Viele hydrochemische Prozesse im Grundwasser verlaufen recht langsam. Landnutzungsänderungen prägen sich in der Regel nur langsam auf die Beschaffenheit von Grundwasserkörpern durch. Selbst die Auswirkungen einer relativ kurzfristigen anthropogenen Veränderung zu erfassen bedarf oft mehrjähriger bis jahrzehntelanger Beobachtungen anhand von regelmäßigen Beprobungen. Selbst die Effekte des „Sauren Regens“ der 1950er bis 1980er Jahre sind noch heute in vielen flachen Grundwasserleitern in Form von niedrigen pH-Werten und erhöhten Sulfat-Konzentrationen nachweisbar, obwohl die Einträge seit Ende der 1980er Jahre deutlich nachgelassen haben.

Um die durch den Klimawandel bzw. anthropogene Eingriffe ausgelösten Veränderungen der hydrochemischen Beschaffenheit des Grundwassers bewerten zu können, wäre es wichtig zu wissen wie denn die Beschaffenheit ursprünglich, d.h. vor der Industrialisierung und der allgemeinen Verbreitung der Mineraldüngung und dem Übergang zur Intensivlandschaft gewesen ist. Während Grundwasserstände in Deutschland seit fast 150 Jahren mehr oder weniger durchgehend beobachtet werden, haben sich regelmäßige Untersuchungen der Wasserbeschaffenheit erst deutlich später etabliert. Messstellennetze zur regelmäßigen Überwachung der Wasserqualität wurden in Deutschland oft erst ab den 1980er Jahren eingerichtet.

Diese Lücke können z.T. die Chemischen Wasserstatistiken des DVGW füllen, die einen fast flächendeckenden hydrochemischen Rückblick bis in eine Zeit von vor mehr als 110 Jahren erlauben. Es wurden mehrere solcher Statistiken erhoben, wobei der DVGW jeweils die Beschaffenheit des Trinkwassers von den Wasserwerken Deutschlands abfragte und kompilierte. Die erste Statistik von 1915 erfasste 309 meist größere städtische Wasserversorgungen (mit 335 Datensätzen) im Deutschen Reich in den Grenzen von 1914. Die zweite Statistik von 1929 erfasste schon 706 Wasserversorgungen (1076 Objekte), darunter nun auch viele kleinere und mittlere. Mit der dritten Statistik von 1941 wurden bereits 1300 Wasserversorgungen (2331 Objekte) erfasst, wobei hier auch Wasserversorgungen in Österreich und Tschechien (Sudetenland) miterfasst wurden. In die erste Statistik nach 1945, aus dem Jahr 1959, wurden 727 Wasserversorgungen (1066 Objekte) aus der Bundesrepublik und West-Berlin aufgenommen. Im Jahr 1968 wurden weitere 434 Reinwasser-Analysen ergänzt.

Diese in Vergessenheit geratenen historischen Daten wurden digitalisiert, aufbereitet, in moderne Einheiten umgerechnet, Koordinaten zugeordnet, klassifiziert und einer orientierenden statistischen und kartographischen Auswertung unterzogen. Obwohl der Analyseumfang mit der Zeit zunahm, ist dieser aus heutiger Sicht recht beschränkt und erlaubt z.B. keine Ionenbilanz. Die häufigen Reinwasseranalysen erlauben nur einen begrenzten Einblick in die Konzentrationen des ursprünglichen Rohwassers. Nichtsdestotrotz zeigen einige Parameter in der Kartendarstellung klare regionale Trends, z.B. beim Gesamtlösungsinhalt, Kalzium und Eisen (im Rohwasser), die die hydrogeologischen Großräume Deutschlands widerspiegeln. Besonders interessant ist die Verteilung von Nitrat, die klar zeigt, dass die heute beobachteten hohen Konzentrationen erst mit der flächendeckenden Einführung der Intensivlandwirtschaft aufgetreten sind.

