Basler Trinkwassergewinnung in den Langen Erlen: biologische Reinigungsleistungen in den bewaldeten Wässerstellen ; mit 49 Tabellen und umfangreichem Anhang
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Basel
Wepf
2004
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34 |
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| adam_text | Titel: Basler Trinkwassergewinnung in den Langen Erlen
Autor: Rüetschi, Daniel
Jahr: 2004
Inhaltsverzeichnis
viii
Inhaltsverzeichnis
1. Einfuhrung 1
1.1 Verfahren der kiinstlichen Grundwasseranreicherung 1
1.1.1 Definition der kiinstlichen Grundwasseranreicherung 1
1.1.2 Formen der kiinstlichen Grundwasseranreicherung 1
1.1.2.1 Langsamsandfiltration 2
1.1.3 Funktionen der kiinstlichen Grundwasseranreicherung 6
1.1.4 Weitere Verfahren in der Trinkwasseraufbereitung 6
1.1.5 Geschichte der kiinstlichen Grundwasseranreicherung 8
1.2 Trinkwassergewinnung in den Langen Erlen 9
1.3 Dem Basler System ahnliche Anreicherungsverfahren 30
1.4 Wissenschaftliche Forschung in den Langen Erlen 32
1.4.1 Bisherige Untersuchungen am Departement Geographie Basel 32
1.4.2 Weitere Forschungsarbeiten und Projekte anderer Institutionen 38
1.4.2.1 Arbeiten am Departement Geologie der Universitat Basel 38
1.4.2.2 Untersuchungen im Auftrag der IWB und weiterer kantonaler
Behorden 39
1.4.2.3 Arbeiten an anderen Institutionen 40
1.4.3 MGU-Projekt F2.00 in den Stellimatten 42
1.5 Fragestellungen und Hypothesen dieser Arbeit 45
2. Methodik 48
2.1 Untersuchungsgebiete 48
2.1.1 Die Wieseebene 48
2.1.2 Wasserstelle Grendelgasse rechts, Feld 1 (GGR1) 53
2.1.3 Wasserstelle Spittelmatten, Feld 2 (SPM2) 56
2.1.4 Wasserstelle Verbindungsweg, Feld 1 (VWI) 59
2.1.5 Versuchswasserstelle Riedwiese (VR) 61
2.2 Bodenuntersuchungen 63
2.2.1 Probennahme und Proftlansprache 63
2.2.1.1 Erstellung von Profilgruben 63
2.2.1.2 Ansprache der Profilgruben 64
2.2.1.3 Probennahme aus Profilgruben 64
2.2.1.4 Probennahme mittels Flugelbohrer 64
2.2.1.5 Probennahme mittels Rotations-Trockenkernbohrung 65
2.2.2 Probenvorbereitung im Labor 67
2.2.3 Korngrossenbestimmung 67
2.2.4 NShrstoffe 68
2.2.4.1 Kohlenstoflf und StickstofT 68
2.2.4.2 N hrsto fiextraktion und -bestimmung 69
2.2.5 pH 70
2.2.6 Kationenaustauschkapazitat (KAK) nach MEHLJCH (1942) 70
2.2.7 Bodensaugspannung 70
2.2.8 Bodentemperatur 71
2.2.9 Mikrobielle Bodenrespiration (MBR) 71
Inhaltsverzeichnis jx
2.2.9.1 Flachenbezogene Bodenrespiration 72
2.2.9.2 Trockengewichtsbezogene Bodenrespiration im Tiefenprofil 73
2.2.10 Mikrobielle Biomasse (MBIO) 74
2.2.11 Funktionelle Diversitat der Bodenmikroorganismen 75
2.3 Wasseruntersuchungen 78
2.3.1 Probennahme 78
2.3.1.1 Sauerstoffbestimmung im Versickerungswasser mittels Lochblech 78
2.3.1.2 Bodenwassergewinnung mittels Saugkerzen 78
2.3.1.3 Boden- und Grundwasserentnahme mittels PE-, PVC- und Edel-
stahlrohren 81
