Projekt 16813/01

Entwicklung eines Managementtools zur Simulation der Fließgewässergüte in Flusseinzugsgebieten am Beispiel der Bode

Projektdurchführung

Fachhochschule MagdeburgHydro- und Abfallchemie
Breitscheidstr. 2
39114 Magdeburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Aufbauend auf den bereits entwickelten Simulator RIOVAL sollte ein Managementinstrument für ganze Fließgewässersysteme mit einer entsprechenden Netzstruktur entwickelt werden. Hauptbestandteile des Simulators sollten sowohl der Transport in der fließenden Welle als auch der Stoffumsatz in der fließenden Welle und im benthischen Biofilm eines Fließgewässersystems sein. Darüber hinaus war die Einbindung von Daten aus Monitoringprogrammen und aus der Gewässerstrukturgütekartierung in das Fließgewässermodell geplant. Für die Daten zur Flussgeometrie und Hydraulik sollte eine Schnittstelle zu geographischen Informationssystemen (GIS) geschaffen werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenParallel zur Erhebung und Auswertung der vorhandenen Daten (Staatliches Amt für Umwelt Magdeburg) wurde auf RIOVAL aufbauend in enger Zusammenarbeit mit der CiT GmbH das Fließgewässermodell formuliert. Zu den notwendigen Modellerweiterungen gehören:
· Einbindung der Geometrie des Gewässerbetts
· Vernetzung im Flusseinzugsgebiet
· Umsatz in der fließenden Welle
· Erweiterung der zu modellierenden Parameter (Photosynthese, Phosphat, Makrophythen)
· Erweiterung um einen offenen Term zur Modellierung von Einzelschadstoffen mit frei wählbarer Kinetik
Eine wichtige Entwicklungsaufgabe in dem beantragten Projekt war die Kopplung der Umsatz- und Transportterme an die Gewässerstrukturgütedaten. Es wurde eine Verknüpfung zwischen den aus der Gewässermorphologie bzw. -strukturgüte gewonnenen Größen, also dem äußeren Zustand des Gewäs-sers, und der Entwicklung der Gewässergüte, also der Qualität des Wassers, in das Modell integriert. Diese Verknüpfung macht in Zukunft eine Modellerweiterung hin zum ökologischen Zustand der Gewäs-ser leichter.


