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Elevated nitrate concentrations in groundwater are a common challenge for water management. One important factor in this context is higher frequencies and intensities of wet-dry cycles that may cause increased nitrate concentrations in groundwater due to nitrate flushes after drought termination. Yet systematic studies on regional-scale impacts of droughts on groundwater nitrate concentrations are missing so far. Here we analyzed time series of 44 shallow groundwater wells and 41 springs all across the German Federal State Baden-Wuerttemberg from 2000 to 2018 to characterize patterns of post-drought increase in groundwater nitrate. In general, half of the exceptional nitrate concentrations, which exceeded the 80th percentile of long-term nitrate measurements, could be related to droughts in the research timeframe. The 2003 drought event stood out in terms of drought severity and post-drought nitrate concentration increases in our data. The great majority (91%) of all monitoring sites showed at least one exceptionally high nitrate concentration in the 4 years following the 2003 drought event. Springs were mainly located in forests of steep low mountain ranges and wells in cropland of flat river valleys. Therefore, delay times between drought intensity and nitrate concentration increases as well as magnitudes of nitrate concentration increase were diverse among wells and springs. We derived two distinct nitrate response patterns: (i) nitrate increases immediately following drought events (more common for springs and fractured rock aquifers) and (ii) delayed nitrate increases (more common for wells and porous aquifers). Springs generally showed quicker (median of 101 days) but weaker (median of +1.3 mg/L) postdrought nitrate increases than wells (185 days, +3.4 mg/L). Only few sites exhibited no post-drought nitrate increase and post-drought mean-nitrate concentrations of groundwater reservoirs were extraordinarily high in 2006. Overall, we demonstrate that post-drought nitrate increase in groundwater is omnipresent, while different landscapes and hydrogeological characteristics create a diverse regional pattern. As severe droughts become more frequent in a changing climate, post-drought nitrate increase may intensify problems regarding water quality and supply

Der Lacher See (Osteifel, RLP) hat einen Phosphor-Gehalt von durchschnittlich 34 µg/l, womit sich dieser in einem eutrophierten Zustand befindet [1]. Trotz verschiedener Maßnahmen seit dem Beginn des Monitorings in den 1950er Jahren konnte der oligotrophe Zustand nicht erreicht werden, weshalb der geogene Phosphor-Eintrag in den Laacher See, aus der Wechselwirkung von Grundwasser und Aquifermatrix, Gegenstand dieser Untersuchungen ist.

Aus der geochemischen Analytik (RFA und Totalaufschluss + ICP-MS) der Lithologien im Laacher-See-Gebiet (unterdevonische Siliziklastika & quartäre Vulkanite) wurde die Relevanz der Lithologien als geogene Quellen eingeordnet: Die den See umgebenden basanitisch-tephritischen Laven und Schlacken zeigen die höchsten P-Gehalte (2304 – 3207 mg/kg) gegenüber der phonolitischen Asche-Lapilli-Tephra des Laacher-See-Vulkans (111 – 777 mg/kg) und den unterdevonischen Siliziklastika (663 – 1515 mg/kg). Dieser geochemische Trend spiegelt sich in Batchversuchen mit künstlichem Regenwasser im Verhältnis 1:10 über einen Zeitraum von 24 h wider: Die Laven und Schlacken haben die höchste P-Freisetzung von 274.0 – 1537.7 µg/l gegenüber der Laacher-See-Tephra (LST) (112.0 – 212 µg/l) und dem Unterdevon (8.2 – 64.6 µg/l).

Die hydraulischen und labortechnischen Untersuchungen aus u.a. Siebanalysen und Pumpversuchen weisen eine hohe hydraulische Durchlässigkeit für vulkanische Aquifergesteine (Lava: 10^-4 m/s, Laacher See Tephra: 2∙10^-5 – 3∙10^-4 m/s) und niedrige für die unterdevonischen (10^-5 – 10^-7 m/s) und tertiären Gesteine (10^-7 – 10^-10 m/s) auf. Die Grundwasserneubildung und –zufluss in den Laacher See werden mittels Guelph-Infiltrometerversuchen, dem Monitoring der Grundwasserdynamik und einer hydrologischen Wasserhaushaltsbilanz quantifiziert.