2.3.2 Geloster organischer Kohlenstoff (DOC) 86
2.3.3 Assimilierbarer organischer Kohlenstoff (AOC) 88
2.3.4 UV-Absorption bei 254 nm (SAK254) 90
2.3.5 Bestimmung der Feldparameter 91
2.3.6 Radongehalt 92
2.3.7 Mineralgehalt 93
2.3.7.1 Kationen 93
2.3.7.2 Anionen 93
2.3.7.3 Geloste Kieselsaure 93
2.3.7.4 Saurekapazitat 94
2.3.8 Mikrobiologische Untersuchungen 94
2.3.8.1 Aerobe, mesophile Keime 94
2.3.8.2 Escherichia coli 94
2.3.8.3 Enterokokken 95
3. Resultate 96
3.1 Aufbauder Wasserstellenboden 97
3.1.1 Vorgefimdene Bodentypen 97
3.1.1.1 Wasserstelle Grendelgasse Rechts, Feld 1 (GGR1) 98
3.1.1.2 Wasserstelle Spittelmatten, Feld 2 (SPM2) 102
3.1.1.3 Wasserstelle Verbindungsweg, Feld 1 (V W1) 106
3.1.1.5 Versuchswassersteile Riedwiese (VR) 109
3.2 Verlauf des Wasserungsrhythmus in den untersuchten Feldem 110
3.3 Verlauf von Bodentemperatur und -saugspannung wahrend der Jahres-
zeiten und der unterschiedlichen Phasen des Bewasserungszyklus 113
3.3.1 Bodentemperatur 114
3.3.2 Bodensaugspannung 117
3.4 Die mikrobielle Besiedelung der Boden 119
3.4.1 Mikrobielle Bodenrespiration (MBR) 119
3.4.1.1 Saisonale Unterschiede 121
3.4.1.2 Raumliche Unterschiede 122
3.4.1.3 Verlauf der MBR wahrend einer Trockenphase 124
3.4.1.4 Zusammenfassung 126
3.4.2 Mikrobielle Biomasse (MBIO) 127
3.4.2.1 Saisonale Unterschiede 128
3.4.2.2 Raumliche Unterschiede 130
3.4.2.3 Entwicklung der MBIO wahrend einer Trockenphase 132
3.4.2.4 Berechnung der MBIO mit verSnderlichem Konversionsfaktor kEC 133
Inhaltsverzeichnis
x
3.4.2.5 Zusammenfassung 135
3.4.3 Funktionelle Diversitat der Mikroorganismengemeinschafiten 135
3.5 Verlauf der Wasserqualitat wahrend der Boden- und Aquiferpassage 139
3.5.1 Anderung physikalischer und chemischer Parameter im Uberstau-
wasser 139
3.5.1.1 Anderung von Einleitungsmenge, Uberstauhohe und der Versicke-
rungsleistung im Laufe einer Wasserphase und im Jahresverlauf 139
3.5.1.2 Anderungen von Temperatur- und Sauerstoffgehalt im Oberstau-
wasser 141
3.5.1.3 Auswirkungen der Fliessstrecke in der Wasserstelle Verbindungs-
weg auf den Gehalt und die Qualitat von Kohlenstoffverbindungen 145
3.5.2 Anderung der Wasserqualitat wahrend der Passage des Oberbodens 146
3.5.2.1 Veranderungen des Sauerstoffgehaltes des versickernden Wassers 147
3.5.2.2 DOC und UV-Absorption des Bodenwassers aus Saugkerzen 149
3.5.3 Verlauf der Wasserqualitat wahrend der Passage der ungesattigten
Zone und des Aquifers 153
3.5.3.1 Pegelstand 155
3.5.3.2 Spezifische elektrische Leitfahigkeit 159
3.5.3.3 pH 161
3.5.3.4 Temperatur 163
3.5.3.5 Sauerstoffgehalt und -sattigung 165
3.5.3.6 Mineralgehalt 168
3.5.3.7 Radongehalt 172
3.5.3.8 DOC-Gehalt und UV-Absorption 176
3.5.3.9 Verlauf der AOC-Konzentration wahrend der Boden- und Aquifer-
passage 193
3.5.3.10 Mikrobiologische Verhaltnisse in Bodenwasser und Grundwasser 194
3.5.3.11 Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse in der unge-
