Controls of Oxygen Consumption of Sediments in the Upper Elbe Estuary

Abstract

This thesis deals with sediments and their influence on the oxygen balance of the tidal Elbe River. The study area is the upper Elbe estuary, including the Port of Hamburg. In this area, minimal oxygen content zones are frequently formed during the summer months, where the oxygen content falls below the critical value of 3 mg O2 l-1 for fish. The biogeochemical processes that lead to this oxygen depletion are well known in the water phase. However, the influence of sediments with their spatially and temporally variable composition on the oxygen balance is largely unknown. The way sediments consume oxygen varies. Under resuspension, large amounts of oxygen-consuming substances are quickly released into the water phase and can negatively affect the oxygen balance. Under stable conditions, oxygen diffusely penetrates the sediment surface and is slowly but continuously consumed in the oxic sediment layer. The aim of this thesis is to clarify how strong the sediment-induced influence on oxygen consumption is, which processes play a major role in this and how much the sediments and their oxygen consumption potential (OCP) differ on a spatial and seasonal level during resuspension. In two approaches, the spatial and seasonal variability of sediment composition and OCP during sediment resuspension was determined. In a third approach, the oxygen consumption of sediments under stable conditions and its temperature dependence was determined. The OCP was quantified by seven-day incubation experiments, in which the sediment samples were kept in resuspension. To identify the oxygen-consuming sub-processes, the CO2 formed, and the pore water concentration of relevant anions and cations were determined before and after the experiments. From this information, the most important oxygen-consuming sub-processes could be distinguished, and their respective shares of the total oxygen consumption were calculated stoichiometrically. Based on the analysed sediment properties and the quantified sub-processes, we developed a prognosis model that predicts the OCP of sediments by using a single key parameter. In order to assess the oxygen consumption of sediments under stable conditions, high-resolution oxygen depth profiles were recorded for the first time on sediment cores from three sites in the upper Elbe estuary. Within the upper Elbe estuary, the sediments showed a high spatial and seasonal variability in their composition and OCP. Towards the North Sea, the OCP of the sediments decreased, which can be attributed to a reduced input of fresh biomass in combination with a decrease in the degradability of the organic matter. The OCP of the sediments varied spatially between 0.005 and 0.967 mmol O2 g d.wt.-1 and was up to 5.5 times higher in summer than in winter. This seasonality was also evident in the pore water composition with an enrichment of ammonium and a decrease in sulphate concentration in summer, due to more reduced conditions. Spatially, the highest OCP and chlorophyll concentrations were recorded in the transition zone between the shallow and the deeper and navigable downstream area of the harbour. Looking at the OCP of the sediments during a seven-day resuspension event, the spatial variability was greater than the seasonal variability. Oxygen consumption under stable conditions showed a clear increase with temperature, with one of the three samples characterised by a higher temperature effect due to a lower TOC/Ntotal ratio of the sample, indicating a more easily degradable biomass. The input and degradability of fresh biomass in conjunction with seasonal changes such as sediment and pore water composition along with bacterial productivity/biomass control the oxygen consumption under stable conditions. The results from the spatial and seasonal analysis showed that the OCP of the sediments during a seven-day resuspension event is controlled by the concentration of fresh organic matter. As a proxy for the fresh organic matter, we used the concentration of chlorophyll in the sediment. The total chlorophyll concentration showed the highest correlation with the OCP, followed by Ntotal and TOC. The most important biogeochemical processes involved in oxygen consumption during a resuspension event were