Im Bereich der stark landwirtschaftlich genutzten Niederrheinischen Bucht (NRW) wird der in der Grundwasserverordnung festgelegte Schwellenwert für Nitrat von 50 mg/L im oberflächennahen Grundwasser häufig deutlich überschritten. Aus diesem Grund werden vermehrt tiefer gelegene Grundwasserleiter wasserwirtschaftlich genutzt. Über geologische Fenster kann es jedoch zu hydraulischen Kontakten zwischen oberflächennahen und tieferen Grundwasserleitern kommen, sodass nitrathaltiges Grundwasser in tiefere Grundwasserleiter einströmen kann.

Um ein besseres Verständnis für den Eintrag und Abbau von Nitrat in tieferen Grundwasserleitern zu entwickeln, wird beispielhaft der dritte Grundwasserleiter eines auf der Venloer Scholle gelegenen Standorts untersucht. Der Standort umfasst die Einzugsgebiete mehrerer Grundwassergewinnungsanlagen, die sich hinsichtlich der Verbreitung schützender Tonhorizonte unterscheiden. In den untersuchten Grundwasserleiter einströmendes Nitrat wird vor allem durch im Sediment vorhandene Pyrite reduziert (chemo-lithotrophe Denitrifikation). Durch den Verbrauch der Pyrite bei der Reaktion wird das Abbaupotential langsam aufgezehrt bzw. ist an einigen Stellen bereits erschöpft. Durch die ablaufende Pyritoxidation können ggfs. im Kristallgitter der Pyrite eingebaute Spurenstoffe (z.B. Arsen und Nickel) freigesetzt und mobilisiert werden.

Um den Nitrateintrag über hydraulische Fenster und den anschließenden Abbau besser zu verstehen, wurden 31 Grundwassermessstellen entlang ausgewählter Strompfade beprobt. Neben der Messung von Nitrat, weiterer Hauptionen und Spurenstoffen erfolgte an allen Proben die Analyse des Exzess-N₂ (N₂/Ar-Methode), als Maß des bereits abgelaufenen Nitratabbaus, sowie stabiler Isotope (²H, ¹⁸O). An zwölf Messstellen wurden zusätzlich Proben zur Bestimmung des Grundwasseralters (³H/³He-Methode) genommen.

Die δ²H und δ¹⁸O Werte bilden ein enges Cluster und folgen der globalen meteorischen Wasserlinie (GMWL). Daher ist anzunehmen, dass alle Proben meteorischen Ursprungs mit minimaler Verdunstung sind und einem gemeinsamen Neubildungsgebiet entstammen. Die N₂/Ar-Messungen zeigen deutlich, dass ein Nitrateintrag in den dritten Grundwasserleiter vor allem durch hydraulische Fenster erfolgt. Zusätzlich wird das Ausmaß der Denitrifikation im Abstrom hydraulischer Fenster aufgezeigt; beispielsweise werden Nitrateintragskonzentrationen von rund 75 mg/L vollständig reduziert. Die mittels der ³H/³He-Methode bestimmten Grundwasseralter liegen zwischen 25 und 50 Jahren, wobei die jüngsten Wässer im Bereich hydraulischer Fenster auftreten. Zwei der zwölf Proben weisen einen hohen Anteil an „altem“, tritium-freien Grundwasser auf, sodass die ³H/³He-Alter nur den geringen Anteil an jungem Grundwasser beschreiben. Die N₂/Ar-Verhältnisse dieser Proben sind nur geringfügig gegenüber dem Gleichgewichts-Verhältnis erhöht, woraus folgt, dass anthropogen beeinflusstes Grundwasser noch nicht in diese Aquiferbereiche vorgedrungen ist. Durch die Kombination der Grundwasseralter und der Exzess-N₂ Konzentrationen kann ein integraler Kennwert des Nitratumsatzes abschätzt werden. Es ergibt sich eine Spanne von 0,3 bis 3,7 µmol/kg/a. Diese Abschätzung wird derzeit durch Push-Pull Versuche zur ortspezifischen Ermittlung der Umsatzrate überprüft. Die gewonnenen Daten und Erkenntnisse sollen abschließend in einer reaktiven Stofftransportmodellierung zusammengeführt werden.