Für Isotopengehalte in Niederschlag, Oberflächenwasser und Grundwasser existieren derzeit nur wenige internationale oder nationale Datenbanken, die gemessene Daten für interessierte Anwender zugänglich machen. Beispiele sind das globale Isotopen-Niederschlagsnetz (GNIP-WISER) der IAEA [1] oder auf nationaler Ebene das österreichische Isotopennetz ANIP. Für Deutschland wurden Niederschlags-, Oberflächen- und Grundwasserdaten innerhalb des BMBF LURCH Projektes IsoGW zusammengestellt und über das deutsche Isotopennetz GIN organisiert. Bundesweit wurden dabei vorhandene Isotopendaten aus über 10.000 Grundwassermessstellen der Bundesländer und Wasserversorger zusammengeführt. Gut 5.000 Proben wurden im Rahmen des IsoGW-Projektes neu gemessen. An Stationen des Niederschlags- und Oberflächenwassernetzes von BfG und DWD werden seit den 1970er-Jahren monatlich Isotopendaten erhoben. Insgesamt liegen bisher etwa 40.000 Messungen vor (davon ca. 15.000 für Niederschlag und ca. 24.000 für Oberflächenwasser) [2,3]. Für die Erstellung von Isotopenkarten (Isoscapes) werden aus einem gesicherten und dedizierten IsoGW/GIN Projekt in der Langzeit sicheren SQL (Aqua, BGR) Daten in ein GIS-Projekt (ESRI, BGR) abgefragt, aus dem ein Web-Feature-Service die Mess- und Metadaten auswertungsfreundlich über das https-Protokoll und als Geopackage den Projektpartnern zur weiteren Verarbeitung und Interpolation übergibt. Die Datenherkunft und die Nutzungsrechte an den Daten sind im Datenbankprojekt dokumentiert. Die Nutzungsrechte bestimmen, welche Messstelleninformationen und welche offenen Probenergebnisse für die Endnutzer über die interpolierten Isotopenkarten hinaus zur Verfügung gestellt werden können. Die Ergebnisse mit den offenen Rohmesswerten sollen die Sicherung, weitere Verwendung und in Wertsetzung dieses Datensatzes für Forschung und Wirtschaft ermöglichen.

Literatur:

[1] Terzer-Wassmuth S., Wassenaar L.I., Welker J.M., Araguás-Araguás L.J. (2021): Improved highresolution global and regionalized isoscapes of δ¹⁸O, δ²H and d-excess in precipitation. Hydrological Processes. DOI:10.1002/hyp.14254.

[2] Schmidt A., Frank G., Stichler W., Duester L., Steinkopff T., Stumpp C. (2020): Overview of tritium records from precipitation and surface waters in Germany. Hydrological Processes (2020). DOI:10.1002/hyp.13691.

[3] Koeniger P., Schmidt A., Stumpp C. (2022): Stable isotope patterns of German rivers with aspects on scales, continuity and network status. Isotopes in Environmental and Health Studies 58 4-6, 363-379. DOI:10.1080/10256016.2022.2127702.

Um Grundwassersysteme in ihrer Funktionsweise besser zu verstehen, spielt die isotopengestützte Analyse von Verweilzeiten eine zentrale Rolle. Lumped Parameter Modelle sind dafür ein besonders populärer Ansatz, um erste Einschätzungen zu erlangen. In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl entsprechender Werkzeuge zur Modellierung entwickelt und genutzt. Es mangelt jedoch an einfach verwendbaren, nutzerfreundlichen und praxisorientierten Software-Lösungen.

Mit ISOSIMpy stellen wir eine neue Open-Source Softwarelösung vor, welche diese Lücke schließt und zudem eine Verbindung zwischen wissenschaftlicher Anwendung mithilfe von Skripten und praxisorientierter Benutzeroberfläche herstellt. Das Werkzeug verfolgt einen hybriden Ansatz. ISOSIMpy ist einerseits eine offene Python-Bibliothek und kann somit problemlos in existierende, skriptbasierte Arbeitsabläufe integriert werden, andererseits verfügt das Werkzeug über eine grafische Benutzungsoberfläche und ist – ohne jegliche Installation – als ausführbare Datei nutzbar.

Die Software ist modular aufgebaut und kann unkompliziert erweitert oder angepasst werden. Die darauf aufbauende Benutzeroberfläche erlaubt die Durchführung typischer Arbeitsabläufe (Import von Daten, Modellaufbau, einfache Simulationen, Kalibrierung, grafische Darstellung, Export von Ergebnissen). Gängige Verweilzeitverteilungen sind integriert und können parallel verwendet werden; die Kalibrierung entsprechender Parameter ist über lokale und globale Optimierungsalgorithmen sowie über einen Bayes’schen Ansatz möglich.

