Auswirkungen anthropogener Überprägungen von Flußauen auf deren Grundwasserdynamik und -beschaffenheit am Beispiel der Unstrut ( Thüringen ):
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| Main Author: | |
|---|---|
| Format: | Thesis Book |
| Language: | German |
| Published: |
Dresden
Dresdner Grundwasserforschungszentrum e.V.
2001
|
| Series: | Proceedings des Dresdner Grundwasserforschungszentrums e.V.
20 |
| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Item Description: | Nebentitel: Grundwasserdynamik und Grundwasserbeschaffenheit in der anthropogen überprägten Flussaue der Unstrut |
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| adam_text | Titel: Grundwasserdynamik und Grundwasserbeschaffenheit in der anthropogen überprägten Flussaue der Unstr
Autor: Sommer, Thomas
Jahr: 2001
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis.........................................................................................................I
Tabellenverzeichnis.............................................................................................................V
Anlagenverzeichnis............................................................................................................VI
Abkürzungen und Symbole.............................................................................................VII
1 Einleitung...........................................................................................................1
1.1 Problemstellung...................................................................................................1
1.2 Zielstellung der Arbeit.........................................................................................3
2 Zum WirkungsgefBge von Flußauen - das Beispiel der Unstrut..................7
2.1 Die geohydrologische Funktion der Flußaue unter natürlichen
Bedingungen........................................................................................................7
2.1.1 Grundlagen..........................................................................................................7
2.1.2 Das Wassereinzugsgebiet der Unstrut.................................................................9
2.1.2.1 Naturräumliche Gliederung und Hydrographie des Einzugsgebietes..................9
2.1.2.2 Abgrenzung der L ntersuchungsgebiete.............................................................12
2.1.2.3 Geologie und Hydrogeologie der Untersuchungsgebiete..................................14
2.1.2.3.1 Regional- und strukturgeologische Einheiten.......................14
2.1.2.3.2 Stratigraphische Einheiten des präquartären Untergrundes ..16
2.1.2.3.3 Geohydraulische Eigenschaften des präquartären
Untergrundes.........................................................................18
2.1.3 Diequartären Talsedimente...............................................................................20
2.1.3.1 Pleistozän..........................................................................................................20
2.1.3.2 Holozän.............................................................................................................23
2.1.3.3 Geohydraulische Eigenschaften........................................................................26
2.1.4 Grundwasserströmung.......................................................................................27
2.1.4.1 Definition von Speisungs- und Entlastungsgebieten.........................................27
2.1.4.2 Auen als Elemente eines Flußeinzugsgebietes..................................................29
2.1.4.3 Auen als L nliastungsgebiete..............................................................................29
2.1.4.4 Grunduasserhydraulik zwischen Speisungs- und Entlastungsgebieten im
Unstruttal...........................................................................................................31
2.2 Formen anthropogener Uberprägungen.............................................................33
2.2.1 Auelehm - Ergebnis menschlicher Besiedelung des Einzugsgebietes...............34
2.2.2 Fiußbegradigung - Hochwasserschutz und Landgewinn...................................36
2.2.3 Dränagen - Intensivierung der Landwirtschaft..................................................41
2.3 Nutzungsspektrum der Unstrutaue....................................................................42
3 l ntersuchungsansatz und -methodik............................................................44
3.! Konzeptionelles Modell zur Grundwasserdynamik..........................................44
3.2 Meßkonzept zur Grundwasserdviiamik.............................................................45
3.3 ( ntersuchungskonzept zur Grundsvasserbeschaffenheit...................................46
3.3.1 Einztmsüebietsmaßstab.....................................................................................46
Inhaltsverzeichnis
3.3.2 Feldmaßstab......................................................................................................48
3.3.3 Labormaßstab....................................................................................................48
3.4 Konzeptioneller Ansatz der Grundwassermodellierung...................................52
3.5 Modellierung der Grundwassemeubildung.......................................................55
4 Auswirkungen anthropogener Überprägungen an der Lnstrut.................59
4.1 Grund vasserd namik........................................................................................59
4.1.1 Wirkungen der Auelehmbedeckung auf Wasserhaushalt in Auen....................59
4.1.2 Grundwasserflurabstände..................................................................................60
4.1.3 Grundwassemeubildung....................................................................................64
4.1.4 Interaktion zwischen Gewässer und Grundwasser............................................71
4.2 Grundwasserbeschaffenheit..............................................................................77
4.2.1 Geogene Hydrochemie......................................................................................77
4.2.1.1 Grundwasser......................................................................................................77
