Gadolinium als Umwelttracer anthropogenen Einflusses auf Grundwasser : Oberflächengewässer-Grundwasser-Interaktion

Boester, Uwe; Schwarzbauer, Jan; Rüde, Thomas R.

doi:10.18154/RWTH-2022-03378

Gadolinium als Umwelttracer anthropogenen Einflusses auf Grundwasser : Oberflächengewässer-Grundwasser-Interaktion = Gadolinium as environmental tracer of anthropogenic influence on groundwater : Surface water-groundwater-interaction

Boester, Uwe^RWTH*

2022

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Herrn Uwe Boester, M.Sc. RWTH

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Rüde, Thomas R. (Thesis advisor)^RWTH* ; Schwarzbauer, Jan (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-01-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-03378
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/843757/files/843757.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Gadolinium (frei) ; Karst (frei) ; Langzeittracer (frei) ; Oberflächenwasser-Grundwasser-Interaktion (frei) ; Umwelttracer (frei) ; environmental tracer (frei) ; gadolinium (frei) ; long-term tracer (frei) ; natural background (frei) ; natürlicher Hintergrund (frei) ; surface water - groundwater - interaction (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Gadolinium (Gd) ist ein Element der Gruppe der Seltenen Erden (REE) und wird als Umwelttracer in Oberflächengewässern verwendet. Die Methode basiert darauf, dass eine anthropogene Anreicherung der Gd-Konzentration im Verhältnis zum natürlichen Gd-Hintergrund besteht. Diese Gd-Konzentrationsanomalie beruht auf dem Einsatz von gadoliniumhaltigen Kontrastmitteln in der Magnetresonanztomografie (MRT). Die Medikamente kommen seit den 1980er Jahren zum Einsatz. Die Gd-Komplexe darin werden aufgrund ihrer hohen Stabilität von den Patienten kurz nach ambulanter Behandlung in Krankenhäusern oder zu Hause ausgeschieden. Weil die aktuell eingesetzten Wasseraufbereitungsanlagen die MRT-Kontrastmittel nicht zurückhalten können, führt die Anwendung gadolinium-haltiger Kontrastmittel zu einem direkten anthropogenen Gd-Eintrag in die Oberflächengewässer durch Siedlungsabwasser. Bisher publizierte Untersuchungen betrachten keine zusammenhängenden hydrologisch-hydrogeologischen Systeme. Um dem zu begegnen, wird hier eine Bestimmung der natürlichen Hintergrundkonzentration von Gd in Wasserproben auf lokaler Basis angepasst an die Geologie eingeführt. Zusammen mit statistischen Auswerteverfahren der Messungen (großer Probenumfang) ergibt das eine generalisierbare Methodik, mit der Gd in Abhängigkeit von seinen Hintergrundkonzentrationen als Umwelttracer genutzt werden kann. Dazu wurden in drei Untersuchungsgebieten Wasserproben genommen, die eine Abfolge von hoher Grundwasserfließgeschwindigkeit (bis zu 3.000 m/d) und hoher Gd-Konzentration („Mittelstreu“) über eine mittlere Situation („Eisch“) bis hin zu einem langsam fließenden Grundwassersystem (50 m/a) mit niedrigeren Gd-Konzentrationen („Brombachsee“) umfasst. Beim Untersuchungsgebiet an der Mittelstreu liegt eine direkte Verbindung der Karstquellen (Mittelstreuer Quellen) und des Vorfluters (Streu) über Schwinden im Uferbereich vor. Das an der Schwinde mit Autosamplern beprobte Streuwasser versickert dort und fließt im Karstgrundwasserleiter mit hoher Geschwindigkeit (ca. 2.500 m/d; Korrelation der Gd-Frachtpeaks) den Mittelstreuer Quellen zu, die für die Trinkwasserversorgung genutzt werden. Die Gd-Anomalie ist in den Zeitreihen als wöchentliches Signal der Schwinde gedämpft im Grund- bzw. Quellwasser nachweisbar. Im Sommer kann von einem ca. 20 %-igen Streuwasseranteil und im Winter von einem 5 - 6 %-igen Streuwasseranteil im Quellwasser ausgegangen werden. Dies ist Ergebnis der Auswertung der Gd-Konzentrationen, Gd-Frachten und Gd-Massensummen der Zeitreihen. Die flächenhafte Beprobung ergab spezifische Hintergrundkonzentrationen für Gd im Buntsandstein und dem Muschelkalk (6,6 ng/L und 2,2 ng/L). Der Streuhintergrund ist durch die permanente Einleitung von Gd bereits etwas erhöht (5,2 ng/L) und es scheint so zu sein, dass Oberflächengewässer aufgrund des kontinuierlichen Siedlungsabwassereinflusses den natürlichen Hintergrund nicht mehr widerspiegeln. Im Untersuchungsgebiet Eisch lagen grundwassereffluente Bedingungen vor, sodass die genommenen Wasserproben im Grundwasser kein Gd-Signal zeigten, die Oberflächenwasserproben das konservative Verhalten der Gd-Anomalie allerdings bestätigten und einen Grundwasserzutritt quantifizierbar machten. Das Signal veränderte sich im weiteren Flusslauf der Eisch im Untersuchungsgebiet nur durch Verdünnung aufgrund von einmündenden Nebengewässern und dem Grundwasserzutritt.Der Große Brombachsee weist seit Erreichen seines Stauziels im Jahr 1998 eine Infiltration von Seewasser in die umliegenden Grundwasserleiter auf. Am Nordrand führt das dazu, dass eine Infiltrationsfront, die seit 20 Jahren unterwegs ist, durch die Gd-Anomalie nachverfolgt und in ihrer räumlichen Ausdehnung quantifiziert werden kann. Damit ist das Signal auch über weite Strecken in geringer durchlässigen Festgesteinen (Burgsandstein) im Vergleich zum Karst (Mittelstreu) nachweisbar und Gd umfangreich als Umwelttracer anwendbar. Die Vergleichsanalysen weiterer anthropogener Schadstoffe zeigen, dass nur Acesulfam (beide Standorte), Diclofenac (Mittelstreu) und Koffein (Brombachsee) überhaupt nachgewiesen wurden. Nur Acesulfam ist ausreichend stabil und in einer entsprechenden Peakkonzentration bestimmbar, sodass ein Vergleich mit Gd möglich ist. Aufgrund desselben Eintragpfads verhält sich das Acesulfam ähnlich wie Gd. An der Mittelstreu besteht auch eine Korrelation der beiden Umwelttracer. Am Brombachsee zeigt sich, dass die Langzeitstabilität von Acesulfam nicht gegeben ist. Deshalb ist nach diesem Vergleich die Gd-Anomalie der am sichersten zu bestimmende und räumlich wie zeitlich am besten aufgelöste Umwelttracer unter den betrachteten Stoffen.

