Education-Program Full Text - Schulungsprogramm Volltext

In many regions of the world, reservoirs are an indispensable foundation for the quality of life of the population. In addition to flood protection and the energy production, providing drinking water is one of the main functions of reservoirs. The supply of drinking water from reservoirs lends itself especially well to case where greatly differing precipitation rates can be territorially balanced out. This is why reservoirs are often located on the slopes of rainfall-rich mountain ranges.

The composition of surface waters retained in reservoirs is directly related to the inflows of their surrounding watersheds, which are subject to underground and atmospheric exchanges of materials and energy. Therein lies an dependence on an multitude of factors. Natural waters, soils and the atmosphere are being increasingly polluted. Strategies must be developed for the use of surface waters which protect the high quality standards of drinking water, starting with the watershed via the reservoir to the end consumer.

In order to ensure drinking water quality, various measures must be considered in relation to each other. As a rule, priority is given to the avoidance of contaminants directly at their point of origin. Water protection is always cheaper then expensive lake restoration and water treatment! Total prevention of water pollution in congested areas is often not feasible, or only possible at great expense, so even after the refurbishing of watersheds, further improvement of water quality is required.

Complementary to the generally practiced technical methods of raw water treatment with all their associated problems of energy input requirements, costs, and waste products, there are an increasing number of environmentally sound treatment technologies which use ecological principles as a basis to support the self-cleaning properties of flowing and dammed waters.

Minimum requirements for the quality of untreated water for the preparation of drinking water

The quality of the available untreated water must be so good, that reasonable effort can be used to convert it into drinking water which fulfils the valid rules and regulations. The upper limits of reasonable effort are defined in Europe for three categories of effort by the EG Guideline for Untreated Water [21]: they are also used in Germany therefore. As a rule, at least mesotrophic conditions are sought after in a reservoir in order to encounter problems caused by development of algae quantities, oxygen starvation and re-dissolving processes. Nitrogen compounds and especially phosphor determine the trophy of the waters. Organic and inorganic pollutants (solvents heavy metals, nitrate) which cannot be removed from untreated water, or can only be removed with difficulty must not be found or may only be found below the limiting values of the valid Drinking Water Decree [24].

Table 1: Examples for limiting values according to the German Drinking Water Decree [15], (Trinkwasserverordnung [15]) already guaranteed for untreated water

Criterion	Unit	Limiting value
Calcium	mg/L	500
Nitrate	mg/L	50
Oxidizability(CSV Mn)	mg/L	5
Aluminium	mg/L	0,2
Mercury	mg/L	0,001
Pesticides (total)	mg/L	0,0005
PAK (total)	mg/L	0,0002
PSM (indiv. subst)	mg/L	0,0001

Einführung

Standgewässer (Seen und Talsperren) sind in vielen Regionen der Welt eine unverzichtbare Grundlage zur Sicherung der Lebensqualität der Bevölkerung. Neben der wichtigen Funktion im natürlichen Wasserhaushalt und als ökologisch wertvoller Landschaftsbestandteil erfüllen Standgewässer wichtige Nutzungsfunktionen für Naherholung, Hochwasserschutz, Energieversorgung und für die Bereitstellung von Trinkwasser. In Deutschland beträgt beispielsweise der Anteil von Standgewässern an der Gesamttrinkwasserversorgung mehr als 10%. Die Trinkwasserversorgung aus Talsperren bietet sich vor allem dort an, wo sehr unterschiedliche Niederschlagsaufkommen territorial günstig ausgeglichen werden können. Standorte für Trinkwassertalsperren sind deshalb oft an den Hängen niederschlagsreicher Gebirge. Das trifft zum Beispiel für die Trinkwassertalsperren im Thüringer Wald mit einem Jahresniederschlag von über 1000 mm in den Einzugsgebieten zu. Sie beliefern das dicht besiedelte und landwirtschaftlich intensiv genutzte, niederschlagsarme Thüringer Becken. Das größte natürliche Standgewässer, welches in Deutschland zur Trinkwasserversorgung genutzt wird, ist der Bodensee (ca. 50 m³ Inhalt). Im Flachland werden oft künstliche Speicherbecken zur Sicherung der Wasserversorgung geschaffen (z. B. in den Niederlanden).

Das in den Gewässern zurückgehaltene Oberflächenwasser steht über Zuflüsse, Untergrund und Atmosphäre in einem direkten Stoff- und Energieaustausch mit den umgebenden Einzugsgebieten. Es besteht eine Abhängigkeit zu einer Vielzahl von Faktoren. Vor dem Hintergrund, daß Gewässer, Boden und Atmosphäre durch Abprodukte aus Industrie, Landwirtschaft und durch kommunale Einflüsse zunehmend global belastet werden, müssen Strategien für den Gewässerschutz erarbeitet werden, um wertvolle Ökosysteme zu erhalten und insbesondere um die den hohen Qualitätsansprüchen an das Lebensmittel Trinkwasser gerecht werden.

Die qualitativ höchsten Ansprüche werden an Oberflächenwasser, welches zu Trinkwasser aufbereitet wird, gestellt [21].

Tab.1: Beispiele für Grenzwerte nach Trinkwasserverordnung [24], welche bereits im Rohwasser garantiert werden müssen

Kriterium	Grenzwert
Calcium mg/l	500
Nitrat mg/l	50
Oxidierbarkeit (CSV Mn) mg/l	5
Aluminium mg/l	0,2
Quecksilber mg/l	0,001
Pestizide (Summe) mg/l	0,0005
PAK (Summe) mg/l	0,0002
PSM, einzelne Subst. mg/l	0,0001

Zur Sicherung der Wasserqualität müssen verschiedene Maßnahmen herangezon und gegeneinander abgewogen werden. Vorrang hat dabei generell die Vermeidung von Verunreinigungen direkt am Entstehungsort. Der totale Gewässerschutz ist in Ballungsräumen oft nicht, oder nur mit höchstem Aufwand durchsetzbar, so daß auch nach Sanierung der Einzugsgebiete eine weitere Verbesserung der Wasserqualität erforderlich ist.

In Ergänzung zu den allgemein praktizierten technischen Methoden zur Verbesserung der Wasserqualität mit all ihren Energie-, Abprodukt- und Kostenproblemen bieten sich zunehmend Verfahren an, welche auf der Basis ökologischer Wirkprinzipien die Selbstreinigung der Gewässer komplex und vor allem umweltschonend unterstützen.

Voraussetzungen für eine sachkundige Gewässerbewirtschaftung und den wirkungsvollen Gewässerschutz sind die Kenntnisse naturwissenschaftlicher Grundlagen der Wasserbeschaffenheit. Darauf aufbauend können sinnvolle Untersuchungsprogramme, Bewirtschaftungsmaßnahmen und Sanierungsstrategien erarbeitet werden. Im Folgenden wird dazu ein Überblick, der vorrangig für den Praktiker bestimmt ist, gegeben. Umfassendes naturwissenschaftliches Hintergrundwissen kann durch Studium der im Literaturverzeichnis angegebenen Werke [16, 25] erworben werden.

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2 Limnologische Grundlagen Limnological Fundamentals

Factors influencing the quality of water in reservoirs

The quality of water in the reservoir is determined by the characteristics of the location and by the catchment area with the waters flowing into it. Reservoirs are therefore determined on one hand by factors naturally given in the area, for example, by:

- meteorological conditions,
- hydrological conditions,
- morphology of the catchment area,
- geological and hydrological conditions,
- soil chemistry and physical conditions
and by the characteristics of the retained body of water (surface, depth, volume).

These factors must be more or less accepted and can already determine the sensitivity of the reservoir in relation to inputs of nutrients and pollutants to an important extent.

Apart from prevailing factors determined naturally by the area, the quality of water is increasingly subject to antropogenic factors which frequently affect water quality in a concentrated and direct way. Especially worth mentioning in this context are:

- use in the catchment area
- use and management of the reservoir.
- atmospheric inputs

Influence can be more or less brought to bear on these factors by using targetted measures coordinated with each other so that the water quality can be positively influenced over the short term, the middle term or the first time even over the long term.

2.1 Begriff Limnologie Definition of Limnology

Limnologie ist die Wissenschaft von Binnengewässern als Ökosystem, deren Struktur und Funktion sie erforscht. Die Grundvoraussetzungen zum Verständnis der Prozesse im Gewässer sind Kenntnisse über physikalische, chemische und biologische Zusammenhänge.

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2.2 Limnophysik Physical Limnology

Klima- und witterungsinduzierte Einflüsse auf einen Wasserkörper bestimmen wesentlich dessen qualitative Beschaffenheit. Ebenso wirken naturräumliche Gegebenheiten wie Beckenmorphologie, Einzugsgebietsgröße und Untergrundbeschaffenheit auf die Wasserqualität. Dabei kann eine erhebliche räumliche und zeitliche Variabilität der Qualität auftreten, die in bestimmten Grenzen vorhersehbar ist.
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2.2.1 Strahlung Sunlight

Die Strahlung, die in ein Gewässer eindringt ist ein entscheidender Faktor für die Primärproduktion (vergl. 2.3.2 ) sowie für die sich einstellende Temperaturschichtung. Das in ein Gewässer eindringende Licht wird gestreut und absorbiert, wodurch ein vertikaler Gradient entsteht. Der zurückgehaltene Betrag der Strahlung wird "Extinktion", der durchgehende als "Transmission" bezeichnet.

Abb. 1: Eindringtiefe des Lichts in den Wasserkörper von Gewässern - Grafik 2.1.6

Einzelne Wellenlängen werden unterschiedlich stark absorbiert, so daß sich die Lichtfarbe mit der Wassertiefe ändert. In reinem Wasser wird Rot am stärksten absorbiert, während das kurzwellige Blau die größte Transmission hat. Entsprechend der im Wasser gelösten Substanzen und suspendierter Partikel (Algen, Huminstoffe) können sich diese Verhältnisse ändern. Diese Spektralverhältnisse bestimmen, bis zu welcher Tiefe Photosynthese (Spektralbereich 400 - 750 nm photosynthetisch aktive Strahlung, PAR) möglich ist. Als grobes Maß für die Untergrenze, in der noch autotrophe Produktion erfolgt, gilt 1 % der PAR an der Gewässeroberfläche (Kompensationspunkt, Atmung = Photosynthese). Dieser durchlichtete Bereich wird euphotische Zone bezeichnet.

Abb. 2:

Tiefenverteilung des Lichts in einem See und schematische Eindringtiefe unterschiedlicher Spektralbereiche in das Wasser - Grafik 2.1.7

Von außen wird die Farbe eines Gewässers durch die Reflexion der Himmelsfärbung und von dem Spektrum des Lichts, welches das Wasser wieder verläßt, nachdem es schon eingedrungen war, bestimmt. Blaues Licht wird von reinem Wasser am stärksten gestreut, so daß reines Wasser blau erscheint.

Die Strahlung in Wellenlängen unterhalb des sichtbaren Lichts (UV) wirkt in den obersten Wasserschichten hemmend auf die Bioproduktion. Langwellige Strahlung (IR) hat einen wesentlichen Einfluß auf das Schichtungsverhalten des Gewässers.

Eisbedeckung mit Schneeauflage kann aufgrund von Absorption und Reflexion zu einer starken Verringerung der Transmission führen, während reines Eis ähnliche optische Eigenschaften wie Wasser aufweist. Dann ist Algenwachstum unter der Eisdecke gut möglich.

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2.2.2 Schichtungsverhältnisse Stratification Relationships

Eine entscheidende Beeinflussung der Wasserqualität ergibt sich aus dem jeweiligen Schichtungstyp eines Gewässers. Je nach geographischer Lage und Beckenmorphologie können folgende Typen unterschieden werden:

Tab. 2: Schichtungstypen stehender Gewässer

Typ		Verhalten		Lage/Ursache
Amiktisch		ganzer See keine Zirkulation		Arktis, Antarktis, Hochgebirge, ständig Eisbedeckung
Meromiktisch		Zirkulation nur teilweise, tiefe Bereiche ständig stagnierend		sehr windgeschützt, tief, oder große Dichtegradienten
Oligomiktisch		Zirkulation nicht in jedem Jahr klimaabhängig		sehr großes Volumen
Monomiktisch		Zirkulation einmal im Jahr		Polargebiete, Sommerzirkulation, gemäßigte (südl.) Breiten, nur Winterzirkulation
Dimiktisch		Zirkulation zweimal pro Jahr		gemäßigte Breiten, Frühjahrs- und Herbstzirkulation
Polymiktisch	ständige Zirkulation, geringe Temperaturgradienten		Tropen und gemäßigte Breiten, Flachseen

Die Ursache für das in Tab. 2 aufgezeigte Schichtungsverhalten liegt in der Dichteanomalie des Wassers und dem Einfluß des Windes. Da Wasser bei 4°C seine größte Dichte hat, wird es sowohl bei weiterer Abkühlung als auch bei weiterer Erwärmung leichter. Durch die so entstehenden Dichtegradienten entsteht eine stabile Schichtung. Je höher der Dichtegradient wird, um so stabiler wird die Schichtung und der Widerstand, welcher der Kraft des Windes entgegenwirkt. In den Sommermonaten werden an Seen gemäßigter Breiten deshalb nur die oberflächennahen Bereiche durchmischt (Epilimnion).

Mit zunehmender Abkühlung im Herbst nimmt die Dichte des oberflächennahen Wassers ab, so daß die Kraft des Windes auch eine Zirkulation des Tiefenwassers herbeiführt. Mit weiterer Abkühlung des oberflächennahen Wassers unter 4°C und Bildung einer Eisdecke geht der Wasserkörper von der Herbstzirkulation in die Winterstagnation über, die im Frühjahr mit beginnender Erwärmung wieder von der Frühjahrszirkulation abgelöst wird.

Abb. 3: Schichtungsverhalten tiefer Gewässer im Jahresverlauf Grafik 2.1.2

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2.2.3 Natural Settings

Extensive restoration measures are only useful if the basic load coming from natural causes as determined by volume of water and size of intake area is exceed. No meso or oligotrophic conditions can be achieved for example, in spite of low external load. Even slight pollution in inflows leads to growth of algae in the lit-up water strata of the reservoir. Small reservoirs with a small volume of water only have a small hypolimnetic volume so that the oxygen necessary for decomposition is insufficient: this can lead in turn to retroactive nutrient solutions coming from the sediment. The nutrients with short duration in the reservoir lead additionally to increased occurrence of phytoplanktons, since comprehensive decomposition of the plankton within the food web becomes more difficult.

Example

This applies to the Neustadt and Erletor reservoirs, with a water volume of approx. 0.5 million m³and a catchment area of approx. 5,5 km2 which can only have a mesotropic character in spite of low pollution in the inflows (total-P < 0,01 mg/l). Large reservoirs with the same pollution in the inflows and with relatively small catchment areas (Ohra reservoir 17 Mil m³ capacity, catchment area 34 km²) reach oligotrophic conditions with visible depths of up to 20 m. The operation of these reservoirs without acute need of restoration is done in accordance with the options listed under point 3.

2.2.3 Naturräumliche Gegebenheiten

Die Wasserqualität eines Gewässers wird in entscheidendem Maße von der Gestalt des Beckens (Form, Größe), dessen Lage (Windrichtung, Sonneneinstrahlung) und von der Größe des zugehörigen Einzugsgebiets bestimmt. Deshalb werden für die Einstufung von Gewässern im Hinblick auf die Wasserqualität nicht nur die Angaben über die vorliegende Qualität, sondern auch morphologische Daten herangezogen [13, 18].

