Angewandte Limnologie_1

1

Angewandte Limnologie

• Gewässerschutz• Wiederherstellung geschädigter Gewässer• Entscheidungshilfen bei Konflikt zwischen Ökonomie

und Ökologie• Wissenschaftliche Begleitung der Wassernutzung

Ziele der Angewandten Limnologie

2

Bleilochtalsperre

Tagebaurestsee Goitzsche

3

10 %(USA: 700 l täglich, Deutschland 130 l, Sahelzone 30 l)

Privater Konsum

20%Industrielle Produktion

70 %Landwirtschaft

Anteil am weltweiten Wasserverbrauch

Weltweiter Wasserverbrauch

Geschätzte Wasserverfügbarkeit im Jahr 2025

4

Der Nil

Nil-Delta

Tempel der Königin Hatschepsut (unten der Einflußbereich des Nils)

Jakarta

In Jakarta ist der Grundwasserspiegel in den vergangenen Jahren um 20 m abgesackt

5

Nestos-Delta (Griechenland)

Der Nestos trocknet im Unterlauf während des Sommers zeitweise aus, das dann zur Bewässerung entnommene Grundwasser versalzt zunehmend

Schistosoma mansoni

Bilharziose

6

Überträger: Kriebelmücke

Mikrofilarien in einem adulten Wurm

Onchozerkose (Flußblindheit)

• Freizeit und Erholung• Eigentumsrechte• Siedlung/Verkehr• Land- und Forstwirtschaft• Energiegewinnung• Wasserwirtschaft• Naturschutz• Forschung

Nutzungen von Gewässern

7

Freizeit und Erholung

Eigentumsrechte

8

Siedlung, Verkehr, Erschließung

Fischerei

9

Energiegewinnung

Trinkwasserversorgung aus dem Bodensee

10

Kiesabbau / Ausweisung von Überschwemmungsflächen

Gefärbtes Laichkraut (Potamogeton coloratus)

Schneider (Alburnoides bipunctatus )

Natur- und Artenschutz

11

Forschung

• Saprobie

• Trophie/Eutrophierung

• Versauerung

• Aquatische Ökotoxikologie

• Gewässerzustand/Wasserrahmenrichtlinie

Gewässerbelastungen

12

Saprobie

• Was ist Saprobie?• Wie wird die Saprobie ermittelt?• Wie wird die Verschmutzung bekämpft?

Saprobie

13

Saprobiensystem

6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2Saprobie

Photosynthese / Atmung

14

Belastung

Unterschiedliche Indikationswerte

Indikationswert

Häufigkeit des Vorkommens

Unterschiedliche Gewichtung

Gewichtung

15

∑

∑

=

== n

iii

n

iiii

AG

AGsS

1

1

*

**

S = Saprobienindex; kann eine Zahl von 1 - 4 annehmeni = laufende Nummer der gefundenen OrganismenA = Abundanz (Häufigkeit) der Organismen an der Untersuchungsstelle; wird geschätzt si = Saprobienwert des gefundenen Organismus; aus der Literatur übernehmen G = Indikationsgewicht des gefundenen Organismus; aus der Literatur übernehmen

Dabei bedeutet ein hoher Wert dass die Art ein guter Indikatororganismus und streng an eine Güteklasse gebunden ist.

Saprobienindex

7Massenvorkommenmassenhaft6vielsehr zahlreich5mittel bis vielzahlreich4mittelwenig zahlreich3wenig bis mittelspärlich2wenigsehr spärlich1EinzelfundEinzelexemplar

Zahl ( A )GesamtschätzungAbundanz

Abundanzschätzung für die Berechnung des Saprobienindex

16

Einteilung des Saprobienindex in Güteklassen

Saprobienindex

17

Veränderung der Gewässergüte in Bayern 1973 bis 2001

Saprobienindex

18

Gewässergüte ausgewählter Zuflüsse in den Bodensee 1977 und 1998

Saprobienindex

Trophie / Eutrophierung

19

• Was ist Trophie/Eutrophierung?• Wie wird die Trophie ermittelt?• Wie wird die Eutrophierung bekämpft?