Die hydrogeochemische Modellierung der Grundwasseranalytik im Anstrom des Laacher Sees mit PHREEQC zeigt eine Untersättigung der Apatit-Phasen mit Sättigungsindizes (SI) von -6.52 bis -0.94 [2]. Damit ist ein Nichtgleichgewicht zwischen der Aquifermatrix und dem Grundwasser anzunehmen, womit die Apatit-Lösung ratenlimitiert ist. Zudem konnte dargestellt werden, dass weitere P-Phasen wie die sekundäre Fe-PO₄-Phase Vivianit mit SI von -17.31 – -12.57 gegenüber dem Apatit untergeordnet auftreten. Weiterhin wurde die Bedeutung der Mofetten (rezente, magmatische CO₂-Entgasungen) auf den Lösungsprozess des Apatits verdeutlicht: In den Grundwässern des Laacher-See-Gebiets treten Fluorapatit und unter saureren Bedingungen die gelöste Spezies H₂PO₄^- als dominierende P-Phasen auf. Ein verringerter pH-Wert infolge des gelöstem CO₂ im Grundwasser erhöht die Apatit-Löslichkeit, was den geogenen Phosphoreintrag verstärkt.

Die gewonnenen Erkenntnisse werden in ein konzeptionelles geologisch-hydrogeologisches Modell des Laacher See Gebiets zusammengeführt. Dieses wird entlang von zwei Transekten aus je 3-4 Grundwassermessstellen durch den Vergleich von hydrochemischer Beprobung und reaktiver Transportmodellierung überprüft mit dem Ziel der Quantifizierung des geogenen P-Eintrags in den Laacher See.

[1] Block, U. et al. (2015). Übersicht über die Phosphatthematik am Laacher See. Fachhochschule Bingen, 41.

[2] Parkhurst, D. L., & Appelo, C. A. J. (2013). Description of input and examples for PHREEQC version 3—a computer program for speciation, batch-reaction, one-dimensional transport, and inverse geochemical calculations. US geological survey techniques and methods, 6(A43), 497.

The Frankfurt Rhine-Main area has a long and interesting history with groundwater management. In the last decades, several action plans were elaborated to address the problems of that time. The groundwater management plan, for example, aimed at a sustainable variation of the groundwater level. The aquifer recharge plant in Biebesheim was crucial for this, and is a good example of a successful technical solution.

The need to readapt prevails. It is expected that climate change and urban growth will have a significant impact on the groundwater availability. Predicting what will happen in the future is impossible; however, most of the biggest questions concerning groundwater management could be answered through modelling and stakeholder participation.

The measures are the core of this work. They were derived from local and national action plans. 30 measures were selected for a preliminary evaluation. They cover different fields such as rain water management, drinking water supply, wastewater treatment, renaturation, agriculture, etc. The aim is to cover all activities that have a direct or indirect impact on the groundwater quality and quantity.

The evaluation will be partly quantitative and partly qualitative. The quantitative part will be assessed by means of numerical models. For example, measures aiming at an increase in the groundwater recharge or a decrease in the groundwater extraction (water efficiency measures) will be assessed by the hydrogeological models (covering the unsaturated and saturated zones). Measures aiming at a reduction in point and diffuse pollution (coming from the agriculture and treated effluents) will be assessed by their corresponding numerical solute transport model. The effect of other measures, such as rain water management, may require developing additional models.

Despite that models are useful to produce and compare results in a structured way, they do not illustrate the whole picture. The interests and concerns from the stakeholders, their limitations and their capacity to act are essential to determine the feasibility of the measures. A qualitative analysis is more suitable here. Interdisciplinary work is crucial for this.

Further complexity will be added by considering synergies and trade-offs. For example, renaturing watercourses may enhance groundwater recharge, but it could promote the intrusion of pollutants. Sealing the riverbed does the opposite. But combining the first measure with the introduction of the forth treatment step at an upstream wastewater treatment plant will yield more positive results.

A crucial part of this work is to discuss the advantages and disadvantages from different measure combinations with different degrees of implementation and considering socio-economic, technologic, environmental and politic-administrative aspects. The final intention is to locate and visualize the results in a GIS interface to facilitate the interpretation for the decision makers.

In urbanisierten Regionen wird oberflächennahes Grundwasser durch verschiedene anthropogene Einflüsse oft stark beeinträchtigt, was sich beispielsweise in einer deutlich erhöhten Temperatur niederschlägt. Urbane Grundwasserökosysteme sind ohne Zweifel einer zunehmenden Belastung ausgesetzt, was unbekannte Folgen für die Biodiversität und die Wasserqualität mit sich bringt. Die Verteilung und Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften sowie die funktionelle Rolle der biologischen Vielfalt wurden im städtischen Raum bisher allerdings nur unzureichend erforscht.

Unser Projekt setzt sich zum Ziel, räumliche und zeitliche Trends der Biodiversität im urbanen Untergrund am Beispiel der Stadt Halle (Saale) zu untersuchen. Aufgrund der sehr unterschiedlichen hydrogeologischen Gegebenheiten, sowohl im städtischen als auch im außerstädtischen Bereich des Untersuchungsgebiets, zeigt sich ein breites Spektrum an hydraulischen, thermischen und hydrogeochemischen Bedingungen. Dies bietet eine ideale Basis, um die Rolle von räumlich und zeitlich variablen abiotischen Faktoren und anthropogenen Einflüssen auf die Zusammensetzung der mikrobiellen und faunistischen Gemeinschaften im Grundwasser zu erforschen.

