Laufende Tätigkeiten
Mikroplastik im Grundwasser?
In der Umwelt und in unseren Gewässern ist Plastikmüll vorhanden. In der Schweiz werden jährlich mehr als 5000 Tonnen freigesetzt und gelangen in die Umwelt. Davon gelangen etwa 600 Tonnen Mikroplastik in den Boden und knapp 15 Tonnen in die Gewässer. (Jährlich mehr als 5000 Tonnen Plastik in die Umwelt freigesetzt, Empa, 2019)
Die Weltgesundheitsorganisation WHO erklärt, dass basierend auf den begrenzt verfügbaren Informationen Mikroplastik im Trinkwasser heute keine Gefahr für den Menschen darzustellen scheint. Andere Verunreinigungen seien wesentlich bedeutsamer. Weitere Untersuchungen sind jedoch dringend nötig. In einer Untersuchung des Amts für Abfall, Wasser, Energie und Luft (AWEL) im Kanton Zürich konnte im Grund- und Trinkwasser kein Mikroplastik nachgewiesen werden (Fachartikel Mikroplastik in Abwasser und Gewässern, Aqua&Gas No 7/8, 2016). Ob auch Nanoplastik effizient bei der Trinkwasseraufbereitung zurückgehalten werden kann, wird derzeit in einer Kooperation Eawag – Wasserversorgung Zürich (WVZ) untersucht.
CH-GNet untersucht an verschiedenen Standorten in der Schweiz, ob Mikroplastik in Grundwasser gelangen kann. Beispiele sind im Folgenden zu finden.
CH-GNet untersucht gemeinsam mit der Hardwasser AG und der Eawag, Abteilung Verfahrenstechnik mit Ralf Kägi, ob Mikroplastik im Grundwasserauftritt und ob in den jeweiligen Verfahrensstufen zurückgehalten wird. Im Untersuchungsgebiet wird vorgereinigtes Rheinwasser versickert in den Hardwald geleitet und später als Grundwasser aus der Tiefe des Harduntergrundes hochgepumpt. Die anschliessende Aufbereitung über einen Aktivkohlefilter entfernt Spurenverunreinigungen.
Die verschiedenen Verfahrensstufen für die Trinkwassergewinnung lassen sich für einen Überblick folgendermassen einteilen:
- Rohwasserentnahme aus dem Rhein
- Vorreinigung
- Schnellfiltration zu Filtrat- oder Brauchwasser
- Versickerung in der Muttenzer Hard
- Grundwasserentnahme
- Aktivkohlefiltration und Desinfektion mit UV-Licht
- Speicherung und Abgabe
CH-GNet untersucht gemeinsam mit der Universität Birmingham, School of Geography, Earth and Environmental Sciences mit der Gruppe Ecohydrology and Biogeochemistry gemeinsam die Plastikmenge innerhalb der Thur und dem entnommenen Grundwasser.
Die Plattform CH-GNet bieten regelmässig Webinare zu verschiedenen Themen an.
Die Webinare sollen den Austausch fördern und über aktuelle Studien und Enwticklungen informieren. Es sollen ein gemeinsames Problemverständnis entwickelt werden. Auf diese Weise sollen die kritischen Punkte und Lücken angesprochen und gemeinsam definiert werden. Es soll Möglichkeiten und Wege aufzeigen, was es braucht, um eine nachhaltige Grundwassernutzung zu gewährleisten. Hier sollen die Blickwinkel zwischen Wasserversorgern, Landwirtschaft, Stadtplannung, Wissenschaft und auch Bund, Kantonen und Praxis gemeinsam einfliessen.
