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Grundwissen Wasserqualität
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Kapitel 5: Wasserqualität
überwachen
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5. Wasseruntersuchungen
5.1 Umweltüberwachung zur Charakterisierung
von Gewässern
5.2 Steuerkriterien
5.3 Überwachung von Trinkwasserressourcen
5.4 Untersuchungsmethoden
vor
Ort (in situ) - Untersuchungen
Laboruntersuchungen,
"klassische Chemie"
organische
Spurenanalytik
Hydrobiologie
Mikrobiologie
/ Bakteriologie
Toxikologie
Analytische
Qualitätssicherung (AQS) und Gute Laborpraxis (GLP) |
Inhalt |
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5 Wasseruntersuchungen
Die Untersuchung von Wasser erfolgt
unter vielen Gesichtspunkten. Untersuchungen zur Überwachung und Bewirtschaftung
von Trinkwasserressourcen stellen in der Regel die höchsten Anforderungen
an Probenahme und Analytik. Sie verlangen eine hohe Untersuchungshäufigkeit
und Messstellendichte.
Die in Untersuchungsprogrammen ausgewählten
Kriterien und Meßstellen können in vielen Fällen für
die Beantwortung mehrerer Fragen herangezogen werden (Überwachung,
Steuerung, wissenschaftliche Fragestellungen) so daß es bei der folgende
Untergliederung (5.1, 5.2, .5.3) Überschneidungen gibt.
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Monitoring |
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5.1 Umweltüberwachung zur Charakterisierung
und zum Schutz von Gewässern
Die Charakterisierung von
Oberflächengewässern (Standgewässer) erfolgt in erster Linie
nach deren Belastung mit Nährstoffen für die Primärproduktion
des Phytoplanktons (Trophie) [18,
26].
In Fließgewässern wird der Gehalt an sauerstoffzehrenden Substanzen
(Saprobie) und an Schadstoffen ("chemische Gewässergüte) für
die Einstufung ermittelt. Darüber hinaus gibt es u. a. Einstufungen
nach dem Salzgehalt [13].
Nutzungsorientierte Maßstäbe helfen, die Eignung z. B.
für die Trinkwasseraufbereitung [21],
für die Nutzung als Badegewässer oder als Fischereigewässer
zu beurteilen.
Für die Beschreibung des ökologischen
Zustandes werden weitere Kriterien wie Strukturgüte und Artenvielfalt
ermittelt.
Da, wie in Kap
3 gezeigt, der Phosphor für das Algenwachstum entscheidend ist,
kommt ihm in der Überwachung zur Charakterisierung von Gewässern
die größte Bedeutung zu. Weitere Kriterien, die Aussagen über
die Nährstoffbelastung zulassen sind Sichttiefe, Chlorophyll-Gehalt
(Pigment der Algen zur Photosynthese) und Angaben zur Hydrogeographie (mittlere
Tiefe, Aufenthaltszeit, Einzugsgebietsgröße, Beckeninhalt).
Zusätzlich sollten die Meßgrößen pH-Wert, Wassertemperatur,
Sauerstoffkonzentration und elektrische Leitfähigkeit bestimmt werden.
Die genannten Größen werden an der tiefsten Stelle des Gewässers
im Epilimnion gemessen, wobei Temperatur, Trübung und Sauerstoff in
das gesamte Tiefenprofil einbezogen werden. Ein minimaler Untersuchungsumfang
von 2 Jahren sollte nicht unterschritten werden. Es wird mindestens ein
Startwert zur Frühjahrszirkulation (Gesamtvorrat an Nährstoffen)
und dreimal während der "Vegetationsperiode" in der Sommerstagnation
gemessen. Mit der Erhöhung der Untersuchungsfrequenz steigt die statistische
Zuverlässigkeit und Exaktheit der Bewertung.
