Skip to main content
SpringerLink
Log in

Verteilung anthropogen eingetragener Stoffe im Grundwasser: Ein Fallbeispiel aus der Nordschweiz

Spatial distribution of anthropogenic inputs into groundwater: a case study

  • Fachbeitrag
  • Published:
Grundwasser Aims and scope Submit manuscript

Zusammenfassung

Im Wassergewinnungsgebiet Hardwald werden rund 15 Mio. m3/a Trinkwasser produziert. Es finden sich jedoch Spuren von chlorierten organischen Verbindungen im Grundwasser. Als Fallstudie werden hier die Ergebnisse von Feld- und Laborarbeiten zur Bestimmung der räumlichen Verteilung der chlorierten organischen Verbindungen, der stabilen Wasserisotope (δ18O und δ2D), der Hauptkationen- und -anionen und ausgewählter Spurenstoffe, welche über ein Rheininfiltrat eingetragen werden, vorgestellt. Als Ergebnis der Untersuchungen zeigte sich, dass die künstliche Rheinwasserinfiltration ganz entscheidend zur Trinkwassersicherheit beiträgt und das entnommene Grundwasser vorwiegend der chemischen Signatur des infiltrierten Rheinwassers entspricht. Jedoch zeigt sich auch, dass durch die über die Fläche ungleichmäßig verteilte Infiltration vor allem eine Beimischung von Muschelkalkwasser in süd-westlichen Bereichen des Untersuchungsgebiets wahrscheinlich ist. Diese Interpretation wird durch die Verteilung der chlorierten organischen Verbindungen, Hauptkationen- und -anionen, stabilen Wasserisotopen und Spurenstoffen gestützt. Trotz der hier vorhandenen komplexen Randbedingungen wird durch das Zusammenspiel von künstlicher Infiltration und Entnahme eine sichere Trinkwasserversorgung ermöglicht.

Abstract

At the Hardwald study site, Switzerland, 15 million cubic metres per year of drinking water is being pumped. Chlorinated compounds, however, have been detected in the groundwater. We present results from field sampling and lab analyses to determine the spatial distribution of chlorinated organic compounds, stable water isotopes (δ18O und δ2D), major ions as well as selected micropollutants, which enter the groundwater by artificial recharge. We demonstrate that artificial groundwater recharge is essential for water security and that the pumped groundwater has a close chemical signature to that of the recharged river water. However, due to the heterogeneous infiltration, Muschelkalk water from the regional flow system is mixed with the recently infiltrated water in the south-west.This interpretation is based on the spatial distribution of chlorinated organic compounds, stable water isotopes, major ions as well as selected micropollutants. Despite the complex boundary conditions, the interaction between artificial recharge and pumping provides a secure drinking water supply.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Log in via an institution

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Institutional subscriptions

Abb. 1
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4
Abb. 5

Literatur

  • Asano, T., Cotruvo, J.A.: Groundwater recharge with reclaimed municipal wastewater: health and regulatory considerations. Water Res 38(8), 1941–1951 (2004)

    Article  Google Scholar 

  • Auckenthaler, A., Baenninger, D., Affolter, A., Zechner, E., Huggenberger, P.: Drinking water production close to contaminant sites: a case study from the region of Basel, Switzerland. 7th Groundwater Quality, Zurich, 13–18 June 2010. Bd. 342. IAHS Publ, Wallingford, S. 167–170 (2010)

    Google Scholar 

  • Auckenthalter, A., von Gunten, U.: Gesamtsynthese – Regionale Wasserversorgung Basel-Landschaft BL 21., Liestal, Dübendorf (2016) https://www.baselland.ch/politik-und-behorden/direktionen/bau-und-umweltschutzdirektion/umweltschutz-energie/wasser/wasserversorgung/publikationen

  • AUG (Angewandte und Umweltgeologie der Universität Basel): Grundwassermodell Unteres Birstal – Rhein – Muttenz: Evaluation der Zuströmbereiche der Trinkwasserfassungen Muttenz und Hardwasser AG. Report BGA BL-155. AUG, Basel (2010)

    Google Scholar 

  • Baillieux, A., Moeck, C., Perrochet, P., Hunkeler, D.: Assessing groundwater quality trends in pumping wells using spatially varying transfer functions. Hydrogeol. J. 23(7), 1449–1463 (2015). https://doi.org/10.1007/s10040-015-1279-5

