4. Wassergütebewirtschaftung und Gewässersanierung
 

Viele Standgewässer, vor allem aber Talsperren und künstliche Speicherbecken, bieten die Möglichkeit, durch das Management der verfügbaren Wassermengen auch im Hinblick auf die Verbesserung der Gewässergüte bewirtschaftet zu werden. Dies ist meist wenig kostenaufwendig und erfolgt darüber hinaus oft im Einklang mit den Anforderungen des Umwelt- und Gewässerschutzes.

Die Wassergütebewirtschaftung erfolgt in enger  Abstimmung mit der Wassermengenbewirtschaftung und der Bewirtschaftung des Einzugsgebiets. Dabei können durchaus unterschiedliche Vorstellungen bestehen, die in Bewirtschaftungsplänen in Einklang gebracht werden. Während beispielsweise für einen sicheren Hochwasserschutz Pegelschwankungen an Talsperren unumgänglich sind (Hochwasserschutzräume), orientiert die Gütebewirtschaftung auf möglichst voll eingestauten Talsperren mit ausgeglichenem Pegelstand.

Einen Schwerpunkt der Gütebewirtschaftung von Standgewässern stellt die Minimierung der Primärproduktion dar, da das übermäßige Wachstum von Organismen zu den Hauptproblemen des Qualitätsmanagements von Gewässern gehört (vergl. 3). Dort, wo die gewünschten Qualitätsziele durch Gewässerschutz- und Bewirtschaftungsmaßnahmen nicht erreicht werden können, muß nach Wegen gesucht werden, über gewässerinterne Maßnahmen eine Verbesserung der Qualität herbeizuführen. Dabei stehen ökologisch verträgliche Methoden unter Minimierung von Energie- und Materialeinsatz bei minimalem Abproduktanfall im Vordergrund.
 

Abb. 16: Bewährte Strategien zur Vermeidung / Entfernung von Phytoplankton in Standgewässern

Die in Kap. 3 gegebenen Hinweise haben allgemeinen Charakter und müssen gewässerspezifisch angepasst werden.

4.1 Unterschied Talsperre / See

Bevor die Gütebewirtschaftungs- und Sanierungsmöglichkeiten dargestellt werden, sollen an dieser Stelle anknüpfend an Kapitel 3 die grundlegenden Unterschiede zwischen Seen und Talsperren im Hinblick auf die Limnologie zusammengefaßt werden:

Abb. 17: Unterschiede zwischen See und Talsperre im Hinblick auf die Gütebewirtschaftung

Talsperren im Mittelgebirgslagen weisen meist typischen Rinnsee-Charakter auf. Diese verhalten sich oft wie Kaskaden aus hintereinander geschalteten Abschnitten mit unterschiedlicher Tiefe und unterschiedlicher Nährstoffbelastung ("Pfropfstrom-Reaktor"). Da die größte Wassertiefe von Talsperren nicht in der Mitte sondern im Bereich des Absperrbauwerks erreicht wird, ist dort auch das Hypolimnion bzw. der Sauerstoffvorrat zum Abbau von Biomasse am größten, während im Stauwurzelbereich "Flachsee"-Verhältnisse vorherrschen können.

Aufgrund häufiger Pegelschwankungen fehlen bei Talsperren in der Regel höhere Wasserpflanzen im Uferbereich. Dieser Umstand kann auf die Entwicklung des Planktons im Freiwasser wirken. Die Uferlinie von Talsperren ist vergleichsweise lang, da das Relief der umgebenden Landschaft gegenüber Seen (Ufererosion über viele Jahre hinweg) prägend ist.

Der hohe Wasserdurchsatz führt dazu, daß Talsperren-Ökosysteme intensiv von außen beeinflußt werden. Dazu kommt, daß Talsperren im Verhältnis zum Beckenvolumen oft ein großes Einzugsgebiet haben. Talsperren werden wesentlich stärker durch das umgebende Einzugsgebiet geprägt als Seen. Die Alterung (Verlandung, Sohlenaufhöhung) erfolgt schneller. Eutrophe Talsperren sind durch rasche Qualitätsveränderungen (z. B. "Algenblüten") geprägt, während oligotrophe und mesotrophe Talsperren empfindlich auf Stoßbelastungen (Kurzschlußströmungen, Nährstoffeinträge bei Hochwässern) reagieren. Dies bedeutet für den Betreiber, daß die Anforderungen an Überwachung und Steuerung der Talsperren, vor allem, wenn hohe Qualitätsanforderungen gestellt werden (vergl. Kap. 1.), hoch sind.

Die Entnahme des Wassers erfolgt in Talsperren in der Regel aus dem Hypolimnion, während natürliche Seen "überlaufen".