Die Größe des Hypolimnions eines Gewässers nimmt mit dessen Tiefe zu, während die Epilimniongröße konstant bleibt. Das heißt, daß für den Abbau der im Epilimnion gebildeten Biomasse (vergl. Kap. 2.3.2) ein größeres Volumen (Sauerstoffvorrat) zur Verfügung steht. Mit der Größe und Tiefe des Gewässers nimmt zudem der Einfluß des Sediments ab und die Pufferkapazität gegenüber Schadstoffeinträgen wird größer. Der natürlich bedingte Nährstoffeintrag, der mit der Größe des Einzugsgebiets zunimmt, wirkt auf kleine Gewässer gravierender.

Abb. 4:
Beeinflussung der Wasserqualität in unterschiedlich geformten Wasserkörpern und unterschiedlichen Verhältnissen Beckenvolumen / Einzugsgebiet Grafiken 2.1.4 und 2.1.5

Die Wasserqualität (trophische Belastung) kleiner Standgewässer mit großem Einzugsgebiet kann deshalb trotz sanierter Einzugsgebiete und Zuflüsse schon aufgrund naturräumlicher Gegebenheiten für die Trinkwassergewinnung nicht immer ausreichend sein. Die Form des Beckens, dessen Ausrichtung bezogen auf die Hauptwindrichtung sowie die Morphologie der umgebenden Landschaft (windgeschützt) bestimmen das Schichtungsverhalten des Wasserkörpers. Tiefe, langgestreckte Seen (Rinnseetyp, Talsperren), die in windgeschützter N-S-Ausrichtung liegen, weisen deshalb nur kurze Zirkulationsphasen auf, während Flachseen oft ganzjährig zirkulieren.

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2.3 Limnochemie / Hydrobiologie
Limnochemistry, Aquatic Biology

The quality of water in reservoirs is not only determined by the properties of water flowing into them but also by processes of material decomposition and energy conversion in the lake itself. These natural self-cleaning processes can be supported and encouraged by intervening into the ecosystem.

The basic principles for self-cleaning of waters are as follows:

Limitation of growth factors for harmful organisms (algae) by removing these factors via other organisms (competition for food and light).
Conversion of dissolved pollutants and nutrients into particles, sediment or in a separable and detachable form (Plant, bacterial, and protozoic biomass),
Conversion of small biomass particles difficult to separate (algae cells, pathogens) by animal biofiltration in larger living organisms within the food chain
Conversion of dissolved organic substances to mineralized substances.

The structure of the food web has a decisive influence on water quality. Quality is especially determined by availability of plant nutrients (nitrogen and phosphorus compounds), since these control the growth of harmful phytoplanktons (usually single celled algae and cyanobacteria). Phytoplanktons can considerable reduce the quality of untreated water (smell, taste, toxic algae) and can greatly impede the treatment of water in reservoirs. Phytoplankton is the primary producer of basic nutrients for zooplankters, which is eaten by other consumers (fish, predators on zooplanktons). The food cycle through the levels of organism is closed by bacteria which mineralise the biomass into nutrients (Figure).

2.3.1 Chemismus / Ionenhaushalt Chemistry, Ions

Neben Schadstoffen, Nährstoffen sowie dem Partikel- und Organismengehalt ist der natürliche Gehalt an Ionen und polaren Molekülen des Wassers ein qualitätsbestimmendes Merkmal. Dabei ist nicht nur der gesundheitliche Wert dieser Kriterien von Bedeutung, sondern auch deren Einfluß auf die Wasserqualität im Hinblick auf das Verhalten gegenüber Materialien und Werkstoffen. Die entsprechend der natürlichen Herkunft des Wassers vorhandenen Hauptinhaltsstoffe umfassen vor allem die Kationen und Anionen, die aus dem Boden und durch die Verwitterung von Gesteinen entstehen, sowie gelöste Gase.

Tab. 3: Wichtige, in natürlichem Wasser vorkommende An- und Kationen

Kationen

Anionen

Natrium (Na⁺)

Calcium (Ca²⁺)

Kalium (K⁺)

Magnesium (Mg²⁺)

Hydrogenkarbonat (HCO₃^-)

Chlorid (Cl^-)

Nitrat (NO₃^-)

Sulfat (SO₄^2-)

Diese anorganischen Inhaltsstoffe liegen in Konzentrationen von einigen zehn bis hundert mg/l vor, während die Summe aller organischen Verbindungen in natürlichen Wässern nur einige wenige mg/l beträgt.

Tab. 4: Wichtige in natürlichem Wasser gelöste Gase und ihre Herkunft

Bezeichnung

Herkunft

Sauerstoff (O₂)

Stickstoff (N₂)

Kohlendioxid (CO₂)

Methan (CH₄)

Schwefelwasserstoff (H₂S)

Atmosphäre, Photosynthese

Atmosphäre, bakterielle Aktivität

Atmosphäre, Atmung

bakterielle Aktivtät

bakterielle Aktivität

Die gelösten Wasserinhaltsstoffe sind in eine Vielzahl von chemischen Reaktionen eingebunden. Durch die Wechselwirkung mit anderen Stoffen sowie im Kontakt mit anderen Phasen (Atmosphäre, Untergrund) laufen bereits auf chemischem Weg umfangreiche Stoffumsatzprozesse und Veränderungen ab.

Die wichtigsten sind:

Lösungs und Fällungsreaktionen an der Phasengrenze Wasser / Feststoff

Beispiele: Lösung von Mineralien aus dem Untergrund, Biogene Entkalkung - Seekreide, Flockung in der Wasserwerkstechnologie

Austausch von Gasen an der Phasengrenze Wasser /Atmosphäre

Beispiele: Sauerstoffeintrag über Atmosphäre oder durch Tiefenwasserbelüftung, Entgasung von Kohlendioxid, Chlor- und Ozoneinsatz

Gleichgewichtsreaktionen zwischen Säuren und Basen im Wasser

Beispiele: Versauerung von Oberflächengewässern, pH-Wert-Einstellung in der Wasserwerkstechnologie, pH-Anstieg beim Kontakt von Beton mit Wasser

Redoxreaktionen im Wasser

Beispiele: Mobilisierung von Eisen / Mangan aus dem Sediment, Desinfektionsverfahren, Sedimentstabilisierung (Oxidation)

Den genannten Reaktionen ist gemeinsam, daß sie komplex miteinander verknüpft sind und in vielen Fällen durch die Aktivität von Organismen (Bakterien, Phyto- und Zooplankton, Fische) beeinflußt werden. Im Folgenden werden wichtige hydrochemische Zusammenhänge beschrieben, die für die Lösung praktischer Probleme von Bedeutung sind:
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2.3.1.1 Grundlagen des Kalk-Kohlensäuregleichgewichts
Fundamentals of the Lime-Carbonic Acid Balance

Das Kalk-Kohlensäuregleichgewicht bestimmt, wie sich das Wasser gegenüber metallischen und vor allem zementhaltigen Werkstoffen sowie gegenüber Mineralien verhält. Nach [24] darf der pH-Wert von Trinkwasser nicht unter dem pH-Wert der Calciumcarbonatsättigung liegen (Schwankungen bis 0,2 pH-Einheiten bleiben unberücksichtigt). Vor dem Hintergrund, daß nahezu alle Trinkwassertalsperren Deutschlands Rohwasser bereitstellen, welches sehr elektrolytarm ist und nicht im Bereich der Calciumcarbonatsättigung (Urgestein-Einzugsgebiete) liegt, kommt gerade bei der Aufbereitung von Talsperrenwasser dieser Problematik große Bedeutung zu.

Kohlensäure wird im Wasser nicht nur als Gas gelöst, sondern auch hydratisiert. Der vorliegende pH-Wert bestimmt, bis zu welcher Stufe die Kohlensäure dissoziiert:

Bei pH 8 liegen fast ausschließlich Hydrogencarbonationen (HCO₃^-) vor. Im stärker alkalischen Bereich überwiegen mehr und mehr Karbonationen (CO₃^2-), während bei sehr niedrigen pH-Werten vorrangig Kohlensäure (H₂CO₃) und freies CO₂ vorliegen. Kohlensäure bildet mit Erdalkali- und Alkalimetallen schwerlösliche Salze, wobei dabei dem Calcium eine bedeutende Rolle zukommt. Das Kalk-Kohlensäuregleichgewicht wird in folgender Gleichung beschrieben:

Gl. 1: Das Kalk-Kohlensäuregleichgewicht

Um dieses Gleichgewicht aufrecht zu erhalten, muß immer eine kleine Menge Kohlensäure vorhanden sein ("zugehörige Kohlensäure"). Wird dem System Kohlensäure entzogen (Photosynthese Kap. 2.3.2.2, Erhitzen), fällt schwerlösliches Calziumcarbonat aus (Seekreide, Kesselstein). Wird dem System jedoch Kohlensäure zugeführt (Atmung, vergl. Kap. 2.3.2.2), kann wieder Calciumcarbonat gelöst werden, was beim Einsatz von zementgebundenen Werkstoffen zu Problemen führt.

Abhängig von der jeweiligen geologischen Formation kommen in der Natur sehr unterschiedliche Wassertypen mit unterschiedlichem Chemismus vor. Extrem weiche Wässer (el. Leitfähigkeit unter 200 µS/cm) stammen oft aus Urgestein- (Basalt, Granit, Porphyr) und Bundsandstein-Einzugsgebieten. Diese Wässer sind in der Regel kalklösend und metallaggressiv. Es kommt beispielsweise zum Herauslösen von Aluminium aus dem Untergrund. Wasser mit höherer elektrischer Leitfähigkeit ( 200 µS/cm) kann ebenfalls noch kalklösend sein, wenn mehr Kohlensäure als die "zugehörige Kohlensäure" im Wasser gelöst ist ("= aggressive Kohlensäure"). Grundwasser, welches nach ausreichender Verweilzeit in Kontakt mit kalkhaltigem Gestein (Muschelkalk) steht, befindet sich meist im Zustand der Calcitsättigung. Bei der Förderung dieser Wässer und vor allem beim Erhitzen kann die zugehörige Kohlensäure entweichen, es folgt Calcitabscheidung (Gl. 1: Kalk-Kohlensäuregleichgewicht).

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2.3.1.2 Puffervermögen Acid/Base Relationships (pH)

Das Kalk-Kohlensäuregleichgewicht ist entscheidend dafür verantwortlich, wie gut das Wasser vor allem gegenüber Säureeinträgen gepuffert ist, d. h., wie gut H⁺ und OH^- - Ionen aufgenommen werden können, ohne daß sich der pH-Wert wesentlich ändert. Zur Beschreibung der Pufferkapazität werden folgende Kriterien benutzt:

K_{S 4,3} - Säurekapazität bis pH 4,3 und K_{B 8,2} - Basekapazität bis pH 8,2

Die Säurekapazität bis pH 4,3 entspricht bei Wässern unter pH 8,2 weitestgehend der HCO₃^--Konzentration, während die Basekapazität näherungsweise dem CO₂-Gehalt gleichzusetzen ist.

Kalkarme Seen sind nur schwach gepuffert und oft schwach sauer. Sie reagieren auf Säurezufuhr von außen (schweflige Säure, Schwefelsäure und Salpetersäure im "sauren Regen") mit pH-Absenkung. Wenn jedoch durch Photosynthese (vergl. Kap. 2.3.2.2) CO₂ entzogen wird, kann der pH-Wert ansteigen. In kalkhaltigen Gewässern hingegen verschiebt sich das Gleichgewicht (Gl. 1) bei CO₂-Entzug zum CaCO₃, wobei CO₂ nachgeliefert wird. Dadurch kann der pH-Wert so lange stabil bleiben, bis alles CO₂ verbraucht ist. Natürlich bedingt niedrige pH-Werte weisen oft Talsperren auf, die im Einzugsgebiet Schieferformationen aufweisen (Pyritverwitterung) sowie durch huminstoffreiche Zuflüsse (Hochmoore) geprägt sind.
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2.3.1.3 Werkstoffe Chemicals Introduced through Construction Materials

Für wasserbauliche Maßnahmen kommt der Auswahl von Metall- und Betonwerkstoffen für Bauwerke sowie für Armaturen im Hinblick auf die Wasserqualität eine große Bedeutung zu. Zur Sicherung der Bauwerks- und Betriebssicherheit und der geforderten Wasserqualität, welche durch die Werkstoffe beeinflußt wird, muß das korrossionschemische Verhalten des Wassers bekannt sein. Für die Beurteilung dieser physikalisch-chemischen Wasserbeschaffenheit werden alle wichtigen Gleichgewichtssreaktionen berücksichtigt. Hierzu werden die in Tab. 5 dargestellten Beurteilungsgrößen ermittelt. Aus diesen, auf labortechnischem Weg bestimmten Parametern können dann über verschiedene Rechenprogramme die erforderlichen Beurteilungsgrößen wie Sättigungs-pH-Wert, Pufferungsintensität sowie die Calcitlöse- und -abscheidekapazität errechnet werden, die aus Normen und Regelwerken für die jeweiligen Werkstoffe entnommen werden können [6, 7, 8].

Tab. 5: Parameter zur Bewertung der phys.-chemischen Wasserbeschaffenheit

Kriterium	Einheit
Entnahmetemperatur	°C
pH-Wert bei T	ohne (°C)
Calcium	mg/l
Magnesium	mg/l
Natrium	mg/l
Kalium	mg/l
Chlorid	mg/l
Sulfat	mg/l
Nitrat	mg/l
Phosphat gesamt	mg/l
Sauerstoff	mg/l
Kohlensäure	mg/l
Säurekapazität bis pH 4,3	mmol/l
Basekapazität bis pH 8,2 bei T	mmol/l (°C)

Für einen detaillierten Einstieg in den Chemismus der Wechselwirkungen Material / Werkstoff wird auf [9]verwiesen, da im Rahmen dieses Studienmaterials nur auf die wichtigsten Fakten eingegangen werden kann:

Bei metallischen Werkstoffen stehen die Fragen der Korrosion im Vordergrund. Häufig eingesetzte Materialien sind eisengebundene Werkstoffe, verzinkter Stahl, Kupferwerkstoffe und Blei.

Der Einsatz unlegierter Eisenwerkstoffe führt häufig zu Rostwasserproblemen, vor allem in Rohrleitungen mit langen Verweilzeiten. Erhöhte Neutralsalzgehalte, sowie die Chlorid-, Sulfat- und Hydrogenkarbonatkonzentrationen bestimmen wesentlich die Beständigkeit dieser Werkstoffe gegenüber Wasser. Die Beurteilung der Korrosionswahrscheinlichkeit dieser Werkstoffe sowie Korrosionsschutzverfahren werden in [6, Teil 2 und 8] beschrieben.

Für Armaturen im Wasserbau ist der Einsatz von verzinktem Stahl von großer Bedeutung. Die Lösung von Zink ist in erster Linie eine Funktion des pH-Wertes. Niedrige pH-Werte führen vor allem bei längerer Stagnationszeit des Wassers zu einer Erhöhung der Zinkkonzentration im Wasser. Die Beurteilung der Korrosionswahrscheinlichkeit dieser Werkstoffe sowie Korrosionsschutzverfahren werden in [6, Teil 3 und 8] beschrieben.

