You are here: University of Vienna PHAIDRA Detail o:1348256
Title (eng)
Detection, quantification and influence of groundwater at lake Steißlingen based on the measurement of physical, chemical and isotopic parameters
Parallel title (deu)
Detektion, Quantifikation und Einfluss von Grundwasser am Steißlinger See basierend auf den Messungen von physikalischen, chemischen und isotopischen Parametern
Author
Anna Mathis
Adviser
Thilo Hofmann
Assessor
Thilo Hofmann
Abstract (deu)
Grundwasser kann aufgrund vieler Faktoren einen erheblichen Einfluss auf Seesysteme nehmen, wie beispielsweise auf den Hydrochemismus, die Mischdynamik und den Wasserhaushalt. Diese Studie war Teil des SeeZeichen Projektes, welches sich mit der räumlichen Verteilung und der saisonalen Dynamik unterschiedlicher Eintragspfade in Seen, wie beispielsweise Grundwasser, befasste. Zur Identifikation von Grundwasserzutritten wurden im Projekt verschiedene physikalische, chemische und isotopische Methoden einzeln und in Kombination getestet. Hauptuntersuchungsgebiet war der Bodensee. Die entwickelten Methoden wurden auf Übertragbarkeit auf andere Seen, wie den Steißlinger See und den Ammersee, überprüft und verifiziert. In dieser Arbeit lag das Augenmerk auf den Untersuchungen des Steißlinger Sees. Bisherige Studien widmeten sich hauptsächlich der Klimahistorie und den Sedimentabfolgen des Steißlinger Sees, wobei unter anderem beobachtet wurde, dass der See vermutlich zu einem Großteil durch Grundwasser gespeist wird. Aufgrund der seit Jahren bestehenden Annahme, dass der Steißlinger See hauptsächlich durch Grundwasser gespeist und beeinflusst wird, lag der Fokus dieser Studie auf der Detektion und Quantifikation des Grundwassers. Für die Datenerfassung wurden physikalische, chemische und isotopische Parameter gemessen und anschließend eine inverse Modellierung mit Phreeqc durchgeführt. Außerdem wurde die als für die Quantifizierung und Detektion von Grundwasser am Bodensee geeignete Methode auf dessen Anwendbarkeit und Übertragbarkeit auf den Steißlinger See eingesetzt. Ein weiteres Ziel dieser Studie war die Lokalisierung der Aquifer-Schicht des einströmenden Grundwassers und dem damit in Verbindung stehenden Einfluss auf die Seeschichtung sowie die Erfassung der saisonalen Durchmischung und Zirkulation des Steißlinger Sees. Um die Herkunft und Quantität des einströmenden Grundwassers am Steißlinger See zu verifizieren, wurden im Jahr 2016 und 2017 in regelmäßigen Intervallen physikalische, chemische und isotopische Parameter entlang von Tiefenprofilen und in Sedimentnähe gemessen, Wasserproben genommen, CTD-Messungen durchgeführt und Analysen im Labor gemacht. Außerdem wurde für hochaufgelöste Messungen der zeitlichen Variabilität zwischen Dezember 2016 und Dezember 2017 eine Dauermessstation an der seetiefsten Stelle betrieben. Für eine präzise Ermittlung des Grundwasseranteils und der Bestimmung des Sättigungsindex von Kalzit, wurde zusätzlich zu den Messungen eine Modellierung sowie inverse Modellierung mittels Phreeqc durchgeführt. Alle angewendeten Methoden, wie zum Beispiel die Messung von NO3-N oder δ18O, zeigten, dass das Grundwasser durch eine quartäre, karbonatische und stark durchlässige Aquifer-Linse in einer Tiefe von ~15 m eintritt, welche durch lokalen Niederschlag gespeist wird. Durch das Eintreten des Grundwassers in dieser Tiefe bildet sich zwischen den Frühlings- und Herbstmonaten im See eine ausgeprägte Grundwasserschicht oberhalb des Hypolimnions. Die Austauschprozesse zwischen Hypolimnion und Grundwasserschicht führen dazu, dass sich während den Herbst- und Wintermonate ein homogener Wasserkörper im Hypolimnion ausbildet. Aufgrund des fortlaufend infiltrierenden Grundwassers in den See und der Homogenität des Hypolimnions, weist der Steißlinger See in den Wintermonaten eine temporäre inverse Stratifizierung auf. Durch einen leichten Unterschied der Wassertemperatur und der Wasserdichte zwischen Epi- und Hypolimnion im Winter, bleibt ein vollständiger Mischungsprozess aus und wird nur annähernd erreicht, was auch an der isotopischen und chemischen Homogenität entlang der Wassersäule im Frühling erkennbar ist. Eine Akkumulation des Grundwassers wurde zwischen Frühling- und Herbstmonaten bis hin zu 77,2 % im September 2017 im Hypolimnion beobachtet, was unter anderem zu einer Stabilisierung der Seeschichtung führt. Die Berechnungen des Grundwasseranteils mittels Phreeqc zeigen die höchsten Werte im September 2017 im Nord-Osten und in der Mitte des Sees.