Längsgradient

Pegelschwankung
 
 
 
 

Wasserpflanzen-
gürtel
 
 

Aufenthaltszeit
des Wassers
 
 
 
 
 
 
 

Wasserentnahme

4.2 Kurzfristige Steuerung und Routinebetrieb 

Unter kurzfristige Veränderungen werden hier Beschaffenheitsänderungen verstanden, die innerhalb von Tagen bis wenigen Wochen auftreten und bestimmte Nutzungsformen akut beeinträchtigen. Dies ist vor allem im Fall der Nutzung von Oberflächengewässern als Trinkwasserressource gegeben. Wie im Kapitel 4.1 erwähnt, hat der Betreiber von künstlichen Gewässern, vor allem von Talsperren, oft den Vorteil, daß technische Einrichtungen eine Steuerung des Abflusses und bei Verbundsystemen auch des Zuflusses ermöglichen.

Gütesteuerung
 

Im Routinebetrieb von Talsperren kommt der Auswahl der Entnahmetiefe des Rohwassers bzw. der Steuerung des Ablaufes die größte Bedeutung zu. Während der Zirkulation der Talsperre (Frühjahr, Herbst) sind jedoch nahezu alle Wasserinhaltsstoffe homogen über die Tiefe verteilt so daß dann eine Steuerung unterschiedlicher Entnahmetiefen keinen nennenswerten Einfluß auf die Rohwasserqualität und die Talsperrenwasserqualität hat. Während der Stagnation hat sich folgende Fahrweise bewährt:

• Entnahme des Rohwassers für die Trinkwasseraufbereitung aus dem oberen Hypolimnion

• landschaftsnotwendige Mindestwasserabgabe (Wildbettabgabe) über den Grundablass

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Im oberen Hypolimnion ist in der Regel der Gehalt an Algenbiomasse gering, da die Primärproduktion im Epilimnion stattfindet. Zudem sind Qualitätsbeeinträchtigungen, die bei Sauerstoffmangel im Tiefenwasser auftreten, im oberen Hypolimnion im allgemeinen noch nicht so stark ausgeprägt wie in Sedimentnähe (erhöhte Eisen- und Mangankonzentrationen).
 

Bei der landschaftsnotwendigen Mindestwasserabgabe müssen Kompromisse zwischen Talsperrenbewirtschaftung und Natur-/Landschaftsschutz eingegangen werden. Die niedrigen Temperaturen des Tiefenwassers, welches auch im Sommer an den Unterlauf abgegeben wird, entsprechen nicht den Ansprüchen der natürlichen Fließgewässerlebensgemeinschaften. Andererseits reichern sich im Tiefenwasser Nährstoffe sowie Eisen-, Mangan an, die auf diese Weise der Talsperre entzogen werden können (Limitierung von Ressourcen). Geringe Sauerstoffkonzentrationen des Tiefenwassers werden im allgemeinen durch atmosphärischen Eintrag im Tosbecken schnell ausgeglichen.

Gut meßbare Steuerkriterien für die Steuerung der Entnahmetiefen sind Trübung, Chlorophyll-Gehalt sowie der Nährstoff- und Sauerstoffgehalt.

Abb. 17:
Kurzfristige Steuerung und Überwachung der Rohwasserentnahmetiefen von Trinkwassertalsperren
 

Steuerkriterien
 

Im Fall von Hochwässern wird es manchmal erforderlich, die Entnahmetiefen kurzfristig umzustellen, da Kurzschlussströmungen innerhalb von Stunden das Entnahmebauwerk erreichen können. Entscheidend für die Einschichtung der Zuläufe ist neben der elektrischen Leitfähigkeit deren Temperatur. Anhand von Trübungs- und Temperaturmessung von Zuläufen und Talsperrenwassserkörper (Tiefenprofil vergl. Kapitel .5.2) kann die Einschichtung gut verfolgt werden und mit der Rohwasserentnahme entsprechend ausgewichen werden.

Die kurzfristige Gütesteuerung ist auch im Bereich der Zuläufe zur Talsperre möglich, wenn durch Überleitungsstollen das Wasser benachbarter Einzugsgebiete genutzt werden kann. Entsprechend der vorliegenden Qualität und der verfügbaren Wassermenge der Zuläufe können belastete Einläufe abgestellt / abgeleitet werden. Auch hier hat sich die Trübung als wichtiges Steuerkriterium bewährt, wobei andere Inhaltsstoffe wie Nährstoffe (Nitrat, Phosphat) oder Schadstoffe (Ölwarnung im Bereich von Straßen) als Steuerkriterium herangezogen werden können.

