Transcript
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Angewandte Limnologie
• Gewässerschutz• Wiederherstellung geschädigter Gewässer• Entscheidungshilfen bei Konflikt zwischen Ökonomie
und Ökologie• Wissenschaftliche Begleitung der Wassernutzung
Ziele der Angewandten Limnologie
2
Bleilochtalsperre
Tagebaurestsee Goitzsche
3
10 %(USA: 700 l täglich, Deutschland 130 l, Sahelzone 30 l)
Privater Konsum
20%Industrielle Produktion
70 %Landwirtschaft
Anteil am weltweiten Wasserverbrauch
Weltweiter Wasserverbrauch
Geschätzte Wasserverfügbarkeit im Jahr 2025
4
Der Nil
Nil-Delta
Tempel der Königin Hatschepsut (unten der Einflußbereich des Nils)
Jakarta
In Jakarta ist der Grundwasserspiegel in den vergangenen Jahren um 20 m abgesackt
5
Nestos-Delta (Griechenland)
Der Nestos trocknet im Unterlauf während des Sommers zeitweise aus, das dann zur Bewässerung entnommene Grundwasser versalzt zunehmend
Schistosoma mansoni
Bilharziose
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Überträger: Kriebelmücke
Mikrofilarien in einem adulten Wurm
Onchozerkose (Flußblindheit)
• Freizeit und Erholung• Eigentumsrechte• Siedlung/Verkehr• Land- und Forstwirtschaft• Energiegewinnung• Wasserwirtschaft• Naturschutz• Forschung
Nutzungen von Gewässern
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Freizeit und Erholung
Eigentumsrechte
8
Siedlung, Verkehr, Erschließung
Fischerei
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Energiegewinnung
Trinkwasserversorgung aus dem Bodensee
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Kiesabbau / Ausweisung von Überschwemmungsflächen
Gefärbtes Laichkraut (Potamogeton coloratus)
Schneider (Alburnoides bipunctatus )
Natur- und Artenschutz
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Forschung
• Saprobie
• Trophie/Eutrophierung
• Versauerung
• Aquatische Ökotoxikologie
• Gewässerzustand/Wasserrahmenrichtlinie
Gewässerbelastungen
12
Saprobie
• Was ist Saprobie?• Wie wird die Saprobie ermittelt?• Wie wird die Verschmutzung bekämpft?
Saprobie
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Saprobiensystem
6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2Saprobie
Photosynthese / Atmung
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Belastung
Unterschiedliche Indikationswerte
Indikationswert
Häufigkeit des Vorkommens
Unterschiedliche Gewichtung
Gewichtung
15
∑
∑
=
== n
iii
n
iiii
AG
AGsS
1
1
*
**
S = Saprobienindex; kann eine Zahl von 1 - 4 annehmeni = laufende Nummer der gefundenen OrganismenA = Abundanz (Häufigkeit) der Organismen an der Untersuchungsstelle; wird geschätzt si = Saprobienwert des gefundenen Organismus; aus der Literatur übernehmen G = Indikationsgewicht des gefundenen Organismus; aus der Literatur übernehmen
Dabei bedeutet ein hoher Wert dass die Art ein guter Indikatororganismus und streng an eine Güteklasse gebunden ist.
Saprobienindex
7Massenvorkommenmassenhaft6vielsehr zahlreich5mittel bis vielzahlreich4mittelwenig zahlreich3wenig bis mittelspärlich2wenigsehr spärlich1EinzelfundEinzelexemplar
Zahl ( A )GesamtschätzungAbundanz
Abundanzschätzung für die Berechnung des Saprobienindex
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Einteilung des Saprobienindex in Güteklassen
Saprobienindex
17
Veränderung der Gewässergüte in Bayern 1973 bis 2001
Saprobienindex
18
Gewässergüte ausgewählter Zuflüsse in den Bodensee 1977 und 1998
Saprobienindex
Trophie / Eutrophierung
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• Was ist Trophie/Eutrophierung?• Wie wird die Trophie ermittelt?• Wie wird die Eutrophierung bekämpft?
