Untersuchungen zur Schichtungsentwicklung und komplexe Schichtungsmodellierung in Tagebauseen
Final Report Abstract
Ziel des Projektes war es, durch Feldmessungen an zwei Seen im Muskauer Faltenbogen des Lausitzer Braunkohlenreviers mit oberflächennaher bzw. tief liegender Chemokline den Aufbau und die Aufrechterhaltung permanenter Dichteschichtungen (Meromixis) von Eisen-meromiktischen Tagebauseen zu untersuchen sowie die daraus gewonnenen Ergebnisse für die Entwicklung einer gekoppelten physikalisch-geochemischen Modellierung des Schichtungsverhaltens zu nutzen. Als neuer Ansatz wurde die geochemische Simulation zur Berechnung der Dichte verfolgt, um diese in ein Schichtungsmodell zurückzuführen. Dieser Schritt ist unabdingbar für alle Fälle, in denen wie in meromiktischen Seen chemische Reaktionen die Schichtung bestimmen. Chemischen Untersuchungen der Seen lieferten die Grundlage, um über die vertikale Stoffverteilung Gleichgewichtsberechnungen durchführen zu können. Als wesentlicher die Meromixis bestimmender Prozess erwies sich die Fällung von Eisenoxiden und -hydroxiden im Mixolimnion. Die zeitliche Variabilität von Konzentrationsschwankungen und Tiefenverschiebungen der Chemokline wurden genutzt, um Austauschvorgänge zu quantifizieren. Um Dichteprofile in hoher vertikaler Auflösung zu erhalten, wurde eine Regressionskurve erstellt, die keine konstanten Salzzusammensetzungen voraussetzt, sondern sich auf die realen Bedingungen im Monimolimnion und Mixolimnion stützt. Über die Implementierung von molalen Volumina wurde eine Formel erarbeitet, die aus Temperatur und chemischer Zusammensetzung der gelösten Stoffe eine Dichteberechnung als Voraussetzung für ein Feedback der geochemischen Schichtungsmodellierung in einem Seeschichtungsmodell ermöglicht. Erstmals wurden zudem molale Volumina für einen meromiktischen See genutzt, um den Beitrag der gelösten Substanzen an der Dichteschichtung zu berechnen. Dichteunterschiede zwischen Mixo- und Monimolimnion wurden danach zur Hälfte durch gelöstes Eisen, zu 40 % durch das Karbonatsystem bedingt. Damit konnte die Eisenmeromixis der Seen auch quantitativ beschrieben werden. Eisenmeromiktische Seen stellen ein ideales Beispiel für die Bedeutung chemischer Umsetzungen für die Schichtung dar. Der Effekt kommt aber in allen Seen vor. Zersetzung von organischem Material am Seeboden führt zum Beispiel zur Produktion löslicher Stoffe. Mit diesem Ansatz können neue Fragestellungen aufgegriffen werden wie die Veränderung des Zirkulationsverhaltens durch klimatische Änderungen oder Vorhersage der Schichtung von Seen und damit Entwicklung der Wasserqualität bei Sanierungsmaßnahmen. Durch die Feldmessungen ließen sich Effekte doppeldiffusiver Konvektion nachweisen, die bislang nur aus tropischen Seen bekannt waren. Es zeigten sich treppenartige Profile der elektrischen Leitfähigkeit, die in ihrer Stufenhöhe empirischen Voraussagen entsprechen. Neu war das saisonale Auftreten, das durch die großen jahreszeitlichen Temperaturschwankungen in der gemäßigten Zone bedingt wurde. Es konnte gezeigt werden, dass chemische Reaktionen die doppeldiffusive Konvektion prägen können. Dadurch dass sich Eisen nicht effektiv in das oxische Mixolimnion mischen lässt, kam es im Winter 2006/07 im Monimolimnion nicht zu Konvektionszellen im Dezimeterbereich, sondern der gesamte Tiefenwasserkörper mischte sich, ohne dass die Chemokline dabei beeinträchtigt wurde. Eine solche Tiefenzirkulation wurde zuvor in der limnologischen Literatur noch nicht beschrieben.
Publications
- (2007): Untersuchungen zur Meromixis an Tagebauseen im Muskauer Faltenbogen. - Deutsche Gesellschaft für Limnologie (DGL), Tagungsbericht 2006 (Dresden): 395-399
Dietz, S., A. Seebach, Ch. von Rohden & D. Lessmann
- (2008): Estimation of lake - groundwater interactions in meromictic mining lakes by modelling isotope signatures of lake water. - Isotopes in Environmental and Health Studies 44(1): 99-110
Seebach, A., S. Dietz, D. Lessmann & K. Knöller
- (2008): Meromixis in mining lake Waldsee/Germany: hydrological and geochemical aspects of stratification. - Verh. Int. Ver. Limnol. 30 (3): 485-488
Dietz, S., A. Seebach, K. Jöhnk, B. Boehrer & D. Lessmann
- (2009): A coupled hydrodynamicgeochemical model of the meromictic Waldsee lake. - Abstracts of the International Mine Water Conference 19 - 23 Oct 2009, Pretoria/South Africa: 892-897
Moreira, S., B. Boehrer, M. Schultze & J. Samper
- (2009): Assessing groundwater coupling and vertical exchange in a meromictic mining lake with an SF6-tracer experiment. - J. Hydrol. 372: 102–108
von Rohden, C., J. Ilmberger & B. Boehrer
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2009.04.004) - (2009): Double-diffusive deep water circulation in an iron-meromictic lake. - Gochemistry, Geophysics, Geosystems 10(6), Q06006
Boehrer B., S. Dietz, C. von Rohden, U. Kiwel, K. Jöhnk, S. Naujoks, J. Ilmberger & D. Lessmann
(See online at https://doi.org/10.1029/2009GC002389) - (2009): Geochemische Untersuchungen an Sinkstoffen und Porenwässern meromiktischer Seen. - Deutsche Gesellschaft für Limnologie (DGL), Erweiterte Zusammenfassungen der Jahrestagung 2008 (Konstanz): 418-422
Dietz, S. & D. Leßmann
- (2010): Calculating density of water in geochemical lake stratification models. - Limnol. Oceanogr. Methods 8: 567–574
Boehrer, B., P. Herzsprung, M. Schultze & F.J. Millero
- (2010): Evidence for double diffusion in temperate meromictic lakes. - Hydrology and Earth Systems Sciences 14: 667-674
von Rohden, C., B. Boehrer & J. Ilmberger