4.2.1.2 Oberflächengewässer........................................................................................80
4.2.2 Anthropogene Stoffeinträge..............................................................................81
4.2.3 Stoffumwandlungen..........................................................................................85
4.2.3.1 Prozeßbeschreibung..........................................................................................85
4.2.3.2 Ergebnisse der Feldmessungen.........................................................................89
4.2.3.3 Ergebnisse der Batch-Versuche........................................................................98
4.2.3.4 Säulendurchlaufversuch..................................................................................107
4.2.4 Vergleichende Betrachtungen zu Laborsersuchen und Feldmessungen.........113
4.2.5 Stoffausträge...................................................................................................119
4.2.6 Stoffbilanzmodell............................................................................................123
5 Prognoseergebnisse zur Auswirkung von
Revitalisierungsmaßnahmen........................................................................126
5.1 Szenarien der Revitalisierung.........................................................................126
5.2 Reaktivierung einer natumahen Grundwasserdynamik..................................127
5.3 Auswirkungen von Revitalisierungsmaßnahmen auf die Grundwasserbe-
schaffenheit .....................................................................................................135
5.3.1 Gebiete mit überwiegend bindigem Auensediment........................................135
5.3.2 Auengebiete mit kiesig-sandigem Talgrundvvasserleiter................................136
6 Bedeutung der l ntersuchungsergebnisse für die Planung von Auen-
regenerierungen aus hydrogeologischer Sicht............................................OS
6.1 Feststellung des Standes der anthropogenen Überprägungen.........................138
6.2 Zielsetzungen und Möglichkeiten der Revitalisierung....................................140
6.3 Grenzen der Rekonstruktion naturnaher Auen................................................144
6.4 Bedeutung des Erhalts natumaher Auen.........................................................145
7 Zusammenfassung____________________________................................~1-W
Literaturverzeichnis_____.........--------------------------------.......................-----------------150
ANLAGEN
Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abb. i-1: Natürliche und anthropogene, abiotische Einflußfaktoren auf das
Wirkungsgefüge von Flußauen......................................................................................5
Abb. 2-1: Flußgefälle der Unstrut..................................................................................................9
Abb. 2-2: Entwicklung der Einzugsgebietsgröße der Unstrut.....................................................10
Abb. 2-3: Abfluß-Gefälle-Verhältnisse nach LEOPOLD Wolman (1957) mit der
Einordnung der Unstrut-Pegel.....................................................................................11
Abb. 2-4: Übersichtskarte mit Untersuchungsgebieten...............................................................12
Abb. 2-5: Thüringer Becken, geologische Übersicht und regionalgeologische
Einheiten......................................................................................................................15
Abb. 2-6: Profildarstellung der NE-Flanke der Mühlhausen - Bad Langensalzaer
Teilmulde mit Permeabilitätsgrenze............................................................................19
Abb. 2-7: Lagerungsverhältnisse elsterkaltzeitlicher und jüngerer quartärer Sedimente
im Thüringer Becken...................................................................................................21
Abb. 2-8: Generalprofil des Auensedimentes im Altengottemschen Ried..................................24
Abb. 2-9: Profil durch die Unstrutaue westlich von Straußfurt (Dammachse des RHB
Straußfurt) mit typischer Dreigliederung des Holozäns..............................................25
Abb. 2-10: Schematische Darstellung von Strom- und Potentiallinien des Grundwassers
in einem Flußtal...........................................................................................................28
Abb. 2-11: Beispiele für Flußauen unterschiedlicher Größenordnung mit ihren
Einzugsgebieten...........................................................................................................30
Abb. 2-12: Ganglinien der Keupermeßstellen im Nordosten des
Hauptuntersuchungsgebietes.......................................................................................32
Abb. 2-13: Ganglinienvergleich der Keupermeßstellen im Hauptumersuchungsgebiet -
in der Aue und westlich der Unstrut............................................................................33
Abb. 2-14: Korngrößenverteilungen von Auelehm nach verschiedenen Autoren.........................34
Abb.2-15: Korngrößenverteilung von Auelehmen (Mächtigkeiten 1 -2m)
unterschiedlicher Flußgebiete Thüringers..................................................................36
Abb. 2-16: Luftbildauswertung des Unstrut-Helme-Rieds mit alten Mäanderstrukturen.............40
Abb. 2-17: Wirkung der Dränage in Auelehmen bei aufsteigendem Grundwasser.......................41
Abb. 2-18: Flächenaufteilung der Unstrut-Auenfläche.................................................................42
Abb. 3-1: Wasserströme der Speisungs- und Entlastungsgebiete................................................44
Abb. 3-2: Meßstellenanordnung im Altengottemschen Ried (Unstrut-Hainich-Kreis)...............45
Abb. 3-3: Skalenbereiche der Beschaffenheitsuntersuchungen...................................................47
Abb. 3-4: Grundwassersammler im Auensediment mit Probennahmeanordnung.......................48
Abb. 3-5: Versuchsanordnung und Probennahme der Batch-Versuche......................................49
Abb. 3-6: Aufbau der Säulenversuchsanlage...............................................................................5!
