Auswirkungen des Pilotversuchs BDA auf die Grundwasserverhältnisse

In Abb. 1 ist die Lage der Grundwassermessstellen, der Donaupegel und der Probenahmestellen für die Untersuchungen der Wasserqualität im Bereich des Pilotversuchs Bad Deutsch-Altenburg dargestellt. Um den zeitlichen Trend der Grundwasserstände zu untersuchen, wurde eine lineare Trendanalyse für den Zeitabschnitt jeweils vor und nach den Baumaßnahmen durchgeführt. Um die Grundwasserströmungsrichtungen zu untersuchen, eignet sich die Darstellung der Grundwasserisolinien. Diese Darstellung wurde jeweils für einen Zeitpunkt vor und nach der Baudurchführung erstellt, an denen eine mittlere Donauwasserführung vorherrschte. Da die Grundwassersituation im Hinterland von den jahreszeitlich schwankenden hydrologischen Bedingungen abhängt, wurde bei der Auswahl der Zeitpunkte auf ähnliche Grundwasserstände geachtet. Als Eingangsdaten dienten kontinuierliche Messdaten auf Stundenbasis sowie Tageswerte, welche – basierend auf wöchentlichen Terminwerten –linear interpoliert wurden. Neben den Grundwasserständen wurden dabei auch die Wasserspiegel der Donau mitberücksichtigt. Ausgehend von diesen Daten wurden die Grundwasserstände mithilfe des Kriging-Verfahrens mit einer räumlichen Diskretisierung von 50 m interpoliert.

Die „Freeze-Panel“-Technik (Blaschke et al. 2002) erlaubt durch Gefrieren mit flüssigem Stickstoff die Entnahme einer ungestörten Bodenprobe der oberen 20 bis 30 cm der Gewässersohle. Die noch gefrorene Bodenprobe wird in einem Sandbett auf einer Plastikfolie gelagert. Nach dem Auftauen wird zur Dokumentation der obersten Schicht ein Foto gemacht und anschließend die Probe je nach Struktur in meist zwei Schichten (Deckschicht und eine Unterschicht) für die Siebanalyse händisch geteilt. Die Sieblinienauswertung für jede der Schichten erfolgt nach ÖNORM B 4412. Es wurden insgesamt 11 Freeze-Panels vor Beginn der Bauphase im Jahr 2006 und 10 Freeze-Panels nach Bauende im Jahr 2015 im Naturversuch BDA Donau Strom-km 1887,5–1884,5 genommen (Abb. 2).

Die Dokumentation der Stromsohle im Hauptstrom der Donau mit Fotos erfolgte vor Umsetzung der Baumaßnahmen im Oktober 2006. Die Methodik ist ausführlich in Gutknecht et al. (1998) beschrieben. Es wurden alle 100 m zwischen dem Strom-km 1884,400 und 1887,200 Profile mit jeweils 5 bis 8 Standpunkten im Profil aufgenommen. In den Buhnenfeldern wurden die Aufnahmen im Oktober 2007 und im Johler Arm im Jänner 2008 gemacht. Die Aufnahmen nach den Baumaßnahmen fanden im November 2015 statt.

Die hydraulische Durchlässigkeit der Sohle des Johler Arms wurde mithilfe von Versickerungsversuchen untersucht. Dazu wurden an jeweils zwei repräsentativen Standorten entlang des Johler Arms vor den, während der und nach den Baumaßnahmen Standrohrversuche durchgeführt. Die Auswertung der Versickerungsversuche erfolgte nach ÖNORM B 4422‐2. Da diese Methodik nach Anbindung des Johler Arms an die Donau aufgrund der nun vorhandenen Strömung nicht mehr technisch umsetzbar war, wurde für die Versuche im Jahr 2015 eine vereinfachte Methodik angewandt. Dazu wurde ein PVC-Rohr in etwa 50 cm Tiefe eingeschlagen und bis zum Anschlag mit Wasser befüllt. Danach wurde der fallende Wasserstand im Rohr mit Lichtlot gemessen und die hydraulische Leitfähigkeit aus der Differenz des Wasserstands pro Zeitintervall ausgewertet.