sattigten Zone und im Aquifer 197
3.5.3.12 Pumpversuche 199
3.6 Die Folgen des Wirbelsturms Lothar vom 26.12.1999 206
3.6.1 Windwurf der Hybridpappelbestande in den Wasserstellen 207
3.6.2 Bewurzelungsstrategie der Hybridpappeln 211
3.6.3 Aufiraumarbeiten und Wiederetablierung der Vegetationsdecke 214
3.6.4 Zusammenfassung der Auswirkungen des Sturms Lothar auf die
Wasserstellen 216
3.7 Kohlenstoftbilanz der kiinstlichen Grundwasseranreicherung 217
3.7.1 Kohlenstoff-Speicher Vegetation 217
3.7.1.1 Gberirdisches Pflanzenmaterial 217
3.7.1.2 Unterirdisches Pflanzenmaterial 218
3.7.2 Kohlenstoff-Speicher Bodenfauna und -mikroorganismen 219
3.7.3 Kohlenstoff-Speicher Boden 219
3.7.4 Kohlenstoff-Speicher Aquifer 220
3.7.5 Kohlenstoff-Eintrag uber die Vegetation 220
3.7.5.1 Laub und Failholz 220
3.7.5.2 C-Eintrag uber Streue der krautigen Pflanzen 221
3.7.5.3 C-Eintrag uber Ernteabfalle beim Schlag der Hybridpappeln 221
3.7.5.4 C-Eintrag uber Wurzeiexsudate 221
Inhaltsverzeichnis xi
3.7.6 Kohlenstoff-Eintrag fiber die Bewasserung 222
3.7.7 Ein- und Austrag iiber das native Grundwasser 222
3.7.8 Kohlenstoffaustrag iiber Bodenrespiration 223
3.7.8.1 Bodenrespiration in der Wasserstelle 223
3.7.8.2 Bodenrespiration im Aquifer 223
3.7.9 Kohlenstoff-Austrag iiber das versickerte Filtratwasser 224
3.7.10 Gesamtbilanz 225
3.8 Entwicklung der Versuchswasserstelle 226
3.8.1 Versickerungsleistung 226
3.8.2 Bodenbiologische, -chemische und -physikalische Parameter 226
3.8.2.1 Bodenbiologie 226
3.8.2.2 Bodenchemische und -physikalische Parameter 228
3.8.2.3 Fazit 229
3.8.3 Entwicklung der Vegetation 229
3.8.4 Beeinflussung der Wasserqualitat 232
4. Diskussion 235
4.1 Der Boden und das Bios als zentrale Elemente der Reinigungsprozesse
im Basler System 235
4.1.1 Umsetzungsprozesse im Oberstau 235
4.1.1.1 Wirkung der Beschattung auf die Wasserqualitat 235
4.1.1.2 Anstieg von DOC und SAK254 entlang des Fliesswegs im Uberstau 237
4.1.2 Prozesse in der ungesattigten Zone 239
4.1.2.1 Infiltrationsleistung und die Bedeutung von Bewasserungsrhythmus,
biogenen Makroporen und weiterer Faktoren 239
4.1.2.2 Mikrobieller Abbau 254
4.1.2.3 Sorptionsprozesse 259
4.1.2.4 Fazit iiber die Prozesse in der ungesattigten Zone 263
4.2 Reinigungsprozesse im Aquifer 264
4.2.1 Kolmatierung im Aquifer 264
4.2.2 Mikrobieller Abbau 265
4.2.3 Sorptionsprozesse 267
4.2.4 Verdiinnung durch natives Grundwasser (Dispersion) 268
4.2.5 Transport von Mikroorganismen im Grundwasser 269
4.2.6 Fazit zu den Prozessen im Aquifer 270
4.2.7 Dimensionsproblematik der Untersuchungsgebiete 270
4.3 Vergleich der kunstliehen Grundwasseranreicherung in den Langen
Erlen mit der konventionellen Langsamsandfiltration am Beispiel des
Dortmunder Verfahrens 271
4.3.1 Beispiel der Grundwasseranreicherungsanlage „lnsel Hengsen der
Dortmunder Energie und Wasser 271
