Effects of increasing water temperature on bank filtration
Experimental studies at lake Tegel, Berlin, Germany
Groß-Wittke, Alexandra
Die Uferfiltration sowie die künstliche Grundwasseranreicherung spielen in der Trinkwasserversorgung der Stadt Berlin eine wichtige Rolle, mit über 70 % Anteil an der entnommenen Rohwassermenge. Die Reinigung des Oberflächenwassers findet während der Sediment– und Bodenpassage des Infiltrates statt und basiert auf einer Kombination von physikalischen, chemischen und biologischen Bedingungen und Prozessen, der Selbstreinigung des Gewässers. Diese Selbstreinigungs-Prozesse stehen in engem funktionalem Zusammenhang und werden durch Faktoren wie z.B. die hydrogeologischen Gegebenheiten des Sediments und Aquifers, die Oberflächenwasser-Qualität als auch der Gewässer-Temperatur bestimmt. Mit Blick auf den Klimawandel mit prognostizierten steigenden Temperaturen kommt es zur Wassererwärmung mit möglichen Auswirkungen auf Stratifikations- und Zirkulations-Prozesse des Seewassers und somit auf die Oberflächenwasser-Qualität und Steigerung der metabolischen Vorgänge während der Uferpassage welche Auswirkungen auf die Effektivität von biologischen Abbau-Prozessen hat. In dieser Arbeit werden die räumliche Veränderung von Sediment-Eigenschaften und deren Auswirkungen auf die Infiltrationsdynamik als auch die saisonalen Gewässer- und Sediment-Temperatur und deren Effekte auf die Porenwasserqualität im Litoralbereich des Tegeler Sees erfasst. Zudem wurden Enclosure-Experimente in der Litoralzone durchgeführt um die Einflüsse von Wassererwärmung auf Komponenten der Selbstreinigungsleistung wie Redoxprozesse und mikrobielle Aktivität über einen Sedimentausschnitt von bis zu 30 cm zu untersuchen. Die Flachwasserbereiche des Litorals bilden die Hauptinfiltrationszone am Tegeler See mit einer Breite von 20 - 30 m, ausgezeichnet durch in-situ Infiltrationsraten (IR) im Bereich 10 bis 15 L m-2 h-1. In tieferen See Zonen herrschen kolmatierte und nahezu impermeable Sedimente vor (IR = 0,4 bis 0,001 L m-2 h-1), die eine hohen Anteil an Feinmaterial mit steigenden Gehalten an Corg (bis zu 23 %) mit der Tiefe aufweisen. Zudem weist der ufernahe Litoralbereich höhere Maxima Wassertemperaturen und schnellere Abkühlungs- und Erwärmungsprozessen auf, mit ΔT bis zu 5.2 °C im Sommer im Vergleich zum offen Gewässer des See (Pelagial). Hierbei wurde die Gewässertemperatur vor allem durch die Lufttemperatur bestimmt, jedoch zeigten Wassertemperaturen des Litorals auch Sensitivität gegenüber Sonnenscheindauer und Windgeschwindigkeiten. Stratifikations- und Zirkulationsereignisse zwischen den unterschiedlichen Wasserkörpern (Litoral und Pelagial) konnten ermittelt werden. In der Zeit von Juni–September wurden langanhaltende Schichtungsperioden erfasst während von Oktober-Februar der See meist vollständig durchmischt war. Die Sedimenttemperatur des Litorals lag im Frühling und Sommer bis zu 2,6 °C unter der Gewässertemperatur während im Herbst und Winter das Sediment um bis zu 2,0 °C wärmer war. Diese Wärmetransport–Prozesse führten gerade im Sommer zu einem direkten Anstieg der Sedimenttemperatur, wenn auch mit abnehmender Intensität mit der Tiefe. Eine Daten-Evaluation von Redoxpotential und physico-chemischen Parametern im Porenwasser im Hinblick auf Temperatur-Effekte ergab eine ausgeprägte Saisonabhängigkeit. Bei hohen Gewässertemperaturen (16 - 25 °C) wurden geringe Redoxpotentiale (-47 mV) und ein Anstieg anaerober/anoxischer Prozesse mit der Nutzung alternativer Elektronakzeptoren wie z.B. NO3-, Mn4+ und Fe3+ ermittelt. Innerhalb des Enclosure-Experiments wurde eine mittlere Wassererwärmung von ca. 5 °C erreicht die in steigende Sedimenttemperaturen (0 – 30 cm) im Bereich von 2 – 3.5 °C resultierte. Reaktionen auf die simulierte Wassererwärmung konnte vor allem für das Oberflächenwasser beobachtet werden mit einer höheren und verlängerten Phytoplankton-Biomasse Entwicklung ausgezeichnet durch höhere Chl a und niedrige Nitrat, Ninorg Konzentrationen als auch eine Tendenz höherer DOC Gehalte. Im Interstitial konnten Effekte von Wassererwärmung auf redox-sensitive Prozesse und biologische Aktivität beobachtet werden, abhängig vom Standort sowie der Jahreszeit. Der untersuchte Röhricht-Bereich war ausgezeichnet durch signifikante Temperatureffekte auf Redoxprozesse mit Intensivierung von NO3-Reduktion, Ammonifikation, Denitrifikation sowie die Reduktion von Mn4+ und Fe3+. Sulfat-reduktion wurde beobachtet, war jedoch nicht signifikant.