Nährstoffarmer und nährstoffreicher See


20

6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2

Photosynthese / Atmung

Licht, Nährstoffe

Trophie

• Trophie = Intensität der Primärproduktion

• Eutrophierung = Steigerung der pflanzlichen Primärproduktion, hervorgerufen durch eine Zunahme der Nährstoffkonzentration oder eine erhöhte Nutzbarkeit der Nährstoffe im Gewässer

Definitionen

21

• Punktförmige Quellen- Abwassereinleitung- Kläranlagenabläufe- Regenwassereinleitungen

• Diffuse Quellen– Erosion– Oberflächenabschwemmung von Straßen– Auswaschung über Sickerwasser und Grundwasser

Eutrophierung

Eutrophierung

22

• Erhöhte Primärproduktion • Grünfärbung und Trübung• Erhöhte Sekundärproduktion und gleichzeitige Verringerung des

Anteils anspruchsvoller Edelfische• Störung des Sauerstoffhaushaltes • Verschlammung und Verlandung durch abgestorbene Biomasse• Änderung des Artenbestandes an Pflanzen und Tieren, teilweise

auch toxische Formen (Blaualgen)• Rücklösung im Schlamm deponierter Nährstoffe und damit

Selbstdüngung des Sees

Folgen der Eutrophierung

Das Ausmaß der Primärproduktion hängt von zahlreichen Kriterien ab:

• der Menge an verfügbaren Nährstoffen• den Lichtbedingungen• dem Fraßdruck durch Pflanzenfresser• der Morphologie des Gewässers (Tiefe, Struktur)• den hydrologischen Bedingungen (Strömung, Turbulenz,

Wasserführung, Wasseraustauschzeit)

Eutrophierung

23

(Jeweils Mittelwerte während der Schichtungsperiode, nordamerikanische Seen)

Zusammenhang zwischen Chl a und Phosphor

Zusammenhang zwischen Sichttiefe und Phosphor

(Jeweils Mittelwerte während der Schichtungsperiode, nordamerikanische Seen)

24

Trophiekriterien für Seen

Wah

rsch

einl

ichk

eit

Zusammenhang zwischen Ges-P und der Trophie eines Sees

25

Nährstoffkonzentration in einem See hängt ab von• Externe Nährstoffeinträge• Hydrologische Bedingungen (Wasserdargebot)• Durchmischungsverhalten im See• Nährstoffretention im See (Sedimentation)• Interne Stoffkreisläufe

Abschätzung der Trophie eines Sees auf Basis der P-Flächenbelastung

26

ProduktionProduktion Abbau

Tiefe Seen

Flache Seen

Seenvergleich: gleiche Produktion – verschiedenes Volumen

Planktonzusammensetzung als Trophieindikator

27

Wasserpflanzen kommen in verschiedenen Habitaten vor

Tannwedel (Hippuris vulgaris)

Wasserpflanzen kommen in verschiedenen Habitaten vor

Steifborstige Armleuchteralge (Chara hispida)

28

Wasserpflanzen indizieren Nährstoffbelastung

Wasserpest (Elodea canadensis)

Tannwedel (Hippuris vulgaris)

hohe Nährstoffbelastung

Gefärbtes Laichkraut (Potamogeton coloratus)

Armleuchteralgen (Characeen)

geringe Nährstoffbelastung

Chara hispida Chara aspera Chara delicatulaChara polyacantha Chara intermedia Chara tomentosaChara strigosa Utricularia minor Potamogeton alpinusPotamogeton coloratusUtricularia stygia

1,5Indikatorgruppe Indikatorgruppe

2,0Indikatorgruppe

1,0

Indikatorgruppen

29

Chara contraria Chara vulgaris Myriophyllum verticillatumChara fragilis Myriophyllum spicatum Potamogeton berchtoldiiNitella opaca Potamogeton filiformis Potamogeton lucensNitellopsis obtusa Potamogeton perfoliatus Potamogeton praelongusPotamogeton gramineus Utricularia australis Potamogeton pusillusPotamogeton natansPotamogeton x zizii

