Hydrochemische Untersuchungen

Die in natürlichen Wässern zu beobachtenden erhöhten Gehalte an chemischen Verbindungen haben ihre Ursache nicht nur in der natürlichen geochemischen Beschaffenheit des Untergrundes, sondern geben auch Hinweise auf anthropogene Beeinflussungen.

Am 29. März 2004 wurden -- zur Ermittlung der hydrogeologischen Parameter -- aus dem im Untersuchungsgebiet 6608 m langen Hembach und aus dem 3268 m langen Höllenbach (sowie aus zwei Bohrungen als "Nullbrunnen" im Oberlauf dieser beiden Fließgewässer) an insgesamt 15 Probenahmepunkten (Meßstellen M 01 - M 15) Bachsediment- und Wasserproben entnommen.

Karte der Probenahme- und Messpunkte im Hembachgebiet

Die Bachsedimente wurden bei +110°C getrocknet, auf Korngrößen <0,2 mm abgesiebt, mittels einer Achatmühle auf Korngrößen <63 µm zerkleinert, in Schmelztabletten überführt und mittels Röntgenfluoreszenz auf 37 Elemente analysiert.

Zur hydrochemischen Untersuchung des Hembachs und des Höllenbachs wurden am 29. März 2004 -- zusammen mit Studentinnen und Studenten des Instituts für Geologie und Mineralogie der FAU Erlangen -- Messungen auf die physikalischen Vor-Ort-Parameter sowie auf chemische Leit- und Summenparameter durchgeführt.

Geländeaufnahme im März 2004 Geländeaufnahme im März 2004

Dieser 29. März 2004 war ein wolkenloser, sonniger und relativ kühler Frühlingstag mit Lufttemperaturen von +8°C bis +13,5°C. Im März 2004 waren bis zu diesem Stichtag nur rund 23 mm Niederschlag gefallen, so daß ein übermäßiger Eintrag von anthropogenen Oberflächenkontaminationen wie z.B. Gülle in die Grund- und Oberflächenwässer nicht gegeben war; die an diesem Tag beobachteten hydrologischen Gegebenheiten dürften somit den durchschnittlichen Verhältnissen im Hembachgebiet nahekommen.

"Vor-Ort-Wasserparameter"

Die Bestimmung der Vor-Ort-Parameter:

erfolgte mit WTW-Präzisionsmeßgeräten unter Verwendung geeichter Elektroden. Die Meßgeräte wurden unmittelbar vor dem Einsatz sowie im Tagesverlauf nachkalibriert.

elektrische Leitfähigkeit

Die elektrische Leitfähigkeit gilt als ein Maß für die Gesamtheit der in einer Probe gelösten Elektrolyte. In fränkischen Grundwässern sind geogen bedingte Leitfähigkeiten zwischen 300 µS/cm und 600 µS/cm bekannt. Höhere Werte >750 µS/cm deuten auf anthropogene Einflüsse hin. Die Trinkwassergrenze liegt bei 2000 µS/cm.

Messwerte spez. elektrische Leitfähigkeit im Hembachgebiet

Die Leitfähigkeitsmeßwerte in den Grundwasserbohrungen M 02 und M 15 sind mit 109 bzw. 130 µS/cm sehr niedrig und zeigen ein nur gering mit Wasserinhaltsstoffen behaftetes Wasser an. In den beiden Fließgewässern erhöhen sich die Meßwerte auf das zwei- bis dreifache, wobei dieser Anstieg vor allem im Quellbereich des Höllenbaches sehr markant ist.

Grund- und Oberflächenwassertemperaturen

Die Messungen der Wassertemperaturen in den Bohrungen sowie in den Fließgewässern des Untersuchungsgebietes erbrachten unterschiedlich erscheinende Ergebnisse: Während in der Bohrung M 15 (an der Höllenbachquelle) das Grundwasser mit einer Temperatur mit +8,1°C einen -- für einen oberflächennahen Aquifer -- normalen Wert aufwies, deutete das Grundwasser in M 02 mit +8,7°C schon auf Zufluß von Oberflächenwasser hin.

Messwerte Wassertemperaturen im Hembachgebiet

Die Oberflächentemperaturen der Fließgewässer zeigten mit +4,8°C bis +6,9°C der Jahreszeit entsprechende Werte. Der Temperaturverlauf des Höllenbachs wies -- aufgrund seines Verlaufes durch dichte Wälder -- einen Abfall von 1,4 K von seiner Quelle bis zur Mündung in den Hembach auf, während jener infolge seines Talverlaufes durch Wiesen und lichte Wälder eine Temperaturerhöhung um 2 K erfuhr.

pH-Werte

Der pH-Wert von unbelastetem Grundwasser sollte im neutralen bzw. sehr schwach sauren oder alkalischen Bereich liegen. Je nach Art der eingebrachten Stoffe können sich die pH-Werte der Wässer deutlich verändern. In natürlichen Wässern wird der pH-Wert meist bedingt durch das Verhältnis zwischen gebundener und freier Kohlensäure; in Moorgebieten kommen noch Huminsäuren hinzu.

Die Flora und Fauna eines Gewässers ist abhängig vom pH-Wert, da viele Organismen saures oder alkalisches Milieu bevorzugen. So bevorzugen Süßwasserfische pH-Werte zwischen 6,0 und 7,5 (KLEE 1998); schon geringe Normabweichungen können für die biologischen Vorgänge im Wasser von ausschlaggebender Bedeutung sein. Der pH-Wert wirkt sich außerdem auf die Wasserlöslichkeit vieler Elemente aus. Die Trinkwassergrenzen liegen im Bereich pH >6,5 bis pH <9,5.

