Phosphor-Retentionsmodelle für pH-neutrale Tagebauseen
Projektdurchführung
Brandenburgische Technische Universität Cottbus- Senftenberg Lehrstuhl Gewässerschutz Forschungsstelle Bad SaarowSeestr. 45
15526 Bad Saarow-Pieskow
Zielsetzung
Die Seenlandschaft in Deutschland wird durch den Braunkohlenbergbau um über 500 vorwiegend nährstoffarme und ökologisch wertvolle Seen reicher, die attraktiv für zahlreiche Nutzungen sind. Eine intensivere Nutzung der Seen und der Einzugsgebiete führt zu steigenden Nährstoffeinträgen. Ob und wie trotz erhöhter Nährstoffzufuhr eine gute Wasserbeschaffenheit sichergestellt werden kann, ist Gegenstand dieser Studie.
Empirische Trophiemodelle sind eines der grundlegenden „Handwerkzeuge“ im Management von Seen und unerlässlich für die Einschätzung der Belastbarkeit eines Sees hinsichtlich der geplanten Nutzung und Bewirtschaftung. In dieser Studie fokussieren wir auf den Nährstoff Phosphor (P) als den hauptsächlich limitierenden Nährstoff in Binnenseen. Die seit Jahrzehnten für natürliche Seen genutzten empirischen Modelle (Vollenweider-Typ) ermöglichen die Abschätzung der seeinternen Phosphorkonzentration aus der Summe aller P-Einträge. Diese Modelle sind jedoch für Tagebauseen (TBS) nicht anwendbar, weil sie deren Resilienz gegenüber Nährstoffeinträgen unterschätzen und falsche, in diesem Fall zu hohe seeinterne Nährstoffkonzentrationen für Tagebauseen, prognostizieren (Abb. 1). Ursache dafür sind die hohen Metalleinträge in TBS. Insbesondere wirkt Eisen als wichtiger Bindungspartner für Phosphor in Wasser und Sediment.
Die Anwendung herkömmlicher Trophiemodelle bei TBS führt in der Praxis immer wieder zu Problemen bzw. Fehleinschätzungen, und könnte die wirtschaftliche Entwicklung von Regionen mit Tagebauseen unnötig hemmen. Die zu entwickelnden P-Retentionsmodelle für TBS sind also Entscheidungshilfe-Werkzeuge, die von Entscheidungsträgern dringend für die Bewirtschaftung der TBS benötigt werden.
Ziel des Projekts war es, empirische Modellansätze analog zum Vollenweider-Modell zu entwickeln, mit denen eine genauere Abschätzung der tolerierbaren P-Belastung von TBS möglich ist.
Vor dem Hintergrund der Alterung und Reifung der Tagebauseen muss klar definiert werden, unter welchen Bedingungen diese speziellen Modelle gelten. Ein weiteres Ziel war es daher, konkrete Indikatoren und Kippunkte zu identifizieren, die hohe und auch nachlassende P-Retention indizieren. Für Trophieprognosen von TBS kann anhand dieser Kriterien geprüft werden, ob spezielle empirische P-Modelle oder herkömmliche Trophiemodelle genutzt werden sollten.
Wichtiges Ziel des Projekts war es zudem, den Übergangsbereich von Bedingungen mit Fe-Überschuss hin zu natürlichen Bedingungen in einer Modellstruktur abbilden zu können. Dies soll durch ein Modell verwirklicht werden, das bei nachlassender bergbaulicher Beeinflussung (hier speziell die Fe-Verfügbarkeit im Sediment) gegen das klassische Vollenweider-Modell konvergiert. Dadurch sollen Fehler bei Trophieprognosen vermieden werden, da den Anwendern die Wahl des Trophiemodells abgenommen wird.
Die Umweltrelevanz des Vorhabens ergibt sich aus diesen neuen Trophiemodellen und Handlungsempfehlungen, die nachhaltige Effekte in der Praxis erzielen, indem Nutzungs- und Entwicklungskonzepte für Tagebauseen und deren Einzugsgebiete zukünftig an der nun exakter bestimmbaren trophischen Belastbarkeit der Tagebauseen ausgerichtet werden.