Aktuelle Webinare sind im Folgenden zu finden:
Innerhalb des Webinare sollen die Konflikte und Herausforderungen, aber auch mögliche zukunftsfähige Lösungen zu verschiedensten Themen wie z.B. Nitrat, Pflanzenschutzmittel präsentiert und diskutiert werden. Ziel ist es, die verschiedenen Begegnungsfelder aus wissenschaftlicher Sicht zu beleuchten. Es soll ein gemeinsames Problemverständnis entwickelt werden, das wissenschaftliche aber auch die Blickwinkel und Herausforderungen der Praxis mit einbezieht. Die Breite und Komplexität der Probleme und Herausforderungen zwischen Grundwassernutzung und Landwirtschaft generiert Flächenkonflikte und der Bedarf nach nachhaltigen und zukunftsfähige Entwicklungsmöglichkeiten und Lösungen wird steigen.
Datum: Monatliches Webinar (immer letzter Donnerstag im Monat)
Zeit: 13:00 – 14:00
Ablauf: Vortrag von ~ 20-25 min mit 2-3 vordefinierten Thesen. Thesen werden von Referenten*innen geliefert. Anschliessend Frage- und Diskussionsrunde im Anschluss des Vortrags.
Für Anfang 2023 ist das Themenheft „Grundwasser und Landwirtschaft“ in der Zeitschrift Grundwasser geplant.
Grundwasser ist nicht nur eine Trinkwasserressource, sondern auch eine essentielle Grundlage wertvoller aquatische Ökosysteme in Flüssen, Seen und Feuchtgebieten. Die Belastung des Grundwassers durch landwirtschaftliche Aktivitäten stellt jedoch seit Jahrzehnten ein grosses Problem für ein nachhaltiges Wassermanagement dar. Bisher steht vor allem die grossflächige Belastung der Wasserqualität durch Schadstoffeinträge im Fokus, aber ein prognostizierter erhöhter Wasserbedarf für die Bewässerungslandwirtschaft stellt auch für die Verfügbarkeit der Grundwasserressourcen eine Herausforderung dar.
Vor allem Nitrat und Rückstände von Pflanzenschutzmitteln (PSM) können die Grundwasserqualität beeinträchtigen. Hier spielt u.a. der Viehbesatz und die damit anfallende Menge an Gülle eine wesentliche Rolle in der Höhe und räumlichen Verteilung von Stickstoffeinträgen. In diesem Zusammenhang sind auch Monokulturen in der Landwirtschaft kritisch zu bewerten, da diese mit erhöhten Düngemittelbedarf und PSM-Einsätzen einhergehen. Zusätzlich können Schwermetalle aus Düngemittel, kritische organische Substanzen, Rückstände von Tierarzneimitteln und Mikroplastik aus z.B. Klärschlämmen die Grundwasserqualität gefährden. In den vergangenen Jahren wurden wichtige wissenschaftliche Erkenntnisse zum Zusammenspiel zwischen Landwirtschaft und Grundwasser gewonnen, jedoch zeigt sich, dass die Übersetzung in spezifischen Massnahmen sich oft als schwierig und langwierig erweist. Da sich Grundwasservorkommen nur langsam erneuern und lange Verweilzeiten aufweisen können, sind vorausschauende Massnahmen zum Schutz und Erhalt der Grundwasserressourcen nötig, vor allem auch angesichts von sich verändernden Randbedingungen. Im Zuge des Klimawandels und drohenden längeren Trockenperioden ist abzusehen, dass die Landwirtschaft zukünftig stärker Grundwasserressourcen für die Bewässerung von Agrarflächen nutzen wird. Auch könnten Energiepflanzen zunehmend in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion stehen. Hier stellen sich Fragen zur Nachhaltigkeit der Landwirtschaft und zu Wassernutzungskonflikten. Veränderte Wasserflüsse in Boden und Grundwasser durch Klimawandel und Bewässerung lassen auch Rückkopplungen mit der Wasserqualität erwarten. Gerade Auswirkungen von Dürren und extremen Niederschlagsereignissen auf den Nährstoff- und Schadstofftransport sowie -rückhalt sind nicht vollumfänglich verstanden.