Kupfer und Kupferwerkstoffe sind überwiegend in Hausinstallationen von Bedeutung. Hier kommt ebenfalls dem pH-Wert die entscheidende Rolle zu. Neben der Bedeutung in der Trinkwasserversorgung [24] ist Kupfer als ökotoxikologisch hochwirksam einzuschätzen. Die Beeinträchtigung von Fischen, Fischnährtieren und Pflanzen (Algen) ist bereits in Bereichen um 10^-9 g/l nachweisbar. Die Beurteilung der Korrosionswahrscheinlichkeit dieser Werkstoffe sowie Korrosionsschutzverfahren werden in [6, Teil 5] beschrieben.

Blei ist gegenüber Wasser sehr beständig und wurde auch aufgrund seiner leichten Verarbeitbarkeit häufig eingesetzt. Der Einfluß des Bleis auf die Wasserqualität im Hinblick auf die gesundheitliche Relevanz ist jedoch erheblich. In Abhängigkeit von pH-Wert lösen sich Korrosionsprodukte wie Bleikarbonat. In der neuen EG-Trinkwasserrichtlinie [27] wird der ursprüngliche Grenzwert von 50 µg/l [22, 24] gemäß WHO-Empfehlung auf 10 µg/l gesenkt.

Bei zementgebundenen Werkstoffen, die mit Wasser, welches sich im Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht befindet, in Berührung kommen, tritt relativ rasch eine Karbonatisierung der Oberfläche und somit ein ausreichender Schutz vor Kalklöseprozessen ein. Eine Rücklösung des gebildeten Calciumcarbonats und somit eine Erweichung der wasserseitigen Oberfläche erfolgt bei höheren Gehalten an kalklösender Kohlensäure. Der Kohlensäuregehalt sehr weicher Wässer wird bei der Karbonatisierung schnell gesenkt, wodurch ein pH-Anstieg über die Grenzwerte nach [23, 24] zu befürchten ist. Dies ist generell bei der Verwendung von Beton und Zement in Gewässernähe zu berücksichtigen. Die Beurteilung betonangreifender Wässer ist nach [7] möglich.

Beim Einsatz von Kunststoffen sind vor allem Migrationsvorgänge im Material von Bedeutung. Werkstoffe, die [15] entsprechen, können ohne Bedenken im Trinkwasserbereich eingesetzt werden.
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2.3.2 Leistungen von Organismen im aquatischen Ökosystem
Organism Relationship in the Aquatic Ecosystem

In allen natürlichen Gewässern, welche nicht durch extrem lebensfeindliche Umwelteinflüsse (z. B. toxische Abwässer, hohe Temperaturen) geprägt sind, bauen sich Populationen verschiedenster Organismengruppen auf, die, geprägt durch externe und interne Energie- und Stoffströme sowie durch Wechselbeziehungen innerhalb der Lebensgemeinschaften, eine Biocoenose bilden. Ausschlaggebend für die Intensität und Qualität biologischer Stoffumsatzprozesse ist die Verfügbarkeit von Ressourcen (Nahrungs-, Licht- und chemische Energie). Wesentliche Interaktionen zwischen den Arten sowie innerhalb einer Art sind Konkurrenz um Ressourcen und Räuber-Beute-Beziehungen. Aus diesen Wechselwirkungen und der Verfügbarkeit von Ressourcen resultieren Wachstums- und Reproduktionsraten. Aquatische Lebensgemeinschaften dienen in vielfältiger Weise der Verbesserung der Wasserqualität (z. B. Selbstreinigungspotential von Fließgewässern, Abwasserbehandlung). Andererseits können Anwesenheit und Aktivität bestimmter Organismen die Wasserqualität erheblich beeinträchtigen

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2.3.2.1 Nahrungsnetze Foodchains

Die wichtigsten Wechselwirkungen innerhalb einer Lebensgemeinschaft beruhen auf dem Verbrauch und dem Gewinn von Nahrung. Die daraus resultierenden Räuber-Beute-Beziehungen können in einer einfachen Veranschaulichung der Nahrungskette - Pflanzen (Produzenten) pflanzenfressende Tiere (Primärkonsumenten) fleischfressende Tiere (Sekundärkonsumenten) Bakterien (Destruenten) - dargestellt werden. In aquatischen Nahrungsketten des Freiwassers werden diese trophischen Ebenen durch die Lebensgemeinschaften - Phytoplankton, Zooplankton, planktonfressende Fische, Raubfische und Bakterien - eingenommen.

Abb. 5: Wichtige Glieder einer Nahrungskette im Freiwasser und deren Funktion im Ökosystem- Grafik 2.4.1

Die Besiedlung eines Gewässers mit Organismen und der Aufbau von Nahrungsketten erfolgt in starker Abhängigkeit vom verfügbaren Nahrungsangebot für das Phytoplankton, da nur dieses im Freiwasser in der Lage ist, unter Nutzung von Nährstoffen Biomasse zu produzieren. Nur wenn alle lebensnotwendigen Nährstoffe sowie Lichtenergie zur Verfügung stehen, ist Photosynthese und somit Bioproduktion überhaupt erst möglich. Dies sind C-, N-, und P-Verbindungen. In mäßig bis wenig belasteten Talsperren unserer Breiten kommt dabei dem Phosphor eine entscheidende Bedeutung zu, da dieser natürlich begrenzt ist und somit als limitierender Faktor für das Algenwachstum (Primärproduktion) wirkt. Die Höhe der Primärproduktion eines Gewässers entscheidet über die Intensität aller Stoffumsatzprozesse (vergl. 2.3.2.2) und somit über die bestehende Wasserqualität (Eutrophierung). Die Phosphorbelastung und das daraus resultierende Algenwachstum (gemessen in Form des Pigments Chlorophyll-a) sind deshalb entscheidende Kriterien zur Bewertung des trophischen Zustandes stehender Gewässer [13, 18].

Abb. 6:
Verfügbarkeit von Energie und mineralisch gelösten Nährstoffen im Wasser für die Primärproduktion von Algenbiomasse Grafik 2.4.2

Die Stoff- und Energieströme zwischen den einzelnen Gliedern einer Nahrungskette beruhen auf dem Austausch von chemischer Energie (organische Substanzen für heterotrophe Lebensformen, anorganische Verbindungen für chemoautotrophe Bakterien). Diese steht in Form von Partikeln oder gelösten Stoffen zur Verfügung. Der Hauptanteil der erforderlichen Energie gelangt in Form von Lichtenergie in die Nahrungskette, welche für die Photosynthese des Phytoplanktons unter Nutzung mineralischer Pflanzennährstoffe zum Aufbau der Biomasse erforderlich ist. Wärmeenergie kann zur Primärproduktion nicht genutzt werden; ist aber für die Geschwindigkeit biogener Stoffumsatzprozesse und chemischer Reaktionen von Bedeutung.
Abb 7:

Schematische Darstellung von Stoff- und Energieströmen innerhalb des Nahrungsnetzes des Freiwassers - Grafik 2.4.3

Die in Abb. 7 dargestellten Beziehungen stellen die grundlegenden Zusammenhänge zum Verständnis der trophischen Beziehungen innerhalb des Freiwasser-Ökosystems dar. Das tatsächliche Bild würde wesentlich komplexer und für jedes Gewässer individuell anders aussehen. Die eindeutige Zuordnung von Organismengruppen zu bestimmten trophischen Ebenen ist nur bedingt möglich, da sich das Nahrungsspektrum auf verschiedene Ebenen erstrecken kann. So können beispielsweise innerhalb des Zooplanktons räuberische Arten auftreten, die dann schon der nächst höheren Ebene zugeordnet werden müßten. Viele Fischarten können sowohl algenfressend, zooplanktonfressend und sogar räuberisch leben. Zudem ist bei Fischen der Kannibalismus nicht zu vernachlässigen. Anstelle der einfachen Nahrungskette tritt deshalb ein wesentlich komplexeres Bild eines Nahrungsnetzes. Wichtige Bestandteile dieses Nahrungsnetzes im Freiwasser sind (mit wenigen Beispielen):

Organismengruppe		Beschreibung / Vertreter
Phytoplankton:		Picoplankton (< 2 µm, Cyanobakterien), Nanoplankton (2 - 30 µm, Chlorococcale), Netzplankton ( 30 µm, Chlorophyceen, Dinophyceen)
Zooplankton:	Protozoen (Ciliaten, Amöben, Strahlentierchen), Rotatorien, herbivore Crustaceen (Daphnien), karnivore Crustaceen (Leptodora), Insektenlarven (Chaoberus)
Fische:	Planktivore Fische (Plötze, Maräne), piscivore Fische (Hecht, Zander)
Bakterien:	Heterotrophe Bakterien (Abbau von organischen Verbindungen im Abwasser, anaerob und aerob), autotrophe Bakterien (Nutzung anorganischer Verbindungen)

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2.3.2.2 Stoffkreisläufe: C, N, P, S Molecular Cycles: C, N, P, S

Die wichtigsten Nährstoffe für die Primärproduzenten im Gewässerökosystem sind Phosphor, Stickstoff, Schwefel, Kohlenstoff und Kieselsäure. Aber auch Spurenmetalle sowie organische Komponenten und Vitamine werden genutzt (vergl. Abb. 6). Der Umsatz dieser Nährstoffe erfolgt in Kreisläufen, die im Folgenden einzeln behandelt werden. In natürlichen Gewässern sind diese Kreisläufe vielfältig miteinander verknüpft. Allen Stoffkreisläufen ist gemeinsam, daß sie extern über Zuflüsse und atmosphärische Einträge gespeist werden können und daß ihnen auf der anderen Seite durch Abfluß, Sedimentation und Ausgasung Stoffe entzogen werden. Stoffkreisläufe beruhen auf biologischen Umsetzungen und abiotischen Reaktionen (vergl. Kap. 2.3.1.). Für die Praxis der Wassergütebewirtschaftung ist entscheidend, daß viele biologische Umsetzungen mit einer Überführung gelöster Substanzen in partikuläre Form verbunden sind. Diese Prinzipien werden technologisch vielfältig genutzt.

Kohlenstoffkreislauf:

Kohlenstoff liegt im Gewässer in folgenden Formen vor:

anorganisch gelöster Kohlenstoff (DIC, "dissolved inorganic carbon")

Der DIC setzt sich aus CO₂, HCO₃^- und CO₃^2- zusammen. Der jeweilige Anteil dieser Verbindungen ist pH-abhängig (vergl. Kap 2.3.1.1). Der abiotische Eintrag in das Gewässer erfolgt in Form von CO₂, während der Austrag über Sedimentation (Kalkfällung) und CO₂-Ausgasung erfolgt. Der biologische Input von CO₂ erfolgt durch die Atmung, während bei Photosynthese und Chemosynthese DIC verbraucht wird und in POC überführt wird. Der anaerobe Abbau von Biomasse führt zum Methan (CH₄), welches bei Anwesenheit von Sauerstoff zu CO₂ oxidiert wird.

organisch gelöster Kohlenstoff (DOC, "dissolved organic carbon")

Der DOC stellt ein Gemisch verschiedenster Substanzen dar. Teilweise sind sie gut abbaubar und bakterienverfügbar (AOC, von Bakterien assimilierbarer organische gebundener Kohlenstoff). Deshalb besteht der größere DOC-Anteil in natürlichen Gewässern aus schwer abbaubaren Verbindungen (Humussubstanzen, Braunfärbung), da der AOC sofort von Bakterien genutzt wird. Dies ist bei der Desinfektion von Trinkwasser durch Oxidation von Bedeutung, da bei diesem Schritt schwer abbaubare Verbindungen wieder bakterienverfügbar werden können (Wiederverkeimung Rohrnetz). Der Eintrag in die Gewässer erfolgt in gelöster Form über die Zuflüsse (vor allem Mooreinzugsgebiete, Abwasser) und durch Exkretion der Organismen. Der mikrobielle Abbau organischer Partikel ist eine weitere DOC-Quelle. Der Entzug des DOC erfolgt in erster Linie durch die Aufnahme in Bakterienbiomasse.

partikulärer organisch gebundener Kohlenstoff (POC, "particulate organic carbon")

Der POC wird durch alle im Wasser lebenden Organismen repräsentiert sowie durch tote organische Substanz (Detritus). Die Quelle des POC ist die Primärproduktion (vergl. 2.3.2.1.). Der POC - Anteil wird wesentlich durch die Aktivität der Organismen innerhalb des Nahrungsnetzes bestimmt. Durch den mikrobiologischen Abbau des POC wird dieser wieder in DOC überführt.

Abb. 8:Vereinfachter Überblick zum Kohlenstoffkreislauf in Standgewässern

Durch anthropogene Einflüsse können erhebliche DOC-Frachten in Oberflächengewässer gelangen, die dort zu intensiven bakteriellen Stoffumsatzprozessen (Sauerstoffzehrung) führen. Kommunale Abwässer und vor allem Abwässer aus Lebensmittelbetrieben weisen hohe DOC-Konzentrationen auf. In der Laboranalytik werden äquivalente Kriterien für den DOC (CSV, BSB) bestimmt.

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Stickstoffkreislauf

Stickstoff liegt in Gewässern in Form von elemetarem Stickstoff (N₂) sowie Nitrat (NO₃^-), Nitrit (NO₂^-) und Ammonium (NH₄⁺) vor. Der elementar gelöste Stickstoff (Löslichkeit ca. 20 mg/l) kann jedoch nur durch wenige Organismen (Cyanobakterien) als Nährstoff genutzt werden. Die wichtigsten anorganischen Stickstoffquellen für die Primärproduktion sind somit NO₃^-, NO₂^- und NH₄⁺. Der in Biomasse fixierte Stickstoff wird als PON (partikulärer organisch gebundener Stickstoff) oder SON (suspendierter organisch gebundender Stickstoff) bezeichnet. Durch den Abbau von PON und Exkretion entsteht gelöster organischer Stickstoff, DON.

Entsprechend dem Vorhandensein oder Fehlen von Sauerstoff liegen die im Wasser gelösten N-Verbindungen in unterschiedlichem Oxidationszustand vor, welcher durch mikrobielle Umsetzungen eingestellt wird.

Tab. 6: Beispiele für in natürlichen Gewässern vorkommende Stickstoffverbindungen und deren Oxidationsstufen

Bezeichnung

Oxidationsstufe

Nitrat (Ion) NO₃^-

Nitrit (Ion) NO₂^-

Stickstoff, elementar N₂

Ammonium (Ion) NH₄⁺

Ammoniak NH₃

organisch geb. N SON

+ 5
+ 4
0
- 3
- 3
- 3

Durch den mikrobiellen Abbau des PON (SON) sowie durch Ausscheidungen von Organismen wird Ammonium freigesetzt (Ammonifikation), während durch Aminosäuresynthese PON gebildet wird. Der Begriff "Nitratammonifikation" beschreibt die im anaeroben Milieu stattfindende Nitratatmung, bei der ebenfalls Ammonium entsteht. Entsteht dabei elementarer Stickstoff, wird von "Denitrifizierung" gesprochen. Bei Anwesenheit von Sauerstoff (aerobes Milieu) wird wiederum Ammonium über die Zwischenstufe Nitrit zu Nitrat oxidiert (Nitrifikation).