identified as the rapid biochemical oxidation of reduced compounds (Fe2+, Mn2+, and sulphur compounds like H2S, FeS, FeS2), the nitrification (mean velocity) and the slower mineralisation of organic matter. Based on these findings, a model was developed that predicts the oxygen consumption of the sediments of the upper Elbe estuary with only one sediment parameter (Ntotal). The developed prediction model is well suited to calculate the oxygen consumption of resuspended sediments in the Hamburg harbour area during the relevant warmer months (NRMSE <0.11 ± 0.13). The results of this extensive spatial and seasonal observation of the OCP of sediments improve the understanding of the role of sediments and their influences on the oxygen budget in the Port of Hamburg. The knowledge gained should now be integrated into water quality models. This will make it possible to better assess the effects of major resuspension events, such as water injection dredging, and serve the development of measures to reduce the environmental impact of maintenance measures in the Port of Hamburg. The next step should be to transfer the point data to the area, combined with further sampling to capture the distribution of sediment properties in a more detailed form. This can be accompanied by additional oxygen consumption measurements under stable conditions aiming to enlarge the data set and to correlate the oxygen consumption to sediment properties. The results showed that the sediments have a high potential to affect the Elbe River's oxygen budget negatively. For the future, questions arise with regard to the resuspension time of different sediment types and how the combination of the spatial distribution of the sediment properties together with the different maintenance measures influence the oxygen balance of the tidal Elbe. Moreover, how strong the influence of oxygen consumption of sediments is under stable conditions and how the influence of the above-mentioned processes could change because of global climate change.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit Sedimenten und deren Einfluss auf den Sauerstoffhaushalt der Tideelbe. Im Untersuchungsgebiet, dem oberen Elbeästuar einschließlich des Hamburger Hafens, bilden sich in den Sommermonaten häufig Sauerstoffminimumzonen aus, in denen der Sauerstoffgehalt unter den für Fische kritischen Wert von 3 mg O2 l-1 fällt. Die biogeochemischen Prozesse in der Wasserphase, die zu diesem Sauerstoffdefizit führen, sind bereits erforscht. Welchen Einfluss aber die Sedimente mit ihrer räumlich und zeitlich variablen Zusammensetzung auf den Sauerstoffhaushalt haben, ist weitestgehend unbekannt. Sedimente können bei Resuspension schnell große Mengen sauerstoffzehrender Stoffe in die Wasserphase abgegeben und somit die Sauerstoffbilanz unmittelbar negativ beeinflussen. Unter stabilen Bedingungen hingegen, dringt der Sauerstoff diffus in die Sedimentoberfläche ein und wird in der oxischen Sedimentschicht langsam, aber kontinuierlich verbraucht. Ziel dieser Arbeit ist es, exemplarisch für das obere Elbeästuar zu erfassen, wie groß der sedimentbedingte Einfluss auf den Sauerstoffverbrauch ist, welche sauerstoffzehrenden Prozesse eine wesentliche Rolle spielen und wie stark sich die Sedimente und ihr Sauerstoffzehrungspotential (OCP) während einer Resuspension auf räumlicher und saisonaler Ebene unterscheiden. In zwei Messkampagnen wurde die räumliche und saisonale Variabilität der Sedimentzusammensetzung und des OCP während der Resuspension von Sedimenten erfasst. In einem dritten Untersuchungsansatz wurde die Temperaturabhängigkeit der Sauerstoffzehrung von Sedimenten unter stabilen Bedingungen bestimmt. Zur Quantifizierung des OCP wurden siebentägige Inkubationsversuche, bei denen Sedimentproben in Resuspension gehalten wurden, durchgeführt. Um die sauerstoffzehrenden Teilprozesse zu identifizieren, wurden das gebildete CO2 und die Porenwasserkonzentration relevanter An- und Kationen vor und nach den Experimenten bestimmt. Anhand dieser Informationen konnten die wichtigsten sauerstoffzehrenden Teilprozesse unterschieden und ihre jeweiligen Anteile am gesamten Sauerstoffverbrauch stöchiometrisch berechnet werden. Auf dieser Grundlage wurde ein Prognosemodell zur Berechnung des OCP entwickelt. Zur Erfassung des Sauerstoffverbrauches von Sedimenten