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Integration hochaufgelöster Geoelektrik in die multimethodische Untersuchung von Grundwasserfließsystem und Wasserhaushalt am Beispiel eines Jungmoränengebietes in Mecklenburg-Vorpommern

Wilke, Henriette Rebecca

Seit mehreren Jahrzehnten weisen die Grund- und Seewasserstände vielerorts in Nordostdeutsch-land einen negativen Trend auf, wofür die Ursachen bis heute nicht eindeutig geklärt sind. Ohne ein umfassendes System- und Prozessverständnis können die möglichen negativen Konsequenzen für die Ressource Grundwasser nicht ausreichend erfasst werden. Daher ist das Ziel der vorliegenden Arbeit, das Grundwasserfließsystem sowie den Wasserhaushalt des von sinkenden Wasserständen betrof-fenen Gebietes um den Großen Fürstenseer See (Mecklenburg-Vorpommern) zu erforschen. Die Untersuchung des Jungmoränengebietes stellt aufgrund der Heterogenität des Untergrundes in Kom-bination mit nur wenigen direkten Aufschlüssen eine sehr komplexe Aufgabe dar, weshalb ein Multi-methodenansatz unter Einbeziehung hochaufgelöster, raumerfassender geoelektrischer Messungen in die zumeist nur punktuell durchführbaren hydrogeologischen Verfahren gewählt wird. Das betrachtete Gebiet besteht aus der Pommerschen Hauptendmoräne im Norden sowie dem ihr vorgelagerten Sander. In den das Gebiet durchziehenden weichselglazialen Schmelzwasserrinnen entwickelten sich grundwasserdominierte Seen. Der Fokus liegt auf den miteinander verbundenen Seen Großer Fürstenseer See und Hinnensee sowie dem unbedeckten Grundwasserleiter des Sanders. Dessen Basis bildet weichselglazialer, in den Rinnen nicht flächenhaft verbreiteter Geschiebemergel. Zur Untersuchung der geologischen Strukturen und hydraulischen Eigenschaften wurden im Bereich des Sanders 17 Bohrungen abgeteuft und zu Grundwassermessstellen ausgebaut. Die dabei gewonnen Proben dienten der Analyse der Korngrößenverteilungen, hydraulischen Durchlässigkeiten und Porositäten. Der Sander besitzt einen sehr heterogenen Aufbau aus vorrangig Mittelsanden mit entsprechend variablen, zumeist guten hydraulischen Durchlässigkeiten und verhältnismäßig niedri-gen Porositäten. Es ergaben sich tendenzielle Abhängigkeiten der Porosität von Gleichförmigkeit und Korngrößenverteilung sowie der hydraulischen Durchlässigkeit von der Korngrößenverteilung. Die räumliche Erkundung der Untergrundstrukturen erfolgte mittels hochaufgelöster 2D-geoelektrischer Widerstandsmessungen, die die Obergrenze des ersten Grundwassergeringleiters, hydraulische Fenster sowie fließrelevante gering durchlässige Strukturen erfassten. Eine Begrenzung erfährt die Methode im Betrachtungsgebiet durch ungünstige Deckschichtverhältnisse und das begrenzte Auflösungsvermögen bei größeren Tiefen. Die Messung von Grund- und Seewasserständen diente der Erfassung ihrer Entwicklung sowie der aus der räumlichen Verteilung abgeleiteten allgemeinen Fließsituation. Ihre Dynamik sowie die Korrelation ausgewählter Zeitreihen enthalten Hinweise auf die Grundwasserneubildungssituation und auf bevorzugte hydraulische Verbindungen. Detailliertere Erkenntnisse zur Grundwasserherkunft und zu präferenziellen Fließwegen lassen sich mittels hydrochemischer Methoden gewinnen. Dazu erfolgten regelmäßige Untersuchungen der physiko-chemischen Parameter, der stabilen Isotope Deuterium und Sauerstoff-18 sowie einmalig der Ioneninhalte der Grund- und Seewässer. Die Analyse der zeitlich und räumlich erhobenen Daten demonstriert, dass vor allem die stabilen Isotope, speziell auch bei Seewasserinfiltrationen, der Identifizierung des Grundwasserursprungs dienen. Besonders die elektrischen Leitfähigkeiten sowie unter geeigneten Randbedingungen auch die Kombination mit weiteren physiko-chemischen Parametern unterstützen die Herkunftsbestimmung. Die elektrischen Leitfähigkeiten und Wasserstandsentwicklungen enthalten zudem Hinweise auf lokale Reduktionen der Grundwasser-neubildungsrate. Anhand der Ioneninhalte des Grundwassers wurden anthropogene Einflüsse ermittelt. Die für das Verständnis des lokalen Fließ- und Neubildungsgeschehens notwendigen Strukturinformationen liefern die geoelektrischen Messungen. Aus den spezifischen elektrischen Widerständen wurden zudem effektive elektrische Leitfähigkeiten als Maß für relative Versickerungsgeschwindigkeiten der ungesättigten Zone abgeleitet, welche potenziell zur flächenhaften Bestimmung von Grundwasserneubildungsraten genutzt werden können. Während die Aussagekraft der einzelnen Methoden begrenzt ist, trägt ihre Kombination und integrierte Auswertung, insbesondere mit den geoelektrischen Messungen, maßgeblich zum Verständnis des Grundwasserfließsystems und Wasserhaushalts bei. Aus den erfassten Strukturen und Eigenschaften wurde ein detailliertes Konzeptmodell als Basis weiterer Untersuchungen, wie Grundwassermodellierungen, erstellt.
