Veröffentlichungen von Mitarbeitern der OFD Hannover

 

Besondere Grundwassermeßstellen:
Interpretation einer nicht alltäglichen Leitfähigkeitsganglinie bei der Grundwasserprobennahme
Artikel im "altlasten spektrum" 1/99 (S. 48-49)

Dipl.-Geol. Dieter Horchler

Einführung

Bei der Überwachung der chemischen Zusammensetzung von Grundwässern in der Umgebung von Deponien und Altlasten werden zur verläßlichen Interpretation der Analysenergebnisse in zunehmendem Maße die Parameterveränderungen (z. B. Wasserstände sowie elektr. Leitfähigkeit, pH-Wert und Sauerstoffgehalt im Wasser) beim Abpumpen vor und während der Grundwasserprobennahme beachtet. Dazu müssen diese umfassend dokumentiert werden. Van Straaten (1992a, Abb.3 und 1992b, Abb.3) erläuterte dies am Beispiel einer elektronisch aufgezeichneten ungewöhnlichen Zeitreihe der elektrischen Leitfähigkeit, die in Abhängigkeit von der Pumprate ansteigt, abfällt und sogar einzelne Zacken aufweist (Abb.1). Angesichts dieses Kurvenverlaufs ist die gängige Forderung, vor der Grundwasserprobennahme bis zur Konstanz der Leitfähigkeit abzupumpen, zumindest für dieses Meßstellenbeispiel mit Fragezeichen zu versehen.

Der Autor hat diese Grundwasserprobennahme vor Ort geleitet. Im folgenden werden die Rahmenbedingungen, soweit sie zum Verständnis nötig sind, erläutert und der aufgezeichnete Kurvenverlauf interpretiert.

Randbedingungen

Die Grundwassermeßstelle wurde im Rahmen einer Deponieüberwachung rund 70 m im Abstrombereich der ungedichteten Deponie eingerichtet. Sie steht in einer Abfolge glazifluviatiler Sande mit mehreren schluffigen Geschiebelehmhorizonten. Letztere bewirken eine hydraulische Aufteilung des Grundwasserleiters in mehrere Abschnitte. Die Schichtenfolge ist durch eine rund 5 m von der Meßstelle entfernt angesetzte, durchgehend gekernte Bohrung (die zu einer tiefen Meßstelle ausgebaut wurde) bis in 60 m Tiefe gut bekannt. Danach sollte die Meßstelle auf einem in 34,5 m Tiefe anstehenden Geschiebelehmhorizont von rund 6 m Mächtigkeit abgesetzt werden, um den oberen Abschnitt des Grundwasserleiters zu erfassen. Die Kontrolle nach Fertigstellung ergab jedoch, daß die Meßstellensohle bei 33 m unter Gelände liegt.

Die Bohrung wurde mit Hart-PVC-Filter- und -Aufsatzrohren mit Doppelringmuffen als Grundwassermeßstelle DN 125 ausgebaut. Die Filterstrecke reicht von der Sohle der Meßstelle bis ca. 9 m unter Gelände, also bis weit über den Grundwasserspiegel, der im Mittel bei 20 m unter Gelände liegt. Der Jahresgang des Grundwasserspiegels beträgt einige Dezimeter.

Dokumentation der Grundwasserprobennahme

Vor Beginn der Grundwasserprobennahme wurde ein Tiefenprofil der elektrischen Leitfähigkeit in der Meßstelle aufgenommen. Es zeigte bei leichten Schwankungen um 280 µS/cm keine Auffälligkeiten und auch keinen systematischen Trend zur Tiefe hin. Aus dem Leitfähigkeits-Tiefenprofil ergaben sich somit keinerlei Hinweise auf eine Grundwasserkontamination!

