Einleitung und Datengrundlage

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1 Der Kulkwitzer See Beschaffenheitsentwicklung Probleme in einem 30 Jahre alten Bergbaurestsee am Stadtrand Leipzigs Robert Kringel* und Ingrid Carmienke** * Ingenierbüro für Grundwasser GmbH, Nonnenstraße 9, Leipzig Tel. 0341/ , Fax 0341/ , robert.kringel@t-online.de ** Staatliches Umweltfachamt Leipzig, PF , Leipzig Tel / , Fax 0341/ , ingrid.carmienke@stufal.smu.sachsen.de Einleitung und Datengrundlage Der Kulkwitzer See entstand durch Flutung im Grundwasseranstieg aus den ehemaligen Braunkohletagebauen Miltitz und Kulkwitz am westlichen Stadtrand Leipzigs (Nordwestsachsen), die Mitte der sechziger Jahre ihre Wasserhaltung einstellten. Bei 1,59 km 2 Fläche und maximal 32 m (Nordbecken) bzw. 28 m (Südbecken) Tiefe weist er ein Wasservolumen von 27 Mio m³ auf, das zu etwa 80 % auf das Nordbecken entfällt. Beide Seebecken sind durch eine nur 3-5 m tiefe Schwelle voneinander getrennt, die um 1979 überflutet wurde. Damit ist während der Stagnationsperiode nur über das Epilimnion ein Wasseraustausch zwischen den beiden Becken möglich. Der See besitzt keinen oberirdischen Zu- oder Abfluss, steht aber in unterirdischem hydraulischem Kontakt zum nahe gelegenen Bach Zschampert, der abschnittsweise in Richtung See infiltriert. Seit mehr als 20 Jahren besitzt der See eine überregionale Bedeutung als Erholungsgewässer und wird in der Saison von bis zu Badegästen pro Tag aufgesucht. Seine stadtnahe Lage bedingt trotz der Flutung weiterer Tagebaurestseen in Nordwestsachsen auch künftig einen unvermindert hohen Nutzungsdruck durch Badende, Angler, Taucher und Bootssportler. Neben der intensiven Erholungsnutzung wurde der See beeinflußt durch: Forellennetzkäfighaltung (ca. bis 1975), Verspülung von Kraftwerksasche (ca. bis 1979), Zusickerung von Gülle, Entnahme von Bewässerungswasser (bis 1990 Entnahme vo ca. 1,5 Mio m³/a, seitdem Wasserhaltung), Überlauf von Rübenwaschwasser aus einer Zuckerfabrik (bis ca. 1990). Ein besonders 1995,1996 über Grund auftretender Sauerstoffmangel bei gleichzeitigem metalimnischen Sauerstoffmaximum, insgesamt niedrigen TP und Chlorophyll-a-Konzentrationen und Phytoplanktonabundanzen während der Stagnationsperiode und die Notwendigkeit der Wasserhaltung zur Vermeidung von Vernässungs- und Bauwerksschäden, erforderten die Erarbeitung eines hydrogeologischen [4] und eines aufbauenden limnologischen Gutachtens [5] in deren Ergebnis folgende Bewirtschaftungsmaßnahmen abgeleitet werden können: - Stabilisierung des Wasserstandes, Wasserhaltung - Maßnahmen zur langfristigen Sicherung der Badewasserqualität auf Grundlage einer Prognose der Seewasserbeschaffenheitentwicklung unter Einbeziehung grundwasserbürtiger Stoffeinträge - Umsetzung der fischereilichen Hegeverpflichtung gemäß 4, 15 SächsFischG. Im Fall des Kulkwitzer Sees konnte auf die längste und umfangreichste Beobachtungsreihe zur Entwicklung eines ph-neutralen Restsees des Braunkohlenbergbaues ohne Vorflutanbindung zurückgegriffen werden [1][2][3][6][7][8][9]. Das 1998 erarbeitete hydrogeologische Gutachten [4] ermittelte eine mittlere Verweilzeit des Seewassers von 30 Jahren bei Wasserentnahme. Im Folgenden werden Aspekte aus [5] vorgestellt, welches neben der Auswertung der Altdaten, Sediment- und Porenwasseruntersuchungen des profundalen Sedimentes, die Konzeption eines Grundwassermessnetzes und ein fischereifachliches Gutachten als Teilleistung beinhaltet. Synopse Flutung und Konzentrationsentwicklung Mit dem Rückbau der bergbaulichen Wasserhaltung 1963 begann der Wasserspiegelanstieg in beiden Becken des Kulkitzer Sees. Die Anstiegskurve in Abbildung 1 spiegelt die Auffüllung durch Grundwasserzustrom in trockenen und nassen Jahren sowie bedeutende Entnahmen für