Gadolinium (Gd) is an element of the rare earth element (REE) group. It has been used as an environmental tracer in surface waters since 1996. The method is based on the determination of the enrichment of Gd in the environment compared to geological background values. Gd represents a group of contrast agents in magnetic resonance imaging (MRI), which have been emitted into surface waters since the 1980s. Consequently, an anthropogenic enrichment relates to the patients excreting these contrast agents shortly after ambulant medication in hospitals or at home. Sewage treatment is currently unable to hold back Gd from this anthropogenic source. Therefore, the Gd concentration in the receiving channel increases significantly, and it does not only influence surface water but propagates into adjacent groundwater bodies due to its conservative behavior in the environment.As this research focuses on surface water and porous aquifers, however, the anthropogenic Gd-anomaly is a very stable environmental tracer. The investigation of three study sites, which represent a high groundwater velocity and high Gd-concentration case in karst “Mittelstreu” (125 to ca. 3000 m/d), a mid-case “Eisch” and a case with lower groundwater velocities and lower Gd-concentrations in a sandstone aquifer “Brombachsee” (50 m/a). These investigations aim to prove that Gd is a suitable environmental tracer for different usages in solid rock aquifers as well. The karst aquifer study site displays a connection between a river/ponor (input) and three springs (output), which show a Gd anomaly. The sampling of springs and brooks in the vicinity of the karst proved the Gd’s anthropogenic origin. Another study site is situated at the river Eisch in Luxembourg. In this location, the anthropogenic Gd-anomaly in the river is used to determine groundwater dilution of the anthropogenic Gd-Signal in the river over some distance and a groundwater influx diluting the river’s Gd-Signal. The third investigation site shows a different situation. In this case, the anthropogenic Gd-anomaly in the sandstone aquifer originates in a freshwater reservoir filled with river water, leading to the infiltration of the river water’s Gd-signature into the aquifer. The karst and the sandstone aquifer investigation sites display surface water-groundwater interaction and highlight the environmental tracer capabilities of Gd.To quantify the anthropogenic part of the Gd-Signal, natural Gd backgrounds were calculated statistically for each investigation site and at the karst site for surface water and groundwater as well as different aquifer lithologies. The differences between the lithologies and the water types regarding natural Gd-concentrations is the result of a water sampling campaign in the catchment of the springs. Furthermore, two time series were taken at the ponor and the springs, one in summer and one in winter. As a result, the weekly anthropogenic Gd-Signal in surface water and spring water produced Gd-peaks that are correlated between the ponor and the springs. The flux and mass evaluations enable to calculate a distance velocity (2,500 m/d) between the ponor and the springs as well as the surface water share in the spring water (winter: 5%; summer: 20 %). Moreover, the anthropogenic emissions stay the same during the year as the mass-sum is the same in both sampling periods (summer and winter). At the “Brombachsee”, the anthropogenic Gd input reaches the lake in pulses, as the lake system receives only water if the river “Altmühl” experiences flooding. However, the Gd-Signal reaches the northern lake shore and infiltrates the sandstone aquifer (“Mittlerer Burgsandstein” (kmBm)). This signal is traceable over one kilometer into the aquifer at its widest distance to the lake shore. Furthermore, the surface area and hot spots of the infiltration are mapped. In addition to Gd, both sites experienced concentration measurements of five other anthropogenic, organic environmental tracers. Of these, just acesulfame could be correlated to Gd at the “Mittelstreu” without quantification. In the “Brombachsee” area, acesulfame just proves the input path but does not have the environmental stability to reach out into the sandstone aquifer.Finally, Gd represents a conservative, anthropogenic, environmental tracer, that is not interacting with its surroundings and, therefore, stays stable over long periods (20 years, “Brombachsee”). It is measured directly out of the sample and the Gd-anomaly is much higher in the surface waters (2-25 times) so that it can be measured even with high dilution in groundwater. All of this taken into account, Gd is a powerful environmental tracer for surface water - groundwater interaction in solid rock aquifers, even over decades.

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