Die Interaktion von Grundwasser mit der Donau und den Seitenarmen der Donau wird mit einer Analyse der gemessenen Wasserstandsganglinien in mehreren Messstellen untersucht. Aus den Höhenunterschieden der Grundwasserstände untereinander und zum Donauwasserstand beim Pegel Bad Deutsch-Altenburg (Abb. 1) ist zu erkennen, ob effluente (die Donau erhält Wasser aus dem Grundwasserkörper) oder influente Verhältnisse (die Donau infiltriert ins Grundwasser) vorherrschen. Die Donau ist aufgrund ihres Charakters als Gebirgsfluss und der zahlreichen stromaufwärts gelegenen Kraftwerksbetriebe einer starken zeitlichen Dynamik unterworfen (Blöschl et al. 2014; Merz et al. 2013). Die Grundwasserstände reagieren auf diese Dynamik mehr oder weniger stark, abhängig von der Distanz zum Ufer, der hydraulischen Durchlässigkeit und der Porosität des Grundwasserkörpers und des Grundwassergefälles (Derx et al. 2010). Die kontinuierlichen Messdaten auf Stundenbasis ermöglichen eine Darstellung dieser zeitlichen Dynamik der Grundwasserstände.

Für die Bestimmung der Grundwasserqualität wurden Proben von acht ausgewählten Messstellen analysiert, welche sich auf beiden Seiten der Donau befinden (Abb. 1). Die chemische Grundwasserqualität wurde an 3 Terminen vor Baubeginn und alle 2 Monate ab Baubeginn bis September 2015 untersucht. Zusätzlich wurde jeweils vor Baubeginn und nach Bauende nach einem Donau-Hochwasser (< 5000 m³/s) eine 14-tägige Probenahme über 3 Monate durchgeführt. Die mikrobiologische Grundwasserqualität wurde an jeweils drei Beprobungsterminen vor Baubeginn und ab 2 Monaten nach Bauende untersucht. Vor jeder Probenahme wurde das Grundwasser zunächst abgepumpt bis sich eine kontinuierliche elektrische Leitfähigkeit, pH-Wert und Temperatur einstellten. Die Probenahmen des Grundwassers erfolgten als Stichproben aus dem Pumpenschlauch einer Unterwasserpumpe bzw. Oberwasserpumpe bei den Sonden mit geringem Durchmesser. Die Probenahmen der Donau erfolgten als Schöpfprobe vom linken Donau Ufer aus (Abb. 1). Die Auswertung der chemischen und mikrobiologischen Wasserqualität erfolgte im Labor für Nitrat und Sulfat nach ÖNORM EN ISO 10304-1, für gelösten Sauerstoff nach ÖNORM EN 25814, für gelösten organischen Kohlenstoff nach ÖNORM EN 1484, für E.coli nach ÖNORM EN ISO 9308-1 und für Enterokokken nach ÖNORM EN ISO 7899-2.

Bei der Entwicklung der Grundwasserspiegellagen zeigte sich ein gleich bleibender linearer Trend bei allen untersuchten Grundwassermessstellen bis Juni 2015, wie in Abb. 3 beispielhaft für die Messstelle 1886.001 dargestellt. Von Juni bis Dezember 2015 zeigte sich ein fallender Trend, da diese Periode von extremer Trockenheit bzw. wenig Niederschlag gekennzeichnet war. Die Grundwasserisolinien und -strömungsrichtungen zu ausgewählten Zeitpunkten vor und nach den Baumaßnahmen bei mittleren Donauwasserführungen sind in den Abb. 4 und 5 dargestellt. Es zeigt sich in beiden Fällen deutlich, dass im Allgemeinen Grundwasser vom Hinterland zur Donau strömt und exfiltriert.

Die Untersuchungen der Donausohle entlang des Hauptstroms und in zwei ausgewählten Buhnenfeldern mittels Siebanalysen und Fotodokumentation werden im Folgenden dargestellt. Im Anschluss daran werden die Ergebnisse der Versickerungsversuche gezeigt, in Form von hydraulischen Leitfähigkeiten der Gewässersohle des Johler Arms. Die Ergebnisse vor, während und nach den Baumaßnahmen werden einander gegenübergestellt.

Die Abb. 6 und 7 zeigen die Darstellung der Siebanalysen für die Freeze-Panels in der Pilotversuchsstrecke vor und nach den Baumaßnahmen. Der gelb markierte Bereich zeigt die Kornfraktion 40/70 mm, welche häufig bei der Zusammensetzung der GSV gewählt wird (Liedermann et al. 2016, in dieser Ausgabe). Beim Vergleich der Abbildungen erkennt man eine deutliche Vergröberung des Sediments in diesem gelb markierten Bereich. Auch in den Buhnenbereichen kommt es zu einer Vergröberung der Sedimente. Der Vergleich der Fotodokumentation der Stromsohle, hier beispielhaft für den Bereich Strom-km 1886,330 207 m bzw. 205 m vom linken Ufer der Donau dargestellt, zeigt ebenfalls eine deutliche Vergröberung der obersten Sedimentlagen (vergleiche Abb. 8 und 9).

