Isotopenmethoden in der Hydrologie: mit 32 Tabellen
Gespeichert in:
| Format: | Buch |
|---|---|
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Borntraeger
1980
|
| Schriftenreihe: | Lehrbuch der Hydrogeologie
8 |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | XX, 400 S. Ill., graph. Darst., Kt. |
| ISBN: | 3443010121 |
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|---|---|
| adam_text | Inhalt
1 Einführung........................................................ 1
1.1 Zweck und Rahmen des Lehrbuchs .................................. 1
1.2 Isotope: Physikalische Grundlagen................................... 2
1.2.1 Stabile Isotope .................................................... 2
1.2.1.1 Isotopenfraktionierung in der Hydrosphäre ................... 2
1.2.1.1.1 Isotopenfraktionierung bei Phasenübergängen
mit thermodynarnischem Gleichgewicht....................... 4
1.2.1.1.2 Isotopenfraktionierung bei Phasenübergängen
ohne thermodynamisches Gleichgewicht ...................... 8
1.2.1.2 Meßmethodik............................................. 11
1.2.1.2.1 Probenpräparation......................................... 11
1.2.1.2.2 Massenspektrometrische Messung, Auswertung und Standards 15
1.2.2 Radioaktive Isotope................................................ 17
1.2.2.1 Allgemeines zur Radioaktivität .............................. 17
1.2.2.2 Strahlungsmessung ........................................ 19
1.2.2.3 Zur Auswertung von Strahlungsmessungen.................... 21
1.3 Isotope als Tracer und Strahlungsquellen für hydrologische
Untersuchungen................................................... 23
1.3.1 Umweltisotope in der Hydrosphäre .................................. 23
1.3.1.1 Stabile Isotope............................................ 23
1.3.1.1.1 Allgemeines............................................... 23
1.3.1.1.2 Deuterium und Sauerstoff-18 in den Niederschlägen............ 25
1.3.1.2 Radioaktive Umweltisotope................................. 32
1.3.1.2.1 Allgemeines zur Low-Level-Meßtechnik ...................... 33
1.3.1.2.2 Tritium .................................................. 35
Tritium in den Niederschlägen 36
Messung des Tritiumgehalts in Wasserproben 38
1.3.1.2.3 Kohlenstoff-14 (M.A.Geyh)................................ 43
Allgemeines zur Altersbestimmung mit der Radiokohlenstoff-
Methode (14C-Methode) 44
Altersbestimmung von Grundwasser mit der 14C-Methode 46
Messung des 14C-Gehalts und 13C-Wertes in Grundwasser-
und Karbonatproben 53
Fehlergrenzen bei l4C-Altern 55
1.3.1.2.4 Weitere radioaktive Umweltisotope für hydrologische
Untersuchungen (M. A. Geyh und H. Moser) ................. 56
X
Inhalt
1.3.2 Isotope als absichtlich zugegebene hydrologische Tracer
(H. Behrens und H. Moser)........................................ 61
1.3.3 Verwendung von Radionukliden in umschlossenen Strahlenquellen
für hydrologische Untersuchungen................................... 66
1.3.3.1 Wechselwirkung von Gamma-Strahlung mit Wasser und Boden .. 67
1.3.3.2 Wechselwirkung von Neutronen mit Wasser und Boden......... 68
1.3.4 Zur Planung und Probenentnahme bei isotopenhydrologischen
Untersuchungen................................................... 72
1.3.5 Zum Strahlenschutz bei hydrologischen Untersuchungen
mit radioaktiven Substanzen ........................................ 75
2 Anwendungen von Isotopen im Oberflächenwasser....................... 78
2.1 Offene Gerinne (H. Behrens) ....................................... 78
2.1.1 Grundlagen der Abflußmessungen in offenen Gerinnen ................. 79
2.1.1.1 Abflußmessung mit kontinuierlicher Tracereinspeisung.......... 79
2.1.1.2 Abflußmessung mit momentaner Tracereinspeisung............. 82
2.1.1.3 Vergleich der Abflußmeßmethoden mit kontinuierlicher
und momentaner Tracereinspeisung.......................... 83
