Für die See-Bewertung mit Phytoplankton sind mindestens sechs Probenahmen pro Jahr in der Vegetationsperiode von März/April bis Oktober/November vorzusehen, wobei mindestens vier Untersuchungstermine im Zeitraum Mai bis September liegen sollen. Über dem tiefsten Punkt des Sees sollen von einem Boot aus mit einem Wasserschöpfer Planktonproben entnommen werden. Zum Auffinden der richtigen Stelle sind Tiefenkarten wichtig. Vor jeder Untersuchung sollte eine Überprüfung mit Echolotung oder Lotung und ggf. GPS erfolgen. Für Langzeituntersuchungen ist eine Bojen-Markierung zu empfehlen. Optimal ist die Verwendung eines Tiefen-Integralschöpfers, welcher beim Durchfahren der Wassersäule kontinuierlich und automatisch eine Mischprobe der gesamten Wassersäule entnimmt. Alternativ können Punktproben, je nach Tiefe des Sees in Schritten von 1 m (polymiktische Seen) oder maximal 2 Metern (tiefe Seen) zu einer Mischprobe vereinigt werden. Hierzu sind verschiedene Wasserschöpfer wie Röhren- oder Schlauch-Sampler (s. Abb. 1) geeignet. Abb. 1: Links: Tiefenintegrierender Probennehmer. Rechts: Friedinger-Schöpfer zur Entnahme von Tiefenstufenproben (Fotos: Eberhard Hoehn) Vor der Probenahme ist festzustellen, welchem Schichtungstyp das zu untersuchende Gewässer zugeordnet wird, da sich die Probenahme bei geschichteten (di- und monomiktischen) und weitgehend ungeschichteten (polymiktischen) Seen unterscheidet. Ein See gilt als geschichtet, wenn mit regelmäßigen Temperaturmessungen im Tiefenprofil und Jahresgang eine durchgehende Schichtungsperiode von mehr als drei Monaten festgestellt wurde. Vor Beginn der Probenahme wird die Sichttiefe mit einer weißen Scheibe (Secchi-Scheibe) gemessen, für die nach ISO 7027-2:2016 ein Durchmesser von 20 cm empfohlen wird (für sehr hohe Sichttiefen > 10 m können größere Scheiben verwendet werden). Sie wird an einem Maßband so lange in die Tiefe abgelassen bis sie gerade nicht mehr sichtbar ist und dann wieder angehoben bis man die Scheibe gerade wieder erkennt. Aus diesen beiden Werten wird ein Mittelwert gebildet. Die so ermittelte Tiefe ist die sogenannte Secchi-Sichttiefe. Zur Ausschaltung von störenden Reflektionen sowie bei bewegter Wasseroberfläche ist zur Verbesserung der Erkennbarkeit der Scheibe ein Secchiskop – eine Sichtröhre mit Glasboden ‑ zu verwenden. Der Tiefenbereich bis zur 2,5fachen Secchi-Sichttiefe ist der Bereich, in dem das Phytoplankton gut wachsen kann. Er wird als euphotische Zone, seine untere Grenze als euphotische Tiefe bezeichnet. Anschließend werden mit Messsonden in festen Tiefenschritten (0,5 oder 1 m) zumindest die Temperaturwerte ermittelt. Weitere relevante Sondenparameter sind Sauerstoffgehalt, elektrische Leitfähigkeit, pH-Wert, Redoxpotenzial und Chlorophyll-a-Konzentration. Es können Tiefenprofile erstellt werden, anhand derer eine Temperaturschichtung, Sauerstoff-Defizite oder Tiefenchlorophyll-Maxima (DCM = deep chlorophyll maximum) festgestellt werden können. Ungeschichtete oder polymiktische Seen sind über das ganze Jahr hinweg bis zum Grund durchmischt. Lediglich in stabilen Wetterlagen können kürzere Phasen der Temperaturschichtung auftreten. In polymiktischen Seen erfolgt die Probenentnahme stets aus der gesamten Wassersäule bis etwa 1 m über Grund, maximal bis in eine Tiefe von 6 m. Trifft man den See z. B. im Hochsommer in einer Phase mit Temperaturschichtung an, so wird die Probenahme dennoch unverändert