Trophie / Eutrophierung
Nährstoffarmer und nährstoffreicher See
Trophie / Eutrophierung
20
6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2
Photosynthese / Atmung
Licht, Nährstoffe
Trophie
• Trophie = Intensität der Primärproduktion
• Eutrophierung = Steigerung der pflanzlichen Primärproduktion, hervorgerufen durch eine Zunahme der Nährstoffkonzentration oder eine erhöhte Nutzbarkeit der Nährstoffe im Gewässer
Definitionen
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• Punktförmige Quellen- Abwassereinleitung- Kläranlagenabläufe- Regenwassereinleitungen
• Diffuse Quellen– Erosion– Oberflächenabschwemmung von Straßen– Auswaschung über Sickerwasser und Grundwasser
Eutrophierung
Eutrophierung
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• Erhöhte Primärproduktion • Grünfärbung und Trübung• Erhöhte Sekundärproduktion und gleichzeitige Verringerung des
Anteils anspruchsvoller Edelfische• Störung des Sauerstoffhaushaltes • Verschlammung und Verlandung durch abgestorbene Biomasse• Änderung des Artenbestandes an Pflanzen und Tieren, teilweise
auch toxische Formen (Blaualgen)• Rücklösung im Schlamm deponierter Nährstoffe und damit
Selbstdüngung des Sees
Folgen der Eutrophierung
Das Ausmaß der Primärproduktion hängt von zahlreichen Kriterien ab:
• der Menge an verfügbaren Nährstoffen• den Lichtbedingungen• dem Fraßdruck durch Pflanzenfresser• der Morphologie des Gewässers (Tiefe, Struktur)• den hydrologischen Bedingungen (Strömung, Turbulenz,
Wasserführung, Wasseraustauschzeit)
Eutrophierung
23
(Jeweils Mittelwerte während der Schichtungsperiode, nordamerikanische Seen)
Zusammenhang zwischen Chl a und Phosphor
Zusammenhang zwischen Sichttiefe und Phosphor
(Jeweils Mittelwerte während der Schichtungsperiode, nordamerikanische Seen)
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Trophiekriterien für Seen
Wah
rsch
einl
ichk
eit
Zusammenhang zwischen Ges-P und der Trophie eines Sees
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Nährstoffkonzentration in einem See hängt ab von• Externe Nährstoffeinträge• Hydrologische Bedingungen (Wasserdargebot)• Durchmischungsverhalten im See• Nährstoffretention im See (Sedimentation)• Interne Stoffkreisläufe
Abschätzung der Trophie eines Sees auf Basis der P-Flächenbelastung
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ProduktionProduktion Abbau
Tiefe Seen
Flache Seen
Seenvergleich: gleiche Produktion – verschiedenes Volumen
Planktonzusammensetzung als Trophieindikator
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Wasserpflanzen kommen in verschiedenen Habitaten vor
Tannwedel (Hippuris vulgaris)
Wasserpflanzen kommen in verschiedenen Habitaten vor
Steifborstige Armleuchteralge (Chara hispida)
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Wasserpflanzen indizieren Nährstoffbelastung
Wasserpest (Elodea canadensis)
Tannwedel (Hippuris vulgaris)
hohe Nährstoffbelastung
Gefärbtes Laichkraut (Potamogeton coloratus)
Armleuchteralgen (Characeen)
geringe Nährstoffbelastung
Chara hispida Chara aspera Chara delicatulaChara polyacantha Chara intermedia Chara tomentosaChara strigosa Utricularia minor Potamogeton alpinusPotamogeton coloratusUtricularia stygia
1,5Indikatorgruppe Indikatorgruppe
2,0Indikatorgruppe
1,0
Indikatorgruppen
