Institut für Wasser und Boden Dr. Uhlmann, BTU Cottbus - Senftenberg

Transkript

1 Cottbus, 26. Februar 21 Projekt 112 Gewässergüte Tagebauseen Lausitz -Teilaufgabe 8/14- Aktualisierung des Gutachtens zur auf die Wasserbeschaffenheit des Senftenberger Sees sowie auf die Wasserbilanz der Restlochkette aus dem Jahr 28 Auftraggeber: 1 Auftragnehmer: Institut für Wasser und Boden Dr. Uhlmann Brandenburgische Technische Universität Cottbus Senftenberg Lehrstuhl für Gewässerschutz Bearbeiter: Dr. Wilfried Uhlmann (IWB) Dipl.-Hydr. Kai Zimmermann (IWB) Dipl.-Hydr. Sebastian Mix (IWB) Dr. Yvonne Kreutziger (IWB) Prof. Dr. habil. Brigitte Nixdorf (BTU) Cottbus, 26. Februar 21 Veranlassung Witterung Fischbrutausfälle Fischsterben Wassertrübung Ockrige Aufrahmungen? Sauerstoffdefizit im Meta- und Hypoliminion Grundwasserzustrom zum Senftenberger See Hochwasserentlastung Aufnahme Schleusenbetrieb Unterschleusenbetrieb Grundwasserzustrom zum Überleiter 12 Stehen das beobachtete Sauerstoffdefizit im Senftenberger See und die Beobachtungen des Fischereibetreibers im Zusammenhang mit der Inbetriebnahme des Überleiters 12 und/oder mit dem Grundwasserzustrom 2 zum Senftenberger See?

2 Cottbus, 26. Februar 21 Chronologie der Ereignisse Juni Aufnahme Schleusungsbetrieb am Überleiter bis 6. Juni Hochwasserentlastung Schwarze Elster 1. Juli Aufnahme nächtlicher Überleitung aus dem Geierswalder See 3. August die nächtliche Überleitung aus dem Geierswalder See wird durch das LUGV gestoppt 1. bis 3. Juni Fischereibetreiber beobachtet Fischbrutausfälle Ab Mitte Juli Fischereibetreiber beobachtet Fischsterben Juni Juli August September 19. Juli Beobachtungen des Fischereibetreibers werden der LMBV mitgeteilt. Juni LMBV-Antrag wird vom LUGV bei Ausschluss negativer Beeinflussung gestattet 24. September Beratung zu den Wassergüteproblemen im Senftenberger See beim LUGV 3 2. Juni LMBV-Antrag auf zusätzliche Überleitung aus dem Geierswalder See Cottbus, 26. Februar 21 Aufgabenstellung Die Aufgabenstellung umfasst 1 Fragenstellungen zu: Systemanalyse und Ursachenfindung Bewertung der Einflussgrößen Vergleich mit anderen Seen Ableitung und Bewertung von Maßnahmen Arbeitsschritte 1. Recherche aller relevanten Daten 2. Erstellung einer dynamischen Wasserbilanz für den Senftenberger See IWB 3. Aufbau eines thermischen Schichtungsmodells 4. Datenanalyse. Analyse der Entwicklung anderer Bergbaufolgeseen IWB 6. Analyse der Entwicklung natürlicher Seen BTU Cottbus-Senftenberg 4

3 Cottbus, 26. Februar 21 Vorgeschichte Gutachten [IWB 28] zu den Auswirkungen des Grundwasserzustroms zum Überleiter 12 auf die Wasserbeschaffenheit des Senftenberger Sees: Zustrom und Wasserbeschaffenheit des Grundwassers waren bekannt Wirkungen auf den Senftenberger See wurden als marginal eingeschätzt Zur Vermeidung von Verockerungen im Überleiter 12 wurden Spülungen empfohlen Die LMBV hat sich in Abstimmung mit den Behörden aus Kostengründen und mit der Erkenntnis aus dem Gutachten [IWB 28] für den Verzicht einer Abdichtung des Überleiters 12 entschieden Lufttemperatur 3 3 2, Grad kälter als langjähriges Mittel 1,4 Grad wärmer als langjähriges Mittel Cottbus, 26. Februar 21 DWD-Station Cottbus Lufttemperatur [ C] Jan 213 Feb 213 Mrz 213 Apr 213 Mai 213 Jun 213 Jul 213 Aug 213 Sep 213 Okt 213 Nov 213 Dez 213 Besonderheit 213 Extrem schneller Temperaturanstieg vom März zum April 6 1/9 Perzentil Tagsmittel Tagesmittel 213

