Hochaufgelöste isotopenbasierte Modellierung der Grundwasseranbindung meromiktischer Tagebauseen

• Antragsteller: Dr. Kay Knöller
• Fachliche Zuordnung: Hydrogeologie, Hydrologie, Limnologie, Siedlungswasserwirtschaft, Wasserchemie, Integrierte Wasserressourcen-Bewirtschaftung
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 62379441

• Erstellungsjahr: 2009

Zusammenfassung der Projektergebnisse

An drei Standorten in der Niederlausitz wurde versucht, den Grundwasser-Oberflächenwasser-Austausch in monatlicher Auflösung mit isotopenhydrologischen Methoden zu quantifizieren. Die Untersuchungen wurden an zwei meromiktischen sowie einem polymiktischen Tagebausee durchgeführt. Ziel des Projektes war es, die für durchmischte Seen mehrfach angewandte isotopenhydrologische Bilanzgleichung abzuwandeln und damit die Bilanzierung geschichteter Seen zu ermöglichen. Ein weiterer Projektschwerpunkt bestand in der Modifizierung des Craig & Gordon Modells von 1965 und dessen Anpassung an Gebiete hoher Luftfeuchtigkeit. Hierzu wurden über einen Zeitraum von 2,5 Jahren zeitlich und räumlich hochaufgelöste Proben aus Grundwasser, Seewasser, Verdunstungspfannen, Niederschlag und Luftfeuchte gewonnen und bezüglich ihrer stabilen Isotopenzusammensetzung (δ18O, D) untersucht. Diese Daten wurden mit ebenfalls kontinuierlich aufgezeichneten meteorologisch-physikalischen Parametern wie Luftfeuchte, Lufttemperatur und Oberflächenwassertemperatur der untersuchten Seen verschnitten und in einem Bilanzmodell zusammengeführt. Schwierigkeiten ergaben sich bei der Bestimmung eines lokalen Hintergrundwertes für die Isotopensignaturen des Grundwassers. Ursache dafür ist die im Projektverlauf ermittelte komplexe hydrogeologische Situation des Umfeldes. Aufgrund der vorliegenden kleinräumigen hydrogeologischen Heterogenität war eine präzise Definition der hydrodynamischen Rahmenbedingungen als Voraussetzung für eine zeitlich und räumlich differenzierte Bilanzierung an allen drei Standorten nur bedingt möglich. So konnte gezeigt werden, dass starke Seespiegelschwankungen durch den begleitenden Wechsel von effluenten und influenten Strömungsbedingungen die Anwendung der Isotopenbilanz zum Teil einschränken können. Des Weiteren zeigten die Untersuchungen, dass Verdunstungsexperimente unter den lokalen meteorologischen Bedingungen nur mit einem wesentlich höheren, logistisch in der Projektlaufzeit nicht realisierbaren Aufwand lückenlos gesicherte Ergebnisse liefern können. Eine wesentliche Erkenntnis dieser Studie besteht darin, dass die Anwendbarkeit des Isotopenbilanzmodells bezüglich der Quantifizierung von Grundwassereintragsraten durch die lokalen hydrogeologischen Verhältnisse stark limitiert werden kann. Dennoch konnten aus dem erhobenen umfassenden und nahezu lückenlosen Gelände- und Labordatensatz wertvolle Erkenntnisse für weiterführende Untersuchungen gewonnen werden. Hierzu zählen u.a. die Entwicklung einer Methode zur direkten isotopischen Bestimmung von Wasserdampf bzw. Evaporat. Ebenso wurden für die untersuchten Standorte eine präzise Isotopencharakteristik für meteorische und verdunstungsbeeinflusste Wässer generiert, die für regionale isotopenhydrologische Untersuchung als fundierte Basis herangezogen werden kann.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 2006. Die Bewertung von Grundwasser - Seewasser Wechselbeziehungen in sauren Tagebaurestlöchern anhand stabiler Sauerstoff- Isotope. (SYNAP 2006, Dresden)
  A. Seebach & K. Knöller
  
• 2006. Die Bewertung von Grundwasser - Seewasser Wechselbeziehungen in sauren Tagebaurestlöchern anhand stabiler Sauerstoff- Isotope. In: Technische Universität Dresden [Hrsg.], Dresdner Schriften zur Hydrologie, ISSN 1612-9024, Tagungsbericht SYNAP 2006
  A. Seebach & K. Knöller
  
• 2006. Estimation of lake water – groundwater interactions in meromictic mining lakes by modelling isotope signatures of lake water. (International Workshop of Isotope Effects in Evaporation 2006, Pisa)
  A. Seebach & K. Knöller
  
• 2007. New approaches for the detailed assessment of meromictic lakes by using stable isotopes. (International Symposium on Advances in Isotope Hydrology and its Role in Sustainable Water Resources Management 2007, IAEA Wien)
  A. Seebach & Kay Knöller
  
• 2007. The Application of Stable Isotopes for the Detailed Assessment of Meromictic Lakes - New Advances in Isotope Water Balance Models. (IUGG, IAHS 2007, Perugia)
  A. Seebach & K. Knöller
  
• 2007: Untersuchungen zur Meromixis an Tagebauseen im Muskauer Faltenbogen, In: Deutsche Gesellschaft für Limnologie (DGL) [Hrsg.], Tagungsbericht 2006 (Dresden), Eigenverlag der DGL, Werder
  S. Dietz, A. Seebach, C. von Rohden, D. Lessmann
  
• 2008. Dating problems with selected mining lakes and the adjacent groundwater body in Lusatia, Germany. (G-DAT 2008, Leipzig)
  A. Seebach, C. von Rohden, J. Ilmberger, S.M. Weise & K. Knöller
  
• 2008. Estimation of lake water - groundwater interactions in meromictic mining lakes by modelling isotope signatures of lake water. Isotopes in Environmental and Health Studies, 44(1): 99-110
  A. Seebach, S. Dietz, D. Lessmann and K. Knöller
  
• 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
  C. von Rohden, A. Seebach, K. Knöller and J. Ilmberger