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Chara contraria Chara vulgaris Myriophyllum verticillatumChara fragilis Myriophyllum spicatum Potamogeton berchtoldiiNitella opaca Potamogeton filiformis Potamogeton lucensNitellopsis obtusa Potamogeton perfoliatus Potamogeton praelongusPotamogeton gramineus Utricularia australis Potamogeton pusillusPotamogeton natansPotamogeton x zizii
2,5Indikatorgruppe Indikatorgruppe
3,53,0Indikatorgruppe
Indikatorgruppen
Hippuris vulgaris Elodea canadensis Ceratophyllum demersumLagarosiphon major Elodea nuttallii Lemna minorPotamogeton pectinatus Potamogeton compressus Potamogeton mucronatus
Potamogeton crispus Potamogeton nodosusPotamogeton obtusifolius Sagittaria sagittifoliaRanunculus circinatus Spirodela polyrhizaRanunculus trichophyllus Zannichellia palustris
5,04,54,0Indikatorgruppe Indikatorgruppe Indikatorgruppe
Indikatorgruppen
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Forschungstaucher kartieren Unterwasserpflanzen
vier Tiefenstufen (0-1, 1-2, 2-4, unter 4 m)
Aufnahme der Pflanzenmenge nach einer Schätzskala von 1-5
Häufigkeit Pflanzenmenge Quantitätsstufe
sehr selten, vereinzelt 1 1
selten 2 8
verbreitet 3 27
häufig 4 64
sehr häufig, massenhaft 5 125
Häufigkeit - Pflanzenmenge - Quantitätsstufe
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∑
∑
=
=
⋅=
n
ii
n
iii
Q
QIMI
1
1
MI = MakrophytenindexIi = Indikatorwert des i-ten TaxonsQi = Quantitätsstufe des i-ten Taxonsn = Gesamtzahl der Taxa
Makrophytenindex
Makrophytenindex
Makrophytenindex Belastungsgrad Farbe1,00 - 2,40 sehr gering2,40 - 2,70 gering2,70 - 2,95 mäßig2,95 - 3,30 mäßig-erheblich3,30 - 3,55 erheblich3,55 - 3,90 stark3,90 - 5,00 sehr stark
32
Makrophytenindex Osterseen 2004
1985
Makrophytenindex – Chiemsee 1985
33
Makrophytenindex – Chiemsee 1998
MakrophytenindexBodensee
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Gesamt-P-Konzentration im Bodensee
∑
∑
=
=
⋅= n
ii
n
iii
L
LMIMI
1
1
MI = mittlerer MakrophytenindexMIi = Makrophytenindex des i-ten AbschnittsLi = Länge des i-ten Abschnittsn = Anzahl der Abschnitte
Mittlerer Makrophytenindex
35
0
20
40
60
80
100
120
140
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
MI
TP
Zusammenhang zwischen dem mittleren Makrophytenindex und der Gesamt-Phosphor-Konzentration zur Frühjahrsvollzirkulation eines Sees
y = TP-Gehalt zur Vollzirkulation [µg P/l]x = Makrophytenindexwerte
0,965 25, n 30,4944,66-82,11 2 ==+= rxxy
Mittlerer Makrophytenindex
Trophieklasse
4,03,53,02,52,01,51,0
Anza
hl d
er M
essw
erte
12
10
8
6
4
2
0
Artspezifisches Verbreitungsmaximum und Toleranzgrenzen
Chara hispida
Indikationswert = 1.05
Gewichtung = 16
36
Trophieklasse
4,03,53,02,52,01,51,0
Anza
hl d
er M
essw
erte
12
10
8
6
4
2
0
Ranunculus fluitans
Indikationswert = 3.00
Gewichtung = 8
Artspezifisches Verbreitungsmaximum und Toleranzgrenzen
Trophieklasse
4,03,53,02,52,01,51,0
Anza
hl d
er M
essw
erte
12
10
8
6
4
2
0
Myriophyllum spicatum
Indikationswert = 2.83
Gewichtung = 4
Artspezifisches Verbreitungsmaximum und Toleranzgrenzen
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Trophieindex Makrophyten für Fließgewässer
∑
∑
=
== n
aaa
n
aaaa
QG
QGIVTIM
1
1
*
**
TIM = Trophieindex MakrophytenIVa = Indikationswert der Art aGa = Gewichtung der Art aQa = Quantitätsstufe der Art a
TIM im Rotbach
Fließrichtung
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Diatomeen