Abb. 9: Vereinfachter Überblick zum Stickstoffkreislauf in Standgewässern

Anorganische Stickstoffverbindungen gelangen überwiegend durch Zuflüsse und atmosphärische Einträge in die Gewässer. Hohe Ammoniumkonzentrationen lassen auf kommunale Abwässer und Gülle schließen, während hohe Nitratfrachten dem Einfluß mineralischer Düngung zuzuschreiben sind. Entsprechend der Belastung eines Gewässers mit weiteren bakterienverfügbaren Nährstoffen (DOC, P-Verbindungen) erfolgen Auf- und Abbau der jeweiligen Stickstoffverbindungen mit unterschiedlicher Intensität. Im Tiefenwasser belasteter Standgewässer und vor allem im Sediment ist beispielsweise eine rasche mikrobielle Zehrung von Nitrat zum Ammonium bzw. Stickstoff möglich (vergl. 2.3.3), während in Zuflüssen von Standgewässern aufgrund der guten Sauerstoffversorgung (atmosphärischer Eintrag) der größte Teil des anorganischen Stickstoffs in Form von Nitrat vorliegt. An dieser Stelle sei darauf verwiesen, daß ein wichtiges Kriterium zur Bewertung des pflanzenverfügbaren Stickstoffs auf landwirtschaftlich genutzten Flächen der mineralisch gebundene Stickstoff (N_min) ist. Dieser N_min kann durch Erosion und Auswaschung zu erheblichen Nitrateiträgen in die Gewässer führen (vergl. Kap. 2.4, und 3.6), da anorganische Stickstoffkomponenten gut löslich und somit sehr mobil sind.

In unbesiedelten Einzugsgebieten kann ein nicht unbedeutender Anteil der Stickstoffbelastung aus atmosphärischen Einträgen resultieren. Hauptquellen der atmosphärischen Belastung sind der Kraftfahrzeugverkehr (NOx, Versauerung) und die Landwirtschaft (Ammonium).

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Phosphorkreislauf Cycle of Phosphorus

Wie in Kapitel 2.3.2.1 bereits erwähnt, ist Phosphor ein essentieller Nährstoff für die Primärproduktion von Biomasse. Phosphor ist wesentlich schwerer löslich als mineralischer Stickstoff, wodurch er in unbelasteten Gewässern zum limitierenden Faktor für das Algenwachstum wird. Der Phosphor liegt in Gewässern in unterschiedlichen Fraktionen vor, welche eher durch methodisch bedingte Analysenmethoden als durch chemische Charakteristika unterschieden werden:

gelöster, reaktiver Phosphor (SRP, "solouble reactive phosphorus")

Der SRP passiert ohne Aufschluß eine Porenweite von 0,1 - 0,2 µm und besteht überwiegend aus dem freien Orthophosphat-Ion. Dieses gelöste Orthophosphat kann durch das Phytoplankton direkt genutzt werden und ist somit algenverfügbar.

gelöster Gesamtphosphor (TDP, "total dissolved phosphorus")

Der TDP repräsentiert ebenfalls die 0,1 - 0,2 µm-Fraktion, erfaßt aber auch die Verbindungen, die erst nach einem saueren, oxidativen Aufschluß gemessen werden können. Der unreaktive Anteil, der mit diesem Aufschluß bestimmt werden kann geht in den SRP über, er besteht aus organischen Phosphaten und kolloidalem Phosphor.

Gesamtphosphor (TP, "total phosphorus")

Der TP beinhaltet den gelösten, den partikulären und den nach einem Aufschluß meßbaren gesamten Phosphor-Gehalt. Sowohl mineralisch gebundender Phosphor, als auch organisch gebundener Phospor (Plankton) werden erfaßt.

Im durchlichteten Epilimnion wird der SRP rasch in Algenbiomasse aufgenommen und innerhalb der Nahrungskette weitergegeben so daß er dort oft kaum noch analytisch nachweisbar ist (< 3 µg/l). Vor allem gegen Ende der Sommerstagnation kann dieser algenverfügbare P-Anteil sehr niedrig werden, während im Hypolimnion durch bakteriellen Abbau der Algenbiomasse SRP freigesetzt wird. Mit beginnender Zirkulation (Frühjahr, Herbst) wird SRP wieder in den durchlichteten Bereich transportiert, in dessen Folge verstärktes Algenwachstum möglich ist (Frühsommer). Im aeroben Milieu wird Phosphor relativ schnell an Partikel adsorbiert und gelangt ins Sediment. Die dort vorherrschenden Sauerstoffverhältnisse (Redoxpotenial, vegl. Kap. 2.3.1) bestimmen, ob Phosphat wieder zurückgelöst (Sauerstoffmangel) oder fixiert wird.

Phosphorverbindungen gelangen zum überwiegenden Anteil über die Zuflüsse in die Gewässer. Kommunale und landwirtschaftliche Abwässer tragen dabei entscheidend zur Eutrophierung bei. Die Verwendung phosphatfreier Waschmittel sowie die Einführung von Reinigungsstufen zur P-Eliminierung in kommunalen Kläranlagen führten in Deutschland zu einem Rückgang der P-Belastung der Gewässer. Besiedlung und landwirtschaftliche Aktivitäten im jeweiligen Einzugsgebiet werden jedoch immer eine "Grundlast" darstellen, die vor allem bei Hochwässern eingetragen wird (Erosion, Regenwasserüberläufe von Kläranlagen).

Abb. 10: Vereinfachter Überblick zum Phosphorkreislauf in Standgewässern

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Weitere Stoffkreisläufe

Neben den oben beschriebenen C-, N-, und P-Kreisläufen sollen an dieser Stelle weitere, für die Wassergüte von Standgewässern ebenfalls bedeutende Stoffumsatzprozesse erwähnt werden:

Eisen/Mangan

Eisen und Mangan sind in der Regel mineralisch gebundene Bestandteile, deren Anteile von der Geologie des Einzugsgebiets abhängen. Ihre Mobilität und Löslichkeit im Wasser wird jedoch wesentlich durch die Redox- und pH-Verhältnisse bestimmt, d. h., der Chemismus des Wassers (vergl. Kap. 2.3.1) und die Sauerstoffverhältnisse entscheiden über Mobilität und Stabilität von Eisen- und Manganverbindungen. Mikrobielle Stoffumsatzprozesse greifen ebenfalls in den Eisen- und Mangankreislauf ein. Die Freisetzung von Eisen und Mangan erfolgt in erster Linie unter anaeroben Bedingungen, wenn Verbindungen mit niedrigeren Oxidationsstufen vorliegen (Fe⁺⁺, Mn⁺⁺) sowie im sauren Milieu. Versauerte Gewässer sowie das Tiefenwasser belasteter Talsperren können deshalb hohe Eisen- und Mangankonzentrationen aufweisen. Bei Erhöhung von pH-Wert und Redoxpotential werden Eisen und Mangan in höhere Oxidationsstufen (z. B. Fe³⁺, Eisen(III)hydroxid) überführt und sedimentieren in Form schwerlöslicher Niederschläge. Dabei können Schwermetalle und Nährstoffe (Phosphat) mitgefällt werden.

Abb. 11: Beispiel für die Stabilität von Eisen- und Manganverbindungen in einem Standgewässer nach [4]

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Silizium

Silizium ist als Nährstoff vor allem für eine Organismengruppe von Bedeutung. Kieselalgen (Diatomeen, Bacillariophyceen) benötigen Silikat zum Aufbau ihres Kieselskelettes. Das gelöste Silikat gelangt als Kieselsäure durch Verwitterung von Silikatmineralien in die Gewässer. Der Lösungsprozeß des partikulären Siliziums erfolgt nur sehr langsam, so daß ein Großteil der Kieselalgenschalen nach dem Absterben bzw. nach der Darmpassage der Zooplankter sedimentiert. Deshalb kann die Zeitspanne zwischen dem Auftreten von Kieselalgenmassenentwicklungen während der Stagnationsphase relativ lang sein. Die Rücklösung von Kieselsäure aus dem Sediment ist vorrangig temperaturabhängig und wird durch die Wasserbewegung über dem Sediment gefördert. Erst die Einmischung von Si-haltigem Tiefenwasser in das Epilimnion während der Zirkulation kann dann erneut zu intensivem Kieselalgenwachstum führen.

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Schwefel

Schwefel gelangt durch die Verwitterung schwefelhaltiger Mineralien (Gips, Pyrit) und über atmosphärische Einträge in die Gewässer. Schwefel hat als Nährstoff nur geringe Bedeutung, ist aber an einer Vielzahl von mikrobiellen Stoffumsatzprozessen beteiligt. Unter aeroben Bedingungen liegt der größte Teil des anorganischen Schwefels oxidiert als Sulfat (SO₄^2-) vor. Unter Sauerstoffmangel (Tiefenwasser, Sediment) erfolgt eine Reduktion der Schwefelverbindungen über mehrere Oxidationsstufen. Schwefelreduzierende Bakterien sind am Abbau vom Sulfat bis zum Schwefelwasserstoff (H₂S) beteiligt. Zwischenstufen dieses Abbaus sind Sulfit, Thiosulfat und elementarer Schwefel. Ähnlich der Nitratreduzierung laufen schwefelreduzierende Prozesse an der Sedimentoberfläche am intensivsten ab.

Versauerungsgefährdete, ungepufferte Gewässer sind gegenüber atmosphärischen Schwefeleinträgen gefährdet. Die im sächsichen Raum seit über 4 Jahrzehnten bestehende SO₂-Belastung führte nicht nur zu enormen Waldschäden, sondern auch zu einer starken Versauerung einzelner Fließ- und Standgewässer (teilweise unter pH 5,0).

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2.3.3 Auswirkungen biologischer Aktivität auf die Wasserqualität
Impact of Biological Activity on Water Quality

Neben der unmittelbaren Auswirkung von Schadstoffeinträgen (vergl. Kap. 2.4) auf die Wasserqualität können die unter 2.3.2. beschriebenen Organismen ebenfalls die Wasserbeschaffenheit positiv oder negativ beeinflussen. Obwohl positive Einflüsse durch die Aktivität von Organismen möglich sind und auch in der Gütebewirtschaftung genutzt werden (vergl. Kap. 3.5), wird prinzipiell ein Minimum biologischer Aktivität durch Begrenzung der Wachstumsfaktoren angestrebt.

2.3.3.1 Auswirkungen auf den Wasserkörper und das Gewässer
Impact of Biological Activity on Water Body

Die Intensität der Wirkungen von Organismen sowie von Energie- und Stoffumsatzprozessen wird in erster Linie durch die Intensität des Algenwachstums (vergl. 2.3.2.1) bestimmt, da auf diesem Weg Biomasse gebildet wird, welche dann in vielfältiger Weise von anderen Organismengruppen (Nahrungsnetz) genutzt wird. Dabei sind die Wasserorganismen keinesfalls homogen auf den gesamten Wasserkörper verteilt, sondern orientieren sich an physikalisch/chemischen Gradienten (Licht- und Redoxverhältnisse) und dem Nahrungsangebot bzw. Fraßdruck durch Räuber. Wasserflöhe bilden beispielsweise große Schwärme ("patchiness"), in denen sie sich entsprechend dem täglichen Lichtrhythmus im Tiefenwasser (tagsüber, Schutz vor Räubern) oder im oberflächennahen Bereich (nachts, Filtration von Algen) aufhalten (Grafik).

Phytoplankton (Primärproduzenten)

Das Phytoplankton ist in stehenden Gewässern die einzige Lebensgemeinschaft, die im Freiwasser Photosynthese durchführt. Unter Nutzung anorganischer, energiearmer Nährstoffe sowie des Lichts werden organische, reduzierte, energiereiche Verbindungen (Eiweiße, Fette, Kohlehydrate, vergl. Abb. 6) synthetisiert. Entsprechend den verfügbaren Nährstoffen (Phosphat) wird die Wasserqualität mehr oder weniger intensiv durch die Primärproduktion beeinflußt:

Direkte Auswirkungen des Phytoplanktons:

Erhöhung der Sauerstoffkonzentration (Übersättigung möglich)
Erniedrigung der CO₂-Konzentration*
Ausfällung von Calciumcarbonat ("biogene Entkalkung")*
Erhöhung des pH-Wertes*
Verringerung der Konzentration gelöster Nährstoffe im Freiwasser
Anstieg des Biovolumens
Erhöhung der Trübung
Verringerung der Sichttiefe

*vergl. Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht, 2.3.1.1

Nachts bzw. im Tiefenwasser ist keine Photosynthese möglich. Auch im Phytoplankton überwiegen dann respiratorische (Atmungs-) Prozesse, wobei unter Sauerstoffverbrauch CO₂ entsteht.

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herbivores Zooplankton (algenfressendes Zooplankton, Konsumenten erster Ordnung)

Zu den algenfressenden Zooplanktern gehören sowohl Rädertiere (Rotatorien), Wimpernierchen (Ciliaten), als auch Kleinkrebse. Dabei sind vor allem größere Kleinkrebsformen wie Cladoceren (Blattfußkrebse, Wasserflöhe) und Copepoden (Ruderfußkrebse, Hüpferlinge) effektive Algenfiltrierer. Dieser Zooplanktongruppe kommt im Rahmen von Restaurierungsmaßnahmen von Gewässern (vergl. 3.5, Biomanipulation) eine große Bedeutung zu.

Wesentliche Wirkungen herbivorer Zooplankter auf die Qualität des Freiwassers sind:

Direkte Auswirkungen des Zooplanktons:

Verringerung der Algenbiomasse
Erhöhung der Sichttiefe
Verringerung der Trübung
Respiration (Atmung, Sauerstoffverbrauch, CO₂-Bildung)

Neben Phytoplankton gehören vor allem auch Bakterien zum Nahrungsspektrum filtrierender Zooplankter. Zooplankton kann deshalb auch eine gewisse Rolle bei der Eliminierung von Krankheitserregern spielen.

carnivores Zooplankton (zooplanktonfressend, Konsumenten höherer Ordnung)

Zooplanktonfressende Wasserflöhe (z. B. Leptodora sp.) und Insektenlarven (z. B. Chaoberus spec.) stehen in unmittelbarer Nahrungskonkurrenz mit planktivoren Fischen (planktonfressend). Ihre Bedeutung ist im Rahmen von Maßnahmen der Biomanipulation (vergl. 3.5) nicht zu unterschätzen, da sie die erwünschten Cladoceren und Copepoden dezimieren.

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planktivore Fische (Friedfische, planktonfressend, Konsumenten höherer Ordnung)

Die unmittelbare Wirkung von Fischen auf die Wasserqualität ist mit Ausnahme ihrer Atmungsaktivität als gering einzuschätzen. Die Bedeutung der Friedfische im Hinblick auf die Nahrungsnetzsteuerung (vergl. 3.5) ist jedoch hoch, da sie sich von dem erwünschten Zooplankton ernähren. Die Wühltätigkeit von Fischen (Karpfen) kann zur Schädigung benthischer Lebensgemeinschaften und zu einem Nährstoffrücktransport ins Freiwasser führen. Der Einsatz von pflanzenfressenden, faunenfremden Fischen (Marmor- und Silberkarpfen) zur Verbesserung der Wasserqualität von Standgewässern hat sich nicht bewährt.

piscivore Fische (Raubfische)

Raubfische, die das Endglied der Nahrungskette darstellen, können den Friedfischbestand kontrollieren und somit im Sinne der Biomanipulation zu einer Verbesserung der Wasserqualität führen. Generell ist muß jedoch bedacht werden, daß die jeweiligen Altersklassen unterschiedliche Nahrungsspektren haben. Die Brut vieler Raubfische lebt planktivor, während sich adulte Friedfische auch piscivor ernähren können.