2 Energie-, Landwirtschaft und Industrie wieder bildete sich ein Wasserkörper aus beiden Teilbecken. Mit dem Ende dieser Entnahmen 1992/93 stieg der Wasserspiegel an und gefährdete langjährig etablierte Freizeitnutzungen (z.b. Zelt- und Feriendorf), sodass 1996 wieder mit einer intermittierenden Wasserhaltung begonnen werden musste. Flutungsbeginn 1 Becken Entnahmestop Stauhöhe in mnn Stauziel +114,5 mnn, 0 % Füllung Füllungsgrad Wsp. in mnn SO 4 -Depress. Konzentration in mg/l 0 1 Sulfat Chlorid Nitrat Linear Fit Cl <= 95 % >= 95 % Cl-Anstieg Denitrifikation Flutungs + Bewirtschaftungsphase Abbildung 1: Wasserspiegelanstieg und Füllungsgrad (in %) des Kulkwitzer Sees, Konzentrationsentwicklung wesentlicher Inhaltstoffe. Synoptisch zum Wasserspiegelanstieg ist in Abbildung 1 die Konzentrationsentwicklung von Sulfat, Chlorid und Nitrat dargestellt. Die Konzentration von Sulfat entwickelte sich durch die Konzentration der Grundwässer, diverser Einleitungen, Wechselwirkung mit den Böschungen (Pyritoxidationprodukte), Sulfatreduktion in den Seesedimenten und wesentlich durch die Verspülung von sulfatreicher Kraftwerksasche bis Nach Vereinigung der Wasserflächen schwanken die Sulfatkonzentationen und zeigen nach dem Ende der Wassernutzungen ein gleichmässigesm hohes Plateau. Bei Chlorid ist seit 1976 ein leichter Konzentrationsanstieg zu beobachten. Deutlich ist in Abbildung 1 die Abnahme der Nitratkonzentrationen zu erkennen, die 1979 noch über 20 mg/l betragen, im Verlauf der 80er Jahre abnehmen und 1998 nur noch 2 mg/l betragen. Die Ursache ist in der komplexen Nutzungs- und Einleitungs-

3 geschichte bei Volumenzunahme (s.o) zu suchen. Die starke Abnahme der 90er Jahre weist aber auf ein verschobenes Gleichgewicht zwischen Nitrateintrag auf Einen und Denitrifikation auf der Anderen Seite hin. Eine typische Analyse des Wassers im Kulkwitzer See ist in Tabelle 1 wiedergegeben. Die Einzelwerte entstammen einer statistischen Auswertung des Zeitraumes 1995 bis Diese ist zulässig ist, weil die zeitlichen und vertikalen Unterschiede im Zeitraum gering und ungerichtet sind. Tabelle 1: Repräsentative Wasseranalyse im Südbecken des Kulkwitzer Sees; Median aller Bestimmungen im Pelagial Milieukennwerte ph-wert Epilimnion: 8,6; Metalimnion: 8,0-8,2; Hypolimnion: 7,2 El. Leitfähigkeit 2000 µs/cm O 2 -Sättigung, phys Epilimnion: 0 %; Metalimnion: 160 %; Hypolimnion: 0 0 1) Sichttiefe 5 - m, Klarwasserphasen 15 m 2) Kationen Anionen Calcium 8,4 mmol/l Sulfat 9,3 mmol/l Magnesium 1,7 mmol/l Chlorid 4,7 mmol/l Natrium 3,5 mmol/l Alkalität 1,4 mmol/l Kalium 0,29 mmol/l Eisen ges. 0,13 µmol/l Nährstoffe Nitrat-N 75 µmol/l SRP <= Nitrit-N <= TP 0,31 µmol/l Ammonium-N 3 µmol/l Silicium 8,3 µmol/l Chlorophyll-a 0,5-1,8 µg/l (max. 2,7) 1) In Jahren nach gestörter Zirkulation durch Eisbedeckung 2) vereinzelt höhere Sichtiefen berichtet Vertikale Abweichungen ergeben sich mit jahreszeitlich fortschreitender Stagnation vor allem im Hypolimnion, wo die Alkalität und Ammonium erheblich zunehmen. Ein leicht alkalischer ph-wert in Verbindung mit einer geringen Alkalität von ca. 1,4 mmol/l ermöglichen im Epilimnion eine CO 2 -Verarmung. Das Wasser besitzt einen erhöhten Salzgehalt von etwa 1640 mg/l und eine Mineralisation vom Typ Ca-Mg-Na-SO 4 -Cl-HCO 3. Thermische Schichtung und Sauerstoffhaushalt Bedingt durch eine fast viermonatige vollständige Eisbedeckung des Sees bis Ende März 1996 konnte sich keine vollständige Sauerstoffsättigung der Wassersäule vor Aufbau der Schichtung einstellen. Um in der darauffolgenden Stagnationsperiode eine vollständige O 2 - Zehrung im Tiefenwasser zu vermeiden, wurde von Juli bis Oktober reiner Sauerstoff in das Tiefenwasser verperlt.belüftungsmaßnahmen durch verperlen von rienem Sauerstoff in das Tiefenwasser angeordent.