For several decades, groundwater and lake water levels have been showing a negative trend in many places in north-eastern Germany. The causes for this decline are still not clearly understood. Without a comprehensive understanding of systems and processes, their possible negative consequences for groundwater as a resource cannot be adequately assessed. Therefore, the aim of the present study is to investigate the groundwater flow system as well as the water balance of the area around Lake Großer Fürstenseer See (Mecklenburg-West Pomerania), which is affected by decreasing water levels. The investigation of the young moraine area is a very complex task due to the heterogeneity of the subsurface in combination with only a few direct outcrops. This is why a multi-method approach was chosen. It included high-resolution, spatial geoelectrical measurements in the hydrogeological procedures, which can mostly only be carried out at specific points. The study area consists of the Pomeranian main terminal moraine and the outwash plain. Groundwater-dominated lakes developed in the glacial meltwater channels running through the area. The focus is on the interconnected lakes Großer Fürstenseer See and Hinnensee and the unconfined aquifer of the outwash plain. The base of this aquifer is formed by glacial till, which is not widespread in the meltwater channels. To investigate the geological structures and hydraulic properties, 17 boreholes were drilled into the outwash plain and used as groundwater monitoring wells. Samples obtained were analysed for grain size distributions, hydraulic permeabilities and porosities. The outwash plain has a very heterogeneous structure of predominantly medium sands with corresponding variable, mostly good hydraulic permeabilities and relatively low porosities. There was a tendency for porosity to be dependent on uniformity and grain size distribution, and for hydraulic permeability to be dependent on grain size distribution. The spatial exploration of the subsurface structures, using high-resolution 2D geoelectric resistivity measurements, recorded the upper limit of the first aquitard, hydraulic windows and flow-relevant low-permeability structures. This method was hampered in the study area by unfavourable overburden conditions and limited resolution capacity at greater depths. The measurement of groundwater and lake water levels served to record their temporal variation as well as the general flow situation derived from their spatial distribution. Their dynamics as well as the correlation of selected time series contained indications of the groundwater recharge situation and preferred hydraulic connections. More detailed findings on the origin of groundwater and preferential flow paths can be obtained using hydrochemical methods. For this purpose, regular investigations of the physico-chemical parameters, the stable isotopes deuterium and oxygen-18 as well as the ionic content of groundwater and lake water were carried out. The analysis of the temporally and spatially collected data demonstrates that especially the stable isotopes, particularly in the case of lakewater infiltrations, serve to identify the groundwater origin. Especially the electrical conductivities and, under suitable boundary conditions, the combination with other physico-chemical parameters support the determination of origin. The electrical conductivities and water level trends also show indications of local reductions in the groundwater recharge rate. Anthropogenic influences were determined based on the ion contents of the groundwater. The geoelectric measurements provide the structural information necessary for understanding the local flow and recharge processes. In addition, the effective electrical conductivities were derived from the electrical resistivities as a measure of the relative seepage velocity in the unsaturated zone. The effective electrical conductivities can potentially be used for the areal determination of groundwater recharge rates. While the informative values of the individual methods are limited, their combination and integrated evaluation, especially with the geoelectric measurements, contributed significantly to the understanding of the groundwater flow system and water balance. From the recorded structures and properties, a detailed conceptual model was created as a basis for further investigations, such as groundwater modelling.