The modeling of chemical reactions in groundwater transport models can represent complex processes in the subsurface. A common approach is coupling a groundwater flow and transport model with a hydrogeochemical model. This presentation demonstrates the coupling of MODFLOW 6 and PHREEQC 3.
MODFLOW 6 is the latest version of a groundwater modeling framework provided by the U.S. Geological Survey (USGS). It combines most features from previous versions of the MODFLOW series such as MODFLOW-2005, MODFLOW-NWT, and MODFLOW-USG. Furthermore, it adds new capabilities such as groundwater energy transport. It strives to be a unified, flexible, and modular system for simulating multiple hydrologic processes including groundwater flow (GWF), groundwater transport (GWT), groundwater energy transport (GWE), and particle tracking (PRT).
MODFLOW 6 offers access to all model values during runtime via the Basic Model Interface (BMI). This technique is well-suited for coupling with other models. The open-source Python library pymf6 uses this interface to allow interactive access to MODFLOW 6. pymf6 provides a high-level approach to facilitate understanding of model internals. Interactively stepping through a model and introspecting MODFLOW 6 variables helps to understand the internals of a model run. This is essential for model coupling.
PHREEQC is a widely used hydrogeochemical modeling tool that is frequently used for reactive transport modeling. PhreeqPy is a Python interface to IPhreeqc, a PHREEQC variant that runs PHREEQC calculations programmatically without PHREEQC input files. This can considerably facilitate the implementation of reactive transport models. The latest version of PhreeqPy incorporates PhreeqcRM, a PHREEQC version specifically designed for coupling with transport models. PhreeqcRM has a comprehensive programming interface that provides programmatic control over all geochemical modeling features. PHREEQC input files are used to define initial conditions. All computations are performed for multiple cells that can be mapped to the cells of a transport model grid.
This presentation shows how PhreeqPy enables the user to couple PHREEQC computations to transport models. All PHREEQC processes can be controlled in an interactive Python session. This greatly facilitates the development of model coupling. All PHREEQC values can be introspected at all time steps. Jupyter Notebooks simplify the visualization of model values at any stage of the model run. Examples show how PhreeqPy can be used for different use cases. A simple piston flow example of advective 1-D transport demonstrates the general workflow.
A more comprehensive example demonstrates how rtmf6, which combines PhreeqPy and pymf6, can be used to model multi-dimensional reactive transport. The groundwater transport computations run in parallel, using one MODFLOW 6 transport model per chemical constituent. The chemical reaction computations are parallelized with threading in PhreeqcRM. This considerably speeds up computation by taking advantage of modern multi-core systems. The first experiences with the application of rtmf6 show that it provides a performant and flexible system. Its open architecture facilitates accounting for special conditions through custom Python programming.

Küstenregionen gehören zu den am dichtesten besiedelten Landschaften auf der Welt und beherbergen einen großen Teil der Weltbevölkerung. Grundwasserleiter werden in diesen Regionen oftmals als primäre Ressource für die Versorgung mit Trink- und Brauchwasser genutzt. Die Sicherstellung einer guten Grundwasserqualität ist daher von überragendem Interesse für viele verschiedene Akteure in Küstenregionen.

Grundwasserversalzung bedingt durch die Intrusion von Meerwasser bzw. salzigem Grundwasser stellt in vielen Fällen die unmittelbarste Gefahr für süße Grundwasservorkommen im Küstenbereich dar. Das Forschungsinteresse und die Bemühungen zur Verbesserung des Wissens in Hinblick auf Versalzungsprozesse ist dementsprechend in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten spürbar gestiegen. Die Untersuchung der Auswirkungen anderer (reaktiver) hydrogeochemischer Prozesse auf die Entwicklung der Grundwasserqualität findet im Kontext Küste hingegen deutlich weniger Beachtung. Über die hydrogeochemische Entwicklung von Küstengrundwasserleitern im Verlauf des Holozäns, das typischerweise durch erhebliche paläo-hydrogeologischen Veränderungen im Küstenraum geprägt wurde, ist bis dato sehr wenig bekannt.

