Evaluating Sediment Resuspension and Internal Nutrient Loading in Tappan Lake Using Remote Sensing, Acoustic Doppler Current Profiler Observations, and EFDC+ Modeling

Süßwasserseen und Reservoire werden oft als statische Gewässer wahrgenommen, doch sie sind dynamische Systeme, in denen Wasser, Sedimente und Nährstoffe ständig miteinander interagieren. Eine große Herausforderung bei der Bewirtschaftung dieser Gewässer besteht darin, zu verstehen, warum Algenblüten bestehen bleiben, selbst wenn das umliegende Land sauber gehalten wird. Es ist wohlbekannt, dass Abflüsse von Farmen und Städten überschüssige Nährstoffe in einen See spülen können, was grüne Algenkrusten verursacht. Wissenschaftler vermuten jedoch schon lange, dass der Seeboden selbst als verborgener Speicher fungiert. Über Jahrzehnte hinweg können Sedimente am Boden Nährstoffe wie Phosphor und Stickstoff aufsaugen. Wenn sich die Bedingungen ändern, können diese gespeicherten Nährstoffe wieder in das Wasser abgegeben werden, was die Algen von unten statt von oben nährt. Dieses interne Recycling ist schwer zu erkennen, da es unter Wasser geschieht – verborgen vor Satellitenkameras, die nur auf die Oberfläche blicken, und vor einfachen Wasserproben, die an einem einzelnen Punkt entnommen werden. Das Verständnis dieses verborgenen Mechanismus ist entscheidend, denn wenn das Problem vom Boden kommt, reicht es unter Umständen nicht aus, einfach nur die Flüsse zu reinigen, die den See speisen, um die Blüten zu stoppen.

Forscher richteten ihr Augenmerk auf den Tappan Lake, ein mittelgroßes Reservoir in Harrison County, Ohio. Trotz der Tatsache, dass die Umgebung größtenteils bewaldet ist und nur begrenzter landwirtschaftlicher Abfluss stattfindet, leidet der See unter wiederkehrenden Algenblüten, die die Wasserqualität verschlechtern und die Freizeitnutzung gefährden. Um dieses Rätsel zu lösen, kombinierte ein Team von Wissenschaftlern drei verschiedene Arten der Betrachtung des Sees: Satellitenbilder, um die Oberfläche zu sehen, akustische Unterwasserinstrumente, um Strömung und Partikel zu messen, und ein Computermodell, um die Wasserbewegung zu simulieren. Sie wollten herausfinden, ob die Algen durch Nährstoffe genährt wurden, die vom Boden des Sees kommen und durch die Bewegung des Wassers selbst aufgewirbelt werden.

Das Team begann damit, die Oberfläche aus dem Weltraum zu betrachten. Mithdem sie Bilder eines Satelliten nutzten, der alle paar Tage über die Erde fliegt, verfolgten sie die Menge des grünen Algenpigments, bekannt als Chlorophyll-a, über den gesamten See im Zeitraum von 2020 bis 2025. Zuerst überprüften sie, ob ihre Satellitenmessungen mit den tatsächlichen Wasserproben übereinstimmten, die mit Booten entnommen wurden, um die Genauigkeit der Technologie zu bestätigen. Die Ergebnisse zeigten ein klares Muster: Der See war durchgehend voller Algen. Jeden Sommer während dieses Zeitraums zeigte die gesamte Oberfläche des Sees Anzeichen von Eutrophierung – ein Zustand, in dem das Wasser reich an Nährstoffen ist und übermäßiges Pflanzenwachstum unterstützt. Die Algenwerte waren hoch genug, um in jedem einzelnen Jahr als Blüte zu gelten, wobei kein Teil des Sees in einen sauberen, nährstoffarmen Zustand zurückkehrte. Dies bestätigte, dass es sich nicht nur um einen vorübergehenden Anstieg, sondern um einen chronischen Zustand handelte, der das gesamte Reservoir betraf.

Um zu verstehen, warum diese Algen so hartnäckig waren, mussten die Forscher unter die Oberfläche blicken. Sie setzten ein spezielles Instrument namens Acoustic Doppler Current Profiler ein, das Schallwellen nutzt, um die Geschwindigkeit des Wassers in verschiedenen Tiefen zu messen und zu erkennen, wie viele Partikel darin schweben. Sie steuerten dieses Gerät entlang von zehn verschiedenen Linien, die durch den See verlaufen. Die Daten zeigten einen markanten Unterschied zwischen dem tiefen westlichen Teil des Sees nahe der Talsperre und den flacheren mittleren Abschnitten. Im tiefen Becken bewegte sich das Wasser sehr langsam, fast wie ein stillstehender Teich. In der Mitte des Sees jedoch, wo das Wasser flacher war und der Kanal schmaler wurde, bewegte sich das Wasser viel schneller.

Noch wichtiger war, dass die Schallwellen, die von der Wasseroberfläche reflektiert wurden, offenbarten, wo das Sediment aufgewirbelt wurde. Das Instrument detektierte eine signifikante Zunahme der Schwebestoffe direkt nahe dem Boden des Sees in dieser mittleren Zone. Diese „nahe-am-Boden-Anreicherung“ (near-bed enhancement) bedeutete, dass das Wasser, das durch die Mitte des Sees floss, stark genug war, um den schlammigen Sedimentboden aufzuwirbeln und ihn in der Schwebe zu halten. Im Gegensatz dazu zeigte das tiefe westliche Becken keine solche Aktivität; dort setzten sich die Partikel ab und das Wasser blieb klar. Dies deutete darauf darauf hin, dass die physische Kraft des Wassers, das durch die Mitte des Sees strömt, den Boden ständig aufwirbelt und die im Schlamm gefangenen Nährstoffe freisetzt.

Um dieses Bild zu bestätigen, nutzten die Wissenschaftler ein Computermodell, das die Physik des Sees simuliert, einschließlich Wind und Wasserströmung sowie deren Einfluss auf die Sedimentbewegung. Das Modell erstellte eine Karte der Schwebestoffe, die exakt mit den realen Messungen übereinstimmte. Es zeigte hohe Konzentrationen von Sedimenten in den flachen östlichen Armen und in der Mitte des Sees, während sie in dem tiefen westlichen Becken nahe der Talsperre fast auf Null absanken. Diese Simulation stützte die Annahme, dass der See wie eine Falle für Sedimente wirkt, die aus den Flüssen kommen, aber der mittlere Abschnitt eine Zone ständiger Störungen ist, in der das Sediment immer wieder aufgewirbelt wird.

Als die Forscher alle diese Teile zusammenfügten, kristallisierte sich ein klarer Mechanismus heraus. Der Wind und die Wasserströmung erzeugen in einem spezifischen Bereich in der Mitte des Tappan Lake eine Zone, in der das Bodensediment ständig resuspendiert wird. Dieser Prozess setzt die im Schlamm gespeicherten Nährstoffe wieder in das Wasser frei und bietet so eine stetige Nahrungsquelle für Algen. Da dieses interne Recycling unabhängig davon geschieht, wie sauber die Flüsse sind, bleibt der See fruchtbar und anfällig für Algenblüten. Die Studie legt nahe, dass die Algen nicht nur das Ergebnis von Verschmutzungen vom Land sind, sondern durch die eigene physikalische Dynamik des Sees aufrechterhalten werden. Diese Erkenntnis zeigt, dass das Management des Sees mehr erfordert als nur die Reduzierung externer Verschmutzung; Strategien müssen auch das interne Recycling von Nährstoffen adressieren, das durch die Sedimentresuspension in der Mitte des Sees verursacht wird.