Abb. 3-7: Säule mit Probennahmeport.........................................................................................52
Abb. 3-8: Hydrogeologisches Strukturmodell (Ausschnitt)........................................................54
Abb. 3-9: Randbedingungen, schematisch dargestellt am Vertikalschnitt..................................55
Abb. 3-10: Lage des Wehres Nordmar zwischen Großengottern und Schönstedt.........................57
Abb. 4-1: Brechung der Strom- und Potentiallinien an einer Schichtgrenze mit k,-Wert-
Abbildungsverzeichnis
Abb. 4-2: Unterschied zwischen gemessenen Grundwasserflurabständen und
berechneten Druckspiegelhöhen..................................................................................61
Abb. 4-3: Flurabstände der Grundwasserdruckfläche im Großengottemschen Ried
(Mai 1999)...................................................................................................................62
Abb. 4-4: Profile der Grundwasserhöhe im Altengotternschen Ried..........................................63
Abb. 4-5: Vergleich des gemessenen Abflusses mit den simulierten Abflußmengen.................65
Abb. 4-6: Berechnete Wasserhaushaltsgrößen im Einzugsgebiet des Nordmars
(Speisungsgebietl.........................................................................................................65
Abb. 4-7: Ganglinien der Grundwasserneubildung und des Grundwassers im
Speisungsgebiet...........................................................................................................66
Abb. 4-8: Bodenwasserhaushalt im Lysimeter - Randbedingungen und kumulativer
Wasserfluß...................................................................................................................67
Abb. 4-9: Bodenfeuchteentwicklung im Lysimeter - ohne und mit Dränage..............................68
Abb. 4-10: Bodenwasserhaushalt im Lysimeter - Saugspannungen an der Erdoberfläche
im Fall ohne und mit Dränage.....................................................................................69
Abb. 4-11: Bodenwasservolumenänderung mit und ohne Grundwasseraufstieg..........................69
Abb. 4-12: Landnutzung mit Zuordnung der Ertragsklassen für die GWN-Berechnung
mit dem Programm ABIMO........................................................................................70
Abb. 4-13: Berechnete Grundwasserneubildung in Abhängigkeit von
Grundwasserflurabstand und Ertragsklasse zu verschiedenen Jahreszeiten................71
Abb. 4-14: Grundfälle der Interaktion zwischen Gewässer und Grundwasser in einer
Flußaue.........................................................................................................................72
Abb. 4-15: Korrelationskoeffizienten der Grundwasserstandsganglinien zwischen
Unstrut und Holozän sowie Pleistozän und Holozän...................................................73
Abb. 4-16: Ganglinieni ergleich der Unstrut und des Grundwassers im
Altengotternschen Ried...............................................................................................74
Abb. 4-17: Ganglinienvergleich zwischen Unstrut und Grundwasser bei Thamsbrück................75
Abb. 4-18: Ganglinienvergleich zwischen Unstrut und Grundwasser bei Sömmerda...................76
Abb. 4-19: Hydrochemie des Grundwassers im Hauptuntersuchungsgebiet.................................77
Abb. 4-20: Blockbild mit Verteilung des geogenen Sulfats im Untersuchungsgebiet
Sömmerda....................................................................................................................78
Abb. 4-21: Blockbild mit Verteilung des geogenen Chlorids im Untersuchungsgebiet
Sömmerda....................................................................................................................78
Abb. 4-22: Geogene Hvdrochemie im Untersuchungsgebiet Artern.............................................79
Abb. 4-23: Hvdrochemie des Oberflächenwassers im Hauptuntersuchungsgebiet.......................80
Abb. 4-24: Nitratverteilung im Grundwassernach Speisungs-und Entlastungsgebiet.................82
Abb. 4-25: Nitrat - Mittelwerte und Streubreiten ausgewählter Meßsteilen der
Speisungsgel--cte im Hauptuntersuchungsgebiet.........................................................83
Abb. 4-26: Ganglinien der Nitratgehalte in Grundwassersammlern..............................................84
Abb 4-27: Mittelwerte und Streubreiten der Nitratgehalte in den Grundwassersammlern
des Altengotternschen Rieds........................................................................................84
Abb. 4-28: Abbaukinetiken im ihermodynamisch geschlossenen System.....................................88
Abb. 4-29: Nitratterteiiung in Grundwassersammlem des Altengotternschen Rieds und
im Entlastungsaebiet....................................................................................................89
Abbildungsverzeichnis
Abb. 4-30: Verteilung von Ammonium und DOC in Speisungs- und Entlastungsgebiet
des Hauptuntersuchungsgebietes.................................................................................90
Abb. 4-31: Vertikalschnitt durch die Aue bei Großengottem mit Nitrat und DOC in den
Grundwassersammlern................................................................................................91
Abb. 4-32: Korrelation zwischen DOC und Nitrat aller Proben aus den
Grundwassersammlem................................................................................................92
Abb. 4-33: Nitratstickstoff-Gehalte in den GW-Sammlem...........................................................93
Abb. 4-34: Nitrat. DOC und Ammonium in den Grundwassersammlern, in
Abhängigkeit von der Lithologischen Einheit.............................................................94
Abb. 4-35: Stoffkorrelationen im Untersuchungsgebiet Sömmerda..............................................95
Abb. 4-36: Nitratkonzentrationen im Untersuchungsgebiet Sömmerda (schematisches
Blockbild)....................................................................................................................96
Abb. 4-37: Stoffkorrelationen im Untersuchungsgebiet Artern....................................................97
Abb. 4-38: Hydrochemische Verhältnisse in den quartären Talsedimenten des
Unstruttales bei unterhalb von Artem.........................................................................97
Abb. 4-39: Nitratabbau in den Batch-Versuchen...........................................................................98
Abb. 4-40: Nitritbildung in den Batch-Versuchen.........................................................................99
Abb. 4-4!: Nitrat und Ammonium in Batch-Versuch 3. Gegenüberstellung der Versuche
ohne und mit zusätzlicher Kohlenstoffquelle............................................................100
Abb. 4-42: Vergleich der Abbaukonstanten aus den Batch-Versuchsansätzen mit
Reduktionsmittelzugabe............................................................................................102
Abb. 4-43: Korrelation zwischen Nitrat und Ammonium in den Grundwassersammlem...........102
Abb. 4-44: Ammonium- / Nitratstickstoffverhältnisse in den Batch-Versuchen 1 und 2............103
Abb. 4-45: Ammonium-/ Nitratstickstoffverhältnisse im Batch-Versuch 3...............................104
Abb. 4-46: Stickstoff in den Schichteinheiten der Aue...............................................................105
Abb. 4-47: Sulfat in Batch-Versuch 3..........................................................................................106
Abb. 4-48: Nitrat im Säulendurchlaufversuch.............................................................................108
Abb. 4-49: Abbaukonstanten für Nitrat aus dem Säulenversuch (I. u. 2.