Das Vorhandensein von Vorsperren ermöglicht einen zusätzlichen Schutz vor Trübungs- und Nährstoffeinträgen in die Hauptsperre. Mineralische Partikel sedimentieren, aber auch die Konzentration gelöster Nährstoffe kann durch den Betrieb von Vorsperren gesenkt werden.

Bei richtigem Betrieb der Vorsperre (Überlauf, optimale Aufenthaltszeit, [12]) soll dort im Gegensatz zur Hauptsperre ein möglichst intensives Algenwachstum erzielt werden. Durch die Aktivität des Phytoplanktons werden dem Wasser Nährstoffe entzogen (vergl. Kap. 3.1). Das Phytoplankton sedimentiert so daß der Ablauf zur Hauptsperre nährstoffärmer wird. Der Betrieb von Vorsperren unter diesem Aspekt setzt voraus, daß sie im Überlauf betrieben werden können und daß in bestimmten Zeitabständen eine Beräumung möglich ist.

Vorsperren

4.3 Mittelfristig wirkende Bewirtschaftungs- und Eingriffsmöglichkeiten

Anhand der Erkenntnisse aus der Limnologie haben sich für die Bewirtschaftung von Standgewässern Strategien bewährt, die allgemeingültig zur Anwendung kommen. Hierfür werden spezifisch für die jeweiligen Gewässer Bewirtschaftungspläne erstellt. Alle Verfahren orientieren dabei auf die Unterstützung und das Management natürlicher, im Gewässer ablaufender Prozesse. Desto intensiver der Wasseraustausch eines Standgewässers ist, um so größer sind auch die Möglichkeiten, durch Bewirtschaftungsmaßnahmen bestehende Qualitäten zu verändern. Auch hier sind es deshalb im wesentlichen Talsperren, an denen gezielt eine Gütebewirtschaftung möglich ist:
 

Die Aufgabe von Talsperren ist es, zu Zeiten des "Überangebotes" (Winterhalbjahr) Wasser aufzunehmen, um es dann möglichst kontinuierlich im gesamten Jahresverlauf abzugeben. Damit sind zwangsläufig Pegelschwankungen verbunden. Hohe Füllstände werden deshalb oft im Frühjahr erreicht, während die niedrigsten Stauinhalte im Spätsommer und Herbst auftreten. Die Gütebewirtschaftung von Talsperren verlangt auf der anderen Seite ausgeglichen hohe Pegelstände. Um unter diesen Aspekten das Management von Talsperren optimal zu gestalten werden an das Betreiberpersonal hohe Anforderungen gestellt und ein fundierter Erfahrungsschatz erwartet, wobei auch hier rechnergestützte Lösungen zunehmend Anwendung finden.

Hohe, ausgeglichene Pegelstände werden aus folgenden Gründen angestrebt:
 

• Verdünnungseffekt

Desto größer das vorliegende Wasservolumen ist, um so eher besteht die Möglichkeit, dass Schad- und Nährstoffe verdünnt werden (Beispiel Nitrat) bzw. daß in andere Entnahmehorizonte ausgewichen werden kann. Im Fall einer Einschichtung der Schadstoffe im Tiefenwasser kann bei ausreichendem Füllstand ein Hindurchschleusen des Tiefenwassers durch Öffnen des Grundablasses erreicht werden.

• Nährstoffbelastung

Mit der Größe (Aufenthaltszeit des Wassers) einer Talsperre wird die Nährstoffbelastung durch die Zuflüsse pro Volumeneinheit geringer. Der Sauerstoffvorrat, der für den Abbau von Biomasse erforderlich ist, wird mit zunehmender Wassertiefe größer. Große und tiefe Talsperren, die ein großes Verhältnis Hypolimnionvolumen / Epilimnionvolumen aufweisen, werden deshalb besser mit externen Nährstoffeinträgen fertig als kleine (Beispiel: Rappbode-Talsperre, Ostharz). Kleine Talsperren erreichen trotz sanierter Einzugsgebiete die Güteziele für Trinkwassertalsperren (oligo- bis mesotroph) deshalb nur schwer oder nicht (Beispiel: Talsperre Erletor, Südthüringen). Die Absenkung des Beckenpegels bedeutet immer eine Entwicklung in Richtung "kleine Talsperre".

Abb. 22: Unterschiedliche Volumenanteile der Produktions- / und Abbauzone bei unterschiedlichen Beckenvolumen
 

In Betriebs- und Bewirtschaftungsplänen von Talsperren werden aus diesem Grund zunehmend Mindeststauinhalte definiert, die zur Sicherung der Wassergüte eingehalten werden müssen. In einer Faustregel wird dabei angestrebt, einen Volumenanteil:

Hypolimnionvolumen : Epilimnionvolumen 1 : 1

nicht zu unterschreiten.