Dieses Themenheft soll die Breite und Komplexität der Probleme von Landwirtschaft, Grundwasserqualität und -quantität adressieren, Lösungsansätze bieten und sowohl Blickwinkeln der Wissenschaft, der Politik, als auch Herausforderungen der Praxis Raum geben. Hierbei sind Beiträge zum aktuellen Forschungsstand sowie zur praktischen Umsetzung willkommen. Wir ermutigen außerdem, Beiträge über innovative Messtechnik, numerische und datengetriebene Modellierungsansätze auf verschiedenen räumlich-zeitlichen Skalen und fortgeschrittene Methodenentwicklung einzureichen.
Wichtige Termine und Informationen:
- Interessensbekundungen mit vorläufigem Titel und Kurzfassung bis Ende April 2022
- Einreichung der Manuskripte bis Ende Juni 2022
- Begutachtung und Überarbeitung der Manuskripte bis Mitte November 2022
- Veröffentlichung des Themenheftes im März 2023
- Richtlinien für Autoren
Gasteditoren/Kontakt:
- Eawag & CH-GNet
- Kontakt: christian.moeck@eawag.ch
CH-GNet ist mit Partnern aus dem Vollzug, Praxis, Wasserversorgung aktiv beteiligt Meinungs- und Positionspapiere zu erstellen, um kritische Punkte und kontrovers diskutierte Themen und deren Entwicklung systematisch aus verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten. Mit diesen Artikeln wollen wir einen Beitrag dazu leisten, Lücke zwischen Praxis, Vollzug und Wissenschaft zu schliessen und notwendige Entwicklungen anzustossen.
Aktuelle Positionspapiere sind im Folgenden zu finden:
- Grundwassermodellierung - Vorteile einer Quantifizierung der Unsicherheit.
- Eine Echtzeit Online-Methode zur Beurteilung der künstlichen Grundwasseranreicherung und Grundwasserentnahme.
Zusammenfassung
Grundwassermodellierung wird routinemässig für diverse Fragestellungen im Umwelt- und Grundwassermanagement angewendet. Eine verlässliche Quantifizierung hydrogeologischer Prozesse mittels Grundwassermodellen zwingt uns häufig, eine kontinuierliche drei-dimensionale (3D) Konzeptualisierung und dazugehörige Modellparameterverteilung zu generieren, wohingegen direkte Messdaten des Untergrunds im Allgemeinen nur spärlich und punktuell vorhanden sind. Auch werden Grundwassermodelle traditionell ausschliesslich gegen Grundwasserspiegelmessungen kalibriert, obwohl wiederholt nachgewiesen wurde, dass diese klassischen Beobachtungen nicht genügend Informationen enthalten, um für die meisten Modellierungsaufgaben eine geeignete Parametrisierung zu finden. Da oft nur punktuelle Beobachtungen von klassischen Grundwasser-Zustandsvariablen vorhanden sind, sind in den meisten Fällen mehrere Modellparametersätze gleichermassen in der Lage, die Messdaten zu reproduzieren. Aufgrund dieser Ambivalenz der Messdaten bezüglich Modellparametrisierung kann oftmals kein einzelnes, bestes Modell identifiziert werden. Während es in akademischen Anwendungen daher gängig ist, mehrere gleichermassen kalibrierter Modellparametersätze für eine verlässliche Quantifizierung der Unsicherheiten von Grundwassermodellen heranzuziehen, wird dies in der Praxis nur selten durchgeführt. Die Gründe dafür sind vielfältig. Mit diesem Artikel wollen wir einen Beitrag dazu leisten, diese Lücke zwischen Praxis und Wissenschaft zu schliessen. Anhand drei ausgewählter Fallbeispielen aus der Schweiz demonstrieren wir, welche Vorteile eine systematische Quantifizierung der Unsicherheit von Grundwassermodellen und eine ausführliche Beschreibung der Heterogenität des Untergrunds hat. Wir zeigen auf, wie die gewonnenen Erkenntnisse Entscheidungsträgern helfen können, die allgemeine Zuverlässigkeit von Modellvorhersagen besser zu verstehen und spezifische Stärken und Schwächen eines Modells zu identifizieren. Ausserdem zeigen wir, wie eine sorgfältige und vorausschauende Planung der zu erhebenden Messdaten die Unsicherheit von Grundwassermodellen substanziell reduzieren kann.