Auswertungszeitraum)...............................................................................................109
Abb. 4-50: C : N-Verhältnis im Auensediment (Bohrung AI)....................................................110
Abb. 4-51: Nitrit im Hangendlehm (Porto) im 2. Versuchszeitraum..........................................111
Abb. 4-52: Sulfatgehalte im Säulenversuch über die gesamte Versuchszeit...............................112
Abb. 4-53: Vergleich der Ergebnisse Batch-Versuch und Feld...................................................114
Abb. 4-54: Abbaukonstanten und theoretisch möglicher NO-,-l msatz in den
Auensedimenten des Altengotternschen Rieds..........................................................116
Abb. 4-55: Sulfatreduktion im Grundwassersammler 11/3...........................................................118
Abb. 4-56: Entwicklung von Nitratkonzentration und -fracht im Altengottemschen
Kanal........7................................................................................................................120
Abb. 4-57: Nitrat-Konzentrationen der Unstrut im Hauptuntersuchungsgebiet..........................120
Abb. 4-58: Modell des Stoffaustrags in die Oberflächengewässer im Bereich der
Flußaue......................................................................................................................122
Abb. 4-59: Stoffbilanzmodell für Nitrat in der Unstrutaue des
Hauptuntersuchungsgebietes.....................................................................................123
IV Abbildungsverzeichnis
Abb. 5-1: Mittlere Flurabstände der Druckspiegelhöhen im Altengotternschen und
Grossengottemschen Ried beim Szenario 1 (ohne Unstrut-Rückbau; mit
verlegtem Welsbach).................................................................................................128
Abb. 5-2: Verlauf des Unstrut-Hochwassers Februar 1946 (nach BAUER, 1952).....................129
Abb. 5-3: Berechnungsergebnis der Wirkung des Hochwassers Februar 1946 auf die
Grundwasserstände in der Aue bei kanalisierter Unstrut..........................................130
Abb. 5-4: Mittlere Flurabstände der Druckspiegelhöhen im Altengotternschen und
Großengotternschen Ried beim Szenario 2 (mäandrierende Unstrut;
verkürzte Gräben und Altarme).................................................................................131
Abb. 5-5: Abflußrichtungen des austretenden Grundwassers im Großengotternschen
Ried............................................................................................................................131
Abb. 5-6: Berechnungsergebnis der Wirkung eines Frühjahrshochwassers auf die
Grundwasserstände in der Aue bei mäandrierender Unstrut.....................................133
Abb. 5-7: Mittlere Flurabstände der Druckspiegelhöhen im Altengotternschen und
Grossengottemschen Ried beim Szenario 3 (mäandrierende Unstrut;
verfüllte Gräben und Altarme)...................................................................................134
Abb. 5-8: Berechnete Druckspiegelhöhen der Szenarien 2 und 3 im Altengotternschen
Ried im Vergleich zu gemessenen Flurabständen.....................................................134
Abb. 5-9: Auswirkungen von Revitalisierungsmaßnahmen auf die
Grundwasserbeschaffenheit unter den Bedingungen des Altengotternschen
Rieds (vgl. Abb. 4-58)...............................................................................................136
Abb. 5-10: Modell der möglichen Beschaffenheitsänderungen durch Revitalisierung der
Aue im Gebiet um Sömmerda (nach STARR GlLLHAM, 1993; K.ETELSEN
.WIDMOSER, 2000 und QUAST et al., 2000)...........................................................137
Abb. 6-1: Raum- und Zeitbezug anthropogener Veränderungen im Unstrut-Gebiet.................142
Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Tab. 2-1: Hauptwerte des Jahresabflusses an den Unstrutpegeln............................................... 11
