Einfluss einer Hochwasserwelle auf Strömung und Stofftransport im ...

Einfluss einer Hochwasserwelle auf Strömung
und Stofftransport im Grundwasser
Diplomarbeit
eingereicht bei:
Technische Universität Berlin
Institut für Angewandte Geowissenschaften
Fachgebiet Hydrogeologie
von:
Stefan Banzhaf
Matrikelnummer 206828
Betreuer:
PD Dr. Traugott Scheytt
September 2008

Eidesstattliche Erklärung
Hiermit erkläre ich an Eides statt, die vorliegende Arbeit selbständig und eigen-
händig erstellt, und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel
verwendet zu haben. Alle Stellen der Arbeit, die wörtlich oder sinngemäß aus
anderen Quellen übernommen wurden, sind als solche kenntlich gemacht. Diese
Arbeit wurde in gleicher oder ähnlicher Form noch keiner Prüfungsbehörde vorge-
legt.
Berlin, den 22.09.2008
Stefan Banzhaf
ii

Zusammenfassung
Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der Interaktion von Oberflächen- und
Grundwasser in der Uferzone eines Fließgewässers (hyporheische Zone). Als Ort
der Untersuchungen wurde ein Bach (Einzugsgebiet 35 km²) bei Trier gewählt, in
dessen Aue Messungen zu Hydraulik, Temperatur und chemischer Beschaffenheit
von Bach- und Grundwasser vorgenommen wurden.
Bei den Untersuchungen wurden zwei Aspekte betrachtet: Der erste Aspekt der
Arbeit lag auf der Analyse der Auswirkungen eines künstlich erzeugten Hochwas-
sers auf das Grundwasser in der Aue. Hierbei wurden die Piezometerhöhen in vier
eigens für diesen Versuch installierten Grundwassermessstellen in unmittelbarer
Nähe des Baches erfasst, Messungen zum Stofftransport vom Bach ins Grund-
wasser vorgenommen sowie die Temperaturen von Bach und Grundwasser
verglichen.
Der zweite Gegenstand der Untersuchung war die Analyse der Grundwassertem-
peraturen. Dazu wurden mithilfe von autark arbeitenden Temperaturloggern, die
ebenfalls in geringer Entfernung vom Bachufer eingebracht wurden, die Gangli-
nien der Grundwassertemperaturen über mehrere Wochen aufgezeichnet.
Die Auswertung des Feldversuches zeigt eine deutlich positive Korrelation von
künstlicher Hochwasserwelle und Wasserständen im Grundwasser. Eine gute
hydraulische Verbindung der Systeme Bach und Grundwasser ist damit nachge-
wiesen. Der Transport von Bachwasser ins Grundwasser, welcher durch einen in
die künstliche Welle eingegebenen Tracer und die Messung von Indikatorparame-
tern in Bach und Grundwasser nachgewiesen werden sollte, konnte nicht eindeu-
tig belegt werden. Lediglich die Chloridgehalte im Grundwasser vor und nach der
Welle wiesen signifikante Änderungen auf, die auf einen Stofftransport vom Bach
in die Grundwassermessstellen schließen lassen.
Auch die Messungen der Temperaturen im Grundwasser während der Hochwas-
serwelle lassen einen Einfluss des zu diesem Zeitpunkt kühleren Bachwassers
nicht klar erkennen. Allerdings spielt vermutlich auch die Messgenauigkeit der
eingesetzten Logger dabei eine Rolle.
iii

Bei der Auswertung der mehrwöchigen Ganglinien der Temperaturlogger wird ein
deutlicher Einfluss der Oberflächentemperatur sichtbar. Aufgrund der relativ
geringen Einbautiefe der Logger, die auch dem ebenfalls geringen Flurabstand
geschuldet ist, überwiegt der Einfluss der Außentemperatur gegenüber dem
Einfluss der Temperatur des Oberflächengewässers.
Zukünftige Untersuchungen, die sich mit der Interaktion von Grund- und Oberflä-
chenwasser unter dem Gesichtspunkt des Einflusses von Hochwasser beschäfti-
gen, sollten aufgrund der hier gewonnenen Erkenntnisse nach Möglichkeit über
einen längeren Zeitraum durchgeführt werden: Die Ergebnisse zeigen, dass
kurzzeitige Änderungen nur schwer erfassbar sind.
Auf Basis der in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse wird die Konzentration
auf die Parameter Druck und Temperatur empfohlen: Eine Beeinflussung der
hydraulischen Verhältnisse und eine damit verbundene Verfälschung der Ergeb-
nisse durch zur Probennahme nötige Pumpvorgänge wird als wahrscheinlich
angesehen.
Eine derart fein aufgelöste Untersuchung der Interaktionszone von Grund- und
Oberflächenwasser wurde in der Literatur nicht gefunden, die Arbeit beleuchtet
insofern einen neuen Aspekt der Dynamik des Wassers in der hyporheischen
Zone.
iv

Danksagung
Zuerst möchte ich Herrn PD Dr. Traugott Scheytt danken, der diese Diplomarbeit
ermöglicht und betreut hat. Herrn Dr. Andreas Krein danke ich für den Kontakt zur
Universität Trier.
Mein Dank geht auch an die Mitarbeiter der Universität Trier, die mich vor Ort bei
der Planung und der Durchführung der Geländearbeit unterstützt haben: Dr.
Reinhard Bierl, Berenike Meyer, Bettina Eisold und Margret Roth. Für die Hilfe bei
den Bohrarbeiten bedanke ich mich bei Roland Essel.
Des weiteren möchte ich Iris Piper und Kotan Y�ld�z danken, die meine Proben an
der TU in Berlin analysiert haben und mir bei Fragen zu den Analysen weiter
geholfen haben.
Für die finanzielle Unterstützung der Geländearbeit danke ich dem Geotitel der
Technischen Universität Berlin.
v

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung....................................................................................................... 1
2 Grundlagen.................................................................................................... 2
2.1 Lage des Untersuchungsgebietes............................................................ 2
2.2 Geologie und Hydrogeologie des Untersuchungsgebietes ...................... 3
2.3 Klima des Untersuchungsgebietes........................................................... 6
2.4 Hochwasserwellen und Grundwasser...................................................... 8
2.4.1 Dynamik von Hochwasserwellen ...................................................... 8
2.4.2 Hyporheische Zone........................................................................... 9
2.4.3 Einfluss von Hochwasser auf das Grundwasser............................. 13
3 Vorbereitende Arbeiten............................................................................... 16
3.1 Installation der Grundwassermessstellen............................................... 16
3.1.1 Standortwahl für Grundwassermessstellen..................................... 16
3.1.2 Bau der Grundwassermessstellen .................................................. 17
3.2 Temperaturmessung im Grundwasser................................................... 20
3.2.1 Konstruktion der Messeinrichtungen............................................... 20
3.2.2 Einbau der Messeinrichtungen........................................................ 21
3.3 Erste Probennahme Olewiger Bach und GWM...................................... 23
3.3.1 Durchführung .................................................................................. 23
3.3.2 Ergebnisse Vor-Ort-Parameter und Laboranalysen........................ 24
3.3.3 Festlegung der Indikatorparameter................................................. 27
3.4 Niederschlags- und Abflussregime im Vorfeld des Versuches............... 29
4 Durchlauf der künstlichen Hochwasserwelle ........................................... 31
4.1 Hydraulische Messungen....................................................................... 31
4.2 Temperaturmessungen.......................................................................... 32
4.3 Messungen zum Stofftransport .............................................................. 33
vi

5 Ergebnisse................................................................................................... 34
5.1 Ergebnisse der hydraulischen Messungen ............................................ 34
5.1.1 Wasserstandsganglinien von GWM und Olewiger Bach über den
gesamten Zeitraum ......................................................................... 34
5.1.2 Abflussmenge Olewiger Bach und Wasserstandsganglinien von
GWM und Olewiger Bach während der Welle ................................. 37
5.2 Ergebnisse der Temperaturmessungen................................................. 39
5.2.1 Ausbau der Temperaturlogger ........................................................ 39
5.2.2 Temperaturganglinien der Logger über den gesamten Zeitraum.... 40
5.2.3 Temperaturganglinien der Logger während der Welle.................... 42
5.3 Ergebnisse der Messungen zum Stofftransport ..................................... 44
6 Auswertung ................................................................................................. 47
6.1 Auswertung der hydraulischen Messungen ........................................... 47
6.1.1 Auswertung der Welle..................................................................... 47
6.1.2 Strömungsverhältnisse des Grundwassers im März und im Mai..... 49
6.2 Auswertung der Temperaturmessungen................................................ 51
6.2.1 Auswertung der Temperaturlogger ................................................. 51
6.2.2 Auswertung der Diver ..................................................................... 54
6.3 Auswertung der Messungen zum Stofftransport .................................... 57
7 Diskussion................................................................................................... 59
7.1 Hydraulische Messungen....................................................................... 59
7.2 Temperaturmessungen.......................................................................... 60
7.3 Messungen zum Stofftransport .............................................................. 61
8 Literaturverzeichnis .................................................................................... 62
vii

Anlagen
Anlage 1: Bohrprofile und Ausbaudaten der GWM TU_01 bis TU_04
Anlage 2: Technische Daten Temperaturlogger 3M TL20
Anlage 3: Vor-Ort-Parameter aller Probennahmen
Anlage 4: Laboranalysen und Fehlerbetrachtungen aller Probennahmen
Anlage 5: Siebkurven für kf-Werte
viii

Abbildungsverzeichnis
Seite
Abb. 1: Topografische Karte mit markiertem Untersuchungsgebiet (nach GIS des
Landkreises Trier-Saarburg, 2008) ................................................................. 2
Abb. 2: Ausschnitt Geologische Karte Deutschland mit markiertem
Untersuchungsgebiet (nach Gesellschaft für Rheinische Geschichtskunde,
1982)............................................................................................................... 3
Abb. 3: Detailkarte Geologie mit markiertem Untersuchungsgebiet (nach
Negendank, 1974)........................................................................................... 4
Abb. 4: Jahresniederschläge der Wetterstation „Trier-Petrisberg“ von 1991 bis
2007 (Datengrundlage: DWD)......................................................................... 6
Abb. 5: Monatsmittel der Niederschläge und der Temperatur der Wetterstation
„Trier-Petrisberg“ von 1991 bis 2007 (Datengrundlage: DWD) ....................... 7
Abb. 6: Hyporheische Zone (Sophocleous, 2002)................................................ 10
Abb. 7: Grundwasserströmung in der Flussebene (Woessner, 2000).................. 12
Abb. 8: Verschiebung der Mischungszone Grundwasser/Vorfluter (Butturini et al.,
2002)............................................................................................................. 14
Abb. 9: Lage der Sondierungsbohrungen............................................................. 16
Abb. 10: GWM und Temperaturmesseinrichtungen nach Einbau (Foto: Banzhaf)18
Abb. 11: Profilschnitt durch die GWM TU_01 bis TU_04 (erstellt mit GeODin) .... 19
Abb. 12: Temperaturlogger TL20 von 3M (3M Homepage, 2008)........................ 20
Abb. 13: Einbau Temperaturlogger in Zaunpfahl (Foto: Banzhaf) ........................ 21
Abb. 14: Profilschnitt mit Lage der Messeinrichtungen (erstellt mit GeODin) ....... 22
Abb. 15: Indikatorparameter Olewiger Bach und GWM........................................ 28
Abb. 16: Vergleich der monatlichen Niederschläge 2008 mit den durchschnittlichen
Werten (Datengrundlage: DWD) ................................................................... 29
Abb. 17: Karte mit Lage der GWM und dem Auslass der Stadtwerke (nach TK25,
2004)............................................................................................................. 31
Abb. 18: Ganglinien GWM TU_01 und TU_03 sowie Olewiger Bach................... 34
Abb. 19: Vergleich der Ganglinien der GWM TU_01 und TU_03 ......................... 36
Abb. 20: Ganglinien der Wasserstände in den GWM und im Olewiger Bach
während der Welle am 06.05.2008 ............................................................... 37
Abb. 21: Absoluter Anstieg der Wasserstände in den GWM und im Olewiger Bach
während der Welle ........................................................................................ 38
Abb. 22: Temperaturmesseinheit nach Ausbau (Foto: Banzhaf).......................... 39
Abb. 23: Ganglinien der Temperaturlogger im Grundwasser vom 21.03.2008 bis
21.04.2008 .................................................................................................... 40
ix

Abb. 24: Ganglinien der Temperaturlogger im Grundwasser und im Olewiger Bach
vom 21.04.2008 bis 07.05.2008.................................................................... 41
Abb. 25: Ganglinien der Temperaturlogger im Grundwasser und im Olewiger
Bach während der Welle am 06.05.2008 ...................................................... 42
Abb. 26: Ganglinien Nitrat und Natrium................................................................ 44
Abb. 27: Ganglinien Calcium und Magnesium...................................................... 45
Abb. 28: Ganglinien Chlorid.................................................................................. 46
Abb. 29: kf-Werte aus Siebanalysen (erstellt mit GeODin)................................... 47
Abb. 30: Vergleich der Wasserstände der GWM im März und Mai ...................... 49
Abb. 31: Darstellung der Flurabstände März/Mai im geologischen Profil der GWM
...................................................................................................................... 50
Abb. 32: Tag/Nacht-Schwankungen der Temperatur von Bach und Grundwasser
...................................................................................................................... 52
Abb. 33: Wasserstands- und Temperaturganglinie Diver in GWM TU_01 ........... 54
Abb. 34: Wasserstands- und Temperaturganglinie Diver in GWM TU_03 ........... 55
x

Tabellenverzeichnis
Seite
Tabelle 1: Einbaudaten der Temperaturlogger..................................................... 21
Tabelle 2: Ergebnisse Probennahme 20.03.2008 ................................................ 24
Tabelle 3: Fehlerbetrachtung der Analysen.......................................................... 26
Tabelle 4: Indikatorparameter Olewiger Bach und GWM ..................................... 27
Tabelle 5: Wasserstände und Abflüsse Olewiger Bach, März 2008..................... 30
Tabelle 6: Zusammenhang zwischen Druckspiegel und Mächtigkeit des GWL ... 48
Tabelle 7: Vergleich der Indikatorparameter vor und nach der Welle................... 57
Tabelle 8: Vergleich der Mobilitäten der Indikatorparameter (Appelo & Postma,
2005)............................................................................................................. 58
xi

1 Einleitung
1 Einleitung
Die Arbeit mit dem Titel „Einfluss einer Hochwasserwelle auf Strömung und
Stofftransport im Grundwasser“ beruht im Wesentlichen auf einem Feldversuch
der am und im Olewiger Bach bei Trier (Rheinland-Pfalz) durchgeführt wurde.
Gegenstand der Untersuchung waren die Hydraulik sowie die Dynamik von Stof-
fen und Temperatur in der hyporheischen Zone, der Mischungszone von Grund-
wasser und Oberflächenwasser.
Um festzustellen, ob und inwieweit das Grundwasser in unmittelbarer Umgebung
des Baches infolge eines erhöhten Abflusses im Bach in Wasserstand und stoffli-
cher Zusammensetzung beeinflusst wird, wurde eine künstliche Hochwasserwelle
erzeugt. Zur Beobachtung des Grundwassers wurden vier Grundwassermessstel-
len (GWM) innerhalb eines Abstandes von zwei Metern vom Ufer des Baches
gesetzt. In diesen wurden vor und nach dem Durchlauf der Welle physiko-
chemische Parameter gemessen sowie Wasserproben entnommen, um einen
Stofftransport nachzuweisen. Für einen absoluten Nachweis des Transportes von
Bachwasser ins Grundwasser wurde ein Fluoreszenztracer (Uranin) in die Welle
eingegeben und in den GWM detektiert. Eine Messung der Wasserstände in den
GWM erfolgte während des Versuches kontinuierlich.
Zusätzlich wurde in einer feineren räumlichen Auflösung die Grundwassertempe-
ratur gemessen und aufgezeichnet. Dazu wurden ebenfalls innerhalb von zwei
Metern Abstand vom Bachufer Temperaturlogger mittels Pfählen ins Grundwasser
eingebracht, die im Vorfeld und während des Durchlaufens der künstlichen Welle
die Temperatur des Grundwassers gemessen haben. Auch im Bach selbst wurde
ein solcher Temperaturlogger installiert. Diese Messungen sollten zeigen, ob und
in welcher Größenordnung die Grundwassertemperatur von der des Olewiger
Bachs oder der Oberflächentemperatur beeinflusst wird.
1

2 Grundlagen
2 Grundlagen
2.1 Lage des Untersuchungsgebietes
Das Untersuchungsgebiet befindet sich am Olewiger Bach, südöstlich des Stadt-
teils Olewig, Trier, Rheinland-Pfalz an der Landstraße L143 (Abb. 1). Von Südos-
ten kommend, ist das Versuchsgebiet linkerhand kurz vor der Ortseinfahrt nach
Olewig in Sichtweite eines Sportplatz zu erreichen. Dabei wurde der Standort der
GWM unmittelbar neben einem fest installierten Pegel der Universität Trier ge-
wählt.
Der Olewiger Bach ist ein Zufluss der Mosel und fließt dieser im Stadtgebiet von
Trier zu. Sein Einzugsgebiet umfasst rund 35 km² (De Sutter & Krein, 2001).
Abb. 1: Topografische Karte mit markiertem Untersuchungsgebiet
(nach GIS des Landkreises Trier-Saarburg, 2008)
2

2 Grundlagen
2.2 Geologie und Hydrogeologie des Untersuchungsgebietes
Das bearbeitete Gebiet (Abb. 2) befindet sich am östlichen Rand der Trier-
Bitburger Mulde und grenzt an die Ausläufer des Hunsrück an. Die Trier-Bitburger
Mulde ist gemeinsam mit der Wittlicher Senke ein NE-SW verlaufender keilförmi-
ger Einschnitt in das Rheinische Schiefergebirge, zu dem auch der Hunsrück zählt
(Henningsen & Katzung, 2002).
Abb. 2: Ausschnitt Geologische Karte Deutschland mit markiertem Untersuchungsgebiet
(nach Gesellschaft für Rheinische Geschichtskunde, 1982)
Angetroffen werden das paläozoische Rumpfschollengebirge, das durch Quar-
zithärtlingszüge gegliedert wird, und die Schichtstufenlandschaft des Trier-
Bitburger Mesozoikums, welche sich großräumig nach Südwesten in der Schicht-
stufenlandschaft des Pariser Beckens fortsetzt (Negendank, 1974).
Auf den varistisch gefalteten und verschuppten devonischen Schichten mit gra-
benförmigen permischen Einbrüchen lagern schüsselförmig (SW-NE bis SSW-
NNE streichend) triassisch-jurassische Schichten des Buntsandsteins, Muschel-
kalks, Keupers und Lias (Negendank, 1974). Auf der Westseite der Mosel bei Trier
bildet der Buntsandstein eine markante Schichtstufe aus.
3