4.3.2 Vergleich der Anlage „Insel Hengsen mit den Langen Erlen 276
4.3.2.1 Anreicherungsmenge 276
4.3.2.2 Wasserqualitat 277
4.3.3 Landsehaftsokologisehe Gegeniiberstellung der beiden Systeme 280
4.3.3.1 Allgemeine Systembetrachtungen 280
4.3.3.2 Beschreibung beider Systeme anhand eines Standortregelkreises 284
4.3.3.3 Bedeutung der beiden Anlagen fur den lokalen und regionalen
Inhaltsverzeichnis
Xll
Naturhaushalt sowie weitere Funktionen der Anlagen 290
4.3.4 Fazit zum Vergleich des Basler Systems mit dem Dortmunder Verfahren 292
5. Schlussfolgerungen 293
5.1 Antworten auf die Fragestellurigen und Hypothesen von Kapitel 1.5 293
5.2 Bedeutung der Ergebnisse fur die Trinkwassergewinnung in den
Langen Erlen 301
5.2.1 Generelle Bemerkungen 301
5.2. Konkrete Empfehlungen 302
5.3 Empfehlungen fur die Trinkwassergewinnung im Hinblick auf die zu-
nehmenden Nutzungskonflikte in den Langen Erlen 303
5.3.1 Einfuhrung 303
5.3.2 Empfehlungen fur die landwirtschaftliche Nutzung 305
5.3.3 Empfehlungen fur die forstwirtschafltliche Nutzung 305
5.3.3 Empfehlungen fur Naturschutzprojekte 306
5.3.4.1 Ausgangslage 306
5.3.4.2 Empfehlungen 306
5.3.5 Empfehlungen im Hinblick auf Erholungsprojekte 307
5.3.5.1 Ausgangslage 307
5.3.5.2 Empfehlungen 308
5.3.6 Fazit 309
6. Ausblick 310
6.1 Die Vorteile des Basler Systems 310
6.2 Die Nachteile des Basler Systems 311
6.3 Losungen zur Aufhebung der Nachteile 311
6.4 Fazit 313
7. Zusammenfassung 314
7.1 Beschreibung des Systems 314
7.2 Ausgangslage der vorliegenden Arbeit 316
7.3 Prozesse im Oberstau der Wasserstellen 317
7.4 Infiltrationsprozesse 317
7.5 Reinigungsprozesse in der ungesattigten Zone 319
7.6 Reinigungsprozesse in der gesattigten Zone 321
7.7 Fazit 323
8 Summary 324
8.1 Characterisation of the Basel System 324
8.2 Background of this Study 326
8.3 Processes in the Supernatant Water of the Infiltration Areas 326
8.4 Infiltration Processes 327
8.5 Purification Processes in the Unsaturated Zone 328
8.6 Purification Processes in the Saturated Zone 330
8.7 Conclusions 332
xiii
Literaturverzeichnis 333
Anhang
A1W eitere Bodendaten All
A1.1 Bodenprofile des Transektes VWl-BrunnenXE A11
Al.1.1 Legende zu den Bodenprofilen A11
A1.1.2 Bodenprofil des Standorts GRA AIHI
Al.1.3 Bodenprofil des Standorts GRB AIVII
A1.1.4 Bodenprofil des Standorts GRD A1XI
Al.1.5 Bodenprofil des Standorts GRE A1XVIII
Al.2 Weitere bodenchemische Daten AIXXII
A2 Ceschichte der Basler Trinkwasserversorgung A2I
A2.1 Die Wasserversorgung bis zum 19. Jahrhundert A2I
A2.2 Die Grellinger Quellen A2IV
A2.3 Das Grundwasser aus dem Wiesental A2V1
A2.4 Das Grundwasserwerk im Hardwald A2XXIX
A2.5 Neuere Entwicklung der Trinkwasserfassung in den Langen
Erlen A2XXXV
A2.6 Zunahme des Nutzungsdruckes und Gefahrdungen der Grund-
wasserqualitat und der Schutzzone in den Langen Erlen A2XLI1I
A3 Farbtafeln A3I
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