durchgeführt. In geschichteten Seen ist die "richtige" Probenahmetiefe differenzierter zu ermitteln: Um in geschichteten Seen die Mächtigkeit der oberen durchmischten Schicht, des Epilimnions, festzustellen, wird das Temperatur-Tiefenprofil herangezogen. Wenn sich die Temperatur in der Tiefe schnell abkühlt und die Temperaturänderung 1°K pro Meter überschreitet, liegt eine sog. Sprungschicht vor. Die Zone bis zur Sprungschicht wird als Epilimnion bezeichnet, die Zone der starken Temperaturänderung als Metalimnion und die kühle, in der Temperatur wieder konstantere, darunter liegende Schicht als Hypolimnion. Während der Vollzirkulation mit Temperaturausgleich bis zum Grund ‑ meist im Zeitraum von Herbst bis Frühjahr ‑ soll die Probe aus der durchmischten Schicht bis zur mittleren Tiefe des Sees stammen, jedoch bis maximal 10 m Tiefe, in sehr tiefen Seen mit maximal 20 m Tiefe. Während der Phase der Temperaturschichtung sind folgende Fälle zu unterscheiden: In eher trüben Seen ist das Epilimnion zu beproben. Die euphotische Zone oder -Tiefe (2,5fache Secchitiefe) liegt innerhalb des Epilimnions. In klaren Seen, in denen die euphotische Zone über das Epilimnion hinausgeht und in die Sprungschicht oder sogar ins Hypolimnion hineinragt, muss die Wassersäule bis zur euphotischen Tiefe beprobt werden. Es gilt also: Die "tiefere" Kenngröße (Epilimniontiefe oder euphotische Tiefe) gibt die Probenahmetiefe für die Mischprobe an. Es ist darauf zu achten, dass die Probenahme nicht in ein sauerstoffreies, durch Schwefelwasserstoffbildung oder Nährstoffrücklösung geprägtes Hypolimnion hineinreicht und mindestens einen Meter darüber endet. Ausgeprägte Tiefenchlorophyll-Maxima sollen ebenfalls erfasst werden. Um diese festzustellen, muss allerdings eine Chlorophyll-Sonde (Fluoreszenzsonde) im Einsatz sein. Diese und weitere Details sowie Spezialfälle der Probenahme sind in der Methodenbeschreibung von Nixdorf et al. (2010) und der Europäischen Norm DIN EN 16698 differenziert beschrieben. Aus der so gewonnenen Mischprobe wird in der Regel sowohl die Phytoplanktonprobe als auch die chemische Probe für die Chlorophyll a-Bestimmung und ggf. weitere chemische Parameter (z. B. Gesamtphosphor) entnommen. Probenahme für die Anwendung des Diatomeenindex Profundal (DI-PROF): Die sich über das Jahr im Plankton entwickelnden Kieselalgen (Diatomeen) sinken aufgrund des Gewichts ihrer Schalen auf den Seeboden ab. Am Ende des Jahres befinden sich die Schalen in einer halbflüssigen, oben aufschwimmenden Sedimentschicht und die Probe (ca. 10 ml) wird mit einem Röhrensammler (Kajak-Corer) genommen. Die so ermittelten Kieselalgenbefunde können mit dem Index DI-PROF zur Trophiebewertung herangezogen werden, welcher in den PhytoSee-Index eingerechnet werden kann. An jedem Probenahmetermin sind aus der Mischprobe mindestens zwei Teilproben (1. und 2.) und zusätzlich fakultativ eine Diatomeenprobe (3.) herzustellen: 1. Chlorophyll a-Probe : 0,5-2 Liter (je nach Algendichte) unfixiert in PET-Flaschen, Transport ins Labor dunkel und kühl. Dort Weiterbehandlung. 2. Phytoplanktonprobe : Lugol-fixiert für die Analyse nach Utermöhl-Methodik, Gefäß: 100 ml-Klarglas-Enghalsflasche, im Labor: bei gekühlter und luftdichter Lagerung mindestens für ein halbes Jahr haltbar. 