Factors controlling total concentration and aqueous speciation of aluminium in an acidic headwater stream of the Bavarian Forest National Park: a modelling approach

Abstract

The purpose of the present paper is to analyse factors controlling total concentration and aqueous speciation of aluminium in the Grose Ohe River, using a thermodynamic equilibrium model and a mixing approach. A model compound for humic substances is derived on the basis of the relation between anion deficit and the organic carbon content in the river as well as literature data. An equilibrium speciation model for aluminium is set up, considering this model compound and relevant inorganic solutes. Although the model cannot be verified directly, its results may be viewed as qualitatively correct. Applying the model to measured stream water samples highlights that aqueous speciation of aluminium is mainly controlled by the pH value and discharge and that free aluminium concentrations reach clearly toxic levels during acidic episodes. Comparing measured concentrations of sulfate and H+ and calculated concentrations of Al3+ with solubility curves of gibbsite like minerals and jurbanite clearly shows that total aluminium concentrations are not controlled by equilibria with these mineral phases alone. The observed relationship can be better explained from a mixture of two distinct waters, representing lowflow and highflow chemistry, and the resulting equilibrium concentrations. This indicates that total aluminium concentration, in particular during high discharge events, is mainly controlled by the mixture of waters with differing chemistry and flowpaths. Kontrollfaktoren fur die Gesamtkonzentration und die wassrige Speziierung von Aluminium in einem sauren Quellfluss im Nationalpark Bayerischer Wald: Ein Modellansatz Ein Gleichgewichtsmodell und ein Mischungsansatz werden verwendet, um die Kontrollmechanismen fur die Speziierung und die Gesamtkonzentration von gelostem Aluminium in der Grosen Ohe zu analysieren. Auf Grundlage von Literaturdaten und der Beziehung zwischen Anionendefizit und organisch gebundenem Kohlenstoff wird eine Modellsubstanz fur die im Wasser enthaltenen Huminstoffe abgeleitet und zusammen mit relevanten anorganischen Spezies ein Modell fur die Aluminiumspeziierung aufgestellt. Wenngleich dieses nicht direkt verifiziert werden kann, sind auf seiner Grundlage qualitative Aussagen moglich. Die Anwendung des Modells auf im Bachwasser gemessene Konzentrationen verdeutlicht, dass die Speziierung von Aluminium durch das Abflussgeschehen gesteuert wird und wahrend Versauerungsschuben offenkundig toxische Konzentrationen freien Aluminiums auftreten. Aus dem Vergleich der gemessenen Sulfat- und H+- und der berechneten Al3+-Konzentrationen mit den Loslichkeitskurven von Gibbsit und Jurbanit wird deutlich, dass die Aluminiumkonzentration nicht ausschlieslich durch Gleichgewichte mit diesen Mineralphasen gesteuert wird. Die beobachteten Konzentrationsbeziehungen lassen sich besser aus der Mischung zweier Wasser (Basis- bzw. Hochwasserabfluss) und den sich hieraus ergebenden Gleichgewichtskonzentrationen erklaren. Insbesondere bei Hochwasser wird die Aluminiumkonzentration offenbar durch die Mischung von Wassern mit unterschiedlichen Abflussbildungsprozessen und Chemismen gesteuert.