Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
Tagebauseen

Mischungsprozesse und Grundwasserankopplung

In Mitteldeutschland und der Lausitz bilden sich mit der Aufgabe von Braunkohletagebauen - insbesondere seit Anfang der 90er Jahre - zahlreiche neue Seen unterschiedlicher Größe und Tiefe. Da sie künstliche Gebilde sind und sich nicht wie natürliche Seen in langen Zeiträumen nahe an hydrologischen, geochemischen und biologischen Gleichgewichten mit ihrer natürlichen Umgebung verändert haben, entstehen mit Ihnen eine Reihe von Problemen im Hinblick auf ihre spätere Nutzung durch den Menschen und die Integration in das vorhandene Umfeld. Dazu gehören die Versauerung durch Oxidation sulfidischer Mineralien, die Versalzung durch Kontakt mit salinen Grundwässern, anthropogene Schadstoffkontamination und Eutrophierung.
In Seen mit u.U. starken Dichteschichtungen, die durch teilweise große Mengen gelöster Stoffe (Salz) und die saisonal variierende vertikale Temperaturstruktur der Wassersäule entstehen, haben wir insbesondere den vertikalen Wasseraustausch untersucht. Mit diesem Austausch, der in der Regel turbulent ist, erfolgt der Transport von Wärme, chemischem und biologischem Material von den oberen in die tieferen Bereiche wie auch der Aufwärtstransport von belastenden Substanzen, welche aus dem Sediment und dem Monimolimnion nach Umwandlungsprozessen in die offene Wassersäule gelangen. Die Dichteschichtung unterdrückt ihn stark gegenüber dem horizontalen Austausch, in einigen Fällen bis auf das Niveau der molekularen Diffusion. Oftmals trennt eine relativ scharfe Dichtesprungschicht (Chemokline) den oberen Wasserkörper vom unten liegenden anaeroben Tiefenwasser (Monimolimnion). Abhängig von der Stärke dieser Schichtungen, der Größe und Lage der Seen und deren Ankopplung an das Grundwassersystem bleiben solche Strukturen über Jahre bestehen oder haben nur saisonalen Charakter.
Im Falle einer sehr starken Chemokline (oder auch Halokline genannt, wenn sie vor allem durch Gradienten in der Konzentration gelöster Salze festgelegt ist), kann man beobachten, dass über Zeiträume von vielen Jahren ein langsamer Abbau des Monimolimnions durch erosive Prozesse an seiner Oberfläche stattfindet.
Das künstliche Gas SF6 wurde von uns in verschiedenen Tagebauseen erfolgreich als Tracer zur Quantifizierung dieser Transportprozesse eingesetzt. Die Beschreibung der Vorgänge basiert auf einem statistischen Ansatz in Analogie zur gradientgetriebenen Fick'schen Diffusion. Da der vertikale Austausch bei starker Schichtung sehr langsam abläuft, haben die Experimente Langzeitcharakter. Regelmäßige Messungen über Monate oder sogar Jahre sind für verlässliche Aussagen erforderlich. Ziele der Spikeexperimente waren die Ableitung tiefenabhängiger turbulenter Diffusionskoeffizienten und daraus die Berechnung von Stoff- und Wärmeflüssen, die Abschätzung der Anbindung an das Grundwasser. Die Ergebnisse stellen wichtige Eingangsgrößen für limnophysikalische Modelle dar und sollten zu einem grundsätzlichen Verständnis des Gegeneinanderwirkens von Mischung und Schichtung beitragen.
Das Bild zeigt die vertikale Ausbreitung einer SF6-Tracermarkierung, die im Monimolimnion eines Tagebausees in einer festen Tiefe eingebracht wurde (von Rohden et al., 2001). Die Zeitskala der sichtbaren Veränderungen erstreckt sich über Jahre, was auf einen sehr langsamen effektiven vertikalen Transport schliessen lässt.

 

zum Seitenanfang
Seitenbearbeiter: webmaster