    Article  Google Scholar 

  • Clark, J.F., Hudson, G.B., Davisson, M.L., Woodside, G., Herndon, R.: Geochemical imaging of flow near an artificial recharge facility, Orange County, California. Ground Water. 42(2), 167–174 (2004). https://doi.org/10.1111/j.1745-6584.2004.tb02665.x

    Article  Google Scholar 

  • Demlie, M., Wohnlich, S., Ayenew, T.: Major ion hydrochemistry and environmental isotope signatures as a tool in assessing groundwater occurrence and its dynamics in a fractured volcanic aquifer system located within a heavily urbanized catchment, central Ethiopia. J. Hydrol. 353(1–2), 175–188 (2008). https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2008.02.009

    Article  Google Scholar 

  • Diamond, M.L., Hodge, E.: Urban contaminant dynamics: from source to effect. Environ. Sci. Technol. 41(11), 3796–3800 (2007). https://doi.org/10.1021/es072542n

    Article  Google Scholar 

  • Dillon, P.: Future management of aquifer recharge. Hydrogeol. J. 13(1), 313–316 (2005). https://doi.org/10.1007/s10040-004-0413-6

    Article  Google Scholar 

  • Epting, J., Huggenberger, P., Radny, D., Hammes, F., Hollender, J., Page, R.M., Weber, S., Bänninger, D., Auckenthaler, A.: Spatiotemporal scales of river-groundwater interaction—the role of local interaction processes and regional groundwater regimes. Sci. Total Environ. 618, 1224–1243 (2018). https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.09.219

    Article  Google Scholar 

  • Fletcher, T.D., Andrieu, H., Hamel, P.: Understanding, management and modelling of urban hydrology and its consequences for receiving waters: a state of the art. Adv. Water. Resour. 51, 261–279 (2013). https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2012.09.001

    Article  Google Scholar 

  • Gabriel, T., Meier, T.: Infobroschüre Herausforderung der Trinkwassergewinnung aus Flussinfiltraten. Hardwasser AG, Muttenz (2014)

    Google Scholar 

  • Gasser, G., Pankratov, I., Elhanany, S., Glazman, H., Lev, O.: Calculation of wastewater effluent leakage to pristine water sources by the weighted average of multiple tracer approach. Water Resour. Res. 50(5), 4269–4282 (2014). https://doi.org/10.1002/2013wr014377

    Article  Google Scholar 

  • Gechter, D.: Genesis and shapes of salt and gypsum solution cavities created by density-driven groundwater flow. Universität Basel, Basel, S. 134 (2008). Dissertation

    Google Scholar 

  • van Geldern, R., Kolb, A., Baier, A., Barth, J.A.C.: Stabile Isotope als Tracer zur Bestimmung der Abstandsgeschwindigkeit in Trinkwassergewinnungsbrunnen aus Uferfiltrat. Grundwasser 20(3), 169–179 (2015). https://doi.org/10.1007/s00767-015-0296-6

    Article  Google Scholar 

  • Greskowiak, J., Prommer, H., Massmann, G., Johnston, C.D., Nützmann, G., Pekdeger, A.: The impact of variably saturated conditions on hydrogeochemical changes during artificial recharge of groundwater. Appl. Geochem. 20(7), 1409–1426 (2005). https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2005.03.002

    Article  Google Scholar 

  • Grischek, T., Nestler, W., Piechniczek, D., Fischer, T.: Urban groundwater in Dresden, Germany. Hydrogeol. J. 4(1), 48–63 (1996). https://doi.org/10.1007/s100400050088

    Article  Google Scholar 

  • Grünheid, S., Amy, G., Jekel, M.: Removal of bulk dissolved organic carbon (DOC) and trace organic compounds by bank filtration and artificial recharge. Water Res. 39(14), 3219–3228 (2005)

    Article  Google Scholar 

  • Gürler, B., Hauber, L., Schwander, M.: Die Geologie der Umgebung von Basel mit Hinweisen über die Nutzungsmöglichkeiten der Erdwärme. Beiträge zur Geologischen Karte der Schweiz (1987)

    Google Scholar 

  • Hendricks Franssen, H.J., Kaiser, H.P., Kuhlmann, U., Bauser, G., Stauffer, F., Müller, R., Kinzelbach, W.: Operational real-time modeling with ensemble Kalman filter of variably saturated subsurface flow including stream-aquifer interaction and parameter updating. Water Resour. Res. (2011). https://doi.org/10.1029/2010WR009480