Die weitere Bewertung ökologischer
Auswirkungen von Umwelteinflüssen auf die Standgewässer erfolgt
über die Erfassung von Nährstoff- und Schadstofffrachten aus
den Zuflüssen. Untersuchungsschwerpunkte an Oberflächengewässern
stellen weiterhin die Überwachung der Gewässerversauerung sowie
des Eintrages von Stickstoffverbindungen aus der Landwirtschaft dar.
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Trophie
Saprobie
Struktur-
güte
Stand-
gewässer
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5.2 Steuerkriterien
Die Überwachung zur Steuerung
von Gewässern ist vor allem an Talsperren vordergründig. Die
Bewirtschaftung und Steuerung von Trinkwassertalsperren setzt eine Untersuchungshäufigkeit
voraus, die der Änderungsgeschwindigkeit wichtiger Beschaffenheitskriterien
entspricht. Phytoplankton-Massenentwicklungen können sich beispielsweise
je nach Nährstoffbelastung innerhalb weniger Tage aufbauen und ebenso
rasch zusammenbrechen. Hochwassereinbrüche und Kurzschlußströmungen
gelangen unter Umständen sogar innerhalb von Stunden zum Entnahmebauwerk.
Zur Steuerung von Talsperren müssen deshalb Kriterien herangezogen
werden, die ohne großen Aufwand vor Ort schnell gemessen werden können.
Hierzu können sowohl stationäre, als auch transportable Meßsysteme
zum Einsatz kommen.
Folgende Kriterien sollten an den Mündungen
der Hauptzuläufe in die Talsperre sowie im vertikalen Profil im Bereich
der Rohwasserentnahme in kurzen Zeitabständen (14-tägig bis kontinuierlich)
gemessen werden:
Trübung
Sauerstoffgehalt
pH-Wert
elektrische Leitfähigkeit
Wassertemperatur
Darüber hinaus geben Chlorophyll-Gehalt
im Epilimnion sowie das Redoxpotential im Tiefenwasser wichtige Hinweise
auf den Zustand des Wasserkörpers. Die Häufigkeit der Messungen
richtet sich in erster Linie nach der Belastung des Gewässers und
somit nach dem Gefährdungspotential für die Trinkwasserversorgung.
Gewässerspezifisch werden weitere Kriterien zur Steuerung herangezogen,
welche häufig zu Qualitätsbeeinträchtigungen führen
können (Eisen, Mangan, Nitrat, Färbung) .
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Kurz-
schluss-
stömung
Algen-
blüten
Hoch-
wasser |
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5.3 Überwachung von Trinkwasserressourcen
Der höchste Untersuchungsumfang
ist in der Regel für die Überwachung von Oberflächengewässern
zur Trinkwasserversorgung und somit für die Sicherung der Trinkwasserversorgung
erforderlich. Während für aufbereitetes Wasser
[22,24]
gelten, dienen für die Untersuchung des Rohwassers Richtlinien wie
[21], betriebsinterne Regelungen
oder vertragliche Regelungen zwischen Rohwasserlieferer und Rohwasserabnehmer.
Neben den Untersuchungen für die Talsperrensteuerung werden folgende
Kriteriengruppen regelmäßig überwacht:
Nährstoffeinträge
(C-, P-, N-Verbindungen)
Plankton (Phyto-
und Zooplankton)
Bakteriologie
(Indikatorkeime)
Ionenhaushalt
(An-Kationen, korrosionschemisches Verhalten Salzgehalt)
anorganische
Schadstoffe
organische Schadstoffe
Während die biologischen Kriterien
sowie Nährstoffe relativ häufig untersucht werden müssen
(monatlich bis 14-tägig), sind für Ionenhaushalt und Schadstoffe
in der Regel Untersuchungen alle 2 bis 6 Monate ausreichend. Dies hängt
jedoch stark von den Einzugsgebietsstrukturen und dem dort vorliegenden
Gefährdungspotential ab. Dicht besiedelte und/oder landwirtschaftlich
genutzte Gebiete stellen prinzipiell ein höheres Gefährdungspotential
dar. Gefährdete Zuläufe (Straßen, Siedlungsnähe) sollten
unter Umständen kontinuierlich auf Summenkriterien hin überwacht
werden (Mineralöle, Biotests) und im Havariefall abgestellt werden
können (Überleitungen).
