Lehr- und Forschungsfeld "Grundwasser"

Das Institut für Grundwasserwirtschaft betreibt am Standort Pirna-Copitz seit dem Jahr 2008 ein Lehr- und Forschungsfeld „Grundwasser“ (LFF), welches im Rahmen einer Gemeinschaftsarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) errichtet wurde.

Durch die bereits vorhandene und nach Ausbaumaßnahmen zusätzlich zur Verfügung stehende Infrastruktur bestehen hier sehr gute Vorraussetzungen für innovative Forschung und Lehre sowie zur Etablierung post-gradualer Weiterbildungsangebote für die Stärkung der (inter-) nationalen Vernetzung im Bereich der Hydrogeologie bzw. der nachhaltigen Bewirtschaftung der Ressource Grundwasser, der wichtigsten Quelle zur Trinkwassergewinnung.

Das am Standort Pirna existierende Lehr- und Forschungsfeld „Grundwasser“ ermöglicht dabei die Durchführung bzw. praktische Demonstration einer großen Bandbreite von etablierten hydrogeologischen Versuchen sowie die Testung neuer hydrogeologischer Methoden.

Inhaltsverzeichnis

1. 1. Charakterisierung des Standortes
      1. Hydrogeologie
   2. Infrastruktur und Möglichkeiten der Versuchsdurchführung
      1. 1 Zoll Direct Push Messstellen im Lockergesteinsgrundwasserleiter 
      2. 5 Zoll Grundwassermessstellen im Lockergesteinsgrundwasserleiter 
      3. 10 Zoll Brunnen im Lockergesteinsgrundwasserleiter
      4. 5 Zoll Grundwassermessstelle in der tonig-schluffigen Zersatzschicht der oberen Kreide (Pläner)
      5. Wetterstation
   3. Bisher am Standort durchgeführte Projekte
   4. Nutzungs-/Kooperationsmöglichkeiten
   5. Danksagung
   6. Ansprechpartner
   7. Adresse Lehr- und Forschungsfeld "Grundwasser"

Charakterisierung des Standortes

Das Lehr- und Forschungsfeld „Grundwasser“ der Technischen Universität Dresden befindet sich auf dem Gelände der Außenstelle in Pirna-Copitz und grenzt unmittelbar an die Elbe an (Abbildung 1). Die Größe des Lehr- und Forschungsfeldes „Grundwasser“ beträgt circa 2,5 ha (Breite 140 m, Länge 180 m), die Entfernung zur Elbe beläuft sich auf 50 bis 150 m. Das Gelände fällt in Richtung der Elbe von einer Höhe von 119 m NHN auf eine Höhe von etwa 111 m NHN ab.

Hydrogeologie

Der Untergrund des oberen quartären Lockergesteinsgrundwasserleiters ist geprägt durch fluviatile Ablagerungen mit hoher Variabilität. Unter einer Schicht aus anthropogenen Aufschüttungen bis in eine Tiefe von bis zu 2 m u. GOK lassen sich bis in eine Tiefe von etwa 16 m u. GOK heterogene, hoch leitfähige Sande und Kiese nachweisen (Abbildung 2). Diese sind zum Teil von schluffhaltigen Sedimenten durchzogen. Darunter schließt sich eine tonig-schluffige Zersatzschicht der oberen Kreide (Pläner) bzw. geringleitende Schicht (kein Grundwasserleiter) mit einer Mächtigkeit von ca. 50/60 m an. Wiederum darunter befindet sich ein Kreidegrundwasserleiter aus Quarz/Quadersandstein, der durch eine stauende Schicht aus plenus-Basiston überdeckt ist. Durch die hier vorhandene Neigung und Überdeckung liegen hier gespannte Verhältnisse vor.