2 Grundlagen
Im unmittelbaren Untersuchungsgebiet des Olewiger Baches (Abb. 3) werden
Unterdevonische Schiefer („Hunsrücker Schiefer“), die überwiegend als Tonschie-
fer ausgebildet sind, angetroffen (Meyer, 1986). Die direkte Umgebung des Ba-
ches ist aus Talalluvionen aufgebaut, die Talflanken werden von den Schiefern
gebildet. In den höheren Lagen sind die Ablagerungen der Hauptterrassen der
Mosel anzutreffen. Diese Schotterablagerungen (HÖT bis NT, Abb. 3) sind
petrografisch nicht differenzierbar, allerdings klar gegenüber den Schottern der
Nebenflüsse abzugrenzen (Negendank, 1974).
Abb. 3: Detailkarte Geologie mit markiertem Untersuchungsgebiet (nach Negendank, 1974)
Der Zusammenhang zwischen Geologie und Landnutzung bzw. Vegetation ist
östlich von Trier deutlich sichtbar: Die Quarzitrücken sind fast durchgängig bewal-
det, wohingegen die Schieferflächen offene Acker- und Grünflächen darstellen.
Die von Quarzitschutt durchsetzten Braunerdeböden der Hochflächen gestatten
dort eine extensive Landwirtschaft (Werle, 1978).
4

2 Grundlagen
Für das Untersuchungsgebiet relevante Grundwasserleiter (GWL) sind in den
unterdevonischen Schiefern und Quarziten ausgebildet. Dabei stellen die Schiefer
eher schlechte GWL dar. Die aus ihnen gespeisten Quellen habe eine geringe und
unregelmäßige Schüttung. Günstigere Grundwasservorkommen sind im Verbrei-
tungsgebiet der teils mächtigen Quarzite anzutreffen, jedoch haben diese eher
lokale Bedeutung (Jätzold, 1984).
Für die Trierer Bucht wird eine Grundwasserneubildung von 150 mm/a angegeben
(Hölting, 2005).
5

2 Grundlagen
2.3 Klima des Untersuchungsgebietes
Insgesamt weist die Region um Trier relativ hohe Niederschläge auf, es muss
jedoch räumlich differenziert werden. Am Hochwaldrand des Hunsrück im Südos-
ten beträgt der jährliche Niederschlag rund 1000 mm und nimmt in Richtung
Moseltal auf rund 750 mm/a ab. (Werle, 1978).
Niederschlag [mm]
1200
1000
800
600
400
200
0
1991
1992
Jahreswerte Niederschlag 1991-2007
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
Abb. 4: Jahresniederschläge der Wetterstation „Trier-Petrisberg“
von 1991 bis 2007 (Datengrundlage: DWD)
Die Wetterstation „Trier-Petrisberg“ des Deutschen Wetterdienstes (DWD) liefert
die genauen Daten für das Untersuchungsgebiet. Das Niederschlagsmittel der
Jahre 1991 bis 2007 beträgt 774 mm/a, wobei die Spanne von 513 mm/a (1996)
bis 1034 mm/a (2000) reicht (Abb. 4). Der durchschnittliche Jahresniederschlag
dieser 17 Jahre deckt sich somit mit den Daten von Werle aus den 70er Jahren
(siehe oben).
6

2 Grundlagen
Bei der Betrachtung der Monatsmittel der Jahre 1991 bis 2007 (Abb. 5) fällt auf,
dass die Niederschläge ganzjährig relativ hoch sind: Der geringste Niederschlag
beträgt 49 mm im April und der höchste 81 mm im Juli, es gibt keine ausgeprägte
Trockenperiode.
Die höchsten Temperaturen im monatlichen Mittel der Jahre 1991 bis 2007 betra-
gen rund 19° C in den Monaten Juli und August. Mit ca. 2° C sind die Monatsmittel
im Januar und Dezember am niedrigsten Abb. 5.
Niederschlag [mm]
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Januar
Februar
April
Mai
Juni
Juli
August
September
Oktober
Monatsmittel der Niederschläge 1991-2007
Monatsmittel der Temperatur 1991-2007
November
Dezember
Abb. 5: Monatsmittel der Niederschläge und der Temperatur der Wetterstation
„Trier-Petrisberg“ von 1991 bis 2007 (Datengrundlage: DWD)
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Temperatur [°C]
7

2 Grundlagen
2.4 Hochwasserwellen und Grundwasser
2.4.1 Dynamik von Hochwasserwellen
Lighthill & Whitham stellten 1955 die kinematische Wellentheorie auf. Demnach
existieren kinematische Wellen, wenn es einen funktionellen Zusammenhang
zwischen Abfluss, Konzentration und Ort gibt. Daher wird die kinematische Wel-
lentheorie mathematisch durch das Gesetz der Massenerhaltung in Form der
Kontinuitätsgleichung und einer Abfluss-Konzentrations-Beziehung ausgedrückt.
Anhand ihrer Theorie beschrieben Lighthill & Whitham (1955) Flutbewegungen in
Gewässern; allerdings nur für große Flüsse. Diese Ansicht hält sich teilweise bis
heute: Es wird davon ausgegangen, dass kinematische Wellen während Hoch-
wasserereignissen in kleineren Gewässern keine Rolle spielen. Als Konsequenz
der Funktion einer Hochwasserwelle als kinematische Welle besteht eine Verzö-
gerung zwischen der Änderung des Abflusses und der Änderung der chemischen
Zusammensetzung des Wassers: Die Druckwelle ist deutlich schneller als das
„frische“ Wasser, das den zusätzlichen Abfluss zur Folge hat.
Neuere Forschungen zeigen jedoch, dass kinematische Wellen auch in kleineren
Gewässern auftreten. De Sutter & Krein (2001) wiesen in Versuchen mit künstli-
chen Hochwasserwellen im Olewiger Bach (Rheinland-Pfalz) nach, dass aufgrund
von kinematischen Wellen signifikante Zeitverzögerungen zwischen dem Anstieg
des Pegels im Gewässer und der Ankunft des Flutwassers bestehen. Das Ein-
zugsgebiet des Olewiger Bach beträgt rund 35 km². Ihre Ergebnisse fielen sehr
deutlich aus, da die elektrische Leitfähigkeit des Hochwassers signifikant von der
des Bachwassers abweicht. Die Ergebnisse zeigten, dass eine große Menge
„alten Wassers“ vor der Welle hergeschoben wurde und so den steigenden Was-
serstand im Bach verursachte.
Es besteht nachweislich ein direkter Zusammenhang zwischen der Menge des
Hochwassers und der beschriebenen Zeitverzögerung von Druckwelle und eigent-
lichem Hochwasser (De Sutter & Krein, 2001): Größere Hochwasser mit höheren
Wellengeschwindigkeiten bewirken geringere Zeitverzögerungen als kleinere
Hochwasser. Entsprechend wirkt sich ein erhöhter Basisabfluss aus: Auch dieser
8

2 Grundlagen
bewirkt eine Verringerung der zeitlichen Verzögerung von Pegelanstieg und
Eintreffen des zusätzlichen Wassers im Olewiger Bach.
Nolan & Hill (1990) setzten ihren Fokus zwar mehr auf die Herkunft des Hochwas-
sers („neues“ Regenwasser oder „altes“ Grund- bzw. Bachwasser), beleuchteten
aber auch die Thematik der kinematischen Wellen. Zu diesem Zweck analysierten
sie Niederschlags-/Abflussereignisse im Permanente Creek in Kalifornien, USA.
Das Einzugsgebiet dieses Baches beträgt 10,6 km² und stellt damit ebenfalls ein
Beispiel für ein kleines Gewässer dar. Mit ihren Ergebnissen wiesen Nolan und Hill
(1990) die Verzögerung von Druckwelle und „neuem“ Wasser über die elektrische
Leitfähigkeit nach. Auch stellten sie fest, dass die Druckwelle zwischen zwei
Messpunkten schneller ist, als die Fließgeschwindigkeit des Baches. Daraus
schlossen sie, dass eine kinematische Welle mit einer ca. 1,7 Mal höheren Ge-
schwindigkeit als das normal fließende Wasser im Bach beobachtet wurde.
In der Abflussberechnung für Abwasserkanäle in städtischen Abwassersystemen
findet die kinematische Wellentheorie ebenfalls Verwendung (Singh, 2002).
Allerdings sind die oben beschriebenen Effekte der kinematischen Wellentheorie
nach wie vor umstritten. So stellte Kirchner (2003) zwar ebenfalls fest, dass eine
direkte Reaktion der Abflüsse auf Regenereignisse und eine gedämpfte Reaktion
von Tracern (in dieser Publikation Chlorid) besteht. Kirchner (2003) nannte mehre-
re in den letzten Jahren verfolgte Lösungsansätze (Piston Flow, kinematische
Wellen, Transmissivity Feedback, Austausch zwischen Matrix und Makroporen,
etc.), machte aber gleichzeitig deutlich, dass kein Ansatz eine zufriedenstellende
Erklärung der beobachteten Effekte liefert. Daher formulierte er als Ziel der dies-
bezüglichen Forschung das Auffinden einer einheitlichen Theorie.
2.4.2 Hyporheische Zone
Der Begriff der hyporheischen Zone wurde von Orghidan (1959) geprägt. Er
beschrieb damit den Bereich unter und neben dem Flussbett, in dem sich Grund-
wasser und Oberflächenwasser mischen. Die Dynamik und das Verhalten der
Wasserströmung in diesem Bereich wird als wichtig für die Interaktion von Ober-
flächenwasser und Grundwasser angesehen und ist daher Gegenstand derzeitiger
Forschungen.
9

2 Grundlagen
Die hyporheische Zone unterliegt einer verstärkten biogeochemischen Aktivität
(Sophocleous, 2002). Unterirdischer Austausch von Wasser beeinflusst hier in
hohem Maße die Art und die Rate der stofflichen Veränderungen des Oberflä-
chengewässers. Den Ort des Austausches von Grundwasser und Oberflächen-
wasser in Form von Wasser, gelösten Stoffen und Energie sieht er im flussbettna-
hen Bereich und direkt im Flussbett.
Abb. 6: Hyporheische Zone (Sophocleous, 2002)
Traditionell wird die Schnittstelle zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser
von Hydrogeologen und Hydrologen allerdings aus ihrer jeweiligen Perspektive
betrachtet. Ziel von Kalbus et al. (2006) war es daher, das System Fluss-
Grundwasserleiter als Ganzes zu betrachten. In ihrer Arbeit gaben sie einen
Überblick über die aktuell gängigen Verfahren, um die Interaktion von Grund- und
Oberflächenwasser zu messen:
Für die direkte Messung des Wasserflusses vom Grundwasser in den Vorfluter
können einfache Versickerungsmesser verwendet werden, die im Sediment
vergraben werden. Aufgrund der Gleichförmigkeit der Temperatur des Grundwas-
sers im Vergleich zu der stark schwankenden des Vorfluters stellt die Temperatur
einen ebenso aussagekräftigen wie einfach zu messenden Parameter dar. Auf
Basis des Gesetzes von Darcy bieten sich zahlreiche bekannte Verfahren an:
Messung des hydraulischen Gradienten, Bestimmung des Durchlässigkeitsbeiwer-
tes (Korngrößenanalysen, Permeametertests, Slug & Bail Versuche, Pumpversu-
che), Tracertests zur Ermittlung der Fließgeschwindigkeit im Grundwasser oder
Bestimmung der Porosität. Auch über die Massenbilanz und die damit verbundene
10

2 Grundlagen
Annahme, dass jeder Verlust bzw. Zufluss und jede Änderung der Eigenschaften
des Vorfluters auf den Einfluss des Grundwassers zurückgeführt werden kann, ist
eine Abschätzung des Einflusses des Grundwassers möglich. Eine Möglichkeit
besteht in der Bestimmung des Abflusses im Vorfluter an aufeinanderfolgenden
Messpunkten und der Aufteilung der Abflussganglinie (Basisabfluss, etc.) durch
direkte Messungen oder durch den Einsatz von stabilen Isotopen bzw. geochemi-
schen Tracern. Als letztes großes Feld der Untersuchung der Übergangszone
nennen Kalbus et al. (2006) Methoden zur Bestimmung von Kontaminationskon-
zentrationen. Hier führen sie die Beprobung von Grundwassermessstellen, den
Einsatz von Passivsammlern, die Durchführung von integralen Pumpversuchen,
die Untersuchung von Schöpfproben aus dem Vorfluter und die Analyse des
Wassers aus den oben genannten Versickerungsmessern an.
Winter (1999) machte deutlich, dass die Interaktion von Oberflächen- und Grund-
wasser von der Position der Wasserkörper bezüglich der Grundwasserströmungs-
systeme, der geologischen Beschaffenheit und den klimatischen Bedingungen
abhängig ist. Untersuchungen entlang des Cache Rivers in Arkansas (USA)
zeigten, dass Überflutungen der Sumpflandschaften zur Ausbildung von komple-
xen Strömungssystemen in der Grenzschicht zwischen Fluss und Grundwasserlei-
ter führen. Im Untersuchungsgebiet strömt Grundwasser aus dem unterlagernden
Grundwasserleiter permanent aufwärts. Während saisonaler Hochwasser bewegt
sich hingegen Wasser abwärts in die Grenzschicht. Die Strömungsverhältnisse in
der hyporheischen Zone unterliegen folglich starken Schwankungen.
Woessner (2000) beschrieb die Ausbildung von hyporheischen Zonen in der
Flussebene modellhaft. Er erläuterte die Abhängigkeit der Ausdehnung dieser
Zonen von Wasserständen und –Fließrichtungen, Strömungshydraulik und Ausbil-
dung des Flussbettes. Abb. 7 zeigt seine Vorstellung der Grundwasserströmung.
Hervorgehoben sind Bereiche des Flussbettes, denen Grundwasser zuströmt bzw.
die Wasser ins Grundwasser abgeben. Auch definierte er Abschnitte, die vom
Grundwasser durchflossen werden (Mäander senkrecht zur Strömung) und sol-
che, in denen das Grundwasser parallel zum Fluss strömt.
11

2 Grundlagen
Abb. 7: Grundwasserströmung in der Flussebene (Woessner, 2000)
Zusätzlich zu diesen großräumigen Effekten können die Topografie des Flussbet-
tes und der damit verbundene Wasseraustausch mit dem Grundwasser zu einer
Ausbildung von lokalen Fließsystemen führen (Woessner, 2000). Allerdings
merkte er an, dass diese kleinmaßstäblichen Systeme durch Beobachtungspegel
unter Umständen nicht immer erfassbar sind.
Larkin & Sharp (1992) kamen aufgrund der Analyse geomorphologischer und
hydraulischer Daten von 24 alluvialen Systemen sowie Ergebnissen von Simulati-
onen zu dem Schluss, dass die Annahme, dass Grundwasser dem Fluss stets
direkt zufließt, nur für die unmittelbare Umgebung des Flusses zutrifft. Vielmehr ist
der Grundwasserfluss in alluvialen Tälern von flussparallelen („underflow“) und
Strömungen senkrecht zum Fluss („baseflow“) geprägt. Sie verwendeten diese
zwei Strömungskomponenten um Flusssysteme zu klassifizieren. In ihrer Arbeit
kamen sie zu dem Ergebnis, dass sich die dominante Strömungskomponente aus
geomorphologischen Daten ableiten lässt. Dazu zählen die Hangneigung, die
Sinuosität, der Grad des Einschnittes des Flusses ins Alluvial, das Breite-zu-Tiefe-
Verhältnis und das Ablagerungssystem. Dabei überwiegt die parallele Strömung
bei großem Gefälle (>0,0008), kleiner Sinuosität (

2 Grundlagen
load“. Allerdings kann die parallele Komponente auch in „flood plains“ mit vernach-
lässigbarem Gefälle dominieren.
Langhoff et al. (2006) untersuchten den Karup, einen Alluvial-Fluss in Zentral-
Jütland in Dänemark. Mittels der Messung der Aussickerung von Grundwasser in
den Fluss im Flussbett und in der Flussböschung überprüften sie, auf welchem
Weg das Wasser bevorzugt in den Fluss gelangt. Aufgrund ihrer Ergebnisse
entwarfen sie zwei Modelle: Gemäß dem ersten Modell gelangte nahezu sämtli-
ches Sickerwasser über das Flussbett in das Gewässer. Die Ergebnisse ließen
aber auch ein zweites Modell zu. Demnach gelangte ein großer Anteil als oberflä-
chennaher Abfluss über die Uferzone und der Rest unterirdisch über das Flussbett
in den Vorfluter. In keinem Fall ließen ihre Ergebnisse aber darauf schließen, dass
Grundwasser ausschließlich horizontal über die Uferzone in den Fluss gelangte.
2.4.3 Einfluss von Hochwasser auf das Grundwasser
Wett et al. (2002) untersuchten in der Enns (Österreich), wie sich die Uferfiltration
unter Einfluss eines Hochwassers verhält. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass der
Anteil von Uferfiltrat in der untersuchten GWM direkt nach dem Hochwasser
signifikant abnahm. Sie gaben zwei mögliche Ursachen dafür an: Einen Anstieg
des Grundwasserspiegels infolge Niederschlags und damit verbundenem erhöh-
ten Abfluss oder einen angestiegenen Grundwasserspiegel verbunden mit einem
absinkenden Wasserspiegel im Fluss nach dem Hochwasser. Aus beiden Varian-
ten resultiert ein geringeres hydraulisches Gefälle zwischen Fluss und Grundwas-
ser sowie eine reduzierte Sickerrate (ca. 50 % des Durchschnittswertes).
Sophocleous (1991) untersuchte die Ausbreitung von Hochwasserwellen im Great
Bend Prairie Grundwasserleiter in Kansas, USA. Er stellte die Hypothese auf,
dass sich bei jedem Hochwasser eine Druckwelle rasch entlang von Paläokanälen
mit einer hohen Transmissivität ausbreitet. Belegt wurde dies durch Piezometer-
messungen in entsprechenden Bereichen: Die Wasserspiegel in den Messstellen
stiegen infolge der Druckwelle schnell an, der Abfall erfolgte relativ langsam.
Aufgrund einer großflächig auftretenden Tonschicht verhält sich der Grundwasser-
leiter (GWL) wie ein gespannter GWL. Dies führt dazu, dass Druckwellen sich in
den Paläokanälen schnell und über große Distanzen (bis zu mehrere 10er Kilome-
ter vom Fluss entfernt) ausbreiten können. Außerhalb dieser gut leitenden Regio-
13