In Berlin, bank filtration and infiltration ponds are important for the drinking water supply of the inhabitant, the amount of water deriving from artificial groundwater recharge technics is more than 70%. The purification of surface waters takes places during the sediment and aquifer passage based on a combination of physical, chemical, and biological conditions and processes, the self-purification of waters. These self-purification processes are closely connected and influenced by hydrogeological properties of the sediment and aquifer, the surface water quality as well as water temperature. In view of climate change with predicted increasing temperatures, leading to water warming with possible consequences on stratification and circulation characteristics of the lake water with impact on surface water quality, and intensification of metabolic processes during the bank passage with effects on biodegradation efficiency. Within the present work, the spatial changes of sediment properties and their influences on infiltration dynamics as well as water and sediment temperatures and effects of temperature on pore water quality within the littoral zone at Lake Tegel were investigated. Moreover, enclosure experiments at a littoral bank filtration site were conducted to examine the effects of water warming on components of self-purification such as redox-sensitive processes and microbial activity within a sediment horizon up to 30 cm.
The shallow littoral forms the main infiltration zone at Lake Tegel with a width of 20 – 30 m, characterized by in-situ infiltration rates of 10 to 15 L m-2 h-1. In deeper lake zones clogged and nearly impermeable sediments are dominating (IR = 0.4 to 0.001 L m-2 h-1), described by high amounts of fine material and increasing contents of Corg (up to 23 %) with depth. Moreover, the littoral bankside showed higher water temperature maxima and faster cooling and warming processes with ΔT up to 5.2 °C in summer compared to the open lake water (pelagial). The water temperature was mainly determined by air temperature, whereas littoral water temperature was found to be also sensitive to sun-duration and wind speed. Stratification and circulation events between these different water bodies (littoral and pelagial) were identified. During June- September long-lasting stratification were determined, while from October – February the lake was completely mixed.
The sediment temperature at the littoral is in summer up to 2.6 °C below the surface water temperature, whereas in autumn and winter the sediment is up to 2.0 °C warmer. These heat transport processes leading, especially in summer to sediment temperature increase, even if the intensity is decreasing with depth.
The data evaluation of redox potential and physico-chemical parameters of pore water, with regard to temperature effects resulted in a marked seasonality. High water temperatures (16 – 25 °C) were accompanied by low redox potentials (down to – 47 mV) and a rise of anaerobic/anoxic redox processes with the resultant use of alternative electron acceptors such as NO3-, Mn4+ and Fe3+. However, no significant sulphate reduction was observed.
Within the enclosure experiments, a mean water temperature rise of around 5 °C was achieved, resultant in increasing sediment temperature (up to 30 cm) in the range of 2 – 3.5 °C. Responses of simulated water warming was observed for the surface water, with favoured and prolonged phytoplankton mass development, characterized by significantly higher Chl a, and lower nitrate and Ninorg concentrations as well as the tendency of higher DOC contents. Within the interstice, responds of simulated water warming on redox sensitive processes and biological activities were found site specific and depending on season. The investigated reed site was described by more significant temperature effects on redox-sensitive processes with intense NO3- microbial catalysed reduction of nitrate, ammonification, denitrification as well as Mn4+- and Fe3+- reduction, compared a sandy littoral site. Reduction of SO42- was observed, but was not found significant under simulated warming conditions.