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Abb. 12: Beeinflussung der Wasserqualität durch wichtige Organismengruppen des Freiwassers im Epilimnion

Bakterien

Die in der Primärproduktion gebildete und durch die Nahrungskette veränderte Biomasse wird durch den mikrobiellen Abbau (Bakterien) mineralisiert. Wie bereits in Kap. 2.3.2.2 beschrieben, sind Bakterien in der Lage, die Energie nahezu aller natürlichen Verbindungen über Oxidations- und Reduktionsreaktionen zu verwerten. Alle aquatischen Lebensräume werden mit Bakterienpopulationen besiedelt, die äußerst effektiv die vorhandenen Ressourcen nutzen. Die Vielfalt der dabei ablaufenden Prozesse übertrifft die bereits erwähnten Interaktionen zwischen Phytoplankton, Zooplankton und Fischen mehrfach. Die Wasserbeschaffenheit kann durch bakteriologische Aktivitäten erheblich verändert werden.

Abb. 13: Beispiele von mikrobiellen Umsetzungen beim Abbau von Biomasse

Die in Abb. 13 gezeigten Beispiele zeigen nur einige wesentliche Verbindungen, die beim Abbau von Biomasse entstehen und für die Wasserqualität von Bedeutung sind. Für den Abbau der Biomasse (Umsatz reduzierter, organischer Verbindungen in oxidierte, mineralische Verbindungen) wird Sauerstoff benötigt. Andererseits wird die Abbauleistung der Bakterien entscheidend durch die Sauerstoffverhältnisse geprägt. Die unter aeroben Verhältnissen entstehenden Konzentrationen mineralisierter Verbindungen üben in der Regel keine negativen Einflüsse auf die Wasserqualität im Hinblick auf die Trinkwassernutzung aus. Sie sind ökotoxikologisch unbedenklich. Organische Verbindungen werden durch Bakterien unterschiedlich schnell mineralisiert. Schwer abbaubare Moleküle können über längere Zeit stabil bleiben (Huminstoffe, Braunfärbung) und mit anderen Elementen komplexe Verbindungen eingehen.

Eine hohe Biomassebelastung des Tiefenwassers erhöht die bakteriologische Aktivität und kann einen Verbrauch des gelösten Sauerstoffs zur Folge haben. Unter den vorherrschenden anaeroben Bedingung entstehen Verbindungen, die sowohl im Hinblick auf die Trinkwassernutzung als auch hinsichtlich ihrer Wirkung gegenüber höheren Wasserorganismen bedenklich sind. Ammonium geht z. B. bei höheren pH-Werten in Ammoniak über, welcher unmittelbar ätzend wirkt (Kiemen von Fischen usw.). Schwefelwasserstoff wirkt toxisch und darf im Trinkwasser nicht nachweisbar sein (Geruch). H₂S wirkt außerdem aggressiv gegenüber Armaturen. Anaerobe Verhältnisse (niedriges Redoxpotential) führen zu einer Reihe von Rücklösungsprozessen unerwünschter Inhaltsstoffe aus dem Sediment. Eisen- und Manganrücklösungen zählen zu den häufig auftretende Qualitätsbeeiträchtigungen des Tiefenwassers von tiefen Standgewässern. Die ebenfalls unter anaeroben Bedingungen stattfindende Rücklösung von Phosphor-Verbindungen bewirkt eine Förderung der Primärproduktion (Rückkopplung), wenn das Tiefenwasser in die euphotische (durchlichtete) Schicht gelangt.

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Weitere Organismengruppen

Die oben beschriebenen Lebensgemeinschaften stellen die Gruppen dar, die generell entscheidende Einflüsse auf die Wasserqualität ausüben. Darüber hinaus existieren Lebensgemeinschaften, die entsprechend der Spezifik des Gewässers von Bedeutung werden können. Dazu gehören beispielsweise benthisch lebende Organismen, die in den Fließgewässern, welche den Standgewässern zufließen, einen Anteil an der Selbstreinigung haben. Wasserpflanzen (submerse Makrophyten) und Röhricht tragen entscheidend zur Stabilisierung und Sauerstoffversorgung des Sediments bei und entziehen dem Freiwasser Phosphat (vergl. Pegelschwankungen, Kap. 3.3). Besonders in Flachwasserbereichen mit geringen Pegelschwankungen können sich Biotope ausbilden, welche wertvolle und geschützte Arten beherbergen (Amphibien).

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2.3.3.2 Trinkwasseraufbereitung / Leitungsnetz
Impact of Biological Activity onWater Treatment and Water Supply

Obwohl Probleme der Wasseraufbereitung und -verteilung nicht Gegenstand des vorliegenden Informationssystems sind, werden von Verbänden, Büros und Institutionen, die sich mit der Gewässerqualität beschäftigen, in der Regel grundlegende Kenntnisse über die Aufbereitung des Oberflächenwassers zu Trinkwasser erwartet. Das Rohwasser unbelasteter, oligotropher Seen und Talsperren kann zwar bereits Trinkwasserqualität aufweisen, für den Transport in weitverzweigten Fernleitungsnetzen mit langen Fließ- und Aufenthaltszeiten müssen jedoch einige grundlegende Aufbereitungsschritte erfolgen. Die wichtigsten sind:

Entnahme von Biomasse durch Flockung und Filtration
Einstellung chemischer Gleichgewichte (Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht)
Desinfektion

In der Aufbereitung von Oberflächenwasser kommt der Entnahme von Biomasse neben der Entnahme mineralischer Trübstoffe eine große Bedeutung zu. Dabei richtet sich der technologische Aufwand nicht nur nach der Menge der Biomasse, sondern sehr stark nach deren Zusammensetzung. Große Zooplankter können bereits durch Mikrosiebe eliminiert werden, während das wesentlich kleinere Phytoplankton (5 - 50 µm) in der Regel nur nach vorheriger Flockung (Eisenchlorid, Aluminiumsulfat, Flockungshilfsmittel) filtriert werden kann, da es sonst aufgrund der geringen Zellgröße die Filter ungehindert passiert. Durch die Flockung mit Metallsalzen werden die kleinen Partikel in die größeren Flockenkomplexe eingebunden. Neben der Eliminierung von Partikeln können durch die Flockung auch gelöste Verbindungen (DOC, Phosphat, Eisen) abgetrennt werden. Für die wirkungsvolle Algenentnahme ist nicht nur die Zellgröße, sondern auch die Form der Zellen von Bedeutung. Kleine kugelige Algenzellen (chlorococcale Formen) sind schlechter eliminierbar als sperrige Kieselalgen. Fädige Formen (Cyanobakterien oder Kieselalgen) können die Filter schnell verstopfen.

Einige Algen sind dafür bekannt, daß sie vor allem unter Streß in der Wasseraufbereitung intensive Geruchs- und Geschmacksstoffe (fischig usw.) bilden, die einen zusätzlichen Einsatz von Aktivkohle erfordern [28]. Besonders problematisch ist das Auftreten von Cyanobakterien ("Blaualgen"), da diese neben Allergenen auch Cyto- und Neurotoxine ausscheiden [5].

Viele einzellige Algen (Cyanobakterien, Chrysophyceen, Cryptophyceen, Chlorophyceen) und natürlich die Zooplankter sind eigenbeweglich. Sie können sich aus dem Al- bzw. Eisenflocken befreien und auch auf diese Weise in das Reinwasser und somit ins Leitungsnetz gelangen. Dann ist der Einsatz zusätzlicher Oxidationsmittel zur Hemmung der Beweglichkeit (z. B. Kaliumpermanganat) bereits vor der Filtration erforderlich.

Geringste Biomasseenteile, die in das Reinwasser bzw. ins Leitungsnetz gelangen, sind zwar in der Regel nicht unmittelbar gesundheitlich bedenklich, sie stellen aber einen Nährboden für die Wiederverkeimung des Rohrnetzes dar. In weitverzweigten Leitungsnetzen, in denen der Eintrag gelöster (DOC) oder partikulärer organischer Substanzen nicht vollständig ausgeschlossen werden kann, muß ein Desinfektionsschutz bis zum Endverbraucher gewährleistet sein. Dies erfolgt in vielen Fällen durch den Einsatz von Oxidationsmitteln wie Chlor oder Chlordioxid, welche die Zellmembranen der Bakterien oxidieren. Die Betreiber von Aufbereitungsanlagen streben jedoch eine vollständige Entnahme der Biomasse an, da der Einsatz von Chlor und Chlordioxid bei Anwesenheit organischer Verbindungen zu gesundheitsschädlichen Desinfektionsnebenprodukten führen kann. Einige Versorger in Deutschland kommen bereits mit einer alleinigen UV-Desinfektion am Wasserwerksausgang aus. Unter dem Aspekt des Auftretens chlorresistenter Darmparasiten [11] sollte die Entnahme von Partikeln so perfektioniert werden, daß ein Trübungswert von 0,1 NTU unterschritten wird (Grenzwert nach [24] 1,5 NTU).

Für Einstellung des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts werden in der Wasserwerkstechnologie verschiedene Verfahren eingesetzt. Die Aufbereitung weicher Talsperrenwässer erfolgt in der Regel durch eine geringfügige Aufhärtung auf 4 - 7°dH im Teilstromverfahren (Reinerzauer Verfahren) [3] oder über die Erhöhung des pH-Wertes durch Kalkmilch-Dosierung.

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2.4 Pollutants

Apart from the contamination from nutrients already described, consideration has to be given entry of pollutants into drinking water reservoirs All cases of contamination by pollutants must be prevented whilst giving primary consideration to the aspect of drinking water usage. Organic and inorganic pollutants behave in different ways in the ecosystem of the reservoir. Compounds that are difficult to break down accumulate in the biomass and the sediment whereas materials with shorter half-lives (pesticides for example) do not always have to established by chemical analytic methods but rather via their effect (on organisms in the water for example).

2.4 Schadstoffe
Als Schadstoffe werden gewöhnlich Wasserinhaltsstoffe beschrieben, deren Anwesenheit im Wasser bereits in geringsten Konzentrationen (Spurenstoffe) gesundheitlich bedenklich ist und ökotoxikologische Wirkungen hinterläßt. Dabei können in diesem Rahmen nur die wichtigsten Stoffgruppen erläutert werden. Prinzipiell werden die Gruppen:

organische Spurenstoffe (Kohlenstoffverbindungen) und
anorganische Spurenstoffe unterschieden.

Tab. 7: Überblick über wichtige Spurenstoffe im Wasser, deren Herkunft und Wirkung (vergleiche auch Schadstoffregister!)

Organische Inhaltsstoffe		Anorganische Inhaltsstoffe
PAK(Verbrennungsprozesse, Reifenabrieb) - cancerogen		Schwermetalle: Arsen (geogen, toxisch)
THM, LHKW (Lösemittel, Trinkwasserchlorung, toxisch und cancerogen)	Blei (Installation, chronisch toxisch)
PSM (Insektizide, Herbizide, Fungizide) Triazine Harnstoffderivate Organochlorpestizide Carbamate Phenoxycarbonsäuren	Cadmium (geogen, Industrie, Raucher, chronisch toxisch) Chrom (Industrie, toxisch) Quecksilber (Industrie, toxisch)
Mineralöle (toxisch, ökotoxisch)	Cyanide (Industrie, toxisch)
BTEX-Aromaten (Industrie, toxisch)	Chlorit (Trinkwasserchlorung)

Die Wirkungen dieser Stoffe können toxischer Art sein (chronisch oder akut), sie können außerdem cancerogen (krebserrregend) mutagen (erbgutschädigend) und teratogen (fruchtschädigend) sein. Einige Verbindungen sind schwer abbaubar und können sich im Verlauf der Nahrungskette oder in Sedimenten anreichern. In den Komplex der Schadstoffe gehören auch solche vom Menschen produzierten, naturfremden Verbindungen sowie deren Abbauprodukte, deren Wirkung noch nicht hinreichend bekannt ist. Für alle wichtigen Schadstoffe, die ins Trinkwasser gelangen können, existieren verbindliche Grenzwerte nach [24]. Es ist anzumerken, daß die Vielfalt der umweltrelevanten Stoffgruppen, die durch die chemische und pharmazeutische Industrie produziert werden, permanent wächst. Die Wirkung von Arzneimitteln und Abbauprodukten von Schadstoffen in der Umwelt ist oft nicht hinlänglich bekannt. Darüber hinaus vergeht immer eine gewissen Zeitspanne vom Erkennen neuer Umweltgefährdungen bis zur Entwicklung exakter Analysenverfahren.

Organische Spurenstoffe (Kohlenstoff in vierfach-Bindung) werden größtenteils vom Menschen hergestellt (anthropogen) und sind häufig naturfremd (xenobiotisch). Die Gefahr des Eintrages dieser Stoffe wächst demzufolge mit der Besiedlungsdichte des Wassereinzugsgebiets (vergl. Kap. 3.6). Dies trifft für PAK, chlororganische Verbindungen und Mineralöle zu. Ein hoher Anteil der Pestizidbelastung von Gewässern resultiert neben landwirtschaftlichen Aktivitäten oft auch aus unkontrollierter Anwendung im kommunalen Bereich. Chlorkohlenwasserstoffe (CKW) kommen überwiegend im Gewerbebereich als Lösemittel zum Einsatz, wo vor allem im Grundwasser Verunreinigungen festzustellen sind (Versickerung). Eine besondere Bedeutung besitzen Schadstoffe, die durch die Desinfektion von Trinkwasser entstehen. Unter Anwesenheit organischer Verbindungen können sich Haloforme wie Trihalogenmethane, Chlorphenole und Chlorit bilden.

Anorganische Spurenstoffe gelangen ebenfalls durch menschliche Aktivitäten ins Wasser (Quecksilber) wobei ein Großteil der im Wasser gelösten Verbindungen auch geogenen Ursprungs sind (Arsen). Metalle und Metallsalze stellen die größte Gruppe anorganischer Schadstoffe dar. Da Metalle vor allem in Abhängigkeit vom pH-Wert in Lösung gehen, wird diesbezüglich der Frage der Versauerung große Bedeutung beigemessen (geogene Aluminiumfreisetzung, Kupfer und Blei aus Rohrleitungen).

Cyanide gelangen über Abwässer aus chemischen Betrieben sowie aus Altlastenstandorten (Gaswerke) in die Gewässer. Ein Eintrag aus sanierten Einzugsgebieten ist jedoch nicht zu erwarten.
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2.5Krankheitserreger Pathogens

Trinkwasserbedingte Erkrankungen gaben gegen Ende des 19. Jahrhunderts den Anstoß, erste Normen über die Beschaffenheit und Aufbereitung von Trinkwasser zu erstellen (z. B. Hamburger Cholera-Epidemie 1892, bei der 17.000 Menschen erkrankten) [1].

Trinkwasserbedingte Epidemien gehören in Deutschland weitestgehend der Vergangenheit an. Wie jedoch Beispiele aus den angelsächsischen Ländern in jüngster Zeit zeigen [11] können nachlässig betriebene Trinkwassersysteme angesichts großer Verbundsysteme zu Epidemien von gewaltigem Ausmaß führen. Die öffentlichen Versorger, welche Oberflächenwasser aufbereiten, sind sich dieser Gefahr bewußt und setzen sich deshalb Qualitätsziele, die über die Anforderungen nach [24] hinausgehen (Trübung: statt 1,5 NTU 0,1 NTU). Die größerer Gefahr für den einzelnen Verbraucher geht heutzutage eher aus falsch verstandenen Sparzwängen aus. Die Abkopplung von öffentlichen Versorgungsnetzen und unsachgemäß betriebene Eigenwasserversorgungen sind laut Statistik derzeit Ursache der häufigsten trinkwasserbedingten Erkrankungen.

