RGHeavyMetal


Nummer: 101093
Akronym: RGHeavyMetal
Titel (deutsch): Wasserwirtschaftliche Aspekte von Blockgletschern in Kristallingebieten der Ostalpen -Speicherverhalten, Abflussdynamik und Hydrochemie mit Schwerpunkt Schwermetallbelastungen
Projektstart: 11.02.2016
Projektende: 21.05.2019
AuftragnehmerIn: Universität Graz
Projektleitung: Assoz. Prof. Dr. Gerfried Winkler
Finanzierungsstellen: Amt der Steiermärkischen Landesregierung
Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft
Amt der Tiroler Landesregierung
Amt der Salzburger Landesregierung
Amt der Kärntner Landesregierung
Bundesministerium für Nachhaltigkeit und Tourismus
Wissenschaftszweig: NATURWISSENSCHAFTEN / Hydrologie, Hydrographie / Hydrogeologie / NATURWISSENSCHAFTEN

Zielsetzung

Die zu untersuchenden alpinen Gebiete umfassen im Wesentlichen die Grundwasserkörper GK100010 Zentralraum [DUJ], GK100055 Salzburger Hohe Tauern [DUJ], GK100185 Salzburger Hohe Tauern [MUR], GK100052 Niedere Tauern einschl. Grauwackenzone [DUJ] und GK100116 Niedere Tauern einschl. Seckauer Tauern [MUR]. Quellen mit nennenswerten und somit auch wasserwirtschaftlich interessanten Schüttungen sind in derartigen alpinen Kristallingebieten vorrangig an aus Schuttmaterial entstandenen Landschaftsformen gebunden. Bedeutende Landschaftsformen sind in diesem Kontext Blockgletscher, die je nach Höhenlage noch dem Permafrost unterliegen (intakte d.h. aktive und inaktive Blockgletscher) oder nicht (reliktische Blockgletscher). Lokale Voruntersuchungen an Quellwässer von aktiven Blockgletschern in Tirol haben gezeigt, dass diese beträchtliche Schwermetallbelastungen aufweisen können, welche an konkrete Eiszonen in den Blockgletschern gebunden sind. Als mögliche Eintragspfade werden Luft oder Gestein vermutet. Eine detaillierte aber auch großflächige, österreichweite Ursachenforschung, wie sie in diesem Projekt vorgesehen ist, wurde bislang noch nicht durchgeführt.
Aufgrund des Klimawandels erfolgt ein Abschmelzen des durch Permaforst gebundenen Eises. Dies und zu erwartende Änderungen der Niederschlagsmengen und -intensitäten bedeuten eine Änderung des Abflussverhaltens der alpinen Einzugsgebiete in diesen Höhenstufen. Damit ist aber auch eine mögliche qualitative Veränderung der Gewässer durch die Schwermetallbelastung verbunden, was Auswirkungen auf die wasserwirtschaftliche Nutzung nach sich zieht.

Ziel des Projektes ist es daher, eine Grundlage für die qualitative und quantitative Beurteilung in Bezug auf Schwermetallbelastung der Blockgletscherquellen im östlichen Alpenraum zu schaffen. Grundlage für das Verständnis der saisonalen Variabilität der Schwermetallkonzentrationen ist die Kenntnis der Entwässerungsdynamik und der Speicherfunktion von aktiven wie auch reliktischen Blockgletschern in alpinen Einzugsgebieten. Hierfür ist eine großflächige und in Teilgebieten flächendeckende Erfassung der von Permafrost beeinflussten und an Blockgletscher (intakt und reliktisch) gebundenen Quellen und deren Schwermetallbelastung vorgesehen. Die Ergebnisse und Daten werden digital für weitere Auswertungen und Untersuchungen zur Verfügung gestellt (z.B. H2O-Fachdatenbank; ArcGIS). Hydrographanalysen sowie natürliche und künstliche Traceruntersuchungen werden zur Beschreibung/Charakterisierung der Grundwasserkörper herangezogen.
Niederschlags-Abflussmodellierungen im regionalen Maßstab wie auch an lokalen Testgebieten sollen helfen, quantitativ das Abflussverhalten der Blockgletscher selbst und der tiefer liegenden Fließgewässer und die damit verbundene Verdünnung von Schwermetallkonzentrationen durch z.B. die Schneeschmelze besser zu verstehen.