unter stabilen Lagebedingungen, wurden erstmalig hochauflösende Sauerstofftiefenprofile an Sedimentkernen von drei Standorten aus dem oberen Elbästuar erfasst. Die Sedimente wiesen innerhalb des oberen Elbeästuars eine hohe räumliche und saisonale Variabilität in ihrer Zusammensetzung und im OCP auf. In Richtung Nordsee nahm das OCP der Sedimente ab, was auf einen verringerten Eintrag von frischer Biomasse in Kombination mit einer Abnahme der Abbaubarkeit der organischen Substanz zurückgeführt werden kann. Das OCP der Sedimente variierte räumlich zwischen 0,005 und 0,967 mmol O2 g TS-1 und war im Sommer bis zu 5,5-mal höher als im Winter. Diese Saisonalität zeigte sich auch in der Porenwasserzusammensetzung mit einer Anreicherung von Ammonium und einer Abnahme der Sulfatkonzentration im Sommer, aufgrund stärker reduzierter Bedingungen. Räumlich wurden die höchsten OCP und Chlorophyllkonzentrationen in der Übergangszone zwischen dem flachen und dem tieferen und schiffbaren stromabwärts gelegenen Bereich des Hafens erfasst. Betrachtet man das OCP der Sedimente während eines siebentägigen Resuspensionsereignisses, so war die räumliche Variabilität größer als die saisonale. Die Sauerstoffzehrung unter stabilen Bedingungen zeigte einen deutlichen Anstieg mit der Temperatur, wobei eine der drei Proben durch einen höheren Temperatureffekt aufgrund eines niedrigeren TOC/Ntotal-Verhältnisses der Probe gekennzeichnet war, was auf eine leichter abbaubare Biomasse hinweist. Der Eintrag und die Abbaubarkeit von frischer Biomasse in Verbindung mit den saisonalen Veränderungen, wie der Sediment- und Porenwasserzusammensetzung und der bakteriellen Produktivität/Biomasse, steuern die Sauerstoffzehrung unter stabilen Bedingungen. Die Ergebnisse aus der räumlichen und saisonalen Analyse zeigten, dass das OCP der Sedimente, während eines siebentägigen Resuspensionsereignisses, durch die Konzentration frischer organischer Substanz gesteuert wird. Die Chlorophyllkonzentration im Sediment dient dabei als Indikator für die frische organische Substanz und zeigte die höchste Korrelation mit dem OCP der Sedimente, gefolgt vom Ntotal und TOC Gehalt. Als wichtigste biogeochemische Prozesse, die an der Sauerstoffzehrung während eines Resuspensionsereignisses beteiligt sind, wurden die schnelle biochemische Oxidation von reduzierten Verbindungen (Fe2+, Mn2+ und Schwefelverbindungen wie H2S, FeS, FeS2), die Nitrifikation (mittlere Geschwindigkeit) und die langsamere Mineralisierung von organischem Material identifiziert. Basierend auf diesen Befunden wurde ein Modell entwickelt, dass mit nur einem Sedimentparameter (Ntotal) den Sauerstoffverbrauch der Sedimente des oberen Elbeästuar prognostiziert. Das entwickelte Prognosemodell ist gut geeignet, den Sauerstoffverbrauch von resuspendierten Sedimenten im Hamburger Hafengebiet während der relevanten wärmeren Monate zu berechnen (NRMSE <0,11 ± 0,13). Die gewonnenen Erkenntnisse sollten nun in Wassergütemodelle integriert werden. Damit können Auswirkungen von größeren Resuspensionsereignissen, wie zum Beispiel beim Wasserinjektionsverfahren, besser bewertet werden und der Entwicklung von Maßnahmen zur Reduzierung der Umweltauswirkungen von Unterhaltungsmaßnahmen im Hamburger Hafen dienen. Um im nächsten Schritt die Übertragung der Punktdaten auf die Fläche zu ermöglichen, sollte die räumliche Verteilung der Sedimenteigenschaften im oberen Elbeästuar in einer höher aufgelösten Form erfasst werden. Einhergehend kann der Datensatz zur Sauerstoffzehrung unter stabilen Bedingungen durch zusätzliche Untersuchungen erweitert werden, um so aussagekräftige Korrelationen zwischen dem Sauerstoffverbrauch und den Sedimenteigenschaften unter diesen Bedingungen zu erhalten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Sedimente ein hohes Potential haben den Sauerstoffhaushalt der Elbe negativ zu beeinflussen. Für die Zukunft stellen sich die Fragen, wie die Kombination von räumlicher Verteilung der Sedimenteigenschaften und die unterschiedlichen Unterhaltungsmaßnahmen den Sauerstoffhaushalt der Tideelbe, zum Beispiel über die Dauer der Resuspension, beeinflussen, wie stark der Einfluss der Sauerstoffzehrung von Sedimenten unter stabilen Bedingungen ist und wie sich infolge des globalen Klimawandels der Einfluss der oben genannten Prozesse verändern wird.