    Article  Google Scholar 

  • Henzler, A.F., Greskowiak, J., Massmann, G.: Modeling the fate of organic micropollutants during river bank filtration (Berlin, Germany). J. Contam. Hydrol. 156, 78–92 (2014). https://doi.org/10.1016/j.jconhyd.2013.10.005

    Article  Google Scholar 

  • Hollender, J., Zimmermann, S.G., Koepke, S., Krauss, M., McArdell, C.S., Ort, C., Singer, H., von Gunten, U., Siegrist, H.: Elimination of organic micropollutants in a municipal wastewater treatment plant upgraded with a full-scale post-ozonation followed by sand filtration. Environ. Sci. Technol. 43(20), 7862–7869 (2009). https://doi.org/10.1021/es9014629

    Article  Google Scholar 

  • Howard, K.W., Israfilov, R.G.: Current problems of hydrogeology in urban areas, urban agglomerates and industrial centres Bd. 8. Springer, Heidelberg, Berlin, New York (2012)

    Google Scholar 

  • Huntscha, S., Singer, H.P., McArdell, C.S., Frank, C.E., Hollender, J.: Multiresidue analysis of 88 polar organic micropollutants in ground, surface and wastewater using online mixed-bed multilayer solid-phase extraction coupled to high performance liquid chromatography—tandem mass spectrometry. J. Chromatogr. A. 1268, 74–83 (2012). https://doi.org/10.1016/j.chroma.2012.10.032

    Article  Google Scholar 

  • Martín del Campo, M.A., Esteller, M.V., Expósito, J.L., Hirata, R.: Impacts of urbanization on groundwater hydrodynamics and hydrochemistry of the Toluca Valley aquifer (Mexico). Environ. Monit. Assess. 186(5), 2979–2999 (2014). https://doi.org/10.1007/s10661-013-3595-3

    Article  Google Scholar 

  • Massmann, G., Sultenfuss, J., Dunnbier, U., Knappe, A., Taute, T., Pekdeger, A.: Investigation of groundwater a residence times during bank filtration in Berlin: multi-tracer approach. Hydrol. Process. 22(6), 788–801 (2008). https://doi.org/10.1002/hyp.6649

    Article  Google Scholar 

  • Minnig, M., Moeck, C., Radny, D., Schirmer, M.: Impact of urbanization on groundwater recharge rates in Dübendorf, Switzerland. J. Hydrol. (2018). https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2017.09.058

    Article  Google Scholar 

  • Moeck, C., Radny, D., Borer, P., Rothardt, J., Auckenthaler, A., Berg, M., Schirmer, M.: Multicomponent statistical analysis to identify flow and transport processes in a highly-complex environment. J. Hydrol. 542, 437–449 (2016). https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2016.09.023

    Article  Google Scholar 

  • Moeck, C., Affolter, A., Radny, D., Dressmann, H., Auckenthaler, A., Huggenberger, P., Schirmer, M.: Improved water resource management for a highly complex environment using three-dimensional groundwater modelling. Hydrogeol. J. (2017a). https://doi.org/10.1007/s10040-017-1640-y

    Article  Google Scholar 

  • Moeck, C., Radny, D., Auckenthaler, A., Berg, M., Hollender, J., Schirmer, M.: Estimating the spatial distribution of artificial groundwater recharge using multiple tracers. Isotopes Environ. Health Stud. 53(5), 484–499 (2017b). https://doi.org/10.1080/10256016.2017.1334651

    Article  Google Scholar 

  • Moeck, C., Radny, R., Popp, A., Brennwald, M., Stoll, S., Auckenthaler, A., Berg, M., Schirmer, M.: Characterization of a managed aquifer recharge system using multiple tracers. Sci. Total Environ. 609, 701–714 (2017c). https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.07.211

    Article  Google Scholar 

  • Moeck, C., Radny, D., Stoll, S., Rothardt, J., Affolter, A., Hugenberger, P., Auckenthalter, A., Hollender, J., Berg, M., Schirmer, M.: Multivariate Statistik zur Optimierung des Wasserressourcenmanagements im Hardwald. Aqua Gas 2, 14–20 (2017d)

    Google Scholar 

  • Musolff, A., Leschik, S., Möder, M., Strauch, G., Reinstorf, F., Schirmer, M.: Temporal and spatial patterns of micropollutants in urban receiving waters. Environ. Pollut. 157(11), 3069–3077 (2009). https://doi.org/10.1016/j.envpol.2009.05.037