Bedeutung des Projekts für die Praxis

Das beantragte Projekt hat eine hohe wasserwirtschaftliche Bedeutung, da im Projekt wesentliche, österreichweite Grundlagen für künftige wasserversorgungswirtschaftliche Nutzungen in alpinen Einzugsgebieten erstellt werden. Dies umfasst sowohl die qualitativen Aspekte in Bezug auf Schwermetallbelastung und Trinkwassernutzung als auch ein vertieftes Prozessverständnis der Entwässerungs- und Speicherdynamik von Blockgletschern in alpinen Einzugsgebieten. Die großflächige Erfassung der Schwermetallbelastungen von Blockgletscherquellen in alpinen Einzugsgebieten ist eine wichtige Grundlage für die Nutzung der Quellwässer als Trinkwasserversorgung (gemäß Trinkwasserverordnung bzw. Lebensmittelbuch Codexkapitel I für Trinkwasser). Ein weiterer wesentlicher Nutzungsaspekt liegt in der Verwendung als Nutzwasser für Beschneiungen (gemäß ÖNORM M 6257 „Anforderungen an das Wasser für die technische Beschneiung“). Die verstärkte touristische Nutzung des Hochgebirges erfordert eine zunehmende Erschließung von Quellen im Hochgebirge sowohl für die Trinkwasserversorgung als auch beispielsweise für Beschneiungsanlagen. Dabei treten gerade in Kristallinarealen immer wieder Probleme auf hinsichtlich der Schüttungsmengen und auch hinsichtlich der Wasserqualität (z.B. erhöhte Al-Gehalte, oder erhöhte Schwermetallgehalte). Der zunehmende Bedarf an Trink- und Brauchwasser führt dazu, dass zunehmend Quellen in hochalpinen Lagen, vor allem auch Blockgletscherquellen als potentielle Wasserspeicher in Frage kommen.

Ein besseres Prozessverständnis der Speicherfunktion von Blockgletschern sowohl von intakten als auch von reliktischen, ist eine wesentliche Hilfestellung für Aussagen bzgl. Prognosen der Auswirkungen von Klimawandel auf Abflussverhalten alpiner Einzugsgebiete. Der Klimawandel bewirkt eine Änderung der Höhenlage der Permafrostuntergrenze, wodurch aktive Blockgletscher künftig zu reliktischen werden. Das hydraulische Verhalten sowie die Speicher – und Abflussdynamik beider Schuttakkumulationsformen im Vergleich ist noch nicht untersucht. Die wasserwirtschaftliche Bedeutung liegt einerseits in der Grundwasserspeicherung für den Abfluss während der Trockenwetterperioden und des Winters und andererseits in der Speicherung von Niederschlagswasser bei Starkniederschlagsereignissen (Schutz vor Hochwasserwellen in tiefer liegenden Flussabschnitten).

Abschlussbericht


Kurzfassung (deutsch)

