Abstract
Urnersee and Gersauersee are two adjacent basins of Vierwaldstättersee (Lake Lucerne, Switzerland), seperated by a sill of 85 m depth, with similar topography (max. depth 195 and 213 m, respectively) but remarkably different exposure to “external forces”, such as wind and river input. Urnersee is exposed to diurnal winds and to occasional strong storms from the south (Föhn) whereas the wind over Gersauersee is moderate or weak. Two rivers, both having very large discharges during storms, replace the total water volume of Urnersee about once a year; in contrast, no large river flows directly into Gersauersee. Between March and October 1986, meteorological parameters, water temperatures and currents were measured quasi-continuously with the aim to quantify hypolimnic water exchange and mixing in Urnersee and to asses the relative importance of wind mixing versus river-induced water exchange for the renewal of the deep water layers. Three periods could be identified: (1) in April, weak stratification and strong episodic storms exchange about 50% of the deep hypolimnion (DH, defined as layer below 110 m depth) leading to a mean heat flux of 36 Wm2. Because of the large wind mixing the water of the exposed Urnersee below about 20 m depth becomes lighter than in the sheltered Gersauersee. (2) In May and June, the horizontal density gradient causes about 65% renewal of the Urnersee DH by the heavier Gersauersee intermediate water but does not affect the heart content. (3) Simultaneously with these processes are the episodic river floods adding another 20% to the DH water exchange and causing a heat flux of about 6 Wm2. During the rest of the summer, water exchange remains below 10% and is mainly due to episodic flood while wind mixing has little influence. Yet, during floods water input into the DH per unit time can still be very large and heat, fluxes reach 600 Wm2 or more. The influence of lateral density currents between the two adjacent basins on hypolimnic mixing is of great ecological significance and explains the oxygen saturation found in the deep water of Urnersee compared to Gersauersee.
Zusammenfassung
Urner-und Gersauersee, zwei benachbarte Becken des in der Zentralschweiz gelegenen Vierwaldstättersees, sind durch eine 85 m tiefe Unterwasserschwelle, getrennt. Sie besitzen sehr ähnliche Topographie (maximale Tiefen 195 bzw. 213 m), sind aber «äußeren Kräften» (Wind, Zuflüsse) sehr verschieden ausgesetzt. Der Urnersee wird sowohl durch ausgeprägte Hang/Tal-Winde als durch gelegentliche starke Föhnstürme beeinflußt, im Gersauersee hingegen sind die Winde meist schwach. Zwei relativ große Zuflüsse, in denen starke Hochwasser auftreten können, erneuern das Wasser des Urnersees in etwa 1,4 Jahren; in den Gersauersee direkt mündet kein großer Fluß. Vom März bis Oktober 1986 wurden meteorologische Parameter, Wassertemperaturen und Strömungen quasi-kontinuierlich gemessen mit dem Ziel, Wasseraustausch und Mischung im Urnersee sowie die relative Wichtigkeit der Wind-bzw. Zuflußinduzierten Mischung zu quantifizieren. Drei Perioden konnten identifiziert werden: (1) Im April führen bei noch schwacher Schichtung starke winde zu einer Wassererneuerung im tiefen Hypolimnion (definiert durch das Volumen unterhalb 110 m) von 50% und zu einem vertikalen Wärmefluß von 36 Wm2. Als Folge dieser Mischung wird etwa unterhalb 20 m Tiefe das Wasser im Urnersee wärmer als dasjenige im Gersauersee. (2) Im Mai und Juni führt der horizontale Dichtegradient zu einem Austausch von ca. 65% des Wassers in tiefen Hypolimnions des Urnersees durch das schwerere Wasser aus den mittleren Tiefen des Gersauersees. (3) Gleichzeitig mit diesen Vorgängen führen die gelegentlichen Hochwasser in den Zuflüssen zu einem weiteren Wasseraustausch von ca. 20% und einem Wärmefluß von etwa 6 Wm2. Während des restlichen Sommers bleibt die Wassererneuerung kleiner als 10%; sie kommt fast ausschließlich durch Hochwasser-induzierte Dichteströmungen zustande, der Einfluß des Windes bleibt schwach. Während der Hochwasser können aber immer noch große Wassermengen pro Zeit ins Hypolimnion transportiert werden, und der Wärmefluß kann 600 Wm2 und mehr ausmachen. Der Einfluß der lateralen Dichteströme auf Mischung und Wasseraustausch zwischen den beiden Seebecken ist ökologisch sehr wichtig; er erklärt, wieso die Sauerstoffsättigung im Hypolimnion des Urnersees meistens sehr viel größer ist als im Hypolimnion des Gersauersees.