Die in den Grundwässern im Anstrombereich des Hembachgebiets beobachteten pH-Werte liegen mit pH=6 durchweg im sauren Bereich, was den natürlichen Verhältnissen des Grundwassers im Nürnberger Becken entspricht.

pH-Messwerte im Hembachgebiet

Der Hembach weist im Gebiet um Sperberslohe jedoch pH-Werte um 7,5 auf, was vielleicht auf die Kalkung der bachaufwärts gelegenen Fischteiche zurückzuführen ist. Unmittelbar vor der Einmündung des Höllenbaches sinkt sein pH-Wert jedoch auf 5,2 ab: Dieser Punkt ist auch durch das Auftreten großer Mengen aggressiver Kohlensäure gekennzeichnet. Erst im Gebiet südwestlich Furth steigen die Werte wieder auf pH=7,5 an.

Der Höllenbach zeigt ein ähnliches Bild: Von seiner Quelle bis zum Meßpunkt 11 weist er pH-Werte um 7,0 auf. Mit dem Durchfluß der dortigen Karpfenweiher steigt der pH-Wert bis 8,6 an, um dann kurz vor der Mündung in den Hembach auf pH=5,1 abzusinken.

Redoxpotentiale

Das Redoxpotential beschreibt das Konzentrationsverhältnis von oxidierten und reduzierten Stoffen und damit die elektrochemischen Bedingungen im Wasser. Die Potentiale können zwischen +800 mV (stark oxidierendes Milieu) und -300 mV (stark reduzierendes Milieu) variieren. Hohes Potential herrscht im sauerstoffreichen Milieu vor, wobei das Wasser viele oxidierende Verbindungen wie Eisen- und Mangan-Oxide, Nitrat und Sulfat enthält. Niedriges Potential weist auf Sauerstoffmangel hin sowie auf das Vorherrschen von reduzierenden Verbindungen wie Fe2+, Mn2+ oder organischer Substanzen. Als pH-Wert unabhängiges Beurteilungskriterium für das Redoxvermögens eines System wird der rH-Wert herangezogen.

Messwerte der Redoxpotentiale und der rH-Werte im Hembachgebiet

Die Redoxpotentiale zeigen sowohl in den Grundwasserpegeln als auch in den Quellen der beiden Bäche die höchsten Werte. Bezüglich der rH-Werte lassen sich die Wässer sowohl des Hembachs als auch des Höllenbachs als "vorwiegend schwach oxidierend" charakterisieren, wobei die Werte beim Höllenbach insgesamt höher liegen als beim Hembach. Auffällig ist auch ein Ansteigen der Redoxwerte in beiden Bächen jeweils kurz vor ihrem Zusammenfluß: Dies mag im Zusammenhang mit dem in diesem Gebiet beobachteten Auftreten an aggressiver Kohlensäure stehen.

Sauerstoffgehalt und Sauerstoffsättigung

Der Sauerstoffgehalt der Wässer ist u.a. von den biochemischen Umsetzungsprozessen abhängig: Während es in Grundwässern oft als Folge von chemischen und physikalischen Prozessen zu einem Aufzehren des Sauerstoffs kommt, führt bei Oberflächengewässern v.a. der mikrobiologische Abbau von eingetragenen Wasserinhaltsstoffen zu einem Sauerstoffschwund.

Die Sauerstoffsättigung des Wassers ist physikalisch von der Wassertemperatur abhängig: Kaltes Wasser kann (in einer exponentiellen Funktionsweise) mehr Sauerstoff aufnehmen als warmes Wasser. In praxi entscheidend ist somit die Sauerstoffsättigung (% bei Wassertemp.): Sie sollte in Oberflächenwässern hoch (>70%) sein, bei schnell strömenden Fließgewässern kann infolge des Lufteintrages oft eine Sauerstoffübersättigung beobachtet werden. In Grundwässern aus tiefen Aquiferen treten hingegen häufig niedrige Sauerstoffgehalte (<50%) auf, wobei hier oft Eisengehalte über 0,1 mg/l vorkommen, was auf reduzierendes Milieu hindeutet. Höhere Sauerstoffsättigungen bei Grundwässern weisen auf einen Zufluß von wenig filtrierten Oberflächenwasser hin.

Messwerte der Sauerstoffgehalte und der Sauerstoffsättigung im Hembachgebiet

Die in den Grundwässern der beiden Bohrungen M 02 und M 15 im Anstrombereich des Hembachgebiets beobachteten relativ hohen Sauerstoffsättigungen deuten auf Oberflächenwasserzuflüsse in die Aquifere hin: Die enge hydraulische Verbindung zwischen Bächen und Grundwasser ist im Beobachtungsgebiet besonders deutlich ausgeprägt. In den beiden Bächen selbst herrscht infolge der naturbelassenen Gewässermorphologie und vieler kleinerer Wasserfälle nahezu stets Sauerstoff-Übersättigung vor, welche durch ihre oxidierenden Eigenschaften einen schnellen Schadstoffabbau gestattet sowie im Hembach sogar Lebensvoraussetzung für die dort auftretenden Bachforellen ist.

* Dr. A. Baier; last update: Mittwoch, 04. März 2009 23:53