In den letzten Jahren rückten alpine Einzugsgebiete und ihre hydrologische Auswirkung auf darunterliegende Gewässer immer mehr in den Fokus der Forschung und wasserwirtschaftlicher Untersuchungen. Vor allem im Zusammenhang mit Permafrost und dem durch die Klimaänderung bedingten Rückgang seiner Ausdehnung ergeben sich bedeutende wasserwirtschaftliche Herausforderungen. In diesem Kontext wurden speziell die in alpinen Einzugsgebieten vorliegenden Schuttakkumulationen wie Blockgletscher, an die oft stark schüttende Quellen gebunden sind, aufgrund ihrer wasserwirtschaftlichen Bedeutung für den österreichischen Alpenraum intensiv untersucht. Blockgletscher sind die markantesten Landschaftsformen in (ehemaligen) Permafrostgebieten. Jüngste Forschungsergebnisse zeigen die Bedeutung der Blockgletscher für das Speicherverhalten und die Abflussdynamik alpiner Einzugsgebiete. Des Weiteren konnten regional in Tirol Schwermetallbelastungen von Quellwässern aus Permafrostbereichen und im Speziellen aus Blockgletscher beeinflussten Einzugsgebieten festgestellt werden. Das gegenständliche Projekt hatte daher die Zielsetzung, eine fundierte Grundlage für die quantitative und qualitative Beurteilung, vor allem auch in Bezug auf mögliche Schwermetallbelastungen von Blockgletscherquellen im östlichen Alpenraum (primär für Kristallingebiete) zu schaffen. Die Grundlage für das Verständnis der saisonalen Variabilität der Schwermetallkonzentrationen ist die Kenntnis der Entwässerungsdynamik unter Berücksichtigung der einzelnen Abflusskomponenten und der Speicherfunktion von intakten (aktiven und inaktiven) wie auch reliktischen Blockgletschern in alpinen Einzugsgebieten. Die Basis ist hierbei die flächendeckende Erfassung aller Blockgletscher und ihrer hydrologischen Einzugsgebiete für den österreichischen Alpenraum. Es wurde daher ein Blockgletscherinventar und ein Blockgletschereinzugsgebietsinventar für die österreichischen Alpen erstellt. Die Ausweisung erfolgte für die Bundesländer Vorarlberg, Tirol, Salzburg, Steiermark und Kärnten. Die Inventarisierung basiert auf einem Geländemodell mit einer Auflösung von 1 m (airborne laserscan/ALS – Datensatz) und berücksichtigt die bereits vorhandenen Teilinventare. Insgesamt konnten 5769 Blockgletscher verdächtige Landschaftsformen und ihre hydrologischen Einzugsgebiete mit einer Gesamtfläche von ca. 303 km² bzw. 1279 km² ausgewiesen und mit verschiedenen Kennwerten attributiert werden. Eine große Zahl (3148) an Blockgletschern in Tirol ist aufgrund des hohen Gebirgsanteils offenkundig. In weiterer Folge wurden die Daten der Blockgletscher- und Blockgletschereinzugsgebietsinventare statistisch ausgewertet. Auf dem Blockgletscherinventar aufbauend wurden Teilgebiete der Bundesländer Vorarlberg, Tirol, Salzburg und Steiermark flächendeckend in Bezug auf Blockgletscherquellen hydrogeologisch kartiert. Die erhobenen Quellen dienten in weiterer Folge der Auswahl jener Quellen, die für ein Monitoring über eine Dauer von maximal zwei Jahren herangezogen und hydrochemisch bzgl. Schwermetallbelastung untersucht wurden. Das Monitoring zeigte, dass die Schwermetallbelastung der Blockgletscherquellen saisonal zwar variiert aber ganzjährig erkennbar ist. Das heißt, trotz einer Verdünnung durch saisonale unterschiedlich dominante Abflusskomponenten (Schneeschmelze, Schmelzwasser von Permafrost- oder Gletschereis, Regen) ist eine Belastung ganzjährig nachweisbar. Daher wurde ergänzend eine einmalige Probenahme an Quellen in Vorarlberg, Tirol, Salzburg und Steiermark im letzten Projektjahr 2018 durchgeführt, um eine zusätzliche räumlichen Verdichtung der untersuchten Quellen im Alpenraum zu bekommen. Die großflächige Erhebung zeigt, dass sich die Quellwasserbelastung durch Schwermetalle, vor allem Nickel mit teilweise einem Vielfachen des Grenzwertes der Trinkwasserverordnung (TWV), im Wesentlichen auf den Großraum der Ötztaler Alpen (geologisch Ötztal-Stubai-Kristallin) beschränkt und dort primär an Quellen intakter Blockgletscher gebunden ist. Eine befürchtete Verbreitung in den westlich und östlich angrenzenden Alpenraum hat sich nicht bestätigt. Die detaillierte Auswertung der hydrochemischen Daten ermöglichte die Charakterisierung der belasteten Quellwässer und den Vergleich mit anderen bekannten, rein lithologisch/geologisch bedingten Belastungen von Quellwässern in einzelnen regionalen Gebieten der Alpen. Es konnten zwei Kationenvergesellschaftungen an belasteten Quellwässern identifiziert werden, eine Nickel/Mangan/Aluminium-Gruppe und eine Arsen/Uran-Gruppe. Die