Hydrogeologie und Landschaftswasserhaushalt

Untersuchungen zur Salz-/Süßwassergrenze auf der Nordseeinsel Spiekeroog

Spiekeroog ist Teil des Nationalparks Niedersächsisches Wattenmeer, einem sensiblen Ökosystem an der Norddeutschen Küste. Seit 2009 ist es als UNESCO-Weltkulturerbe anerkannt und wird hochgradig geschützt. Das Ökosystem ist das längste, ununterbrochene System von tideabhängigen Sand- und Schlickwatten und Barriereinseln weltweit und ist ein wichtiges Beispiel für die rezente Entwicklung von Küstensystemen, besonders in Bezug auf Veränderungen durch den Klimawandel (CWSS, 2008).  Die Auswirkungen des Klimawandels werden in den der Küste vorgelagerten Inseln, die aufgrund ihrer geringen Fläche schneller auf Veränderungen reagieren, zuerst sichtbar. Flora und Fauna auf Spiekeroog werden maßgeblich von den hydrogeologischen Gegebenheiten beeinflusst. So entwickelt sich eine andere Vegetation, je nachdem, ob sich süßes oder salziges Grundwasser im Untergrund befindet.

Bild

Abb. 1: Lage der Insel Spiekeroog; im Nordwestteil der Insel befinden sich die Förderbrunnen 1-6 und die Beobachtungsmessstellen 25-31 (Röper et al., 2012) 

Spiekeroog hat eine Länge von ca. 9,8 km und eine maximale Breite von 2 km. Insgesamt ergibt sich daraus eine Fläche von etwa 21,3 km². Die knapp 800 Einwohner leben hauptsächlich vom Tourismus, der stark saisonabhängig ist. Die Insel verfügt über eine eigene Wasserver- und entsorgung und ist unabhängig vom Festland. Das Trinkwasser wird über 6 Förderbrunnen, die im Hauptdünengebiet, nördlich des Dorfes, liegen, aus dem unter der Insel befindlichen Süßwasserreservoir gepumpt. Im Wasserwerk findet lediglich eine Belüftung sowie eine Eisen- und Manganausfällung statt bevor das Wasser zum Verbraucher geleitet wird. Die Entnahmemenge variiert innerhalb eines Jahres stark, da sie von den Touristen abhängig ist, die hauptsächlich in den Sommermonaten die Insel bereisen.

Das Süßwasserreservoir unterhalb der Insel, Süßwasserlinse genannt, wird durch den Niederschlag gebildet. Das hauptsächlich unter den hochdurchlässigen Dünen versickernde Wasser verdrängt dabei das Salzwasser, bis sich ein hydrodynamisches Gleichgewicht eingestellt hat.

Dieses sensible Gleichgewicht ist durch die Veränderung natürlicher und anthropogener Faktoren ständig gefährdet. Natürliche Faktoren sind Form, Größe und Höhenlage der Insel, Vegetation, Niederschlag, Grundwasserneubildung, Submariner Grundwasseraustritt, Evapotranspiration, Speicherkapazität des Grundwasserleiters und Mischungen mit dem unterliegenden Salzwasser (White & Falkland 2009). Anthropogene Faktoren sind hauptsächlich zu hohe Förderraten der Brunnen und Verunreinigungen an der Oberfläche.

In diesem Projekt geht es um die Untersuchung der Lage und Ausdehnung der Süßwasserlinse von Spiekeroog und deren hydrochemischer Eigenschaften, um die Dynamik der Salz-/Süßwassergrenze zu erfassen und um Prognosen zu Reaktionen auf den Klimawandel treffen zu können.

Bild

Abb. 2: Beprobung einer Grundwassermessstelle im Mai 2011

Hiefür wurde Spiekeroog ausgewählt, da dort und insbesondere auch im Rückseitenwatt der Insel in den vergangenen Jahren bereits viele Untersuchungen des Instituts für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) stattgefunden haben. Der Fokus lag hierbei überwiegend auf mikrobiologischen und biogeochemischen Fragestellungen. Zukünftige Untersuchungen sollen den hochdynamischen Strandbereich betreffen, für den Kenntnisse über die Hydrogeologie der Insel ebenfalls grundlegend sind.