Tab. 2-2: Eckkoordinaten der Untersuchungsgebiete.................................................................13
Tab. 2-3: Gesamtprofil der känozoischen Lockergesteinsablagerungen im Gebiet der
Helme-Unstrut-Niederung...........................................................................................23
Tab. 2-4: Merkmale der Talsedimente im Unstruttal..................................................................26
Tab. 2-5: Genese des Auelehms in verschiedenen Flußsystemen...............................................35
Tab. 3-1: Versuchskonfiguration Batch-Versuche......................................................................50
Tab. 3-2: Konzentration und Herkunft des Input-Wassers des Säulenversuches.......................51
Tab. 3-3: Modellschichten...........................................................................................................54
Tab. 4-1: Relevante Stofffrachten in Flußeinzugsgebieten.........................................................85
Tab. 4-2: Mögliche Stoffumwandlungen....................................................................................86
Tab. 4-3: Kinetische Parameter des Nitratabbaus in den Batch-Versuchen.............................101
Tab. 4-4: Desulfurikanten im Auensediment............................................................................106
Tab. 4-5: Hydraulische Parameter des Säulendurchlaufversuchs.............................................107
Tab. 4-6: Zusammenfassende Darstellung der Stoffum»andiungspotentiale in den
Schichten des Altengottemschen Rieds..................................................................... 118
Tab. 4-7: Rechengrößen des Stoffbilanzmodells......................................................................124
Tab. 5-1: Revitalisierungsszenarien zwischen Bollstedt und Thamsbrück (nach TLU
2000)............. .............................................................................................................127
Tab. 6-1: Parameter zur Feststellung des Standes anthropogener Cberprägungen einer
Aue.............................................................................................. ...............................138
Tab. 6-2: Zielebenen der Revitalisierung und deren Raum-Zeit-Bezug...................................141
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| adam_txt |
Titel: Grundwasserdynamik und Grundwasserbeschaffenheit in der anthropogen überprägten Flussaue der Unstr
Autor: Sommer, Thomas
Jahr: 2001
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis.I
Tabellenverzeichnis.V
Anlagenverzeichnis.VI
Abkürzungen und Symbole.VII
1 Einleitung.1
1.1 Problemstellung.1
1.2 Zielstellung der Arbeit.3
2 Zum WirkungsgefBge von Flußauen - das Beispiel der Unstrut.7
2.1 Die geohydrologische Funktion der Flußaue unter natürlichen
Bedingungen.7
2.1.1 Grundlagen.7
2.1.2 Das Wassereinzugsgebiet der Unstrut.9
2.1.2.1 Naturräumliche Gliederung und Hydrographie des Einzugsgebietes.9
2.1.2.2 Abgrenzung der L'ntersuchungsgebiete.12
2.1.2.3 Geologie und Hydrogeologie der Untersuchungsgebiete.14
2.1.2.3.1 Regional- und strukturgeologische Einheiten.14
2.1.2.3.2 Stratigraphische Einheiten des präquartären Untergrundes .16
2.1.2.3.3 Geohydraulische Eigenschaften des präquartären
Untergrundes.18
2.1.3 Diequartären Talsedimente.20
2.1.3.1 Pleistozän.20
2.1.3.2 Holozän.23
2.1.3.3 Geohydraulische Eigenschaften.26
2.1.4 Grundwasserströmung.27
2.1.4.1 Definition von Speisungs- und Entlastungsgebieten.27
2.1.4.2 Auen als Elemente eines Flußeinzugsgebietes.29
2.1.4.3 Auen als L'nliastungsgebiete.29
2.1.4.4 Grunduasserhydraulik zwischen Speisungs- und Entlastungsgebieten im
Unstruttal.31
2.2 Formen anthropogener Uberprägungen.33
2.2.1 Auelehm - Ergebnis menschlicher Besiedelung des Einzugsgebietes.34
2.2.2 Fiußbegradigung - Hochwasserschutz und Landgewinn.36
2.2.3 Dränagen - Intensivierung der Landwirtschaft.41
2.3 Nutzungsspektrum der Unstrutaue.42
3 l ntersuchungsansatz und -methodik.44
3.! Konzeptionelles Modell zur Grundwasserdynamik.44
