Untersuchung der Flusswasserinfiltration in voralpinen Schottern mittels Zeitreihenanalyse

Kurzfassung

Grundwasserfassungen in der Nähe von Flüssen können durch die Infiltration von Flusswasser beeinflusst werden. Aus Sicht des Trinkwasserschutzes interessiert vor allem, welcher Anteil des geförderten Wassers aus dem Fluss stammt und wie lange das Flussinfiltrat im Grundwasserleiter verbleibt, bevor es gefördert wird. Hierzu können Markierversuche durchgeführt werden, die jedoch bei größeren Flüssen mit einem erheblichen Stoffeintrag verbunden sind. Als Alternative zu Markierversuchen stellen wir Methoden vor, um aus Zeitreihen der elektrischen Leitfähigkeit und der Temperatur quantitative Aussagen zu Mischungsverhältnissen und Aufenthaltszeiten abzuleiten. Wir empfehlen ein mehrstufiges Vorgehen bestehend aus: (1) einer qualitativen Analyse, (2) der spektralen Ermittlung des saisonalen Temperatur- und Leitfähigkeitsverlaufs, (3) einer Kreuzkorrelationsanalyse und (4) der nicht-parametrischen Dekonvolution der Zeitreihen. Wir wenden diese Methoden an drei Standorten im Grundwasserstrom des Thurtales im schweizerischen Mittelland an. An Standorten ohne gute Flussanbindung oder mit exfiltrierenden Verhältnissen können die aufwändigen Zeitreihenanalysen nicht angewendet werden, die Messreihen zeigen jedoch die entsprechenden Verhältnisse an. An Standorten mit dauerhafter Flussinfiltration kann aus den Zeitreihen die Durchbruchskurve eines Markierversuches rekonstruiert werden, ohne einen künstlichen Markierstoff in den Fluss geben zu müssen.

Abstract

Drinking-water wells in the vicinity of rivers may be influenced by infiltration of river water. In the context of drinking-water protection the decisive questions concern the fraction of river infiltrate in the pumped water and the residence time in the aquifer. For this purpose, tracer experiments may be performed. At larger rivers, however, such tests require the injection of large amounts of the tracer. As an alternative to artificial-tracer tests, we present methods in which time series of electric conductivity and temperature are used for quantitative statements regarding mixing ratios and residence times. We recommend a multi-step approach consisting of: (1) a qualitative analysis of the time series, (2) a spectral filtering of the seasonal temperature and conductivity signals, (3) a cross-correlation analysis, and (4) a non-parametric deconvolution of the time series. We apply these methods to three sites in the aquifer of the Thur Valley in the Swiss Plateau. At sites without good connection between river and groundwater or where the river gains groundwater, the elaborate methods of time-series analysis are not applicable, but the time series itself will reveal such conditions. At sites with continuous river water infiltration, we can reconstruct the breakthrough curve of a tracer test without releasing an artificial tracer into the river.