Diese Faustregel muß natürlich für jede Talsperre individuell angepaßt werden. An Trinkwassertalsperren sollte hinsichtlich der Beckenmorphometrie bzw. des Beckenvolumens eine Beschaffenheitsklasse von 2 oder besser angestrebt werden [13]. Für die Einhaltung und Festlegung von Mindeststauinhalten sprechen weitere Gründe, die für die Gütebewirtschaftung von Talsperren von Bedeutung sind:
 

• Vermeidung von Erosion im Uferbereich

Starke Pegelschwankungen verhindern die Ausprägung von Wasserpflanzen- Schwimmblatt- und Röhrichtgesellschaften, welche der Erosion im ufernahen Bereich entgegenwirken. Außerdem stellen diese Gesellschaften wertvolle Biotope dar, die darüber hinaus in der Lage sind, Nährstoffe zu binden. Grafik

• Stabilität der Schichtung

Es wird angestrebt, daß in den Sommermonaten eine möglichst stabile Schichtung erhalten bleibt. Unter dem Aspekt der Wiederverkeimung sollte die Temperatur des abgegebenen Rohwassers niedrig sein. Mit dem kleiner werdendem Hypolimnion (Wasserentnahme) wird die Schichtung zunehmend instabil so daß die Gefahr besteht, daß nur noch algenreiches Epilimnionwasser zur Verfügung steht.

• Einfluß des Sediments

Abnehmendes Beckenvolumen bedeutet auch, daß die Sedimentfläche, mit der das Wasser in Berührung kommt, bezogen auf das Beckenvolumen anteilig größer wird. Nährstoffe, Eisen- und Manganverbindungen sowie mineralische Partikel und Detritus (Trübung) können dann die Wasserqualität zusätzlich beeinträchtigen.

4.4 Einsatz technischer Verfahren im Wasserkörper von Standgewässern zur Verbesserung der Wasserqualität

Wenn die geforderten Qualitätsziele bei den gegebenen Steuerungs- und Bewirtschaftungsmaßnahmen und trotz umfangreicher Sanierungsmaßnahmen im Einzugsgebiet von Standgewässern nicht erreichbar sind, muss geprüft werden, ob unter vertretbarem Aufwand mit technischen Maßnahmen die Wasserqualität verbessert werden kann. Bevorzugt werden solche Maßnahmen, die natürlich ablaufende Prozesse unterstützen, hygienisch unbedenklich sind und unter ökologischen Aspekten möglichst keine Folgeprobleme (Entsorgungsaufwand, Energieverbrauch) verursachen. In der Praxis der Gütebewirtschaftung haben sich folgende Methoden bewährt:
 

• hypolimnische Belüftung

Die hypolimnische Belüftung und der hypolimnische Sauerstoffeintrag werden an vielen Standgewässern in Deutschland mit Erfolg praktiziert. Ziel ist es, die Sauerstoffverhältnisse (Redoxpotenial) im Tiefenwasser und am Sediment/Wasser-Kontakbereich zu verbessern. Damit wird die Rücklösung unerwünschter Inhaltsstoffe (Eisen, Mangan, Phosphor) verhindert (vergl. Kap. 3). Zum Einsatz kommen unterschiedliche Systeme, die entweder Druckluft oder reinen Sauerstoff eintragen.

Eine Reihe von Verfahren arbeitet nach dem Prinzip des Eintrages von Druckluft. Die Schleppkraft der aufsteigenden und expandierenden Luftblasen verursacht eine vertikale Wasserströmung zur Wasseroberfläche, welche aber nicht bis ins Epilimnion gelangt, sondern über Fallrohre ins Hypolimnion zurückgeführt wird (Abb. 23). An der Wasseroberfläche sowie durch den Lufteintrag wird ein Gasaustausch und somit eine Sauerstoffanreicherung möglich.

Durch die Rückführung des Wassers ins Hypolimnion wird erreicht, daß die Schichtung des Wasserkörpers stabil bleibt. Gleichzeitig wird ein Wasseraustausch zwischen unterem und oberem Hypolimnion möglich. Die kontinuierliche Strömung am Gewässergrund fördert dort Stoffumsatzprozesse (Denitrifizierung, Nitrifizierung, Eisen/Mangan-Oxidation, P-Fixierung). Ein Überblick zu Erfahrungen mit hypolimnischen Belüftungsgeräten wird in [20] gegeben.