Der Grundwasserspiegel im Lockergesteinsgrundwasserleiter liegt im Mittel etwa 7 m u. GOK und fluktuiert zwischen 4 und 10 m u. GOK. Die Grundwasserspiegellage ist dabei stark vom Elbwasserspiegel abhängig, wodurch die Grundwasserströmungsrichtung unstet ist. Ab einem Elbe-Wasserstand von > 2,5 m (entspricht 110,5 m NHN) kehren sich die effluenten Verhältnisse, bei der das Grundwasser von Nordost nach Südwest strömt, um. Im Bereich des Lehr- und Forschungsfeld „Grundwasser“ können Grundwasserabstandsgeschwindigkeiten von bis zu 2 m/h nachgewiesen werden.

Infrastruktur und Möglichkeiten der Versuchsdurchführung

Die aktuell zur Verfügung stehende Infrastruktur des Lehr- und Forschungsfeldes „Grundwasser“ist in Abbildung 3 dargestellt.

Die wichtigsten Komponenten des Lehr- und Forschungsfeldes „Grundwasser“ sowie die damit verbundenen Möglichkeiten der Versuchsdurchführung werden im Folgenden vorgestellt. 

1 Zoll Direct Push Messstellen im Lockergesteinsgrundwasserleiter 

Auf dem Gelände des Lehr- und Forschungsfeldes „Grundwasser“ wurden 26 Stück 1 Zoll Messstellen bis in eine Tiefe von 14 m u. GOK mittels Direct-Push-Verfahren errichtet (Abbildung 3, schwarze Kreuze) und mit Sensorik zur Grundwasserstandsmessung ausgestattet (Abbildung 4 + 5 + 6).  

Möglichkeiten der Versuchsdurchführung

• Erfassung Strömungsverhältnisse im oberen Grundwasserleiter
• Demonstration Probenahme mittels stromloser Systeme wie Schöpfern oder Fußventilumpen
• Überwachung von Markierversuchen durch die Errichtung von 15 Stück weiteren 1 Zoll Messstellen im zentralen Bereich des des Lehr- und Forschungsfeldes „Grundwasser" (Abbildung 3, rote Kreuze)

5 Zoll Grundwassermessstellen im Lockergesteinsgrundwasserleiter 

Im zentralen Bereich des Lehr- und Forschungsfeldes „Grundwasser“ befinden sich sieben 5 Zoll Messstellen mit einer Tiefe von 14 m u. GOK (Filterbereich 10 – 13 m u. GOK) (Abbildung 2, gelbe Kreise), die mit Multiparametersonden zur Erfassung von Wasserstand, Sauerstoffgehalt, elektrischer Leitfähigkeit und pH-Wert ausgestattet sind (Abbildung 7 + 8).

Möglichkeiten der Versuchsdurchführung

• Markierungsversuche mit natürlichem und erzwungenem hydraulischen Gradienten, bspw. unter Verwendung der stabilen Isotope Sauerstoff-18 und Deuterium (und nachfolgende Analytik im Stabilisotopenlabor des Institutes)
• Pneumatische Slug-Tests zur Bestimmung der hydraulischen Durchlässigkeit in unterschiedlichen Tiefen
• Repräsentative Grundwasserprobenahmen (Abbildung 9)

• Versuche zur Beobachtung des konservativen und reaktiven Transports von gelösten Stoffen im Grundwasserleiter
• Infiltrationsversuche mittels Einzelbrunnen, Brunnenfeldern und Infiltrationsbecken zur Bewertung von Methoden der künstlichen Grundwasseranreicherung 

10 Zoll Brunnen im Lockergesteinsgrundwasserleiter

Es wurden zwei 10 Zoll Brunnen (Filterbereich 10 – 14 m u. GOK) mittels Greiferbohrverfahren (Abbildung 10 + 11 + 12 + 13) über die komplette Mächtigkeit des Lockergesteinsgrundwasserleiters errichtet (Abbildung 3, braune Kreise).

Beide baugleichen Brunnen unterscheiden sich nur in der Wahl des Filtermateriales, in Brunnen 1 wurde Filterkies verbaut, wohingegen in Brunnen 2 der Filterbereich mit Glaskugeln ausgebildet wurde (Abbildung 14 +15). In beiden Brunnen sind Tiefbrunnenpumpen mit einer Förderrate von bis zu 100 m³/h installiert.