Ergebnisse zeigen, dass die Belastung von Quellwässern durch die Nickel/Mangan/Aluminium-Gruppe großflächig primär im Gebiet Ötztal-Stubai-Kristallin auftritt. Eine derartige Belastung konnte nur an einer weiteren Quelle in den steirischen Schladminger Tauern festgestellt werden, wo eine an Störungen gebundene sulfidische Vererzung bekannt ist. Aufgrund der hydrochemischen Ähnlichkeit der belasteten Quellenwässer im Gebiet Ötztal-Stubai Kristallin und der Quelle in den Schladminger Tauern erscheinen sulfidische Vererzungen auch für die Quellen Tirols sehr plausibel. Sämtliche erhobenen hydrochemischen Daten wurden in die H2O-Datenbank des Bundesministeriums im Umweltbundesamt eingepflegt und stehen somit bundesweit zur Verfügung. Um die Abflussdynamik und das Speicherverhalten v.a. von intakten Blockgletschern besser zu verstehen, wurden Monitoringsysteme an einzelnen Blockgletscherstandorten in Tirol installiert und bestehende erweitert, um ergänzende Untersuchungen durchführen zu können. Neben der kontinuierlichen Erfassung des Abflusses und der Parameter Wassertemperatur und elektrische Leitfähigkeit der Quellwässer wurden Markierungsversuche, Isotopen-Ereignisbeprobungen der Quellwässer sowie Isotopenmessungen von Regen, Schnee (Schneeprofile) und Permafrosteis durchgeführt. Basierend auf den Vorkenntnissen von reliktischen Blockgletschern konnte mit den neuen Daten ein verbessertes Prozessverständnis der Abflussdynamik von intakten (im Speziellen von aktiven) Blockgletscher erarbeitet werden. Dadurch ließ sich auch ein konzeptionelles Entwässerungsmodell für intakte Blockgletscher ableiten. Es konnte bei intakten Blockgletschern eine entsprechende Grundwasserkomponente - wie bei den reliktischen - nachgewiesen werden, die in den Wintermonaten einen entsprechenden Basisabfluss aus diesen Landschaftsformen ermöglicht. Im Sommerhalbjahr sind Schnee, Regen und Schmelzwasser von Gletscher- und Permafrosteis wichtige Abflusskomponenten. Es ist gelungen, grob die saisonale sowie die tageszyklische Variabilität der einzelnen Komponenten zueinander aufzuschlüsseln. Für reliktische Blockgletscher konnte mit Hilfe eines Niederschlags-Abflussmodells an einem alpinen Einzugsgebiet mit einer Größe bis ca. 44 km² gezeigt werden, dass auf Tagesbasis der Abflussanteil an darunterliegenden Pegeln bis zum vierfachen der Blockgletschereinzugsgebietsfläche betragen kann. Erste Ansätze, diese Modellierung auch auf wesentlich größere Einzugsgebiete mit einer Größe bis zu ca. 200 km² (d.h. deutlich tiefer liegende Pegel) anzuwenden, wurden im Zuge des Projekts an Einzugsgebieten in der Steiermark umgesetzt und zeigen eine mehr als dreifache Beeinflussung auf Tagesbasis. Dieser Ansatz für eine regionale Skala sollte konsequent weiterverfolgt werden. In weiterer Folge konnte das Niederschlags-Abflussmodell erfolgreich mit einem Eisspeichermodul erweitert und für ein Testgebiet mit einem aktiven Blockgletscher in Tirol (Ölgrube Süd) angewendet werden. Neben reliktischen können somit auch intakte Blockgletscher als bedeutende Grundwasserspeicher/-puffer angesprochen werden. Somit wurde eine Grundlage geschaffen, den Einfluss von intakten Blockgletschern auf das Abflussverhalten darunterliegender Gewässer zu quantifizieren und somit auch Permafrost und Gletscher beeinflusste Einzugsgebiete zu modellieren. Dies ist eine wesentliche Grundlage für Prognosen in Bezug auf Klimawandel bedingte Änderung der Permafrostgrenze in alpinen Einzugsgebieten, bedarf aber noch weiterführenden Untersuchungen. Generell zeigen die Ergebnisse, dass Blockgletscher (reliktische und intakte) als seichte Aquifere und deren Funktion als Speicher/Puffer eine hohe wasserwirtschaftliche Relevanz haben. Angesichts des Klimawandels und der touristischen Nutzung alpiner Regionen wird ihre Bedeutung noch bekräftigt, wie z. B. hinsichtlich der Trinkwasserversorgung für Hütten oder der Beschneiungsanlagen, die durch Blockgletscherquellen gespeiste Speicherteiche ihr Wasser beziehen. Weiterführende Untersuchungen in Bezug auf das Abflussverhalten im größeren regionalen Maßstab und auf die Auswirkungen des Klimawandels auf Blockgletscher (Abschmelzprozess des Permafrosteises und damit Wandel von intakt zu reliktischen Blockgletschern) sind konsequent anzustreben. Ein weiterführendes Monitoring relevanter Quellen und deren übergeordneter Einzugsgebiete ist hierfür essentiell um lokal und folglich auch regional diese Grundwasserkörper besser und nachhaltig bewirtschaften zu können

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