In ersten Feldkampagnen wurden in 2011 Proben der Förderbrunnen, Beobachtungsmessstellen und Oberflächengewässer genommen, um verschiedene Analysen durchzuführen. Untersucht wird zum einen die Zusammensetzung des Wassers in Bezug auf die Hauptkationen  und –anionen. Darüber findet eine Charakterisierung der auftretenden Wassertypen statt. Mithilfe der stabilen Isotope von Wasser lassen sich Oberflächenwasserproben als Grundwasser oder Regenwasser identifizieren und saisonale Variationen feststellen. Zusätzlich erfolgt eine Altersdatierung ausgewählter Proben über die 3He/Tritium-Methode. Da diese Proben aus unterschiedlich tief verfilterten Grundwassermessstellen stammen, ermöglicht diese Methode Aussagen über die Entstehungszeit der Süßwasserlinse.

Bild Abb. 3: Schema der Süßwasserlinse Spiekeroogs in einem Nord-Süd-Profil mit den unterschiedlichen Wassertypen (Röper et al., 2012)

Zusätzlich wurden geophysikalische Messungen zur Lokalisierung der Salz-/Süßwassergrenze durchgeführt. Geoelektrische und elektromagnetische Methoden lassen diese in 2D-Tiefenprofilen sichtbar werden.

Oberflächennah werden die Salz-/Süßwassergrenze sowie Süßwasseraustritte an der Küstenlinie durch direct-push-Versuche kartiert.

Bild

Abb. 4: Bau von flachen Grundwassermessstellen im Westteil der Insel


Bild
Abb. 5: Porenwasserprobenahme im März 2012

Bild
Abb. 6: Porenwasserprobenahme im März 2012

Die Ergebnisse der Probenahmen werden in ein numerisches 3D-Dichteströmungs-Modell (SEAWAT) der Insel Spiekeroog eingearbeitet. Mithilfe dieses Modells werden verschiedene Szenarien, die aufgrund von Prognosen denkbar sind, berechnet. Solche sind z.B. ein Meeresspiegelanstieg um etwa 1 m, abnehmende Grundwasserneubildung oder die Zunahme von Sturmereignissen (Solomon et al. 2007).

Abschlussarbeiten

2011

Franziska Kröger (BSc.): "Charakterisierung der Süßwasserlinse von Spiekeroog mithilfe stabiler Isotope und hydrochemischer Methoden

Literatur

Röper, T., Greskowiak, J., Massmann, G. (2014). Detecting small-scale groundwater discharge springs using handheld thermal infrared imagery. Ground Water. 52(6), 936-942

Greskowiak, J., Röper, T., Post, V.E.A. (2012). Closed-Form Approximations for Two-Dimensional Groundwater Age Patterns in a Fresh Water Lens. Ground Water, DOI: 10.1111/j.1745-6584.2012.00996.x

Röper, T., Kröger, K.F., Meyer, H., Sültenfuß, J., Greskowiak, J., Massmann, G. (2012). Groundwater ages, recharge conditions and hydrochemical evolution of a barrier island freshwater lens (Spiekeroog, Northern Germany). J. Hydrol., DOI 10.1016/j.jhydrol.2012.06.011.

Common Wadden Sea Secretariat (CWSS). World Heritage Nomination Project Group (WHNPG) (2008). Nomination of the Dutch-German Wadden Sea as World Heritage Site. Plakativ Grafische Medien GmbH, Kirchhatten, p.200.

Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor and H.L. Miller (eds.)  (2007). Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, United     Kingdom and New York, NY, USA.

White, I., Falkland, T. (2009). Management of freshwater lenses on small Pacific islands.Hydrogeology Journal, published online, DOI 10.1007/s10040-009-0525-0.