Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5728
Main Title: Transport and attenuation of particulate matter together with organic micropollutants within karst aquifers
Translated Title: Transport und Attenuation partikularer Substanzen zusammen mit organischen Spurenstoffen in Karstgrundwasserleitern
Author(s): Schiperski, Ferry
Advisor(s): Scheytt, Traugott
Referee(s): Tröger, Uwe
Birk, Steffen
Licha, Tobias
Scheytt, Traugott
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Karst aquifers are intensively used for drinking water production around the world. In some European countries karst water contributes to about 50% of the drinking water supply. In contrast to porous aquifers, particulate matter like clay particles or bacteria is transported over long distances in these aquifers, which results in three main problems and questions related to the transport of particulate matter that are specific for karst aquifers. (1) Microorganisms like bacteria, virus and protozoa, that present a serious health risk are mobile in karst aquifers and are detected frequently and in high concentrations. Factors that influence their transport have rarely been investigated in the field. (2) Turbidity is a cumulative parameter for particulate matter in water and is used as proxy parameter for water quality deterioration of karst springs. Still, there is a lack in a mechanistic understanding of relationships in the occurrence of turbidity and contaminants. Especially the differentiation of different origins of turbidity is of high relevance and great interest. (3) Due to high sediment fluxes in karst aquifers there is a high potential for particle facilitated transport of contaminants like heavy metals, organic chemicals or microorganisms – which, in addition, have a higher survival probability when attached to sediments. The aim of this thesis was to contribute to a process based understanding of the relationship of the occurrence of particulate matter and contaminants at karst springs. Therefore, existing methodical and analytical tools were applied and further developed at a well investigated karst spring in south-west Germany (Gallusquelle, Swabian Alb). In the beginning there was a focus on a detailed investigation of suspended matter at the karst spring shortly after precipitation events. Turbidity is a cumulative parameter and measures a broad spectrum of particle sizes. A previous studiy at a other location has shown, that the particle size distribution (PSD) can be used to differentiate between turbidity originating from the surface and the aquifer and can therefore be used to predict bacterial contamination. However, that study lacks in comparability for its qualitative approach. In this thesis the single parameter b that allows for comparison of PSDs at different times and between different locations is proposed and calculated for about 150 samples. The parameter allows for characterizing and quantifying PSD using a single value, which facilitates, for example, the use of PSDs in multivariate statistical approaches. In our studies the PSD that was determined for a particle size range of 0.5 to 60 mm was not able to differentiate suspended matter of different origin and could therefore not be used to predict bacterial contamination. Yet, validation of the b-value might be worth studying at other karst springs for predicting bacterial contamination. Additional methods that were promising in determining the origin of particulate matter and processes involved in its transport using easy-to-measure parameters were investigated. A method of plotting changes in turbidity and electrical conductivity to observe their hysteresis was therefore applied and further developed. The method was used to derive and differentiate hydro-sedimentary processes like remobilization, sedimentation and direct transport of particles. Source indicating organic micropollutants and hydro-sedimentary processes have, to date, only been studied separately. In this thesis we combined features of both – using a set of more than 50 organic micropollutants – to derive a systematic relationship that allows for predicting potential contamination of karst spring water. The method can easily be adapted to other sites. A basis for establishing and applying proxy parameters that predict the occurrence of microorganisms in karst springs is to examine important factors for their transport and attenuation. Although there are numerous laboratory studies on the transport of colloids and particles, field studies are rare. To determine and evaluate factors that influence the transport and attenuation of particles with different density (latex and silica) and surface charge (neutral and negative) a particle tracer test was conducted at the test site using a set of four 1 mm sized particles. It was shown that the surface charge has significant influence on the attenuation of particles. Differences in particle density had no effect on transport or attenuation. Interestingly, particles have shown higher mean transport velocities than the simultaneously applied fluorescence tracer uranine – their retardation was calculated to 0.98 assuming a ideal transport of uranine.