• Abkratzen von Schilf oder Steinen• Aufbereitung mit Wasserstoffperoxid,
Kaliumdichromat und Salzsäure• Auswertung am Lichtmikroskop
Diatomeenprobenahme
39
Bestimmung des Diatomeenindex
∑
∑
=
=
⋅
⋅⋅= n
iii
n
iiii
GN
TGNDI
1
1
DI = DiatomeenindexNi = Abundanz des i-ten TaxonsGi = Gewichtung des i-ten TaxonsTi = trophische Lokation des i-ten Taxonsn = Gesamtzahl der Taxa
Bestimmung des Diatomeenindex
40
TP [µg/l] Belastungsgrad Trophie Farbe
x < 10 sehr gering oligotroph dunkelblau
10 ≤ x < 15 gering oligo-mesotroph hellblau
15 ≤ x < 20 mäßig mesotroph 1 dunkelgrün
20 ≤ x < 30 mäßig-erheblich mesotroph 2 hellgrün
30 ≤ x < 40 erheblich eutroph 1 gelb
40 ≤ x < 55 stark eutroph 2 orange
x ≥ 55 sehr stark eutroph 3 rot
Einteilung des TP (total phosphorus) in Trophieklassen
TP [µg/l] Diatomeenindex Makrophytenindex Farbe
x < 10 1,00 ≤ x < 1,90 1,00 ≤ x < 2,40 dunkelblau
10 ≤ x < 15 1,90 ≤ x < 2,45 2,40 ≤ x < 2,70 hellblau
15 ≤ x < 20 2,45 ≤ x < 2,95 2,70 ≤ x < 2,95 dunkelgrün
20 ≤ x < 30 2,95 ≤ x < 3,70 2,95 ≤ x < 3,30 hellgrün
30 ≤ x < 40 3,70 ≤ x < 4,20 3,30 ≤ x < 3,55 gelb
40 ≤ x < 55 4,20 ≤ x < 4,65 3,55 ≤ x < 3,90 orange
x ≥ 55 4,65 ≤ x ≤ 5,00 3,90 ≤ x ≤ 5,00 rot
Harmonisierung des Makrophyten- und des Diatomeenindex
41
• sehr kurze Lebenszyklen• sensibel auf Milieuänderungen• artspezifische Toleranz und Präferenz in Bezug auf
den Phosphorgehalt• Trophiebestimmung mit Hilfe des Diatomeenindexes
Diatomeen
Die Diatomeen stellen daher einen Kurzzeitindikator für die Bewertung des Trophiezustandes dar
• sehr lange Lebenszyklen• langsame Reaktion auf Milieuänderungen• taxonspezifische Toleranz und Präferenz in Bezug
auf den Nährstoffgehalt• Trophiebestimmung mit Hilfe des
Makrophytenindexes
Makrophyten
Die Makrophyten stellen daher einen Langzeitindikator für die Bewertung der Nährstoffbelastung dar
42
Spitzingsee
Herrenwieser SeeBadseeSulzbergerseeSpitzingsee, Schwaigsee
Haarsee
Eschacher Weiher
FroschhauserOrtwangersee
Lustsee
Makrophyten- Langzeitindikator -
Diatomeen- Kurzzeitindikator -früher - Zustand - heute
Prognosemodell
43
6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2
Saprobie
Trophie
Trophie / Saprobie
Trophie / Saprobie
44
Ringkanalisation am Chiemsee
• Nährstoffreduktion im Freiwasser• Abbau von Sauerstoffdefiziten im Tiefenwasser• Verhinderung der Nährstoffrücklösung aus dem
Sediment• Kontrolle übermäßigen Algenwachstums• Kontrolle übermäßigen Makrophytenwachstums
Ziele der Seenrestaurierung
45
Nährstoffreduktion im Freiwasser
• Nährstoffinaktivierung (Ausfällung)• Verdünnung bzw. Spülung
Gängige Methoden der Seenrestaurierung
Al2(SO4)3 + 6 H2O 2 Al(OH)3 + 3 SO42- + 6 H+
Al(OH)3 + PO43- AlPO4 + 3 OH-
Phosphatfällung mit Aluminiumsalzen
46
Fe2+ + ¼ O2 + 4,5 H2O Fe(OH)3 + 2 H2O + 2 H+
Fe(OH)3 + PO43- FeO(OH)~PO4
3- + H2O
Fe3+ + 6 H2O Fe(OH)3 + 3 H2O + 3 H+
Phosphatfällung mit Eisensalzen
Phosphatfällung
Ausbringung von festem Eisenoxid-Hydroxid
Behandlung mit einer flüssigen Eisenchlorid-Lösung
47
Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O
CaCO3 + H+ Ca2+ + HCO3-
CaCO3 + CO2 + H2O Ca2+ + 2 HCO3-
Phosphatfällung mit Calciumverbindungen
Phosphat sorbiert an CaCO3 oder reagiert chemisch zu Hydroxyapatit (Ca10(PO4)6(OH)2)
Im Sauren und bei hohen CO2-Konzentrationen löst sich CaCO3 auf, d.h. sorbiertes Phosphat wird wieder freigesetzt.