Eine weitere Methode der Verbesserung der Redoxverhältnisse im Tiefenwasser stellt der direkte Eintrag von Sauerstoff dar. Am Gewässergrund werden "Begasungsmatten" ausgelegt. Über perforierte Schläuche wird Sauerstoff feinblasig eingetragen. Ziel ist es, daß der Sauerstoff möglichst vollständig im Wasser gelöst wird. Die Schichtungsverhältnisse können dadurch stabil gehalten werden. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, daß die Baugruppen relativ flexibel einsetzbar sind und als mobile Einheiten im Havariefall zum jeweiligen Gewässer transportiert werden können. Eine kontinuierliche Wasserströmung am Gewässergrund kann durch dieses Verfahren jedoch nicht erzielt werden. Die wirksame Verbesserung der Verhältnisse am Sediment ist deshalb nicht zu erwarten.
 

Sauerstoff-
begasung

• Lichtlimitierung

Wie im Kapitel 3 dargestellt, ist Licht die Energiequelle für die autotrophe Produktion und somit für das Algenwachstum von entscheidender Bedeutung. Die Tiefe, bis zu der in einem Gewässer Algenproduktion möglich ist, ist jedoch begrenzt, da das eindringende Licht geschwächt wird (u. a. Selbstbeschattung der Algen). Trotz vorhandener Nährstoffe findet im Tiefenwasser kein Algenwachstum statt. Falls ein Standgewässer genügend tief ist, besteht die Möglichkeit, das Licht zum wachstumsbegrenzenden Faktor zu machen. Desto größer die durchmischte Tiefe  wird, um so seltener gelangen die Algen in den durchlichteten Bereich. Wenn die Lichtintensität den Kompensationspunkt erreicht hat, sind Atmung und autotrophe Produktion gleich; es ist kein Algenwachstum mehr möglich. Entsprechend der Extinktion des Wassers besteht demzufolge die Möglichkeit, durch Vergrößerung der Durchmischungstiefe den Lichtgenuß der Algen zu limitieren, um somit das Wachstum zu begrenzen.
 
 

In der Praxis wird dieses Ziel erreicht, indem durch künstliche Umwälzung die Schichtung des Gewässers zerstört wird (Destratifikation). Dies ist jedoch nur sinnvoll, wenn das Gewässer genügend tief ist. Die erforderliche Wassertiefe hängt von der Extinktion des Wassers ab. Ein einfaches Modell nach [19] beschreibt folgende Gleichung:

Gl. 2: Vereinfachte Beziehung zwischen Duchmischungstiefe, Extinktion und Algenbiomasse

Cmax = 50 (27/zm - e _w)

Cmax Maximale Algenkonzentration [mg Chlorophyll/m³]
zm Durchmischungstiefe [m]
e _wExtinktionskoeffizient des Wassers, ohne Algen [m^-1]

Dieses Verfahren eignet sich demzufolge vor allem an tiefen Gewässern mit erhöhter Nährstoffbelastung. Voraussetzung ist, daß erhöhte Temperaturen im Tiefenwasser (Trinkwassernutzung) und niedrige Temperaturen des Oberflächenwassers (Badegewässer), vor allem während der Sommermonate, die jeweilige Nutzungsart des Gewässers nicht stören, da keine Schichtung mehr vorhanden ist. Die Destratifikation des gesamten Wasserkörpers kann weitere Wirkungen haben. Das Wachstum von Cyanobakterien (Blaualgen) kann beispielsweise unterdrückt werden. Außerdem erfolgt auch hier eine Verbesserung des Redoxpotentials.

künstliche
Umwälzung
 
 
 

Kompensations-
punkt

4.5  Weitere gewässerinterne Verfahren

Zur Sanierung von Seen und Talsperren wurden und werden weitere Verfahren eingesetzt, welche in der Regel jedoch nicht für einen Dauerbetrieb geeignet sind, da sie nicht ohne den Einsatz von Zusatzstoffen, welche sich im Gewässer anreichern, auskommen.
 

• Sedimentberäumung

 Eine wichtige gewässerinterne Maßnahme ist die Beräumung oder Stabilisierung (Oxidation mit Nitrat) von nährstoffhaltigen Sedimenten. Unter Sauerstoffmangel können Sedimente erheblich zu einem Rücktransport von Nährstoffen ins Freiwasser beitragen . Sedimente stellen oft darüber hinaus auch Senken von Schwermetallen und anderen Schadstoffen dar. Die Beräumung von Sedimenten muß an Vorsperren von Talsperren, die einen hohen Wasserdurchsatz haben, in regelmäßigen Abständen vorgenommen werden . Durch die Sedimentberäumung wird auch eine Vergrößerung des Beckenvolumens erreicht, was prinzipiell positive Auswirkungen auf die Wasserqualität hat.