Autoren:
- Christian Moeck, Mario Schirmer, Eawag
- Oliver Schilling, Philip Brunner, CHYN - Universität Neuchâtel
- Rouven Künze, TK CONSULT AG
Zusammenfassung
Eine nachhaltige Wasserversorgung in urbanen Gebieten stellt aufgrund des Nutzungsdrucks sowie vielfältiger anthropogener Einträge eine große Herausforderung dar. Künstliche Grundwasseranreicherung hat das Potenzial, den Wasserbedarf zu decken und ggf. vorhandene Schadstoffkonzentrationen zu verdünnen. Durch hohe Infiltrationsraten kann zudem eine hydraulische Barriere gegenüber Schadstoffen aus anliegenden Nutzungsflächen entstehen. Grundvoraussetzung, um diese Barriere so effektiv wie möglich nutzen zu können, ist die genaue Beschreibung der räumlichen und zeitlichen Verteilung und die Erfassung der Bereiche, in denen die Schutzfunktion durch die Barriere reduziert ist.
Im geschilderten Fallbeispiel für ein Trinkwassergewinnungsgebiet in der Nordschweiz präsentieren wir ein einfaches Online-Werkzeug. Es kann genutzt werden, um die grosse Menge der erhobenen Daten zu Digitalisieren und Interpretation von Konturenkarten zu ergänzen, indem es die Auswertung erhobener Daten vereinfacht und Grundwasserfliessrichtungen und -magnituden visualisiert. Die Ergebnisse können zur Beschreibung komplexerer Fliesssysteme genutzt werden, was zu einer effizienteren Grundwasserbeobachtung führt.
Authoren:
- Christian Moeck, Mario Schirmer, Eawag
- Markus Merk, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
- Dirk Radny, Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG)
- Adrian Auckenthaler, Amt für Umweltschutz und Energie Basel-Landschaft
- Thomas Gabriel, Hardwasser AG
Anwendung von Zeitreihenmodellen zum Verständnis der Grundwasserdynamik in der Schweiz
Insgesamt wurden 30 Grundwassermessstellen aus dem Nationalen Grundwasserbeobachtung NAQUA Datensatz ausgewählt, um Grundwasserdynamiken inkl. Auswirkungen der Schneeschmelze, Grundwasserneubildung und Klimasensitivitäten der jeweiligen Messstellen zu untersuchen.
Die Standorte decken ein breites Spektrum an Höhenlagen ab, mit alpinen Grundwasserleitern (max. 1700 m) im Südosten und grossen alluvialen Grundwasserleitern im Norden (min. 277 m). Die folgenden Abbildungen enthalten eine Zusammenfassung der hydrogeologischen und meteorologischen Bedingungen an jedem Standort.
Der Einsatz von Zeitreihenmodellierungsmethoden wird immer beliebter, um eine erste Einschätzung des Grundwassersystems zu erhalten. Die Methoden können zur Lösung von Grundwasserproblemen eingesetzt werden, ohne dass ein aufwendiges numerisches Grundwassermodell erstellt werden muss. CH-GNet verwendet Zeitreihenmodellen zur Simulation von historischen Grundwasserständen, um Wasserständevorhersagen zu machen. Zu diesem Zweck wird das von Collenteur et al. 2019 entwickelte nichtlineare Anreicherungsmodell verwendet.
Wir wenden Zeitreihenmodellen an, um
- Grundwasserstände innerhalb von Sekunden für ein Gebiet mit künstlicher Grundwasseranreicherung, das stark von grossen Infiltrations- und Entnahmemengen abhängt, vorherzusagen.
- Datenlücken aufzufüllen.
- Den Einfluss von Grundwasserentnahmemengen, Variationen im Fluss/Kanalwasserstand und klimatische Bedingungen zu quantifizieren.