2 Grundlagen
nen ist die Ausbreitung der Hochwasserwelle deutlich kleiner. Mit Hilfe von Model-
lierungen bestätigte er die im Feld gewonnenen Daten.
Butturini et al. (2002) beschrieben anhand eines typischen mediterranen intermit-
tierenden Flusses den Einfluss der Ufer- und der hyporheischen Zone auf die
Interaktion von Vorfluter und Grundwasser. Sie beobachteten auf einer Untersu-
chungsfläche parallel zum Fluss, wie sich die Piezometerhöhen über einen länge-
ren Zeitraum verhalten. Eines ihrer Ergebnisse war der Nachweis der Verschie-
bung der Mischungszone von Flusswasser und Grundwasser in Abhängigkeit der
klimatischen Bedingungen. Abb. 8 zeigt diese Verschiebung: Im oberen Teil ist die
„Mischungslinie“ infolge eines erhöhten Abflusses im Fluss mehrere Meter vom
Ufer entfernt zu sehen, es herrschen influente Strömungsverhältnisse. Während
trockener Perioden verschieben sich die Grundwassergleichen, die Mischungszo-
ne rückt direkt ans Ufer vor, und es liegen nunmehr effluente Strömungsbedin-
gungen vor.
Abb. 8: Verschiebung der Mischungszone Grundwasser/Vorfluter (Butturini et al., 2002)
14

2 Grundlagen
Laut Wondzell & Swanson (1999) können Standrohrspiegeländerungen im Fluss
sowohl die vertikale als auch die horizontale Ausdehnung der hyporheischen Zone
beeinflussen. Aufgrund der weiträumigen lateralen Ausbreitung des Anstieges in
der Überflutungsebene werden Wasserstände und Fließwege im Grundwasser
verändert. Ob die hyporheische Zone dabei verkleinert oder vergrößert wird, hängt
von der Beschaffenheit des Flussbettes und des Grundwasserleiters im entspre-
chenden Abschnitt des Flusses ab.
Aus den oben beschriebenen Arbeiten ergibt sich die Motivation dieser Diplomar-
beit: Lag der Schwerpunkt der bisherigen Forschungen mehr auf der Hydraulik mit
einer gröberen räumlichen Auflösung, so ist das Ziel dieser Arbeit, den Einfluss
von Hochwasser auf das Grundwasser und damit auf die hyporheische Zone
kleinräumig zu untersuchen. Daher wird der Fokus auf einen schmalen Uferbe-
reich (zwei Meter) direkt am Bach gelegt, in dem die Reaktionen von Temperatur,
Hydraulik und chemischer Zusammensetzung im Grundwasser auf ein Hochwas-
serereignis untersucht werden.
15

3 Vorbereitende Arbeiten
3 Vorbereitende Arbeiten
3.1 Installation der Grundwassermessstellen
3.1.1 Standortwahl für Grundwassermessstellen
Die Wahl des Standortes (Kapitel 2.1) fiel auf einen Abschnitt des Olewiger Ba-
ches bei Olewig (Stadtteil von Trier), da hier geringe Flurabstände und ein gerin-
ges Gefälle des Druckspiegels vom Grundwasser zum Bach erwartet wurden.
Dies war sowohl für den Bau der Grundwassermessstellen als auch für den
späteren Versuch günstig.
Abb. 9: Lage der Sondierungsbohrungen
Allerdings waren die genauen Verhältnisse im Untergrund der Aue weitgehend
unbekannt, so dass zunächst an mehreren Punkten (SE01 – SE10, SE = Sondie-
rung Eijkelkamp) längs des Baches Sondierungen mit einem Eijkelkamp-
Drillbohrer vorgenommen wurden (Abb. 9). Aufgrund des vorgesehenen Abstan-
des der Grundwassermessstellen von maximal zwei Metern vom Bachufer wurden
jeweils Bohrungen im Abstand von ein und zwei Metern vom Bachufer entfernt
16

3 Vorbereitende Arbeiten
vorgenommen. Dabei wurden insgesamt zehn Bohrungen bis maximal zwei Meter
Endteufe durchgeführt. Angetroffen wurde stets eine Schicht Auelehm (30 - 40 cm
mächtig), gefolgt von teilweise stark tonigem Kiesschotter (bis zur Endteufe bei
zwei Meter unter GOK).
Die Festlegung der Teufenlagen der angetroffenen Schichten und deren Anspra-
che mit dieser Bohrmethode hatten nur orientierenden Charakter. Erst die Anspra-
che während des darauf folgenden Bohrvorganges mittels Sonde und Wacker-
hammer lieferte präzise Informationen über Teufe und genaue Abgrenzung bzw.
Zusammensetzung der Schichten.
Die Wahl für den Bau der Grundwassermessstellen fiel auf die Transsekte durch
die Bohrpunkte SE09 und SE10, weil an dieser Stelle der Untergrund aufgrund
seiner Beschaffenheit (am leichtesten zu bohren, Bohrplatz standfest, Festigkeit
des Bachufers) als am besten geeignet für den Versuch angesehen wurde. Auch
war hier durch den oberhalb geradlinigen Verlauf des Baches zu erwarten, dass
die Hochwasserwelle senkrecht vom Bach weg ins Grundwasser drückt und das
zusätzliche Wasser im Bach nicht parallel zum Ufer strömt oder anderen Fließwe-
gen folgt, was bei einem Mäander der Fall hätte sein können.
3.1.2 Bau der Grundwassermessstellen
Nachdem der Standort für die Grundwassermessstellen (GWM) festgelegt wurde,
wurden vier GWM im Abstand von 0,3, 0,7, 1,0 und 2,0 m vom Bachufer installiert
(Abb. 10). Die dazu notwendigen Rammkernsondierungen wurden mittels Wa-
ckerhammer und einer 80-mm-Sonde abgeteuft. Genaue Bohrprofile und Ausbau-
zeichnungen der GWM TU_01, TU_02, TU_03 und TU_04 (TU = Technische
Universität) finden sich in Anlage 1. Aus den Bohrprofilen wurde mittels GeODin
ein Profilschnitt durch die vier GWM konstruiert (Abb. 11).
Deutlich zu erkennen ist die durchgehend auflagernde Auelehmschicht mit einer
Mächtigkeit von ca. 40 cm. Darunter folgt bei den GWM TU_01 bis TU_03 (0,3 bis
1,0 m Abstand vom Bachufer) zunächst eine von Kies und Schieferbruch aufge-
baute Schicht (40 - 90 cm mächtig), die als Bachablagerung zu beschreiben ist
und somit den ehemaligen Verlauf des Bachbetts anzeigt. Im Liegenden folgt eine
Gleyschicht mit einer Mächtigkeit von 65 - 85 cm. Am jeweils tiefsten erbohrten
17

3 Vorbereitende Arbeiten
Punkt wird wiederum eine Schicht angetroffen, die aus Kies und Schieferbruch
aufgebaut ist und der ersten, als Bachablagerung beschriebenen, ähnelt.
Bei der GWM TU_04 fehlt die erste Kies und Schieferbruch-Schicht, hier folgt auf
den Auelehm direkt der Gley. Bei einer Tiefe von 1,5 m unter Geländeoberkante
(GOK) wird aber eine Kies und Schieferbruch-Schicht erbohrt. Dem Schnitt ist zu
entnehmen, dass diese Schicht nicht an die erste Kies und Schieferbruch-Schicht
angebunden ist, die in den GWM TU_01 bis TU_03 angetroffen wird. Somit sind
auch abweichende hydraulische und chemische Eigenschaften zu erwarten.
Der Ausbau der GWM erfolgte stets mit einem Meter Filterrohr zuunterst und
einem Meter Vollrohr darüber, den Abschluss bildet eine SEBA-Kappe. Aufgrund
der oben beschriebenen Gegebenheiten sind die GWM TU_01 bis TU_03 in der
ersten Kies und Schieferbruch-Schicht und die GWM TU_04 in der zweiten Kies-
und Schieferbruch-Schicht verfiltert (Abb. 11).
Abb. 10: GWM und Temperaturmesseinrichtungen nach Einbau (Foto: Banzhaf)
18

3 Vorbereitende Arbeiten
Abb. 11: Profilschnitt durch die GWM TU_01 bis TU_04 (erstellt mit GeODin)
19

3 Vorbereitende Arbeiten
3.2 Temperaturmessung im Grundwasser
Zusätzlich zur chemischen Beschaffenheit des Grundwassers und den Druckspie-
geln der GWM sollte über einen längeren Zeitraum im Vorfeld und während des
Versuches mit der künstlichen Hochwasserwelle die Temperatur im Grundwasser
gemessen werden. Dabei kam eine Eigenkonstruktion zum Einsatz, die in dieser
Form erstmalig verwendet und getestet wurde. Konstruktion und Einbau dieser
Temperaturlogger-Einheiten werden im Folgenden beschrieben.
3.2.1 Konstruktion der Messeinrichtungen
Für die Messung der Grundwassertemperatur wurden Temperaturlogger (TL) der
Firma 3M verwendet (Abb. 12). Diese sind ursprünglich für die Überwachung von
Kühlketten im Transport- und Lebensmittelsektor entwickelt worden und daher
weder wasserdicht noch gegen gröbere mechanische Beanspruchung geschützt.
Die genauen technischen Spezifikationen finden sich in Anlage 2.
Abb. 12: Temperaturlogger TL20 von 3M (3M Homepage, 2008)
Daher war es nötig die Temperaturlogger entsprechend zu schützen, um eine
dauerhafte Funktion für den geplanten Einsatz zu gewährleisten. Zu diesem
Zweck wurden die Geräte zunächst mittels eines Vakuumiergerätes in Folie
20

3 Vorbereitende Arbeiten
eingeschweißt um sie gegen Feuchtigkeit zu schützen. Für den Einbau ins
Grundwasser und den Schutz der Geräte durch mechanische Beschädigung
wurden Zaunpfähle verwendet. In diese angespitzten Pfähle wurde etwas ober-
halb der Spitze ein Spalt gesägt, in den die Temperaturlogger gesteckt wurden.
Anschließend wurde der Spalt von beiden Seiten mit einem Lochband aus Metall
verschlossen (Abb. 13). Durch diese Konstruktion waren die Temperaturlogger
einerseits gegen Beschädigung geschützt und andererseits war eine Strömung
des Grundwassers durch die Messeinheit gewährleistet.
Abb. 13: Einbau Temperaturlogger in Zaunpfahl (Foto: Banzhaf)
3.2.2 Einbau der Messeinrichtungen
Insgesamt wurden neun Messeinrichtungen wie im vorigen Kapitel beschrieben
angefertigt. Diese wurden parallel zu den Grundwassermessstellen (Kapitel 3.1.2)
im Grundwasser installiert. Dazu wurden mittels eines Eijkelkamp-Drillbohrers vom
Bachufer bis zu einer Entfernung von ca. 1,8 Metern Bohrungen im Abstand von je
ca. 20 cm vorgenommen (Tabelle 1). In diese wurden die Messeinrichtungen
eingebracht und der offene Ringraum mit Sediment aufgefüllt. Die Anordnung und
Tiefenlage der Temperaturmesseinrichtungen ist Abb. 14 zu entnehmen.
Tabelle 1: Einbaudaten der Temperaturlogger
Logger TL_02 TL_03 TL_04 TL_05 TL_06 TL_07 TL_08 TL_09 TL_10
Entfernung Bach [m] 0,15 0,35 0,55 0,75 0,95 1,15 1,35 1,55 1,75
Einbau unter GOK [m] 0,60 0,40 0,43 0,44 0,44 0,39 0,68 0,62 0,72
21

3 Vorbereitende Arbeiten
Abb. 14: Profilschnitt mit Lage der Messeinrichtungen (erstellt mit GeODin)
22

3 Vorbereitende Arbeiten
3.3 Erste Probennahme Olewiger Bach und GWM
3.3.1 Durchführung
Nach der Installation der Grundwassermessstellen wurde am 20.03.2008 eine
Probennahme im Olewiger Bach und in den vier GWM TU_01, TU_02, TU_03 und
TU_04 vorgenommen. Die so gewonnenen Werte dienten als Referenz, so dass
später gemessene Werte damit verglichen werden konnten. Auch sollte mit dieser
ersten Probennahme ermittelt werden, welche Inhaltsstoffe für den Nachweis
eines Einflusses der Hochwasserwelle und damit verbundenem Stofftransport ins
Grundwasser in Frage kommen: Nur Stoffe, bei denen eine ausreichend große
Differenz in der Konzentration zwischen Olewiger Bach und Grundwasser vorliegt,
sind dafür geeignet.
Bei der Probennahme wurden Schnelltests der Firma Merck für die Analyse vor
Ort verwendet: 1x Merck Carbonathärte-Test (1.08048.0001) und 1x Merck Ge-
samthärte-Test (1.08039.0001). Für die Filtration wurden eine 50 ml Spritze mit
Filteraufsatz und Whatman OE 67 Membranfilter (Celluloseacetat) Ø 25 mm, 0,45
µm verwendet. Die Konservierung der Proben erfolgte mit HNO3 und TTE.
Zur Förderung aus den GWM diente eine MP1-Pumpe der Firma Grundfos samt
dazugehörigem Frequenzwandler. Die Stromversorgung lieferte ein Honda Gene-
rator.
Sämtliche verwendeten Messsonden stammten von der Firma WTW: 1x Oxi 340i-
Gerät (Nr. 29) und 1x CellOx 325-Sonde Nr. 07300099, 1x Cond 340i-Gerät (Nr.
28) und 1x TetraCon 325-Sonde Nr. 05230470, 1x pH 340i-Gerät (Nr. 27) und 1x
SenTix 41-Sonde Nr. A051712026 sowie 1x pH 340i-Gerät (Nr. 14) und 1x SenTix
ORP-Sonde Nr. B044409088.
23

3 Vorbereitende Arbeiten
3.3.2 Ergebnisse Vor-Ort-Parameter und Laboranalysen
In Tabelle 2 finden sich die Werte der Vor-Ort-Parameter sowie die Ergebnisse der
Laboranalysen der ersten Probennahme.
Tabelle 2: Ergebnisse Probennahme 20.03.2008
Olewiger Bach TU_01 TU_02 TU_03 TU_04
pH-Wert 7,2 7,0 6,8 6,9 6,7
Eh [mV] 94 70 82 81 83
O2 [mg/l] 4,6 1,4 4,2 1,6 1,6
Lf [µS/cm] 186 321 318 416 339
T [°C] 6,6 6,7 6,8 6,9 7,7
GH [°dH] 5,2 6,2 7,2 9,2 8,0
GH [mmol/l] 1,0 1,1 1,3 1,7 1,4
CH [°dH] 1,9 4,2 4,0 6,0 5,4
CH [mmol/l] 0,6 1,5 1,4 2,2 1,9
Cl [mg/l] 17,2 37,8 37,3 29,5 28,9
NO3 [mg/l] 20,1 6,93 5,91 5,96 9,33
SO4 [mg/l] 20,1 19,3 19,1 22,7 19,4
PO4 [mg/l] u.B. u.B. u.B. u.B. u.B.
Br [mg/l] u.B. u.B. u.B. u.B. u.B.
F [mg/l] u.B. u.B. u.B. u.B. u.B.
Ca [mg/l] 12,7 27,9 21,8 41,1 31,9
Mg [mg/l] 6,04 13,7 12,0 13,1 13,5
Na [mg/l] 7,48 16,7 16,2 17,0 16,9
K [mg/l] 1,93 1,42 1,11 1,32 1,10
Fe [mg/l] u.B. 0,08 0,06 0,06 0,05
Mn [mg/l] 0,02 0,01 0,01 0,63 0,28
u.B. = unter Bestimmungsgrenze
24

3 Vorbereitende Arbeiten
Der pH-Wert liegt zwischen 6,7 und 7,2, wobei er im Bach am höchsten ist. Die
Spannweite des Redoxpotentials reicht von 70 bis 94 mV, das höchste Redoxpo-
tential und der höchste Sauerstoffgehalt (4,6 mg/l) liegen im Olewiger Bach vor. In
den GWM liegt der Sauerstoffgehalt deutlich unter 2 mg/l. Der Sauerstoffgehalt
von 4,2 mg/l bei TU_02 ist auf ein Trockenfallen der Sonde bei der Probennahme
zurückzuführen und spiegelt nicht den wahren Gehalt im Grundwasser wider.
Die elektrische Leitfähigkeit ist im Bach (186 µS/cm) deutlich niedriger als in den
GWM (318 – 416 µS/cm). Auch die Härten sind im Bach deutlich niedriger als in
den GWM: Die Carbonathärte beträgt in den Messstellen 4 – 6 °dH und im Bach
1,9 °dH. Bei der Gesamthärte fällt die Spannweite nicht ganz so groß aus: Im
Bach beträgt sie 5,2 °dH und in den GWM 6,2 – 9,2 °dH.
Die Temperatur weist einen kontinuierlichen Anstieg vom Bach ins Grundwasser
auf: Beträgt sie im Bach noch 6,6 °C, so steigt sie über 6,7 °C (TU_01), 6,8 °C
(TU_02), 6,9 °C (TU_03) bis auf 7,7 °C in der GWM TU_04 an.
Chlorid ist im Grundwasser erhöht (28,9 – 37,8 mg/l), im Bach beträgt die Kon-
zentration lediglich 17,2 mg/l. Der Nitratgehalt ist mit 20,1 mg/l deutlich höher als
in den GWM (5,91 – 9,33 mg/l). Bei Sulfat ist keinerlei Tendenz zu beobachten,
die Werte streuen zwischen 19,1 und 22,7 mg/l. Phosphat, Bromid und Fluorid
liegen überall unter der Bestimmungsgrenze.
Für Calcium, Magnesium und Natrium gilt, dass die Werte im Bach deutlich niedri-
ger sind als in den GWM und die Werte in den GWM relativ homogen. Die Calci-
umgehalte liegen im Bach bei 12,7 mg/l und in den Messstellen bei 21,8 bis 41,1
mg/l, wobei der Wert für TU_03 sehr hoch erscheint. Magnesium ist im Bach mit
6,04 mg/l und in den GWM mit 12,0 bis 13,7 mg/l vertreten. Bei Natrium beträgt
die Konzentration im Bach 7,48 mg/l und in den Messstellen 16,2 bis 17,0 mg/l.
Kalium wird im Bach mit 1,93 mg/l und in den GWM 1,10 bis 1,42 mg/l analysiert,
ein Trend ist hier kaum festzustellen. Eisen liegt im Bach unter der Bestimmungs-
grenze. In den GWM werden Gehalte von 0,05 – 0,08 mg/l gemessen. Die Man-
gangehalte sind ebenfalls sehr niedrig: Im Bach 0,02 mg/l, in TU_01 und TU_02
0,01 mg/l, in TU_03 0,63 mg/l und in TU_04 0,28 mg/l.
25