2.1.2 Bestimmung von Fließ- bzw. Verweilzeiten in offenen Gerinnen.......... 83
2.1.3 Praktische Durchführung von Abfluß- und Fließzeitmessungen
in offenen Gerinnen mit radioaktiven Tracern ......................... 84
2.1.3.1 Art und Menge der Tracersubstanz .......................... 84
2.1.3.2 Vorrichtungen zur Tracereinspeisung......................... 86
2.1.3.3 Probenentnahme und Meßanordnungen ...................... 86
2.1.3.4 Kalibrierung der Meßanordnungen .......................... 87
2.1.3.5 Auswertung der Meßergebnisse.............................. 88
2.1.4 Beispiele für Abfluß- und Fließzeitmessungen in offenen Gerinnen........ 88
2.1.5 Das Problem der Durchmischung.................................... 91
2.1.5.1 Untersuchung von Durchmischungsvorgängen
in offenen Gerinnen mit Tracermethoden ..................... 92
2.1.5.2 Verwendung des Gehalts an stabilen Isotopen
zur Untersuchung von Durchmischungsvorgängen ............. 93
2.1.6 Spezielle Anwendungen von Isotopenmethoden
bei Wasserqualitätsuntersuchungen in offenen Gerinnen................. 95
2.2 Sedimentbewegungen (H. Pahlke) .................................... 95
2.2.1 Einführung ....................................................... 95
2.2.2 Schwebstoffe...................................................... 96
2.2.2.1 Bestimmung der Schwebstoffkonzentration mit Hilfe
der Schwächung von Gamma-Strahlen ....................... 96
2.2.2.1.1 Grundlagen des Meßverfahrens.............................. 96
2.2.2.1.2 Meßanordnungen.......................................... 98
2.2.2.1.3 Vor- und Nachteile des radiometrischen Verfahrens gegenüber
mechanischen Messungen der Schwebstoffkonzentration ........ 99
2.2.2.1.4 Anwendungsbeispiel ....................................... 99
Inhalt XI
2.2.2.2 Messung der Schwebstoffbewegung mit Hilfe
von Tracerverfahren ....................................... 100
2.2.2.2.1 Markierung der Schwebstoffe ............................... 100
2.2.2.2.2 Meßverfahren............................................. 101
2.2.2.2.3 Anwendungsbeispiele....................................... 102
2.2.3 Geschiebe ........................................................ 102
2.2.3.1 Messung der Geschiebebewegung............................ 103
2.2.3.1.1 Voruntersuchungen ........................................ 103
2.2.3.1.2 Markierung des Geschiebes ................................. 103
2.2.3.1.3 Einbringung des markierten Geschiebes als Tracer ............. 105
2.2.3.1.4 Tracernachweis und Bestimmung der Parameter
der Geschiebebewegung .................................... 106
2.2.3.2 Bestimmung der Transportrate des Geschiebes................. 109
2.2.3.2.1 Methode der Raumintegration .............................. 110
2.2.3.2.2 Methode der stetigen Verdünnung ........................... 111
2.2.3.2.3 Methode der Zeitintegration ................................ 111
2.2.3.2.4 Dispersionsmodelle ........................................ 112
2.2.3.3 Anwendungsbeispiele....................................... 112
2.3 Seen und Stauseen................................................. 116
2.3.1 Durchmischung und Schichtung in Seen .............................. 116
2.3.1.1 Beispiele für Untersuchungen der Durchströmung von Seen
mit Hilfe von Umweltisotopen .............................. 117
2.3.1.2 Beispiele für Untersuchungen der Durchströmung von Seen
mit Hilfe absichtlich zugegebener radioaktiver Tracer........... 121
2.3.2 Verdunstung bei Seen .............................................. 125
2.3.2.1 Vorbemerkungen und theoretische Ansätze.................... 125
2.3.2.2 Anwendungsbeispiele....................................... 128
2.3.3 Dichtigkeit von Stauanalgen ........................................ 135
2.3.3.1 Isotopenmethoden zur Lokalisierung von Undichtigkeiten