Ziel unserer Studie war es daher, die hydrogeochemische Entwicklung eines Küstengrundwassersystems während des Holozäns (9.000 Jahre BP bis heute) mittels numerischer reaktiver Stofftransportmodellierung genauer zu untersuchen. Insbesondere waren wir daran interessiert, (i) welche hydrogeochemischen Prozesse die Entwicklung der Grundwasserqualität übergeordnet beeinflussen, (ii) welchen Effekt verschiedene paläo-hydrogeologische Veränderungen der Küstenlandschaft auf die hydrogeochemische Entwicklung haben und (iii) welche Rolle verschiedene zeitliche und räumliche Skalen spielen. Die Weser-Ems-Region diente als Untersuchungsgebiet, wobei ein zuvor entwickeltes numerisches dichteabhängiges Grundwasserströmungsmodell (Seibert et al., 2023) als Grundlage herangezogen wurde. Für die Beantwortung der Fragestellungen wurden reaktive 2-D Stofftransportmodelle entwickelt und mit Hilfe des Software-Pakets PHT3D (Prommer und Post, 2010) simuliert. Erste Ergebnisse zeigen, dass hydrochemische Redox-Prozesse sowie Lösungs-/Fällungsreaktionen der Minerale Kalzit, Goethit, Siderit und Pyrit die Hydrogeochemie maßgeblich beeinflussen. Die Intrusion von Meerwasser durch den Holozänen Meeresspiegelanstieg konnte als einer der wesentlichen paläo-hydrogeologische Prozess identifiziert werden, welcher neben einer Erhöhung der Salinitäten u.a. einen Anstieg der gelösten Fe(II) und HS- Konzentrationen sowie intensivierte Lösungs-/Fällungsreaktionen der Minerale Goethit und Pyrit bewirkte.

Literatur:

Prommer, H. und Post, V.E.A., 2010. A Reactive MULTICOMPONENT Transport Model for Saturated Porous Media. www.pht3d.org

Seibert, S.L., Greskowiak, J., Bungenstock, F., Freund, H., Karle, M., Meyer, R., Oude Essink, G.H.P., Van Engelen, J. und Massmann, G., 2023. Paleo-Hydrogeological Modeling to Understand Present-Day Groundwater Salinities in a Low-Lying Coastal Groundwater System (Northwestern Germany). Water Resources Research, 59(4). https://doi.org/10.1029/2022WR033151

Uranium (U) as a trace element in groundwater supply constitutes a major health risk in many regions worldwide. This trace element becomes a public health concern when it exceeds national or international drinking water standards, as it is associated with several diseases (e.g., several types of cancer). In the Mecklenburg-Vorpommern (MV) region of northern Germany, particularly in the shallow aquifer (<30 m), elevated U concentrations have been historically reported. These levels are linked to glacial sediments originating from Scandinavia during the last glaciation. A “roll front” mechanism was postulated to explain U accumulation and migration in the subsurface, which either promotes or limits the mobility of U toward groundwater. This behavior is attributed to redox-driven mobilization processes, where oxidizing agents (e.g., nitrates) alter reducing environments, leading to the release of previously immobilized geogenic U from sediments.

Through an in-depth hydrochemical and geochemical analysis aimed at characterizing the water and soil in the MV area, this study analyzes both historical and recent data (2007-2024) from 6,711 water samples and 1,087 soil samples to assess the current status of U in the region. The results show that U concentrations in groundwater range from below detection limit (0.005 µg L⁻¹) to 104 µg L⁻¹, with 6% of samples exceeding the German drinking water limit in areas such as Schwerin, Wittenburg, Wismar, Anklam, Jarmen, Güstrow, and Greifswald. Groundwater temperatures range from 5.3 to 21.9 °C, with the highest U concentrations observed between 8.5 and 11.5 °C, indicating that temperature plays a role in uranium levels in the water. Redox potential (Eh), ranging from -143 to 806 mV, was found to be a key factor influencing U mobility. The roll front effect was identified, with peak U concentrations occurring between 50 and 425 mV, i.e., in the redox window of nitrate-reducing conditions. Outside this range, U levels in groundwater tend to remain below 10 µg L⁻¹. Soil concentrations range from 0.1 to 8.8 mg kg⁻¹, and a co-occurrence was observed between elevated U levels in sediments (>0.6 µg L⁻¹) and groundwater (>10 µg L⁻¹) in the same hot spot areas. The textural classification based on grain size has shown that soils with high Organic Carbon contents (Ha, Hn; ≈ 1.59 mg kg⁻¹; i.e., peaty soils), clay (Tu, Tl, Ts; ≈1.7 mg kg⁻¹), clay-sandy (Lts; ≈1.21 mg kg⁻¹) and sandy (sl1–sl3; ≈0.6 mg kg⁻¹), collected from depths of 10 to 40 cm, exhibit the highest U contents.