3 Vorbereitende Arbeiten
Tabelle 3: Fehlerbetrachtung der Analysen
Olewiger Bach TU_01 TU_02 TU_03 TU_04
Ionenfehler [%] -19,4 +6,4 -4,5 +8,7 +6,2
Lf [µS/cm] 186 321 318 416 339
Abschätzung Lf /100 1,86 3,21 3,18 4,16 3,39
Anionengehalt [meq/l] 1,83 3,08 2,95 3,60 3,27
Abweichung Anionen [%] -1,7 -4,1 -7,4 -13,5 -3,6
Kationengehalt [meq/l] 1,50 3,28 2,82 3,93 3,48
Abweichung Kationen [%] -19,1 +2,2 -11,5 -5,6 +2,6
Die Fehler der Ionenbilanzen sind relativ hoch (Tabelle 3): Sie reichen von 4,5 %
(TU_02) bis 19,4 % (Olewiger Bach). Allerdings sind die Ionenfehler der GWM-
Analysen mit weniger als 9 % noch in einer vertretbaren Größenordnung.
Schätzt man den Lösungsinhalt an Anionen und Kationen (in meq/l) aus der
elektrischen Leitfähigkeit ab, so ergeben sich sehr unterschiedlich hohe Abwei-
chungen: Die Abweichungen bei den Anionen reicht von 1,7 % (Olewiger Bach)
bis 13,5 % (TU_03). Die tatsächlich analysierten Werte sind stets kleiner als die
aus der Leitfähigkeit abgeschätzten.
Die Abweichungen bei den Kationen reichen von 2,2 % (TU_01) bis 19,1 %
(Olewiger Bach). Hier sind die analysierten Werte teilweise größer und teilweise
kleiner als die aus der elektrischen Leitfähigkeit abgeschätzten.
Markant sind die stark voneinander abweichenden Fehler von Anionen und Katio-
nen bei den Analysen des Olewiger Bachs: Der hohe Ionenfehler von 19,4 % ist
offensichtlich auf einen zu niedrig analysierten Kationengehalt zurück zu führen.
26

3 Vorbereitende Arbeiten
3.3.3 Festlegung der Indikatorparameter
Auf Basis der Ergebnisse der ersten Probennahme im Olewiger Bach und den vier
GWM (vorheriges Kapitel) werden im Folgenden die Parameter festgelegt, anhand
derer ein Einfluss der Hochwasserwelle im Grundwasser nachgewiesen werden
soll. Dabei erscheinen die in Tabelle 4 dargestellten Parameter als geeignet.
Tabelle 4: Indikatorparameter Olewiger Bach und GWM
NO3 [mg/l] Ca [mg/l] Mg [mg/l] Na [mg/l] Cl [mg/l]
Olewiger Bach 20,1 12,7 6,04 7,48 17,2
TU_01 6,93 27,9 13,7 16,7 37,8
TU_02 5,91 21,8 12,0 16,2 37,3
TU_03 5,96 41,1 13,1 17,0 29,5
TU_04 9,33 31,9 13,5 16,9 28,9
27

3 Vorbereitende Arbeiten
Der Nitratgehalt im Bach (20,1 mg/l) ist gegenüber den Gehalten in den GWM
(5,91 bis 9,33 mg/l) deutlich erhöht, was auf einen anthropogenen Einfluss (Land-
wirtschaft) zurückzuführen ist. Bei den anderen Parametern (Ca, Mg, Na und Cl)
sind die Gehalte im Bach durchweg niedriger als in den GWM, da sie vom durch-
flossenen Gestein des Grundwasserleiters (GWL) bestimmt sind und im Bach
durch Regenwasser verdünnt werden.
Wenn die Hochwasserwelle ins Grundwasser eindringt, ist zu erwarten, dass die
Nitratgehalte in den GWM ansteigen und die übrigen Parameter in ihrer Konzent-
ration infolge der Verdünnung durch das Bachwasser abnehmen.
Eine graphische Übersicht der Konzentrationen von Nitrat, Calcium, Magnesium,
Natrium und Chlorid im Olewiger Bach und den GWM findet sich in Abb. 15.
Um einen eindeutigen Nachweis über einen erfolgten Stofftransport vom Olewiger
Bach ins Grundwasser infolge der Hochwasserwelle zu erhalten, wurde während
des Versuches zusätzlich ein Fluoreszenztracer (Uranin) in die Welle eingegeben.
Konzentrationen [mg/l]
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Olewiger Bach TU_01 TU_02 TU_03 TU_04
NO3 Ca Mg Na Cl
Abb. 15: Indikatorparameter Olewiger Bach und GWM
28

3 Vorbereitende Arbeiten
3.4 Niederschlags- und Abflussregime im Vorfeld des Versuches
Da die Stadtwerke Trier eine Welle mit einem maximalen zusätzlichen Abfluss von
rund 150 – 250 l/s produzieren können, war die natürliche Abflussmenge im
Olewiger Bach ein entscheidender Parameter für den Zeitpunkt des geplanten
Versuchs. Der durch die Universität Trier bekannte „normale“ Abfluss des Gewäs-
sers ist klein genug, um durch eine künstliche Welle signifikant erhöht zu werden.
Aus diesem Grund wurden im Vorfeld des Versuches Abflussmessungen mit
einem SEBA Miniflügel (Type: 10.152, No.: 19202) durchgeführt. Aus Feldarbeiten
der Universität Trier befindet sich in unmittelbarer Nähe zu den Grundwasser-
messstellen ein Pegel im Olewiger Bach, mit dem die gemessenen Abflüsse
verglichen werden konnten.
Niederschlag [mm]
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Januar Februar März April Mai
Mittelwert 1991-2007 2008
Abb. 16: Vergleich der monatlichen Niederschläge 2008 mit den durchschnittlichen Werten
(Datengrundlage: DWD)
Während der Geländearbeiten im März 2008 fielen starke Niederschläge in der
Region (Abb. 16), so dass der natürliche Abfluss im Bach für eine künstliche
Hochwasserwelle zu hoch war (Tabelle 5): Die zusätzlich mögliche künstliche
Wassermenge hätte keinen signifikanten Anstieg des Wasserstandes im Bach zur
29

3 Vorbereitende Arbeiten
Folge gehabt, so dass auch keine nennenswerten Druckspiegeländerungen im
Grundwasser und eine damit verbundene Umkehrung der Fließrichtung im
Grundwasser zu erwarten gewesen wären.
Während des beobachteten Zeitraumes vom 11. bis zum 17. März 2008 stieg der
Abfluss von 472,7 l/s auf über 850 l/s (854 l/s am 15.03.2008 und 874,2 l/s am
17.03.2008) und stabilisierte sich über mehrere Tage auf diesem hohen Niveau
(Tabelle 5). Dies entsprach einem Anstieg des Pegels im Olewiger Bach von 20
auf 31 cm. (Diese Pegelstände sind nicht mit denen während des Versuches in
Kapitel 5.1 korrelierbar, da zu diesem Zeitpunkt ein neu installierter Pegel zum
Einsatz kam.)
Im Monat März fielen mit 95,5 mm (langjähriges Mittel 55,7 mm) sehr hohe Nie-
derschläge (Abb. 16). Diese normalisierten sich im April (49,3 mm, langjähriges
Mittel 48,7 mm), um dann im Mai mit 28,2 mm deutlich unter den Durchschnitt
(66,3 mm) zu fallen. Aus diesem Grund wurde der Termin für die Hochwasserwel-
le um mehrere Wochen bis auf Anfang Mai 2008 verschoben.
Tabelle 5: Wasserstände und Abflüsse Olewiger Bach, März 2008
Datum Uhrzeit Wasserstand Hydropegel [cm] Abfluss Olewiger Bach [l/s]
11.03.2008 13:00 20 472,7
15.03.2008 16:00 31 854,0
16.03.2008 16:00 31 Keine Messung
17.03.2008 09:15 29 Keine Messung
17.03.2008 15:00 31 874,2
30

4 Durchlauf der künstlichen Hochwasserwelle
4 Durchlauf der künstlichen Hochwasserwelle
4.1 Hydraulische Messungen
Der Versuch mit der künstlichen Hochwasserwelle erfolgte während des zweiten
Geländeaufenthaltes Anfang Mai 2008.
Die künstliche Welle wurde von den Stadtwerken Trier über einen Zeitraum von
zwei Stunden am 06.05.2008 von 09:00 bis 11:00 Uhr erzeugt. Zu diesem Zweck
wurde Stauwasser, das der Riveris-Talsperre entstammt, mit einer konstanten
Menge über den gesamten Zeitraum abgegeben. Der Auslass der Stadtwerke
befindet sich bei Irsch ca. 1,5 km oberhalb der GWM (Abb. 17). Das Stauwasser
aus der Riveris-Talsperre dient in der Regel zum einen der Trinkwasserversor-
gung der Stadt Trier und zum anderen der Stromgewinnung.
Abb. 17: Karte mit Lage der GWM und dem Auslass der Stadtwerke (nach TK25, 2004)
Um eine Beeinflussung der hydraulischen Verhältnisse im Grundwasser infolge
der künstlichen Welle nachzuweisen, wurden in den GWM TU_01 und TU_03
Diver (Levelogger Gold Drucksonden der Firma Solinst) eingebracht. Diese Druck-
sonden lieferten Wasserstandsdaten mit einer Auflösung im mm-Bereich. Sie
31

4 Durchlauf der künstlichen Hochwasserwelle
Sie waren so programmiert, dass sie jede Minute eine Messung vornahmen.
Durch diese hohe Auflösung wurde eine genaue Erfassung der Druckwelle im
Grundwasser gewährleistet. Die Drucksonden wurden bereits am Vormittag des
04.05.2008 eingebracht und auch noch nach der Welle bis zum Vormittag des
07.05.2008 in den GWM belassen, um aussagekräftige Ganglinien zu erhalten.
Parallel wurde in den GWM TU_02 und TU_04 der Wasserstand am 06.05.2008
ab 08:45 Uhr mittels Lichtlot alle zehn Minuten gemessen um auch hier Ganglinien
zu erhalten. Dabei wurden die manuellen Messungen solange ausgeführt, bis der
Wasserstand in den GWM wieder das Niveau vor der Welle erreichte.
Ergänzend zu diesen Messungen im Grundwasser wurden mit einem Starflow-
System der Universität Trier Fließgeschwindigkeit und Wasserstand des Olewiger
Baches in Höhe der GWM permanent aufgezeichnet. Zur Kontrolle des Abflusses
wurde mittels eines Salinomadd-Gerätes der Firma MADD der Abfluss im Plateau
der Welle und nach dem Plateau gemessen. Aus den so gewonnenen Werten war
die von den Stadtwerken abgegebene Abflussmenge bestimmbar.
4.2 Temperaturmessungen
Die Temperaturlogger wurden bereits am 21. März 2008 installiert (Kapitel 3.2.2),
da die Beobachtung der Temperatur nicht nur während der Welle sondern über
einen größeren Zeitraum erfolgen sollte. Daher befanden sich die Temperaturlog-
ger zum Zeitpunkt der künstlichen Welle bereits im Grundwasser und haben alle
zehn Minuten die Temperatur gemessen. Während des Wellendurchlaufes waren
diesbezüglich keine weiteren Vorbereitungen bzw. Arbeiten nötig. Um auch das
Ausklingen der Welle im Grundwasser zu erfassen, wurden die Temperaturlogger
wie auch die Drucksonden erst am Tag nach dem Durchgang der Welle, am
Vormittag des 07.05.2008, ausgebaut.
Lediglich die Temperaturmessung im Olewiger Bach wurde erst am 04.05.2008
um 10:15 Uhr gestartet, da der für den Bach vorgesehene Temperaturlogger zu
Beginn der Temperaturmessungen im März außer Funktion war und erst während
des zweiten Geländeaufenthaltes in Trier installiert werden konnte.
32

4 Durchlauf der künstlichen Hochwasserwelle
4.3 Messungen zum Stofftransport
Augrund der relativ schlechten Anbindung der Grundwassermessstellen (schnelles
Leerlaufen während der Probennahme) wurde auf eine permanente Beprobung
der GWM während des Versuches verzichtet, da dadurch eine Beeinflussung der
Wasserstände in den GWM erwartet wurde. Die GWM wurden daher nur vor und
nach dem Versuch beprobt.
Um dennoch einen eindeutigen Nachweis für einen Stoff- bzw. Wassertransport
vom Olewiger Bach infolge der künstlichen Hochwasserwelle ins Grundwasser zu
erhalten, wurde in den Scheitel der künstlichen Welle ein Fluoreszenztracer
(Uranin) eingegeben. Dieser wurde mit Hilfe von Passivsammlern (Aktivkohle), die
in die GWM eingehängt wurden, detektiert. Zur Kontrolle befand sich auch ein
solcher Passivsammler im Bach auf Höhe der GWM. Der Vorteil dieser Methode
lag darin, dass für den stofflichen Nachweis kein Wasser gepumpt werden musste
und die Messung des stofflichen Transportes die Hydraulik während des Durchlau-
fens der Welle nicht beeinflusste.
33

5 Ergebnisse
5 Ergebnisse
5.1 Ergebnisse der hydraulischen Messungen
5.1.1 Wasserstandsganglinien von GWM und Olewiger Bach über den
gesamten Zeitraum
Die Ganglinien der Wasserstände in den GWM TU_01 und TU_03 vor und nach
der Welle am 06.05.2008 weisen erhebliche Schwankungen auf (Abb. 18).
Höhe Pegelstand GWM im lokalen System [m]
1,45
1,40
1,35
1,30
1,25
Filterspülung
Stadtwerke
Erhöhter Ablass
Stadtwerke
Probennahme
TU_02/TU_04
Filterspülung
Stadtwerke
1,20
0
04.05 12:00 05.05 00:00 05.05 12:00 06.05 00:00 06.05 12:00 07.05 00:00 07.05 12:00
Welle
Probennahme
TU_02/TU_04
Ganglinie TU_01 Ganglinie TU_03 Ganglinie Bach
Filterspülung
Stadtwerke
Abb. 18: Ganglinien GWM TU_01 und TU_03 sowie Olewiger Bach
Die Spannweite reicht bei TU_01 von 1,26 m bis 1,36 m (10 cm), bei TU_03 von
1,22 m bis 1,30 m (8 cm) und im Olewiger Bach von 0,17 m bis 0,23 m (6 cm).
Im dokumentierten Zeitraum fällt die Standrohrspiegelhöhe in TU_01 am 04.05.
zunächst von 1,33 m (12:00 Uhr) auf 1,30 m am 04.05. um18:00 Uhr. Dann steigt
sie bis zum 05.05. (09:30 Uhr) auf 1,35 m an, nur gegen 1:30 Uhr steigt der
Wasserstand kurzzeitig um einen Zentimeter. Dann fällt die Ganglinie bis 17:30
(05.05.) wieder auf 1,27 m ab, wobei dieser Tiefstand nur sehr kurzzeitig auftritt.
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
34
Wasserstand Bach [m]

5 Ergebnisse
Es folgt ein Anstieg bis 1,34 m am 06.05 um 00:30 Uhr, auch dieser Peak ist
wieder von kurzer Dauer. Bis zum Einsetzen der Hochwasserwelle stabilisiert sich
der Wasserstand bei 1,33 m, um am 06.05. um 11:30 auf maximal 1,36 m
anzusteigen. Bis 13:40 Uhr fällt die Ganglinie wiederum nur kurz auf 1,26 m ab,
steigt dann abrupt an und fällt wieder bis auf 1,28 m um 20:00 Uhr. Nun steigt der
Wasserstand bis zum 07.05. um 00:30 Uhr auf 1,31 m an und stabilisiert sich bis
zum Ende der Aufzeichnung bei 1,30 m. Der Verlauf der Ganglinie der GWM
TU_03 (siehe unten) ist sehr ähnlich und wird daher nicht im Detail beschrieben.
Die zunächst ungewöhnlich erscheinenden Peaks sind durchaus zu erklären: Die
Negativ-Ausreißer (05.05. gegen 17:30 Uhr und 06.05. gegen 13:40 Uhr) können
auf Probennahmen in den GWM TU_02 und TU_04 zurückgeführt werden. Die
Maximal-Peaks können Maßnahmen der Stadtwerke zugeordnet werden: So
spülten die Stadtwerke am 05.05.2008 um 01:30 Uhr, am 06.05.2008 um 00:30
Uhr und am 07.05.2008 um 00:30 Uhr ihre Filteranlagen. Am 06.05. ist dies auch
durch die Wasserstandsmessung im Bach dokumentiert. Die erhöhten Wasser-
stände am 04.05. und 05.05. resultieren aus einem zusätzlichen Ablass der
Stadtwerke zur Stromerzeugung.
Deutlich zu erkennen ist, dass die Ganglinien von TU_01 und TU_03 vor der Welle
nahezu synchron verlaufen (Abb. 19), lediglich die absolute Höhe der Wasser-
standsänderungen variiert geringfügig. Allerdings fällt der Wasserstand nach der
Welle in TU_01 ca. 1 cm stärker ab als in TU_03 und stabilisiert sich in diesem
Abstand bei allen weiteren gemessenen Werten.
35