Die Überwachung von Trinkwassertalsperren
erfolgt von der Quelle bis zur Abgabe des Rohwassers. Anhand der Untersuchungen
im Einzugsgebiet (Quelle bis Mündung) kann der Einfluß der jeweiligen
Landnutzung gut erkannt werden, um Gefahren rechtzeitig abzuwehren. Durch
die Überwachung der Mündung der Zuläufe sowie des Wasserkörpers
sind Vorhersagen zur Qualitätsentwicklung des Rohwassers möglich,
ebenfalls werden Aussagen für die Bewirtschaftung des Gewässers
gewonnen. Die Rohwasserüberwachung ist die Grundlage für eine
sichere Steuerung der Wasseraufbereitungsanlagen. Deren Ergebnisse stellen
für den Gesetzgeber den Maßstab für die Wasserqualität
der Talsperre dar.
Abb. 27: Überwachung
von Einzugsgebiet und Wasserkörper von Trinkwassertalsperren
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Nähr-
stoffe
Plankton
Bakterien
Häufigkeit
Mess-
stellen |
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5.4 Untersuchungsmethoden
Die jeweilige Methodik der Wasseruntersuchung
wird anhand der vorgegebenen Aufgabenstellung festgelegt. Dabei ist es
entscheidend, ob betriebsinterne Untersuchungen oder Untersuchungen, welche
der Gesetzgeber fordert, durchgeführt werden. Dann werden in der Regel
neben den Kriterien auch die jeweiligen Methoden (DIN) vorgeschrieben.
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Normen
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vor Ort (in situ)
- Untersuchungen
Vor Ort-Untersuchungen dienen im allgemeinen
der Steuerung und Bewirtschaftung der Gewässer. Hier wird verlangt,
daß ohne großen Aufwand möglichst schnell zu ein Ergebnis
erzielt wird. Dies erfordert oft Kompromisse im Hinblick auf die Genauigkeit
des Ergebnisses. Für die vor-Ort-Messungen kommen Messsonden zum Einsatz,
die auf der Basis physikalisch/chemischer Prinzipien arbeiten:
Tab. 11: Beispiele
für Untersuchungsmethoden von vor-Ort-Kriterien
Kriterium |
Messgröße |
Temperatur,
elektrische Leitfähigkeit: |
elektrischer
Wiederstand |
pH-Wert,
Sauerstoffgehalt, div. Ionen: |
elektr.
Strom / - Spannung |
Trübung,
Färbung: |
Lichtschwächung
durch Streuung und Absorption |
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Sonden-
messung |
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-
Laboruntersuchungen,
"klassische Chemie"
Mit den sogenannten "klassischen" Methoden
werden Inhaltsstoffe in Größenordnungen zwischen 10-3
und 10-6 g/l bestimmt.
Dies betrifft die An- und Kationen, die Nährstoffe und in bestimmtem
Umfang auch die Schwermetalle. Weiterhin werden in diesem Meßbereich
Summenkriterien wie
DOCundAOX
(adsorbierbare chlororganische Verbindungen) gemessen.