Die Auswertungen der Versickerungsversuche im Johler Arm zeigen, dass sowohl vor Baubeginn im Jahr 2007 als auch während der Bauphase im Jahr 2013 und nach Bauende im Jahr 2015 kiesige Sohlverhältnisse durchmischt mit Feinsedimentauflagen vorlagen (s. Abb. 10, beispielhaft für das Jahr 2013). Die Versuchsauswertung vor Baubeginn ergab für einen Standort im Einlaufbereich des Johler Arms (Aulehmboden) einen Wert für die hydraulische Durchlässigkeit (k_f-Wert) von 2 × 10⁻⁸ m/s, welcher einen extrem gering durchlässigen Boden charakterisiert. Die weiteren Versuche an weiteren typischen Standorten im Johler Arm erlaubten aufgrund der dort vorhandenen großen Durchlässigkeit keine Messung bzw. Auswertung. Es war an diesen Stellen mit kiesiger Oberfläche mit einem k_f-Wert von < 2 × 10⁻² m/s zu rechnen. Diese extrem durchlässigen Kiesflächen wechselten sich mit dem sehr dichten Aulehmboden im Johler Arm ab (Derx und Blaschke 2015). Somit ergaben sich Bereiche, in denen bei einer Durchströmung des Johler Armes eine sehr rasche Versickerung von Donauwasser auftritt. In den Bereichen einer Feinsedimentauflage war eine kaum messbare Versickerung vorhanden. Die Versuchsauswertung während der Bauphase im Oktober 2013 ergab für alle drei gewählten Standorte (bei Wasseranschlagslinie, 1 m und 6 m über Wasseranschlagslinie) einen maximalen k_f-Wert von 5 × 10⁻⁶ m/s. Die Bereiche im Johler Arm, bei denen vor Baubeginn hohe Durchlässigkeiten vorhanden waren, waren zu dem Zeitpunkt der erneuten Untersuchungen überströmt bzw. von den extrem gering durchlässigen Bodenschichten überlagert. Die Versuche nach Baudurchführung im Jahr 2015 im überströmten Bereich des Johler Arms ergaben Werte für die hydraulische Durchlässigkeit von 10⁻⁷ bis 10⁻⁵ m/s.

Die Analyse der Grundwasserganglinien vor und nach Beginn der Bauphase zeigt eine gleichbleibende Interaktion der Donau mit dem Grundwasser. Linksufrig im Marchfeld sind meist effluente Verhältnisse vorherrschend (Abb. 11). Dies gilt ebenso für die Messstelle 1883,015, wenn man die Höhendifferenz zum Pegel BDA mitberücksichtigt. Lediglich bei erhöhten Donauwasserführungen zeigt sich der Einfluss der Donau auf die Grundwasserstände und es kommt zur temporären Infiltration von Donauwasser in den Grundwasserkörper. Die Ganglien in Abb. 11 zeigen dies sehr anschaulich. Rechtsufrig wechseln sich effluente Verhältnisse im Bereich der Thermalbrunnen mit geringfügig influenten Verhältnissen im Bereich des Johler Arms ab.

Um die Entwicklung der Wasserstände im Johler Arm vor und nach den Baumaßnahmen zu untersuchen, wurden die berechneten Wasserspiegel zu charakteristischen Höhen im Johler Arm an der Stelle der Messstelle F6 (Abb. 1) in Relation zu den Wasserständen des Pegels Bad Deutsch-Altenburg gesetzt. Es gingen dabei die Ergebnisse des hydrodynamischen Modells für 13 verschiedene Durchflüsse der Donau von RNQ bis HQ₁₀₀ ein (Liedermann et al. 2016, in diese Ausgabe). Es zeigt sich, dass durch den neu angelegten Einströmbereich des Johler Arms die Stelle bei der Grundwassermessstelle F6 auch bei tieferen Wasserführungen der Donau überströmt wird (Abb. 12). Bei höheren Wasserspiegeln zeigt sich an dieser Stelle keine Veränderung der Wasserspiegelhöhe im Johler Arm.

Die chemischen Analysen der Grundwasserqualität und der Donau für gelösten Sauerstoff (O₂), Nitrat (NO₃), gelösten organischen Kohlenstoffgehalt (DOC) und Sulfat (SO₄) sind in Abb. 13 dargestellt. Die Konzentrationen von gelöstem Sauerstoff, Nitrat und DOC im Grundwasser zeigen sich nach Baudurchführung erhöht. Ein möglicher Grund dafür könnte die Umlagerung der Feinsedimentauflagen im Altarmsystem während eines größeren Hochwasserereignisses wie etwa im Sommer 2013 sein. In diesem Milieu finden wichtige Abbauprozesse statt, welche mit einem Verbrauch an Sauerstoff der dort ansässigen Mikroorganismen einhergehen könnte (Bondar-Kunze et al. 2016, in dieser Ausgabe).