Die wichtigsten Krankheitserreger gehören zu den großen Gruppen der Viren, der Bakterien und der parasitisch lebenden Protozoen. Sie können auf unterschiedlichen Wegen in die Oberflächengewässer gelangen. Hauptquellen sind kommunale und landwirtschaftliche Abwässer (erkrankte Viebestände). Neben dem direkten Eintrag von Erregern stellen schlecht gepflegte Rohrnetze und Hochbehälter Wiederverkeimungspotentiale dar. Die Aufnahme der Erreger erfolgt in der Regel oral oder durch Einatmen von Aerosolen (Legionella pneumophila).

Die folgende Tabelle stellt die bekanntesten und stark virulente Erreger dar. Darüber hinaus existiert eine Vielzahl von bekannten Erregern, die jedoch in mehr oder weniger pathogenen Stämmen auftreten können (Salmonellen). Schwache Krankheitsverläufe, wie unspezifische Durchfälle, können trinkwasserbedingt sein. Sie werden jedoch nur selten ärztlich behandelt bzw. statistisch erfaßt.

Tab. 8: Überblick über wichtige Krankheitserreger im Wasser und deren Krankheitsbilder

Erreger

Erkrankungsbild

Bakterien

Pathogene E. coli (EHEC)

Salmonella div. spec.

Shigella

Vibrio cholerae

Legionella pneumophila

Enteritis, Colitis

Gastro-Enteritis (u. a. Thyphus)

Ruhr

Cholera

schwere Lungenentzündung

Viren

Enteroviren (Coxsacki, Polio)

Rotaviren

Hepatitis - A

Colitis bei Säuglingen

Protozooen

Cryptosporidium parvum

Giardia intenstinalis

Entamoeba histolytika

Colitis

Unter den genannten Erregern sind viele, die durch die klassischen Bestimmungsmethoden (Indikatorsystem, s..4.4) erfaßt werden und durch oxidative Verfahren (Chlor) abgetötet werden können. Die bereits erwähnten Epidemien im angelsächsischen Raum durch Cryptosporidien und Giardien lösten jedoch auch in Deutschland eine erneute Diskussion über die hygienischen Anforderungen an die Trinkwasserversorgung aus Talsperren aus. Diese Protozoen sind chlorresistent, wobei bereits eine lebenfähige Cyste eine Infektion auslöst. Man geht deshalb daran, Verfahren der Wasseraufbereitung dahingehend neu zu bewerten, daß nicht nur partikuläre Inhaltsstoffe insgesamt (ästhetische Aspekte) sondern auch einzelne Organismen aus dem Wasser abgetrennt werden müssen.
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3 Wassergütebewirtschaftung und Gewässersanierung
Water Quality Management, Restauration and Sanitation

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 Gewässertgüte bewirtschaftet zu werden. Dies ist meist wenig kostenaufwendig und erfolgt darüber hinaus oft im Einklang mit den Anforderungen des Umwelt- und Gewässerschutzes.

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

Einen Schwerpunkt der Gütebewirtschaftung stellt die Minimierung der Primärproduktion dar, da das übermäßige Wachstum von Organismen zu den Hauptproblemen des Qualitätsmanagements von Gewässern gehört (vergl. 2.3.3). 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 Trinkwassertalsperren

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

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3.1 Unterschied Talsperre / See Differences between Reservoirs and Lakes

The following conditions must be considered for an understanding of self-cleaning processes in drinking water reservoirs compared to natural lakes:

The period of time the water remains and accordingly the time in which nutrients sediment in the form of particles is considerably shorter (0,1 to max. 10 years).
There is constant transportation of material from the base of the in the direction where water is drawn off , there are vertical and horizontal gradients.
The thickness and composition of the sediment in reservoirs has other characteristics.
Comprehensive management of water quantity is possible with respect to requirements imposed by water quality (drawing off, inflows).

Bevor die Gütebewirtschaftungs- und Sanierungsmöglichkeiten dargestellt werden, sollen an dieser Stelle anknüpfend an Kapitel 2 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.

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3.2 Kurzfristige Steuerung und Routinebetrieb Short-term Management

In accordance with the expected properties of untreated water and possible dangers from the catchment area, technical installations such as reservoirs offer the possibility of influencing the quality of water by on-line control in the intakes and discharge areas and also in the water body itself.

Water can be supplied or retained in shafts and tunnels already in the catchment area, according to requirement and quality. Reservoir water can be take in at several horizontal levels so that an appropriate quality of water can be used. Deeper water rich in nutrients can be discharged through ground drains, blue green algae can be fed into the siphon pipe by draining surface water through the flood relief installation that supplies a lifting line. (Figure)

Drainage of deep water rich in nutrients and aeration of deep water are usual methods in reservoir operations in terms of improvement of water quality.

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 3.1 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.

Kurzfristige Steuerung von Trinkwassertalsperren:

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

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 .4.3) kann die Einschichtung gut verfolgt werden und mit der Rohwasserentnahme entsprechend ausgewichen werden.

Abb. 18: Beispiele für Kurzschlußströmungen entsprechend der Temperatur von Zuläufen

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. 2.3.3.1). 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.

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3.3 Mittelfristig wirkende Bewirtschaftungs- und Eingriffsmöglichkeiten
Medium-term Management and Intervention Possibilities

Optimal water quality can be reached by using a balanced water retention plan with slight variation in levels. Erosion processes along the banks are avoided Since the growth of submersed macrophytes (under water plants) which also take algae nutrients out of the water is possible. These are then fixed in the plant biomass in the sediment.

Anhand der Erkenntnisse aus der Limnologie (Kap. 2.1) 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:

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Steuerung des Beckeninhaltes von Talsperren:

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.

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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.

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

Introduction of Technical Methods for the Sanitation of Drinking Water Resources

Chemical and biochemical procedures can be used to refurbish polluted reservoirs (phosphate precipitation, introduction of oxidation and reduction agents to manipulate the nitrogen cycle), although these procedures are time consuming and rich in by products:

Limitation of light

The deep reservoirs have the option of reducing the growth of phytoplankton by artificially circulating (mixing) the water body all year round. The algae cells enter into the deeper water visible with little light. Reduction in availability of light is possible in very narrow reservoirs by planting trees at the north end of the shore.

Elimination of nutrients by using pre dams and dams in the upper flow of drinking water reservoirs

The option of removing the algae biomass is opened by operating pre damswhich guarantee a sufficient period of stay [7]. Pre dams are used in the overflow so that the phytoplankton sediment. The sediment in the pre dam then has to be cleaned out at regular intervals.

If several reservoirs are operated in a cascade, there is the option of managing the connected reservoirs - with the exception of the last reservoir - in such a way that material decomposition processes are encouraged (fish stocking. circulation of shallow reservoirs). The objective of this encouragement is the intensification of phytoplankton growth. Microfiltration can be used to separate the nutrients transferred as dissolved particles in the discharge of the installation so that the discharge itself then has lower nutrients.

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. 2.3.2.2). Zum Einsatz kommen unterschiedliche Systeme, die entweder Druckluft oder reinen Sauerstoff eintragen.

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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.

Abb. 23: Schematische Darstellung des Wirkprinzips hypolimnischer Begasung (nicht in der Internet-Version)

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.

Limitation of light

Lichtlimitierung

Wie im Kapitel 2.3.2.1 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 (vergl. Kap.2.2.2) wird, um so seltener gelangen die Algen in den durchlichteten Bereich. Wenn die Lichtintensität den Kompensationspunkt (vergl. 2.2.1) 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

C_max = 50 (27/z_m - ? _w)

C_max Maximale Algenkonzentration [mg Chlorophyll/m³]

z_m Durchmischungstiefe [m]

? _wExtinktionskoeffizient des Wassers, ohne Algen [m^-1]

Dieses Verfahren eignet sich demzufolge vor allem an tiefen Gewässern mit hoher 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.
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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 (vergl. 2.3.2.2). 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 (vergl. Kap. 3.3). Durch die Sedimentberäumung wird auch eine Vergrößerung des Beckenvolumens erreicht, was prinzipiell positive Auswirkungen auf die Wasserqualität hat.

Sedimentstabilisierung

Wie im Kapitel 2.3.2 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.

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Eliminierung von Phosphor in den Zuläufen von 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.

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3.5 Nahrungsnetzsteuerung als langfristige Bewirtschaftungsstrategie
3.5 Foodchain Control as a Long-term Management Strategy

Biological procedures for restoring waters acquire greater significance when considering global and regional aspects and also against the background of rising costs for disposal and deployment of energy: All biological procedures for restoring waters are orientated towards reducing concentrations of nutrients, pollutants or phytoplanktons by controlling the growth factors (nutrients, light, grazing).

Controlling the food web

One method of controlling eutrophication in standing waters is the top down control of the food web (biomanipulation). Disturbing biovolumes can already be reduced in waters used for the production of drinking water by deliberately intervening in the food chain fish - zootoplankton - phytoplankton. The fact that phytoplankton contents appear in waters "clear water states" in spite of relatively high nutrient pollution is a starting point for considering whether to encourage this stated in a suitable way. These "clear water states" are caused by larger zooplankters (primarily water fleas, genus Daphnia, > 1mm), which basically have the phytoplankton as their basic food and which filter this very effectively out of the water.

The concept of manipulating the food chain (biomanipulation) is based on the control or encouragement of this large zooplankton by intervening in the final link of the food chain in the lake, the fish. The desired effect continues like a cascade through the whole food chain (Figure).

The reduction of fish that consume zooplankton encourages the propagation of large zooplankters. The increased filtering capacity of the zooplankton causes a reduction in the algae biomass with an increased water clarity (visible depth). Sufficient reduction of the external pollution means biomanipulation can to bring about long term lowering of the phosphate pollution by phosphate fixation on particles and sedimentation and reduction in the phytoplankton biomass even within the lake itself.

3.5 Nahrungsnetzsteuerung als langfristige Bewirtschaftungsstrategie

Die Nahrungsnetzssteuerung (Biomanipulation) ist eine Methode, um auf rein ökologischem Weg unter Nutzung natürlicher Interaktionen innerhalb der Organismengemeinschaften zu einer Verbesserung der Wasserqualität zu kommen. Dabei wird nicht, wie bei den in Kap. 3.3 beschrieben, auf die Limitierung von Ressourcen (Licht, Phosphat, "bottum up"-Steuerung Abb. 16), sondern auf eine von der Spitze der Nahrungskette her gerichtete Verbesserung der Wasserqualität ("top down-Steuerung") orientiert.

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, 1mm), welche überwiegend das Phytoplankton zur Nahrungsgrundlage haben und dieses sehr effektiv aus dem Wasser filtrieren.

Abb. 24 : Schema der Nahrungsnetzsteuerung (Biomanipulation)

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 Alterstruktur 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.
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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.

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 Palnktonstruktur 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. 2.3.2.2) 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).

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3.6 Schutz und Sanierung von Einzugsgebieten

Protection and Sanitation of Watersheds

The influence of watershed usage on the quality of drinking water and refurbishing the catchment area

Precise ("point") and diffuse ("nonpoint") entry of extremely varied materials can be followed in the inflows into the reservoir from the catchment area. Diffuse pollution enters into the waters from the air and via the surface of the catchment area, whereas the precise contaminants can be exactly located.

Entry of sewage water/effluent

Influence

Communal waste water enables especially phosphor and nitrogen compounds, various organic substances detergents and morbidic agents to be introduced into the waters. The entry of nutrients, especially phosphor, leads to the eutrophication.

Refurbishment/Control

The introduction of sewage, also treated water, generally cannot be tolerated in water conservation areas. Industry and townships therefore have to be connected to sewage plants and their discharge has to be drained away from the catchment area of the reservoir.

This is, for example, why all larger towns area connected to a sewage line in the catchment area of the Leibis-Lichte reservoir under construction in the Thuringia Slate Area: a sewage pressure line travels round the reservoir and discharges into a sewage plant outside the catchment area. This sewage line is provided with multiple leakage control.

However in some cases, the connection of individual farms or forestry buildings to the sewage mains can result in high expenditure that bears no relation to water conservation benefits. Individual solutions have to be found in such cases, especially well-sealed sewage pits, for example, which have to be regularly emptied.

Diffuse entries from agriculture

Influence

Pollution caused by agriculture consists especially of groups of nitrogen and phosphor compounds as well as plant treatment chemicals and insecticides. The entry of morbidic agents can also be of significance. Pollutants enter into the waters especially via tributaries, groundwater and drainage water, erosion and wash out, direct entries and atmospheric entries.

Intensive agricultural use of the catchment areas is usually reflected by high nitrate contents in the waters. The large excess of nutrients caused by not fertilising according to requirements presents a large problem. A large proportion of the phosphorus entries from diffuse sources enter into the waters via soil erosion. The problem of soil erosion is especially large for field surfaces not protected by vegetation and where agricultural methods do not take profiles and soil conditions into consideration.

Illustration A: Relationship between mean nitrate content and agricultural acreage shown for 10 reservoirs in Thuringia

Seven drinking water reservoirs in Thuringia have a catchment area proportion of max. 10% of the agricultural acreage (Illustration A). The mean nitrate content for these reservoirs is below 8 mg/l (limiting value according to 50 mg/l). On the other hand, more than 50% of the catchment area for the Weida - Zeulenroda and Lössau reservoirs is used agriculturally, the nitrate concentrations are therefore correspondingly high (mean value untreated water 1995: 49 mg NO₃/l).

Refurbishment/Control

Agriculture conducive to water conservation can be achieved for the reduction in the entry of materials from agriculture through consultation with the farmers concerned by advising agriculture; by developing cooperation between agriculture and water management and via development programs. Legally binding conditions can also be drawn up by designating water conservation areas. These higher ranking measures help in facilitating or enforcing direct measures.

Agricultural use of acreages in drinking water conservation zones must be orientated towards the place where the water is drawn off and must be suboptimally organised. Erosion and wash out have to be reduced by avoiding openly exposed soil: surfaces near the water should therefore be protected by a layer of vegetation the whole year. Agricultural fertiliser should not be applied to steeply sloping fields in order to avoid wash out being caused by heavy rainfall. Heavily flooded areas should also be taken out of intensive use.

Entry of nutrients into reservoir inflows can be reduced by fertilising according to requirements. Agricultural fertilisers, such as liquid manure, slurry, or stable manure should only be spread on the fields during the period of vegetation when the applied nutrients can be taken up by the plants. Further reductions in the entry of pollutants can be achieved by installing embankment strips at the inflows into the reservoir.

Example:

Several of the above mentioned measures are currently being put into use for the Weida-Zeulenroda reservoir system in East Thuringia which has a catchment area where 61 % of the acreage is used agriculturally in order to alleviate the very tense situation there. A programme that is currently being drawn up shall be used to inform farmers working in the catchment area of the options of farming in a way that is conducive to water conservation whose implementation shall be supported. At the same time contracts of cooperation are to be worked out for the farmers and signed in order to contractually specify the details of measures for water protection. Part of the measures to be observed by the farmers implies additional limitations to proper farming so that implementation means further increased costs and loss of yield: these shall have to be compensated. The Thuringia Reservoir Administration accordingly paid compensation to agriculture of several hundred thousand German marks for the first time in 1994 in order to balance out extra costs and loss of yield in favour of water conservation so as to bring about favourable acceptance of vitally essential measures taken in the catchment area. Long term success can neverthless be expected here.