2,5Indikatorgruppe Indikatorgruppe

3,53,0Indikatorgruppe

Indikatorgruppen

Hippuris vulgaris Elodea canadensis Ceratophyllum demersumLagarosiphon major Elodea nuttallii Lemna minorPotamogeton pectinatus Potamogeton compressus Potamogeton mucronatus

Potamogeton crispus Potamogeton nodosusPotamogeton obtusifolius Sagittaria sagittifoliaRanunculus circinatus Spirodela polyrhizaRanunculus trichophyllus Zannichellia palustris

5,04,54,0Indikatorgruppe Indikatorgruppe Indikatorgruppe

Indikatorgruppen

30

Forschungstaucher kartieren Unterwasserpflanzen

vier Tiefenstufen (0-1, 1-2, 2-4, unter 4 m)

Aufnahme der Pflanzenmenge nach einer Schätzskala von 1-5

Häufigkeit Pflanzenmenge Quantitätsstufe

sehr selten, vereinzelt 1 1

selten 2 8

verbreitet 3 27

häufig 4 64

sehr häufig, massenhaft 5 125

Häufigkeit - Pflanzenmenge - Quantitätsstufe

31

∑

∑

=

=

⋅=

n

ii

n

iii

Q

QIMI

1

1

MI = MakrophytenindexIi = Indikatorwert des i-ten TaxonsQi = Quantitätsstufe des i-ten Taxonsn = Gesamtzahl der Taxa

Makrophytenindex

Makrophytenindex

Makrophytenindex Belastungsgrad Farbe1,00 - 2,40 sehr gering2,40 - 2,70 gering2,70 - 2,95 mäßig2,95 - 3,30 mäßig-erheblich3,30 - 3,55 erheblich3,55 - 3,90 stark3,90 - 5,00 sehr stark

32

Makrophytenindex Osterseen 2004

1985

Makrophytenindex – Chiemsee 1985

33

Makrophytenindex – Chiemsee 1998

MakrophytenindexBodensee

34

Gesamt-P-Konzentration im Bodensee

∑

∑

=

=

⋅= n

ii

n

iii

L

LMIMI

1

1

MI = mittlerer MakrophytenindexMIi = Makrophytenindex des i-ten AbschnittsLi = Länge des i-ten Abschnittsn = Anzahl der Abschnitte

Mittlerer Makrophytenindex

35

0

20

40

60

80

100

120

140

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5

MI

TP

Zusammenhang zwischen dem mittleren Makrophytenindex und der Gesamt-Phosphor-Konzentration zur Frühjahrsvollzirkulation eines Sees

y = TP-Gehalt zur Vollzirkulation [µg P/l]x = Makrophytenindexwerte

0,965 25, n 30,4944,66-82,11 2 ==+= rxxy

Mittlerer Makrophytenindex

Trophieklasse

4,03,53,02,52,01,51,0

Anza

hl d

er M

essw

erte

12

10

8

6

4

2

0

Artspezifisches Verbreitungsmaximum und Toleranzgrenzen

Chara hispida

Indikationswert = 1.05

Gewichtung = 16

36

Trophieklasse

4,03,53,02,52,01,51,0

Anza

hl d

er M

essw

erte

12

10

8

6

4

2

0

Ranunculus fluitans


Gewichtung = 8


Trophieklasse

4,03,53,02,52,01,51,0

Anza

hl d

er M

essw

erte

12

10

8

6

4

2

0

Myriophyllum spicatum


Gewichtung = 4


37

Trophieindex Makrophyten für Fließgewässer

∑

∑

=

== n

aaa

n

aaaa

QG

QGIVTIM

1

1

*

**

TIM = Trophieindex MakrophytenIVa = Indikationswert der Art aGa = Gewichtung der Art aQa = Quantitätsstufe der Art a

