Umsetzung von Tracerversuchen

QUELLE: CETRAHE, BRGM, 2019.

Künstliche Tracerversuche in der Hydrogeologie: Beste Praktiken. Informationssystem für das Management von Grundwasser in Centre-Val de Loire, online veröffentlicht im Januar 2019
https://sigescen.brgm.fr/Tracages-artificiels-en-hydrogeologie-les-bonnes-pratiques.html

Bevor ein Tracerversuch durchgeführt wird, sollten mehrere vorbereitende Schritte berücksichtigt werden :

Der erste Schritt besteht darin, die Ziele des Tracerversuchs klar zu definieren: Erkennung von unterirdischen Strömungen, Simulation des Transfers von Verschmutzungen, Charakterisierungstest des Aquifers mit der Bestimmung hydrodispersiver Parameter (Strömungsgeschwindigkeit, kinematische Porosität, Dispersivität) usw. Dieser Schritt ist entscheidend, da die nachfolgenden strategischen Entscheidungen ein Kompromiss zwischen den Zielen und den Kosten sein werden.

Der zweite Schritt besteht darin, so viele bestehende Informationen wie möglich sowie Dokumentationen über frühere Tracerversuche zu sammeln (siehe den Artikel über das regionale Inventar). Die gesammelten Informationen sollten alle geografischen, topografischen, geologischen, hydrogeologischen und anthropogenen Daten (Wassernutzung, Entnahmen usw.) umfassen. Was frühere Tracerversuche betrifft, so sind diese, auch wenn sie den heutigen Bewertungskriterien nicht entsprechen, reich an Informationen und sehr nützlich, um bestimmte Fallstricke zu vermeiden.

Der dritte Schritt ist die Erkundung der Stelle, an der der Tracerversuch durchgeführt wird. Dies umfasst die Identifizierung potenzieller Injektionspunkte (direkter Zugang oder über eine ungesättigte Zone, Absorptionskapazität, Möglichkeiten der Belastung und Überlauf, Bedarf an Spülung, Zugänglichkeit insbesondere für Fahrzeuge, die Wasser für die Spülung transportieren, usw.) und potenzieller Rückgabepunkte (Entnahmen, nicht gefasste Quellen, Oberflächenwasserauslässe, Betrieb, Zugänglichkeit, mögliche Durchflussmessung, usw.). Am Ende dieses Besuchs ist es wichtig, die Machbarkeit der Implementierung verschiedener Überwachungsgeräte (manuelle Probenahme, Installation von automatischen Probenehmern, Installation von Fluorimetern, Anbringung von Aktivkohledetektoren, Einfluss von Pumpregimen, Einfluss von Chlorierung, usw.) zu bewerten und die hydrologischen Bedingungen zu antizipieren, die sich zum Zeitpunkt des Tests unterscheiden (und variieren) können.

Nach diesen Schritten kann mit der Dimensionierung des Tracerversuchs fortgefahren werden.

Einzel- oder Mehrfach-Tracerversuch? Ein Mehrfach-Tracerversuch beinhaltet die gleichzeitige Injektion verschiedener Tracer an mehreren Injektionspunkten. Er ermöglicht es, mehrere Fragen gleichzeitig zu beantworten, Kosten zu reduzieren und beträchtlich Zeit zu sparen. Allerdings erfordert er eine sorgfältige Auswahl der verwendeten Tracer, die im Kontext ausreichend konservativ sind und keine analytischen Interferenzen miteinander aufweisen.

In der Praxis wird die Menge von Experten geschätzt, unter Berücksichtigung des hydrogeologischen Kontexts. Zwischen Empirismus, Intuition und Erfahrung müssen zur Entscheidung zwei bestimmende Elemente berücksichtigt werden: die Verdünnung, der der Tracer unterliegen sollte, oft durch die Entfernung angenähert, und die analytische Leistung des Tracers und der Überwachungsmethoden.

HINWEIS

Ein Tracerversuch kann keine Informationen über das gesamte hydrologische oder hydrogeologische System liefern. Die Ergebnisse beziehen sich nur auf den getesteten Teil. Um auf einen anderen Teil des Aquifers zu extrapolieren, muss man sich der Homogenität der Umgebung sicher sein.

