FLIN - Freshwater Lens INvestigations (Erforschung von Süßwasserlinsen)

Land / Region: Langeoog, Deutschland / weltweit

Projektanfang: 01.01.2012

Projektende: 31.12.2018

Projektstand: 31.12.2018

Hintergrund:
Süßwasserlinsen, wie sie auf vielen Inseln und in Küstenregionen vorkommen, sind für die lokale Wasserversorgung unersetzlich. Durch die geringere Dichte des Süßwassers schwimmt dieses auf dem umgebenden Salzwasser und bildet eine Süßwasserlinse. Da sich das frische Grundwasser kaum oder nur langsam mit dem Meerwasser mischt und stetig durch den Niederschlag erneuert wird, kann es für die Trinkwasserversorgung vieler ostfriesischer Inseln genutzt werden.

Ziel des Forschungsvorhabens FLIN – "Freshwater Lens INvestigations" ist die Erkundung des empfindlichen Gleichgewichtes zwischen Salz- und Süßwasser auf verschiedenen Skalen und mit neuen Untersuchungsmethoden. Denn nur durch ein tieferes Prozessverständnis der Dynamik von Süßwasserlinsen kann eine nachhaltige Bewirtschaftung dieser Ressource gewährleistet werden.

Oberflächen-NMR-Messung auf Langeoog Quelle: BGR

Projektgebiet:
Für die detaillierte Untersuchung einer Süßwasserlinse dient die Nordseeinsel Langeoog. Die autofreie Insel ist deutlich vom Tourismus geprägt. Dies spiegelt unter anderem die Wasserbilanz wider: In den Sommermonaten steigt der Wasserbedarf enorm an und die Förderraten des Pumpwerks auf Langeoog nehmen stark zu. Wird jedoch zu viel Wasser gepumpt besteht die Gefahr der Versalzung durch so genanntes "Up-Coning". Dabei dringt das unter der Süßwasserlinse befindliche Salzwasser bis in das Bohrloch ein und kontaminiert dieses auf lange Sicht.

Geländeuntersuchungen:
Die vorhandenen Süßwasservorkommen auf Langeoog werden im Projekt FLIN mit Hilfe verschiedener geophysikalischer Methoden untersucht. Durch Hubschrauber-Elektromagnetik (HEM) wurde im Rahmen des D-AERO Projektes bereits eine dreidimensionale Kartierung der Linse vorgenommen. Ergänzend kommt vom Boden aus eine Kombination der Transienten-Elektromagnetik (TEM) und der Oberflächen-Nuklearmagnetischen Resonanz (Oberflächen-NMR) zum Einsatz, wobei Wassergehalt und Salinität des Grundwassers an ausgewählten Punkten auf der Linse ermittelt werden. Mithilfe der elektrischen Widerstandstomografie (ERT) werden ausgewählte Bereiche mit besonderen Merkmalen genauer untersucht.

Ergebnisse der Hubschrauber-Elektromagnetik Quelle: BGR

Weiterhin sollen Untersuchungen der stabilen Isotope des Wassers (Deuterium und Sauerstoff-18) der ungesättigten Zone genauere Aussagen über die Grundwasserneubildung ermöglichen. Denn nur durch ständig nachsickerndes Niederschlagswasser kann die Linse auf lange Sicht im Gleichgewichtszustand existieren. Bodenkundliche Untersuchungen zu Benetzungseigenschaften der Dünensande und ein Beregnungsversuch auf einer Düne sollen weitere Erkenntnisse über die Prozesse bei der Grundwasserneubildung liefern. Dabei soll für die Analyse der Infiltrationsprozesse u. a. eine Kombination aus ERT-Monitoring und der Beobachtung eines Isotopentracers zum Einsatz kommen.

Sandbox-Modell einer Insel Quelle: BGR

Laborexperimente:
Mit Hilfe von Sandbox-Modellen lassen sich die Fließprozesse bei Süßwasserlinsen nachbilden und untersuchen. Für den Versuchsaufbau wird ein physikalisches Analogmodell aus Plexiglas mit Sand befüllt, um den Querschnitt durch eine ozeanische Insel zu simulieren. Nach dem Aufsättigen mit Salzwasser (Dichte von Meerwasser) wird über Tropfschläuche von oben Frischwasser beregnet. Dabei ist der Ansatz neu, durch den zeitlich gestaffelten Einsatz von Farbtracern die Fließvorgänge und die Altersverteilung des eingeströmten Süßwassers in der Linse sichtbar und messbar zu machen. Zeitabhängige Beziehungen einzelner Eigenschaften, wie zum Beispiel die Beregnungsrate, maximale Linsenmächtigkeit, Breite der Ausströmungszone oder individuelle Fließzeiten können hierdurch untersucht werden. Auch Unterschiede zwischen Horizontal- und Vertikalbrunnen beim Pumpen von Süßwasser aus der Linse lassen sich so visualisieren.

Besonderes Augenmerk dieser Arbeiten liegt auf der Untersuchung von Heterogenität und der Skalenübertragbarkeit. Zusätzlich werden numerisch-mathematische Modelle genutzt, die als Schnittstelle zwischen physikalischer Modellierung und den Geländeuntersuchungen dienen.