Wichtigste Zielgruppe für das Projekt sind Entscheidungsträger im Seenmanagement, also zunächst vor allem Behörden, die Entscheidungen über Nutzungen von TBS abwägen müssen. Profitieren wird z.B. die Fischereiwirtschaft, die belastbare Trophieprognosen benötigt, da die Berechnung des fischereilichen Ertragswertes auf der Prognose der Trophie beruht. Letztlich profitieren jedoch ganze Seenregionen von einer größeren Vielfalt in der Nutzung. Das Problem der fehlenden Prognosemöglichkeiten betrifft vor allem die großen und wichtigen Seen bzw. Seengebiete wie das Lausitzer Seenland, das mitteldeutsche Bergbaurevier mit den Seen um Leipzig und Bitterfeld-Wolfen und die zukünftig sehr großen Seen im rheinischen Braunkohlerevier. Der umweltrelevante Nutzen für Entscheidungsträger und Seennutzer besteht in einer genauen Abschätzung der tolerierbaren P-Belastung bei der Abwägung verschiedener Nutzungs- oder Managementszenarien, sodass keine zukünftige Gefahr einer Eutrophierung besteht.
Arbeitsschritte
Die einzelnen Arbeitspakete (AP) enthalten folgende Aufgaben:
AP 1. Identifikation geeigneter TBS in Abstimmung mit den bergbaurelevanten Landesumweltämtern und Unternehmen; Abfrage von Daten; Abschätzung der Verfügbarkeit sowie der Qualität notwendiger Daten; Zusammenstellung von Metainformationen
AP 2. Aufbereitung und Zusammenstellung von Daten für Seewasser und Sediment sowie Stoffbilanzen, Einarbeitung in eine Datenbank bzw. Berechnungstabellen; Plausibilitätskontrolle, Prüfung auf Konsistenz der Datensätze, Aufbereitung für Statistik
AP 3. Sedimentbeprobung und -analyse
AP 4. Erstellen vollständiger P-Bilanzen für ausgewählte TBS und Interpretation der Relevanz von Akkumulations- und Rücklösungsprozessen für die P-Retention durch dynamische Wassermengen- und Stoffmengenbilanzmodelle
AP 5. Statistische Prüfung der Eignung von Indikatoren für bergbauliche Beeinflussung; Modellanpassung auf der Basis von Stoffbilanzen und Sedimentindikatoren; Prüfung verschiedener Modellstrukturen; Sensitivitätsanalyse
AP 6. Bericht, inkl. Methodenbeschreibung, Interpretation, Handlungsempfehlungen für Anwender und Ausblick
Die AP 1 – 3 sind unabdingbare Voraussetzung für die Modellierungen (AP 4 und 5). Datensätze von 135 TBS wurden in den ersten 14 Monaten des Projektes gesammelt und in einem mehrstufigen Verfahren auf ihre Eignung für die Anforderungen an die Modellierung geprüft. Zunächst wurde in einer Metadatentabelle von allen bekannten TBS erfasst, ob, in welcher Qualität und aus welcher Quelle die benötigten Daten zur Verfügung stehen. Danach wurden die konkreten Daten so zusammengeführt, dass die Anforderungen an alle später geplanten Auswertungen erfüllt waren.
Es zeigten sich folgende Schwierigkeiten: a) eine sehr geringe Spreizung der Phosphorkonzentrationen in Wasserproben von TBS (sehr viele lagen in der Nähe oder unter der Bestimmungsgrenze) b) auch für gut untersuchte TBS lagen oft nicht die notwendigen Sedimentdaten vor. Aus diesen Gründen erfolgte zusätzlich eine Labormesskampagne zur Prüfung und weiteren Aufsplittung der TP-Konzentrationen von Wasserproben im unteren Konzentrationsbereich im Labor der BTU sowie im AP 3 eine Feldmesskampagne zur Probenahme und Analyse der Sedimente von 20 TBS.
Am Ende standen im Jahr 2022 insgesamt 29 Datensätze aus TBS als Basis für die empirische Modellierung zur Verfügung. Um auch höhere TP-Konzentrationen im Trainingsdatensatz für Prognosen nutzen zu können, wurden zusätzlich 12 Datensätze sehr gut dokumentierter natürlicher Seen mit hohen bzw. niedrigen Fe-Gehalten im Sediment in die Auswertung einbezogen. Für jedes Gewässer wurde aus den Erkenntnissen der vorliegenden limnologischen Gutachten ein möglichst repräsentativer Zeitraum abgeleitet, in dem quasi-stationäre Bedingungen herrschten und die Sedimentprobenahme stattfand. Für diesen Bilanzzeitraum wurde der jeweilige Mittelwert der Wasserqualitätsdaten berechnet.