Beste Praktiken beinhalten die Bereitstellung von Vorabinformationen über den Tracerversuch an die Behörden (DDT, Gendarmerie usw.) und die lokalen Anwohner (Rathaus). Dies hilft, Bedenken und Warnungen im Zusammenhang mit der Färbung des Wassers im Falle von fluoreszierenden oder färbenden Tracern zu vermeiden. Vor jeder Injektion ist es notwendig, Wasserproben als Kontrollproben zu entnehmen, und wenn das Protokoll die Verwendung von Aktivkohledetektoren beinhaltet, ist es auch notwendig, die Immersion von "Kontroll"-Fluocaptoren mit einer geeigneten Frequenz zu planen. Für Erkennungstracerversuche bietet die Durchführung während Hochwasserperioden in der Regel günstigere Bedingungen aufgrund schnellerer Strömungen, vorzugsweise in einer Rückgangsperiode. Es wird empfohlen, Simulationstracerversuche unter kontrastierenden hydrologischen Bedingungen (Niedrig- und Hochwasser) durchzuführen, da die erzielten Ergebnisse stark schwanken können.

Die Überwachungs- und Analysemethode hängt von mehreren Faktoren ab :

• Art des/der überwachten Wasserpunkt(e): Quelle, Entnahme, Bohrloch, Fluss usw.;
• Möglichkeiten zur Installation von Geräten: verfügbarer Platz, Sicherheit, Stromversorgung, Zugang usw.;
• Verfügbares Budget.

Die zuverlässigste Überwachungs- und Analysemethode ist die Wasserprobenahme mit Laboranalyse. Laborgeräte ermöglichen heute die Detektion von Substanzen in sehr geringen Konzentrationen. Für fluoreszierende Tracer können Laborspektrofluorimeter (direkte Fluoreszenzmessung) sehr niedrige Nachweisgrenzen erreichen, in der Größenordnung von 0,001 µg/L für Uranin. Die spektrale Analyse, die von einem Spektrofluorimeter durchgeführt wird, ist ein wesentliches Diagnosewerkzeug für die Detektion und Interpretation von Tracerversuchen, insbesondere da die Injektionsmengen zunehmend reduziert werden, um unter der Sichtbarkeitsschwelle an den Rückgabepunkten zu bleiben.

Spektrofluorimeter (Quelle : CETRAHE)

Feldinstrumente, die In-situ-Messungen ermöglichen, tragen ebenfalls zur Verbesserung der Tracerüberwachung bei. Immer leistungsfähigere Instrumente sind verfügbar: Feldfluorimeter, spezifische Elektroden, empfindliche Leitfähigkeitsmesser usw. Für fluoreszierende Tracer kann die Verwendung von Feldfluorimetern sehr nützlich sein. Diese Geräte sind einfach zu bedienen und liefern Ergebnisse in quasi Echtzeit, auch im Falle von Mehrfach-Tracerversuchen. Es wird jedoch empfohlen, sie nicht als einziges Überwachungsgerät zu verwenden, insbesondere für Mehrfach-Tracerversuche. Tatsächlich können Variationen in der natürlichen Fluoreszenz der aufgezeichneten Wässer sowie Interferenzen zwischen Tracern fälschlicherweise als Rückgaben interpretiert werden. Daher ist es ratsam, diese Überwachung mit automatischer oder manueller Probenahme zu kombinieren, um durch spektrale Analyse im Labor das Vorhandensein oder Fehlen des Tracers zu überprüfen.

Was Aktivkohledetektoren (Fluocaptoren) betrifft, die manchmal für fluoreszierende Tracer verwendet werden, wird empfohlen, sie als letzten Ausweg zu verwenden, wenn die Feldbedingungen keine anderen Nachweismethoden zulassen. Sie können auch als sekundäre Nachweismethode verwendet werden, um die Überwachung im Rahmen von Erkennungstracerversuchen räumlich zu erweitern, indem "sekundäre" Punkte überwacht werden. Es ist jedoch Vorsicht bei der Interpretation der erzielten Ergebnisse geboten. Unter den gängigen Tracern kann eine Überwachung durch Fluocaptor nur für Tracer wie Uranin oder Eosin in Betracht gezogen werden, mit einer Reihe von Vorsichtsmaßnahmen (siehe technische Mitteilung Nr. 1 von CETRAHE). Rote Tracer (wie Rhodamine) können mit dieser Methode nicht überwacht werden, da Aktivkohle in Laborbedingungen bei Wasserkonzentrationen unter 30 µg/L nicht in der Lage ist, sie zu fixieren.