5 Ergebnisse
Höhe Pegelstand GWM TU_01 im lokalen System [m]
1,37
1,35
1,33
1,31
1,29
1,27
1,25
1,18
04.05 12:00 05.05 00:00 05.05 12:00 06.05 00:00 06.05 12:00 07.05 00:00 07.05 12:00
Ganglinie TU_01 Ganglinie TU_03
Abb. 19: Vergleich der Ganglinien der GWM TU_01 und TU_03
1,30
1,28
1,26
1,24
1,22
1,20
36
Höhe Pegelstand GWM TU_03 im lokalen System [m]

5 Ergebnisse
5.1.2 Abflussmenge Olewiger Bach und Wasserstandsganglinien von GWM
und Olewiger Bach während der Welle
Die mittels des Salinomadd-Gerätes ermittelten Abflüsse weisen folgende Werte
auf: Im Plateau der Welle wurden zwei Messungen mit 273,7 und 274,1 l/s (Mit-
telwert: 273,9 l/s) durchgeführt. Auch nach der Welle wurden zwei Abflussmes-
sungen durchgeführt: Die Höhe des Abflusses betrug 118,3 und 119,3 l/s (Mittel-
wert: 118,8 l/s). Daraus resultiert eine Abgabe der Stadtwerke von 155,1 l/s. Diese
Menge wurde über die vollen zwei Stunden abgegeben, was sich auch in der
Ganglinie des Wasserstandes im Olewiger Bach (Abb. 20) widerspiegelt.
Höhe Pegelstand GWM im lokalen System
[m]
1,37
1,35
1,33
1,31
1,29
1,27
1,25
0,15
08:45 09:15 09:45 10:15 10:45 11:15 11:45 12:15 12:45 13:15
Uhrzeit
TU_01 TU_02 TU_03 TU_04 Bach
Abb. 20: Ganglinien der Wasserstände in den GWM und
im Olewiger Bach während der Welle am 06.05.2008
Der Druck der um 09:00 Uhr von den Stadtwerken gestarteten Welle erreichte den
Untersuchungsort kurz vor 09:45 Uhr: Zeitgleich stiegen die Wasserstände im
Bach und in den Grundwassermessstellen signifikant an. Der Wasserstand des
Olewiger Bachs stieg von 0,17 m um 6 cm auf 0,23 m an. Bei den GWM waren die
Reaktionen auf die Druckänderung unterschiedlich. Der maximale Anstieg betrug
bei TU_01 3,4 cm, bei TU_02 4,0 cm, bei TU_03 4,8 cm und bei TU_04 3,5 cm
(Abb. 21).
0,27
0,25
0,23
0,21
0,19
0,17
37
Wasserstand Bach [m]

5 Ergebnisse
Anstieg Wasserstände absolut [m]
0,07
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0,00
-0,01
08:45 09:15 09:45 10:15 10:45 11:15 11:45 12:15 12:45 13:15
Uhrzeit
TU_01 TU_02 TU_03 TU_04 Bach
Abb. 21: Absoluter Anstieg der Wasserstände in den GWM
und im Olewiger Bach während der Welle
Auch der Verlauf des Anstieges war bei den GWM verschieden: In den GWM
TU_02 und TU_04 stellte sich nach 25 Minuten ein stabiler Wasserstand ein,
lediglich zum Ende der Welle um 11:30 Uhr stieg der Wasserstand nochmals kurz
um 0,5 cm an. Bei den GWM TU_01 und TU_03 stieg der Wasserstand hingegen
kontinuierlich an und erreichte sein Maximum unmittelbar vor dem Absinken.
Allerdings ist hier die beschränkte Genauigkeit der Lichtlotmessungen (1 cm
Teilung) in TU_02 und TU_04 als Hauptursache anzunehmen. Die Auflösung der
Drucksonden liegt hingegen im mm-Bereich.
Die Normalisierung der Wasserstände nach dem Durchlaufen der Welle lief
nahezu synchron ab: Um 12:50 Uhr hatten alle vier GWM wieder ihre Wasser-
stände vor der Welle erreicht. Damit verlief die Reaktion gegenüber dem Bach
leicht verzögert, dieser erreichte sein Ausgangsniveau bereits um 12:30 Uhr.
38

5 Ergebnisse
5.2 Ergebnisse der Temperaturmessungen
5.2.1 Ausbau der Temperaturlogger
Der Ausbau der Temperaturmesseinheiten erfolgte problemlos: Nach kurzem
freirütteln ließen die Pfähle sich von Hand ziehen und nach dem Abspülen des
Schlamms im Bach öffnen (Abb. 22). Äußerlich waren nach den sechs Wochen im
Grundwasser keinerlei Beschädigungen zu erkennen. Anschließend wurde die
Einschweißfolie aufgetrennt und entfernt und die Logger wurden noch im Gelände
ausgelesen.
Abb. 22: Temperaturmesseinheit nach Ausbau (Foto: Banzhaf)
Die Temperaturlogger TL_03, TL_05 und TL_10 waren, vermutlich aufgrund von
Undichtigkeiten der Folie oder Batteriedefekten, außer Funktion, so dass diese
Daten fehlen. Für den Logger TL_10 sind allerdings Daten bis zum 03.05.2008
vorhanden, da dieser Logger bereits zu diesem früheren Zeitpunkt einmal kontrol-
liert wurde.
Die anderen sechs Temperaturlogger im Grundwasser haben lückenlos vom
21.03.2008 bis zum 07.05.2008 alle zehn Minuten die Temperatur gemessen.
Lediglich die Bachtemperatur liegt aufgrund der späteren Installation des Loggers
nur vom 04.05.2008 bis zum 07.05.2008 vor.
39

5 Ergebnisse
5.2.2 Temperaturganglinien der Logger über den gesamten Zeitraum
Zur besseren Übersicht wird der gesamte Zeitraum (21.03.2008 bis 07.05.2008)
am 21.04.2008 geteilt, da die Spanne der Temperaturen für beide Zeiträume
ähnlich groß ist: Vom 21.03. bis zum 21.04. (Abb. 23) reicht die Spanne der
Temperaturen im Grundwasser von 4,7 bis 8,7 °C und im Zeitraum vom 21.04. bis
zum 07.05. (Abb. 24) von 7,9 bis 11,4 °C. In beiden Abbildungen ist zusätzlich die
mittlere Lufttemperatur dargestellt.
Generell ist zu beobachten, dass die Ganglinien der am weitesten vom Bach
entfernten Logger (TL_08, TL_09 und TL_10) einen deutlich homogeneren Verlauf
nehmen als die der übrigen Logger: Diese unterliegen größeren Schwankungen,
folgen insgesamt aber, wie die anderen auch, einem ansteigenden Trend.
Temperatur [°C]
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
-1
21.03 24.03 27.03 30.03 02.04 05.04 08.04 11.04 14.04 17.04 20.04
TL_02 (0,15 m) TL_04 (0,55 m) TL_06 (0,95 m) TL_07 (1,15 m)
TL_08 (1,35 m) TL_09 (1,55 m) TL_10 (1,75 m) Mittlere Lufttemperatur
Abb. 23: Ganglinien der Temperaturlogger im Grundwasser vom 21.03.2008 bis 21.04.2008
Vom 21.03. bis 30.03.2008 liegen die Ganglinien relativ weit auseinander (Spann-
weite maximal 2 °C) und mit Ausnahme von TL_02 ist der Trend der Temperatur-
zunahme mit zunehmendem Abstand vom Bachufer deutlich zu verfolgen. Ab dem
30.03. liegen die Ganglinien deutlich dichter zusammen (Spannweite nur noch 0,5
40

5 Ergebnisse
°C), und die näher am Bach gelegenen Logger weisen nun höhere Werte als die
weiter entfernten auf.
Vom 07.04. bis 12.04. sinken die Temperaturen der bachnahen Logger um bis zu
1 °C ab, bei den Loggern TU_08 bis TU_10 fällt die Temperatur hingegen um
maximal 0,2 °C. Beim darauffolgenden Temperaturanstieg bis zum 16.04. kehren
sich die Temperaturverhältnisse erneut um, und die Ganglinien rücken wieder
näher zusammen. In den darauffolgenden zwei Tagen wiederholt sich der Tempe-
raturwechsel, die bachnahen Logger fallen erneut stärker in der Temperatur als
die weiter entfernten.
Temperatur [°C]
17,5
16,5
15,5
14,5
13,5
12,5
11,5
10,5
9,5
8,5
7,5
21.04 24.04 27.04 30.04 03.05 06.05
TL_01 (Bach) TL_02 (0,15 m) TL_04 (0,55 m) TL_06 (0,95 m) TL_07 (1,15 m)
TL_08 (1,35 m) TL_09 (1,55 m) TL_10 (1,75 m) Mittlere Lufttemperatur
Abb. 24: Ganglinien der Temperaturlogger im Grundwasser
und im Olewiger Bach vom 21.04.2008 bis 07.05.2008
Ab diesem Zeitpunkt stabilisieren sich die Verhältnisse, und die bachnahen Logger
weisen bis zum Ende der Untersuchungen durchweg höhere Temperaturen auf als
die Logger TU_08 bis TU_10. (Abb. 24). Auch die Spannweiten und die Abstände
der Ganglinien bleiben nun mehr oder weniger konstant. Insgesamt ist über diesen
Zeitraum ein Temperaturanstieg zu verfolgen.
41

5 Ergebnisse
Ab dem 04.05. liegen zusätzlich die Temperaturen des Baches vor, und hier ist ein
deutliches Oszillieren der Temperatur zu beobachten, das mit dem Wechsel von
Tag und Nacht zusammenfällt. Dies ist abgeschwächt auch bei den Messungen im
Grundwasser zu erkennen, erfolgt aber zeitversetzt.
5.2.3 Temperaturganglinien der Logger während der Welle
Der Ausschnitt der gewonnenen Daten aus den Temperaturloggern für den Zeit-
raum der Welle ist in Abb. 25 dargestellt. Dabei sind größere Änderungen in der
Temperatur nur im Olewiger Bach gemessen worden: Sie steigt hier von 9,2 °C
um 08:45 Uhr bis auf 10,1 °C um 10:00 Uhr, fällt dann wieder auf 9,4 °C ab um ab
11:00 Uhr wieder kontinuierlich bis auf 12 °C um 13:05 Uhr anzusteigen.
Der Temperaturabfall um 10:00 Uhr fällt mit einem gemessenen Abfall der elektri-
schen Leitfähigkeit im Bach zusammen: Zu diesem Zeitpunkt erreicht das „frische“
Wasser aus der Talsperre den Versuchsort und das Bachwasser (~220 µS/cm)
mischt sich mit dem Talsperrenwasser (~60 µS/cm).
Temperatur [°C]
12,0
11,5
11,0
10,5
10,0
9,5
9,0
08:45 09:15 09:45 10:15 10:45 11:15 11:45 12:15 12:45
TL_01 (Bach) TL_02 (0,15 m) TL_04 (0,55 m) TL_06 (0,95 m) TL_07 (1,15 m) TL_08 (1,35 m) TL_09 (1,55 m)
Abb. 25: Ganglinien der Temperaturlogger im Grundwasser
und im Olewiger Bach während der Welle am 06.05.2008
42

5 Ergebnisse
Die Logger TL_04 (10,9 °C), TL_06 (10,6 °C) und TL_08 (9,8 °C) verzeichnen
keinerlei Temperaturänderungen während der Welle. Der Logger TL_02 registriert
gegen 09:20 Uhr einen Abfall von 10,4 auf 10,3 °C, wohingegen TL_09 gegen
10:00 Uhr einen Anstieg von 9,9 auf 10,0 °C anzeigt. Deutlich nach der Welle im
Bach verzeichnet der Logger TL_07 um 12:10 einen Abfall von 11,0 auf 10,9 °C.
Die Auflösung der Logger beträgt 0,1 °C. Damit liegen die gemessenen Änderun-
gen in der Größenordnung, die die Geräte gerade noch erfassen können.
43

5 Ergebnisse
5.3 Ergebnisse der Messungen zum Stofftransport
Die Zeitreihen der in Kapitel 3.3.3 festgelegten Indikatorparameter (NO3, Na, Ca.
Mg und Cl) finden sich in Abb. 26 bis Abb. 28. Es sind jeweils drei Messungen
(März und Mai 2008) vorgenommen worden, wobei ein besonderes Augenmerk
auf die Messungen am 05.05. (Tag vor der Welle) und am 06.05 (Messung unmit-
telbar nach der Welle) zu richten ist.
21,0
17,0
13,0
9,0
5,0
NO 3 [mg/l]
20.03 05.05 06.05
Olewiger Bach TU_02 TU_04
21,0
17,0
13,0
9,0
5,0
Abb. 26: Ganglinien Nitrat und Natrium
Na [mg/l]
20.03 05.05 06.05
Olewiger Bach TU_02 TU_04
Bei der Betrachtung der Nitrat-Ganglinie (Abb. 26 links) fällt auf, dass die Konzen-
tration im Olewiger Bach stark schwankt: Am 20.03. beträgt sie 20,1 mg/l und fällt
auf rund 16 mg/l am 05.05. und 06.05. Die Werte vor und nach der Welle unter-
scheiden sich lediglich um 0,5 mg/l. In der GWM TU_02 steigt der Nitratgehalt
hingegen von 5,9 mg/l am 20.03 auf 10,4 mg/l am 05.05 an. Er bleibt am 06.05.
mit 10,3 mg/l nahezu unverändert. Die Ganglinie der GWM TU_04 verläuft ähnlich,
allerdings sind die Veränderungen vom 20.03. (9,3 mg/l) auf 10,8 mg/l am 05.05.
geringer. Auch hier ist der Messwert vor der Welle nahezu identisch mit dem nach
der Welle (10,7 mg/l).
Die Ganglinien der Natriumgehalte (Abb. 26 rechts) verlaufen für Bach und GWM
nahezu parallel: Die Werte sind in TU_02 stets 8,7 – 9,0 mg/l höher als im Olewi-
ger Bach und in TU_04 0,4 – 0,7 mg/l höher als in TU_02. Der Olewiger Bach
weist am 20.03. einen Gehalt von 7,5 mg/l auf. In TU_02 beträgt der Wert am
20.03. 16,2 mg/l und in TU_04 16,9 mg/l. Eine Veränderung der Gehalte nach der
44

5 Ergebnisse
Welle erfolgt nur in der Nachkommastelle: Olewiger Bach unverändert bei 9,8
mg/l, TU_02 Anstieg von 18,7 mg/l (05.05.) auf 18,8 mg/l (06.05.) und TU_04
Anstieg von 19,1 mg/l (05.05.) auf 19,3 mg/l (06.05.).
32,0
27,0
22,0
17,0
12,0
Ca [mg/l]
20.03 05.05 06.05
Olewiger Bach TU_02 TU_04
14,0
12,0
10,0
8,0
6,0
Abb. 27: Ganglinien Calcium und Magnesium
Mg [mg/l]
20.03 05.05 06.05
Olewiger Bach TU_02 TU_04
Bei den Calciumgehalten (Abb. 27 links) ist kein Trend erkennbar: Im Olewiger
Bach steigt der Gehalt von 12,7 mg/l am 20.03. auf 17,3 mg/l am 05.05. und fällt
am 06.05. auf 15,6 mg/l. Auch in den GWM schwanken die Gehalte stark: In
TU_02 fällt der Calciumwert von 21,8 mg/l (20.03.) auf 18,9 mg/l (05.05.) und 18,3
mg/l am 06.05. TU_04 weist am 20.03. einen Wert von 31,9 mg/l auf. Dieser fällt
von 20,8 mg/l (05.05.) auf 21,3 mg/l (06.05.).
Auch die Ganglinien der Magnesiumgehalte (Abb. 27 rechts) verlaufen verschie-
den: Der Gehalt im Bach steigt von 6,0 mg/l am 20.03. auf 9,0 mg/l am 05.05. an
und fällt dann am 06.05. wieder auf 8,9 mg/l. In den GWM sind die Werte stets
höher als im Bach, verlaufen aber voneinander abweichend: In TU_02 beträgt der
Wert am 20.03. 12,0 mg/l und fällt dann über 11,1 mg/l am 05.05. auf 10,8 mg/l
am 06.05. ab. TU_04 weist keine eindeutige Tendenz der Magnesiumwerte auf:
Beträgt der Wert am 20.03. noch 13,5 mg/l, so fällt er auf 12,0 mg/l am 05.05. und
steigt am 06.05. leicht auf 12,1 mg/l an.
Bei den Chloridgehalten (Abb. 28) ist in den GWM ein Anstieg der Werte vom
20.03. zum 05.05. zu beobachten: TU_02 steigt geringfügig von 37,3 mg/l auf 40,6
mg/l und TU_04 steigt von 28,9 mg/l auf 38,6 mg/l an. Der Gehalt im Olewiger
45

5 Ergebnisse
Bach steigt ebenfalls von 17,2 mg/l am 20.03. auf 21,8 mg/l am 03.05. Der Chlo-
ridwert fällt hier am 06.05. wieder auf 19,1 mg/l. In den GWM sind die Änderungen
nach der Welle nur noch gering: TU_02 weist am 06.05. 39,1 mg/l auf. In TU_04
beträgt der Chloridgehalt am 06.05. noch 38,3 mg/l.
40,0
34,0
28,0
22,0
16,0
Cl [mg/l]
20.03 05.05 06.05
Olewiger Bach TU_02 TU_04
Abb. 28: Ganglinien Chlorid
Die Analysen der Passivsammler auf Uranin (durchgeführt von der Universität
Trier) weisen den Tracer im Olewiger Bach eindeutig nach. Die Proben aus den
GWM (Kapitel 4.3) enthalten hingegen keine messbare Konzentration des Ura-
nins. Der Transport des ins Bachwasser eingegeben Tracers kann somit im Bach
nachgewiesen werden.
46

6 Auswertung
6 Auswertung
6.1 Auswertung der hydraulischen Messungen
6.1.1 Auswertung der Welle
Ein Einfluss der künstlichen Hochwasserwelle auf den Druckspiegel im Grund-
wasser wird mit den gewonnenen Daten (Kapitel 5.1.2) eindeutig nachgewiesen.
Durch den zeitlichen Zusammenfall des Anstiegs des Wasserstandes im Olewiger
Bach und dem Ansteigen der Piezometerhöhen in den vier GWM ist eine direkte
Interaktion der Systeme Bach und Grundwasser hinsichtlich der Druckverhältnisse
belegt.
Abb. 29: kf-Werte aus Siebanalysen (erstellt mit GeODin)
47

6 Auswertung
Die Ungleichmäßigkeit der Druckspiegeländerungen im Grundwasser weist jedoch
auf inhomogene Verhältnisse des Grundwasserleiters und damit verbundene
Schwankungen der Durchlässigkeit und der Anbindung der GWM an Grundwasser
und Bach hin. Für alle vier GWM gilt, dass der Anstieg des Druckspiegels deutlich
geringer als der Anstieg des Pegels im Olewiger Bach ist.
Aus Siebkurven (Anlage 5) des beim Bau der GWM gewonnenen Bohrgutes sind
kf-Werte nach Beyer (1964) für die grundwasserleitende Kies- und Schieferbruch-
Schicht ermittelt worden (Abb. 29): TU_01 (0,36 - 1,25 m u. GOK) 8*10 -4 m/s,
TU_03 (0,38 - 0,80 m u. GOK) 2*10 -5 m/s und TU_04 (1,50 - 2,00 m u. GOK)
1*10 -3 m/s. Die Zusammensetzung des Sedimentes ist jedoch sehr inhomogen, so
dass die kf-Werte nur orientierenden Charakter haben. Auffällig ist aber, dass der
kf-Wert bei der GWM TU_04 deutlich höher ist. Allerdings ist diese Schicht nicht
mit derjenigen verbunden, in der die GWM TU_01 bis TU_03 verfiltert sind (Kapitel
3.1.2).
Bestätigung für die Interpretation des Profils liefern die Anstiege der Wasserspie-
gel in den GWM. Aufgrund der abnehmenden Mächtigkeit der wasserleitenden
Kies- und Schieferbruchschicht von TU_01 (0,89 m) bis TU_03 (0,42 m) kann sich
der Druckimpuls aus dem Bach mit zunehmender Entfernung nur in einer Erhö-
hung des Druckspiegels auswirken (Tabelle 6). Somit ist der höchste Anstieg in
TU_03 mit 4,8 cm und der geringste Anstieg in TU_01 mit 3,4 cm plausibel zu
erklären.
Tabelle 6: Zusammenhang zwischen Druckspiegel und Mächtigkeit des GWL
Ort Abstand Bach [m] Mächtigkeit GW-Leiter [m] max. Anstieg Druckspiegel [cm]
Olewiger Bach x x 6,0
TU_01 0,3 0,89 3,4
TU_02 0,7 0,59 4,0
TU_03 1,0 0,42 4,8
Die GWM TU_04 muss getrennt betrachtet werden, da sie über eine separate
Kies- und Schieferbruchschicht mit dem Bach verbunden ist. Der Anstieg des
Druckspiegels beträgt hier 3,5 cm, ist also ähnlich hoch wie der in TU_01 mit 3,4
cm. Da bei der Bohrung nicht erfasst wurde wie tief die entsprechende Kies- und
48

6 Auswertung
Schieferbuchschicht bei TU_04 reicht, ist ein Vergleich mit den Reaktionen der
drei anderen GWM schwierig. Es kann aufgrund des gemessenen Anstieges
lediglich spekuliert werden, dass die Mächtigkeit dieser Schicht in etwa der Mäch-
tigkeit der weiter oben liegenden Kies- und Schieferbruchschicht bei TU_01
entspricht.
6.1.2 Strömungsverhältnisse des Grundwassers im März und im Mai
Abb. 30 zeigt die Wasserstände der GWM im März (eine Messung) und im Mai
(vier Messungen vor und während der künstlichen Welle am 06.05.2008).
Höhe im lokalen System [m]
1,55
1,5
1,45
1,4
1,35
1,3
1,25
TU_01 TU_02 TU_03 TU_04
20.03.2008 04.05.2008 05.05.2008 06.05.2008 08:45 06.05.2008 11:45
Abb. 30: Vergleich der Wasserstände der GWM im März und Mai
Markant ist eine Änderung der hydraulischen Strömungsverhältnisse: Am
20.03.2008 steht das Grundwasser in den weiter vom Bach entfernten GWM
höher und bei den Messungen im Mai sind die Grundwasserstände in den GWM
TU_01 und TU_02 höher als in den GWM TU_03 und TU_04. Es hat folglich ein
Wechsel von effluenten zu influenten Verhältnissen stattgefunden.
Die Wasserstände der GWM TU_01 und TU_02 sind bei allen Messungen im Mai
jeweils nahezu gleich hoch. Im Mai verlaufen die Änderungen der Wasserstände
49

6 Auswertung
in den GWM ähnlich (Spannweite von 3,5 – 4,5 cm), so dass das Gefälle im
Grundwasser stets gleich ist. Dabei verwundert, dass die Wasserstände im Mai
von TU_02 nach TU_03 abfallen und von TU_03 zu TU_04 wieder ansteigen: Es
besteht hier ebenfalls eine Reaktion der GWM TU_04, die von der der anderen
GWM abweicht. Auch an dieser Stelle kann dies darauf zurückgeführt werden,
dass in TU_04 eine andere grundwasserleitende Schicht angetroffen wird als in
den übrigen Messstellen.
Stellt man die gemessenen Extremwerte der Wasserstände im geologischen Profil
dar (20.03. und 05.05., Abb. 31), so wird deutlich, dass der Grundwasserspiegel
stets in der Auelehmschicht angetroffen wird. Aufgrund der geringen Durchlässig-
keit ist diese Schicht zumindest als Grundwassergeringleiter anzusprechen.
Daraus folgt, dass das angetroffene Grundwasser als halbgespannt klassifiziert
wird.
Abb. 31: Darstellung der Flurabstände März/Mai im geologischen Profil der GWM
50

6 Auswertung
6.2 Auswertung der Temperaturmessungen
6.2.1 Auswertung der Temperaturlogger
Bei den in Kapitel 5.2.2 beschriebenen Ganglinien der Temperaturlogger fällt auf,
dass sich weniger die Temperaturverläufe der Logger ähneln, die nahe beieinan-
der liegen, sondern die, die in ähnlichen Tiefen eingebaut sind. Über den gesam-
ten beobachteten Zeitraum verlaufen die Messwerte der am tiefsten gelegenen
Messgeräte (TL_08, TL_09 und TL_10, 62 – 72 cm unter GOK) am gleichmäßigs-
ten: Bei den geringeren Lufttemperaturen vom 21.03. bis 20.04. liegen sie stets
nah beieinander und weisen die höchsten Werte aller Logger auf. Bei den zuneh-
menden Temperaturen ab dem 21.04. liegen diese drei Ganglinien jedoch dauer-
haft unter denen der anderen Logger (Abb. 23). Die parallel verzeichnete stärkere
Reaktion der übrigen Logger (größerer Anstieg und größerer Schwankungsbe-
reich) auf die Lufttemperatur bestätigt die Annahme, dass der Einfluss der Einbau-
tiefe eine größere Rolle spielt als die Entfernung vom Bach. Für diese Interpretati-
on spricht auch der Verlauf des Loggers TU_02: Dieser Logger ist tiefenmäßig
zwischen den flacher gelegenen Loggern (TU_04_ TU_06 und TU_07, 39 – 44 cm
unter GOK) und den tiefer gelegenen Loggern (s.o.) eingebaut und auch seine
Ganglinie liegt stets zwischen diesen beiden Gruppen.
Übertragen auf den generellen Einfluss von Hochwasser im Olewiger Bach auf die
Temperatur im Grundwasser folgt daraus, dass ein Einfluss infolge einer Beein-
flussung der Messgeräte durch die Lufttemperatur nur schwer abzuschätzen ist.
Aufgrund des unterschiedlich tiefen Einbaus (dieses Problem war im Vorfeld nicht
abgeschätzt worden, bzw. war eine gleichmäßige Einbautiefe im Feld nicht um-
setzbar) ist eine direkte Korrelation von Grundwassertemperatur und Abstand zum
Bach, wie im Vorfeld in den GWM gemessen (Kapitel 3.3.2), nicht möglich. Diese
Messungen hatten einen deutlichen Anstieg der Wassertemperatur mit zuneh-
mender Entfernung vom Bach gezeigt.
Aus diesen Überlegungen heraus wird deutlich, dass die in Kapitel 5.2.3 verzeich-
neten Temperaturänderungen einzelner Logger (TL_02, TL_07 und TL_09) wäh-
rend der künstlichen Hochwasserwelle von je 0,1 °C eher auf den Messfehler der
Instrumente als auf eine Änderung durch Eindringen von Bachwasser zurück
51

6 Auswertung
gehen. Laut Herstellerangaben (Anlage 2) beträgt die Auflösung der Temperatur-
logger 0,1 °C und die Genauigkeit 0,5 °C.
Ein weiterer Effekt ist für den Zeitraum zu beobachten, für den zusätzlich die
Temperatur des Olewiger Baches aufgezeichnet wird (04.05. – 07.05.): Deutlich ist
hier das Oszillieren der Bachtemperatur in Abhängigkeit von Tag und Nacht
dokumentiert (Abb. 32). Die Werte schwanken dabei von 7,7 °C (Minimum mor-
gens gegen 08:00 Uhr) bis 15,0 °C (Maximum abends gegen 18:00 Uhr) und
folgen insgesamt in den drei gemessenen Tagen dem Aufwärtstrend der Lufttem-
peratur. Die drei niedrigen Peaks gegen ca. 2:00 bzw. 3:00 Uhr (05.05., 06.05.
und 07.05.) gehen auf das offensichtlich wärmere Wasser aus der Talsperre
zurück, das die Stadtwerke zum Spülen ihrer Filteranlagen abgelassen haben
(Kapitel 5.1.1). Auch an dieser Stelle ist die zeitliche Verzögerung zwischen
Druckwelle und Ankunft des (wärmeren) frischen Wassers belegt: Die Temperatur
des Olewiger Bachs steigt deutlich (ca. eine Stunde) später an, als der aufge-
zeichnete Anstieg der Druckspiegel in den GWM (Kapitel 5.1.1). Der etwas größe-
re Peak am Vormittag des 06.05. dokumentiert den kurzzeitigen Temperaturan-
stieg infolge der künstlichen Hochwasserwelle (Kapitel 5.2.3).
Temperatur Logger [°C]
11,4
10,9
10,4
9,9
9,4
04.05 10:00 04.05 22:00 05.05 10:00 05.05 22:00 06.05 10:00 06.05 22:00
TL_02 (0,15 m) TL_04 (0,55 m) TL_06 (0,95 m) TL_07 (1,15 m) TL_08 (1,35 m) TL_09 (1,55 m) TL_01 (Bach)
Abb. 32: Tag/Nacht-Schwankungen der Temperatur von Bach und Grundwasser
15,5
14,5
13,5
12,5
11,5
10,5
9,5
8,5
7,5
52
Temperatur Bach [°C]

6 Auswertung
Die gemessenen täglichen Schwankungen decken sich mit anderen Untersuchun-
gen: Hatch et al. (2006) ermittelten für den Pajaro River in Kalifornien tägliche
Schwankungen von 2 °C bis 6 °C, bei absolut deutlich höheren Temperaturen als
im Olewiger Bach (die Wassertemperatur schwankt über das Jahr insgesamt
zwischen 12 °C und 26 °C).
Auffällig ist, dass die flacher gelegenen Logger (s.o.) dem Auf und Ab folgen,
allerdings erfolgt ihre Reaktion abgeschwächt und relativ exakt phasenverscho-
ben: Die Schwankungen von Maximum (gegen 08:00 Uhr) zu Minimum (gegen
18:00 Uhr) reichen von 0,1 °C bis 0,5 °C, die Reaktion des Grundwassers ist also
in der Höhe der Schwankungen gedämpft sowie zeitlich verzögert.
53

6 Auswertung
6.2.2 Auswertung der Diver
Zusätzlich zu den Temperaturdaten der Logger liegen vom 04.05. bis 07.05. von
den Divern in den GWM TU_01 (Abb. 33) und TU_03 (Abb. 34) gemessene
Temperaturen vor. Dargestellt sind jeweils die Ganglinien von Wasserstand und
Temperatur.
Höhe im lokalen Bezugssystem [m]
1,37
1,35
1,33
1,31
1,29
1,27
Filterspülung
Stadtwerke
Erhöhter Ablass
Stadtwerke
Probennahme
TU_02/TU_04
Filterspülung
Stadtwerke
Welle
1,25
04.05 11:00 04.05 23:00 05.05 11:00 05.05 23:00 06.05 11:00 06.05 23:00
Ganglinie Wasserstand Ganglinie Temperatur
Probennahme
TU_02/TU_04
Filterspülung
Stadtwerke
Abb. 33: Wasserstands- und Temperaturganglinie Diver in GWM TU_01
Mit dem Einsatz der Welle fällt in TU_01 die Temperatur um 0,01 °C. Diese Ände-
rung scheint zwar vernachlässigbar, auffällig ist aber, dass auch bei den erhöhten
Wasserständen aufgrund der Filterspülung der Stadtwerke (Abb. 33) jeweils ein
minimales Absinken der Temperatur erfolgt. Zusammen mit der hohen Auflösung
des Messgerätes von 0,003 °C (Solinst Homepage, 2008), kann diese Tempera-
turänderung also durchaus als Einfluss des Baches gedeutet werden. Ebenso
reagiert die Temperatur auch während der in den angrenzenden GWM durchge-
führten Probennahmen; hier steigt sie an.
Klar gegen diese Interpretation spricht aber, dass der Bach zu Beginn der Welle
eine Temperatur von 10,0 °C aufweist und damit 1 °C wärmer ist als das Wasser
in den GWM. Der Effekt des Temperaturanstieges scheint also zwar mit der
9,15
9,10
9,05
9,00
8,95
8,90
8,85
54
Temperatur [°C]

6 Auswertung
Druckänderung zusammenzuhängen, ein direkter Einfluss des Bachwassers
(Einströmen) kann aber aufgrund dieser Daten nicht belegt werden. Auch das
Absinken der Temperaturen während des erhöhten Abflusses aufgrund der Filter-
spülung der Stadtwerke ist nicht auf einströmendes Grundwasser zurückzuführen,
da die Bachtemperatur mit 9,5°C bzw. 11,7 °C jeweils deutlich über der des
Grundwassers liegt. Auch liegt der angegebene Messfehler der Diver bei 0,05 °C,
was die oben genannte hohe Auflösung zumindest stark in Frage stellt.
In der weiter vom Bach entfernten GWM TU_03 sind keine aussagekräftigen
Änderungen der Temperatur während der Peaks von Welle und Filterspülungen
der Stadtwerke zu verzeichnen (Abb. 34). Kurzzeitige Reaktionen der Ganglinie
erfolgen lediglich bei den beiden Probennahmen in den angrenzenden GWM
TU_02 und TU_04: Die Temperatur steigt jeweils um 0,01 °C an. Da die Strömung
hier durch die Wasserentnahme beeinflusst wird, ist anhand dieser Ausschläge
keine Aussage möglich.
Höhe im lokalen Bezugssystem [m]
1,33
1,31
1,29
1,27
1,25
1,23
Filterspülung
Stadtwerke
Erhöhter Ablass
Stadtwerke
Probennahme
TU_02/TU_04
Filterspülung
Stadtwerke
Welle
Probennahme
TU_02/TU_04
1,21
04:05 11:00 04:05 23:00 05:05 11:00 05:05 23:00 06:05 11:00 06:05 23:00
Ganglinie Wasserstand Ganglinie Temperatur
Filterspülung
Stadtwerke
Abb. 34: Wasserstands- und Temperaturganglinie Diver in GWM TU_03
Beide Temperaturganglinien folgen dem generellen Aufwärtstrend der Lufttempe-
ratur in diesem Zeitraum (Abb. 24). Der Anstieg über die beobachteten drei Tage
beträgt 0,2 °C (TU_03) bzw. 0,25 °C (TU_01).
9,15
9,10
9,05
9,00
8,95
8,90
8,85
55
Temperatur [°C]

6 Auswertung
Zu den verwendeten Drucksonden muss an dieser Stelle noch eine Fehlerbetrach-
tung abgegeben werden. Die Ganglinien der Diver sind in der Zeit korrigiert: Beim
Ausbau und dem Auslesen der Daten fiel noch im Gelände auf, dass die Uhrzeit
beider Diver nicht mit den realen Werten übereinstimmte. Die internen Uhren
beider Sonden liefen zu schnell. So waren real beim Ausbau am 07.05.2008 um
10:00 Uhr nur 70 Stunden und 12 Minuten vergangen, die Diver wiesen aber eine
Laufzeit von 71 Stunden und 24 Minuten aus. Die Diver gingen also eine Stunde
und zwölf Minuten vor oder, anders ausgedrückt, waren nach einer von den Divern
gemessenen Minute real erst 59 Sekunden vergangen.
Aufgrund der bekannten Zeitpunkte der Probennahmen und dem Einsatz der
künstlichen Hochwasserwelle konnten die Peaks in der Ganglinie der jeweils
richtigen Uhrzeit zugeordnet werden und damit sichergestellt werden, dass der
Fehler in der Zeitmessung kontinuierlich auftrat. Daher kann ausgeschlossen
werden, dass die Diver ein „Messloch“ aufweisen bzw. an einer Stelle einen
zeitlichen Sprung gemacht haben. Aufgrund dieser Tatsache konnte die Uhrzeit
für alle Daten vertrauenswürdig korrigiert werden.
Ein später durchgeführter Test unter Laborbedingungen an der TU Berlin bestätig-
te den Fehler in der Zeitmessung: Nach erneuter Synchronisierung der internen
Uhren wurden beide Logger noch einmal gestartet und erneut gingen die internen
Uhren zu schnell.
56

6 Auswertung
6.3 Auswertung der Messungen zum Stofftransport
Die in Kapitel 3.3.3 getroffenen Annahmen über die Veränderungen der Konzen-
trationen der Indikatorparameter infolge des Eindringens der Welle in das Grund-
wasser können nicht eindeutig bestätigt werden. Tabelle 7 zeigt die Änderung der
Konzentrationen von Nitrat, Natrium, Calcium, Magnesium und Chlorid in den
GWM TU_02 und TU_04 vom 05.05. zum 06.05. Als Vergleichswert sind die
Änderungen der Gehalte im Olewiger Bach angegeben.
Tabelle 7: Vergleich der Indikatorparameter vor und nach der Welle
Parameter Olewiger Bach TU_02 TU_04
Änderung NO3 05.05 zu 06.05 [mg/l] -0,05 -0,08 -0,03
Änderung Na 05.05 zu 06.05 [mg/l] -0,06 +0,06 +0,23
Änderung Ca 05.05 zu 06.05 [mg/l]
Änderung Mg 05.05 zu 06.05 [mg/l]
Änderung Cl 05.05 zu 06.05 [mg/l]
-1,71 -0,62 +0,46
-0,15 -0,31 +0,13
-2,76 -1,51 -0,30
Die Nitratgehalte bleiben konstant, die Änderung in der zweiten Nachkommastelle
liegt im Analysefehlerbereich. Der erwartete Anstieg der Werte in den GWM kann
also weder für TU_02 noch für TU_04 belegt werden.
Für die übrigen Parameter wird ein Absinken der Werte durch das Einströmen des
Bachwassers (durchweg geringere Gehalte als in den GWM) erwartet. Hier muss
zwischen der Reaktion in TU_02 und TU_04 unterschieden werden. Natrium
erfährt in TU_02 keine aussagekräftige Veränderung vom 05.05. auf den 06.05.
Die Konzentrationen von Calcium, Magnesium und Chlorid verringern sich zwar,
allerdings sind die Änderungen von Calcium und Magnesium gering. Lediglich
Chlorid nimmt mit 1,51 mg/l signifikant ab. Da Chlorid ein konservatives Element
und mobiler als die anderen Indikatorparameter ist, ist es durchaus plausibel, dass
lediglich eine Reaktion der GWM TU_02 im Chloridgehalt erfolgt. Tabelle 8 enthält
eine Übersicht der Mobilitäten von Natrium, Calcium, Magnesium und Chlorid.
57

6 Auswertung
Dabei weist Chlorid mit 7,91 x10-8 m²/s/V deutlich höhere Werte auf als die
anderen Elemente.
Tabelle 8: Vergleich der Mobilitäten der Indikatorparameter (Appelo & Postma, 2005)
Natrium Calcium Magnesium Chlorid
Mobilität [x10-8 m²/s/V] 5,19 6,17 5,46 7,91
In TU_04 ist eine Aussage hinsichtlich eines erfolgten Stofftransportes schwierig:
Entgegen den Annahmen steigen die Gehalte von Natrium, Calcium und Magne-
sium an. Allerdings sind die Anstiege mit 0,13 – 0,46 mg/l wenig aussagekräftig.
Auch in TU_04 fällt der Chloridgehalt und erfüllt damit die Hypothese für einen
Stofftransport vom Bach ins Grundwasser. Die Änderung ist mit 0,3 mg/l aber
deutlich geringer als in TU_02. Die geringere Reaktion ist durch die größere
Entfernung zum Bach (TU_02 0,7 m und TU_04 2,0 m) zu erklären: Das Bach-
wasser ist offensichtlich nicht in großer Menge tief ins Grundwasser eingetreten.
Auch an dieser Stelle ist die Verfilterung der GWM in verschiedenen Grundwasser
leitenden Schichten zu nennen, die ebenfalls abweichende Reaktionen der GWM
zur Folge hat: Die hydraulischen Reaktionen und der kf-Wert unterscheiden sich
deutlich in TU_02 und TU_04 (Kapitel 6.1.1).
Zu den Änderungen der stofflichen Parameter ist anzumerken, dass der Transport
des Wassers in der hyporheischen Zone während der Welle horizontal erfolgt: Das
ins Grundwasser drückende Bachwasser schiebt zunächst die in Kapitel 6.1.1
beschriebene Druckwelle vor sich her, erst danach folgt Wasser aus dem Bach.
Bei der Reaktion der Indikatorparameter ist daher zu bedenken, dass zunächst
Grundwasser und nicht Bachwasser vom Bach weg transportiert wird: Bevor
Bachwasser z.B. in TU_02 ankommt, wird Grundwasser mit einer vor der Welle in
TU_01 vorliegenden Zusammensetzung dort eintreffen. Dies ist aber nicht beleg-
bar, da aus technischen Gründen (installierte Diver in den GWM TU_01 und
TU_03) die GWM TU_01 und TU_03 während des entscheidenden Zeitraumes
nicht beprobt werden konnten.
Die Ergebnisse der Traceranalysen (Kapitel 5.3) lassen den Schluss zu, dass kein
Bachwasser bis zu den GWM eindringen konnte.
58

7 Diskussion
7 Diskussion
Da im Rahmen dieser Arbeit die Teilaspekte Hydraulik, Temperatur und Stoff-
transport stets separat behandelt wurden, erfolgt auch die Diskussion getrennt.
Dies ist außerdem angebracht, weil sich die Ergebnisse und auch die Probleme
bei den verschiedenen Facetten der Interaktion von Grund- und Oberflächenwas-
ser stark voneinander unterscheiden.
7.1 Hydraulische Messungen
Die erwartete Druckreaktion des Grundwassers in der Uferzone des Olewiger
Baches auf die künstliche Hochwasserwelle konnte klar nachgewiesen werden.
Unterschiedliche Anstiege in den GWM waren anhand des geologischen Profils
plausibel nachvollziehbar. So korrelierte der Anstieg infolge der Welle mit der
Mächtigkeit der Grundwasser leitenden Schicht: Bei geringerer Mächtigkeit bewirk-
te die Druckwelle einen größeren Anstieg in den entsprechenden GWM.
Vergleicht man die Ergebnisse des Versuches mit der Literatur, so decken sich die
generellen Aussagen: Untersuchungen von Wondzell & Swanson (1999) zeigten,
dass geringe Änderungen des Pegelstandes in einem Oberflächengewässer weit
in die Uferzone eindringen können und dabei sowohl Wasserstände als auch
Fließwege im Grundwasser beeinflussen. Sie verwiesen auch auf die Auswirkun-
gen auf das Ökosystem im Uferbereich, da unter dem Einfluss von Hochwasser
das Volumen und die Aufenthaltszeit von Wasser in der hyporheischen Zone stark
verändert werden.
Der Vergleich der Strömungsverhältnisse im Grundwasser von März und Mai 2008
zeigte einen Wechsel von klar effluenten Verhältnissen im März zu influenten
Verhältnissen im Mai. Allerdings ist nicht auszuschließen, dass sich einzelne
GWM im Zeitraum zwischen den Messungen gesetzt haben, da die Uferzone
zumindest zeitweilig (dokumentiert durch die Einwirkungen auf die Vegetation: In
Fließrichtung des Baches flächig umgeknickte Gräser) überflutet war. Die Aussa-
gen über den Einfluss der künstlichen Welle sind dennoch uneingeschränkt gültig,
da die absolut gemessenen Anstiege von eventuellen Setzungen unbeeinflusst
sind.
59

7 Diskussion
Ein Wechsel von effluenten zu influenten Strömungsverhältnissen in der hyporhei-
schen Zone wird auch von Butturini et al. (2002) beschrieben. Allerdings finden die
von ihnen beschriebenen Änderungen der Strömungsverhältnisse über einen
größeren Zeitraum (Winter zu Sommer) statt.
7.2 Temperaturmessungen
Die erstmals eingesetzten Temperaturlogger und die selbst entworfene Einbau-
konstruktion lieferten gut verwertbare Daten. Insgesamt sind die Temperaturmes-
sungen im Grundwasser daher als erfolgreich zu bewerten.
Anhand der vorgenommenen Temperaturmessungen konnte der angestrebte
Nachweis eines Einflusses des Olewiger Baches bei Hochwasser auf die Grund-
wassertemperatur nicht eindeutig erbracht werden. Vielmehr wurde eine Beein-
flussung der Messgeräte durch die Oberflächentemperatur ermittelt. Als Ursache
wird der geringe Abstand der Logger zur Geländeoberkante (0,39 – 0,72 m)
angenommen: Anderson (2005) beschreibt in ihrer Arbeit zwei Zonen der Tempe-
ratur im Grundwasser, eine flacher liegende „Oberflächenzone“ und eine tiefer
liegende „Geothermalzone“. Die Oberflächenzone unterliegt dabei im Gegensatz
zur Geothermalzone saisonalen Aufheizungen und Abkühlungen der Landoberflä-
che, ab Tiefen größer 1,5 m spielen tägliche Schwankungen aber keine signifikan-
te Rolle mehr (Anderson, 2005).
Zieht man diese Klassifikation heran, so liegen sämtliche Temperaturlogger in
dieser Zone des von der Oberflächentemperatur beeinflussten Bereiches des
Grundwassers. Längerfristige Temperaturprofile in der Oberflächenzone sind laut
Anderson (2005) aber geeignet, um saisonale Neubildungs- und Abflussereignisse
aus Niederschlägen und Austausch mit Oberflächenwasser zu identifizieren. Da
der Fokus dieser Arbeit auf dem Austausch von Grund- und Oberflächenwasser
liegt, wären für eine längerfristige Betrachtung und Auswertung (die Temperatur-
daten für das Grundwasser und die Niederschlagsdaten liegen mit sechs Wochen
bereits für einen längeren Zeitraum vor) zusätzlich permanente Abfluss- und
Temperaturmessungen im Olewiger Bach nötig gewesen. Für den kurzen Zeit-
raum des Durchflusses der künstlichen Welle von zwei Stunden kann anhand der
Temperaturmessungen keine Abschätzung der Interaktion von Bach und Grund-
60

7 Diskussion
wasser gegeben werden. Im Vergleich mit der Literatur (Conant, 2004, Hatch et
al., 2006, Silliman et al., 1994) fällt auf, dass die Untersuchung der Interaktion von
Oberflächen- und Grundwasser anhand der Temperatur meist auf das Flussbett
unterhalb des Flusses konzentriert ist. Der Austausch in horizontaler Richtung,
also mit der Uferzone, wird nicht betrachtet.
Für weitere Versuche auf Basis der Wassertemperatur müsste ein längerer Unter-
suchungszeitraum mit permanenter Messung von Abfluss und Temperatur ange-
setzt werden. Auch sollten die Messgeräte im Grundwasser der Vergleichbarkeit
wegen in gleichen und fest definierten Tiefen eingebracht werden.
7.3 Messungen zum Stofftransport
Die Ergebnisse der Messungen zum Stofftransport lassen keine eindeutige Aus-
sage über einen Eintrag von Wasser aus dem Olewiger Bach ins Grundwasser
aufgrund der künstlichen Welle zu. Der ins Bachwasser eingegebene Tracer
konnte in den GWM nicht nachgewiesen werden und bei den betrachteten Indika-
torparametern zeigt lediglich Chlorid eine messbare Änderung in der Konzentrati-
on vor und nach der Welle. Es ist aber zu erwähnen, dass einige Wasserproben
aus technischen Gründen nicht im Gelände gefiltert werden konnten, so dass die
Messvoraussetzungen nicht für alle Proben gleich waren. Eine Lösung von Katio-
nen von den nicht heraus gefilterten Tonteilchen ist daher möglich aber in keiner
Weise quantifizierbar.
Wett et al. (2002) untersuchten den Einfluss von Hochwasser auf die Infiltration in
den Uferbereich mit Hilfe eines Brunnens, der Uferfiltrat fördert. Anhand der
Messung der elektrischen Leitfähigkeit wiesen sie nach, dass Wasser aus dem
Fluss infolge eines Hochwassers erst nach ca. 4 Tagen im 48 m entfernten Brun-
nen ankam. Die Reaktion des Druckspiegels erfolgte bereits nach einem Tag.
Es stellt sich daher die Frage, ob eine derart kurze Welle (zwei Stunden) geeignet
ist, um ein Eindringen von Wasser aus dem Olewiger Bach ins Grundwasser
nachzuweisen. Die Parameter Druck und Temperatur erscheinen für diese Aufga-
benstellung geeigneter.
61

8 Literaturverzeichnis
8 Literaturverzeichnis
3M Homepage (Zugriff am 24.04.2008). Produktfoto TL20 Temperaturlogger.
www.3mestore.com
Anderson, M. P. (2005). Heat as a Ground Water Tracer. Ground Water 43 (6),
pp 951-968.
Appelo, C. A. J. & Postma, D. (2005). Geochemistry, groundwater and pollution.
2 nd edition. A. A. Balkema Publishers. Leiden. 649 pp.
Beyer, W. (1964). Zur Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit von Kiesen und
Sanden aus der Kornverteilungskurve. Wasserwirtschaft Wassertechnik 14
(6), pp 165-168.
Butturini, A. et al. (2002). The influence of riparian-hyporheic zone on the hydrological
responses in an intermittent stream. Hydrology & Earth System Sciences
6(3), pp 515-525.
Conant, B. J. (2004). Delineating and quantifying ground water discharge zones
using streambed temperature. Ground Water 42 (2), pp 243–257.
De Sutter, R. & Krein, A (2001). Use of artificial flood events to demonstrate the
invalidity of simple mixing models. Hydrological Sciences-Journal-des Sciences
Hydrologiques 46(4), 2001, pp 611-622.
Deutscher Wetterdienst Homepage (Zugriff am 17.04.2008). Tageswerte der
Station 10609 Trier-Petrisberg. www.dwd.de.
Gesellschaft für Rheinische Geschichtskunde (1982). Geschichtlicher Atlas der
Rheinlande. Band I: Naturräumliche Übersichten. Rheinland-Verlag. Köln.
48 pp.
GIS des Landkreises Trier-Saarburg (Zugriff am 25.01.2008). Homepage des
Landkreises Trier-Saarburg. www.trier-saarburg.de.
Hatch, C. E. et al. (2006). Quantifying surface water – groundwater interactions
using time series analysis of streambed thermal records: Method development.
Water Resources Research, Vol. 42, W10410,
doi:10.1029/2005WR004787.
Henningsen, D., Katzung, G. (2002). Einführung in die Geologie Deutschlands.
6. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag. Berlin. 214 pp.
Hölting, B., Coldewey. W. G. (2005). Hydrogeologie, Einführung in die Allgemeine
und Angewandte Hydrogeologie. 6. Auflage. Spektrum Akademischer
Verlag. München. 326 pp.
Jätzold, R. (1984). Der Trierer Raum und seine Nachbargebiete. Trierer Geographische
Studien Sonderheft 6. Selbstverlag der Geographischen Gesellschaft
Trier in Zusammenarbeit mit der Fachgruppe Geographie/Geowissenschaften
der Universität Trier. 360 pp.
Kalbus, E. et al. (2006). Measuring methods for groundwater – surface water
interactions: a review. Hydrology and Earth System Sciences 10, 2006, pp
873-887.
62

8 Literaturverzeichnis
Kirchner, J. W. (2003). A double paradox in catchment hydrology and geochemistry.
Hydrological Processes 17, 2003, pp 871-874.
Langhoff, J. H. et al. (2006). Quantification and regionalization of groundwatersurface
water interaction along an alluvial stream. Journal of Hydrology 320,
2006, pp 342-358.
Larkin, R. G., Sharp, J. M. (1992). On the relationship between river-basin geomorphology
, aquifer hydraulics, and ground-water flow direction in alluvial
aquifers. Geological Society of America Bulletin BUGMAF, Vol. 104, No. 12,
pp 1608-1620.
Lighthill, M. J., Whitham G. B. (1955). On kinematic waves: 1. Flood movement
in long rivers. Proceedings of the Royal Society of London. Series A,
Mathematical and Physical Sciences, Volume 229, Issue 1178, pp 281-316.
Long Life for Art Homepage (Zugriff am 18.03.2008). Technische Daten TL20
Temperaturlogger. www.cwaller.de.
Meyer, W. (1986). Geologie der Eifel. E. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung
(Nägele und Obermiller). Stuttgart. 614 pp.
Negendank, J. (1974). Trier und Umgebung. Sammlung Geologischer Führer
Band 60. Gebrüder Borntraeger. Berlin. 116 pp.
Nolan, K. M. & Hill, B. R. (1990). Storm-runoff generation in the Permanente
Creek drainage basin, west central California – an example of flood-wave
effects on runoff composition. Journal of Hydrology 113, 1990, pp 343-367.
Orghidan, T. (1959). Ein neuer Lebensraum des unterirdischen Wassers: Der
hyporheische Biotop. Archiv für Hydrobiologie 55, pp 392–414.
Silliman, S. E. et al. (1995). Quantifying downflow through creek sediments using
temperature time series: one-dimensional solution incorporating measured
surface temperatures. Journal of Hydrology, 167, 1995, pp 99-119.
Singh, V. P. (2002). Is hydrology kinematic? Hydrological Processes 16, 2002, pp
667-716.
Solinst Homepage (Zugriff am 21.07.2008). Technische Daten Levelogger Gold.
www.solinst.com.
Sophocleous, M. A. (1991). Stream-floodwave propagation through the great
bend alluvial aquifer, Kansas: field measurements and numerical simulations.
Journal of Hydrology 124, 1991, pp 207-228.
Sophocleous, M. A. (2002). Interactions between groundwater and surface water:
the state of the science. Hydrogeology Journal 10(1), pp 52-67.
TK25 (2004). Blatt 6206 Trier-Pfalzel. Landesamt für Vermessung und Geobasisinformation
Rheinland-Pfalz.
Werle, O. (1978). Trier und Umgebung. Sammlung Geographischer Führer Band
11. Gebrüder Borntraeger. Berlin. 228 pp.
Wett, B. et al. (2002). Flood induced infiltration affecting a bank filtrate well an the
River Enns, Austria. Journal of Hydrology 266, 2002, pp 222-234.
Winter, T. C. (1999). Relation of streams, lakes, and wetlands to groundwater flow
systems. Hydrogeology Journal 7(1), pp 28-45.
63

8 Literaturverzeichnis
Woessner, W. W. (2000). Stream and fluvial plain ground water interactions:
rescaling hydrologic thought. Ground Water 38 (3), pp 423-429.
Wondzell, S. M., Swanson, F. J. (1999). Floods, channel change, and the hyporheic
zone. Water Resources Research, Vol. 35, No. 2, pp 555-567.
64

Anlagen

Anlage 1:
Bohrprofile und Ausbaudaten
der GWM TU_01 bis TU_04

m u. GOK (1,57 m NN)
0,0
1,0
Projekt:
Bohrung:
Auftraggeber:
Bohrfirma:
Bearbeiter:
0,36
1,25
1,90
Datum: 19.03.2008 Anlage 1
TU_01
0,36 L, fs, g
1,25 G, ms, gs
1,90 t, u, fs
TU Berlin Rechtswert: 0
Hochwert:
Ansatzhöhe:
Endtiefe:
-0,43
-0,38
0,00
0,65
1,65
1,78
1,90
SEBA -
Abschlußkappe
Stahl
Vollrohr 2" HDPE
Bohrlochdurchmesser
80mm
Filterrohr quer
geschlitzt 2" HDPE
Spitze 2" HDPE
Höhenmaßstab: 1:12 Horizontalmaßstab: 1:12 Blatt 1 von 1
Diplomarbeit Trier
TU_01
Banzhaf
0
1,57m
1,90m

m u. GOK (1,63 m NN)
0,0
1,0
Projekt:
Bohrung:
Auftraggeber:
Bohrfirma:
Bearbeiter:
0,36
0,95
1,70
1,80
Datum: 20.03.2008 Anlage 1
TU_02
0,36 L, fs, g
0,95 G, ms, gs
1,70 t, u, fs
1,80 G, t
TU Berlin Rechtswert: 0
Hochwert:
Ansatzhöhe:
Endtiefe:
-0,46
-0,41
0,00
0,60
1,60
1,73
1,80
SEBA -
Abschlußkappe
Stahl
Vollrohr 2" HDPE
Bohrlochdurchmesser
80mm
Filterrohr quer
geschlitzt 2" HDPE
Spitze 2" HDPE
Höhenmaßstab: 1:12 Horizontalmaßstab: 1:12 Blatt 1 von 1
Diplomarbeit Trier
TU_02
Banzhaf
0
1,63m
1,80m

m u. GOK (1,61 m NN)
0,0
1,0
Projekt:
Bohrung:
Auftraggeber:
Bohrfirma:
Bearbeiter:
0,38
0,80
1,65
1,80
Datum: 19.03.2008 Anlage 1
TU_03
0,38 L, fs, g
0,80 G, ms, gs
1,65 t, u, fs
1,80 G, t
TU Berlin Rechtswert: 0
Hochwert:
Ansatzhöhe:
Endtiefe:
-0,45
-0,40
0,00
0,60
1,60
1,73
1,80
SEBA -
Abschlußkappe
Stahl
Vollrohr 2" HDPE
Bohrlochdurchmesser
80mm
Filterrohr quer
geschlitzt 2" HDPE
Spitze 2" HDPE
Höhenmaßstab: 1:12 Horizontalmaßstab: 1:12 Blatt 1 von 1
Diplomarbeit Trier
TU_03
Banzhaf
0
1,61m
1,80m

m u. GOK (1,59 m NN)
0,0
1,0
2,0
Projekt:
Bohrung:
Auftraggeber:
Bohrfirma:
Bearbeiter:
0,43
1,50
2,00
Datum: 20.03.2008 Anlage 1
TU_04
0,43 L, fs, g
1,50 t, u, fs
2,00 G, t
TU Berlin Rechtswert: 0
Hochwert:
Ansatzhöhe:
Endtiefe:
-0,34
-0,29
0,00
1,00
1,80
2,00
2,13
SEBA -
Abschlußkappe
Stahl
Vollrohr 2" HDPE
Bohrlochdurchmesser
80mm
Filterrohr quer
geschlitzt 2" HDPE
Spitze 2" HDPE
Höhenmaßstab: 1:12 Horizontalmaßstab: 1:12 Blatt 1 von 1
Diplomarbeit Trier
TU_04
Banzhaf
0
1,59m
2,00m

Anlage 2:
Technische Daten
Temperaturlogger 3M TL20

Technische Daten Temperaturlogger 3M TL20
Temperaturbereich und Genauigkeit:�
-20 °C bis +30 °C = +/- 0,5 °C
+30 °C bis +60 °C = +/-1 °C�
Auflösung:� 0,1 °C�
Messwertspeicherung:� 12.000�
Meßintervalle in Minuten:� 1 bis 120 min.�
einstellbare Auto-Startverzögerung:� 0 bis 168 Stunden (0 bis 7 Tage)�
manuell-einstellbare Startverzögerung:� 0 bis 240 Minuten (0 bis 4 Stunden)�
Messspeicherkapazität:� 1 bis 360 Tage�
Batteriestandzeit:� ca. 12 Monate - nicht austauschbar�
Spritzwasserschutz:� NEMA 3R�
Größe:� 70 mm x 44 mm x 11 mm�
Gewicht:� 26 g�
Quelle: www.cwaller.de

Anlage 3:
Vor-Ort-Parameter aller Probennahmen

Ort Datum Uhrzeit pH-Wert Eh [mV] O2 [mg/l] Lf [µS/cm] T [°C] GH [°dH] GH [mmol/l] CH [°dH] CH [mmol/l] Bemerkungen
klares Wasser mit leichtem Anteil an
Olewiger Bach 20.03.2008 16:15 7,15 93,5 4,57 186 6,6 5,2 0,95 1,9 0,6 Schwebfracht
Olewiger Bach 03.05.2008 16:30 6,93 302,5 6,67 184 11,5 4,6 0,85 2,4 0,9 klares Wasser
Olewiger Bach 05.05.2008 17:47 7,39 56,9 5,14 245 14 4,6 0,85 2,6 1 klares Wasser
Olewiger Bach 06.05.2008 14:01 7,45 51,4 8,1 226 13,5 5,6 1 3 1,1 klares Wasser
TU_01 20.03.2008 16:32 7,01 70,2 1,44 321 6,7 6,2 1,1 4,2 1,5
starke Trübung des Wassers, GWM
lief schnell leer, Härten nachbestimmt
TU_01 03.05.2008 16:12 6,36 176,1 1,51 306 10,8 7 1,3 3,4
starke Trübung des Wassers, GWM
1,3 lief schnell leer, Härten nachbestimmt
starke Trübung des Wassers, GWM
lief schnell leer, O2 zu hoch --> war
TU_02 20.03.2008 16:42 6,77 81,7 4,2 318 6,8 7,2 1,3 4 1,4 an Luft, Härten nachbestimmt
TU_02 03.05.2008 16:00 6,5 207,5 1,5 316 10,5 8 1,5 3,6 1,35
TU_02 05.05.2008 17:15 6,86 340,8 1,65 318 12,5 7,8 1,4 3,5 1,3
TU_02 06.05.2008 13:48 6,64 70,0 1,54 328 10,6 6,8 1,25 4 1,5
TU_03 20.03.2008 16:49 6,88 80,9 1,64 416 6,9 9,2 1,7 6 2,2
starke Trübung des Wassers, GWM
lief schnell leer, Härten nachbestimmt
starke Trübung des Wassers, GWM
lief schnell leer, Härten nachbestimmt
starke Trübung des Wassers, GWM
lief schnell leer, Härten nachbestimmt
starke Trübung des Wassers, GWM
lief schnell leer, Härten nachbestimmt
TU_03 03.05.2008 15:45 6,92 306,9 2,61 403 11,6 9 1,65 6
starke Trübung des Wassers, GWM
2,2 lief schnell leer, Härten nachbestimmt
weniger trüb als andere GWM --> mit
sehr kleiner Rate kontinuierlich
TU_04 20.03.2008 16:55 6,73 82,9 1,59 339 7,7 8 1,4 5,4 1,9 förderbar, Härten nachbestimmt
TU_04 03.05.2008 15:15 6,64 173,3 1,75 332 9,8 7 1,3 4,3 1,6
Wasser wird während Pumpens klar,
Wasserspiegel nur 2 cm gefallen
TU_04 05.05.2008 17:35 6,63 251,6 1,34 329 9,8 8,2 1,5 4 1,5 Wasser wird während Pumpens klar
TU_04 06.05.2008 13:41 6,68 81,1 3,27 327 10 6,8 1,25 4,3 1,6 Wasser wird während Pumpens klar

Anlage 4:
Laboranalysen und Fehlerbetrachtungen
aller Probennahmen

Analysenwerte
Probe Datum Uhrzeit Cl [mg/l] NO3 [mg/l] SO4 [mg/l] Ca [mg/l] Mg [mg/l] Na [mg/l] K [mg/l] Fe [mg/l] Mn [mg/l]
Olewig 20.03.2008 16:20 17,2 20,1 20,1 12,7 6,04 7,48 1,93 u.B. 0,02
Olewig 05.05.2008 17:47 21,8 16,4 21,0 17,3 9,02 9,82 2,05 u.B. u.B.
Olewig 06.05.2008 14:01 19,1 15,9 20,0 15,6 8,87 9,76 2,00 u.B. u.B.
TU_01 20.03.2008 16:32 37,8 6,93 19,3 27,9 13,7 16,7 1,42 0,08 0,01
TU_01 03.05.2008 16:12 40,3 4,70 21,7 20,4 10,9 16,2 1,81 0,05 0,02
TU_02 20.03.2008 16:42 37,3 5,91 19,1 21,8 12,0 16,2 1,11 0,06 0,01
TU_02 03.05.2008 16:00 39,9 9,29 19,7 27,9 14,5 16,0 1,84 0,05 0,01
TU_02 05.05.2008 17:15 40,6 10,4 19,4 18,9 11,1 18,7 1,95 u.B. 0,80
TU_02 06.05.2008 13:48 39,1 10,3 19,1 18,3 10,8 18,8 4,37 u.B. 0,46
TU_03 20.03.2008 16:49 29,5 5,96 22,7 41,1 13,1 17,0 1,32 0,06 0,63
TU_03 03.05.2008 15:45 40,2 9,05 20,0 36,5 11,6 17,8 2,12 0,05 0,01
TU_04 20.03.2008 16:55 28,9 9,33 19,4 31,9 13,5 16,9 1,10 0,05 0,28
TU_04 03.05.2008 15:15 38,7 10,9 18,5 22,3 12,3 16,9 2,28 0,69 0,51
TU_04 05.05.2008 17:35 38,6 10,8 18,7 20,8 12,0 19,1 0,58 0,57 0,50
TU_04 06.05.2008 13:41 38,3 10,7 18,3 21,3 12,1 19,3 0,61 0,88 0,58
u.B. = unter Bestimmungsgrenze
Fehlerbetrachtung
Probe Datum HCO3 [meg/l] Cl [meq/l] NO3 [meq/l] SO4 [meq/l] Ca [meq/l] Mg [meq/l] Na [meq/l] K [meq/l] Fe [meq/l] Mn [meq/l] Fehler [%]
Olewig 20.03.2008 0,60 0,49 0,32 0,42 0,63 0,50 0,33 0,05 u.B. u.B. -19,4
Olewig 05.05.2008 1,00 0,62 0,26 0,44 0,86 0,74 0,43 0,05 u.B. u.B. -10,5
Olewig 06.05.2008 1,10 0,54 0,26 0,42 0,78 0,73 0,42 0,05 u.B. u.B. -15,2
TU_01 20.03.2008 1,50 1,07 0,11 0,40 1,39 1,12 0,72 0,04 u.B. u.B. 6,36
TU_01 03.05.2008 1,30 1,14 0,08 0,45 1,02 0,90 0,71 0,05 u.B. u.B. -10,2
TU_02 20.03.2008 1,40 1,05 0,10 0,40 1,09 0,99 0,70 0,03 u.B. u.B. -4,52
TU_02 03.05.2008 1,35 1,12 0,15 0,41 1,39 1,19 0,70 0,05 u.B. u.B. 9,27
TU_02 05.05.2008 1,30 1,15 0,17 0,40 0,94 0,92 0,81 0,05 u.B. 0,03 -9,20
TU_02 06.05.2008 1,50 1,10 0,17 0,40 0,91 0,89 0,82 0,11 u.B. 0,02 -14,2
TU_03 20.03.2008 2,20 0,83 0,10 0,47 2,05 1,08 0,74 0,03 u.B. 0,02 8,72
TU_03 03.05.2008 2,20 1,13 0,15 0,42 1,82 0,96 0,77 0,05 u.B. u.B. -7,60
TU_04 20.03.2008 1,90 0,82 0,15 0,40 1,59 1,11 0,73 0,03 u.B. 0,01 6,17
TU_04 03.05.2008 1,60 1,09 0,18 0,38 1,11 1,01 0,74 0,06 0,04 0,02 -8,91
TU_04 05.05.2008 1,50 1,09 0,17 0,39 1,04 0,99 0,83 0,01 0,03 0,02 -7,64
TU_04 06.05.2008 1,60 1,08 0,17 0,38 1,06 1,00 0,84 0,02 0,05 0,02 -8,05

Anlage 5:
Siebkurven für kf-Werte

Siebkurve_TU_01_36-100.XLS
Bestimmung der Korngrößenverteilung Maschenweite Durchgang
mit GEO-Siebsatz 1 (mm) Sieb leer (g) Sieb+Boden (g) Rückstand (g) Durchgang (g) einzeln (gew. %) gesamt (gew. %) Kornfraktionen Anteil (%)
20 476,28 627,79 151,51 71,14 7,49 84,05 Schluff 1,1
Probe TU_01 11,2 455,89 527,03 71,14 74,30 7,82 76,56 Feinsand 4,44
stratigraph. Einheit 6,3 442,55 516,85 74,30 106,43 11,20 68,74 Mittelsand 13,31
Entnahmestelle 0,36-1,0 3,55 424,24 530,67 106,43 125,61 13,22 57,54 Grobsand 25,4
Datum 19. Mrz 08 2 388,94 514,55 125,61 134,40 14,15 44,32 Feinkies 13,22
Bearbeiter Banzhaf 1,12 352,65 487,05 134,40 107,38 11,30 30,17 Mittelkies 15,31
Einwaage mit Schale (g) 1456,09 0,63 327,18 434,56 107,38 75,90 7,99 18,87 Grobkies 0,00
Leergewicht Schale (g) 505,82 0,355 313,95 389,85 75,90 50,52 5,32 10,88
Einwaage netto (g) 950,27 0,2 284,48 335,00 50,52 23,50 2,47 5,56 Parameter
Summe Fraktionen (g) 950,05 0,112 280,50 304,00 23,50 18,72 1,97 3,09 d10 0,33
Summe Fraktionen (%) 99,98 0,063 273,53 292,25 18,72 10,64 1,12 1,12 d60 4,00
Siebdurchgang in Gewicht - %
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
Auffang 186,58 197,22 10,64 0,00 0,00
Summe 950,05 798,54 84,05
Ton fein Schluff grob fein Sand grob fein Kies grob
100,00
U 12,1
Porosität 28,8
kf (m/s)
nach BEYER 7,82E-04
nach HAZEN 1,26E-03
nach ZIESCHGANG 9,79E-04
0,00
0,001 0,01 0,1 1 10 [mm] 100

Siebkurve_TU_03_38-80.XLS
Bestimmung der Korngrößenverteilung Maschenweite Durchgang
mit GEO-Siebsatz 1 (mm) Sieb leer (g) Sieb+Boden (g) Rückstand (g) Durchgang (g) einzeln (gew. %) gesamt (gew. %) Kornfraktionen Anteil (%)
20 476,31 528,91 52,60 22,51 4,71 88,99 Schluff 9,2
Probe TU_03 11,2 455,94 478,45 22,51 25,61 5,36 84,28 Feinsand 15,23
stratigraph. Einheit 6,3 442,40 468,01 25,61 28,13 5,89 78,93 Mittelsand 20,96
Entnahmestelle 0,38-0,8 3,55 424,26 452,39 28,13 35,79 7,49 73,04 Grobsand 20,1
Datum 19. Mrz 08 2 388,90 424,69 35,79 47,42 9,92 65,55 Feinkies 7,49
Bearbeiter Banzhaf 1,12 352,63 400,05 47,42 48,74 10,20 55,63 Mittelkies 10,07
Einwaage mit Schale (g) 836,41 0,63 327,14 375,88 48,74 42,22 8,83 45,43 Grobkies 0,00
Leergewicht Schale (g) 358,69 0,355 313,86 356,08 42,22 57,98 12,13 36,60
Einwaage netto (g) 477,72 0,2 284,48 342,46 57,98 41,09 8,60 24,47 Parameter
Summe Fraktionen (g) 477,94 0,112 280,52 321,61 41,09 31,72 6,64 15,87 d10 0,06
Summe Fraktionen (%) 100,05 0,063 273,51 305,23 31,72 44,13 9,23 9,23 d60 1,60
Siebdurchgang in Gewicht - %
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
Auffang 186,62 230,75 44,13 0,00 0,00
Summe 477,94 425,34 88,99
Ton fein Schluff grob fein Sand grob fein Kies grob
100,00
U 27,6
Porosität 27,6
kf (m/s)
nach BEYER 2,04E-05
nach HAZEN 3,90E-05
nach ZIESCHGANG 2,69E-05
0,00
0,001 0,01 0,1 1 10
[mm]
100

Siebkurve_TU_04_150-190.XLS
Bestimmung der Korngrößenverteilung Maschenweite Durchgang
mit GEO-Siebsatz 1 (mm) Sieb leer (g) Sieb+Boden (g) Rückstand (g) Durchgang (g) einzeln (gew. %) gesamt (gew. %) Kornfraktionen Anteil (%)
20 476,32 727,09 250,77 122,56 13,23 72,93 Schluff 1,5
Probe TU_04 11,2 455,93 578,49 122,56 106,48 11,50 59,69 Feinsand 4,30
stratigraph. Einheit 6,3 442,38 548,86 106,48 114,70 12,38 48,20 Mittelsand 6,21
Entnahmestelle 1,5-1,9 3,55 424,22 538,92 114,70 103,18 11,14 35,81 Grobsand 12,7
Datum 20. Mrz 08 2 388,84 492,02 103,18 70,32 7,59 24,67 Feinkies 11,14
Bearbeiter Banzhaf 1,12 352,63 422,95 70,32 47,24 5,10 17,08 Mittelkies 24,73
Einwaage mit Schale (g) 1501,14 0,63 327,14 374,38 47,24 33,43 3,61 11,98 Grobkies 0,00
Leergewicht Schale (g) 574,88 0,355 313,94 347,37 33,43 24,13 2,61 8,37
Einwaage netto (g) 926,26 0,2 284,46 308,59 24,13 21,80 2,35 5,77 Parameter
Summe Fraktionen (g) 926,23 0,112 280,53 302,33 21,80 17,99 1,94 3,41 d10 0,46
Summe Fraktionen (%) 100,00 0,063 273,55 291,54 17,99 13,63 1,47 1,47 d60 11,20
Siebdurchgang in Gewicht - %
90,00
80,00
70,00
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
Auffang 186,65 200,28 13,63 0,00 0,00
Summe 926,23 675,46 72,93
Ton fein Schluff grob fein Sand grob fein Kies grob
100,00
U 24,3
Porosität 27,7
kf (m/s)
nach BEYER 1,32E-03
nach HAZEN 2,45E-03
nach ZIESCHGANG 1,63E-03
0,00
0,001 0,01 0,1 1 10 [mm] 100