TIM im Rotbach

Fließrichtung

38

Diatomeen

• Abkratzen von Schilf oder Steinen• Aufbereitung mit Wasserstoffperoxid,

Kaliumdichromat und Salzsäure• Auswertung am Lichtmikroskop

Diatomeenprobenahme

39

Bestimmung des Diatomeenindex

∑

∑

=

=

⋅

⋅⋅= n

iii

n

iiii

GN

TGNDI

1

1

DI = DiatomeenindexNi = Abundanz des i-ten TaxonsGi = Gewichtung des i-ten TaxonsTi = trophische Lokation des i-ten Taxonsn = Gesamtzahl der Taxa

Bestimmung des Diatomeenindex

40

TP [µg/l] Belastungsgrad Trophie Farbe

x < 10 sehr gering oligotroph dunkelblau

10 ≤ x < 15 gering oligo-mesotroph hellblau

15 ≤ x < 20 mäßig mesotroph 1 dunkelgrün

20 ≤ x < 30 mäßig-erheblich mesotroph 2 hellgrün

30 ≤ x < 40 erheblich eutroph 1 gelb

40 ≤ x < 55 stark eutroph 2 orange

x ≥ 55 sehr stark eutroph 3 rot

Einteilung des TP (total phosphorus) in Trophieklassen

TP [µg/l] Diatomeenindex Makrophytenindex Farbe

x < 10 1,00 ≤ x < 1,90 1,00 ≤ x < 2,40 dunkelblau

10 ≤ x < 15 1,90 ≤ x < 2,45 2,40 ≤ x < 2,70 hellblau

15 ≤ x < 20 2,45 ≤ x < 2,95 2,70 ≤ x < 2,95 dunkelgrün

20 ≤ x < 30 2,95 ≤ x < 3,70 2,95 ≤ x < 3,30 hellgrün

30 ≤ x < 40 3,70 ≤ x < 4,20 3,30 ≤ x < 3,55 gelb

40 ≤ x < 55 4,20 ≤ x < 4,65 3,55 ≤ x < 3,90 orange

x ≥ 55 4,65 ≤ x ≤ 5,00 3,90 ≤ x ≤ 5,00 rot

Harmonisierung des Makrophyten- und des Diatomeenindex

41

• sehr kurze Lebenszyklen• sensibel auf Milieuänderungen• artspezifische Toleranz und Präferenz in Bezug auf

den Phosphorgehalt• Trophiebestimmung mit Hilfe des Diatomeenindexes

Diatomeen

Die Diatomeen stellen daher einen Kurzzeitindikator für die Bewertung des Trophiezustandes dar

• sehr lange Lebenszyklen• langsame Reaktion auf Milieuänderungen• taxonspezifische Toleranz und Präferenz in Bezug

auf den Nährstoffgehalt• Trophiebestimmung mit Hilfe des

Makrophytenindexes

Makrophyten

Die Makrophyten stellen daher einen Langzeitindikator für die Bewertung der Nährstoffbelastung dar

42

Spitzingsee

Herrenwieser SeeBadseeSulzbergerseeSpitzingsee, Schwaigsee

Haarsee

Eschacher Weiher

FroschhauserOrtwangersee

Lustsee

Makrophyten- Langzeitindikator -

Diatomeen- Kurzzeitindikator -früher - Zustand - heute

Prognosemodell

43

6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2

Saprobie

Trophie

Trophie / Saprobie

Trophie / Saprobie

44

Ringkanalisation am Chiemsee

• Nährstoffreduktion im Freiwasser• Abbau von Sauerstoffdefiziten im Tiefenwasser• Verhinderung der Nährstoffrücklösung aus dem

Sediment• Kontrolle übermäßigen Algenwachstums• Kontrolle übermäßigen Makrophytenwachstums