    Article  Google Scholar 

  • Pearson, J., Balderer, F.J., Loosli, W., Lehmann, H.H., Matter, B.E., Peters, A., Schmassmann, T., Gautschi, H.: Applied isotope hydrogeology—A case study in northern Switzerland. Studies in Environmental Sciences, Bd. 43. Elsevier, Amsterdam (1991)

    Google Scholar 

  • Penckwitt, J., Van Geldern, R., Hagspiel, B., Packebusch, B., Mahr, A., Burkhardt, K., Barth, J.A.C.: Quantification of groundwater infiltration into urban sewer systems using stable isotopes. Grundwasser 21(3), 217–225 (2016). https://doi.org/10.1007/s00767-015-0310-z

    Article  Google Scholar 

  • Ruff, M., Singer, H., Ruppe, S., Mazacek, J., Dolf, R., Leu, C.: 20 Jahre Rheinüberwachung. Erfolge und analytische Neuausrichtung in Weil am Rhein. Aqua Gas 5, 16–25 (2013)

    Google Scholar 

  • Ruff, M., Mueller, M.S., Loos, M., Singer, H.P.: Quantitative target and systematic non-target analysis of polar organic micro-pollutants along the river Rhine using high-resolution mass-spectrometry—identification of unknown sources and compounds. Water Res. 87, 145–154 (2015). https://doi.org/10.1016/j.watres.2015.09.017

    Article  Google Scholar 

  • Schirmer, M., Leschik, S., Musolff, A.: Current research in urban hydrogeology—a review. Adv. Water. Resour. 51, 280–291 (2013). https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2012.06.015

    Article  Google Scholar 

  • Spottke, I., Zechner, E., Huggenberger, P.: The southeastern border of the Upper Rhine Graben: a 3D geological model and its importance for tectonics and groundwater flow. Int. J. Earth. Sci. 94(4), 580–593 (2005). https://doi.org/10.1007/s00531-005-0501-4

    Article  Google Scholar 

  • Vázquez-Suñé, E., Sánchez-Vila, X., Carrera, J.: Introductory review of specific factors influencing urban groundwater, an emerging branch of hydrogeology, with reference to Barcelona, Spain. Hydrogeol. J. 13(3), 522–533 (2005)

    Article  Google Scholar 

Download references

Danksagung

Diese Studie wurde im Rahmen des Projekts Regionale Wasserversorgung Basel-Landschaft 21 durchgeführt. Wir bedanken uns beim Amt für Umweltschutz und Energie Basel-Landschaft und der Hardwasser AG für die Bereitstellung von Daten und Infrastruktur und für die angenehme Zusammenarbeit. Wir danken Judith Rothardt, Heinz Singer, Paul Borer, Sebastian Stoll, Reto Britt (Eawag) und Marcel Beck (Amt für Lebensmittelsicherheit und Veterinärwesen) für Unterstützung während der Feldarbeit, chemische Analysen und Diskussion der Ergebnisse.

Author information

Authors and Affiliations

  1. Eawag: Das Wasserforschungs-Institut des ETH-Bereichs, Dübendorf, Schweiz

    Christian Moeck, Dirk Radny, Juliane Hollender, Michael Berg & Mario Schirmer

  2. BfG, Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz, Deutschland

    Dirk Radny

  3. Angewandte und Umweltgeologie (AUG), Universität Basel, Basel, Schweiz

    Peter Huggenberger & Annette Affolter

  4. Amt für Umweltschutz und Energie Basel-Landschaft, Liestal, Schweiz

    Adrian Auckenthaler

  5. Institut für Biogeochemie und Schadstoffdynamik, ETH Zürich, Zürich, Schweiz

    Juliane Hollender

  6. Centre d’Hydrogéologie et de Géothermie (CHYN), Université de Neuchâtel, Neuchâtel, Schweiz

    Mario Schirmer

Authors
  1. Christian Moeck
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  2. Dirk Radny
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  3. Peter Huggenberger
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  4. Annette Affolter
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  5. Adrian Auckenthaler
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  6. Juliane Hollender
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  7. Michael Berg
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  8. Mario Schirmer
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

Corresponding author

Correspondence to Christian Moeck.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Check for updates. Verify currency and authenticity via CrossMark

Cite this article

Moeck, C., Radny, D., Huggenberger, P. et al. Verteilung anthropogen eingetragener Stoffe im Grundwasser: Ein Fallbeispiel aus der Nordschweiz. Grundwasser 23, 297–309 (2018). https://doi.org/10.1007/s00767-018-0403-6

Download citation

  • Received:

  • Revised:

  • Accepted:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00767-018-0403-6

Keywords

Search

Navigation