Abstract (eng)
Groundwater can be a driving factor for the hydrochemistry, mixture dynamic and water budget of a lake system. This study is part of the SeeZeichen project for which various observation and measurement methods were applied concerning groundwater tracing and quantification, mainly at Lake Constance, but also at Lake Steißlingen and Ammersee Lake. Within this thesis, Lake Steißlingen is observed. Former surveys of Lake Steißlingen mainly regarded its historical climatic data and sediments. Thereby, it became clear that Lake Steißlingen gets fed mainly by groundwater, which leads to a more detailed observation for groundwater detection and quantification within this study. In this study, measurements of physical, chemical and isotopic parameters, in combination with Phreeqc inverse modelling, are evaluated in its applicability and portability to Lake Steißlingen, which was currently verified as an appropriate method for the quantification and detection of groundwater at Lake Constance. Another aim of this master’s thesis was to examine the aquifer layer where groundwater is originating from and to which extent it influences the lakes stratification through seasonal-mixing- and circulation-behavior. To close research gaps concerning groundwater quantification and localization at Lake Steißlingen, physical, chemical and isotopic parameters were measured along depth profiles and close to the sediment through water sampling, CTD-measurement and analysis in the laboratory at regular intervals in 2016/2017. Additionally, a permanent measuring station was installed on-site between December 2016 and December 2017. For a more accurate evaluation of groundwater ratio and the ascertainment of the saturation index for calcite, Phreeqc modelling and inverse modelling was applied. All applied methods, e.g. measurements of NO3-N or δ18O, show that groundwater enters the lake through a quaternary, carbonatic high permeable aquifer lens, fed by local precipitation, at a depth of ~15m. This causes the formation of a distinct water layer above the hypolimnion between spring and fall months. The exchange processes between the hypolimnion and the groundwater layer cause a complete mixture and homogeneity of the hypolimnion during fall/winter. Influenced by warmer incoming groundwater to the lake in connection with the homogeneity of the hypolimnion Lake Steißlingen indicates a temporary inverse stratification in winter. Due to slight differences in water temperature and density between epi- and hypolimnion within this period of the year, a mixing event only gets approached by exchange processes. The occurrence of a mixing approach is proven by a chemical and isotopically homogeneity along the entire water column in spring. An accumulation of groundwater in the hypolimnion was observed between spring and fall months up to 77.2% in September 2017, which supports the stabilization of the lakes stratification. The highest groundwater ratios calculated by Phreeqc are located in the middle and north-eastern side of the lake in September 2017.