Im AP 4 erfolgte eine numerische Modellierung der Wasserbeschaffenheit in TBS aus Grund- und Oberflächenwasserbilanzen, um a) den volumenstromgebundenen Phosphoreintrag und -austrag der Seen zu präzisieren und b) zu prüfen, ob Phosphor unter Berücksichtigung der Adsorption an Metallhydroxiden als prognosefähiger Beschaffenheitskennwert für Tagebauseen aufgenommen werden kann. Die Phosphatkonzentration durch Oberflächenkomplexierung an Fe(III)hydroxide im Wasser wurde durch thermodynamische Modellierung mittels PHREEQC (Parkhust & Appelo 1999) mit dem Oberflächenkomplexierungsmodell nach Dzombak & Morel (1990) kalkuliert. Dies wurde an Beispielen auf der Basis stationärer und auch instationärer Wasser-, P-, und Fe-Bilanzen demonstriert.
AP 5 Die „Entwicklung und Anpassung empirischer Trophiemodelle“ basiert auf der Erfassung der o.g. Bilanzdaten und der Kalibrierung von Modellen durch Regressionsanalysen und nichtlineare Parameterschätzung. Als Besonderheit werden „Indikatoren der bergbaulichen Belastung“ integriert. Dies basiert auf dem Modellkonzept der Wasser- und Stoffbilanz bezüglich Phosphor für einen als vollständig durchmischt angenommenen Wasserkörper nach dem akzeptierten Standard für die Trophieprognose natürlicher Seen (Vollenweider 1976). Dabei wurden einerseits zusätzliche Prädiktoren als empirische Koeffizienten eingeführt, um den bergbaulichen Einfluss auf die Phosphatretention abzubilden (insbesondere das Fe:P-Verhältnis im Sediment) bzw. um eine bessere Anpassung an den konkreten Trainingsdatensatz zu erlauben.
Es wird eine alternative Anpassung des Vollenweider-Modells vorgenommen, welche die spezielle Situation in Tagebauseen abbildet und gleichzeitig die Anwendbarkeit auf natürliche Seen gewährleistet. Hierbei erfolgt eine multiplikative Ergänzung, deren Wert vom Fe:P-Verhältnis im Sediment abhängt.
Ergebnisse
Im Ergebnis der zeitaufwändigen Zusammenstellung und Aufbereitung der Datensätze steht jetzt ein wertvoller Datensatz bereit, der auch weiterhin systematisch ergänzt und für weitere wissenschaftlich relevante Umweltzwecke ausgewertet werden sollte. Damit wurde das Ziel einer Erweiterung des Trainingsdatensatzes im Vergleich zur Datenlage vor dem Projekt (Grüneberg et al. 2018) erreicht. Die Datenbasis sollte künftig insbesondere um Datensätze zu „gereiften“ TBS bzw. weiteren natürlichen Seen mit guter Sedimentdatenlage ergänzt werden.
Erstmalig wurde eine systematische Einteilung für die Phasen der Entwicklung pH-neutraler TBS mit den relevanten P-Bindungsprozessen bzw. Bindungsformen in ihrem Reifungsprozess bis zum Verhalten eines natürlichen Sees vorgenommen (Phase A – C, Abb. 2). Hierbei wurden (hydrogeochemische) Prozesse der „Reifung“ und mögliche Auswirkungen auf die P-Retention in den einzelnen Phasen der Entwicklung von TBS beschrieben. Indikatoren des Stoffeintrags wurden identifiziert, die sich auch prognostizieren lassen (z.B. Fe-, P- und Sulfateintrag). Es wurden Indikatoren und Kipppunkte für nachlassende P-Retention unter oxischen und anoxischen Bedingungen herausgearbeitet. Diese können genutzt werden, um das gegenwärtige und das zukünftige P-Retentionsverhalten von TBS abschätzen zu können. Die Anwendung der TBS-Trophiemodelle wird durch die beschriebenen Kriterien fachlich abgesichert. Beispielsweise kommt es bei TBS mit temporär anoxischen Bedingungen zu einer Entkopplung von NH4+- und SRP-Rücklösung (präferentielle N-Rücklösung), erkennbar an einem NH4-N:SRP-Verhältnis im Porenwasser >20 – 50. Dies ist ein Indiz für ein hohes P-Sorptionspotential des Oberflächensedimentes und entsprechend hohe P-Retention.