• Sedimentstabilisierung

Wie im Kapitel 3 erläutert, können Sauerstoffmangel, niedriges Redoxpotential und niedriger pH-Wert des Gewässersediments erheblich zur Rücklösung unerwünschter Inhaltsstoffe beitragen.
 
• Selektive Tiefenwasserableitung
• Nährstofffällung
Die Eliminierung von Phosphat aus dem Freiwasser ist über Fällungsreaktionen möglich. Eine Variante stellt die hypolimnische Kalzitfällung dar, bei der Phosphor zu bestimmten Anteilen mitgefällt wird. Phosphor wird dabei an der Oberfläche der Kalzitkristalle adsorbiert. Die Kalzitfällung kann an Hartwasserseen durch zusätzliche Zugabe von Kalziumoxid gefördert werden. Durch die Erhöhung des pH-Wertes und des Redoxpotenials im Sediment kann außerdem eine zusätzliche Sedimentstabilisierung erreicht werden.

Eine weitere Möglichkeit der Phosphatfällung besteht in der Fällung mittels Aluminium- und Eisensalzen. Durch die Zugabe konzentrierter Fällmittellösungen (z. B. Eisenchloridsulfat) werden im Gewässer Flocken gebildet, in welche Phosphorverbindungen eingebunden werden. Die Mitfällung von mineralischen Partikeln und Algen ist dabei ebenfalls möglich. Unter bestimmten Bedingungen kann auch eine Bindung von organisch gelösten Verbindungen erreicht werden [14].

Neben der Beherrschung der Nährstoffproblematik sind Verfahren zur Sanierung versauerter Gewässer von Bedeutung. Durch die Dosierung von Kalziumhydroxid wird der pH-Wert angehoben, während durch Kalziumkarbonatzugabe das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht stabilisiert wird.
 

Sedimentation

• Eliminierung von Phosphor in den Zuläufen von Seen und Talsperren

Die Phosphateliminierung durch technische Maßnahmen wird dann erforderlich, wenn in einem besiedelten Einzugsgebiet trotz Abwassersanierung die P-Belastung soweit reduziert werden kann, daß mindestens mesotrophe Verhältnisse erzielt werden. Eine Minimierung des P-Eintrages aus dem Einzugsgebiet ist vor allem dann schwierig, wenn diffuse, schlecht greifbare Quellen (Landwirtschaft) die Ursache sind.

Phosphateliminierungsanlagen im Bereich des Hauptzulaufes zu Talsperren funktionieren nach folgenden Grundprinzip: Durch Zugabe von dreiwertigem Eisen bilden sich nach Durchmischung Eisenhydroxid-Flocken, in welche der gelöste und partikuläre Phosphor eingebunden wird. Diese werden dann über Mehrschichtfilter abgetrennt. Im Ablauf der Anlagen können die P-Konzentrationen auf 4 - 6 µg/l gesenkt werden. Zu bedenken ist, daß während des Betriebes Filterrückspülschlämme entstehen, welche entsorgt werden müssen.

Die größte Schwierigkeit beim Betrieb der Anlagen besteht in deren Dimensionierung unter dem Aspekt, Hochwässer, die einen erheblichen Anteil an der Gesamt-Phosphorfracht haben (Erosion, Regenwasserüberläufe von Kläranlagen), aufzunehmen.

Nährstoff-
frachten

4.6 Nahrungsnetzsteuerung als langfristige Bewirtschaftungsstrategie

Durch gezielte Eingriffe in die Nahrungskette Fisch - Zooplankton - Phytoplankton kann das in der Trinkwassergewinnung störende Algenbiovolumen bereits im Gewässer reduziert werden. Die Tatsache, daß trotz relativ hoher Nährstoffbelastung in Gewässern "Klarwasserstadien" mit sehr niedrigen Phytoplanktongehalten auftreten, ist Ausgangspunkt für Überlegungen, diesen Zustand auf geeignete Weise zu fördern. Verursacher dieser "Klarwasserstadien" sind große Zooplankter (vorrangig Wasserflöhe, Gattung Daphnia, 1 mm), welche überwiegend das Phytoplankton zur Nahrungsgrundlage haben und dieses sehr effektiv aus dem Wasser filtrieren.

 
Das Konzept der Nahrungsketten-Manipulation (Biomanipulation) beruht auf der Steuerung bzw. Förderung dieses großen Zooplanktons durch den Eingriff in das Endglied der Nahrungskette im See, den Fischen. Der gewünschte Effekt setzt sich kaskadenartig durch die gesamte Nahrungskette fort (Abb. 24): Durch die Reduktion zooplanktonfressender Fische wird die Vermehrung der großen Zooplankter gefördert. Die verstärkten Filtrationsleistungen des Zooplanktons bewirken eine Reduktion der Algenbiomasse und somit die Erhöhung der Wassertransparenz (Sichttiefe). Bei ausreichender Reduzierung der externen Belastung kann auf dem Weg der Biomanipulation sogar seeintern eine langfristige Senkung der P-Belastung durch P-Fixierung an Partikeln und Sedimentation und Senkung der Phytoplanktonbiomasse erreicht werden.

