Schwerpunktthema Juni 2011

Wasser und der Fluss der Stoffe

Bäche und Flüsse werden schon seit Menschengedenken für den Transport von Gütern genutzt. Doch nicht nur auf dem Wasser, auch im Wasser und zwischen Wasser, Boden und Atmosphäre werden Stoffe transportiert: feste und gelöste, anorganische und organische, gewünschte und unerwünschte. Die Palette reicht von Nährstoffen über Schwebstoffe bis hin zu den unterschiedlichsten Schadstoffen aus Industrie und Landwirtschaft oder Haushalten.

Probennahme Selche

Um Stoffflüsse zu ermitteln, müssen über einen langen Zeitraum kontinuierlich viele Daten zur Konzentration einzelner Stoffe ermittelt werden. Zum Teil geschieht das über stationäre Messstationen. Oft müssen die Wissenschaftler aber auch zur Probenahme selbst "in den Fluss".
Foto: Michael Vieweg/UFZ

Luftbild Selke

An der Selke, einem Nebenfluss der Bode studieren die UFZ-Forscher, wie morphologische Strukturen im Flussbett wie etwa Kiesbänke und Meanderschlaufen den Austausch von Flusswasser mit dem Sediment beeinflussen. Die dafür notwendigen Daten zeichnen permanent installierte Meßgeräte auf einem 300 Meter langen Flussabschnitt der Selke auf.
Foto: André Künzelmann/UFZ

Beim Transport dieser Stoffe im Wasser finden komplexe biologische, chemische und physikalische Wechselwirkungen statt, die deren Verbleib, Abbau und Wirkung in der Umwelt bestimmen. Und genau damit befasst sich eine Gruppe von Hydrogeologen, Biologen und Chemikern des UFZ. Denn viele dieser Stoffe stellen zum einen ein Problem für die Wasserqualität dar, z. B. bei der Gewinnung von Trinkwasser, die immer aufwändiger und damit teurer wird, je mehr unerwünschte Substanzen entfernt werden müssen. Zum anderen beeinträchtigen sie auch die natürlichen Funktionen aquatischer Ökosysteme wie Nahrungsnetze oder das Filter- und Selbstreinigungsvermögen.

Den Wissenschaftlern geht es aber nicht nur darum, Prozesse wie die Grundwasserdynamik, den Austausch zwischen Grund- und Oberflächenwasser oder die Ausbreitung und den Abbau von Schadstoffen besser zu verstehen. Sie wollen diese Stoffflüsse auch quantifizieren und vorhersagen können. "Derartig komplexe hydrologische und biogeochemische Prozesse durch Messdaten zu beschreiben und schließlich in Computermodellen zu simulieren, ist eine echte Herausforderung, aber auch die einzige Möglichkeit, verlässliche Prognosen machen zu können", sagt Hydrogeologe Dr.Jan Fleckenstein. Solche Prognosen werden benötigt, weil sie die Basis für Managemententscheidungen sind, beispielsweise im Zusammenhang mit der Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie oder Anpassungsstrategien an den Klimawandel auf der Ebene ganzer Flusseinzugsgebiete.

Die für großräumige Stoffflüsse relevanten Schlüsselprozesse spielen sich jedoch oft auf viel kleineren Skalen ab, zum Beispiel in den obersten Zentimetern der Flussbettsedimente, im Porenraum von Böden oder in der Übergangszone zwischen Grund- und Oberflächenwasser. Einzelne chemische Prozesse wie der Abbau von Nitrat durch die sogenannte Denitrifikation sind durchaus bekannt. Aber das komplexe Zusammenspiel mehrerer Prozesse unter Beteiligung einer Vielzahl von Stoffen unter sich dynamisch ändernden hydrologischen und biogeochemischen Randbedingungen (z. B. Fließgeschwindigkeit, Sauerstoffgehalte) ist bisher nur unzureichend verstanden und messtechnisch schwer zu erfassen.

Das ist aber eine Voraussetzung, um zuverlässige Entscheidungsgrundlagen für ganze Einzugsgebiete ableiten zu können, z. B. wo und wie Flussrenaturierungen sinnvoll sind, um Pufferzonen für den natürlichen Nitratabbau zu schaffen, oder bei der Ausweisung von Schutzzonen für Trinkwasserbrunnen.

Water Research Horizon Conference

Water Research Horizon Conference 2010

Vom 8. bis 9. Juni 2011 fand die zweite Water Research Horizon Conference in Berlin statt. Ein Schwerpunkt der diesjährigen Konferenz war ein besseres Verständnis von Stoffflüssen in Flussgebieten und deren Modellierung.

Um mit der Nachfrage nach Nahrung und Bioenergie Schritt halten zu können, gehen Prognosen davon aus, dass die Landwirtschaft weiter intensiviert und ausgebaut wird. Zu erwarten ist daher ein verstärkter Einsatz von Dünger und Pestiziden mit den entsprechenden Auswirkungen auf Stoffflüsse. Darüber hinaus verändert die zunehmende Urbanisierung die Stoffflüsse im Umweltsystem. Im Gegensatz zur Landwirtschaft sind städtische Stoffquellen eher diffus und heterogen (z.B. Nanopartikel, pathogene Keime sowie hormonell wirksame Substanzen).