Keywords (eng)
Groundwater detectionLake StratificationLake dynamicsphysical parameterschemical parametersisotopic parameters
Keywords (deu)
GrundwasserdetektionSeestratifizierungSeedynamikphysikalische Parameterchemische Parameterisotopische Parameter
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1348256
rdau:P60550 (deu)
VI, 117 Seiten : Diagramme, Karten
Number of pages
124
Members (1)
Title (eng)
Detection, quantification and influence of groundwater at lake Steißlingen based on the measurement of physical, chemical and isotopic parameters
Parallel title (deu)
Detektion, Quantifikation und Einfluss von Grundwasser am Steißlinger See basierend auf den Messungen von physikalischen, chemischen und isotopischen Parametern
Author
Anna Mathis
Abstract (deu)
Grundwasser kann aufgrund vieler Faktoren einen erheblichen Einfluss auf Seesysteme nehmen, wie beispielsweise auf den Hydrochemismus, die Mischdynamik und den Wasserhaushalt. Diese Studie war Teil des SeeZeichen Projektes, welches sich mit der räumlichen Verteilung und der saisonalen Dynamik unterschiedlicher Eintragspfade in Seen, wie beispielsweise Grundwasser, befasste. Zur Identifikation von Grundwasserzutritten wurden im Projekt verschiedene physikalische, chemische und isotopische Methoden einzeln und in Kombination getestet. Hauptuntersuchungsgebiet war der Bodensee. Die entwickelten Methoden wurden auf Übertragbarkeit auf andere Seen, wie den Steißlinger See und den Ammersee, überprüft und verifiziert. In dieser Arbeit lag das Augenmerk auf den Untersuchungen des Steißlinger Sees. Bisherige Studien widmeten sich hauptsächlich der Klimahistorie und den Sedimentabfolgen des Steißlinger Sees, wobei unter anderem beobachtet wurde, dass der See vermutlich zu einem Großteil durch Grundwasser gespeist wird. Aufgrund der seit Jahren bestehenden Annahme, dass der Steißlinger See hauptsächlich durch Grundwasser gespeist und beeinflusst wird, lag der Fokus dieser Studie auf der Detektion und Quantifikation des Grundwassers. Für die Datenerfassung wurden physikalische, chemische und isotopische Parameter gemessen und anschließend eine inverse Modellierung mit Phreeqc durchgeführt. Außerdem wurde die als für die Quantifizierung und Detektion von Grundwasser am Bodensee geeignete Methode auf dessen Anwendbarkeit und Übertragbarkeit auf den Steißlinger See eingesetzt. Ein weiteres Ziel dieser Studie war die Lokalisierung der Aquifer-Schicht des einströmenden Grundwassers und dem damit in Verbindung stehenden Einfluss auf die Seeschichtung sowie die Erfassung der saisonalen Durchmischung und Zirkulation des Steißlinger Sees. Um die Herkunft und Quantität des einströmenden Grundwassers am Steißlinger See zu verifizieren, wurden im Jahr 2016 und 2017 in regelmäßigen Intervallen physikalische, chemische und isotopische Parameter entlang von Tiefenprofilen und in Sedimentnähe gemessen, Wasserproben genommen, CTD-Messungen durchgeführt und Analysen im Labor gemacht. Außerdem wurde für hochaufgelöste Messungen der zeitlichen Variabilität zwischen Dezember 2016 und Dezember 2017 eine Dauermessstation an der seetiefsten Stelle betrieben. Für eine präzise Ermittlung des Grundwasseranteils und der Bestimmung des Sättigungsindex von Kalzit, wurde zusätzlich zu den Messungen eine Modellierung sowie inverse Modellierung mittels Phreeqc durchgeführt. Alle angewendeten Methoden, wie zum Beispiel die Messung von NO3-N oder δ18O, zeigten, dass das Grundwasser durch eine quartäre, karbonatische und stark durchlässige Aquifer-Linse in einer Tiefe von ~15 m eintritt, welche durch lokalen Niederschlag gespeist wird. Durch das Eintreten des Grundwassers in dieser Tiefe bildet sich zwischen den Frühlings- und Herbstmonaten im See eine ausgeprägte Grundwasserschicht oberhalb des Hypolimnions. Die Austauschprozesse zwischen Hypolimnion und Grundwasserschicht führen dazu, dass sich während den Herbst- und Wintermonate ein homogener Wasserkörper im Hypolimnion ausbildet. Aufgrund des fortlaufend infiltrierenden Grundwassers in den See und der Homogenität des Hypolimnions, weist der Steißlinger See in den Wintermonaten eine temporäre inverse Stratifizierung auf. Durch einen leichten Unterschied der Wassertemperatur und der Wasserdichte zwischen Epi- und Hypolimnion im Winter, bleibt ein vollständiger Mischungsprozess aus und wird nur annähernd erreicht, was auch an der isotopischen und chemischen Homogenität entlang der Wassersäule im Frühling erkennbar ist. Eine Akkumulation des Grundwassers wurde zwischen Frühling- und Herbstmonaten bis hin zu 77,2 % im September 2017 im Hypolimnion beobachtet, was unter anderem zu einer Stabilisierung der Seeschichtung führt. Die Berechnungen des Grundwasseranteils mittels Phreeqc zeigen die höchsten Werte im September 2017 im Nord-Osten und in der Mitte des Sees.