Tab. 12:
Beispiele für "klassische" Untersuchungsmethoden im Labor
Bezeichnung |
Messprinzip |
Titration |
bekannte
Lösung bekannter Konzentration reagiert mit Probe (bekanntes Volumen)
bis zum Farbumschlag |
Photometrie |
Probe
wird entsprechend der gesuchten Konzentration angefärbt, Farbintensität
wird gemessen (Extinktion) |
Atomabsorptionsspektroskopie
(AAS) |
Atome
werden zu elementspezifischer Strahlung angeregt, Messung des Spektrums |
Summenbestimmungen |
Stoffgemisch
wird durch Aufschluß (z. B. Oxidation) in eine meßbare Verbindung
überführt (Chlorid, Nitrat, CO2) |
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ppm-
Labor |
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-
organische Spurenanalytik
Die Bestimmung organischer Schadstoffe
erfordert höchste Meßgenauigkeit, da hier noch ein sicherer
Nachweis in Bereichen um 10-6
- 10-9 g/l verlangt
wird. Das betrifft beispielsweise Kriterien wie Pflanzenschutzmittel, chlororganische
Lösemittel und polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe.
Tab. 13:
Vorgehen zum Auffinden organischer Spurenstoffe im Wasser
Schritt |
Methoden |
Anreicherung |
Extraktion (z. B. an einer
Festphase) |
Chromatographische Auftrennung |
Gas- (GC), Hochdruckflüssigkeits-
(HPLC), Dünnschichtchromatographie |
Nachweis/Detektion |
UV-Spektrum, Massenspektrum,
Fluoriszenz |
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ppb-
Labor |
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Hydrobiologische Methoden zur Bestimmung
von Phyto- und Zooplankton [2]
basieren auf einer Anreicherung der Organismen (Sedimentation in Plankonkammern
oder Netzzung), einer Präparation und der anschließenden mikroskopischen
Bestimmung und Auszählung mit Hilfe eines Umkehrmikroskopes[TI7].
Dies Untersuchungen erfordern gut eingearbeitetes Personal (Hydrobiologen).
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UTERMÖHL-
Mikroskop |
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-
Mikrobiologie
/ Bakteriologie
In der Mikrobiologie werden Proben mit
bestimmten mehr oder weniger selektiven Nährmedien versetzt. Der Nachweis
von Keimen erfolgt dann durch Auszählung von Kolonien auf den Nährmedien
oder über Farbreaktionen die bis zu bestimmten Verdünnungsstufen
bei Anwesenheit von Keimen stattfinden. In der Routineuntersuchung werden
keine Krankheitserreger kultiviert, sondern Indikatorkeime (Fäkalkeime),
die auf die Anwesenheit von Erregern schließen lassen.
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Agar-
Agar
Nähr-
medien |
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Toxikologische Methoden basieren auf der
Erfassung bestimmter Leistungen von Organismen (Wachstum, Vermehrung, Bewegung,
Verhalten, Leuchtkraft, Tod). Der Nachweis bzw. "Nicht-Nachweis" der Reaktion
ab einer bestimmten Konzentration oder Verdünnungsstufe wird ermittelt.
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Biotests |
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Analytische Qualitätssicherung
(AQS) und Gute Laborpraxix (GLP)
Angesichts höchster Anforderungen
an die Nachweisgrenzen und Genauigkeit von Wasseruntersuchungen und teilweise
ruinösen Wettbewerbs zwischen Laboratorien macht es sich erforderlich,
Qualitätsstandards sowie Methoden zu deren Einhaltung zu definieren
[17].
Diese sollten zwar zur Praxis jeden Labors gehören, sind aber nicht
überall selbstverständlich so daß staatliche Prüfzertifikate
eingeführt werden, die von Labors getragen werden, welche gute Arbeit
im Sinne von AQS und GLP arbeiten. Die Qualitätssicherung umfasst:
Tab. 13: Schwerpunkte
der Qualitätssicherung im Labor mit Beispielen
Probenahme |
Analytik |
Auswertung |
Flaschenmaterial |
intern: Kalibrierung |
Datenverarbeitung |
Probenkonservierung |
Kontrolle von Bestimmungsgrenzen,
Blindwerten und Standards |
Angabe der Ergebnisse |
Probentransport |
extern: Ringversuche |
Plausibilitätskontrollen |
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Qualitäts-
sicherung |
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