Die Fluocaptor-Methode ist auch für fluoreszierende Tracer, die im Blau emittieren (Natrium-Naphthionat, Amino-G-Säure, Tinopal), ungeeignet. Schließlich können ionische Tracer (Salze) mit hoher analytischer Präzision durch verschiedene Geräte (Ionenchromatographie, Spektrofotometrie, Atomabsorptionsspektroskopie usw.) dosiert werden. Allerdings stört die natürliche Anwesenheit dieser Ionen in den Wässern ihre Detektion bei niedrigen Konzentrationen, trotz der Leistung des verwendeten Geräts. Die Dosierung der injizierten Menge muss daher besonders untersucht werden, damit sie ausreichend hoch ist, um an den Überwachungspunkten nachgewiesen zu werden, und ausreichend moderat, um die Wassernutzung (Wasserentnahmen, natürliche Umgebungen) nicht zu stören.

Datenauswertung und Interpretation

Die Ergebnisse eines Tracerversuchs werden durch die Tracerrückgabekurve veranschaulicht, die somit die Entwicklung der Konzentrationen im Laufe der Zeit am Rückgabepunkt zeigt. Die Beherrschung der Strömungen am Rückgabepunkt ermöglicht die Berechnung einer Rückgabebilanz (zurückgegebene Masse und Rückgabeprozentsatz) und der Verweilzeitverteilung (RTD), die den Transit des Tracers im Tracerversuchssystem beschreibt. Die RTD entspricht der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion, die die Wahrscheinlichkeit angibt, dass ein Tracermolekül im System verweilt. Es ist tatsächlich die Verteilungskurve der Tracerwolke. Wenn die Injektion als "Dirac"-Impuls (d. h. eine kurze Injektion) angesehen werden kann, gibt die RTD die Impulsantwort des Tracerversuchssystems für die hydrologischen Bedingungen an, in denen es sich zum Zeitpunkt des Tracerversuchs befindet (Lepiller M. & Mondain P-H, 1986). Aus der RTD können mehrere Parameter berechnet werden, die den Transit des Tracers beschreiben, wie die mittlere Verweilzeit und die scheinbare Geschwindigkeit. Die Interpretation der Ergebnisse unterscheidet sich je nach Ziel. Für Erkennungstracerversuche besteht das Hauptziel darin, die Zugehörigkeit eines Injektionspunkts zum Impluvium des Karstsystems genau zu bestätigen. Für quantitative Tracerversuche (Simulation) ist es wichtig, die Transitmodalitäten des Tracers sowie die hydrodispersiven Parameter für Tracerversuche in porösen Medien genau zu beschreiben. Es gibt analytische Tools zur Unterstützung der Parameterschätzung. Die TRAC-Software im "Interpretations"-Modus von Tracerversuchen ermöglicht die Interpretation eines Tracerversuchs unter Verwendung verschiedener analytischer Lösungen durch Anpassung der Parameter der Lösung und Vergleich mit den Beobachtungsdaten.

HINWEIS

Instrumentelle Nachweisgrenzen sollten nicht mit den realen Nachweisgrenzen verwechselt werden, die stark vom Hintergrundrauschpegel in natürlichen Gewässern abhängen und je nach Tracer variieren.

Schließlich wird der Betreiber am Ende des Tracerversuchs und der Interpretation der Ergebnisse aufgefordert, die Informationen in die Dateneingabeanwendung der Tracerdatenbank einzugeben. Dies ist die nationale Datenbank, die der Datenspeicherung gewidmet ist. (siehe den Artikel über die Deklaration und Datenspeicherung)