Springs and their groundwater systems in South Limburg (NL) with special reference to the Central Plateau

Hendrix, Wilhelmus Petrus Alphonsus Marie; Lehmkuhl, Frank (Thesis advisor); Rüde, Thomas R. (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022, 2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Diese Dissertation befasst sich mit der zeitlichen und räumlichen Variation der qualitativen und quantitativen Aspekte der Quellen und ihrer Grundwassersysteme in Süd-Limburg, dem südlichsten Teil der Niederlande. Im Mittelpunkt stehen Auswertungen von physikalisch-chemischen und hydrologischen Messungen natürlicher Quellen und des phreatischen Grundwassers, die im Zeitraum 1984-2018 durchgeführt wurden. Die Feldmessungen wurden hauptsächlich auf dem Zentral-Plateau durchgeführt, einem hervorragend geeignetem hydrogeologischem System zur Probenahme um die physikochemischen Eigenschaften des phreatischen Grund- und Quellwasser zu bestimmen, als auch für Messungen in Bezug auf den hydrologischen Eigenschaften von Quellen wie die Abflussdynamik. Das Zentral-Plateau kann aufgrund seines hydrogeologischen Charakters als ein umgekehrtes oder inverses Einzugsgebiet sowie auch als ein natürlicher Lysimeter betrachtet werden. Darüber hinaus werden auch die ökologischen Aspekte der Quellgebiete betrachtet. Die Arbeit beginnt mit einer Beschreibung der geologischen, klimatologischen, hydrogeologischen und physikalisch-chemischen Voraussetzungen der verschiedenen hydrogeologischen Systeme in Süd-Limburg im Allgemeinen und des Zentral-Plateaus im Besonderen. Auf regionaler Ebene von Süd-Limburg werden die Grundwasserleiter der verschiedenen hydrogeologischen Systeme in der horizontalen und auch vertikalen Ebene beschrieben sowie der physikalisch-chemische Charakter ihres Grund- und Quellwassers. Das hydrogeologische System des Zentral-Plateaus hat zwei wichtige Aquifere, den tieferen kreidezeitlichen Kalkstein-Aquifer, der für die Trinkwasserproduktion genutzt wird, und den phreatischen Grundwasserleiter, der durch oligozäne, miozäne und pleistozäne Sande und Kiese gebildet wird und der die zahlreichen natürlichen Quellen speist. Die lang- und kurzfristigen Entwicklungen der wichtigsten physikalisch-chemischen Komponenten des phreatischen Grundwassers und des Quellwassers und auch ihre Fern- und Kurzstreckenverteilung werden dargelegt. In diesem Zusammenhang wird eine multivariate räumlich-statistische Analyse unter Verwendung der Fuzzy c-means Clustering-Methode durchgeführt. Es wird ein Gradient steigender Konzentrationen mehrerer Verbindungen im phreatischen Grundwasser von Süd-Limburg von Süden nach Norden festgestellt. Dieser Gradient ist aufgrund höherer Niederschlagmenge im Süden und Unterschiede in der Intensität der Landnutzung und auch in der Laufzeit des Grundwassers zu den Quellen zu erklären. Insbesondere hohe Nitratkonzentrationen weisen auf eine Eutrophierung des Wassers hin. Generell zeigt die Nitratkonzentration des phreatischen Grundwassers und Quellwassers in Süd-Limburg bis zum Beginn dieses Jahrtausends einen steigenden Trend. Für den Zeitraum 1904-1920 wurde die mittlere Nitratkonzentration von 17 mg/L berechnet, für den Zeitraum 1984-1985 36 mg/L, für den Zeitraum 1987-1991 40 mg/L und für den Zeitraum 2000-2004 betrug der Medianwert 68 mg/L. Am Ende des ersten Jahrzehnts dieses Jahrhunderts (2008-2009) ist die mittlere Nitratkonzentration auf 46 mg/L gesunken. Die langfristige und kurzfristige Variabilität der meisten physikochemischen Daten des phreatischen Grundwassers und des Quellwassers im Zeitraum 1984-2010 ist relativ gering bis mittel und ohne erkennbaren Trend für viele Parameter, obwohl Ausnahmen im Quellwasser in verschiedenen Gebieten vorhanden sind. Besondere Aufmerksamkeit gilt der relativ hohen Nitratkonzentration von Quellwasser und phreatischem Grundwasser des Zentral-Plateaus sowie dessen zeitliche und räumliche Variabilität. Die Medianwerte der Nitratkonzentration des phreatischen Grundwassers und des Quellwassers des Zentral-Plateaus (1984-2018; Medianwerte: 11-219 mg/L) zeigen einen langfristigen Aufwärtstrend im Zeitraum 1984-2007 und einen Abwärtstrend nach 2007. Die kurzfristige Variabilität der Nitratkonzentration kann sowohl für monatliche als auch für wöchentliche Messreihen von niedrig bis sehr hoch reichen. Auch mehrere Mikrokomponenten wie Metalle und organische Substanzen, z.B. Pestizide, werden für das Zentral-Plateau berücksichtigt. Die Landnutzung wurde kartiert, analysiert und bewertet, vor allem um den Einfluss der Landwirtschaft auf die gewässerökologischen Eigenschaften des phreatischen Grundwassers und des Quellwassers zu bestimmen. Bei der Ermittlung des Verhältnisses zwischen der Landnutzung und dem physikalisch-chemischen Charakter des phreatischen Grundwassers und des Quellwassers des Zentral-Plateaus nehmen Nitrat, Chlorid, Sulfat, Natrium und Kalium eine zentrale Position ein. Der Einfluss der Landnutzung wird für das Zentral-Plateau bewertet, indem die gemessenen physikalisch-chemischen Daten und Landnutzungsflächen in verschiedenen Größen verwendet werden, unter Berücksichtigung der hydrogeologischen Struktur und auch der Fließwege sowie der Laufzeit des Grundwassers zu den Quellen. Ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Landnutzung und dem physikalisch-chemischen Charakter des Quellwassers und des phreatischen Grundwassers kann jedoch auf diese Weise auf der Ebene des hydrogeologischen Systems des Zentral-Plateaus nicht nachgewiesen werden. Die Auswirkungen der landwirtschaftlichen Flächennutzung auf die Grundwasser- und Quellwasserzusammensetzung sind über die gesamte Fläche verteilt, während die Auswirkungen von Deponien, industriellen Aktivitäten und alten Bergbautätigkeiten hauptsächlich lokalen Charakter haben. Die Wasserqualitätsbewertung des phreatischen Grundwassers und des Quellwassers wird sowohl für Süd-Limburg als auch für das Zentral-Plateau unter Verwendung der aktuellen Wasserqualitätsstandards durchgeführt. In diese Bewertung spielen die hohen Nitratkonzentrationen eine Hauptrolle. Aber auch andere Komponenten, wie z.B. Pestizide, haben einen negativen Einfluss auf der Qualität des Quellwassers und des phreatischen Grundwassers. Eine Bewertung der Wasserqualität anhand der Grenzwerte für alle wichtigen physikalisch-chemischen Parameter führt für das Zentral-Plateau schließlich zu dem Schluss, dass es in diesem Gebiet keinen einzigen Probenahmepunkt gibt, der die Grenzwerte für Trinkwasser erfüllt. Die Verschlechterung der Wasserqualität minimiert die Verwendung von Quell- und Grundwasser als Trinkwasser. Zusätzlich hat es einen negativen Einfluss auf die Entwicklung von wertvollen Biozönosen von Quellbereichen. Das Zentral-Plateau ist ein geschlossenes System. Das phreatische Grundwasser wird nur durch den Niederschlag in seinen Versickerungsflächen gespeist. Der obere Grundwasserleiter des Zentral-Plateaus hat den Charakter eines mehrschichtigen undichten Grundwasserleiters (multiple layer leaky aquifer). Die Quellen des Zentral-Plateaus haben einen durchschnittlichen jährlichen Gesamtabfluss von 72% der durchschnittlichen jährlichen Speisung des Grundwassers. Damit eignet sich das Zentral-Plateausystem nicht nur sehr gut für die Feldforschung, sondern auch für die hydrologische Modellierung und Bilanzberechnung von Komponenten des phreatischen Grund- und Quellwassers. So kann für das Zentral-Plateau die Stickstoffbilanz anhand detaillierter Daten über die landwirtschaftliche Flächennutzung, die Abflussmessungen der Quellen und Quellbäche und die gemessene Nitratkonzentration des Quellwassers ermittelt werden. Die Ergebnisse dieser Berechnungen zeigen eine durch Auslaugung verursachte Stickstoffbelastung des Grundwassers. Diese erreicht die Quellen nach einer Verweilzeit von ein paar Wochen bis viele Jahrzehnte. Die berechnete Nitratkonzentration aus dem Defizite der Stickstoffbilanz im Vergleich zu der gemessenen Nitratkonzentration machte eine Prognose von einem Anstieg der Nitratkonzentration in dem Quellwasser in den folgenden Jahren möglich. Die gemessene mittlere Nitratkonzentration des phreatischen Grundwassers und des Quellwassers des Zentral-Plateaus stieg von 78 mg/L im Jahr 1985 auf 120 mg/L im Jahr 1999. Schließlich werden einige Empfehlungen für die weitere Erforschung der Quellen und ihrer Grundwassersysteme in Süd-Limburg gegeben. Diese Empfehlungen betreffen unter anderem die Fortsetzung der Feldmessungen. Dies ist nützlich um lange Zeitreihen der physikalisch-chemischen Eigenschaften des phreatischen Grundwassers und des Quellwassers zu erstellen. Weitere Forschung zu Quelltuff ist von Bedeutung für eine nachhaltige Entwicklung der ökologisch wertvollen Quellbiozönosen. Für ein besseres Verständnis des Grundwasserflusses zu den Quellen sind detailliertere Informationen zu den Infiltrationsbereichen einzelner Quellen oder Quellkomplexe erforderlich. Der in dieser Untersuchung angewandte ‘inverse catchment’ Ansatz kann auch für andere Gebiete verwendet werden, z.B. das Vijlen-Plateau, das Ubachsberg-Plateau und das Crapoel-Plateau. Das Hinzufügen von ‚emerging substances’ in Mess- ode Überwachungsprogramme für die Qualität des Grund- und Quellwassers ist empfehlenswert. Schließlich wird empfohlen, die Auswirkungen der Verschmutzung oder Eutrophierung von Wasser auf die ökologisch wertvolle Biozönosen und Ökosysteme von Quellen und Quellbächen weiter zu erforschen.

Einrichtungen

• Fachgruppe für Geowissenschaften und Geographie [530000]
• Lehrstuhl für Physische Geographie und Geoökologie [551610]