Schwermetalle im Grundwasser Nordrhein-Westfalens unter besonderer Berücksichtigung des Nickels in tieferen Grundwasserleitern der Niederrheinischen Bucht:
Gespeichert in:
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Essen
Landesumweltamt Nordrhein-Westfalen
2002
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Autor: Cremer, Nils
Jahr: 2002
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1. Veranlassung und Zielsetzung............................................................................................1
2. Geologie, Böden und Hydrogeologie.................................................................................4
2.1 Übersichtsbetrachtung des Landes Nordrhein-Westfalen.............................................4
2.1.1 Regionalgeologische Situation..........................................................................4
2.1.2 Bodenregionen..................................................................................................6
2.1.3 Hydrogeologische Situation...............................................................................6
2.1.3.1 Grundwasserlandschaften - Gebiete unterschiedlicher
Grundwasserergiebigkeit....................................................................6
2.1.3.2 Grundwasserregionen - Einzugsgebiete der Oberflächengewässer.. 8
2.2 Detailbetrachtung des Untersuchungsgebietes Mönchengladbach / Viersen
in der Niederrheinischen Bucht......................................................................................9
2.2.1 Einordnung des Untersuchungsgebietes in den regionalgeologischen
Kontext..............................................................................................................9
2.2.1.1 Entwicklungsgeschichte der Niederrheinischen Bucht.......................9
2.2.1.2 Strukturelle Gliederung der Venloer Scholle....................................12
2.2.2 Geologische Schichtenfolge............................................................................12
2.2.3 Hydrogeologische Verhältnisse.......................................................................16
2.2.3.1 Grundwasserstockwerksbau............................................................16
2.2.3.2 Hydraulische Eigenschaften und Wasserförderung.........................17
2.2.3.3 Grundwasserfließrichtungen............................................................18
3. Einflussfaktoren auf die Grundwasserbeschaffenheit unter dem Aspekt der
Schwermetallmobilität........................................................................................................19
3.1 Schwermetallzufuhr.....................................................................................................20
3.1.1 Atmosphärischer Eintrag.................................................................................20
3.1.1.1 Trockene Deposition........................................................................20
3.1.1.2 Nasse Deposition.............................................................................21
3.1.2 Eintrag durch landwirtschaftliche Aktivität.......................................................22
3.2 Adsorption der Schwermetalle....................................................................................24
3.2.1 Sorptionsmechanismen...................................................................................24
3.2.1.1 Spezifische Adsorption.....................................................................25
3.2.1.2 Kationenaustausch...........................................................................27
3.2.2 Sorbenten........................................................................................................29
3.2.3 Selektivität der Sorbenten für Schwermetalle..................................................30
3.3 Komplexbildung der Schwermetalle............................................................................31
Inhaltsverzeichnis
3.4 Mikrobiell katalysierte Redoxreaktionen......................................................................32
3.4.1 Allgemeine Zusammenhänge..........................................................................32
3.4.2 Beispiele typischer Redoxreaktionen in Grundwasserleitern unter
besonderer Berücksichtigung von Pyritoxidationsprozessen..........................37
3.4.3 Isotopengeochemische Belege für Pyritoxidationsprozesse...........................38
3.5 Fällung und Lösung der Schwermetalle......................................................................40
4. Erhebung und Auswertung hydrochemischer Daten für das Land Nordrhein-
Westfalen mit Relevanz für die Mobilisation von Schwermetallen................................41
4.1 Datengrundlage...........................................................................................................41
4.1.1 Grundwasser-Überwachungsprogramm des Landesumweltamtes
Nordrhein-Westfalen........................................................................................41
4.1.2 Erweiterung des Datenbestandes...................................................................42
4.2 Datenhaltung und Methodik der Datenauswertung.....................................................42
4.2.1 Datenverwaltung..............................................................................................42
4.2.2 Statistische Methoden.....................................................................................43
5. Untersuchungsmethodik tiefer Grundwasserleiter.........................................................46
5.1 Probengewinnung........................................................................................................46
5.1.1 Bohrbetrieb und Sedimentprobenahme...........................................................46
5.1.2 Errichtung der Multilevel-Messstellen und Grundwasserprobenahme............47
5.2 Wasseranalytik............................................................................................................49
5.3 Sedimentanalytik.........................................................................................................50
5.3.1 Schwermetalle.................................................................................................50
5.3.1.1 Zielstellung und Anforderungen an die Untersuchungsmethodik.....50
5.3.1.2 Literaturübersicht und Methodenkritik sequentieller Extraktions-
verfahren zur Bestimmung von Schwermetallbindungsformen........52
5.3.1.3 Durchführung der sequentiellen Extraktionsuntersuchungen
in Säulen..........................................................................................57
5.3.1.4 Gesamtgehaltsbestimmungen..........................................................61
5.3.2 Schwefel..........................................................................................................61
5.3.3 Kohlenstoff.......................................................................................................62
5.4 Isotopenuntersuchungen fester und im Grundwasser gelöster
Schwefelverbindungen................................................................................................62
6. Auftreten von Schwermetallen im Grundwasser Nordrhein-Westfalens -
Bestandsaufnahme und Erfassung regionaltypischer Zusammenhänge.....................63
6.1 Arsen (Halbmetall).......................................................................................................63
Inhaltsverzeichnis______________________.__________________________________________1?
