Hochauflösende isotopenbasierte Modellierung der Grundwasseranbindung meromiktischer Tagebauseen

Abstract

An drei Untersuchungsstandorten in der Niederlausitz wurde versucht, der monatliche Grundwassereintrag isotopenhydrologisch (Sauerstoff-18, Deuterium) zu berechnen. Die Untersuchungen wurden an zwei meromiktischen sowie einem polymiktischen Tagebausee durchgeführt. Ziel der Untersuchungen war es, die für durchmischte Seen etablierte isotopenhydrologische Bilanzgleichung zu abzuwandeln und damit die Bilanzierung geschichteter Seen zu ermöglichen. Ein weiterer Aspekt waren Studien zur Modifizierung des Craig & Gordon Modells von 1965 (Craig und Gordon, 1965) und dessen Anpassung an Gebiete hoher Luftfeuchtigkeit. Hierzu wurden über einen Untersuchungszeitraum von 2,5 Jahren zeitlich und räumlich hochaufgelöste Proben aus Grundwasser, Seewasser, Verdunstungs-pfannen, Niederschlag und Luftfeuchte genommen und isotopisch (δ18O, D) untersucht. Ferner wurden die meteorologischen Parameter Luftfeuchte und Lufttemperatur sowie die Oberflächenwassertemperatur der untersuchten Seen aufgezeichnet. Diese Daten wurden in einem Bilanzmodell zusammengeführt. Unglücklicherweise traten während des Untersuchungszeitraumes aufgrund der unbekannten hydrogeologischen Situation unvorhersehbare Schwierigkeiten mit der Bestimmung eines lokalen Backgroundwertes für die Isotopensignaturen des Grundwassers auf. Außerdem stellten die hydrodynamischen Rahmenbedingungen an allen drei Standorten die Bilanzierung vor eine Herausforderung. So schränken starke Seespiegelschwankungen durch den begleitenden Wechsel von effluenten und influenten Strömungsbedingungen die Anwendung der Isotopenbilanz enorm ein. Des Weiteren verliefen die Verdunstungsexperimente unter den lokalen meteorologischen Bedingungen nicht zufrieden stellend, was leider erst gegen ende des Untersuchungszeitraums erkannt wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die Anwendbarkeit des Isotopenbilanzmodells bezüglich der Quantifizierung von Grundwassereintragsraten durch die lokalen hydrogeologischen Verhältnisse stark limitiert werden kann. Dennoch konnte durch die umfassenden Gelände- und Laborarbeiten neben einem nahezu lückenlosen Datensatz für die drei Untersuchungsgebiete wertvolle Erkenntnisse zur Weiterführung dieses Projektes sowie zur Umsetzung bei zukünftigen ähnlichen Untersuchungen gewonnen werden. Hierzu zählen u.a. die Entwicklung einer Methode zur direkten isotopischen Bestimmung von Wasserdampf bzw. Evaporat. Ferner konnten für die untersuchten Standorte hochaufgelöste Local Meteoric Water Lines (LMWL) und Evaporation Lines (EL) generiert werden. Darüber hinaus konnten Erkenntnisse über die heterogenen Verteilungsmuster von Isotopensignaturen im Grund- und Seewasser gewonnen werden.

The application of stable isotopes is a common tool for evaluating water balances of lakes. In this paper, we present a two-year isotope data set from three study sites in Lusatia, Eastern Germany, where pit lakes have been explored: Mine lake 107 (ML107), lake Waldsee and lake Moritzteich. ML107 is part of a pit lake area in the Lusatian Lignite District near Plessa. The latter two lakes are located in the Muskau Arch Fold, which is an ice-thrust ridge of a moraine formed by the Elsterian glaciation. Aim of the investigations was to quantify monthly groundwater recharge into pit lakes. Two of the three investigated lakes are meromictic, which makes it essential to adapt existing water balance models to permanently stratified lakes. For isotope analyses, high-resolution data sets of lake water, precipitation, and groundwater were collected in addition to comprehensive meteorological records of the three study sites. Evaporation pan experiments as well as the design of a special procedure for collecting monthly average samples of lake evaporate complete the survey of the isotope water balance concerning parameters. Unfortunately, unexpected problems arose during processing the work programme. Namely, the isotope signatures of the local groundwater bodies are not uniform in none of the investigated sites. Moreover, seasonal lake water level fluctuations accompany regular changes in the hydrodynamic system; surface water infiltration into the groundwater aquifer alternates with groundwater exfiltration into the lake water body. The results of this study show that the hydro-/geological setting at the study sites in the Muskau Arch Fold is far too complex for the application of well-established water balance models in terms of quantification of groundwater recharge. Furthermore, evaporation pan experiments carried out in the framework of these investigations do not bring any satisfactory results under local meteorological conditions. Regardless of problems mentioned above, the present work introduces a nearly complete high- resolution isotope data set from three mine lakes in the Lusatian Lignite District. So the first local meteoric water and evaporation line were generated for the study areas. The novel technique for sampling lake evaporate allowed obtaining more than thirty water samples which provided (discontinuous) records of isotope signatures of lake evaporate δE. For all evaluated components of the hydrological balance (precipitation, groundwater, lake water, lake evaporate) seasonal pattern were observed. Such as, the amplitude height of the temporal variations in surface lake water isotope composition was between 2.43 ‰ (Moritzteich) and 4.43 ‰ (ML107) for oxygen-18, respectively.