Die frequenzgesteuerte 2“-Tauchpumpe wurde in 27 m Tiefe, 6 m über der Meßstellensohle, also etwa in der Mitte der wassererfüllten Filterstrecke eingehängt. Das geförderte Grundwasser wurde über Steigrohre und einen wenige Meter langen Verbindungsschlauch vorbei an einer magnetisch induktiven Volumenstrommessung in eine Meßzelle geführt, in der pH-Wert, Sauerstoffgehalt und elektrische Leitfähigkeit elektrometrisch gemessen und über den gleichzeitig die Pumpe steuernden Computer aufgezeichnet wurden. Der Wasserstand in der Meßstelle wurde während des gesamten Fördervorgangs und des folgenden Wiederanstiegs über eine unter der Tauchpumpe eingehängte Drucksonde beobachtet und aufgezeichnet. Sein Verlauf ist etwa spiegelbildlich zum Verlauf der Durchflußkurve. Die maximal erreichte Spiegelabsenkung betrug rund 1,0 m. Der Anstieg beim Drosseln der Fördermenge erfolgte bis zu einem Beharrungszustand um rund 0,5 m innerhalb von 2 bis 3 Minuten.

Der über die gesamte wassererfüllte Filterstrecke der Grundwassermeßstelle ermittelte Durchlässigkeitsbeiwert betrug rund 2*10^-4 m/s, wobei dies aufgrund der Wechsellagerungen von Fein- bis Grobsand nur einen mittleren Wert darstellt.

Interpretation des Verlaufs der Leitfähigkeitskurve

Zur Interpretation wird der Kurvenverlauf in der folgenden Abb.1 in mehrere Abschnitte eingeteilt.

 

Abb.1:     Kombinierte Darstellung der Zeitreihen von Fördermenge und elektrischer Leitfähigkeit nach van Straaten (1992a, b)

In Abschnitt 1 (erste 10 min der Pumpdauer) wurde ein Grundwasser gefördert, wie es bei der Tiefenlotung in der Meßstelle angetroffen worden war. Die Fördermenge wurde nach anfänglichen Versuchen bei ca. 1060 l/h konstant gehalten. Ab 10 min Pumpdauer (Abschnitt 2) zeigte sich ein deutlicher Anstieg der Leitfähigkeit von 290 µS/cm auf 1650 µS/cm nach 22 min. Hier gelangten offensichtlich zunehmende Anteile von deutlich höher mineralisiertem Grundwasser mit in den Förderstrom.

Um diesen unbekannten Zustrom näher einzugrenzen, wurde im Abschnitt 3 die Fördermenge auf rund 460 l/h gedrosselt. Leider gingen hier aus technischen Gründen ein Teil der Meßdaten verloren, so daß eine durchgängige Darstellung des Kurvenverlaufs nicht möglich ist. Tendenziell läßt sich erkennen, daß der Anstieg der Leitfähigkeitskurve in diesem Abschnitt nur noch sehr langsam erfolgt. Abschnittsweise erfolgte sogar ein leichter Abfall der Kurve.

Im Abschnitt 4, ab ca. 33 min, wurde die Fördermenge zunächst auf 1400 l/h, dann auf 1500 l/h gesteigert und über längere Zeit konstant gehalten. Die Leitfähigkeit stieg zunächst steil, dann immer flacher aber stetig (mit Ausnahme einer kurzen Phase beim Umschalten der Fördermenge) bis 5400 µS/cm an. Eine Leitfähigkeitskonstanz wurde bis zum Ende dieses Abschnitts nach rund 78 min Pumpdauer und rund 1550 l geförderten Grundwassers nicht erreicht.

Im Abschnitt 5 wurde die Fördermenge auf rund 800 l/h gesenkt. Die Leitfähigkeit reagierte überraschend und stieg zunächst kurzfristig auf maximal 6100 µS/cm, fiel aber innerhalb von wenigen Minuten wieder auf 5400 µS/cm ab und fiel auch danach stetig weiter. Nach 10 min reduzierter Förderung wurde ein Leitfähigkeitswert von wenig über 5200 µS/cm, aber keine Leitfähigkeitskonstanz erreicht.