und zur Bestimmung von Leckraten.......................... 135
2.3.3.2 Anwendungsbeispiele....................................... 139
2.4 Schnee und Eis (H. Moser und W. Stichler) ......................... 142
2.4.1 Vorbemerkungen .................................................. 142
2.4.2 Entstehung von Hagelkörnern....................................... 143
2.4.3 Auf- und Abbau der Schneedecke.................................... 145
2.4.3.1 Wasseräquivalent und Dichteprofil einer Schneedecke .......... 145
2.4.3.1.1 Grundlagen des Meßverfahrens.............................. 146
2.4.3.1.2 Bestimmung des Gesamtwasseräquivalents einer Schneedecke
mit Hilfe von umschlossenen radioaktiven Quellen ............. 146
2.4.3.1.3 Bestimmung des Gesamtwasseräquivalents einer Schneedecke
mit Hilfe der natürlichen Gamma-Strahlung des Bodens ........ 148
2.4.3.1.4 Messung des Dichteprofils einer Schneedecke
mit umschlossenen radioaktiven Quellen...................... 150
XII Inhalt
2.4.3.2 Abbild des Isotopengehalts der Niederschläge
in der Schneedecke........................................ 151
2.4.3.3 Isotopengehalt und Winddrift ............................... 154
2.4.3.4 Isotopengehalt und Reifbildung ............................. 154
2.4.3.5 Isotopengehaltsänderung bei Verdunstung
von der Schneeoberfläche................................... 155
2.4.3.6 Perkolation von Regen und Schmelzwasser und ihre Wirkung auf
das Isotopengehaltsprofil einer temperierten Schneedecke 156
2.4.3.7 Mechanismus des Abbaus einer Schneedecke .................. 158
2.4.4 Isotopengehaltsänderungen im Akkumulationsgebiet von Gletschern
beim Übergang der Schneedecke in Eis ............................... 159
2.4.4.1 Isotopengehaltsänderung in oberflächennahen Schneeschichten ... 159
2.4.4.2 Isotopengehaltsprofil in der porösen Firnzone
von Gletschern............................................ 159
2.4.4.3 Isotopengehaltsprofil im kompakten Gletschereis;
Theorie der Diffusionsströmung von Johnsen................. 161
2.4.4.4 Verteilung der Gesamt-Beta-Aktivität in Firn-
und Eisprofilen............................................ 162
2.4.4.5 Messung von Akkumulationsraten........................... 164
2.4.5 Schnee- und Eishydrologie.......................................... 165
2.4.5.1 Wasserbilanz einer Schneedecke aus Isotopengehalts-
messungen in Schneelysimetern.............................. 165
2.4.5.2 Bestimmung von Abflußanteilen aus Isotopengehaltsmessungen 166
2.4.5.2.1 Abflußanteile bei der Schneeschmelze in Einzugsgebieten
mit temporärer Schneedecke ................................ 168
2.4.5.2.2 Abflußanteile in vergletscherten Einzugsgebieten
während der Ablationsperiode............................... 169
2.4.5.3 Verweilzeit von Wasser in Einzugsgebieten
mit temporärer Schneedecke oder Gletschern.................. 171
2.4.6 Historische Glaziologie............................................. 172
2.4.6.1 Datierung von Firn und Eis in Gletschern mit Hilfe
von Isotopengehaltsmessungen .............................. 173
2.4.6.2 Paläoklimatische Aussagen aus Sauerstoff-18-Messungen
an Eiskernen.............................................. 174
3 Anwendungen von Isotopenmethoden im Grundwasser .................... 176
3.1 Einführung ....................................................... 176
3.2 Ungesättigte Zone des Grundwasserleiters............................. 177
3.2.1 Methodik der Messung und Auswertung der Tracer-Verteilung
im Wasser der ungesättigten Zone.................................... 178
3.2.1.1 Tracer-Input in die ungesättigte Zone ........................ 178
3.2.1.2 Nachweis der Tracer im Vertikalprofil der ungesättigten Zone 180
3.2.1.3 Zur Ausbreitung des markierten Wassers
in der ungesättigten Zone................................... 181
Inhalt XIII
3.2.1.4 Bestimmung der Grundwasserneubildungsrate ................. 182
