeben. Bei der Betrachtung von Teilregionen, in denen das Grundwasser infolge der Auskiesungen oxidierende Milieubedingungen aufweist, ist die Stickstoffbilanz nahezu ausgeglichen. Gasförmige Austräge finden hier offensichtlich kaum mehr statt. Nach Auswertung der hydrochemischen Grundwasserdaten und der Ergebnisse der Stickstoffbilanzen erfolgen im Grundwasserleiter vermutlich Denitrifikationsreaktionen, an denen heterotrophe und autotrophe Mikroorganismen beteiligt sind. Die Reaktionen erfolgen vermutlich zum Teil zeitgleich.
Entsprechend den Eintragsüberschüssen der Stickstoffbilanz weist die Sulfatbilanz einen hohen Austragsüberschuss auf. Der Überschuss kann geogenen Ursprungs sein, oder durch Sulfatbildung bei der mikrobiellen Denitrifikation mit Pyrit als Reduktionsmittel verursacht sein.
Die Ergebnisse der Arbeit zeigen, dass es möglich ist, über Bilanzierungen Ausmaß und Art der im Aquifer ablaufenden Stofftransport- und Stoffumsatzvorgänge abzuschätzen. Die Untersuchungen zum Stoffumsatz im Grundwasserleiter erstrecken sich auf den Stickstoffumsatz und auf die Berechnung thermodynamischer Gleichgewichte. Infolge der Komplexizität des Grundwasserleiters und der sich vielfach überlagernden Einflüsse konnten mit dem gewählten Ansatz keine Aussagen zur Kinetik der Denitrifikation im Grundwasser getroffen werden. Die Lösung dieser Frage, die eine genauere Analyse des hydraulischen Grundwassersystems erfordert, muss weiterführenden Untersuchungen vorbehalten bleiben