Ergebnisse und Diskussion

Mit dem entwickelten Managementwerkzeug RIONET konnte die Gewässergüte des Gewässersystems der Bode abgebildet werden, wobei sowohl punktuelle Einleitungen aus Kläranlagen und diffuse Einträge aus der Landwirtschaft berücksichtigt wurden. Die Simulation liefert Konzentrationswerte für die verschiedenen Parameter entlang der Gewässerachse, die sowohl von der hydraulischen Belastung als auch von den Witterungsverhältnissen beeinflusst werden.
Ein weiterer Schwerpunkt war die Berücksichtigung des Einflusses der Strukturgüte eines Gewässers auf die Selbstreinigungsprozesse und damit auf die Wasserqualität, da ein Teil der Selbstreinigung im benthischen Biofilm an der Gewässersohle stattfindet. Die Entwicklung und Nitrifikationsleistung dieser Biofilme ist von der Struktur des Gewässers und den vorliegenden Konzentrationswerten im Gewässer abhängig. Messungen der Nitrifikationsleistung an Sedimentproben ober- und unterhalb einer Kläranla-geneinleitung bestätigen diesen Zusammenhang.
Die Untersuchungen zeigten weiterhin, dass insbesondere im Unterlauf der Bode parallel zu der Nitrifikation auch eine Denitrifikation in den tieferen Schichten des Sediments stattfindet. Eine zusätzliche Prozessgleichung wurde zur Beschreibung der Denitrifikation formuliert und im Modell berücksichtigt. Analog hierzu können auch Prozesse zum Schadstoffabbau integriert werden, wenn die erforderlichen kinetischen Daten vorliegen. Eine Erweiterung des Modells über die bereits formulierten Prozesse hinaus setzt natürlich entsprechende Kenntnisse des Anwenders voraus.
Neben der Abbildung des IST-Zustandes eines Gewässersystems können mit RIONET insbesondere die Auswirkungen verschiedener Maßnahmen auf die chemische Fließgewässergüte abgeschätzt werden. Exemplarisch wurde die Wasserqualität eines Nebengewässers der Bode vor und nach dem Ausbau der vorhandenen Kläranlagen dargestellt. Die Länge der Gewässerstrecke, bis der ursprüngliche Belastungszustand vor der Einleitung wieder erreicht wird, ist in Abhängigkeit von der Größe der Belastung und den örtlichen Gegebenheiten unterschiedlich groß.
Von besonderer Bedeutung für die Aussagefähigkeit von Simulationsrechnungen ist die Qualität der zur Kalibrierung des Modells verwendeten Monitoringdaten. Mit dem Verlauf der fließenden Welle sollte die Probenahme zeitgleich mit einer Geschwindigkeitsmessung erfolgen und die Datendichte sollte in Abhängigkeit von der Belastungssituation im Gewässer festgelegt werden. Die vorliegenden Monitoringdaten des Bodeeinzugsgebietes waren für eine Modellkalibrierung unzureichend. Bei der Aufstellung künftiger Monitoringprogramme ist der Einsatz der Gewässergütesimulation als Hilfsinstrument zu empfehlen, um die räumliche und zeitliche Auflösung der Probennahme festzulegen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Teilergebnisse des Projektes wurden am 8.8.2001 auf einem Workshop der Hochschule Magdeburg-Stendal (FH) und bei der 4. Sitzung der GDCh Ad-hoc AG Expositionsanalyse und Computersimulationsmodell am 17. Oktober 2001 in Frankfurt/Main vorgestellt. Innerhalb der ersten Projektphase wurde im Rahmen einer Diplomarbeit am Fachbereich Wasserwirtschaft/Abfallwirtschaft an der Hochschule Magdeburg/Stendal (FH) von Herrn Basner (2001) der Umsatz von Stickstoff und Sauerstoff in Flusssedimenten am Beispiel von Ehle und Bode untersucht. Am 15.7.2002 wurde das Projekt mit einem Vortrag im Graduiertenkolleg Funktions- und Regenerationsanalyse belasteter Ökosysteme, Institut für Öko-logie AG Limnologie der Universität Jena vorgestellt. Im Rahmen der 9th International Specialised Conference on River Basin Management am 11.-13. September 2002 wurden die Ergebnisse unter dem Bei-trag RIONET: A water quality management tool for river basins veröffentlicht. Der Beitrag ist als Artikel zur Veröffentlichung in Water Science Technology angenommen.
Am 15.01.04 ist ein Vortrag RIONET - Einsatzmöglichkeiten der Gewässergütemodellierung für das Flussgebietsmanagement am Institut für Umweltforschung (Prof. Malchow) der Universität Osnabrück vorgesehen, ebenso eine Veröffentlichung in einer deutschen Fachzeitschrift (gwf Wasser/Abwasser).


Fazit

Im Rahmen des durchgeführten Projektes wurde in Zusammenarbeit mit der CiT Rastede ein Managementwerkzeug zur Simulation der Fließgewässergüte entwickelt und für das Einzugsgebiet der Bode angewendet. Es bleibt aber festzuhalten: Nur wenn die entwickelten Modelle und Werkzeuge auch tatsächlich in der Wasserwirtschaftsverwaltung eingesetzt werden, kann auch die Qualität der Modellergebnisse im Hinblick auf die Unterstützung wasserwirtschaftlicher Entscheidungen kontinuierlich verbessert wer-den. Das Projekt kann also erst dann als erfolgreich bezeichnet werden, wenn RIONET zum ersten Mal für eine der oben genannten Möglichkeiten erfolgreich eingesetzt wurde. Die offene Struktur des Simulators eröffnet jedenfalls die Möglichkeit, interessante Entwicklungen direkt in das Modell einzubauen.