Abstract (eng)
Groundwater can be a driving factor for the hydrochemistry, mixture dynamic and water budget of a lake system. This study is part of the SeeZeichen project for which various observation and measurement methods were applied concerning groundwater tracing and quantification, mainly at Lake Constance, but also at Lake Steißlingen and Ammersee Lake. Within this thesis, Lake Steißlingen is observed. Former surveys of Lake Steißlingen mainly regarded its historical climatic data and sediments. Thereby, it became clear that Lake Steißlingen gets fed mainly by groundwater, which leads to a more detailed observation for groundwater detection and quantification within this study. In this study, measurements of physical, chemical and isotopic parameters, in combination with Phreeqc inverse modelling, are evaluated in its applicability and portability to Lake Steißlingen, which was currently verified as an appropriate method for the quantification and detection of groundwater at Lake Constance. Another aim of this master’s thesis was to examine the aquifer layer where groundwater is originating from and to which extent it influences the lakes stratification through seasonal-mixing- and circulation-behavior. To close research gaps concerning groundwater quantification and localization at Lake Steißlingen, physical, chemical and isotopic parameters were measured along depth profiles and close to the sediment through water sampling, CTD-measurement and analysis in the laboratory at regular intervals in 2016/2017. Additionally, a permanent measuring station was installed on-site between December 2016 and December 2017. For a more accurate evaluation of groundwater ratio and the ascertainment of the saturation index for calcite, Phreeqc modelling and inverse modelling was applied. All applied methods, e.g. measurements of NO3-N or δ18O, show that groundwater enters the lake through a quaternary, carbonatic high permeable aquifer lens, fed by local precipitation, at a depth of ~15m. This causes the formation of a distinct water layer above the hypolimnion between spring and fall months. The exchange processes between the hypolimnion and the groundwater layer cause a complete mixture and homogeneity of the hypolimnion during fall/winter. Influenced by warmer incoming groundwater to the lake in connection with the homogeneity of the hypolimnion Lake Steißlingen indicates a temporary inverse stratification in winter. Due to slight differences in water temperature and density between epi- and hypolimnion within this period of the year, a mixing event only gets approached by exchange processes. The occurrence of a mixing approach is proven by a chemical and isotopically homogeneity along the entire water column in spring. An accumulation of groundwater in the hypolimnion was observed between spring and fall months up to 77.2% in September 2017, which supports the stabilization of the lakes stratification. The highest groundwater ratios calculated by Phreeqc are located in the middle and north-eastern side of the lake in September 2017.
Keywords (eng)
Groundwater detectionLake StratificationLake dynamicsphysical parameterschemical parametersisotopic parameters
Keywords (deu)
GrundwasserdetektionSeestratifizierungSeedynamikphysikalische Parameterchemische Parameterisotopische Parameter
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1348257
Number of pages
124