Für die Phase A wurde im AP 4 ein numerisches Oberflächenkomplexierungsmodell zur seeinternen P-Bilanzierung am Beispiel des TBS Schönfelder See mittels stationärer Wasser-, P- und Fe-Bilanz angewendet mit dem Ergebnis, dass die hohen Fe-Einträge und die damit verbundene Kofällung 96% des eingetragenen Phosphors im Freiwasser entziehen. Das hohe Bindungspotential für P zeigt sich auch daran, dass lediglich an 4% der möglichen Fe-Bindungsplätze Phosphat adsorptiv gebunden haben. Das erklärt die sehr geringen P-Konzentrationen in den meisten TBS in der bergbaulichen Phase (Phase A) und ergab auch für instationäre Bedingungen (Bernsteinsee) gute Übereinstimmung mit den Messwerten.
Im Zuge der Reifung (Phase B) tritt der anorganische Chemismus des Phosphors im Freiwasser mehr in den Hintergrund und P-Entzug durch die Primärproduktion und insbesondere die verschiedenen P-Bindungsprozesse im Sediment bestimmen die P-Retention in TBS. Hier ist das Fe:P Verhältnis im Sediment als Schlüsselparameter zur Effizienz der P-Retention in den einzelnen Phasen der TBS-Reifung identifiziert worden.
Diese Gegebenheit wurde bei der empirischen Modellierung (AP 5) berücksichtigt, wobei zunächst eine Parameterschätzung mittels nichtlinearer Regression vorgenommen wurde. Das Ergebnis beschreibt die P-Retention in Abhängigkeit vom Fe:P-Verhältnis als sigmoidale Funktion (Abb. 3). Daraus ergab sich für TBS mit Fe:P-Verhältnissen über 15 eine deutliche Korrektur des originalen Vollenweider-Modells zu einer höheren P-Retention. Dagegen konvergiert die Funktion bei niedrigem Fe:P-Verhältnis gegen den Wert 1. Sie wird damit identisch mit dem originalen Vollenweider-Modell und verbessert das Verhalten des Modells im Extrapolationsbereich. Die insgesamt geringere Zahl empirischer Koeffizienten (2 statt 4 wie in Grüneberg et al. 2018) geht zwar mit einer reduzierten Anpassungsfähigkeit des Modells einher, vermindert andererseits aber das Risiko einer Überparametrisierung.
Öffentlichkeitsarbeit
Im Zeitraum der Projektbearbeitung wurden die Ergebnisse auf den Jahrestagungen der Deutschen Gesellschaft für Limnologie e.V. (DGL) im September 2021 in Leipzig sowie im September 2022 in Konstanz vorwiegend als Fachvorträge vorgestellt und diskutiert. (Die DGL-Tagung 2020 war coronabedingt ausgefallen.) Die Jahrestagungen bilden das beste Forum zur Vorstellung, Diskussion und Verbreitung neuer Forschungsergebnisse im deutschsprachigen Raum. Das ergibt sich aus der Tatsache, dass in der DGL ca. 900 Mitglieder aus wissenschaftlichen Einrichtungen, zahlreichen Ingenieurbüros sowie Behörden und damit auch Entscheidungsträger organisiert sind.
Beiträge zur DGL-Tagung 2021 in Leipzig (Projektbearbeiter sind fett hervorgehoben. Die Abstracts der Beiträge sind online in den jeweiligen Tagungsbänden verfügbar: https://www.dgl-ev.de/publikationen/dgl-tagungsbaende/tagungsberichte.html):
1. Special Session A 09: Urbane und erheblich veränderte Gewässer, Moderation Carsten Rinke und Ina Hildebrandt
2. Rainer-Koschel-Session S18: Phosphor in Seen oder “What Vollenweider couldn't tell us”, Moderation Brigitte Nixdorf und Michael Hupfer
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Zu den Special Sessions gab es seitens der Projektbearbeiter folgende Beiträge:
3. Nixdorf, B., Rücker, J. (Vortrag): Manche machen mehr daraus – eine trophische Betrachtung zur Transformation von Phosphor in Phytoplanktonbiomasse.
4. Grüneberg, B., Hildebrandt, I., Rücker, J., Kreutziger, Y., Kneis, D., Uhlmann, W., Seiler, D., Petzoldt, T., Horn, A., Gonsiorczyk, T., Leßmann, D., Nixdorf, B. (Vortrag): Phosphor-Retentionsmodelle für pH-neutrale Tagebauseen.