Ziele der Seenrestaurierung

45

Nährstoffreduktion im Freiwasser

• Nährstoffinaktivierung (Ausfällung)• Verdünnung bzw. Spülung

Gängige Methoden der Seenrestaurierung

Al2(SO4)3 + 6 H2O 2 Al(OH)3 + 3 SO42- + 6 H+

Al(OH)3 + PO43- AlPO4 + 3 OH-

Phosphatfällung mit Aluminiumsalzen

46

Fe2+ + ¼ O2 + 4,5 H2O Fe(OH)3 + 2 H2O + 2 H+

Fe(OH)3 + PO43- FeO(OH)~PO4

3- + H2O

Fe3+ + 6 H2O Fe(OH)3 + 3 H2O + 3 H+

Phosphatfällung mit Eisensalzen

Phosphatfällung

Ausbringung von festem Eisenoxid-Hydroxid

Behandlung mit einer flüssigen Eisenchlorid-Lösung

47

Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O

CaCO3 + H+ Ca2+ + HCO3-

CaCO3 + CO2 + H2O Ca2+ + 2 HCO3-

Phosphatfällung mit Calciumverbindungen

Phosphat sorbiert an CaCO3 oder reagiert chemisch zu Hydroxyapatit (Ca10(PO4)6(OH)2)

Im Sauren und bei hohen CO2-Konzentrationen löst sich CaCO3 auf, d.h. sorbiertes Phosphat wird wieder freigesetzt.

Prinzip einer transportablen P-Eliminationsanlage

48

Veluwemeer (Niederlande)

Verdünnung des Veluwemeer-Sees durch Zuführung von P-armem Wasser aus angrenzenden Gräben

Verdünnung / Spülung

Abbau von Sauerstoffdefiziten im Tiefenwasser

• Tiefenwasserableitung• Tiefenwasserbelüftung• Destratifikation (Zerstörung der Temperaturschichtung)


49

oligotroph eutroph

BF= FrachtB= BiomasseR= recycelter PhosphorA = AuswaschungS = sedimentierender partikulärer Phosphor

F F

RA

S

A

S

BR

Epilimnion

P-Kreislauf in Gewässern unterschiedlicher Trophie

eutroph

Hyp

olim

nion

O2-am< 3 mg O2/loder H2S

anae

rob

Sedi

men

t

3

4

6

5

eutroph

Fe2+ PO43-

löslich

P-Freisetzung durch mikrobiellenAbbau

1

2

Sedimentation vonorg. geb. part. P

2

3 Fe2+ in reduzierter II-wertiger Form

Fe2+ Fe2+ PO43-PO4

3-

löslich

4

Fe2+ in reduzierter II-wertiger Form => lösliche P-Salze =>P-Freisetzung

+SO42- H2S

Fe2+ PO43-

FeS unlöslich

B

5

Unter anaeroben Ver-hältnissen wird SO4

2-

veratmet H2S

Bildung von FeSFe nicht mehr zur Bindung von PO4

3- verfügbar

6

1

keine Sperrschicht

P-Kreislauf

50

Tiefenwasserableitung am Meerfelder Maar

Destratifikation an der Bleilochtalsperre

51

Tiefenwasserbelüftung

Verhinderung der Nährstoffrücklösung aus dem Sediment

• Sedimentkonditionierung• Entschlammung• Sedimentabdeckung


52

5 CH2O + 4 NO3- 5 CO2 + 2 N2 + 3 H2O + 4 OH-

Denitrifikation

Sedimentkonditionierung

53

Entschlammung

Saugbagger mit direktem Rohr ans Ufer

Spülbohrverfahren zur Abdeckung von kontaminierten Jungsedimenten mit Seekreide

54

Kontrolle übermäßigen Algenwachstums• Verdünnung bzw. Spülung• Abschattung im Litoralbereich• Künstliche Trübung des Gewässers• Behandlung mit Kupfersulfat• Biomanipulation

Kontrolle übermäßigen Makrophytenwachstums• Wasserstandsregulierung• Ernte• Besatz mit pflanzenfressenden Fischen• Abschattung


Entkrautung

mechanisch

Graskarpfen (Ctenopharyngodon idella )

55

Übersicht Seensanierung / - restaurierung

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