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References
Bossard, P., und Ambühl, H.: Chemismus und Lebewesen im See. In: Stadelmann, P. (ed.): Der Vierwaldstättersee und die Seen der Zentralschweiz, pp. 79–100, Keller, Luzern (1984).
Bryson, R. A., and Suomi, V. E.: Midsummer Renewal of Oxygen within the Hypolimnion. J. Mar. Res.10, 263–269 (1951).
Bührer, H., und Ambühl, H.: Die Einleitung von gereinigtem Abwasser in Seen. Schweiz. Z. Hydrol37, 347–369 (1975).
Caldwell, D. R., and Chriss, T. M.: The viscous sublayer at the sea floor. Science205, 1131–1132 (1979).
Duedall, I. W., and Weyl, P. K.: The partial equivalent volumes of salt in sea water. Limnol. Oceanogr.12, 52–59 (1967).
Ellison, T., and Turner, J.: Turbulent entrainment in stratified flows. J. Fluid Mech.6, 423–448 (1959).
Finckh, P.: Heat-flow measurement in 17 perialpine lakes: summary. Geological Society of America, Bulletin, Part I92, 108–111 (1981).
Fischer, H. B., List, E. J., Koh, R. C. Y., Imberger, J., and Brooks, N. H.: Mixing in Inland and Coastal waters. Academic Press, New York (1979).
Gust, G., and Weatherly, G. L.: Velocities, turbulence, and skin friction in a deep-sea logarithmic layer. J. Geophys. Res.90, 4779–4792.
Hauenstein, W.: Zuflu\edingte Dichteströmungen in Seen. Dissertation ETH Zürich 1983.
Imberger, J., and Hamblin, P. F.: Dynamics of lakes, reservoirs and cooling ponds. Ann. Rev. Mech.14, 153–187 (1982).
Imboden, D. M., Stotz, B., and Wüest, A.: Hypolimnic mixing in a deep alpine lake and the role of a storm event. Verh. Internat. Verein. Limnol.23, in print (1988).
Joller, Th.: Untersuchung vertikaler Mischungsprozesse mit chemisch physikalischen Tracern im Hypolimnion des eutrophen Baldeggersees, 94p. Dissertation ETH Zürich Nr. 7830 (1985).
Lambert, A. M.: Starke Bodenströmungen im Walensee. Wasser, Energie, Luft71, (3), 50–53 (1979).
Lambert, A. M.: Trübeströme des Rheins am Grund des Bodensees. Wasserwirtschaft72 (4), 1–4 (1982).
Lambert, A. M., Kelts, K. R., and Marshall, N. F.: Measurements of density underflows from Walensee, Switzerlands. Sedimentology23, 87–105 (1976).
Lambert, A. M., and Giovanoli, F.: Records of channelized turbidity currents in Lake Geneva (Rhone Delta) XXII Congress. Int. Assoc. for Hydr. Research, Lausanne (1987).
Lemmin, U., Schurter, M., Imboden, D. M., Joller, Th., and Abegglen, H.: An instrument for measuring small bottom currents in lakes. Limnol. Oceanogr.30, 1116–1122 (1985).
Lemmin, U. and Imboden, D. M.: Dynamics of bottom currents in a small lake. Limnol. Oceanogr.32, 62–75 (1987).
Marti, D. E. und Imboden, D. M.: Thermische Energieflüsse an der Wasseroberfläche: Beispiel Sempachersee. Schweiz. Z. Hydrol.48, 196–229 (1986).
Morton, B., Taylor, G. I., and Turner, J. S.: Turbulent gravitational convection from maintained and instaneous sources. Proc. R. Soc. London Ser. A234, 1–23 (1956).
Neumann, G., and Pierson, W. J.: Principles of physical oceanography, 545 pp. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J. (1966).
Simpson, J. R.: Gravity currents in the laboratory, atmosphere, and ocean. Ann. Rev. Fluid Mech.14, 213–234 (1982).
Täsch, M.: Einschichtung der Reuss in den Urnersee. Diplomarbeit, Universität Freiburg und EAWAG (1987).
Thorpe, S. A.: Experiments on the stability of stratified shear flows. Radio Sci. (Amer. Geophys. Un.)4, 1327–1331 (1969).
Waibel, F.: Das Rheindelta im Bodensee. Bericht des österreischen Rheinbauleiters. Bregenz (1962).
Wüest, A.: Ursprung und Größe von Mischungsprozessen im Hypolimnion natürlicher Seen. Dissertation Nr. 8350, ETH Zürich (1987).
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Wüest, A., Imboden, D.M. & Schurter, M. Origin and size of hypolimnic mixing in Urnersee, the southern basin of Vierwaldstättersee (Lake Lucerne). Schweiz. Z. Hydrol 50, 40–70 (1988). https://doi.org/10.1007/BF02538371
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