Contribution of Solutes to Density Stratification in a Meromictic Lake (Waldsee/Germany)

Abstract

Density differences are the key parameter for stratification stability. We used data from the iron-meromictic Waldsee, Germany, a lignite mine pit lake, to quantify the contribution of single solutes to water density and analyzed the density gradient. Iron meromictic lakes maintain their density gradient through chemical reactions. Hence, quantifying the contributions of separate solutes is essential for understanding the entire process. Based on solute concentrations and literature values of partial molal volumes, substance specific density contributions were quantitatively evaluated. Then, by direct measurements of the density of IHSS Waskish peat fulvic acid, we quantified the density contribution of dissolved organic carbon (DOC). While several solutes contributed to the density throughout the water column, only those substances that occurred at higher concentrations in the anoxic monimolimnion than in the oxic mixolimnion were crucial to sustaining the density difference between the two layers. In Waldsee, the density difference between monimolimnion and mixolimnion was attributed to dissolved Fe²⁺ (0.23 g/L, resulting in a 45 % of the density difference due to solutes) and to the carbonate system (HCO₃ ⁻, about 0.16 g/L and CO₂, 0.03 g/L) while Ca²⁺ and DOC delivered only a small contribution. In summer, total density differences were dominated by temperature differences; during winter, solutes sustained meromixis. Finally, we present a complete list of specific density fractions for basically all of the density-relevant substances in fresh waters.

Zusammenfassung

Dichteunterschiede sind der wichtigste Faktor für die Stabilität von Schichtungen in Seen. Wir verwendeten Daten des eisenmeromiktischen Waldsees, eines Braunkohletagebausees, um den Beitrag einzelner gelöster Stoffe zur Dichte des Wassers sowie deren Beitrag zum Dichtegradienten zu bestimmen. In eisenmeromiktischen Seen wird der Dichtegradient durch interne chemische Reaktionen aufrechterhalten. Deshalb ist es für das Verständnis des Gesamtprozesses unerlässlich, den Dichtebeitrag der einzelnen gelösten Stoffe zu quantifizieren. Basierend auf den gemessenen Konzentrationen der gelösten Stoffe sowie Literaturwerten von partiellen molalen Volumina wurden die substanzspezifischen Dichtebeiträge ermittelt. Des Weiteren wurde durch die direkte Messung der Dichte von Fulvinsäure (IHSS Waskish Torfmoor) der Dichtebeitrag von gelöstem organischen Kohlenstoff (DOC) bestimmt. Verschiedene gelöste Stoffe trugen zur Dichte in der gesamten Wassersäule bei. Nur jene Substanzen, die im anoxischen Monimolimnion höhere Konzentrationen als im oxischen Mixolimnion aufwiesen, waren entscheidend für die Aufrechterhaltung des Dichtegradienten zwischen den beiden Schichten. Im Waldsee war der Dichteunterschied zwischen Mixolimnion und Monimolimnion im Wesentlichen auf gelöstes Fe2+ (0,23 g/L, 45% Anteil an der Dichtedifferenz) und das Kohlenstoffsystem (HCO3-, rd. 0,16 g/L und CO2 rd. 0,03 g/L) zurückzuführen. Ca2+ und DOC tragen nur zu einem kleinen Teil zum Dichtegradienten bei. Während die Gesamtdichteunterschiede im Sommer hauptsächlich von Temperaturunterschieden beherrscht wurden, hielten im Winter die gelösten Stoffe die Meromixis aufrecht. Abschließend präsentieren wir eine vollständige Auflistung spezifischer Dichtebeitragskoeffizienten für fast alle dichterelevanten Stoffe in Süßwässern.

Resumen

Las diferencias de densidad son el parámetro clave en la estabilidad de la estratificación. Para cuantificar la contribución de solutos simples a la densidad del agua, hemos usado datos tomados en el lago de la mina de lignita, hierro-meromíctica, en Waldsee, Alemania, y analizado el gradiente de densidad. Los lagos hierro meromícticos mantienen sus gradientes de densidades a través de reacciones químicas. De ese modo, la cuantificación de las contribuciones de solutos separados, es esencial para la comprensión del proceso global. Basado en las concentraciones de soluto y en los valores de volúmenes molales parciales de bibliografía, se evaluaron cuantitativamente las contribuciones de sustancias específicas. Luego, por medidas directas de la densidad del ácido fúlvico de turba IHSS Waskish, se cuantificó la contribución a la densidad de carbón orgánico disuelto (DOC). Mientras muchos solutos contribuyeron a la densidad a través de toda la columna de agua, sólo aquellas sustancias que estaban en mayores concentraciones en la capa monimolimnion (anóxica) que en la capa mixolimnion (óxica), fueron cruciales para sostener la diferencia de densidad entre las dos capas. En Waldsee, la diferencia de densidad entre ambas capas (monimolimnion y mixolimnion) fue atribuida al Fe2+ disuelto (0,23 g/L, resultando en una diferencia de densidad del 45%) y al sistema carbonato (HCO3-, aproximadamente 0,16 g/L, y CO2, 0,03 g/L) mientras Ca2+ y DOC proporcionaron sólo una pequeña contribución. En verano, la diferencia de densidades fue dominada por las diferencias de temperatura; durante el invierno, los solutos mantuvieron meromixis. Finalmente, presentamos una lista completa de fracciones de densidad específica para prácticamente todas las sustancias relevantes para la densidad en aguas dulces.