3.2.2 Anwendungsbeispiele............................................... 184
3.2.2A Untersuchungen mit Hilfe des Gehalts am Umweltisotopen
(meist Tritium)............................................ 184
3.2.2.2 Untersuchungen mit Hilfe von absichtlich zugegebenen
Tracern (meist Tritium) .................................... 194
3.3 Gesättigte Zone des Grundwasserleiters............................... 198
3.3.1 Interpretation von Messungen des Gehalts an Umweltisotopen........... 198
3.3.1.1 Interpretation von Messungen des Deuterium- und
Sauerstoff-18-Gehalts im Grundwasser ....................... 198
3.3.1.1.1 Zeitliche Differenzierung von Grundwässern .................. 198
3.3.1.1.2 Lokalisierung von Grundwassereinzugsgebieten................204
3.3.1.1.3 Typisierung von Grundwässern und Grundwasserleitern ........ 206
Typisierung von Thermal- und Mineralwässern 207
Unterscheidung von verschiedenen Grundwasserströmen
in einem Grundwasserleiter 209
Anteil von uferfiltriertem Flußwasser im Grundwasser 209
Hydraulische Verbindung von Grundwasserleitern 209
Identifizierung von Salzwässern 211
Typisierung von Grundwasserleitern 211
3.3.1.2 Interpretation von Messungen des Tritium und
Kohlenstoff- 14-Gehalts im Grundwasser (M.A.Geyh).......... 213
3.3.1.2.1 Modelle zur Bestimmung von Verweilzeiten des Grund-
wassers mit Hilfe von Messungen des 3H- und 14C-Geh;ilts......213
3.3.1.2.2 Aussagen über die Grundwasserneubildung aus
Messungen des 3H- und 14C-Gehalts im Grundwasser.......... 217
3.3.1.2.3 Bestimmung der Abstandsgeschwindigkeit
des Grundwassers aus Messungen des 14C-Gehalts............. 219
3.3.1.2.4 Weitere hydrologische Interpretationsmöglichkeiten
des 14C- und 3H-Gehalts im Grundwasser .................... 221
3.3.1.2.5 Paläohydrologische Informationen aus Messungen
des 14C-Gehalts an Kalksintern ............................. 223
3.3.2 Einbohrlochmethoden (W. Drost und H. Moser)...................... 224
3.3.2.1 Zur Grundwasserbewegung am Filterrohr..................... 224
3.3.2.2 Bestimmung der Filtergeschwindigkeit des Grundwassers........ 230
3.3.2.2.1 Grundlagen............................................... 230
3.3.2.2.2 Meßtechnik............................................... 231
3.3.2.2.3 Meßbereich und Meßgenauigkeit ............................ 235
3.3.2.3 Bestimmung der Grundwasserfließrichtung.................... 236
3.3.2.3.1 Grundlagen............................................... 236
3.3.2.3.2 Meßtechnik............................................... 237
3.3.2.4 Bestimmung der vertikalen Strömungsgeschwindigkeit
in einem Filterrohr ........................................ 240
3.3.2.4.1 Grundlagen............................................... 240
XIV Inhalt
3.3.2.4.2 Meßtechnik...............................................242
3.3.2.5 Single-Well-Pulse-Methode..................................244
3.3.2.6 Interpretation und Anwendungsbereiche
der Einbohrlochmessungen..................................244
3.3.2.6.1 Allgemeines zur Interpretation von Einbohrlochmessungen......244
3.3.2.6.2 Bestimmung des Durchlässigkeitsbeiwerts
des Grundwasserleiters .....................................248
3.3.2.6.3 Bestimmung der Wasserwegsamkeit im Untergrund ............249
3.3.2.6.4 Messung der Kommunikation von Wasserkörpern .............252
3.3.3 Messungen der Ausbreitung von Tracern (D. Klotz und H. Moser)......252
3.3.3.1 Messung der Abstandsgeschwindigkeit und Bestimmung
der hydrodynamischen Dispersion im unbeanspruchten
porösen Grundwasserleiter.................................. 254
3.3.3.2 Messungen im beanspruchten porösen Grundwasserleiter........ 258
3.3.3.3 Karsthydrologische Untersuchungen ......................... 261
3.3.4 Untersuchung des Grundwasserleiters mit Hilfe
der natürlichen Gamma-Strahlung (S. Lorch und H. Moser)............262