6.1.1 Auftreten und Hintergrundkonzentrationen......................................................63
6.1.2 Detailbetrachtung ausgewählter Gebiete........................................................63
6.2 Kobalt...........................................................................................................................65
6.3 Kupfer..........................................................................................................................66
6.3.1 Auftreten und Hintergrundkonzentrationen......................................................66
6.3.2 Detailbetrachtung ausgewählter Gebiete.........................................................67
6.4 Nickel...........................................................................................................................69
6.4.1 Auftreten und Hintergrundkonzentrationen......................................................69
6.4.2 Detailbetrachtung ausgewählter Gebiete........................................................69
6.5 Zink..............................................................................................................................74
6.5.1 Auftreten und Hintergrundkonzentrationen......................................................74
6.5.2 Detailbetrachtung ausgewählter Gebiete.........................................................75
6.6 Sonstige Schwermetalle (Blei, Cadmium, Chrom, Quecksilber)..................................79
7. Identifikation von Schwermetallmobilisationsprozessen im Grundwasser des
Raumes Mönchengladbach / Viersen durch hydrochemische Indikatoren..................80
7.1 Untersuchungsstandort Wasserwerk Mönchengladbach-Rasseln..............................80
7.1.1 Gesamtmineralisation in den verschiedenen Grundwasserstockwerken........80
7.1.2 Identifikation der Schwermetallmobilisationsprozesse....................................84
7.1.2.1 Oberflächennahes Grundwasser......................................................84
7.1.2.2 Tieferes Grundwasser.............................................. 86
7.1.2.3 Zeitliche Entwicklung hydrochemischer Parameter im
Rohwasser eines Förderbrunnens des Wasserwerkes
Mönchengladbach-Rasseln......................................... 94
7.2 Untersuchungsstandort Wassergewinnungsanlage Viersen-Amern...........................95
7.2.1 Gesamtmineralisation in den verschiedenen Grundwasserstockwerken........97
7.2.2 Identifikation der Schwermetallmobilisationsprozesse....................................99
7.2.2.1 Oberflächennahes Grundwasser................................ 99
7.2.2.2 Tieferes Grundwasser........................................ 100
7.2.2.3 Zeitliche Entwicklung hydrochemischer Parameter im
Rohwasser des Förderbrunnens der Wassergewinnunqs-
anlage Viersen-Amern............................. 106
8. Geochemische Parameter der Sedimente und Schwermetallbindungsformen
in t.eferen Aquiferen des Raumes Mönchengladbach / Viersen..................................107
8.1 Pyrit- und Gesamt-Schwefelgehalte der Sedimente................................... 107
8.2 Organische und anorganische Kohlenstoffgehalte der Sedimente............................?9
8.3 Schwermetallgehalte der Sedimente.............................. 111
Inhaltsverzeichnis___________________________________________________________V
8.4 Schwermetallbindungsformen in den Sedimenten....................................................112
8.4.1 Begründung der Probenauswahl...................................................................113
8.4.2 Methodik der Auswertung..............................................................................114
8.4.3 Nachweis anaerober Verhältnisse während der Versuchsdurchführung......116
8.4.4 Bilanzierung der in den untersuchten Fraktionen gebundenen
Schwermetalle, der Alkali- und Erdalkalimetalle sowie des Schwefels.........117
8.4.4.1 Standort Mönchengladbach-Rasseln.............................................118
8.4.4.2 Standort Viersen-Amern.................................................................125
8.4.5 Anteil der Schwermetalle am Kationenbelag und den fraktionen-
bildenden Mineralphasen..............................................................................132
8.4.5.1 Kationenaustauschkapazität und Anteil der Schwermetalle
am Kationenbelag..........................................................................133
8.4.5.2 Gehalt und Zusammensetzung der Karbonatminerale...................135
8.4.5.3 Gehalt und Zusammensetzung der hydroxidischen
Mineralphasen................................................................................137
8.4.5.4 Gehalt und Zusammensetzung der Sulfidminerale........................139
9. Hydrogeochemische Modellierung zur Quantifizierung der Schwermetall-
mobilisationsprozesse im tieferen Grundwasser des Raumes
Mönchengladbach / Viersen............................................................................................142
9.1 Standort Mönchengladbach-Rasseln.........................................................................143
9.2 Standort Viersen-Amern............................................................................................151
10. Prognose der Schwermetallkonzentrationsentwicklung und Übertragbarkeit der
Untersuchungsergebnisse auf andere Standorte..........................................................155
10.1 Prognose der Schwermetallkonzentrationsentwicklung im tieferen Grundwasser
des Raumes Mönchengladbach /Viersen.................................................................155
10.1.1 Beurteilung der gegenwärtigen hydrochemischen Situation..........................155
10.1.2 Mobilisationsszenarien..................................................................................157
10.2 Verallgemeinerung und Übertragbarkeit der Aussagen auf andere Standorte..........159
11. Zusammenfassung...........................................................................................................162
11.1 Auftreten von Schwermetallen im Grundwasser Nordrhein-Westfalens....................162
11.2 Schwermetallmobilisationsprozesse in tieferen Aquiferen der Niederrheinischen
Bucht..........................................................................................................................164
12. Literatur.............................................................................................................................168
Anlagen
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