Transfer factors of contamination between the German Bight and its tributary waters derived from measured tritium and Cs-137 activity concentrations

Summary Evaluation of the results of radioactivity monitoring in the southern North Sea between 1977 and 1987 has shown that in the water of the German Bight three areas stand out due to their different ratios between salinity and concentration of dissolved Cs-137 and tritium. While salinity steadily increases with greater distance from the coast, the Cs-137 concentration above 34 PSU (Practical Salinity Unit) increases sharply and shows how far water from the western and central North Sea, contaminated by nuclear reprocessing in Sellafield (Irish Sea), reaches into the German Bight. In the 34 to 32.5 PSU range, the influence can be seen of water contaminated by tritium originating in the rivers Rhein, Maas and Schelde, precipitation and the nuclear reprocessing plant at La Hague (Channel). Below 32.5 PSU, the influence of the influx from the rivers Elbe, Weser and Ems becomes apparent. These rivers are less contaminated with tritium.Assuming that Cs-137 and tritium, like the salinity of sea water, behave conservatively and that the decay-time of these two isotopes is long compared with the time-scale of water exchange in the southern North Sea, the concentration values measured are used to calculate the structure of the water masses in the three areas of the German Bight mentioned above using the mixing principle. Evaporation is taken into account. Results show that beyond 34 PSU, about half the sea water originates in the western central North Sea while the other half comes from the Channel. Below 34 PSU, the first mentioned share amounts only to a few per cent. Results also show that fresh water from the Rhein delta and precipitation, increasing with a decrease in salinity from 34 to 32.5 PSU, accounts for a maximum of 5% each. The fresh water influx into the German Bight via the rivers Elbe, Weser and Ems amounts to app. 11% when the PSU value reaches 29. The calculated portions are the mean values for the observation period. The number of measurements available makes it impossible to distinguish more exactly between the temporal and spatial variability of the amounts of the individual components.The quantity of each calculated portion of sea water also represents the transfer factor of concentration between the nuclide concentration in the source (e. g. the Rhein) and the concentration in the German Bight. In addition, these factors are used to calculate the transfer factors of discharge using the annual drainage rates of the sources. Thus a radioactive discharge rate of 10¹⁵ Bq per year into the Rhein would produce a mean activity concentration of 0.34 Bq/l in the German Bight (at a salinity of 33.5 PSU). To verify the calculated transfer factors, tritium concentrations in the German Bight are derived from existing environmental tritium data and the results are compared with the values actually measured.

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Transferkaktoren zwischen der Deutschen Bucht und ihren Zuflüssen abgeleitet aus der Tritium- und Cs-137-Aktivitätskonzentration in den beteiligten Gewässern

Zusammenfassung Eine zusammenhängende Auswertung der Meßergebnisse der Radioaktivitätsüberwachung in der südlichen Nordsee über den Zeitraum 1977 bis 1987 hat gezeigt, daß im Wasser der Deutschen Bucht deutlich drei durch den Salzgehalt des Meerwassers und die Konzentration der gelösten Radionuklide charakterisierte Bereiche zu unterscheiden sind.Während der Salzgehalt mit wachsender Entfernung von der Küste stetig zunimmt, steigt die Cs-137-Konzentration oberhalb 34 PSU (Practical Salinity Unit) sprunghaft an und signalisiert die Grenze, bis zu der das durch die Kernbrennstoff-Wiederaufarbeitung in Sellafield (Irische See) kontaminierte Meerwasser der westlichen und mittleren Nordsee in die Deutsche Bucht vordringt. Im Bereich 34 bis 32,5 PSU ist das von Westen zugeführte, stärker Tritium-kontaminierte Wasser aus Rhein, Maas, Schelde und atmosphärischem Niederschlag zu erkennen, an das sich unterhalb 32,5 PSU der geringer mit Tritum kontaminierte Zufluß aus Elbe, Weser und Ems anschließt.Davon ausgehend, daß sich Cs-137 und Tritium wie der Salzgehalt im Meerwasser konservativ verhalten und daß weiterhin die Halbwertzeit des radioaktiven Zerfalls dieser beiden Nuklide lang ist gegenüber den Wasseraustauschzeiten im betrachteten Meeresgebiet, wurden die in der südlichen Nordsee gemessenen sowie aus der Literatur für den Süßwasserbereich entnommenen Konzentrationswerte dazu genutzt, um rechnerisch mit Hilfe des Mischungsgesetzes den Wassermassenaufbau in den drei genannten Salinitätsbereichen in der Deutschen Bucht quantitativ zu bestimmen. Es zeigte sich, daß oberhalb von 34 PSU das Meerwasser aus etwa gleichen Teilen aus der westlichen/mittleren Nordsee und dem Kanal stammt, während unterhalb dieser Salzgehaltsgrenze nur noch mit wenigen Prozentanteilen Wasser aus der mittleren Nordsee zu finden ist. Ferner ergab sich, daß das aus dem Rheinmündungsbiet bzw, aus dem atmosphärischen Niederschlag stammende Süßwasser — mit sinkendem Salzgehalt steigend — bei 32,5 PSU einen maximalen Anteil von jeweils 5% an Meerwasser hat. Der direkte Süßwasserzufluß aus Elbe, Weser und Ems beträgt in die Deutsche Bucht bei 29 PSU ca. 11%.Die berechneten Anteile sind Mittelwerte über den gesamten Beobachtungszeitraum; die Anzahl der Messungen läßt eine genauere Unterscheidung in zeitliche und räumliche Variabilität der Zusammensetzung nicht zu.Die Größe des jeweils bestimmten Anteils am Meerwasser stellt gleichzeitig den Transferfaktor der Konzentration zwischen der Nuklidkonzentration im Ursprungsgewässer (z. B. dem Rhein) und der sich daraus einstellenden Konzentration in der Deutschen Bucht dar. Ferner wurden die Transferfaktoren der Konzentration in Verbindung mit aus der Literatur entnommenen Größen der jährlichen Abflußmengen der Ursprungsgewässer genutzt, um auch die Transferfaktoren der jährlichen Einbringung zu ermitteln. So ergibt die jährliche Einbringung von 10¹⁵ Bq eines Nuklides z. B. in den Rhein bei 33,5 PSU in der Deutschen Bucht eine mittlere Konzentration von 0,34 Bq/l.Als Anwendungsbeispiel und zur Überprüfung der Richtigkeit der Transferfaktoren wird die Auswertung des Tritiumauslasses bei La Hague auf die Deutsche Bucht berechnet und mit den gemessenen Werten verglichen.