Road drainage water

Influence

The pollutants can be traced back to wear and tear from drip loss of petrol and motor oil, tyres, road surface, exhaust gas emission, accidents and also the used of road salt.

Refurbishment/Control

Direct discharge of road drainage into the surface water must be avoided. It can be collected in main collectors, treated and then drained away from the catchment area whenever possible.

As a rule, only a few roads should pass through the catchment area if possible. Erection of crash barriers and protection walls in especially dangerous places prevents vehicles falling on to the shore embankment or directly into the water after a crash. Transportation of materials harmful to water is not tolerable, especially in the closer protection areas [3]. There is also the option of reducing the introduction of pollutants into the water by planting the sides of the roads and by looking after them in a way that protects water quality.

Atmospheric Deposits

Pollutants from industry, traffic, households as well as power and heating stations can be carried into the reservoirs via the air. The acidifying agents SO₂ (sulphur dioxide) and NO_x (nitric oxids) are of special importance, not to mention potential toxins such as heavy metals and various organic compounds.

Diffuse entries from forestry

Influence

The forest is generally the best protection for drinking water. The entry of pollutants from forestry is nevertheless possible, they are usually of lesser significance than those from other sources of entry. Erosion processes in forestry areas represent danger for the waters. The causes could be forest clearance, forestry operations that do not protect the soil and the planting of timber unsuitable to the location.

Refurbishment/Control

Approaches in forestry which protect soil and water can minimise entry of pollutants from forestry via erosion (no clearing, for example, no entry of timber hauling vehicles on tracks and backcuts).

Areas or forestry are bought by the Thuringia Forest Administration and cultivation contracts are signed with the forestry operators in order to exert influence on forestry with respect to water conservation.

3.5 Schutz und Sanierung von Einzugsgebieten

An Oberflächengewässern, vor allem an solchen, die der Trinkwassergewinnung dienen, muß der Eintrag von Abwasserinhaltsstoffen aller Art in die Talsperrenzuflüsse 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:

Tab. 9: Abgrenzung von Trinkwasserschutzgebieten und dort unzulässige Handlungen

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 Talsperrenwässern 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.

Wirksamer Gewässerschutz vor allem in besiedelten Einzugsgebieten ist in der Regel mit Interessenskonflikten zwischen Flächennutzern und Versorgern verbunden. Gesetzliche Vorschriften und Richtlinien müssen deshalb praktikabel sein und von allen Partnern akzeptiert werden. Einen guten Weg zur Annäherung der Standpunkte im Sinne des Gewässerschutzes ist der Abschluß von Kooperationsvereinbarungen zwischen den Partnern. Der Wasserversorger sollte Mittel für die gezielte Förderung von Maßnahmen zur Vermeidung von Verunreinigungen bereitstellen.
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4 Wasseruntersuchungen
Water Quality Testing and Sampling

Die Untersuchung von Oberflächengewässern 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 (4.1, 4.2, .4.3) Überschneidungen gibt.
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4.1 Umweltüberwachung zur Charakterisierung von Gewässern
Environmental Monitoring

Die Charakterisierung von Oberflächengewässern erfolgt in erster Linie nach deren Belastung mit Nährstoffen für die Primärproduktion des Phytoplanktons (Trophie) [18, 26]. Darüber hinaus gibt es u. a. Einstufungen nach dem Salzgehalt [13] und nach der Eignung für die Trinkwasseraufbereitung [21].

Da, wie in Kap 2.3.2 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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4.2 Steuerkriterien Control Criteria

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. Talsperrenspezifisch werden weitere Kriterien zur Steuerung herangezogen, welche häufig zu Qualitätsbeeinträchtigungen führen können (Eisen, Mangan, Nitrat, Färbung).

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4.3 Überwachung von Trinkwasserressourcen Monitoring of Drinking Water Resources

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 und vertragliche Regelungen zwischen Rohwasserlieferer und Rohwasserabnehmer. Neben den Untersuchungen für die Talsperrensteuerung (4.2) 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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4.4 UntersuchungsmethodenTesting Methods

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.

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

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 DOCund AOX (adsorbierbare chlororganische Verbindungen) gemessen.

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Tab. 12: Beispiele für "klassische" Untersuchungsmethoden im Labor

Bezeichnung		Meßprinzip
Titration		bekannte Lösung bekannter Konzentration reagiert mit Probe (bekannntes 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)

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

Hydrobiologie

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.

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.

Toxikologie

Toxikologische Methoden basieren auf der Erfassung bestimmter Leistungen von Organismen (Wachstum, Vermehrung, Bewegung, Leuchtkraft, Tod). Der Nachweis bzw. "Nicht-Nachweis" der Reaktion ab einer bestimmten Konzentration oder Verdünnungsstufe wird ermittelt.

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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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5 Strategien zur Verbesserung der Wasserbeschaffenheit
Universal Strategies for Water Quality Improvement

Natural waters, soils and the atmosphere are being increasingly polluted in mind, strategies must be developed for the use of surface waters which protect the high standards of drinking water, starting with the catchment area via the reservoir to the end consumer.

Complex methods of combating causes and water conservation strategies for drinking water reservoirs combined with sensible use of self-cleaning processes in the waters of the entire catchment area by using ecological control and by giving due consideration to ecological aspects lower expenditure of costs and waste disposal represents a strategy for the future when compared to water treatment technology that becomes more and more complex.

Angesichts der global steigenden Bevölkerungsdichte ist eine globale Zunahme der Wahrscheinlichkeit von Verunreinigungen des Wassers, des Bodens und der Atmosphäre gegeben. Neben der direkten Gefährdung durch Schad- und Nährstoffe wirken unabsehbare klimatische Einflüsse auf die Wasserqualität (Verdunstung, Erosion, Hochwasser). Auf der anderen Seite fordert die steigende Bevölkerungsdichte die Schaffung stabiler Ressourcen in möglichst unbeeinflußten Gebieten, wodurch die Transportwege für das Wasser immer größer werden. Der damit erforderliche hohe Anschlußgrad an große Verbundwasserversorgungen setzt die Einhaltung höchster Qualitätsziele im Hinblick auf Krankheitserreger und Schadstoffe im Trinkwasser voraus. Die Reinigung und Aufbereitung von verunreinigtem Wasser ist mit Energie- und Stoffeinsatz, Abproduktanfall sowie Kosten verbunden, was letztendlich bedeutet, daß eine zusätzliche Umweltbelastung für die Beseitigung von Verunreinigungen aus dem Wasser unumgänglich wird.

Unter diesen o. g. Aspekten kommt dem vorbeugenden Gewässerschutz die entscheidende Bedeutung zu. Die Verhinderung von Verschmutzungen ist nicht nur preiswerter, sondern in jedem Fall gesamtökologisch sinnvoller. Die Wasserpolitik der Deutschlands orientiert sich deshalb an der Maxime, vordergründig nach Sanierungswegen im Einzugsgebiet zu suchen. Dies ist mit Nutzungskonflikten verbunden, die nur in Kooperation zwischen den jeweiligen Nutzern gelöst werden können.

Der Ersatz bzw. die Außerbetriebnahme von kleinen Wasserversorgungsanlagen zugunsten großer Verbundsysteme schafft zusätzliche Sicherheit, weil dann eine zunehmende Minimierung des Betriebsaufwandes für Aufbereitung und Überwachung möglich wird.

Erst wenn sich abzeichnet, daß alle Maßnahmen für die Sanierung des Einzugsgebiets nicht zu der geforderten Qualität führen, und daß die betroffenen Ressourcen nicht durch andere ersetzt werden können, müssen Sanierungs- und Aufbereitungsverfahren zum Einsatz kommen, die über das übliche Maß hinausgehen. Ökologisch orientierte Verfahren, die natürliche Selbstreinigungsprozesse unterstützen, stehen dabei stets im Vordergrund (vergl. Kap. 3).

Die durch die Gesundheitsbehörden jährlich veröffentlichten Daten zur Trinkwasserqualität verdeutlichen, daß der aufgezeigte Weg seinen berechtigten Platz hat.

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6 Literatur Bibliography

[1] ABEL, R., 1911: Die Vorschriften zur Sicherung gesundheitsmäßiger Trink- und Nutzwasserversorgung. Berlin.

[2] Arbeitskreis Biologie der ATT, 1998: Technische Information Nr. 7, Erfassung und Bewertung von Planktonorganismen.+ CD, Oldenbourg-Verlag, ISBN 3-486-26369-2

[3] BALDAUF, G. und J. RAPP, 1991: Erfahrungen mit dem Reinerzauer Verfahren zur Teilstromaufhärtung bei Aufbereitung eines weichen Talsperrenwassers. In: Trinkwasser aus Talsperren, ATT, Oldenbourg-Verlag. S.177-194.

[4] BESCH, W.-K., A. HAMM, L. LENHART, A. MELZER, B. SCHARF, C. STEINBEREG, 1992: Limnologie für die Praxis. Landsberg.

[5] Bundesgesundheitsamt 1992: Schutz von Badenden vor Algentoxinen und Allergenen in Badegewässern durch Einhaltung der Anforderungen nach EG-Richtlinie. Bundesgesundheitsbl. 6/92, Berlin.

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(Kap. 1/ 2/ 2.1/ 2.2/ 2.3/ 2.4/2.5/3/3.1/3.2/3.3/3.4/3.5/3.6/4.1/4.2/4.3/4.4/5/)

[6] DIN 50 930, Teile 1 bis 5, Korrosion metallischer Werkstoffe im Inneren von Rohrleitungen, Behältern und Apparaten bei Korrosionsbelastung durch Wässer. Berlin

[7] DIN 4030, Teile 1 und 2, Beurteilung betonangreifender Wässer, Böden und Gase. Berlin

[8] DIN 1988, Teil 7, Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen; Vermeidung von Korrossionsschäden und Steinbildung. Berlin

[9] DVGW, F. H. FRIMMEL, 1993: Wasserchemie für Ingenieure, Lehr- und Handbuch, Bd. 5. München.

[10] DVGW-Regelwerk W 102, 1975: Richtlinien für Trinkwasserschutzgebiete, II: Teil, Schutzgebiete für Trinkwassertalsperren.

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(Kap. 1/ 2/ 2.1/ 2.2/ 2.3/ 2.4/2.5/3/3.1/3.2/3.3/3.4/3.5/3.6/4.1/4.2/4.3/4.4/5/)

[11] Edwards, D. D.1993: Troubled waters in Milwaukee. ASM News Vol. 59, No. 7, 342-345.

[12] Fachbereichsstandard DDR 1983: TGL 27885/2, Nährstoffelimination in Vorsperren. Berlin

[13] Fachbereichsstandard DDR 1983: TGL 27885/01, Stehende Binnengewässer, Klassifizierung. Berlin

[14] JÄGER, D. und R. KOSCHEL 1995: Verfahren zur Sanierung und Restaurierung stehender Gewässer. In: Limnologie Aktuell, Bd. 8. Stuttgart.

[15] KTW-Empfehlungen. Gesundheitliche Beurteilung von Kunststoffen und anderen nichtmetallischen Werkstoffen im Rahmen des Lebensmittel- und Bedarfsgegenständegesetzes für den Trinkwasserbereich. Bgesundh. Bl. Jg. 77, 1. U. 2. Mitt.

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(Kap. 1/ 2/ 2.1/ 2.2/ 2.3/ 2.4/2.5/3/3.1/3.2/3.3/3.4/3.5/3.6/4.1/4.2/4.3/4.4/5/)

[16] LAMPERT, W. 1993: Limnoökologie. Thieme Verlag. Stuttgart.

[17] LAWA, 1991: AQS-Merkblätter für die Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung, Loseblattsammlung. Berlin

[18] LAWA-Arbeitskreis "Gewässerbewertung - stehende Gewässer", 1996: Gewässerbewertung - stehende Gewässer, Entwurf. unveröff.

[19] OSKAM, G. 1995: Begrenzung der Algenentwicklung in Reservoiren durch Lichtlimitierung. In: Probleme der Trinkwasserversorgung aus Talsperren, Schriften des Wahnbachtalsperrenverbandes 4, Skt. Augustin

[20] PRIEN, K.-J., 1995: Erfahrungen mit der hypolimnischen Belüftung stehender Gewässer. In: Probleme der Trinkwasserversorgung aus Talsperren, Schriften des Wahnbachtalsperrenverbandes 4, Skt. Augustin.

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(Kap. 1/ 2/ 2.1/ 2.2/ 2.3/ 2.4/2.5/3/3.1/3.2/3.3/3.4/3.5/3.6/4.1/4.2/4.3/4.4/5/)

[21] Richtlinie des Rates vom 16. Juni 1975 über die Qualitätsanforderungen an Oberflächenwasser für die Trinkwassergewinnung in den Mitgliedsstaaten (75/440/EWG): Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaften, Nr. L 194/34-39, 25.07. 75 geändert 9. 10. 79.

[22] Richtlinie des Rates vom 15. Juli 1980 über die Qualität von Wasser für den menschlichen Gebrauch in den Mitgliedsstaaten (80/778//EWG): Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaften, N. L 229/11

[23] Richtlinie des Rates vom 18. Juli 1978 über die Qualität von Süßwasser, das schutz- und verbesserungsbedürftig ist, um das Leben von Fischen zu erhalten (78/659/EWG): Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaften, N. L 229/11

[24] Trinkwasserverordnung in der Fassung vom 5. 12. 1990 BGBl. der BRD I (Kap. 1)

[25] UHLMANN, D. 1988: Hydrobiologie. Fischer, Jena.

[26] WILLMITZER, H., 1994: Limnologische Untersuchungen an Trinkwassertalsperren in Thüringen, Sachsen und Sachsen-Anhalt im Überblick. In: Die Biologie der Trinkwasserversorgung aus Talsperren. Academic Book Centre, De Lier, 13-29.

[27] WILLMITZER, H., 1995: Biomanipulation zur Sanierung von Seen und Talsperren. In: Wasserwirtschaft, Wassertechnik 3/95, Berlin, 20-22.

[28] WILLMITZER, H., 1997: Qualitätsziele und ökologische Bewirtschaftung von Trinkwassertalsperren. In: Wasser & Abwasser Praxis 4/97, Gütersloh, 14-18.