Ein besseres Verständnis von Stoffflüssen ist daher aus der Sicht der Wissenschaft unbedingt notwendig, um die Umwelt und Gesundheit zu schützen. Unter anderem wollen die Konferenzteilnehmer folgende Fragen diskutieren: Welche Rolle hat die Schnittstelle Boden-Pflanzen-Atmosphäre auf Stoffflüsse? Welche Prozesse finden an der Übergangszone zwischen Grund- und Oberflächenwasser statt und wie werden Stoffe dort zurückgehalten, abgebaut und verändert? Welchen Einfluss haben der Klimawandel und Landnutzungsänderungen auf den Wasserkreislauf und die damit verbundenen Stoffflüsse?

>> 2. Water Research Horizon Conference

Zwischen Fluss und Grundwasser

An der Selke, einem Nebenfluss der Bode im TERENO-Untersuchungsgebiet studieren die UFZ-Forscher, wie morphologische Strukturen im Flussbett wie etwa Kiesbänke und Meanderschlaufen den Austausch von Flusswasser mit dem Sediment beeinflussen. Dieser sogenannte hyporheische Austausch bringt Flusswasser in den porösen Untergrund, wo aufgrund langsamerer Fließgeschwindigkeiten und der Mischung mit zuströmendem Grundwasser, das eine andere chemische Zusammensetzung und Temperatur hat, (Schad)stoffe abgebaut oder durch Redoxprozesse umgewandelt werden. Dieses natürliche Selbstreinigungspotenzial von Flüssen kann durch Veränderungen in der Flussbettmorphologie (z. B. Begradigung von Flüssen) oder Eingriffe in die Grundwasserdynamik (z. B. verstärktes Abpumpen von Grundwasser für landwirtschaftliche Bewässerung) gestört werden. Über einen etwa 300 Meter langen Flussabschnitt der Selke zeichnen die Wissenschaftler mit permanent installierten Messgeräten die Druckverhältnisse (hydraulische Potenziale) an der Flusssohle, im Sediment und im angrenzenden Grundwasserleiter sowie relevante Parameter wie Sauerstoffgehalt, elektrische Leitfähigkeit und Temperatur in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung auf. Gradienten im hydraulischen Potenzial verraten ihnen, wohin und wie schnell das Wasser im Untergrund fließt. Die chemischen Parameter geben Aufschluss über das chemische Milieu, in denen die Stoffe transportiert werden. Mit den Daten wollen die Wissenschaftler abschätzen, welches Abbau- und Transformationspotenzial die Übergangszone zwischen Fluss und Grundwasser hat. Mit einem Simulationsmodell schließlich quantifizieren sie Auswirkungen klimatisch bedingter Veränderungen wie Temperatur und Abfluss auf den hyporheischen Austausch sowie möglicher Veränderungen der Flussbettmorphologie und der Grundwasserdynamik.

Dem Nitrat auf der Spur

Am Sauerbach, einem kleinen landwirtschaftlich geprägten Bach im Bode- und TERENO-Untersuchungsgebiet, haben die UFZ-Forscher das Nitrat ins Visier genommen. Nitrat aus der Landwirtschaft stellt in vielen Teilen Europas nach wie vor eine Gefährdung für die Trinkwasserqualität dar. Die Nitratkonzentrationen im Quellwasser, das den Sauerbach speist, liegen bereits über den Grenzwerten der Trinkwasserverordnung. "Unsere regelmäßigen Probenahmen und Analysen einer Vielzahl chemischer Inhaltsstoffe und Parameter hat ergeben, dass die Nitratkonzentration entlang der Fließstrecken des Bachs signifikant zurückgeht. Wir wollen wissen, warum. Wird Nitrat in der hyporheischen Zone abgebaut? Oder sinkt die Konzentration durch Verdünnung mit Grundwasser oder Wasser aus landwirtschaftlichen Drainagen?", fragt Jan Fleckenstein. Der Sauerbach ist auch ein schönes Beispiel dafür, wie die hydrologische Dynamik Stoffflüsse beeinflussen kann. Unter sehr feuchten Bedingungen und während starker Niederschläge kann es temporär zum Zutritt von nitratarmem Wasser in den Bach aus nicht permanent am Abflussgeschehen beteiligten Bereichen des Gebiets kommen, was die Nitratkonzentrationen im Bachwasser deutlich verringert. Die Entschlüsselung derartig komplexer Dynamiken ist wichtig, um die Auswirkungen von Klimaveränderungen auf Stoffflüsse adäquat abschätzen zu können.