Dieser generelle Befund, daß bei hoher Fördermenge die Leitfähigkeit immer weiter ansteigt, sie dann bei gedrosselter Förderung wieder abfällt und dieser Vorgang kurzfristig reversibel ist, spricht nicht dafür, daß eine (hypothetische) seitlich vorbeiströmende Fahne von hoch mineralisiertem Grundwasser herangezogen oder ein in der Nähe befindliches ruhendes Reservoir mobilisiert wurde. Dann bleibt die Hypothese, daß die Grundwassermeßstelle, die entgegen der Planung nicht als vollkommener, sondern als unvollkommener Brunnen ausgebaut wurde, von einem flachen, scharf abgegrenzten, hochmineralisierten Wasserkörper unterströmt wird (unterstromig der Deponie wurden an anderer Stelle im Grundwasser Leitfähigkeiten von fast 20000 µS/cm gemessen).

Das Drosseln der Pumpenleistung von 1500 l/h auf 800 l/h bewirkt innerhalb von weniger als 2 min einen Anstieg des Grundwasserspiegels in der Meßstelle um rund 0,5 m. Bezogen auf den Meßstelleninhalt bedeutet dies eine Vergrößerung des Wasservolumens, was durch Zustrom aus dem Aquifer ausgeglichen werden muß. Beim hier gegebenen Meßstellenquerschnitt wird dadurch kurzfristig die gedrosselte Pumpenleistung fast kompensiert, d. h., innerhalb der ersten 2 min nach Drosseln der Pumpe wird dem Aquifer noch eine nahezu unveränderte Wassermenge pro Zeiteinheit entnommen. Infolge der durch den Wasserspiegelanstieg verursachten Aufwärtsströmung im oberen Teil der Meßstelle erfolgt der Zustrom zur Pumpe nun aber überwiegend von unten her. Damit erhöht sich schlagartig der Anteil an hochmineralisiertem Wasser, so lange bis der Wasserspiegel wieder einen Beharrungszustand erreicht hat. Bei einem Totvolumen der Steigleitung und Schlauchverbindung von rund 10 l wird der Effekt mit einer Verzögerung von weniger als 1 min registriert. Die folgende Abb.2 soll den Vorgang verdeutlichen.

Abb.2:  Schematisierte Anstromverhältnisse zur Pumpe in der Grundwassermeßstelle

a)   beim Einschalten der Pumpe

b)   bei hoher Förderleistung

c)   unmittelbar nach dem Drosseln der Pumpe

Im anschließenden Abschnitt 6 wurde die Fördermenge erneut auf 1500 l/h gesteigert. Der auch hier auftretende „Schwappeffekt“ läßt sich in analoger Weise erklären: Die Wasserspiegelabsenkung erfolgte zuerst in der Meßstelle und dann im Aquifer. Dadurch erhielt die Pumpe kurzzeitig einen erhöhten Anteil von gering mineralisiertem Grundwasser aus dem oberen Abschnitt, die Leitfähigkeit sank vorübergehend.

Nachdem sich ein Beharrungszustand eingestellt hatte, stieg die Leitfähigkeit weiter bis zum Ende des Pumpversuchs. Die Konstanz der Leitfähigkeit wurde in diesem Fall vor der Probennahme nicht abgewartet. Da es sich hier um ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Pumprate und vertikalem Anstrom von unterhalb der Grundwassermeßstelle handelt, hätte dies wenig Sinn gegeben. Voraussichtlich hätte sich jede beliebige Leitfähigkeitskonstanz zwischen 500 und 6000 µS/cm erreichen lassen, d. h., ohne die ausführliche graphische Dokumentation der Parameteränderungen vor der Probennahme ist die an der Wasserprobe durchgeführte Analyse nicht zu bewerten und damit praktisch unbrauchbar.

Auf eine Überprüfung der hier vorgestellten Interpretation durch hydraulische Berechnungen wurde bisher verzichtet. Der Autor möchte mit der Vorstellung dieser Interpretation zur Diskussion anregen und um Hinweise auf ähnlichen Erfahrungen oder gar schon komplett ausgearbeitete Deutungen bitten.

Literatur

Straaten,L. van (1992a): Qualitätssicherung bei der Beprobung von Grundwassermeßstellen.- bbr8/92:

Straaten,L. van (1992b): Qualitätssicherung bei der Bewertung von Altlast-Verdachtsflächen.- TerraTech1/92: