Für viele Stadtwerke und Wasserversorger in Deutschland ist die künstliche Grundwasseranreicherung seit Jahrzehnten ein zentrales Standbein der Trinkwassergewinnung. Am Rhein, an der Ruhr, an der Elbe und zahlreichen anderen Flüssen wird Uferfiltrat oder aufbereitetes Oberflächenwasser gezielt in den Untergrund eingebracht, um den Speicher im Aquifer aufzufüllen und eine ausreichende, qualitativ hochwertige Wasserversorgung zu sichern.
Das Prinzip funktioniert – aber die Frage, was genau im Untergrund geschieht, war bislang nur mit erheblichem Aufwand zu beantworten. Eine neue Methode, die Forscher des Schweizer Wasserforschungsinstituts Eawag in der Fachzeitschrift "Nature Water" veröffentlicht haben, könnte das ändern.
Das Thema wird immer wichtiger. Der Druck auf die Ressource Grundwasser infolge des Klimawandels und wachsender Nutzungsansprüche aus Trinkwasserversorgung, Landwirtschaft, Industrie und Energiegewinnung steigt und macht ein präziseres Monitoring der Grundwasseranreicherung notwendiger denn je.
Rechtliche Anforderungen
Wer künstlich angereicherte Grundwasservorkommen als Trinkwasserquelle nutzt, muss sicherstellen, dass das infiltrierte Wasser lange genug im Boden verweilt. Der Grund liegt im Wasserrecht und in den hygienischen Anforderungen der Trinkwasserverordnung.
Die natürliche Filtration und der mikrobielle Abbau von Schadstoffen und Krankheitserregern im Boden sind nur dann wirksam, wenn das Wasser eine Mindestpassagezeit durchläuft. Wer diese Zeit nicht belegen kann, hat ein Nachweisproblem – gegenüber Behörden, Gutachtern und im Zweifelsfall auch vor Gericht.
Genau hier liegt der kritische Punkt, den die neue Methode adressiert. Das Eawag-Forschungsteam hat gezeigt, dass sich mithilfe von Umwelttracern, die über das Kühlwasser von Kernkraftwerken in Flüsse gelangen, Verweilzeiten, Neubildungsraten und Fließprozesse im Untergrund präzise bestimmen lassen. Der eingesetzte Tracer ist Tritium – ein leicht radioaktives Wasserstoffisotop, das in Flüssen entlang kernkraftwerksreicher Flussabschnitte in messbaren Mengen vorhanden ist.
Wie die Methode funktioniert
Die Forschenden haben dazu über Monate hinweg regelmäßig Wasserproben entnommen – teils täglich, teils wöchentlich – und zwar sowohl aus dem Rhein als auch aus den Grundwassermessstellen im Schweizer Testgebiet. In diesen Proben haben sie die Tritiumkonzentration sowie weitere natürliche Isotope gemessen.
Da das Flusswasser und das Grundwasser unterschiedliche Konzentrationen dieser Stoffe aufweisen, lässt sich aus den Veränderungen im Zeitverlauf ablesen, wie schnell und auf welchen Wegen das infiltrierte Flusswasser durch den Aquifer wandert.
Mit statistischen Auswerteverfahren haben die Forschenden daraus berechnet, wie lange das Wasser an verschiedenen Punkten des Systems unterwegs ist – und konnten so ein vollständiges Bild der Fließwege und Transportzeiten für die gesamte Anreicherungsanlage erstellen.
Das Besondere daran: Tritium wirkt im Aquifer als sogenannter quasi-konservativer Tracer, das heißt, es wird im Untergrund weder abgebaut noch chemisch umgewandelt – es folgt schlicht dem Wasserweg. Da es ohnehin im Flusswasser vorhanden ist, muss es nicht künstlich eingebracht werden. Die Methode ermöglicht eine quantitative Analyse von Transportzeiten und Mischprozessen, ohne künstliche Tracer verwenden zu müssen.
Das ist ein fundamentaler Unterschied zu bisherigen Verfahren, bei denen spezifische Chemikalien oder Fluoreszenzfarbstoffe in den Aquifer injiziert werden mussten. Solche Versuche sind aufwendig, genehmigungspflichtig, teuer in der Durchführung und liefern letztlich nur eine Momentaufnahme. Die neue Methode hingegen setzt auf ein kontinuierliches Monitoring natürlicher Signale im Flusswasser und im Grundwasser – und kann so ein deutlich vollständigeres Bild der Fließdynamik liefern.
Vorteile im Betrieb
Für Versorger, die Grundwasseranreicherungsanlagen betreiben, ergibt sich aus dieser Methode eine Reihe konkreter Vorteile. Erstens schafft sie Sicherheit beim Nachweis der gesetzlich vorgeschriebenen Filtrationsdauer. Wer präzise Verweilzeiten belegen kann, ist in der Lage, den hygienischen Schutz seines Trinkwassers gegenüber Aufsichtsbehörden transparent und nachvollziehbar darzustellen. Das ist besonders relevant in Zeiten, in denen Extremereignisse wie Starkregenereignisse oder Dürren die Fließdynamik im Aquifer verändern und bestehende Schutzkonzepte unter Druck setzen.
Zweitens erlaubt die Methode eine fundierte Optimierung des Anlagenbetriebs. Planung, Betrieb und Optimierung von Grundwasseranreicherungssystemen können durch die gewonnenen Erkenntnisse verbessert sowie Schutzgebiete für Trinkwasserbrunnen fundierter abgegrenzt werden. Wer weiß, wie sich das Wasser im Untergrund bewegt, kann Infiltrations- und Entnahmeraten gezielter steuern, Kapazitäten besser ausschöpfen und auf veränderte hydrologische Bedingungen schneller reagieren.
Drittens ermöglicht die Methode eine deutlich bessere Abgrenzung von Wasserschutzgebieten. Bislang beruhten Schutzzonenfestlegungen häufig auf hydrogeologischen Modellen, die mit erheblicher Unsicherheit behaftet waren. Tracerdaten, die reale Transportpfade und -zeiten abbilden, liefern eine deutlich robustere Grundlage – was bei Konflikten mit benachbarten Landnutzungen, etwa der Landwirtschaft, argumentativ entscheidend sein kann.
Viertens ist die Methode nicht-invasiv und verursacht keine Betriebsunterbrechungen. Klassische Tracerversuche erfordern oft das temporäre Abschalten von Pumpbetrieb oder das gezielte Einbringen von Substanzen, was den laufenden Betrieb einer Wassergewinnungsanlage erheblich stören kann. Das Tritium-Monitoring hingegen läuft parallel zum regulären Betrieb und erfordert lediglich eine regelmäßige Beprobung von Fluss- und Brunnenwasser.
Gute Datenbasis
Ein zentraler Aspekt der Methode ist ihre geografische Übertragbarkeit. In Deutschland gibt es an Flüssen wie dem Rhein, der Weser, der Isar oder dem Neckar zahlreiche Wassergewinnungsanlagen, die auf Uferfilterationseffekte oder aktive Grundwasseranreicherung setzen. In diesen Gewässern sind Tritiumsignale aus dem Kühlwasserbetrieb von Kernkraftwerken oder früheren kerntechnischen Einrichtungen nachweisbar.
Langzeitzeitreihen von Tritium im Niederschlag an 37 Standorten und im Oberflächenwasser an 53 Standorten in Deutschland stehen als Datenbasis bereits zur Verfügung – ein gutes Fundament für die Anwendung der Eawag-Methode hierzulande. Entlang der Ufer vieler großer Flusseinzugsgebiete weltweit gibt es ähnliche Rahmenbedingungen.