3.2 Meßkonzept zur Grundwasserdviiamik.45
3.3 ("ntersuchungskonzept zur Grundsvasserbeschaffenheit.46
3.3.1 Einztmsüebietsmaßstab.46
Inhaltsverzeichnis
3.3.2 Feldmaßstab.48
3.3.3 Labormaßstab.48
3.4 Konzeptioneller Ansatz der Grundwassermodellierung.52
3.5 Modellierung der Grundwassemeubildung.55
4 Auswirkungen anthropogener Überprägungen an der Lnstrut.59
4.1 Grund\vasserd\ namik.59
4.1.1 Wirkungen der Auelehmbedeckung auf Wasserhaushalt in Auen.59
4.1.2 Grundwasserflurabstände.60
4.1.3 Grundwassemeubildung.64
4.1.4 Interaktion zwischen Gewässer und Grundwasser.71
4.2 Grundwasserbeschaffenheit.77
4.2.1 Geogene Hydrochemie.77
4.2.1.1 Grundwasser.77
4.2.1.2 Oberflächengewässer.80
4.2.2 Anthropogene Stoffeinträge.81
4.2.3 Stoffumwandlungen.85
4.2.3.1 Prozeßbeschreibung.85
4.2.3.2 Ergebnisse der Feldmessungen.89
4.2.3.3 Ergebnisse der Batch-Versuche.98
4.2.3.4 Säulendurchlaufversuch.107
4.2.4 Vergleichende Betrachtungen zu Laborsersuchen und Feldmessungen.113
4.2.5 Stoffausträge.119
4.2.6 Stoffbilanzmodell.123
5 Prognoseergebnisse zur Auswirkung von
Revitalisierungsmaßnahmen.126
5.1 Szenarien der Revitalisierung.126
5.2 Reaktivierung einer natumahen Grundwasserdynamik.127
5.3 Auswirkungen von Revitalisierungsmaßnahmen auf die Grundwasserbe-
schaffenheit .135
5.3.1 Gebiete mit überwiegend bindigem Auensediment.135
5.3.2 Auengebiete mit kiesig-sandigem Talgrundvvasserleiter.136
6 Bedeutung der l ntersuchungsergebnisse für die Planung von Auen-
regenerierungen aus hydrogeologischer Sicht.OS
6.1 Feststellung des Standes der anthropogenen Überprägungen.138
6.2 Zielsetzungen und Möglichkeiten der Revitalisierung.140
6.3 Grenzen der Rekonstruktion naturnaher Auen.144
6.4 Bedeutung des Erhalts natumaher Auen.145
7 Zusammenfassung_.~1-W
Literaturverzeichnis_.--------------------------------.-----------------150
ANLAGEN
Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abb. i-1: Natürliche und anthropogene, abiotische Einflußfaktoren auf das
Wirkungsgefüge von Flußauen.5
Abb. 2-1: Flußgefälle der Unstrut.9
Abb. 2-2: Entwicklung der Einzugsgebietsgröße der Unstrut.10
Abb. 2-3: Abfluß-Gefälle-Verhältnisse nach LEOPOLD Wolman (1957) mit der
Einordnung der Unstrut-Pegel.11
Abb. 2-4: Übersichtskarte mit Untersuchungsgebieten.12
Abb. 2-5: Thüringer Becken, geologische Übersicht und regionalgeologische
Einheiten.15
Abb. 2-6: Profildarstellung der NE-Flanke der Mühlhausen - Bad Langensalzaer
Teilmulde mit Permeabilitätsgrenze.19
Abb. 2-7: Lagerungsverhältnisse elsterkaltzeitlicher und jüngerer quartärer Sedimente
im Thüringer Becken.21
Abb. 2-8: Generalprofil des Auensedimentes im Altengottemschen Ried.24
Abb. 2-9: Profil durch die Unstrutaue westlich von Straußfurt (Dammachse des RHB
Straußfurt) mit typischer Dreigliederung des Holozäns.25
Abb. 2-10: Schematische Darstellung von Strom- und Potentiallinien des Grundwassers
in einem Flußtal.28
Abb. 2-11: Beispiele für Flußauen unterschiedlicher Größenordnung mit ihren
Einzugsgebieten.30
Abb. 2-12: Ganglinien der Keupermeßstellen im Nordosten des
Hauptuntersuchungsgebietes.32
Abb. 2-13: Ganglinienvergleich der Keupermeßstellen im Hauptumersuchungsgebiet -
in der Aue und westlich der Unstrut.33
Abb. 2-14: Korngrößenverteilungen von Auelehm nach verschiedenen Autoren.34
Abb.2-15: Korngrößenverteilung von Auelehmen (Mächtigkeiten 1 -2m)
unterschiedlicher Flußgebiete Thüringers.36
Abb. 2-16: Luftbildauswertung des Unstrut-Helme-Rieds mit alten Mäanderstrukturen.40
Abb. 2-17: Wirkung der Dränage in Auelehmen bei aufsteigendem Grundwasser.41
Abb. 2-18: Flächenaufteilung der Unstrut-Auenfläche.42
Abb. 3-1: Wasserströme der Speisungs- und Entlastungsgebiete.44
Abb. 3-2: Meßstellenanordnung im Altengottemschen Ried (Unstrut-Hainich-Kreis).45
Abb. 3-3: Skalenbereiche der Beschaffenheitsuntersuchungen.47
Abb. 3-4: Grundwassersammler im Auensediment mit Probennahmeanordnung.48
Abb. 3-5: Versuchsanordnung und Probennahme der Batch-Versuche.49
Abb. 3-6: Aufbau der Säulenversuchsanlage.5!