4 Cottbus, 26. Februar 21 Windrichtung und Windgeschwindigkeit Vergleichsweise niedrige Windgeschwindigkeiten Kein abweichendes Muster der Windrichtungen Cottbus, 26. Februar 21 Grundwassergleichen im Jahr 213 8

5 Cottbus, 26. Februar 21 Entwicklung der Grundwasserstände Wasserspiegel [mnhn] Nov 2 Nov 3 Nov 4 Nov Nov 6 Nov 7 Nov 8 Nov 9 Nov 1 Nov 11 SenfSee Sedlitz GWM_467 GWM_1866 Nov 12 Nov 13 Cottbus, 26. Februar 21 Entwicklung der Grundwasserstände Die Grundwasserstände liegen dauerhaft über dem Wasserspiegel des Senftenberger Sees +11 Wasserspiegel [mnhn] Nov 2 Nov 3 Nov 4 Nov Nov 6 Nov 7 Nov 8 Nov 9 Nov 1 Nov 11 Nov 12 SenfSee Geierswalder See GWM_219 GWM_28 Nov 13

6 Cottbus, 26. Februar 21 Grundwasserbeschaffenheit 11 Cottbus, 26. Februar 21 Grundwasserbeschaffenheit im Bereich des Überleiters Datenstand: 28

7 Cottbus, 26. Februar 21 Morphometrie des Senftenberger Sees Staumeisterei Elsterfeld Ostfeld Lagune Südsee Stauhöhe [m NHN] Höchstes Stauziel ZS +99, Stauziel (Normalstau) ZoA +99, Absenkziel ZuA +97,7 13 Cottbus, 26. Februar 21 Wasserbilanzschema Flutung Geierswalder See Geierswalder See Biehlen Schwarze Elster Wehr Koschen Schleuse Überleitung für den Unterschleusenbetrieb Ausleitung Speicher Niemtsch Speicher Niemtsch Flutung Speicher Niemtsch Grundwasser Überleiter 12 Klimatische Wasserbilanz Grundwasser 14

8 Cottbus, 26. Februar 21 Schwarze Elster Flutung [m³/s] Ausleitung [m³/s] ,7 -, ,1-1,72 1 Cottbus, 26. Februar 21 Schwarze Elster Betrachtungszeitraum Betrachtungszeitraum Flutung [m³/s] Ausleitung [m³/s] ,7 -, ,1-1, ,82-2,11 16

9 Cottbus, 26. Februar 21 Überleiter 12 1,,9,8,7 Betrachtungszeitraum 213 Betriebszeitraum Juni - November Größe Volumenstrom [m³/s] Schleusung & Überleitung +,3 Grundwasser +,,6 Schleusung +, Überleitung +,1 Volumenstrom [m³/s],6,,4,3,2,1 Betriebszeitraum, Jan 213 Mrz 213 Mai 213 Jul 213 Sep 213 Nov 213 Jan Grundwasser Schleusung Überleitung Cottbus, 26. Februar 21 Grundwasser Aktuell sind keine belastbaren Daten zur Grundwasserbilanz verfügbar: Ableitung der Nettogrundwasserbilanz aus der Seewasserbilanz Der ermittelte Nettogrundwasserstrom beinhaltet den Grundwasserzustrom zum Überleiter 12! Umkehr der Wasserbilanz von defizitär auf überschüssig 23- Deutliche Zunahme des Grundwasserzuflusses seit 21 18

10 6 Schwarze Elster: Eisenkonzentration Betrachtungszeitraum Mittelwert [mg/l] Streubreite [mg/l] ,3 ± 1,2 Cottbus, 26. Februar Durchfluss [m³/s] , ± 1, Eisen-gesamt [mg/l] Durchfluss Eisen (ges.) 19 Durchfluss : Beschaffenheit : Pegel Neuwiese OBF 268 (Zulauf Senftenberger See) Cottbus, 26. Februar 21 Überleiter 12: Messstellen 2