Die gemessenen Sulfatkonzentrationen zeigen vor und nach den Baumaßnahmen keine wesentliche Veränderung. Generell liegen die Werte in den von Thermalwasser beeinflussten Messstellen deutlich höher als in den sonstigen Messstellen, was durch die für Thermalwasser spezielle Charakteristik erklärbar ist (mit * markierte Messstellen in Abb. 13). Die mittlere Wassertemperatur und elektrische Leitfähigkeit in diesen Messstellen liegt ebenfalls deutlich höher, mit Werten von über 20 °C bzw. über 3000 µS/cm (Abb. 14). Die mittleren Wassertemperaturen im Grundwasser zeigen keine wesentliche Veränderung vor und nach den Baumaßnahmen (Abb. 14). Die elektrischen Leitfähigkeiten im Grundwasser werden von unterschiedlichen Faktoren beeinflusst, wie z. B. von Niederschlägen und von Hochwässern. Während des Zeitabschnittes vor den Baumaßnahmen fand ein um rund 2 m höheres Hochwasser statt als während des Zeitabschnittes nach den Baumaßnahmen. Dadurch sind die geringeren mittleren Leitfähigkeiten nach den Baumaßnahmen bei einigen Messstellen auf der linken Donauseite (z. B. bei 1886.001) erklärbar (Abb. 14).

Abbildung 15 zeigt die Ergebnisse der mikrobiologischen Analysen. Die Auswertung enthält jeweils 3 Messtermine vor und nach den Baumaßnahmen. Diese Messreihen begannen jeweils 4 Wochen nach einem Hochwasser und wurden dann im Abstand von 2 Monaten durchgeführt. Die Fäkalindikatoren E.coli und Enterokokken gelangen üblicherweise über kommunale Abwassereinleitungen in Flüsse (Mayer et al. 2015) und werden im Grundwasser durch die Filterwirkung des Bodens meist sehr rasch abgebaut. Im Vergleich zu E.coli können Enterokokken in der Regel länger in der Umwelt überleben, da sie gegenüber vielen Umweltfaktoren widerstandsfähiger sind. Aufgrund erhöhter Temperatur und Leitfähigkeiten, wie sie etwa unter den physikalisch-chemischen Bedingungen von Thermalwasser gegeben sind, kann diese unterschiedliche Überlebensfähigkeit (Persistenz) besonders ausgeprägt sein. Wie schon zuvor erwähnt sind einige der Grundwassermessstellen von Thermalwasser beeinflusst (1887.005, 1887.032, 1887.004, 1886.022). Die Ergebnisse für die von Thermalwasser beeinflussten Messstellen zeigen, dass der Fäkalindikator E.coli sowohl vor als auch nach den Baumaßnahmen kaum nachgewiesen werden konnte. Enterokokken konnten in höheren Konzentrationen in einigen dieser Messstellen nachgewiesen werden. Diese im Vergleich zu E.coli erhöhten Konzentrationen könnten, wie bereits oben erwähnt, durch ein längeres Überleben in der Umwelt erklärbar sein. Darüber hinaus können diese erhöhten Konzentrationen auch durch Vermehrung und Wachstum bedingt sein. Vermehrung unter günstigen Wachstumsbedingungen, wie etwa unter gegebenen Thermalwasserbedingungen, erscheint durchaus möglich. Der Nachweis dieser Fäkalbakterien kann daher nicht als eindeutiger Hinweis auf fäkale Belastungen gesehen werden. Eine der von Thermalwasser beeinflusste Messstelle (1887.005) liegt auf der linken Seite der Donau. Offenbar liegt diese Messstelle in einem tieferen Grundwasserhorizont als die Messstellen in der Umgebung. Bei diesem tieferen Grundwasserhorizont ist anzunehmen, dass dieser mit dem Grundwasserkörper auf der rechten Donauseite verbunden ist. Die folgenden Messstellen waren wenig bis nicht von Thermalwässern beeinflusst: 1887.001, 1887.003, 1886.04, 1887.106. Bei denjenigen Messstellen, welche sich in unmittelbarer Ufernähe der Donau befinden (1887.001, 1886.04, 1886.022), zeigten sich bei der Messreihe, welche nach den Baumaßnahmen durchgeführt wurde, um etwa 1 log₁₀-Stufe geringere Konzentrationen als zuvor (Abb. 15).