抽象

密度差异是影响分层湖水分层稳定性的关键因素. 本文以德国瓦尔德塞 (Waldsee/Germany) 某褐煤煤矿积水湖为例, 评价了单类溶质对水密度的分层作用, 并分析了湖水密度梯度. 铁-分层湖 (iron-meromictic lake)通过化学反应维持它们的密度梯度. 因此, 量化不同溶质的密度作用对理解整个湖水密度分层过程非常重要. 基于溶质浓度及其偏摩尔体积的文献值实现溶质密度作用的定量评价. 通过直接测量IHSS沃斯基什(Waskish)泥炭中富里酸的密度, 定量计算溶解有机碳 (DOC) 的密度作用. 当湖水整体水柱密度由几种溶质构成时, 只有那些在缺氧滞水层比好氧混和层浓度大的物质才是形成密度分层的关键物质. 在瓦尔德塞, 滞水层和混合层之间的密度差异主要是由溶解性铁 (0.23g/L, 占密度差异的45%)和碳酸盐系统 (HCO3- 0.16 g/L和CO2 0.03 g/L)引起的, 而钙和溶解有机碳 (DOC) 对密度分层作用较小. 在夏季, 水体总密度分层受温度差异控制; 在冬季, 溶质为半混合状态. 最后, 文章列出了淡水中所有影响水体密度物质的单位密度级.

Appendix

Experimental Determination of the Density Contribution of Waskish Peat Fulvic Acid to density

We dissolved 0.00980 g of IHSS Waskish peat fulvic acid (WPFA) in 0.02 L of pure water. According to IHSS (2008), carbon contributes 53.17 % of the mass, yielding a concentration of 0.261 g/L DOC in the solution. The density of the solution was measured using a PAAR DSA 5000 (Austria) densitometer. A u-shaped glass tube filled with the respective solution is set into vibration and its frequency is measured. The higher the mass inside the tube, the slower is the oscillation. Hence, as the volume is known or calibrated using pure water, the device performs a direct measurement of the density of the contained liquid.

The temperature of the limnologically most interesting temperature interval from 0 to 30 °C was scanned in steps of 1 °C (results see Fig. 6). The same measurement was performed with purified water. The temperatures between both measurements coincided within 0.001 °C. Hence we could calculate the density difference between both measurements, which is attributed to the dissolved Waskish peat fulvic acid (see also Fig. 6). A second order regression was performed to include the (small) temperature signature of the density contribution, which may be neglected for most purposes. The coefficient for various temperatures can be calculated according to:

Fig. 6

Density of IHSS Waskish peat fulvic acid solution against temperature (left panel) and density difference of solutions compared with pure water (symbols) and the second order regression for numerical evaluation (right panel)

$$ \gamma_{DOC} (T) = a_{0} + a_{1} (T - 25\,^\circ {\text{C}}) + a_{2} (T - 25\,^\circ {\text{C}})^{2} $$

The density contribution can be related to various references for concentrations. Concentrations of organic matter are either given in mass of organic matter per volume or mass concentration of DOC, i.e. the concentration of the carbon constituent, or finally as molar concentration of carbon. According to IHSS (2008), carbon contributes 53.17 % of the mass: hence we can supply the coefficients also referring to concentration of carbon (mass or molar concentration) (Table 3).

Table 3 Coefficients a _i for the calculation of the density contribution of dissolved organic carbon (units of the coefficients, a _i ) were dropped for better legibility

A second measurement at about half the concentration of IHSS Waskish peat fulvic acid (0.005 g/L, see also Fig. 6) yielded very similar results for the coefficients, only about 3  % higher and a very similar, small temperature effect, which is all clearly within the accuracy at which such solutions can be produced and coefficients be evaluated.