Projekt

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Oxygen depletion in a deep perialpine lake

Titel Englisch Oxygen depletion in a deep perialpine lake
Gesuchsteller/in Wüest Alfred
Nummer 146652
Förderungsinstrument Projektförderung (Abt. I-III)
Forschungseinrichtung Institut d'ingénierie de l'environnement EPFL - ENAC - IIE
Hochschule EPF Lausanne - EPFL
Hauptdisziplin Hydrologie, Limnologie, Glaziologie
Beginn/Ende 01.07.2013 - 30.06.2016
Bewilligter Betrag 195'250.00
Alle Daten anzeigen

Keywords (6)

Bottom boundary layer; Microsensors; Lakes and reservoirs; Reduced substances flux; Modelling of currents; Diffusive boundary layer

Lay Summary (Deutsch)

Lead
In unseren Breitengraden sind stehenden Gewässer vom Fühling bis Spätherbst aufgrund des Temperaturprofils dichtegeschichtet. Während der Sommersaison ist somit der Austausch von Wasserinhaltsstoffen zwischen Oberfläche (sauerstoffhaltig) und Tiefenwasser stark eingeschränkt. In dieser Periode der Dichteschichtung wird deshalb der im Tiefenwasser gelöste Sauerstoff aufgebraucht. In diesem Projekt wird unterersuch, wie es dazu kommt und wie gross der Sauerstoffverbrauch ist.
Lay summary

2. Inhaltund Ziel des Forschungsprojekts

Für den Sauerstoffschwundim Tiefenwassers sind vorwiegend biologische Abbauprozesse verantwortlich.Einerseits wird neues während der letzten Sommersaison produziertes Algenmaterial an der Sedimentoberfläche abgebaut und andererseits diffundieren sauerstoffzehrende, im Sedimentwasser gelöste, chemische Stoffe vom Sediment ins Tiefenwasser (v.a. Methan und Ammonium). Diese beiden Flüsse und die Form des Wasserkörpers bestimmen die Geschwindigkeit mit welcher der Sauerstoff im Tiefenwasser aufgebraucht wird. Das Ziel des Forschungsprojektes besteht darin, diese Flüsse im Genfersee in verschiedenen Tiefenzonen zu messen und die gefundenenR esultate auf andere Seen und Küstengewässer zu übertragen. Für dieFlussmessungen ins Sediment wird ein von UNISENS neu entwickelter Sediment-Lander(Mess-Roboter) eingesetzt.

 

3. Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext

Die notwendigen Massnahmen für den Gewässerschutz in einem Einzugsgebiet hängen stark davon ab, ob das abfliessende Wasser in einen See mündet. In diesem Falle ist der Sauerstoffschwund im Tiefenwasser ein zentrales Argument für die tolerierbare Belastung der Gewässer mit organischem Material.Mit den Resultaten dieses Projektes werden wir den Zusammenhang zwischen der Belastung eines Sees und seines Sauerstoffverbrauchs im Tiefenwasser zuverlässig bestimmen können. Diese Angabe hilft den Umweltbehörden weltweit bei der Bemessung der Anstrengungen zum Gewässerschutz in den Einzugsgebieten.

 

Keywords

Bottom boundary layer; diffusive boundary layer; lakes and reservoirs; microsensors; modelling of currents; reduced substances flux.

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 13.08.2014

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Zusammenarbeit

Gruppe / Person Land
Formen der Zusammenarbeit
EAWAG Kastanienbaum; Dr. Beat Müller Schweiz (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
- Forschungsinfrastrukturen
- Austausch von Mitarbeitern
IOW Warnemünde; Dr. Lars Umlauf Deutschland (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
- Austausch von Mitarbeitern
Geomar Kiel; Dr. Lee Bryant Deutschland (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation

Wissenschaftliche Veranstaltungen

Aktiver Beitrag

Titel Art des Beitrags Titel des Artikels oder Beitrages Datum Ort Beteiligte Personen
17th International Workshop on Physical Processes in Natural Waters, 1. ‐ 4. July 2014 Vortrag im Rahmen einer Tagung Process‐based modelling of Lake Geneva 01.07.2014 Trento, Italien Schwefel Robert; Wüest Alfred; Barry David Andrew;
46th International Liege Colloquium: Low oxygen environments in marine, estuarine and fresh waters, 5‐9 May 2014 Poster Sediment oxygen uptake in Lake Geneva 05.05.2014 Liege, Belgien Wüest Alfred; Schwefel Robert;
AGU Ocean Science Meeting, 23. ‐ 28. Feb 2014 Vortrag im Rahmen einer Tagung Process‐based modelling of Lake Geneva 23.02.2014 Honolulu, Vereinigte Staaten von Amerika Schwefel Robert; Wüest Alfred;


Veranstaltungen zum Wissenstransfer

Aktiver Beitrag

Titel Art des Beitrags Titel des Artikels oder Beitrages Datum Ort Beteiligte Personen
IAGLR plenary talk Vortrag 06.06.2016 Ontario, Kanada
EGU General Assembly 2016 Vortrag 20.04.2016 Vienna, Österreich
Festkolloquium aus Anlass 60 Jahre Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) Vortrag 30.05.2015 Kressbronn-Gohren/Bodensee, Deutschland
2015 ASLO Aquatic Sciences Meeting Poster 22.02.2015 Granada, Spanien
EPFL Research Day 2014 Poster 15.05.2014 EPFL, Lausanne, Schweiz
AGU Ocean Science Meeting Performances, Ausstellungen (z.B. für Bildungsinstitute) 23.02.2014 Honolulu, HI, Vereinigte Staaten von Amerika


Kommunikation mit der Öffentlichkeit

Kommunikation Titel Medien Ort Jahr
Referate/Veranstaltungen/Ausstellungen Wie fit ist der Bodensee für den Klimawandel International 2016

Verbundene Projekte

Nummer Titel Start Förderungsinstrument
120128 Turbulence and Fluxes in Stratified Natural Waters 01.04.2008 Projektförderung (Abt. I-III)
159422 Cascading Density Currents from the Petit Lac to the Grand Lac of Lake Geneva 01.07.2016 Projektförderung (Abt. I-III)
157779 Léman exploration (LÉXPLORE) 01.05.2015 R'EQUIP
160726 A Flexible Underwater Distributed Robotic System for High-Resolution Sensing of Aquatic Ecosystems 01.08.2015 Sinergia
165517 Oxygen depletion in a deep perialpine lake 01.07.2016 Projektförderung (Abt. I-III)
123048 Microbial resistance, exotoxicological impact and risk assessment of micropollutants in a mid-sized lake 01.01.2009 ProDoc (Forschungsmodul, FM)

Abstract

ZUSAMMENFASSUNGWith this project we seek three years of support for a PhD study for quantifying the hypolimnetic oxygen (O2) depletion in Lake Geneva. This project builds on results from an earlier project “Turbulence and Fluxes in Natural Waters (200020-120128)”, where we have been able to measure O2 fluxes to the sediment by applying the microprofiling and eddy-correlation techniques and to relate these fluxes to the forcing by bottom boundary layer (BBL) currents. Additionally, it is an extension of the O2 depletion model recently proposed by the Eawag team (Müller et al 2012). In this new project, we will expand the approach of water-sediment interface fluxes via applications to much larger, more complex and more strongly forced hypolimnia than have been previously studied. The choice of the field-site Lake Geneva is due to (i) the occurrence of the highest hypolimnetic O2 depletion rates measured in Switzerland, (ii) the access to a rich data-set dating back to 1957, (iii) the proximity of the sites and the availability of infrastructure, (iv) the acquired knowledge on the physical forcing of Lake Geneva and (v) the intended build-up of collaboration with Institute FA Forel and CIPEL. Besides the resources requested from SNSF, this project will be additionally supported by (i) the external senior researchers involved, (ii) a post-doc / junior researcher and (iii) the utilization of newly-acquired equipment (microprofiler, ADCPs, CTD and TDO sensors; the latter two will be financed by the new Chair in “Physics of Aquatic Systems” at EPFL. The aim of this project is to develop a data-based model for the quantification of hypolimnetic O2 depletion in large and complex hypolimnia derived from measured and modelled fluxes from the water column through the diffusive boundary layer (DBL) to the sediment (FW-S: mineralization of organic matter at the sediment surface) and measured fluxes of reduced substances (FS-W: oxygen-equivalents) from the sediment to the water. The hypolimetic O2 consumption is then estimated by FW-S + FS-W (g O2 m-2 d-1). Local budgets will be performed in the BBL and in lake-wide layers as a function of depth (z). After a conceptual test of this model was found to be successful for a large number of vertically integrated hypolimnia (Müller et al 2012), we intend to expand upon these results by studying time series of O2 depletion as a function of z. Based on data to be obtained during a two-year period of fieldwork in Lake Geneva, we will conduct process studies quantifying the two fluxes FW-S and FS-W and use the data to calibrate this oxygen model. The hydrodynamic modelling will be used to extrapolate the effect of wind for the last 55 years. We hypothesize that this oxygen model will allow interpreting O2 depletion in most of the large lakes on earth. In this proposal, we defined the following five tasks to be completed within three years: (1) Estimation of hypolimnetic O2 depletion rates as a function of time and depth since 1957 (~55 years) based on CIPEL lake water quality profiles (Task A)(2) CTD-profiling for mapping of the BBL O2 structure over two years and microprofiling for characterization of water-to-sediment O2 fluxes during two different seasons (Task B) (3) Profiling of the upper sediment porewater and estimating sediment-to-water fluxes of reduced substances over two years (Task C)(4) Three-dimensional modelling for quantifying BBL current patterns based on in-situ wind episodes and modelling of the subsequent BBL mixing for reconstructing the near-sediment O2 concentration based on CIPEL profiles since 1957 (Task D)(5) Balancing the O2 water-to-sediment fluxes (Task B) and oxygen-equivalent sediment-to-water fluxes (Task C) and integrating the BBL O2 concentration (Task D) via comparisons with seasonal hypolimnetic depletion rates based on in-situ data (Task A). Creating an improved model based on this data-model comparison and testing the new O2 depletion hypothesis on other stratified waters with available data (Task E). The project will make a significant contribution to the understanding of O2 depletion in natural waters. The results will support the definition of acceptable nutrient loads to stratified waters (such as lakes, reservoirs, estuaries) based on their hypolimnia O2 depletion rates and thereby utilizing a much stronger system-analysis approach. The results will allow engineers to better estimate expected O2 consumption and to better design aeration / oxygenation systems for reservoirs and lakes.
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