4 0 Tiefe in m Temperatur Jahresverlauf (rkus) 22,00 20,00 18,00 16,00 14,00 12,00,00 8,000 6,000 4,000 2,000 Abbildung 2: Thermische Schichtung im Südbecken des Kulkwitzer Sees in den Jahren 1996 bis ,00 Tiefe in m ,00 40,00 20, ,00-40,00-55,00-80,00-0, O 2 13,1 mg/l, 4 C, 13 hpa, 2000 ms/cm % Abweichung von der Frühjahressättigung O Abbildung 3: Differenz der gemessenen Sauerstoffsättigung im Südbecken des Kulkwitzer Sees zur physikalischen Sättigung im Frühjahr in den Jahren 1996 bis

5 0,8 0,6 % Abweichung der O 2 -Sättigung im Metalimnion zur Frühjahreskonzentration (rkus) may917diff june917diff july917diff aug917diff sep917diff oct917diff metamixdif -Sättigung der Frühjahreskonzentration % O2 0,4 0,2 0,0-0,2-0,4 Mai Juni Juli August September Oktober Nov. - April Abbildung 4: Aufbau des metalimnischen Sauerstoffmaximums (9 bis 17 m) im Südbecken des Kulkwitzer Sees. Hinweise auf metalimnische Sauerstoffproduktion gibt es bereits 1987/88 in [3]. In Abbildung 4 ist eine monatliche Auswertung der prozentualen O 2 -Sättigung im Verhältnis zur phys. Frühjahreskonzentration (ca. 13,1 mg/l O 2 bei 4 C, 13 hpa und 2000 µs/cm) von Mai bis Oktober im Tiefenintervall von 9 bis 17 m wiedergegeben. Im Tiefenintervall des Metalimnions ist beginnend mit Juni der Aufbau des O 2 -Überschusses erkennbar. Im August ist im Medianwert ein Plus von 28 % gegenüber der i.d.r. phys. gesättigten Frühjahreskonzentration vor Aufbau der Schichtung erreicht. Im September nimmt die Spannweite der Sauerstoffbilanz für dieses Wasservolumen erheblich zu, der Medianwert aller Jahre ist geringer. Selbst im Oktober ist in ca. 30 % der Fälle im Metalimnion noch eine positive O 2 -Bilanz zu beobachten, obwohl im Mittel eine zur Zehrung verschobene leicht negative Bilanz herrscht. Von November bis April ist die Sauerstoffbilanz im Mittel leicht negativ. Die O 2 -Bilanz der von der Athmosphäre abgeschlossenen metalimnischen Wasserlamelle bietet eine Möglichkeit, um Rückschlüsse auf die summarischen und kumulativen Effekte von Photosynthese und mikrobieller Zehrung zu ziehen. Bei der Zehrung ist auch der anteilige Abbau von sedimentierender Biomasse aus dem Epilimnion zu berücksichtigen, sodaß für den metalimnischen Wasserkörper derzeit nur die Untergrenze der "net community production" abgeschätzt werden kann. Diese liegt in der Größenordnung Zusammenfassung und Ausblick Der Kulkwitzer See entspricht dem Sanierungsziel für die zahlreichen weiteren Restseen des Braunkohlenbergbaus im Reg.Bez. Leipzig, wie z.b. für den Cospudener See, den aufgehenden Markkleeberger See u.a., nicht zuletzt aufgrund seiner oligo- bis mesotrophen Nährstoffstatus. Mit seinem langen Entwicklungsvorlauf von 30 a ist er ein geeignetes Referenzobjekt für die entstehenden Seen und wegen seines im Vergleich geringen Volumens, bei hoher flä-