11 Cottbus, 26. Februar 21 Überleiter 12: Wasserbeschaffenheit ph-wert 9, 8, 8, 7, 7, 6, 6,,, 4, 4, 1,,9,8,7,6,,4,3,2,1, Durchfluss [m³/s] Eisen-gelöst [mg/l], 4, 4, 3, 3, 2, 2, 1, 1,,, 1,,9,8,7,6,,4,3,2,1, Mai 13 Jun 13 Jul 13 Aug 13 Sep 13 Okt 13 Nov 13 Dez 13 Jan 14 Feb 14 Mrz 14 Apr 14 Mai 14 Durchfluss [m³/s] Jun 14 Schleuse Überleitung MS1_pH MS2_pH 91_pH 92_pH 2, 1,8 1,6 1,4 1,2 1,,8,6,4,2, 1,,9,8,7,6,,4,3,2,1, Mai 13 Jun 13 Jul 13 Aug 13 Sep 13 Okt 13 Nov 13 Dez 13 Jan 14 Feb 14 Mrz 14 Apr 14 Mai 14 Jun 14 Mai 13 Jun 13 Jul 13 Aug 13 Sep 13 Okt 13 Nov 13 Dez 13 Jan 14 Feb 14 Mrz 14 Apr 14 Mai 14 Jun 14 Schleuse Überleitung MS1_Fe-gel MS2_Fe-gel 91_Fe-gel 92_Fe-gel Säurekapazität KS4,3 [mmol/l] Durchfluss [m³/s] Eisen-gesamt [mg/l], 4, 4, 3, 3, 2, 2, 1, 1,,, 1,,9,8,7,6,,4,3,2,1, Mai 13 Jun 13 Jul 13 Aug 13 Sep 13 Okt 13 Nov 13 Dez 13 Jan 14 Feb 14 Durchfluss [m³/s] Mrz 14 Apr 14 Mai 14 Jun 14 Schleuse Überleitung MS1_KS43 MS2_KS43 Schleuse Überleitung MS1_Fe-ges MS2_Fe-ges 91_Fe-ges 92_Fe-ges 21 Versauerung und Anreicherung von Eisen bei fehlendem Durchfluss Cottbus, 26. Februar 21 Senftenberger See Volumen [Mio. m³] Staumeisterei Sauerstoffsättigung [%] Im Hypolimnion des Senftenberger Sees traten bereits vor 213 Sauerstoffdefizite auf Bislang keine Indizien für eine zunehmende bergbauliche Beeinflussung (Versauerung und/oder Verockerung) des Senftenberger Sees Volumen Senftenberger See Epilimnion Sauerstoffsättigung Hypolimnion Sauerstoffsättigung 9 8 Elsterfeld Ostfeld 1 1 Volumen [Mio. m³] Sauerstoffsättigung [%] Volumen [Mio. m³] Sauerstoffsättigung [%] Volumen Senftenberger See Hypolimnion Sauerstoffsättigung Epilimnion Sauerstoffsättigung Volumen Senftenberger See Hypolimnion Sauerstoffsättigung Epilimnion Sauerstoffsättigung 22

12 Cottbus, 26. Februar Thermisches Schichtungsmodell für den Senftenberger See Aufbau eines 2D-Strömungsmodells für das Hauptbecken des Senftenberger Sees mit dem Modell CE-QUAL-W Ostfeld Staumeisterei Elsterfeld Länge Tiefe Seitenansicht Modell Meteorologie (Wind, Strahlung, Temperatur) Volumenströme aus Wasserbilanz Wassertemperaturen Grundwasser: konstant +12 C Schwarze Elster: Funktion der Lufttemperatur Überleiter 12: Temperatur Senftenberger See Wichtige Randbedingungen Cottbus, 26. Februar Anpassung des thermischen Schichtungsmodells

13 Cottbus, 26. Februar 21 Wirkung ausgewählter Wasserbilanzgrößen - Vorgehensweise Fragestellung: Welchen Einfluss haben die Bilanzkomponenten Flutung aus Schwarzer Elster Überleiter 12 Grundwasserzustrom auf die Wasserbeschaffenheit des Senftenberger Sees? Lösungsansatz: Tracer-Analyse der Tracer ist eine fiktive nichtreaktive Komponente der Tracer hat keinen Einfluss auf die Dichte des Wassers die Einschichtung des zufließenden Wassers erfolgt dichteabhängig (Temperatur) die Ergebnisse zeigen den Mischungsanteil der jeweiligen Bilanzkomponente im Seewasser über Raum und Zeit Cottbus, 26. Februar 21 Thermisches Schichtungsmodell für den Senftenberger See Wirkung der Hochwasserentlastung Anfang Juni Lange Wirkungsverzögerung und deutliche Wirkungsverflachung vom Ostfeld zum Westfeld des Senftenberger Sees

14 Cottbus, 26. Februar 21 Thermisches Schichtungsmodell für den Senftenberger See Wirkung des Überleiters Die Wirkungen des Hochwassers im Juni 213 auf den Senftenberger See (Wassermengen, Zehrstoff und Eisen) waren vielfach stärker als die des Wassers aus dem Überleiter 12 Cottbus, 26. Februar 21 Thermisches Schichtungsmodell für den Senftenberger See Wirkung des Grundwassers 28 Das Grundwasser hat mengenanteilig einen dominanten Einfluss auf den Senftenberger See