Die Umsetzung dieses Konzepts wird von einer Vielzahl von Faktoren bestimmt. Den Eingriffen in das Ökosystem muß deshalb eine möglichst genaue Aufnahme der externen und internen Nährstoffbelastung sowie der Struktur des Gewässerökosystems Phyto- und Zooplantkon) vorausgehen. Prinzipiell erfolgt der Eingriff in die Nahrungskette über die Veränderung des Fischbestandes (Besatz, Entnahme). Es wird auf einen dauerhaft hohen Anteil Raubfischbiomasse mit einer breiten Altersstruktur orientiert. Dann ist ein hoher Fraßduck auf ein breites Spektrum zooplanktonfressender Fische (0+-Fische bis zu adulten Cypriniden) möglich. Der Raubfischanteil in der Biomasse sollte jedoch nicht größer als 50 % werden, da sonst die Stabilität des Systems abnimmt. Die Entwicklung und die Erhaltung eines hohen Raubfischanteils erfordern laufende Eingriffe, da sich sonst in wenigen Jahren der ursprüngliche, "natürliche" Zustand eines Gewässers einstellen wird.

• Wirkungen

Mit dem Aufbau starker Raubfischpopulationen (Hecht, Zander) ist zwangsläufig der Rückgang zooplanktonfressender Fische zu erwarten. Ein stabiles Gleichgewicht mit hohem Raubfischanteil wird jedoch nur erreicht, wenn die Biomasse der zooplanktivoren Fische nicht unterschritten wird. Das Aufkommen zoobenthosfressender Arten (Kaulbarsch) kann dabei sehr zur Stabilisierung beitragen. Die völlige Beseitigung des Friedfischfraßdrucks auf das Zooplankton führt mit Sicherheit zu zooplanktonfressenden Invertebraten wie Chaoborus-Mückenlarven, Wasserwanzen der Fam. Corixidae oder räuberischen Wasserflöhen (Leptodora kindti, Bytotrephes longimanus), welche die Position der Friedfische einnehmen und ebenfalls zu einer Dezimierung der erwünschten großen Daphnien führen.

Chaoberus

Leptodora

Ein stabiler Systemzustand mit einer Verschiebung zu höheren trophischen Niveaus ist erreicht, wenn die Dominanz großer Zooplankter im gesamten Jahresverlauf gegeben ist. Dazu zählen vor allem Crustaceen der Gattungen Daphnia. Der Anteil kleinerer Gruppen (Rotatorien, Bosmina spec.) nimmt ab. Die Zunahme der Gesamt-Zooplanktonbiomasse und der mittleren individuellen Biomasse deuten ebenfalls darauf hin, daß der Fraßdruck auf das Zooplankton abnimmt.

Das Auftreten großer filtrierender Zooplankter verursacht einen Rückgang der für das Zooplankton gut filtrierbaren Phytoplankter (< 50 µm). Die zeitliche Verschiebung des Auftretens von Beute (Phytoplantkon) und Räuber (Zooplankton) bedingt jedoch, daß die Frühjahrsentwicklung des Phytoplanktons in der Regel nicht beeinflußt werden kann. Dezimiert werden vor allem viele Arten kleiner Grünalgen, kleine zentrische Diatomeen, Cryptomonaden usw.. Andererseits kann die Zunahme von Algen, die Strategien gegen den Fraßdruck des Zooplanktons entwickeln, beobachtet werden. Vor allem das massive Auftreten fädiger, koloniebildenter und toxischer Cyanobakterien ist problematisch. Davon betroffen sind überwiegend Gewässer mit hohem Nährstoffgehalt und stabiler sommerlicher Schichtung.

Neben der Filtration von Phytoplankton werden ebenfalls Bakterien durch die Daphnien genutzt, wodurch u. U. auch Krankheitserreger eliminiert werden können.

Das Funktionieren der Biomanipulation zeigt sich in ausgeprägten Klarwasserstadien im Frühsommer und Herbst. Ursachen sind die Minimierung des Phytoplanktons selbst sowie das Auftreten größerer Algen (50 µm). Für die Aufbereitung von Trinkwasser bietet dies den Vorteil, daß aufbereitungstechnisch besser filtrierbare Arten dominieren. Die höheren Eindringtiefen des Lichts führen dazu, daß während der Stagnation Probleme durch Sauerstoffdefizit ausgeglichen werden (P-, Fe-, Mn-Freisetzung, Ammonium, H₂S). Die Ausprägung von Makrophytengürteln (höhere Wasserpflanzen) wird durch das bessere Lichtklima im Litoral begünstigt.
 