Future activities will include hydrogeochemical analysis (major, minor, and trace elements), and micro-scale studies (using core samples) in the MV area, conducted in collaboration with LUNG. Identifying and characterizing the sediments and groundwater in the MV area is essential for developing a conceptual model to understand the specific U-bearing facies and the mechanisms controlling uranium mobilization, which under certain conditions may either enhance or limit its concentration in groundwater. Continuing with the detailed characterization of the MV area, is essential for identifying the specific U-bearing phases, optimizing the design of mobility tests and water treatment strategies in MV.

Key words: Uranium, Groundwater, soil, Mecklenburg-Vorpommern

Obwohl Moore lediglich rund 3 % der terrestrischen Landfläche bedecken, speichern sie etwa 10 % des globalen nichtglazialen Süßwassers und tragen bis zu 20 % des in die Ozeane eingetragenen gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC) bei. Sie spielen eine zentrale Rolle für die Trinkwasserversorgung vieler Regionen – so sind in Irland etwa 80 % der Bevölkerung auf von Torfgebieten gespeiste Oberflächengewässer angewiesen. In Mecklenburg-Vorpommern bedecken Moore rund 13 % der Landesfläche; die Degradation von Torfen stellt hier die bedeutendste Quelle von Treibhausgasemissionen dar. Eine rasche und umfassende Wiedervernässung ist daher unabdingbar, um die regionalen Klimaziele zu erreichen.

Moore beeinflussen weltweit aber auch die Qualität sowohl von Oberflächen- als auch von Grundwasser in abstromigen Einzugsgebieten. Sie gelten im Allgemeinen als Senken für zahlreiche gelöste chemische Substanzen und erbringen damit essenzielle Ökosystemdienstleistungen wie die natürliche Wasserfiltration. Ihre Rückhaltekapazität unterliegt jedoch saisonalen Schwankungen und wird durch Faktoren wie Wasserquelle und -sättigung, Redoxbedingungen, Sorptionsprozesse und mineralische Umsetzungen bestimmt. Anthropogene Einflüsse – etwa Entwässerung, landwirtschaftliche Nutzung oder Torfabbau – können diese Funktionen erheblich beeinträchtigen und dazu führen, dass Moore statt als Senken als Quellen unerwünschter Stoffe wirken. Dies birgt Risiken für abstromige Ökosysteme, Wasserressourcen und letztlich auch für die öffentliche Gesundheit.

Während die zentrale Bedeutung der Kohlenstoffbilanz und des trophischen Zustands von Mooren weithin anerkannt ist und deren enge Verknüpfung mit der Landnutzung gut belegt wurde, besteht bislang nur begrenztes Wissen über den Einfluss dieser Faktoren auf die Kreisläufe und die Mobilisierung von Spurenelementen in Mooren. Viele Hochmoorgebiete entwässernde Bäche und Flüsse – etwa in Irland – weisen in den letzten Jahrzehnten einen rapiden Anstieg der DOC-Konzentrationen auf, der auf Torfdegradation zurückzuführen ist und sich durch den fortschreitenden Klimawandel sowie andere anthropogene Einflüsse weiter verstärken dürfte. Diese Entwicklung wird voraussichtlich zu einer weiteren Verschlechterung der abstromigen Wasserqualität führen, auch im Hinblick auf die Co-Mobilisierung von Spurenelementen.

In einer laufenden Studie in einem entwässerten Niedermoor im Tal des Flusses Ryck (Vorpommern) werden hydrogeochemische und hydrogeologische Auswirkungen landwirtschaftlicher Nutzung, Drainage und Wiedervernässung untersucht. Im Fokus stehen dabei Stoffausträge aus degradiertem und intaktem Torf, Veränderungen der hydraulischen Durchlässigkeit sowie Nitrateinträge. Erste Ergebnisse aus Säulen- und Batchversuchen zeigen erhebliche Stofffreisetzungen, insbesondere bei degradierten Torfen: Sie setzen mehr als doppelt so viel organischen Kohlenstoff frei wie nicht degradierte Torfe. Zudem wurden für toxikologisch relevante (Spuren-)Elemente wie Eisen, Aluminium, Vanadium, Nickel, Arsen, Blei und Uran um den Faktor 4 bis 7 erhöhte Mobilisierungspotenziale beobachtet. Diese Befunde sollten bei der Planung und Umsetzung von Wiedervernässungs- und Nachnutzungskonzepten (Paludikultur) zwingend berücksichtigt werden.