5. Hildebrandt, I., Ulrich, K-U., Horn, A., Weber, L., Nitsche, C. (Vortrag): Evaluation eines Modellkonzeptes für die Prognose der Wasserbeschaffenheitsentwicklung von Bergbaufolgeseen.
Zur DGL-Tagung September 2022 in Konstanz wurden folgende Beiträge präsentiert:
6. Grüneberg, B., Nixdorf, B., Rücker, J., Gonsiorczyk, T., Hupfer, M., Uhlmann, W., Seiler, D., Hillecke, Y., Kneis, D., Petzoldt, T., Horn, A., Hildebrandt, I. (Vortrag): Wie langwirkend ist die hohe Phosphorretention von Tagebauseen?
7. Kneis, D., Petzoldt, T., Rücker, J. Nixdorf, B., Grüneberg, B. (Vortrag): Phosphorus retention in non-acidic post mining lakes: The challenge of trophic state prediction.
8. Rücker, J., Lippert, G., Hillecke, Y., Hildebrandt, I., Grüneberg, B., (Poster): Herausforderungen der TP-Bestimmung in pH-neutralen Tagebauseen.
Geplant ist für 2023 eine Publikation als digital verfügbare und klassische Papierveröffentlichung des Landesamtes für Umwelt (LfU) Brandenburg, die eine sehr gute Verbreitung und Akzeptanz hauptsächlich bei unseren Praxispartnern hat. Vorgespräche dazu haben mit den Verantwortlichen des LfU bereits stattgefunden. Daneben bietet die Fülle der wissenschaftlichen Ergebnisse die Chance, auch ausgewählte Aspekte bzw. Beiträge in englischsprachigen Fachjournalen zu veröffentlichen. Hierzu gibt es z.Z. erst orientierende Planungen.
Fazit
Durch das Projekt „Phosphor-Retentionsmodelle für pH-neutrale Tagebauseen“ konnten wesentliche Fortschritte im Vergleich zu Vorgängerstudien (Grüneberg et al. 2011, 2018) für die Trophieprognose von TBS erzielt werden. Die methodischen Ansätze haben sich als tragfähig erwiesen, und alle wesentlichen Ziele wurden erreicht. Die statistische Absicherung der empirischen Modelle konnte wesentlich verbessert werden, da in einem sehr aufwändigen Verfahren alle verfügbaren Daten von TBS deutschlandweit einem systematischen Screening unterzogen und, wenn möglich, für das Projekt genutzt wurden (AP 1 – 3).
Eine wertvolle Innovation ist die neue Modellstruktur mit einer sigmoidalen Funktion zur Korrektur des Vollenweider-Modells auf Basis des Fe:P-Verhältnisses im Sediment. Durch die geringe Zahl der Koeffizienten in diesem Modell wurde das Risiko der Überparametrisierung vermindert. Aber vor allem bietet das Modell größere Sicherheit bei Trophieprognosen, da den Anwendern die Entscheidung der Modellwahl abgenommen wird und so Fehlprognosen vermieden werden.
Ein wesentliches Defizit bleibt die geringe Spreizung der Daten bezüglich P-Eintrag und Trophie. Das Problem konnte durch Integration von Daten natürlicher Seen zwar abgefangen werden, zukünftig sollten jedoch weitere Datensätze von TBS in einem „reiferen“ oder stofflich höher belasteten Zustand integriert werden. Das Fe:P-Verhältnis im Sediment hat sich, wie auch in den Vorgängerstudien, als wichtigster Prädiktor für die P-Retention erwiesen. Da das P-Bindungsvermögen des Sediments jedoch auf komplexe Weise vom Fe-Gehalt abhängt (Sulfid- und Vivianitbildung, Zusammenhänge zur S- und Mn-Geochemie), sollte zukünftig versucht werden, die sigmoidale Funktion zur Korrektur des Vollenweider-Modells durch weitere Parameter zu ergänzen. Zudem wäre es aus Anwendersicht wünschenswert, wenn einfacher zu prognostizierende Parameter (z. B. der Sulfateintrag) für Trophiemodelle nutzbar wären. Sehr zu begrüßen wäre auch die Weiterentwicklung der Prozessmodellierung des P-Haushalts von TBS durch Integration von Sedimentprozessen.