Wir demonstrieren die Funktionsfähigkeit von ISOSIMpy exemplarisch anhand von kurzen Szenarien und diskutieren Potenziale sowie Grenzen hinsichtlich Datenverfügbarkeit, Modellannahmen und Nutzungsfreundlichkeit. Abschließend reflektieren wir, wie Open-Source-Softwaremethoden im Wassersektor den Transfer von Forschung zu Praxis sowie die Ausbildung nachhaltig fördern können.

Trinkwasser steht in Deutschland flächendeckend zur Verfügung. Lokale oder regionale Wasserversorger sind für die Gewinnung des Trinkwassers verantwortlich. Das Trinkwasser wird dabei je nach regionalen Gegebenheiten, Verbrauch und geologischen Untergrund auf vielfältige Weise in Deutschland gewonnen. Neben den einfachen Grundwasserbrunnen gibt es auch Trinkwassergewinnung aus Quellfassungen, Oberflächengewässern, u.a. Bodenseewasser und Talsperren, Uferfiltrat und Grundwasseranreicherungen. Aufgrund von zunehmendem Wassermangel oder regionalen Gegebenheiten werden einzelnen Trinkwassergewinnungsarten in unterschiedlicher Weise mit einander kombiniert, was in Zukunft noch an Bedeutung gewinnen wird.

Zur Herkunftsbestimmung von Gebäude-Wasserschäden wird das Schadwasser isotopisch mit dem örtlichen Leitungswasser abgeglichen, um zu untersuchen, ob der Wasserschaden auf Leitungswasser zurückzuführen ist. Hierdurch ist eine große Datenbank mit Isotopenwerten von Sauerstoff-18 und Deuterium von Leitungswässern aus Deutschland entstanden. Die Daten dienen nicht nur als Referenzwerte für die Herkunftsbestimmung von Wasserschäden, sondern liefern auch für andere hydrologische und hydrogeologische Fragestellungen wichtige Informationen.

Anhand der Isotopenwerte der Leitungswasser-Datenbank können unterschiedlichste Informationen in Bezug auf Trinkwasser und deren Quellen gewonnen werden. Sie zeigt z.B. auf, dass an Hand der Isotopenwerte die Trinkwassergewinnungsarten unterschieden werden können, aber auch wie groß oder klein Variationen in der Isotopensignatur zwischen einzelnen Wassergewinnungsarten und damit Wasserkörpern (z.B. Grundwasser, Talsperre, Bodensee, Flüsse) sind. Auch Unterschiede oder Veränderungen von einzelnen Grundwasserkörpern in einer Region können durch diese untersucht werden oder als Referenzen für die Auswertung von Grundwasseraltersdatierungen herangezogen werden.

Die Tiefbrunnen Luxemburgs sind weitesgehend frei von Pestizidkontamination, was im starken Kontrast zu den oberflächennahen Quellwasserfassungen des Landes steht, wo die Konzentrationen von Pestizidmetaboliten mehrere hunderte Nanogramm pro Liter erreichen können. Weil diese Tiefbrunnen von mächtigen mergelschichten überlagert sind wurde bis jetzt angenommen, dass diese eine langfristige Schutz vor Pestizideinträgen darstellen. Allerdings besteht auch die Möglichkeit, dass ein Pestizidfront sich mit einer Verzögerung von mehreren Jahrzehnten, bedingt durch die Entfernung zwischen Neubildungsflächen und Brunnen, auf die Brunnen hinbewegt. Die Antwort auf diese Frage ist für die Wasserversorger relevant, um entscheiden zu können, ob zusätzliche Pestiziduntersuchungen Gradientaufwärts von den Brunnen durchgeführt, beziehungsweise, ob Aufbereitungsanlagen schon geplant werden sollen.

In der Isotopenhydrologie wird diese Verzögerung üblicherweise mit einem sogenannten "Piston-Flow" Model abgeschätzt. Da aber die Tritiumdaten nicht ausreichend waren, um zwischen zwei Modellen mit einer jeweiligen Piston-Flow Zeit von weniger als fünf Jahre und dreissig Jahren zu unterscheiden, wurden 2024 eine Krypton-85 Beprobungskampagne durchgeführt. Krypton-85 ist als Zusatztracer zu Tritium besonders interessant, weil die zeitliche Entwicklung der Atmosphärischen Aktivitäten gegenläufig sind (abnehmend für Tritium und zunehmend für Krypton-85).