Möglichkeiten der Versuchsdurchführung

• Durchführung von Pumpversuchen und Demonstration verschiedener analytischer Auswerteverfahren auf Basis der erfassten Daten (Abbildung 16)

• Vergleichende Beobachtungen zu Brunnenalterungsprozessen aufgrund der unterschiedlichen Filtermaterialien, entsprechende Untersuchungen zur Regenerierung der verschiedenen Filtermaterialien (Abbildung 17)

• Gewinnung von Uferfiltrat aus der Elbe mit der Möglichkeit qualitative Untersuchungen zu Stofftransport (z.B. Spurenstoffe) und reaktiven Prozessen im Zuge der Interaktion von Elbe und Lockergesteinsgrundwasserleiter durchzuführen (Abbildung 18)

5 Zoll Grundwassermessstelle in der tonig-schluffigen Zersatzschicht der oberen Kreide (Pläner)

Im zentralen Bereich des Lehr- und Forschungsfeldes „Grundwasser“ befindet sich weiterhin eine 5 Zoll Messstelle (Abbildung 3, grüner Kreis), die bis in eine Tiefe von 55 m u. GOK (Filterbereich 50 – 53 m u. GOK) mittels Im Loch Hammerbohrverfahren (Abbildung 19 +20 + 21 +22) abgeteuft wurde, es liegen leicht gepannte Verhältnisse vor. Es besteht hier die Möglichkeit, Grundwasser aus der tonig-schluffigen Zersatzschicht der oberen Kreide (Pläner) zu gewinnen. 

Möglichkeiten der Versuchsdurchführung

• Möglichkeit der vergleichenden Untersuchungen von verschiedenen Grundwässern hinsichtlich qualitativer Aspekte (Ionen, Isotope, Temperatur)
• Beobachtung der nicht vorhandenen Interaktion zwischen Elbe und dem unteren Grundwassergeringleiter sowie zwischen oberem Lockergesteinsgrundwasserleiter und unterem Grundwassergeringleiter
• Durchführung von Pumpversuchen unter teil gespannten Verhältnissen

Wetterstation

Mit der errichteten Wetterstation können die klimatischen Standortbedingungen wie Lufttemperatur, Luftdruck, relative Feuchte, Niederschlag, Windgeschwindigkeit und Windrichtung erfasst werden und damit der Standort hinsichtlich seiner klimatischen Bedingungen charakterisiert werden (Abbildung 23).

Bisher am Standort durchgeführte Projekte

Die bereits vorhandene Infrastruktur wurde in den letzten Jahren genutzt, um die im Folgenden aufgelisteten Forschungsprojekte durchzuführen:

• Regen als Grundwassertracer – DFG (Binder et al., 2019, Tritschler et al., 2019)
• Innovative web-based decision support system for water sustainability under a changing climate (INOWAS) – BMBF (Barquero et al., 2019)
• Smart framework for real-time monitoring and control of subsurface processes in managed aquifer recharge applications (SMART CONTROL) – BMBF (Glass et al., 2022)

Nutzungs-/Kooperationsmöglichkeiten

• Durchführung von Weiter- und Fortbildungskursen, z.B. Montanhydrologisches          Monitoring, Summer Schools
• Kooperation mit anderen Forschungseinrichtungen, z.B. UfZ, HTW Dresden
• Realisierung einer großen Bandbreite von hydrogeologischen Versuchen im Rahmen von Forschungsprojekten
• Praktische Demonstration von etablierten und neuen hydrogeologischen Methoden im Rahmen der studentischen Ausbildung (Abbildung 24)

Danksagung

Ansprechpartner

Dr.-Ing. Thomas Fichtner (email: )

Adresse Lehr- und Forschungsfeld _"Grundwasser"

Institut für Abfall- und Kreislaufwirtschaft                                                                                     Pratzschwitzer Str. 15                                                                                                                  01796 Pirna