Über einen Zeitraum von einem Jahr wurden im Rahmen von 5 Feldkampagnen wiederholte Probenahmen an 91 Grundwassermessstellen durchgeführt. Physikochemische Schlüsselparameter (Temp, LF, pH, und Sauerstoff) wurden on-site mittels Multiparametersonde gemessen. Die Messungen sowie die Probenahmen für spätere chemische und mikrobiologische Laboranalysen wurden im Standwasser der Messstellen als auch im gepumpten Grundwasser durchgeführt. Außerdem wurde pro Messstelle eine Grundwasserfaunaprobe entnommen, um die Evertebratengemeinschaft morphologisch-taxonomisch zu analysieren. Die mikrobiologischen Analysen umfassen die Charakterisierung der Bakteriengemeinschaften inklusive 16S rDNA Amplikon-Sequenzierung, Bestimmung der Gesamtzellzahl und Aktivitätsmessungen (Konzentration intrazelluläres ATP). Auf der Grundlage dieses Datensatzes erfolgt eine Korrelationsanalyse auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen. So soll es möglich sein, Schlüsselfaktoren zu ermitteln, welche die Biodiversitätsmuster im städtischen Grundwasser steuern. In unserer Präsentation werden erste Ergebnisse vorgestellt und diskutiert sowie ein Ausblick auf geplante Forschungsaktivitäten gegeben.

In den letzten Jahrzehnten haben Aquifer Thermal Energy Storage (ATES)-Systeme eine erhöhte Aufmerksamkeit erfahren. ATES dient der vorübergehenden Speicherung lokal und zeitlich überschüssiger thermischer Energien in Grundwasserleitern. Der Erfolg von ATES ist hierbei nicht nur von den Eigenschaften des Grundwasserleiters (hydraulische Durchlässigkeit, Wärmeleiteigenschaften, Porosität), sondern auch vom Zustand der technischen Ausrüstung abhängig.

Während des ATES-Betriebs können – insbesondere aufgrund der deutlich unterschiedlichen Druck- und Temperaturbedingungen über- und untertage – Clogging und Scaling-Phänomene auftreten (unerwünschte hydrogeochemische Reaktionen, Auflösungs-, Ausfällungs- und Ausflockungsprozesse, mikrobiologisches Wachstum). Infolge der damit verbundenen Verringerung der Effizienz, insbesondere verursacht durch die Reduktion der Permeabilität des Reservoirs sowie der Erhöhung der Kosten für Reinigung und Austausch verstopfter und korrodierter Teile, scheitern ATES-Projekte häufig.

Im BMBF-Projekt UnClog-ATES werden Clogging- und Scaling-Prozesse interdisziplinär untersucht (Mikrobiologie, Geologie, Hydrogeologie, Geochemie) sowie Einflussfaktoren für den Spezialfall „karbonatische Grundwasserleiter“ bestimmt. Basierend auf den Erkenntnissen werden Gegenmaßnahmen (z. B. Scaling-Inhibitoren oder CO₂-Zugabe) gezielt (weiter‑) entwickelt.

In 1-D-Säulendurchströmungsversuchen und Batchversuchen werden ATES-Bedingungen (Druck, Temperatur, Hydraulik und chemische Zusammensetzung) systematisch simuliert. Erstere dienen der Abbildung der im Realsystem ablaufenden Transportprozesse, Letztere der Variation des hydrochemischen Milieus und der Gesteinszusammensetzungen. Dabei kommen unterschiedliche ATES-relevante Gesteine zum Einsatz: Treuchtlinger Marmor (ein Jura-Kalkstein von der Schwäbischen Alb; hauptsächlich Calcit) als repräsentatives Gestein für den Malm, sowie Erzgebirgsmarmor aus Hammerunterwiesenthal im Erzgebirge (Calcit und Dolomit). Als Fluid werden u.a. Proben aus ebendiesem Erzgebirgsmarmor-Steinbruch verwendet. Für die Batch- und Durchströmungsversuche sind Zyklen bei ATES-typischen Temperaturen zwischen 5 °C und 60 °C vorgesehen. Um die Veränderung der hydrochemischen und geochemischen Bedingungen während der Versuche zu erfassen, werden Fluidparameter in Messzellen quasi-kontinuierlich überwacht sowie umfassende hydrochemische und geochemische Analysen vor, während und nach den Versuchen durchgeführt, siehe Abbildung 1.