15 Cottbus, 26. Februar Limnologische Eigenschaften anderer Bergbaufolgeseen Bergbaufolgesee Tiefe Temperaturminimum grundnah *) Sauerstoffprofil m [ C] Großräschener See Altdöberner See Spreetaler See Blunoer Südsee v.a. metalimnische Zehrung Scheibesee Sauerstoffsättigung über Grund geringe Zehrung, tlw. Übersättigung >8% Speicher Bärwalde v.a. hypolimnische Zehrung >6% Gräbendorfer See metalimnische Übersättigung, hypolimnische Zehrung Geierswalder See >4% hypolimnische Zehrung RL 14/ Sedlitzer See meta- und hypolimnische Zehrung Partwitzer See hypolimnische Zehrung Speicher Dreiweibern meta- und hypolimnische Zehrung >2% Speicher Lohsa II starke metalimnische Zehrung Neuwieser See Senftenberger Staumeisterei 8 1 Ostfeld 19 4 % starke meta- und hypolimnische Zehrung See Westfeld 4 *) zum Höhepunkt der Sommerstagnation Cottbus, 26. Februar 21 Beispiele für Tiefenprofile zur Sommerstagnation 213 Großräschener See Großräschener See (3.82) O2-Sättigung [%] Geierswalder See Geierswalder See (G 3.161) O2-Sättigung [%] Speicher Lohsa II Lohsa (G 1.192) O2-Sättigung [%] Tiefe [m] Tiefe [m] Tiefe [m] Temperatur [ C] Temperatur [ C] Temperatur [ C]

16 Cottbus, 26. Februar 21 Ursachen und Folgen metalimnischer Sauerstoffminima Für dimiktische Seen im Norddeutschen Tiefland sowie in der Alpen- und Voralpenregion sind metalimnische Sauerstoffmaxima während der Sommerstagnation typisch Unter bestimmten Bedingungen können aber auch metalimnische Sauerstoffminima auftreten: Lang anhaltende, windarme und heiße Wetterlage, ggf. schnelle Erwärmung des Sees im Frühjahr: Stabile Schichtung des Gewässers mit ausgeprägtem Dichtegradienten im Metalimnion Hohe Primärproduktion im Epilimnion oder ausreichend organische Substanz aus externen Quellen (z. B. Hochwasser): 31 Verringerte Sedimentationsgeschwindigkeit im Metalimnion aufgrund des starken Dichtegradienten Verlängerte Verweilzeit des organischen Materials im Metalimnion Erhöhte heterotrophe Umsätze und Sauerstoffverbrauch im Metalimnion Cottbus, 26. Februar 21 Beispiele metalimnischer Sauerstoffminima Arendtsee (Sachsen-Anhalt) See Land Sauerstoffsättigung [%] Sacrower See Brandenburg Breiter Luzin Carwitzer See 1 Feisnecksee Mecklenburg-Vorpommern 1 Tollensesee Wassertiefe [m] 2 Woseriner See Schluensee Dobersdorfer See Schleswig-Holstein 3 Ammersee 3 Chiemsee Bayern 4 Starnberger See 4 Sauerstoffsättigung Wassertemperatur Zürichsee Sempacher See Schweiz 32 Wassertemperatur [ C] Ossiacher See Österreich

17 Cottbus, 26. Februar 21 Anteil des Eisens an der Sauerstoffzehrung Herkunft des Eisens Mittlerer Volumenstrom Repräsentative Eisenkonzentration Mittlere Eisenfracht m³/s mg/l kg/d anteilig Grundwasser zum Überleiter 12, ,2% Grundwasser zum Senftenberger See >,3 > ,6% Einleitung aus Schwarze Elster (1,8) 86 42,1% Schleusungen und Unterschleusenbetrieb,3, 1,1% Summe > ,% Bilanzanteile der Zuflüsse Bilanzanteile des Eiseneintrags 1% 2% 14%,1% 11,2% Grundwasser zum Überleiter 12 Grundwasser zum Senftenberger See Einleitung aus der Schwarzen Elster Schleusungen und Unterschleusenbetrieb 42,1% 46,6% 33 83% Cottbus, 26. Februar 21 Schlussfolgerungen Die Analyse der verfügbaren Daten zeigt der im Sommer 213 im Senftenberger See beobachtete extrem starke Sauerstoffgradient im Metalimnion ist kein singuläres Ereignis vergleichbare starke Sauerstoffgradienten im Metalimnion wurden auch in anderen Bergbaufolgeseen und werden auch in natürlichen Seen beobachtet dass kein Zusammenhang zwischen dem beobachteten Sauerstoffdefizit im Senftenberger See und dem Betrieb des Überleiters 12 belegbar ist bislang keine Indizien (steigende Eisenkonzentration, Versauerung) für eine bergbauliche Beeinflussung des Senftenberger Sees feststellbar sind 34