Abb. 3-7: Säule mit Probennahmeport.52
Abb. 3-8: Hydrogeologisches Strukturmodell (Ausschnitt).54
Abb. 3-9: Randbedingungen, schematisch dargestellt am Vertikalschnitt.55
Abb. 3-10: Lage des Wehres Nordmar zwischen Großengottern und Schönstedt.57
Abb. 4-1: Brechung der Strom- und Potentiallinien an einer Schichtgrenze mit k,-Wert-
Abbildungsverzeichnis
Abb. 4-2: Unterschied zwischen gemessenen Grundwasserflurabständen und
berechneten Druckspiegelhöhen.61
Abb. 4-3: Flurabstände der Grundwasserdruckfläche im Großengottemschen Ried
(Mai 1999).62
Abb. 4-4: Profile der Grundwasserhöhe im Altengotternschen Ried.63
Abb. 4-5: Vergleich des gemessenen Abflusses mit den simulierten Abflußmengen.65
Abb. 4-6: Berechnete Wasserhaushaltsgrößen im Einzugsgebiet des Nordmars
(Speisungsgebietl.65
Abb. 4-7: Ganglinien der Grundwasserneubildung und des Grundwassers im
Speisungsgebiet.66
Abb. 4-8: Bodenwasserhaushalt im Lysimeter - Randbedingungen und kumulativer
Wasserfluß.67
Abb. 4-9: Bodenfeuchteentwicklung im Lysimeter - ohne und mit Dränage.68
Abb. 4-10: Bodenwasserhaushalt im Lysimeter - Saugspannungen an der Erdoberfläche
im Fall ohne und mit Dränage.69
Abb. 4-11: Bodenwasservolumenänderung mit und ohne Grundwasseraufstieg.69
Abb. 4-12: Landnutzung mit Zuordnung der Ertragsklassen für die GWN-Berechnung
mit dem Programm ABIMO.70
Abb. 4-13: Berechnete Grundwasserneubildung in Abhängigkeit von
Grundwasserflurabstand und Ertragsklasse zu verschiedenen Jahreszeiten.71
Abb. 4-14: Grundfälle der Interaktion zwischen Gewässer und Grundwasser in einer
Flußaue.72
Abb. 4-15: Korrelationskoeffizienten der Grundwasserstandsganglinien zwischen
Unstrut und Holozän sowie Pleistozän und Holozän.73
Abb. 4-16: Ganglinieni ergleich der Unstrut und des Grundwassers im
Altengotternschen Ried.74
Abb. 4-17: Ganglinienvergleich zwischen Unstrut und Grundwasser bei Thamsbrück.75
Abb. 4-18: Ganglinienvergleich zwischen Unstrut und Grundwasser bei Sömmerda.76
Abb. 4-19: Hydrochemie des Grundwassers im Hauptuntersuchungsgebiet.77
Abb. 4-20: Blockbild mit Verteilung des geogenen Sulfats im Untersuchungsgebiet
Sömmerda.78
Abb. 4-21: Blockbild mit Verteilung des geogenen Chlorids im Untersuchungsgebiet
Sömmerda.78
Abb. 4-22: Geogene Hvdrochemie im Untersuchungsgebiet Artern.79
Abb. 4-23: Hvdrochemie des Oberflächenwassers im Hauptuntersuchungsgebiet.80
Abb. 4-24: Nitratverteilung im Grundwassernach Speisungs-und Entlastungsgebiet.82
Abb. 4-25: Nitrat - Mittelwerte und Streubreiten ausgewählter Meßsteilen der
Speisungsgel--cte im Hauptuntersuchungsgebiet.83
Abb. 4-26: Ganglinien der Nitratgehalte in Grundwassersammlern.84
Abb 4-27: Mittelwerte und Streubreiten der Nitratgehalte in den Grundwassersammlern
des Altengotternschen Rieds.84
Abb. 4-28: Abbaukinetiken im ihermodynamisch geschlossenen System.88
Abb. 4-29: Nitratterteiiung in Grundwassersammlem des Altengotternschen Rieds und
im Entlastungsaebiet.89
Abbildungsverzeichnis
Abb. 4-30: Verteilung von Ammonium und DOC in Speisungs- und Entlastungsgebiet
des Hauptuntersuchungsgebietes.90
Abb. 4-31: Vertikalschnitt durch die Aue bei Großengottem mit Nitrat und DOC in den
Grundwassersammlern.91
Abb. 4-32: Korrelation zwischen DOC und Nitrat aller Proben aus den
Grundwassersammlem.92
Abb. 4-33: Nitratstickstoff-Gehalte in den GW-Sammlem.93
Abb. 4-34: Nitrat. DOC und Ammonium in den Grundwassersammlern, in
Abhängigkeit von der Lithologischen Einheit.94
Abb. 4-35: Stoffkorrelationen im Untersuchungsgebiet Sömmerda.95
Abb. 4-36: Nitratkonzentrationen im Untersuchungsgebiet Sömmerda (schematisches
Blockbild).96
Abb. 4-37: Stoffkorrelationen im Untersuchungsgebiet Artern.97
Abb. 4-38: Hydrochemische Verhältnisse in den quartären Talsedimenten des
Unstruttales bei unterhalb von Artem.97
Abb. 4-39: Nitratabbau in den Batch-Versuchen.98
Abb. 4-40: Nitritbildung in den Batch-Versuchen.99
Abb. 4-4!: Nitrat und Ammonium in Batch-Versuch 3. Gegenüberstellung der Versuche
ohne und mit zusätzlicher Kohlenstoffquelle.100
Abb. 4-42: Vergleich der Abbaukonstanten aus den Batch-Versuchsansätzen mit
Reduktionsmittelzugabe.102
Abb. 4-43: Korrelation zwischen Nitrat und Ammonium in den Grundwassersammlem.102
Abb. 4-44: Ammonium- / Nitratstickstoffverhältnisse in den Batch-Versuchen 1 und 2.103
Abb. 4-45: Ammonium-/ Nitratstickstoffverhältnisse im Batch-Versuch 3.104
Abb. 4-46: Stickstoff in den Schichteinheiten der Aue.105
Abb. 4-47: Sulfat in Batch-Versuch 3.106
Abb. 4-48: Nitrat im Säulendurchlaufversuch.108
Abb. 4-49: Abbaukonstanten für Nitrat aus dem Säulenversuch (I. u. 2.