Projektbeiträge:

Bodengeophysikalische Untersuchungen auf Langeoog

Literatur:

Paper

COSTABEL, S., SIEMON, B., HOUBEN, G. & GÜNTHER, T. (2017): Geophysical investigation of a freshwater lens on the island of Langeoog, Germany – insights from combined HEM, TEM and MRS data. J. Appl. Geophys. 136: 231-245; doi: 10.1016/j.jappgeo.2016.11.007
DOSE, E.J., STÖCKL, L., HOUBEN, G.,VACHER, L.H., VASSOLO, S., DIETRICH, J. & HIMMELSBACH,T. (2014): Experiments and modeling of freshwater lenses in layered aquifers: Steady state interface geometry. J. Hydrol. 509: 621–630; doi: 10.1016/j.jhydrol.2013.10.010
HOUBEN, G., KÖNIGER, P. & SÜLTENFUSS, J. (2014): Freshwater lenses as archive of climate, groundwater recharge and hydrochemical evolution - insights from depth-specific water isotope sampling and age dating on the island of Langeoog, Germany. Water Resour. Res. 50: 8227–8239; doi: 10.1002/2014WR015584
MORGAN, L.K., STÖCKL, L., WERNER, A.D. & POST, V.E.A. (2013): An assessment of seawater intrusion overshoot using physical and numerical modeling. Water Resour. Res. 49: 6522-6526; doi: 10.1002/wrcr.20526
POST, V.E.A. & HOUBEN, G.J. (2017): Density-driven vertical transport of saltwater through the freshwater lens on the island of Baltrum (Germany) following the 1962 storm flood. J. Hydrol. 551: 689-702; doi: 10.1016/j.jhydrol.2017.02.007
SIEMON, B., COSTABEL, S., VOß, W., MEYER, U., DEUS, N., ELBRACHT, J., GÜNTHER, T., & WIEDERHOLD, H. (2015): Airborne and ground geophysical mapping of coastal clays in Eastern Friesland, Germany. Geophysics 80(3), WB21–WB34; doi: 10.1190/geo2014-0102.1
STÖCKL, L. & HOUBEN, G. (2012): Flow dynamics and age stratification of freshwater lenses: experiments and modeling. J. Hydrol. 458-459: 9-15; doi: 10.1016/j.jhydrol.2012.05.070
STÖCKL, L., HOUBEN, G. & DOSE, E.J. (2015): Experiments and modeling of flow processes in freshwater lenses in layered island aquifers: Analysis of age stratification, travel times and interface propagation. J. Hydrol. 529(1): 159-168. doi: 10.1016/j.jhydrol.2015.07.019
STÖCKL, L., WALTHER, M. & GRAF, T. (2016): A new numerical benchmark of a freshwater lens. Water Resour. Res. 52: 2474–2489; doi: 10.1002/2015WR017989
STRACK, O.D.L., STÖCKL, L., DAMM, K., HOUBEN, G., AUSK, B.K. & DE LANGE, W.J. (2016): Reduction of saltwater intrusion by modifying hydraulic conductivity. Water Resour. Res. 52: 6978-6988; doi: 10.1002/2016WR019037

Präsentationen

COSTABEL, S., GÜNTHER, T., NOELL, U., SIEMON, B. & VOß, W. (2013): Electric and Electromagnetic Measurements on the North Sea Island of Langeoog. Presentation at Near Surface Geoscience 2013 – 19th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics, September 9-11, 2013, Bochum, Germany.
COSTABEL, S., NOELL, U., GÜNTHER, T., HOUBEN, G., VOß, W. & SIEMON, B. (2014): Geophysical investigation of a managed lens on the North Sea Island of Langeoog. Presentation at 23rd Salt Water Intrusion Meeting, June 16-20, 2014, Husum, Germany.
KÖNIGER, P., STÖCKL, L., HIMMELSBACH, T. & SÜLTENFUß, J. (2015): Groundwater recharge investigations using stable water isotopes of soil and groundwater combined with depth-specific age dating of freshwater lenses at Langeoog island, Germany. IAEA International Symposium on Isotope Hydrology, May 11- 15. Vienna, Austria.
STÖCKL, L., DAMM, K., WALTHER, M. & MORGAN, L.K. (2016): Is sea water intrusion by groundwater over-abstraction even worse than what we expected? Proceedings of the 24th Salt Water Intrusion Meeting and the 4th Asia-Pacific Coastal Aquifer Management Meeting, July 04 - 08. Cairns, Australia.
STÖCKL, L., HOUBEN, G. & SULZBACHER, H. (2012): A novel approach to visualize the age stratification and internal dynamics of freshwater lenses – laboratory experiments and numerical simulations. Proceedings of the 22nd Salt Water Intrusion Meeting (SWIM) 2012. Edtrs: da Silva, G. C. & de Lima Montenegro, S. M., June 17 – 22. Armação dos Búzios, Brazil.
STÖCKL, L., LOEFFLER, S. & HOUBEN, G. (2013): Comparison of upconing under vertical and horizontal wells in freshwater lenses: sand-box experiments and numerical modeling. General Assembly of the European Geosciences Union (EGU), Geophysical Research Abstracts 15, EGU2013-2389, Vienna, Austria.
STÖCKL, L., WALTHER, M. & GRAF, T. (2015): The freshwater lens problem: a new benchmark for Density Driven Flow and Solute Transport. Proceedings of the 4th International FEFLOW User Conference 2015, DHI Wasy, September 21 – 23. Berlin, Germany.
STÖCKL, L., WALTHER, M., SCHNEIDER, A., YANG, J. & GRAF, T. (2014): Comparison of different numerical models using a two-dimensional density-driven benchmark of a freshwater lens. Presentation at 23rd Salt Water Intrusion Meeting, June 16-20, 2014, Husum, Germany.

Poster