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Keywords Suchfunktion

Aerober Abbau Kap. 2.3.3.1

Algen Kap. 2.3.2.1, Kap. 2.3.3.1

Aluminium Kap.2.3.1, Kap. 2.4

Ammonium Kap. 2.3.2.2, Überwachung Kap. 4

Analytische Qualitätssicherung Kap. 4.4

Anreicherung (Analytik) Kap. 4.4

Aufenthaltszeit Kap. 3.1

Auftrennung (Analytik) Kap. 4.4

Agar-Nährböden Kap. 4.4

Anaerober Abbau Kap. 2.3.3.1

Anforderungen an die Rohwasserqualität Kap.1

Atmung Kap. 2.3.3.1

Bakterien, Nahrungsnetz Kap. 2.3.2.1, Wirkungen Kap. 2.3.3.1

Bakteriologie - Methoden Kap. 4.4

Beckenvolumen Kap. 2.2.3

Beckenmorphologie Kap. 2.2.3

Belüftung Kap. 3.3

Beton Kap. 2.3.1.2

Biologie Grundlagen Kap. 2.3.2

Biomanipulation Kap. 3.4

Biomassebildung Kap. 2.3.3.1

Blaualgen Kap. 2.3.2.2

Blei und Korrosion Kap. 2.3.1.2

Cadmium Kap. 2.4

C - Kohlenstoff Kap. 2.3.2.2

Chemische Reaktionen Kap.2.3.1, Wasseraufbereitung Kap. 2.3.3.2

Chlorphenole Kap. 2.4

Chlorresistente Erreger Kap. 2.5

Chrom Kap. 2.4

C-Quellen Kap. 2.3.2.2

Cryptosporidien Kap. 2.5

Cyanide Kap. 2.4

Cyanobakterien Kap. 2.3.2.2

Daphnien Kap. 3.4

Definition Limnologie Kap. 2

Desinfektion Kap. 2.3.3.2

Desinfektionsnebenprodukte Kap. 2.3.2.2, Kap. 2.3.3.2, Kap. 2.4

Destratifikation Kap. 3.3

Detektion Kap. 4.4

Dichteanomalie des Wassers Kap. 2.2.2

DOC Kap. 2.3.2.2

E. coli Kap. 2.5

Einzugsgebietsgröße Kap. 2.2.3, Gewässerschutz Kap. 3.5

Eisen und Korrosion Kap. 2.3.1.2

Eisen und pH-Wert Kap. 2.3.2.2

Energieaustausch - Biologie Kap. 2.3.2.1

Enteroviren Kap. 2.5

Entnahmetiefe Kap. 3.2

Epidemien Kap. 2.5

Epilimnion-Volumen Kap. 3.3

Erosionsvermeidung Kap. 3.3

Färbung des Wassers Kap. 2.2.1

Filtration (Technologie) Kap. 2.3.3.2

Fische, Nahrungsnetz Kap. 2.3.2.1, Wirkungen Kap. 2.3.3.1, Bewirtschaftung Kap. 3.4

Fischbesatz Kap. 3.4

Flächennutzung Kap. 3.5

Flachsee Kap. 3.1

Flockung Kap. 2.3.3.2

Gewässerschutz Kap. 3.5

Giardien Kap. 2.5

Gradienten - biologische Kap. 2.3.3.1

Haloforme Kap. 2.4

Hydrobiologie - Methoden Kap. 4.4

Hypolimnion-Volumen Kap. 3.3

Hypolimnische Belüftung Kap. 3.3

Indikatorsystem Kap. 2.5

Infektionen Kap. 2.5

In-situ-Messungen Kap. 4.2

Ionenhaushalt Kap.2.3.1

Klima-Einflüsse Kap. 2.2

Kieselsäure Kap. 2.3.2.2

Kieselalgen Kap. 2.3.2.2

Kohlensäure-Bindungsformen Kap. 2.3.1.1

Kohlensäure - Einfluß von Organismen Kap. 2.3.1.2, Kap. 2.3.2.2

Kohlenstoff - Kreislauf Kap. 2.3.2.2

Konkurrenz Kap. 2.3.3.1

Krankheitserreger Kap. 2.5

Kunststoff Materialien Kap. 2.3.1.2

Kupfer und Korrosion Kap. 2.3.1.2

Kurzschlußströmung Kap. 3.2

Legionellen Kap. 2.5

Leitfähigkeit, elektrische Kap. 4.4

Leitungsnetz Kap. 2.3.3.2

Lichtlimitierung , künstlich Kap. 3.3

Lufteintrag Kap. 3.3

Makrophyten Kap. 2.3.3.1

Mangan Kap. 2.3.2.2

Meßstellen Kap. 4.1

Metalle und Korrosion Kap. 2.3.1.2

Methoden der Wasseruntersuchung Kap. 4.4

Mikrogramm (µg) Kap. 4.4

Milligramm (mg) Kap. 4.4

Mineralöle Kap. 2.4

Multisonden Kap. 4.4

N - Stickstoff Kap. 2.3.2.2

Nährstoffe Kap. 2.3.2.2

Nährstoffeliminierung Kap. 3.2

Nahrungskette Kap. 2.3.2.1

Nahrungsnetz Kap. 2.3.2.1, Beeinflussung Kap. 2.3.3.1

Nahrungsnetzsteuerung Kap. 3.4

Nitrat Kap. 2.3.2.2, Bewirtschaftung Kap. 3.3, GewässerschutzKap. 3.5

Nitrit Kap. 2.3.2.2

Ökologische Verfahren Kap. 1

Ökologisch verträgliche Bewirtschaftung Kap. 3.2

Organismengruppen Kap. 2.3.2.1

Oxidationsstufen Kap. 2.3.2.2

PAK Kap. 2.4

Pegelschwankungen Kap. 3.3

Pestizide Kap. 2.4

Phosphor Kap. 2.3.2.1, Kap. 2.3.2.2, Flächen- und Volumenbelastung Kap. 3.3

Photometrie Kap. 4.4

Phytoplankton Kap. 2.3.2.1, Kap. 2.3.3.1, Kap. 3.4

pH-Wert-Sättigungs-pH Kap. 2.3.1.1

pH-Wert-Stabilität Kap. 2.3.1.2, Beeinflussung durch Organismen Kap. 2.3.3.1, Messung, Kap. 4.4

Plankton Kap. 2.3.2.1

PON Kap. 2.3.2.2, Kap. 3.4

Primärproduktion Kap. 2.3.2.1

PSM Kap. 2.4

Pufferung, chemisch Kap. 2.3.1.2, Staukörper Kap. 3.3

Quecksilber Kap. 2.4

RedoxpotentialKap. 2.3.2.2

Rinnsee Kap. 3.1

SalmonellenKap. 2.5

Sauerstoff - Beeinflussung durch Organismen Kap. 2.3.3.1

Sauerstoffeintrag - künstlich Kap. 3.3

S - Schwefel Kap. 2.3.2.2

Säureeintrag Kap. 2.3.1.1

Schadstoffe Kap. 2.4

Schadstoffeinträge - Steuerung Kap. 3.3

Schichtungsverhältnisse Kap. 2.2.2

Schichtungsstabilität Kap. 3.3

Schutzzonen Kap. 3.5

Schwermetalle Kap. 2.4

Sedimenteinfluß Kap. 3.3

Silizium Kap. 2.3.2.2

Spurenstoffe Kap. 2.4

SON Kap. 2.3.2.2

SRP Kap. 2.3.2.2

Stahl und Korrosion Kap. 2.3.1.2

Steuerkriterien Kap. 4.2

Stickstoff Kap. 2.3.2.2

Stoffaustausch - Biologie Kap. 2.3.2.1

Stauinhalt Kap. 3.2, Kap. 3.3

Summenbestimmungen Kap. 4.4

Talsperrensteuerung Kap. 3.2

Talsperrenbewirtschaftung Kap. 3.3

Temperaturmessung Kap. 4.4

Titration Kap. 4.4

Top-down-Steuerung Kap. 3.4

Toxikologie - Methoden Kap. 4.4

Trihalogenmethane Kap. 2.4

Trinkwasserüberwachung Kap. 4.3

Trophieüberwachung Kap. 4.1

Trübung Messung Kap. 4.4

Umweltüberwachung Kap. 4.1

Verbundsysteme Kap. 5

Versauerung Kap. 2.3.2.2, Gewässerschutz Kap. 3.5

Verweilzeit Kap. 3.1

Vor-Ort-Messungen Kap. 4.2

Vorsperren Kap. 3.2

WasseraufbereitungKap. 2.3.3.2

Wasserflöhe Kap. 3.4

Wassergefährdende Stoffe Kap. 2.4

Wassergütebewirtschaftung Kap. 3

Wasserqualität - Anforderungen Kap. 1

Wasserqualität - Beeinflussung durch Organismen Kap. 2.3.3.1

Wasserpflanzen Kap. 2.3.3.1

Wassertypen Kap. 2.3.1.1

Wasseruntersuchung Kap. 4

Werkstoffe und Korrosion Kap. 2.3.1.2

Wiederverkeimung Kap. 2.3.2.2, Kap. 2.3.3.2

Xenobiotisch Kap. 2.4

Zementgebundene Werkstoffe Kap. 2.3.1.2

Zooplankton Kap. 2.3.2.1, Kap. 2.3.3.1, Kap. 3.4

Zuflußsteuerung Kap. 3.2

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Abkürzungsverzeichnis

Nr.	Abkürzung		Begriff
1	AAS		Atomabsorptionsspektroskopie
2	AOX	adsorbierbares organisches Halogen
3	AQS	Analytische Qualitässicherung
4	BSB₅	biochem. Sauerstoffbedarf nach 5 Tagen
5	CKW	Chlorkohlenwasserstoffe
6	CSB	chemischer Sauerstoffbedarf
7	CSV	chemischer Sauerstoffverbrauch
8	DOC	gelöster, organisch gebundener Kohlenstoff (engl.)
9	FNU	formacine nephelometric units
10	GC	Gaschromatographie
11	GLP	Gute Laborpraxis
12	HPLC	Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie (engl.)
13	HWE	Hochwasserentlastungsanlage zum geregelten Abführen von Hochwässern aus Talsperren
14	IC	Ionenchromatographie
15	IR	Infrarot
16	LHKW	leichtflüchtige Halogenkohlenwasserstoffe
17	MS	Massenspektrometrie
18	NTU	nephelometric turbity units
19	PAK	polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe
20	PCB	polychlorirte Biphenyle
21	PSM	Pflanzenschutzmittel
22	SAK	spektraler Absorptionskoeffizient
23	SRP	gelöster, reaktiver Phosphor
24	TC	gesamter Kohlenstoff (engl.)
25	THM	Trihalogenmethane
26	TIC	gesamter, anorganisch gebundener Kohlenstoff
27	TOC	gesamter, organisch gebundener Kohlenstoff
28	TP	Gesamt-Phosphor

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Register von Fachausdrücken Suchfunktion

Nr		Begriff	Beschreibung
1		Adult	erwachsen
2	Anaerob			ohne Sauerstoff
3	Assimilation			Einbau von Substanzen in die eigene Biomasse eines Organismus
4	Benthon (Benthos)			Lebensgemeinschaft des Gewässerbodens
5	Biocoenose			Lebensgemeinschaft
6	Biomanipulation			Nahrungsnetzsteuerung, Verfahren zur Seensanierung durch Top-down-Kontrolle der Nahrungskette. Entfernung der planktivoren Fische führt zu höherem Grazing durch das Zooplankton und zu geringeren Algendichten
7	Bottum-up-Kontrolle			Steuerung von Struktur und Dynamik einer Lebensgemeinschaft über den Entzug von Ressourcen
8	carnivor			Zooplantkon, das sich räuberisch von tierischem Plankton ernährt
9	Clostridien			anaerob lebende Bakterien, die giftigeVerbindungen abgeben (Fleischvergiftungen, Vogelsterben nach Nahrungssuche im anaeroben Sediment)
10	Colitis			Darmentzündung (Durchfall, blutiger Stuhl)
11	Crustaceen			Krebse
12	Cryptosporidien			parasitisch lebende tierische Einzeller, schwere Magen/Darm-Erkankungen auslösend
13	Cypriniden			Karpfen und karpfenähnliche Fische
14	Cyste			widerstandsfähiges Dauer-/Ruhestadium von Mikroorganismen
15	Denitrifikation			Umwandlung von Nitrat zu N₂ durch Nitratatmung
16	Detritus			abgestorbenes, organisches Material
17	dimiktisch			Gewässer mit zwei Vollzirkulationen pro Jahr
18	Einzugsgebiet			i. d. R. oberirdisches Wassereinzugsgebiet
19	Epilimnion			warme, durchmischte Oberflächenschicht in geschichteten Seen und Talsperren
20	eutroph			nährstoffreich, mit hoher Produktion
21	Flockung/Fällung			Einbindung von Partikeln und Mikroorganismen in Metallhydroxidflocken, welche durch pH-Änderung von gelöster in unlösliche Form überführt und abfiltriert werden
22	Giardien			parasitisch lebende tierische Einzeller, schwere Magen/Darm-Erkankungen auslösend
23	Grazing			Elimination von Phytoplankton durch Filtration des Zooplanktons
24	Habitat			charakteristischer Standort einer Art
25	herbivor			Ernährung von lebenden Pflanzen
26	heterotroph			Verwendung organischer Kohlenstoffquellen für den Aufbau der eigenen Körpersubstanz
27	Hepatitis			Entzündung der Leber (Gelbsucht)
28	Hochwasserschutzraum			freier Stauraum in Talsperren, der im Hochwasserfall eingestaut werden kann
29	Hypolimnion			kaltes Tiefenwasser in geschichteten Gewässern
30	Indikatorsystem			Erfassung möglicher Verunreinigungen mitKrankheitserregern über die Bestimmung unschädlicher Begleitbakterien
31	Kurzschlußströmung			rasches Durchdringen des Zuflußwassers bis zum Absperrbauwerk einer Talsperre
32	Legionellen			Bakterien, die in ungenügend erhitzten Warmwassekreisläufen wachsen und schwer verlaufende Lungenentzündungen auslösen
33	Litoral			Uferzone
34	Makrophyten			höhere Wasserpflanzen
35	Metalimnion			Zone stärkster Temperaturänderung (Sprungschicht) in geschichteten Gewässern
36	monomiktisch			Gewässer mit einer Vollzirkulation pro Jahr
37	Nitrifikation			chemotrophe Oxidation des Ammoniums zum Nitrit und Nitrat
38	oligotroph			nährstoffarm, mit geringer Produktion
39	Pelagial			Freiwasserzone
40	Phytoplankton			pflanzliches Plankton
41	piscivore Fische			Fische, die räuberisch leben
42	Plankton			Tiere und Pflanzen, die im Freiwasser leben uns sich nicht der Strömung wiedersetzen
43	planktivore Fische			Fische, die Zooplankton fressen
44	polymiktisch			Gewässer mit mehr als zwei Zirkulationen pro Jahr
45	Primärproduktion			Aufbau organischer Substanz aus anorganischen Bestandteilen (Photo- oder Chemosynthese)
46	Reinwasser			aufbereitetes Wasser, welches den gesetzlichen Anforderungen an Trinkwasser entspricht
47	Redoxpotential			elektrisch meßbares Potential entsperchend dem Anteil oxidierend/reduzierend wirkender Verbindungen
48	Rohwasser			unaufbereitetes Wasser, welches z. B. in Talsperren vorgehalten wird
49	Salmonellen			schwere Magen- und Darmerkrankungen auslösende Bakterien
50	Salmoniden			Forellen und forellenähnliche Fische
51	Sukzession			zeitliche Abfolge innerhalb eines Lebensraums
52	Top-down-Kontrolle			Kontrolle von Struktur und Dynamik einer Lebensgemeinschaft durch Räuber
53	Tosbecken			Becken am Auslauf von Talsperren, in denen die hohe Energie des Wasserstrahls des Ablaufs durch Turbulenz herabgesetzt wird
54	trophische Ebene			Position innerhalb der Nahrungskette
55	Wiederverkeimung			Nachträgliche Besiedlung von Trinkwasserleitungen und Reinwasserbehältern mit Mikroorganismen
56	Wildbettabgabe			Wasserabgabe an den Unterlauf der Talsperre
57	Zooplankton			tierisches Plankton

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