Prinzip einer transportablen P-Eliminationsanlage
48
Veluwemeer (Niederlande)
Verdünnung des Veluwemeer-Sees durch Zuführung von P-armem Wasser aus angrenzenden Gräben
Verdünnung / Spülung
Abbau von Sauerstoffdefiziten im Tiefenwasser
• Tiefenwasserableitung• Tiefenwasserbelüftung• Destratifikation (Zerstörung der Temperaturschichtung)
Gängige Methoden der Seenrestaurierung
49
oligotroph eutroph
BF= FrachtB= BiomasseR= recycelter PhosphorA = AuswaschungS = sedimentierender partikulärer Phosphor
F F
RA
S
A
S
BR
Epilimnion
P-Kreislauf in Gewässern unterschiedlicher Trophie
eutroph
Hyp
olim
nion
O2-am< 3 mg O2/loder H2S
anae
rob
Sedi
men
t
3
4
6
5
eutroph
Fe2+ PO43-
löslich
P-Freisetzung durch mikrobiellenAbbau
1
2
Sedimentation vonorg. geb. part. P
2
3 Fe2+ in reduzierter II-wertiger Form
Fe2+ Fe2+ PO43-PO4
3-
löslich
4
Fe2+ in reduzierter II-wertiger Form => lösliche P-Salze =>P-Freisetzung
+SO42- H2S
Fe2+ PO43-
FeS unlöslich
B
5
Unter anaeroben Ver-hältnissen wird SO4
2-
veratmet H2S
Bildung von FeSFe nicht mehr zur Bindung von PO4
3- verfügbar
6
1
keine Sperrschicht
P-Kreislauf
50
Tiefenwasserableitung am Meerfelder Maar
Destratifikation an der Bleilochtalsperre
51
Tiefenwasserbelüftung
Verhinderung der Nährstoffrücklösung aus dem Sediment
• Sedimentkonditionierung• Entschlammung• Sedimentabdeckung
Gängige Methoden der Seenrestaurierung
52
5 CH2O + 4 NO3- 5 CO2 + 2 N2 + 3 H2O + 4 OH-
Denitrifikation
Sedimentkonditionierung
53
Entschlammung
Saugbagger mit direktem Rohr ans Ufer
Spülbohrverfahren zur Abdeckung von kontaminierten Jungsedimenten mit Seekreide
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Kontrolle übermäßigen Algenwachstums• Verdünnung bzw. Spülung• Abschattung im Litoralbereich• Künstliche Trübung des Gewässers• Behandlung mit Kupfersulfat• Biomanipulation
Kontrolle übermäßigen Makrophytenwachstums• Wasserstandsregulierung• Ernte• Besatz mit pflanzenfressenden Fischen• Abschattung
Gängige Methoden der Seenrestaurierung
Entkrautung
mechanisch
Graskarpfen (Ctenopharyngodon idella )
55
Übersicht Seensanierung / - restaurierung
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