In diesem Beitrag wird gezeigt, wie eine einzige Krypton-85 Messung die Unsicherheit der Tritiummodellierung weitesgehend ausheben kann.

Lysimeter sind Messsysteme zur Bestimmung von Bodenwasserhaushaltsgrößen wie Grundwasserneubildung und Evapotranspiration. Der Einsatz von Lysimetern ist durch ein hohes Maß an technischen, räumlichen und zeitlichen Aufwand geprägt. Entsprechend ist es wichtig bei der Wahl des Messgerätes und des Bodeninhaltes die Voraussetzungen sowie Unterschiede verschiedener Aufbauten zu kennen.

In der Literatur wird nicht zwischen wägbaren und nicht wägbaren Durchflusslysimetern unterschieden (Singh et al. 2017, Shahrajabian and Sun 2024). An einem Standort der BfG nahe Koblenz (Insel Niederwerth) wird beispielhaft gezeigt, dass wägbare und nicht wägbare Durchflusslysimeter Unterschiede in ihrer Sickerwassermenge sowie der Zusammensetzung der stabilen Wasserisotope aufweisen. Es stellt sich somit die Frage für die Forschung, ob und wie weit die Ergebnisse dieser Lysimetertypen als vergleichbar angesehen werden können. Weiterhin stellt sich die Frage, ob es möglich ist, anhand der Ergebnisse der Isotopie des Bodenwassers Rückschlüsse auf unterschiedliche Bodentypen zu ziehen und inwieweit eine Charakterisierung möglich ist.

In dieser Studie werden mit Hilfe der stabilen Wasserisotope die young water fraction sowie Evaporationseinflüsse an den wägbaren und nicht wägbaren Lysimetern ermittelt und verglichen. Weiterhin werden die unterschiedlichen Bodentypen verglichen (Auelehm (A), Lösslehm (L), Hochflutsand (H) und verlehmter Bims (B)). In den wägbaren Systemen zeigten sich niedrigere Jahressickerwassermengen als in den nicht wägbaren (z.B. A wägbar 4015 ml und nicht wägbar 5829 ml, Mittelwert seit 1995). Im Hinblick auf die isotopische Zusammensetzung des Sickerwassers über ein Jahr betrachtet, fanden sich nach vorläufigen Untersuchungen in den wägbaren Aufbauten leicht abgereicherte Wasserisotopien im Vergleich zu den nicht wägbaren (z.B. Jahresmittelwert für H wägbar -49,6 ‰ δ²H und H nicht wägbar ‑47,5 ‰ δ²H). Im Gegensatz dazu ergaben die berechneten Verdunstungslinien der wägbaren Lysimeter einen größeren Evaporationseinfluss als jene der nicht wägbaren. Bei den untersuchten Bodentypen sind sich die Jahressickerwassermengen seit 1995 relativ ähnlich, ausgenommen des H (wägbar) und B (nicht wägbar) (4015 bzw. 5829 ml (A), 4255 bzw. 6143 ml (L), 5957 bzw. 6128 ml (H), 3862 bzw. 5485 ml (B); jeweils wägbar bzw. nicht wägbar). Auch in der Isotopie gibt es Unterschiede der betrachteten Bodenarten; zum Beispiel zeigt B eine geringe Variabilität der isotopischen Zusammensetzung verglichen mit den anderen Standorten (B: δ¹⁸O = -8,14 bis ‑5,15 ‰ und δ²H = -54,3 bis -40,8 ‰; A: δ¹⁸O = -7,88 bis -0,90 ‰ und δ²H = -57,2 bis ‑23,5 ‰). Im Mittel gibt es hingegen nur recht geringe Abweichungen der stabilen Isotopenergebnisse (Mittelwerte von -6,97 bis -6,27 ‰ für δ¹⁸O und -50,5 bis -47,1‰ für δ²H).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Studie ein praktisches Beispiel zur Anwendung von stabilen Wasserisotopen als Tracer an Lysimetern darstellt und systembedingte Unterschiede der verwendeten Aufbauten aufzeigt, die in zukünftigen Forschungsprojekten berücksichtigt werden sollten.

Singh, G., Kaur, G., Williard, K., Schoonover, J., & Kang, J. (2018). Monitoring of water and solute transport in the vadose zone: A review. Vadose Zone Journal, 17(1), 1-23.

Shahrajabian, M. H., & Sun, W. (2024). A review of lysimeter studies and experiments by considering agricultural production. Journal of Stress Physiology & Biochemistry, 20(2), 114-132.