Die Versuche werden von einer hydrochemischen Modellierung (PHREEQC) begleitet – zwecks Quantifizierung der Prozesse, aber auch für die A-priori-Abschätzung von Experimental­parametern. Erste Simulationsergebnisse ergaben z.B. eine Ausfällung von Calcit bei Verwendung des genannten Gesteinsmaterials und Fluids und einer Temperatur von 15 °C. Eine Modifikation des Modelllaufs zeigte, dass diese Ausfällungen durch die Zugabe einer bestimmten Menge an gelöstem CO₂ verhindert und die Carbonate in Lösung gehalten werden können.

Durch die gezielte Kombination der Laborerkenntnisse mit o.g. PHREEQC-Modellierungen können die hydrochemischen Prozesse in simulierten ATES-Systemen nachgebildet werden. Langfristig soll UnClog-ATES zu einer Verbesserung der Vorhersage-Genauigkeit biogeochemischer Reaktionen und zur Schaffung von Methoden sowohl für die Abschätzung des Clogging-Potenzials als auch für die Entwicklung und Prüfung möglicher Gegenmaßnahmen beitragen.

Viele hydrogeologische Fragestellungen erfordern die genaue Kenntnis der hydraulischen Durchlässigkeit von Grundwasserleitern. Eine weitverbreitete Methode zur Bestimmung der vertikalen Durchlässigkeitsverteilung sind Flowmeter-Messungen. Diese besitzen jedoch durch große Mittelungsvolumen eine geringe Auflösung. Außerdem können unklare Strömungsverhältnisse in einer Messstelle zu Unsicherheiten führen. In dieser Arbeit wird ein Ansatz vorgestellt, die Erkundung der vertikalen Durchlässigkeitsverteilung zu verbessern.

Distributed Temperature Sensing (DTS) ist eine faseroptische Methode zur Temperaturmessung entlang eines Lichtleiterkabels. Dieses kann zusätzlich mit einem Heizkabel ausgestattet werden (Active-DTS / A-DTS), wodurch sich beim Aufheizen und Abkühlen die Temperaturentwicklung entlang des Kabels beobachten lässt. Wird ein solches heizbares Kabel in eine Grundwassermessstelle eingebracht, kann die Temperaturentwicklung zur Bestimmung der Grundwasserfließgeschwindigkeit in der Messstelle genutzt werden.

Am Testfeld Lauswiesen wurden im Sommer 2022 zwei A-DTS-Experimente durchgeführt. Ziel war, die Verteilung der Grundwasserfließgeschwindigkeit in einer Messstelle aus der Temperaturentwicklung beim Heizen und Abkühlen entlang des Lichtleiterkabels zu bestimmen. Dabei wurde aus der Messstelle unter konstanten Bedingungen Grundwasser gefördert. Nach einer DTS-Hintergrundmessung wurde im Zuge der beiden A-DTS-Experimente einmal mit 15 W/m über den Zeitraum von 20 Minuten und einmal mit 25 W/m über einen Zeitraum von 5 Minuten geheizt und gleichzeitig die Temperaturentwicklung vertikal aufgelöst beobachtet. Im Anschluss an den Heizvorgang wurde das Abkühlen entlang des A-DTS-Kabels beobachtet. Zum späteren Vergleich wurden an der Messstelle zudem klassische Flowmeter-Messungen durchgeführt.

Für die Auswertung der A-DTS-Experimente wurde die tiefenabhängige Fließgeschwindigkeitsverteilung in der Messstelle invers aus den Temperaturverläufen beim Heizen und Abkühlen bestimmt, um die hydraulische Durchlässigkeit des Grundwasserleiters vertikal aufzulösen. Hierzu wurden drei unterschiedlichen Methoden genutzt: ein grafisches Verfahren, ein Verfahren mit Anpassung des Moving Infinite Line Source Models (MILS) und ein Wärmetransportmodell für beheizte faseroptische Kabel.

Die grafische Auswertung zeigt, dass die für die Experimente gewählte Pumprate und Heizparameter nur einen geringen Einfluss auf die Maximaltemperatur über die Tiefe haben. Auch die Temperaturentwicklung beim Heizen und Abkühlen in den verschiedenen Tiefen weist nur geringe Unterschiede auf. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Pumprate zu hoch gewählt wurde, da die Anwendbarkeit der beiden verwendeten Modelle mit höherer Fließgeschwindigkeit abnimmt. Die Experimente sollten zudem nicht bei hohen Umgebungstemperaturen durchgeführt werden, da dies zu einer Überhitzung des Kabels im Bereich außerhalb des Grundwassers führen kann. Aufgrund der Witterungsbedingungen (volle Sonneneinstrahlung, 30°C) konnte das Heizen mit 25 W/m nur für 5 Minuten aufrechterhalten werden. Für die MILS-Anwendung wäre allerdings eine längere und intensivere Heizphase von Vorteil, um advektiven und diffusiven Wärmetransport besser unterscheiden zu können.