Auswertungszeitraum).109
Abb. 4-50: C : N-Verhältnis im Auensediment (Bohrung AI).110
Abb. 4-51: Nitrit im Hangendlehm (Porto) im 2. Versuchszeitraum.111
Abb. 4-52: Sulfatgehalte im Säulenversuch über die gesamte Versuchszeit.112
Abb. 4-53: Vergleich der Ergebnisse Batch-Versuch und Feld.114
Abb. 4-54: Abbaukonstanten und theoretisch möglicher NO-,-l msatz in den
Auensedimenten des Altengotternschen Rieds.116
Abb. 4-55: Sulfatreduktion im Grundwassersammler 11/3.118
Abb. 4-56: Entwicklung von Nitratkonzentration und -fracht im Altengottemschen
Kanal.7.120
Abb. 4-57: Nitrat-Konzentrationen der Unstrut im Hauptuntersuchungsgebiet.120
Abb. 4-58: Modell des Stoffaustrags in die Oberflächengewässer im Bereich der
Flußaue.122
Abb. 4-59: Stoffbilanzmodell für Nitrat in der Unstrutaue des
Hauptuntersuchungsgebietes.123
IV Abbildungsverzeichnis
Abb. 5-1: Mittlere Flurabstände der Druckspiegelhöhen im Altengotternschen und
Grossengottemschen Ried beim Szenario 1 (ohne Unstrut-Rückbau; mit
verlegtem Welsbach).128
Abb. 5-2: Verlauf des Unstrut-Hochwassers Februar 1946 (nach BAUER, 1952).129
Abb. 5-3: Berechnungsergebnis der Wirkung des Hochwassers Februar 1946 auf die
Grundwasserstände in der Aue bei kanalisierter Unstrut.130
Abb. 5-4: Mittlere Flurabstände der Druckspiegelhöhen im Altengotternschen und
Großengotternschen Ried beim Szenario 2 (mäandrierende Unstrut;
verkürzte Gräben und Altarme).131
Abb. 5-5: Abflußrichtungen des austretenden Grundwassers im Großengotternschen
Ried.131
Abb. 5-6: Berechnungsergebnis der Wirkung eines Frühjahrshochwassers auf die
Grundwasserstände in der Aue bei mäandrierender Unstrut.133
Abb. 5-7: Mittlere Flurabstände der Druckspiegelhöhen im Altengotternschen und
Grossengottemschen Ried beim Szenario 3 (mäandrierende Unstrut;
verfüllte Gräben und Altarme).134
Abb. 5-8: Berechnete Druckspiegelhöhen der Szenarien 2 und 3 im Altengotternschen
Ried im Vergleich zu gemessenen Flurabständen.134
Abb. 5-9: Auswirkungen von Revitalisierungsmaßnahmen auf die
Grundwasserbeschaffenheit unter den Bedingungen des Altengotternschen
Rieds (vgl. Abb. 4-58).136
Abb. 5-10: Modell der möglichen Beschaffenheitsänderungen durch Revitalisierung der
Aue im Gebiet um Sömmerda (nach STARR GlLLHAM, 1993; K.ETELSEN
.WIDMOSER, 2000 und QUAST et al., 2000).137
Abb. 6-1: Raum- und Zeitbezug anthropogener Veränderungen im Unstrut-Gebiet.142
Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Tab. 2-1: Hauptwerte des Jahresabflusses an den Unstrutpegeln. 11
Tab. 2-2: Eckkoordinaten der Untersuchungsgebiete.13
Tab. 2-3: Gesamtprofil der känozoischen Lockergesteinsablagerungen im Gebiet der
Helme-Unstrut-Niederung.23
Tab. 2-4: Merkmale der Talsedimente im Unstruttal.26
Tab. 2-5: Genese des Auelehms in verschiedenen Flußsystemen.35
Tab. 3-1: Versuchskonfiguration Batch-Versuche.50
Tab. 3-2: Konzentration und Herkunft des Input-Wassers des Säulenversuches.51
Tab. 3-3: Modellschichten.54
Tab. 4-1: Relevante Stofffrachten in Flußeinzugsgebieten.85
Tab. 4-2: Mögliche Stoffumwandlungen.86
Tab. 4-3: Kinetische Parameter des Nitratabbaus in den Batch-Versuchen.101
Tab. 4-4: Desulfurikanten im Auensediment.106
Tab. 4-5: Hydraulische Parameter des Säulendurchlaufversuchs.107
Tab. 4-6: Zusammenfassende Darstellung der Stoffum»andiungspotentiale in den
Schichten des Altengottemschen Rieds. 118
Tab. 4-7: Rechengrößen des Stoffbilanzmodells.124
Tab. 5-1: Revitalisierungsszenarien zwischen Bollstedt und Thamsbrück (nach TLU
2000).".127
Tab. 6-1: Parameter zur Feststellung des Standes anthropogener Cberprägungen einer
Aue.'.138
Tab. 6-2: Zielebenen der Revitalisierung und deren Raum-Zeit-Bezug.141 |
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