Weltweit haben Karstgrundwasserleiter eine große Bedeutung für die Trinkwassergewinnung. Einige europäische Staaten beziehen bis zu 50% ihres Trinkwassers aus Karstgrundwasserleitern. Im Gegensatz zur Porengrundwasserleitern sind in diesen Grundwasserleitern auch partikuläre Substanzen wie Tonpartikel oder Bakterien über große Entfernungen mobil. Daraus ergeben sich drei wesentliche, Karst-spezifische Probleme und damit verbundene Fragestellungen. (1) Partikuläre Substanzen wie Bakterien, Viren und Protozoen, deren Auftreten im Wasser ein hohes gesundheitliches Risko darstellt, sind mobil in Karstgrundwasserleitern und werden häufig und in hohen Konzentrationen in Karstquellen detektiert. Einflussgrößen auf deren Transport und Attenuation in Karstgrundwasserleitern sind kaum untersucht. (2) Die Trübe als Summenparameter für die Menge partikulärer Substanzen im Wasser wird in der Praxis oft als Leitparameter für die Verschmutzung von Karstquellen verwendet. Bisher fehlt allerdings ein mechanistisches Verständis zwischen den Zusammenhängen von Trübe und dem Auftreten von Kontaminanten. Insbesondere die Unterscheidung verschiedener Quellen der Trübe ist dafür von großer Bedeutung. (3) Aufgrund der hohen Sedimentströme in Karstaquiferen existiert ein großes Potential für den partikulär gebundenen Transport von Schadstoffen wie Schwermetallen, organischen Chemikalien oder auch Mikroorganismen – letztere weisen zusätzlich erhöhte Überlebensraten auf, wenn sie am Sediment adsorbiert sind. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen Beitrag zum Prozessverständis der Assoziation partikulärer Substanzen mit Kontaminanten an Karstquellen zu leisten. Dafür wurden bestehende methodische und analytische Methoden an einer gut untersuchten Karstquellen in Süddeutschland (Gallusquelle, Schäbische Alb) eingesetzt und weiter entwickelt. Zu Beginn der Arbeit wurde der Fokus auf eine detaillierte Untersuchung der Trübe gelegt. Diese umfasst als Summenparameter einen breiten Umfang von Partikeln unterschiedlicher Größe. In vorhergehenden Studien an anderen Standorten konnte gezeigt werden, dass sich die Partikelgrößenverteilung nutzen lässt, um zwischen Einträgen der Trübe aus dem Aquifer und von der Oberfläche zu differenzieren. Zum Zweck der Vergleichbarkeit unterschiedlicher Partikelgrößenverteilung an einem aber auch zwischen unterschiedlichen Standorten wurde in dieser Arbeit der b-Wert vorgeschlagen und für etwa 150 Proben berechnet. Dieser Parameter erlaubt es, die Größenverteilung mit nur einem Wert zur charakterisieren und zu quantifizieren, was beispielsweise die Verwendung der Partikelgrößenverteilung in der multivariaten Statistik erlaubt. In der vorliegenden Arbeit konnte letztendlich gezeigt werden, dass die Verwendung der Partikelgrößenverteilung, die für eine Größenbereich von 0.5 bis 60 mm bestimmt wurde, als Leitparameter allerdings nicht von allgemeiner Gültigkeit ist, sondern es einer Überprüfung der Methode für den jeweiligen Standort bedarf. Eine Validierung des b-Wertes als Möglichkeit der Prognose des Auftretens bakterieller Verunreinigungen von Karstquellen ist weitere Untersuchungen wert. Es wurden weitere Methoden untersucht, die vielversprechend schienen, die Quellen und die im Transport von partikulären Substanzem involvierten Prozesse mittels einfach zu messender Parameter zu beschreiben. Die Methode der Hysterese-Darstellung von Trübe und elektrischer Leitfähigkeit erwies sich dafür als vielversprechend. Sie wurde verwendet, um hydrosedimentäre Prozesse abzuleiten. Damit konnte zwischen einer Remobilisierung, der Ablagerung und dem direkten Transport von Partikeln unterschieden werden. Die Kombination mit organischen Spurenstoffen als Quellindikatoren – hier wurde eine Palette von mehr als 50 Stoffen analysiert – erlaubte es, diese Prozesse mit dem Eintrag von Stoffen aus verschiedenen potentiellen Kontaminationsquellen zu vergleichen und zu systematisieren. Die Methode kann mit nur geringem Aufwand an anderen Lokationen eingesetzt werden. Die Etablierung und Anwendung von Leitparametern und die Prognose des Auftretens von Mikroogranismen erfordert es, Einflussgrößen auf ihr Transportverhalten und ihre Attenuation zu kennen. Zwar existiert eine große Anzahl von Laborexperimenten zum Transportverhalten von Kolloiden und Partikeln, Feldexperimente sind dagegen kaum durchgeführt worden. Mit der Durchführung eines Markierungsversuchs mit Mikrosphären unterschiedlicher Dichte (Latex und Silikat) und Oberflächenladung (ungeladen und negativ geladen) sollte der Einfluss dieser Größen auf den Transport und die Attenuation von vier Partikelarten mit einer Größe von 1 mm untersucht werden. Es wurde gezeigt, dass die Oberflächenladung einen maßgeblichen Einfluss auf das Attenuationsverhalten hat. Die Dichteunterschiede machten sich weder im Transport noch in der Attenuation bemerkbar. Interessanterweise hatten die Partikel höhere Fließgeschwindigkeiten als der zeitgleich eingesetzte Fluoreszensfarbstoff Uranin – ihre Retardation wurde mit 0.98 berechnet unter der Annahme, dass sich Uranin ideal-konservativ verhält.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6163
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5728
Exam Date: 15-Aug-2016
Issue Date: 2017
Date Available: 14-Feb-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::550 Geowissenschaften
DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::551 Geologie, Hydrologie, Meteorologie
Subject(s): karst
organic micropollutants
microparticles
particle size distribution
groundwater
organische Spurenstoffe
Mikropartike
Partikelgrößenverteilung
Grundwasser
Sponsor/Funder: BMBF, 02WRS1277A/B, Risikomanagement von Spurenstoffen und Krankheitserregern in ländlichen Karsteinzugsgebieten / AGRO
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