In semiariden Klimagebieten wie dem südlichen Afrika kann das Problem der Wasserknappheit mithilfe der Nutzung tiefer Grundwasservorkommen verringert werden. Im Cuvelai-Etosha-Becken im Norden Namibias wurde ein tiefes Aquifersystem in den Ablagerungen des Cubango Megafans entdeckt. Dieses ist durch zwei übereinanderliegende Grundwasserleiter, dem Ohangwena-I, sowie dem tieferliegenden Ohangwena-II charakterisiert, welche durch einen lokal vorkommenden schwebenden Grundwasserleiter ergänzt werden. Die Qualität und Nutzung des Grundwassers ist teilweise durch hohe Salzkonzentrationen, sowie hohe Konzentrationen an Vanadium und Fluorid eingeschränkt. Wir untersuchen die Spurenelementverteilung und deren bislang ungeklärte Mobilisierungsprozesse mittels Labor- und Feldversuche.

Anhand von Material des Bohrkerns WW203302, welcher aus einer im Jahr 2013 durchgeführten, 400 m tiefen Bohrung im Gebiet Ohangwena in Namibia stammt (Houben et al., 2020), können für die Grundwasserbeschaffenheit relevante geochemische Eigenschaften des Sediments der Kalahari-Formation in Laborversuchen bestimmt werden. Der Fokus liegt dabei auf der Bestimmung der Herkunft und der Mobilisierungsprozesse der Spurenelemente Vanadium und Fluor. Fluor kann beispielsweise in verschiedenen Schwermineralen wie Turmalin, Apatit oder Biotit vorhanden sein. Zur Analyse von fluoridhaltigen Schwermineralen wird eine quantitative und qualitative Untersuchung anhand von Schwermineralschliffen mit Raman-Spektroskopie, sowie Elektronenstrahlmikrosonde durchgeführt. Potentiell fluorid-mobilisierende Ionenaustauschprozesse zwischen Sediment und Grundwasser sollen durch Anionenaustauschexperimente mit Natriumkarbonat- und Natriumsulfat-Austauschlösungen nachgewiesen werden. Vanadium kann in Eisenoxiden vorkommen und von dort durch reduktive Wasser-Gesteinswechselwirkungen ins Grundwasser gelangen. Potentiell vanadiumhaltige Eisenoxide werden abgetrennt und die Eluate mit ICP-MS auf Spurenelemente untersucht. Zusätzlich können mithilfe von Neutronenaktivierungsanalyse die Spurenelemente mit hoher Genauigkeit im Sediment nachgewiesen werden.

Bei einer Probenahmekampagne in Namibia im Sommer 2025 konnten Grundwasserproben von 23 Bohrungen im Gebiet Ohangwena entnommen werden. Die folgende Analytik wird an den Proben durchgeführt: Anionen und Kationen, Isotopenmessungen von ²H, ¹⁸O, ¹³C und ¹⁴C, gesamtorganischer und -anorganischer Kohlenstoff, N₂/Ar, Edelgase, sowie Spurenelemente wie Vanadium und Fluor. Mithilfe der Ergebnisse der Grundwasserproben können Korrelationen der Spurenelementkonzentrationen mit geochemischen Parametern des Grundwassers, wie pH-Wert und Salinität, hergestellt und ein tieferes Verständnis der Mobilisierungsprozesse erzielt werden. Auch die Verteilung des Salzgehaltes und der Verlauf der Salz-Süßwassergrenze in den Grundwasserleitern der Ohangwena Region kann mithilfe der neuen Grundwasserproben genauer bestimmt werden.

In unserem Beitrag stellen wir erste Ergebnisse der Bohrkernanalysen, der Messungen der Grundwasserproben und der Bestimmung von stattfindenden geochemischen Mobilisierungsprozessen vor.

Houben, G. J., Kaufhold, S., Miller, R. M., Lohe, C., Hinderer, M., Noll, M., ... & Quinger, M. (2020). Stacked megafans of the Kalahari Basin as archives of paleogeography, river capture, and Cenozoic paleoclimate of southwestern Africa. Journal of Sedimentary Research, 90(9), 980-1010.