6 chenspezifischer Nutzung, ein empfindliches Beispiel für die Anfälligkeit gegenüber Nährstoffeinträgen. Die hier über 6 Jahre in ihrem Verlauf bilanzierte metalimnische Sauerstoffproduktion ist das erste gut dokumentierte Beispiel für Prozesse in diesem neuen Seentyp. Ähnliche Prozesse werden z.b. aus dem oligotrophen Stechlinsee [] berichtet und waren vor Beginn der antrophogenen Eutrophierung weit verbreitet. Im Fortgang der Untersuchungen ist zu prüfen, ob durch fortgesetzte Einträge von TP langfristig eine Erhöhung der P-Verfügbarkeit erwartet werden muss, die über die Abnahme der Lichttransmission über Rückkopplungsmechanismen schnell zu einer grundlegenden Änderung des Seecharakters (Makrophytenabnahme Verschlechterung des Sauerstoffhaushalts "internal loading") führen könnte. Hierzu ist eine Nährstoffbilanzierung unter Berücksichtigung von Grundwasser (Meßnetz) und Seesedimenten (Porenwasser, P-Bindungsformen) in Vorbereitung. Auch die Bedeutung der Biomasse von Dreissena polymorpha für den Stoffhaushalt des Sees und der Stoffumsatz der gesamten benthischen Lebensgemeinschaft verdienen dabei Beachtung. Im Ergebnis der Untersuchungen sind ggf. Bewirtschaftungsempfehlungen zu formulieren. Danksagung Der Lausitzer und Mitteldeutschen Braunkohlen-Verwaltungsgesellschaft mbh (vertreten durch Herrn Zeh) sei für die Möglichkeit zur Auswertung und die freundliche Genehmigung der Veröffentlichung herzlich gedankt. Dem ehem. Bezirkshygieneinstitut Leipzig bzw. den Gesundheitsämtern Leipzig-Stadt und Leipziger Land sei für die Erfassung und Bereitstellung von Messdaten ebenfalls herzlich gedankt. Quellenverzeichnis [1] Bauerfeind, K., Jendryschik, K. und Sieber, K.-H. (1989): Zustand, Belastung und Entwicklung des Kulkwitzer Sees als Faktor für die Erholung der Leipziger Bevölkerung. Zusammenfassender Bericht auf Veranlassung des Rates des Bezirkes Leipzig, erstellt von Karl-Marx Universität und Sächsischer Akademie der Wissenschaften, unveröffentlicht, Leipzig , 7 Seiten. [2] Pietsch, W. (1979): Prognostische Untersuchungen über die Entwicklung der Wasserqualität in den Tagebaurestgewässern Miltitz und Kulkwitz. Abschlußbericht unveröffentlicht, Dresden , 29 Seiten, Datenanhang. [3] Jendryschik, F.K. und Müller, A. (1988): Vorläufiger Bericht zur ersten Einschätzung der Verhältnisse im Kulkwitzer See. Zusammenfassender Bericht auf Veranlassung des Rates des Bezirkes Leipzig, Sächsische Akademie der Wissenschaften, Leipzig , 27 Seiten. [4] Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH (1998): Hydrogeologisches Gutachten für den Kulkwitzer See. Unveröffentlichter Bericht im Auftrag der Stadt Leipzig, Amt f. Umweltschutz, 94 Seiten, Anlagen. [5] Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH (2000): Limnologisches Gutachten Kulkwitzer See. Unveröffentl. Gutachten der IBGW GmbH an die Lausitzer und Mitteldeutsche Bergbau-Verwaltungsgesellschaft mbh, Leipzig, , 40 Seiten, Anhang, Anlagen. [6] Eissmann, L. (1959):. Geologisches Gutachten über die Grundwasserverhältnisse von Markranstädt- Miltitz und die Möglichkeit einer Grundwasserauffüllung des Restloches des Tagebaues Kulkwitz-Miltitz. Unveröfftl. Ber. Staatl. Geol. Komm., Geol. Dienst Freiberg. [7] Daten der Oberflussmeisterei Leipzig (bis 1989) [8] Daten des Bezirkshygieneinstituts [9] Klapper, H. () [] Reese, C. und Kasprzak, P. (2000): Das Tiefenchlorophyllmaximum und die Verteilung des Zooplankton in der Wassersäule des oligotraphen Stechlinsees. Poster auf der DGL-Tagung, in Magdeburg.