• Untersuchungen

Der hohe Untersuchungsaufwand für die mikroskopische Bestimmung der Planktonstruktur hat dazu geführt, nach Summenkriterien zu suchen, die ebenfalls Auskunft über die Planktonstruktur geben. Eine annähernde Beschreibung der Zooplanktonstruktur ist über den partikulären, organisch gebundenen Stickstoff (PON, vergl. Kap. 3) möglich. Dieser Parameter kann ohne großen Aufwand in limnologisch ausgerüsteten Labors routinemäßig bestimmt werden. Das Verhältnis von großen, wirkungsvoll filtrierenden Zooplanktern (PON 780 µm, vorrangig Daphnien) zu der kleineren Fraktion (PON 200 - 780 µm) gibt Aufschluß darüber, ob eine effektive Phytoplanktonfiltration stattfindet oder ob im Fischbestand zooplanktonfressende Friedfische dominieren (PON = partikulärer, organischer Stickstoff).

4.7 Schutz und Sanierung von Einzugsgebieten

An Oberflächengewässern, vor allem an solchen, die der Trinkwassergewinnung dienen, muß der Eintrag von Abwasserinhaltsstoffen aller Art so gering wie möglich sein. Einerseits kann nicht grenzenlos belastetes Wasser durch die Wasseraufbereitung gereinigt werden und andererseits müssen die Kosten für die Wasseraufbereitung in vertretbaren Grenzen gehalten werden. Aus diesem Grund werden an Trinkwasserfassungen Trinkwasserschutzgebiete ausgewiesen, an denen Handlungen, die zu einer Verschmutzung führen können, nicht gestattet sind [10].

Dieses Schutzgebiete werden in der Regel in 3 Trinkwasserschutzzonen unterteilt:
 

Die Schwerpunkte der Belastung von Oberflächengewässern resultieren aus folgenden Eintragsquellen:

• Landwirtschaft

Die Landwirtschaft ist in vielen Regionen der Hauptverursacher von Gewässerverschmutzungen. Stickstoffverbindungen, Phosphor, Pflanzenschutzmittel sowie Krankheitserreger tragen zur hygienischen Belastung bei. Über Kooperationsvereinbarungen zwischen Landwirten und Wasserversorgern sowie rechtlich verbindliche Auflagen kann dieser Schadstoffeintrag minimiert werden. Praktische Maßnahmen sind entzugsorientierte Bewirtschaftung, ausschließliche Düngung entsprechend dem Pflanzenbedarf, Erhöhung des Grünlandanteils und das Anlegen von Uferrandstreifen.

• Abwassereinleitungen

Über kommunale Abwässer werden Phosphor- und Stickstoffverbindungen, organische Inhaltsstoffe, Detergenzien, Krankheitserreger und Schadstoffe eingetragen. Die wirksamste Gegenmaßnahme ist die Klärung von Abwässern sowie deren Herausleitung aus dem Einzugsgebiet.

• Deponiesickerwässer

Über Deponiesickerwässer gelangen vielfältige Schadstoffe wie Schwermetalle und organische Chlorverbindungen in die Gewässer. Hier sind wirkungsvolle Sicherungsmaßnahmen bzw. das Beseitigen von Deponien aus dem Einzugsgebiet erforderlich.

• Straßenentwässerung

Über die Entwässerung von Straßen können Schwermetalle, polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe, Mineralöle und Tausalze eingetragen werden. Beschränkungen des Verkehrsaufkommens (Verbot des Transports wassergefährdender Stoffe) sowie ein sicherer Ausbau der Straßen entsprechend den Richtlinien zum Ausbau von Straßen in Wasserschutzgebieten ist erforderlich.

• atmosphärische Deposition

Globale atmosphärische Schadstoffeinträge resultieren im wesentlichen aus Verbrennungsprozessen im Gewerbe / Hausbrand (SO₂) sowie im Straßenverkehr (NO_X). Hier geht die Hauptgefahr für die Qualität von weichen, ungepufferten Wässern im Hinblick auf die Versauerung aus. Wirkungsvolle Gegenmaßnahmen sind nur über globale Strategien möglich. Darüber hinaus kommt in diesem Zusammenhang dem Aufbau naturnaher Wasserschutzwälder (+ Kalkung) eine große Bedeutung zu.