Untersuchung von Vertikaltransport und Grundwasseranbindung in Tagebauseen mittels Schwefelhexafluorid (SF6)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In zwei meromiktischen Tagebauseen (Waldsee und Moritzteich) wurden mit dem Spurenstoff Schwefelhexafluorid (SF6) Untersuchungen zum Vertikaltransport in der Wassersäule und zur Grundwasseranbindung der Monimolimnien vorgenommen. Im Waldsee wurde dazu am Seegrund eine kleine Menge SF6 (~3 µMol) ausgebracht. Aus der zeitlichen Veränderung der Profilform und des Spurenstoffinventars konnten der vertikale Transport sowie die Erneuerungszeit des Monimolimnions abgeschätzt werden. Im Moritzteich wurden für die Untersuchungen die SF6-Hintergrundkonzentrationen gemessen. Der atmosphärische Trend erzeugt die Signalunterschiede,die genutzt werden um Informationen über Transport- und Austauschprozesse zu erhalten. Aus hoch aufgelösten Temperatur- und Leitfähigkeitsprofilen (36 Messtage je See) ließen sich Aussagen über Struktur und zeitliche Änderungen der Schichtungsverhältnisse ableiten. Waldsee: Die SF6-Hintergrundmessungen ergaben, dass im Monimolimnion „altes“ Wasser vorliegt, d.h. dass das Monimolimnion durch die Chemokline weitgehend von der Atmosphäre abgeschlossen und von Grundwasser beeinflusst ist. Die Erneuerungszeit ließ sich zu etwa einem Jahr abschätzen. Die SF6-Spike-Profile dokumentieren die diffusive Umverteilung im Monimolimnion. Wenig SF6 wird über die Chemokline ins Mixolimnion transportiert, was dessen Abgeschlossenheit belegt. Jeweils im Herbst setzte eine durch Doppeldiffusion verursachte konvektive Mischung im Monimolimnion unterhalb der Chemokline ein, die teils bis zum Seeboden reichte. Dabei wurde die Dichteschichtung in der Chemokline nicht zerstört. Das SF6-Inventar im Monimolimnion zeigte eine starke Abnahme im Sommer, während die Chemokline absank. Diese hohen Raten wurden zum Einen durch Grundwasserausstrom und zum Anderen durch Chemoklinenerosion verursacht. Die deutlich geringeren Raten im Winter, während die Chemokline anstieg, führen wir auf einen verringerten Ausstrom zurück. Berechnungen mit der Wasser- und Tracerbilanz ergaben für die Infiltration von Grundwasser ins Monimolimnion Werte zwischen 5 und 15 m3/d mit einem Mittelwert von ~10 m3/d (108% pro Jahr) ohne eine Saisonalität. Der Ausstrom aus dem Monimolimnion ins Grundwasser und die konvektive Erosion berechnete sich im Sommer zu Werten von bis zu 15 m3/d. Im Winter zeigte sich, abweichend vom typischen Verhalten in „normalen“ meromiktischen Seen, keine Erosion. Der Ausstrom war mit ca. 2–8 m3/d (Jahresausstrom-Mittel: 74 % des Monimolimnionwassers) geringer als im Sommer. Die niedrigen SF6-Konzentrationen im Sommer im tiefen Monimolimnion verdeutlichen direkt das Vorhandensein einer Spülung mit Grundwasser. Moritzteich: Epi- und Hypolimnion sind während der Schichtungsphase bezüglich SF6 an die Atmosphäre angekoppelt. Die stark abnehmenden Werte im Bereich der Chemokline zeigen, dass altes Grundwasser (~40 a) vorhanden sein muss, und dass auch hier der vertikale Austausch stark reduziert ist. Das Vorhandensein des scharfen SF6-Übergangs ist ein starkes Indiz für eine aktive Grundwasser-Ankopplung. Mithilfe der Kombination von SF6 und 18O konnte die Tiefe des Grundwasserzutritts bestimmt und unter gewissen Annahmen die Grundwasserankopplung abgeschätzt werden. Der Vergleich zwischen SF6 und der Leitfähigkeit ergab, dass sich im Bereich der Chemokline eine Senke für gelöste Ionen befinden muss. Die Schichtungsstruktur im Inneren des Monimolimnions ist – vermutlich ebenso wie am Waldsee – Folge von doppeldiffusiv induzierter Mischung. Zeitweise konvektive Mischung im oberen Bereich des Monimolimnions bei gleichzeitiger Unversehrtheit der Chemokline ist damit möglicherweise ein verbreitetes Phänomen in temperierten, meromiktischen Seen mit vergleichbarem Aufbau der Schichtung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2007: Hydrology and vertical Transport of a meromictic Mining Lake traced with SF6 on the Background Level. Geophysical Research Abstracts, Vol. 9, 06273
von Rohden, C. and J. Ilmberger
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2007: Investigation of Ground Water Interconnection and Vertical Transport in a Small Meromictic Mining Lake Using Background SF6. Proceedings of the 11th workshop on Physical Processes in Natural Waters, Warnemünde, Germany, 3–6 Sep. 2007, In: Umlauf, L. and G. Kirillin (editors), Berichte des IGB 25
Ilmberger, J. and C. von Rohden
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2007: Quantification of erosive processes at the halocline of a meromictic lake. Proceedings of the 11th workshop on Physical Processes in Natural Waters, Warnemünde, Germany, 3–6 Sep. 2007 In: Umlauf, L. and G. Kirillin (editors), Berichte des IGB 25
Boehrer, B., C. von Rohden, J. Ilmberger and M. Schultze
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2007: Untersuchungen zur Meromixis an Tagebauseen im Muskauer Faltenbogen, In: Deutsche Gesellschaft für Limnologie (DGL) [Hrsg.], Tagungsbericht 2006 (Dresden), Eigenverlag der DGL, Werder
Dietz, S., Seebach, A., von Rohden, C., Lessmann, D.
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2007: Vertical Transport in a Meromictic Mining Lake Studied with a SF6-Tracer Experiment. Proceedings of the 11th workshop on Physical Processes in Natural Waters, Warnemünde, Germany, 3–6 Sep. 2007. In: Umlauf, L. and G. Kirillin (editors), Berichte des IGB 25
von Rohden, C. and J. Ilmberger
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2009: Assessing groundwater coupling and vertical exchange in a meromictic mining lake with a SF6 tracer experiment. J. Hydrol. 372, 102–108
von Rohden, C., J. Ilmberger and B. Boehrer
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2009: Double diffusive deep water circulation in an iron meromictic lake. Geochemistry, Geophysics, Geosystems (G3) 10(6)
Boehrer, B., S. Dietz, C. von Rohden, U. Kiwel, K. D. Jöhnk, S. Naujoks, J. Ilmberger, D. Lessmann
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2009: Groundwater exchange in the monimolimnion of a meromictic pit lake using conservative tracers (SF6, 18O, 2H) EGU General Assembly 2009, Vienna, Geophysical Research Abstracts, Vol. 11, EGU2009–7784
von Rohden, C., A. Seebach, K. Knöller, and J. Ilmberger