3.3.5 Untersuchung des Grundwasserleiters mit Hilfe von umschlossenen
radioaktiven Quellen (S. Lorch und H. Moser) .......................265
3.3.5.1 Gamma-Gamma-Verfahren .................................265
3.3.5.2 Neutron-Neutron-Verfahren ................................270
3.4 Lösung hydrogeologischer Probleme mit Hilfe von isotopen-hydrologischen
Untersuchungen (H. Moser und K.-P. Seiler) ........................273
3.4.1 Wüstengebiete.....................................................273
3.4.1.1 Nordafrika, Sinai, Saudi-Arabien ............................273
3.4.1.1 Kalahari-Wüste ...........................................283
3.4.2 Semiaride und humide Gebiete mit Poren- und Kluft-Grundwasserleitern . . 286
3.4.2.1 Herkunft und Fließgeschwindigkeit des Grundwassers
in den albischen Sanden des Pariser Beckens...................286
3.4.2.2 Herkunft und Fließgeschwindigkeit des Grundwassers
in der Schreibkreide des Londoner Beckens ................... 288
3.4.2.3 Grundwasserfließgeschwindigkeiten im Wiener Becken.......... 293
3.4.2.4 Speichervermögen der Basalte der Insel Cheju (Rep. Korea) ..... 294
3.4.2.5 Herkunft des Grundwassers im Sperkhiostal (Griechenland) ..... 297
3.4.2.6 Grundwasserbewegung in den Talkiesen
des Oberen Loisachtals (Oberbayern).........................297
3.4.2.7 Altersmäßige Gliederung des Grundwassers
im Fuhrberger Feld bei Hannover............................ 301
3.4.2.8 Durchlässigkeit und Porosität eines geschichteten
Porengrundwasserleiters in der Bucht von Haifa (Israel) ........ 302
3.4.2.9 Lokale Untersuchungen der Anströmung zu Brunnen........... 304
3.4.3 Karstgebiete ...................................................... 307
3.4.3.1 Schwäbische Alb (Baden-Württemberg).......................309
3.4.3.2 Totes Gebirge (Österreich).................................. 311
Inhalt XV
3.4.3.3 Karsteinzugsgebiet der Ljubljanica (Slowenien) ................ 313
3.4.4 Thermal- und Mineralwässer........................................ 317
3.4.4.1 Thermalquellen in Österreich, Frankreich und Island ........... 318
3.4.4.2 Quellwässer in der Danakil-Senke (Äthiopien) ................. 320
3.4.4.3 Thermalwässer in Swaziland ................................ 322
3.4.4.4 Thermal- und Mineralwässer in Polen ........................ 322
3.4.4.5 Schwefelquellen in Latium (Mittelitalien) ..................... 324
3.4.4.6 Mineralwässer im Gebiet von Bad Oeynhausen und
Bad Salzuflen (Westfalen)................................... 328
3.4.4.7 Thermalquellen der Campi Flegrei bei Neapel (Italien).......... 330
3.4.4.8 Herkunft des Thermalwassers und Wasserdampfs
im Gebiet von Lardarello in der Toskana (Italien) ............. 332
4 Anwendung von Isotopen zur Untersuchung
von Wechselbeziehungen im Wasserkreislauf............................ 335
4.1 Niederschlag-Abfluß-Beziehungen.................................... 335
4.2 Kommunikation von Oberflächenwasser und Grundwasser .............. 341
4.2.1 Infiltration aus Flüssen ins Grundwasser.............................. 341
4.2.2 Infiltration aus Seen ins Grundwasser ................................ 349
4.2.3 Grundwasser und Mülldeponien...................................... 353
4.2.4 Grundwasserschutz bei Trinkwassergewinnungsanlagen ................. 356
4.3 Wechselbeziehungen zwischen Salz- und Süßwasser..................... 358
Literatur .............................................................. 363
Register............................................................... 389
Sachregister....................................................... 389
Ortsregister........................................................ 397
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| discipline | Geowissenschaften Allgemeines Geologie / Paläontologie Physik Geographie |
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