Wenn Huminstoffe zum Problem werden

Aussetzen von Messsonden

Forscher untersuchen, warum die Rappbodetalsperre seit einigen Jahren immer höhere Konzentrationen an gelösten organischen Kohlenstoff aufweist (dissolved organic carbon = DOC). Um die Quellen des DOC bestimmen zu können, setzen die Wissenschaftker vom Schlauchboot Messbojen aus.
Foto: André Künzelmann/UFZ

In der Rappbodetalsperre im Harz, der größten Trinkwassertalsperre Deutschlands, werden - wie übrigens überall auf der Welt - seit einigen Jahren immer höhere Konzentrationen von gelöstem organischen Kohlenstoff (dissolved organic carbon = DOC) verzeichnet. "DOC entsteht bei der Umwandlung von Huminstoffen, die wiederum Abbauprodukte von Pflanzen sind, und wird durch Flüsse und Bäche und Abfluss an der Landoberfläche in die Talsperre eingetragen", erklärt Gewässerökologe Dr. Karsten Rinke. Sind Huminstoffe in größerer Konzentration im Wasser vorhanden, können sie bei der Filtration von Rohwasser zu einem verfahrenstechnischen Problem werden, denn je mehr Huminstoffe vorhanden sind, desto schwieriger und teurer wird die Fällung, was sich letztlich in einem höheren Wasserpreis bemerkbar macht. Noch problematischer ist es, wenn an sich nicht giftige Huminsäuren bis in das sogenannte Reinwasser gelangen. "Unser Trinkwasser wird mit Chlor desinfiziert und dabei entstehen chlorierte Kohlenwasserstoffe als Desinfektionsnebenprodukte, die giftig und damit ein Gesundheitsproblem sind", sagt Rinke. Nun wollen die Forscher in einer Langzeituntersuchung herausfinden, wo genau die Quellen des DOC sind, warum sie in immer stärkerem Maße ins Wasser gelangen und wie lange der Trend noch anhalten wird. Zurückliegende Forschungen deuten darauf hin, dass der DOC-Eintrag in Fließgewässer durch Prozesse in vermoorten Flussniederungen gesteuert wird. Rund um die Talsperre wurden deshalb neun Messstationen eingerichtet und ab diesem Jahr werden alle Zu- und Abflüsse der Talsperre als Teil des TERENO-Projekts beobachtet.

Ganzheitliches Verständnis notwendig

Eingriffe des Menschen in natürliche Stoffkreisläufe, Klima- und Landnutzungsänderungen sowie das Auftreten neuer Schadstoffe in der Umwelt verändern die Randbedingungen der Prozesse, die die Stoffflüsse steuern. "Die Quantifizierung und Prognose von Stoffflüssen in Einzugsgebieten ist eine komplexe, interdisziplinäre Herausforderung, für die wir jedoch mit den zahlreichen in der Wasserforschung tätigen Departments am UFZ gut aufgestellt sind", meint Fleckenstein. Neben der Entwicklung von Werkzeugen und Methoden zur Abschätzung und Prognose von Stoffflüssen befassen sich die Wissenschaftler auch mit Methoden zur Bewertung der Schadwirkung von Stoffen auf aquatische Ökosysteme als Indikator für die Wasserqualität (siehe Infobox). "Zu einem ganzheitlichen Verständnis von Wasser- und Stoffflüssen und deren Wirkungen in der Umwelt können wir nur gemeinsam gelangen", sagt Fleckenstein. "In diese Richtung sind wir unterwegs."
Jörg Aberger und Doris Böhme

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Referenzen (Auswahl)

Fleckenstein, J.H., Krause, S., Hannah, D.M., Boano, F., (2010)
Groundwater-surface water interactions: New methods and models to improve understanding of processes and dynamics, Advances in Water Resources, 33(11):1291-1295

Fleckenstein, J.H., Neumann, C., Volze, N. & Beer, J. (2009)
Spatio-temporal patterns of groundwater lake exchange in an acid mine lake, Grundwasser, 14(3), 207-217

Fleckenstein, J.H., Niswonger, R.G. and Fogg, G.E. (2006)
River-aquifer interactions, geologic heterogeneity, and low flow management, Ground Water, 44(6), 837-852

Fleckenstein, J.H., Anderson, M, Fogg, G.E. & Mount, J. (2004)
Managing surface water-groundwater to restore fall flows in the Cosumnes River, Journal of Water Resources Planning and Management, 130(4), 301-310

Frei, S., Fleckenstein, J.H., Kollet S. & Maxwell R.M., (2009)
Patterns and dynamics of river-aquifer exchange with variably saturated flow using a fully coupled model, Journal of Hydrology,375(3-4), 383-393

Krause, S., Hannah, D.M., Fleckenstein, J.H., Heppel C.M. Kaeser D., Pickup R., Pinay G., Robertson A.L., Wood P.J. (2011)
Interdisciplinary perspectives on processes in the hyporheic zone, Ecohydrology, DOI: 10.1002/eco.176

Lewandowski, J., Angermann, L., & Nützmann, G. & Fleckenstein, J.H., (2011)
A heat pulse technique for the determination of small-scale flow directions and flow velocities in the streambed of sand-bed streams, Hydrological Processes, DOI: 10.1002/hyp.8062

Schornberg C., Schmidt C., Kalbus E. & Fleckenstein J.H., (2010)
Simulating the effects of geologic heterogeneity and transient boundary conditions on streambed temperatures - implications for temperature-based water flux calculations, Advances in Water Resources, 33(11), 1309-1319

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