Gadolinium als Umwelttracer anthropogenen Einflusses auf Grundwasser : Oberflächengewässer-Grundwasser-Interaktion

  • Gadolinium as environmental tracer of anthropogenic influence on groundwater : Surface water-groundwater-interaction

Boester, Uwe; Rüde, Thomas R. (Thesis advisor); Schwarzbauer, Jan (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Kurzfassung

Gadolinium (Gd) ist ein Element der Gruppe der Seltenen Erden (REE) und wird als Umwelttracer in Oberflächengewässern verwendet. Die Methode basiert darauf, dass eine anthropogene Anreicherung der Gd-Konzentration im Verhältnis zum natürlichen Gd-Hintergrund besteht. Diese Gd-Konzentrationsanomalie beruht auf dem Einsatz von gadoliniumhaltigen Kontrastmitteln in der Magnetresonanztomografie (MRT). Die Medikamente kommen seit den 1980er Jahren zum Einsatz. Die Gd-Komplexe darin werden aufgrund ihrer hohen Stabilität von den Patienten kurz nach ambulanter Behandlung in Krankenhäusern oder zu Hause ausgeschieden. Weil die aktuell eingesetzten Wasseraufbereitungsanlagen die MRT-Kontrastmittel nicht zurückhalten können, führt die Anwendung gadolinium-haltiger Kontrastmittel zu einem direkten anthropogenen Gd-Eintrag in die Oberflächengewässer durch Siedlungsabwasser. Bisher publizierte Untersuchungen betrachten keine zusammenhängenden hydrologisch-hydrogeologischen Systeme. Um dem zu begegnen, wird hier eine Bestimmung der natürlichen Hintergrundkonzentration von Gd in Wasserproben auf lokaler Basis angepasst an die Geologie eingeführt. Zusammen mit statistischen Auswerteverfahren der Messungen (großer Probenumfang) ergibt das eine generalisierbare Methodik, mit der Gd in Abhängigkeit von seinen Hintergrundkonzentrationen als Umwelttracer genutzt werden kann. Dazu wurden in drei Untersuchungsgebieten Wasserproben genommen, die eine Abfolge von hoher Grundwasserfließgeschwindigkeit (bis zu 3.000 m/d) und hoher Gd-Konzentration ("Mittelstreu") über eine mittlere Situation ("Eisch") bis hin zu einem langsam fließenden Grundwassersystem (50 m/a) mit niedrigeren Gd-Konzentrationen ("Brombachsee") umfasst. Beim Untersuchungsgebiet an der Mittelstreu liegt eine direkte Verbindung der Karstquellen (Mittelstreuer Quellen) und des Vorfluters (Streu) über Schwinden im Uferbereich vor. Das an der Schwinde mit Autosamplern beprobte Streuwasser versickert dort und fließt im Karstgrundwasserleiter mit hoher Geschwindigkeit (ca. 2.500 m/d; Korrelation der Gd-Frachtpeaks) den Mittelstreuer Quellen zu, die für die Trinkwasserversorgung genutzt werden. Die Gd-Anomalie ist in den Zeitreihen als wöchentliches Signal der Schwinde gedämpft im Grund- bzw. Quellwasser nachweisbar. Im Sommer kann von einem ca. 20 %-igen Streuwasseranteil und im Winter von einem 5 - 6 %-igen Streuwasseranteil im Quellwasser ausgegangen werden. Dies ist Ergebnis der Auswertung der Gd-Konzentrationen, Gd-Frachten und Gd-Massensummen der Zeitreihen. Die flächenhafte Beprobung ergab spezifische Hintergrundkonzentrationen für Gd im Buntsandstein und dem Muschelkalk (6,6 ng/L und 2,2 ng/L). Der Streuhintergrund ist durch die permanente Einleitung von Gd bereits etwas erhöht (5,2 ng/L) und es scheint so zu sein, dass Oberflächengewässer aufgrund des kontinuierlichen Siedlungsabwassereinflusses den natürlichen Hintergrund nicht mehr widerspiegeln. Im Untersuchungsgebiet Eisch lagen grundwassereffluente Bedingungen vor, sodass die genommenen Wasserproben im Grundwasser kein Gd-Signal zeigten, die Oberflächenwasserproben das konservative Verhalten der Gd-Anomalie allerdings bestätigten und einen Grundwasserzutritt quantifizierbar machten. Das Signal veränderte sich im weiteren Flusslauf der Eisch im Untersuchungsgebiet nur durch Verdünnung aufgrund von einmündenden Nebengewässern und dem Grundwasserzutritt.Der Große Brombachsee weist seit Erreichen seines Stauziels im Jahr 1998 eine Infiltration von Seewasser in die umliegenden Grundwasserleiter auf. Am Nordrand führt das dazu, dass eine Infiltrationsfront, die seit 20 Jahren unterwegs ist, durch die Gd-Anomalie nachverfolgt und in ihrer räumlichen Ausdehnung quantifiziert werden kann. Damit ist das Signal auch über weite Strecken in geringer durchlässigen Festgesteinen (Burgsandstein) im Vergleich zum Karst (Mittelstreu) nachweisbar und Gd umfangreich als Umwelttracer anwendbar. Die Vergleichsanalysen weiterer anthropogener Schadstoffe zeigen, dass nur Acesulfam (beide Standorte), Diclofenac (Mittelstreu) und Koffein (Brombachsee) überhaupt nachgewiesen wurden. Nur Acesulfam ist ausreichend stabil und in einer entsprechenden Peakkonzentration bestimmbar, sodass ein Vergleich mit Gd möglich ist. Aufgrund desselben Eintragpfads verhält sich das Acesulfam ähnlich wie Gd. An der Mittelstreu besteht auch eine Korrelation der beiden Umwelttracer. Am Brombachsee zeigt sich, dass die Langzeitstabilität von Acesulfam nicht gegeben ist. Deshalb ist nach diesem Vergleich die Gd-Anomalie der am sichersten zu bestimmende und räumlich wie zeitlich am besten aufgelöste Umwelttracer unter den betrachteten Stoffen.

Einrichtungen

  • Fachgruppe für Geowissenschaften und Geographie [530000]
  • Lehr- und Forschungsgebiet Hydrogeologie [532220]