3. Diatomeenprobe (fakultativ) für die spätere Herstellung eines Diatomeenpräparats. Die Wahl der Fixierungsmethode sollte sich an den erforderlichen Lagerzeiten und –möglichkeiten orientieren, s. hierzu Abschnitt " Aufbereitung der planktischen Kieselalgen (Diatomeenpräparat)" Variante " Filterprobe "(empfohlen): 1 Liter (je nach Algendichte) unfixiert in PET-Flasche, Transport ins Labor dunkel und kühl. Dort Filtrierung. Bei mobiler Filtriermöglichkeit (Handfiltriergerät): 100-1.000 ml Probe (je nach Algendichte, deutliche Färbung des Filters erforderlich) werden über Cellulosenitrat-Membranfilter (0,4-1,0 µm) filtriert. Die Filter werden in Plexiglas-Petrischalen gelagert und müssen bis zur endgültigen Lagerung noch Luft-getrocknet werden. Variante " Alkoholprobe " (empfohlen, jedoch kürzere Lagerzeit): Die Vorfixierung der Probe erfolgt vor Ort mit 96%igem Ethanol (unvergällt) oder Isopropanol. 0,9 Liter Probe wird in eine 1 Liter Kautexflasche gefüllt und mit Alkohol aufgefüllt, d. h. im Verhältnis 1:9 vorfixiert. Weiteres Einengen und Nachfixieren im Labor. Variante " Lugolprobe ": 500 ml Probe (je nach Algendichte oder Notwendigkeit einer Rückstellprobe auch 200-1.000 ml möglich) wird mit handelsüblicher Lugol-Lösung (versetzt mit Natriumacetat) in 500 ml-Klarglas-Enghals-Flaschen fixiert bis die Probe cognacfarben ist (ca. 4 ml Lugol pro 200 ml Probe). Zunächst keine Weiterbehandlung im Labor, bei gekühlter und luftdichter Lagerung mindestens für ein halbes Jahr bis maximal ein Jahr haltbar. Die Chlorophyll a-Konzentration (Chl a) einer Wasserprobe wird meist spektralphotometrisch gemessen. Sie korreliert mit der Biomasse des enthaltenen Phytoplanktons, da alle Arten dieses Pigment zur Photosynthese nutzen. Die Wasserproben müssen noch am Probenahmetag mit einer Vakuumpumpe auf einen Glasfilter filtriert werden. Der Filterrückstand enthält die Algen und deren Pigmente. Die Bestimmung der Chlorophyll-a-Konzentration nach der Norm (DIN 38409-H60 2017) beruht auf der ethanolischen Heißextraktion des Filterrückstands einer Wasserprobe und der anschließenden Absorptionsmessung bei 665 nm. Hier werden Phaeopigmente – photosynthetisch nicht mehr wirksame Abbauprodukte des Chlorophylls ‑ miterfasst. Nach Überführung des gesamten Chlorophyll-a in Phaeopigmente durch Ansäuerung wird eine erneute Messung bei 665 nm durchgeführt. Somit kann rechnerisch auf die ursprüngliche Chlorophyll-a-Konzentration der Wasserprobe rückgeschlossen werden. Im Messwert des Chlorophyll-a nach DIN sind die Phaeopigmente nicht mehr enthalten. Ziel der mikroskopischen Analyse ist die Bestimmung des Biovolumens des Phytoplanktons. Die Analyse des Phytoplanktons erfolgt an einem Umkehrmikroskop. Dafür werden die Phytoplankter einen Tag zuvor in Absetzkammern angereichert (s. Abb. 5). Für die Mikroskopie werden die Phytoplankter einen Tag zuvor in Absetzkammern angereichert. Da die Zellkonzentration in Abhängigkeit von der Artenzusammensetzung und der Saison sehr stark schwanken kann, sind Orientierungswerte zur Auswahl des benötigten Absetzvolumens sowie die Chlorophyll a-Konzentration (Chl a) der Probe hilfreich. In der Verfahrensanleitung (Riedmüller et al. 2022) sind Beispiele mit Orientierungswerten genannt. Für die weitere Konservierung oder Weiterverarbeitung der Proben stehen je nach Fixierungsmethode im Gelände mehrere Varianten zur Verfügung. Die Wahl der passenden Methode richtet sich auch danach, wie lange die Probe bis zur endgültigen taxonomischen Bearbeitung gelagert werden muss. Weitere Details in Nixdorf et al. (2010). Variante "Filterprobe" : Zeitnah zur Probenahme bzw. möglichst am selben Tag ist das in der Regel 1 Liter unfixierte Probenvolumen auf Cellulosenitrat-Membranfilter zu filtrieren. Nach anschließender Lufttrocknung können die Filter in Plexiglas-Petrischalen ohne Konservierungsmittel längere Zeit aufbewahrt werden. Anmerkung : Celluloseacetatfilter haben sich nicht bewährt, da diese beim späteren Aufschluss unter heißer Säure und H 2 O 2 verklumpen. Ebenfalls ungeeignet ist die Verwendung von Glasfaserfiltern. Diese hinterlassen beim späteren Aufschluss eine hohe Zahl von Glasfasern, die das mikroskopische Bild der Algen überlagern und damit eine zuverlässige Bearbeitung unmöglich machen. Diese Art der Konservierung ist für Lagerzeiten bis deutlich über ein Jahr geeignet. Variante "Alkoholprobe" : Das vorfixierte Probenmaterial muss im Labor 2-3 Tage in der Kautexflasche absedimentieren. Der Überstand wird anschließend vorsichtig mit einer Wasserstrahlpumpe abgesaugt. Der aufgeschüttelte Rückstand wird in dicht schließende Flaschen abgefüllt und mit 96%igem Ethanol/Isopropanol (unvergällt, d. h. kein Brennspiritus!) im Verhältnis 1:5 nachfixiert. Ein Gesamtvolumen von 100 ml Diatomeen-Suspension ist ausreichend. Zur taxonomischen Bestimmung muss ein Diatomeenpräparat mit Probenaufschluss mittels Wasserstoffperoxid angefertigt werden. Diese Art der Konservierung ist für Lagerzeiten bis rund 6 Monate geeignet. Kühlung (4-8°C) verlängert die mögliche Lagerzeit. Variante "Lugolprobe" : Sind nur Lugol-fixierte Proben verfügbar, muss das jodhaltige Fixierungsmittel vor dem Aufschluss der Diatomeen folgendermaßen ausgewaschen werden: Die Proben werden mindestens 2 Tage zur Absedimentierung stehen gelassen. Der Überstand wird mit einer Wasserstrahlpumpe abgesaugt und mit H 2 O dest. auf ca. 250 ml aufgefüllt. Dieser Auswaschvorgang wird noch zweimal wiederholt. Anschließend kann die Probe zur Analyse aufgeschlossen werden. Diese Art der Konservierung ist mit Kühlung von 4-8°C für Lagerzeiten bis 6 Monate bis ggf. maximal ein Jahr geeignet. Lugol-fixierte Proben dürfen nicht in Plastikflaschen aufbewahrt werden, da das Jod des Fixiermittels von der Flaschenwandung aufgenommen und die Fixierung dann abgeschwächt wird. Zudem kann die Kontrolle der Färbung der Probe (Cognac-farben) wegen der Durchfärbung der PE-Flaschenwände nicht mehr stattfinden.
Die Stehgewässer (Seen) stellen, im Gegensatz zu Fließgewässern, ein geschlossenes Ökosystem dar und sind durch ein vergleichsweise großes Gesamtwasservolumen mit langen Wasseraufenthaltszeiten gekennzeichnet. Je nach der Entstehung des Sees spricht man von künstlich angelegten Seen (Abgrabungsseen, bzw. Baggerseen) oder natürlich entstandenen Seen. Ein See umfasst grundsätzlich die Freiwasserzone (Pelagial) und die Bodenzone (Benthal). Das Pelagial umfasst eine obere, durchlichtete trophogene Zone (Epilimnion), eine Sprungschicht mit einem Temperaturgradienten (Metalimnion), und eine untere tropholytische Wasserschicht (Hypolimnion). Das Benthal lässt sich wiederum in eine durchlichtete Uferzone (Litoral) und eine Tiefenzone (Profundal) unterteilen. Diese Zonen stellen Lebensräume für die unterschiedlichen Biozönosen des Sees dar und sind geprägt von verschiedenen abiotischen Faktoren (Wassertemperatur, pH-Wert, Lichtverfügbarkeit, Nährstoffe, Sauerstoff). Dem Lebensraum entsprechend lassen sich die Lebewesen des Ökosystems See in folgende Kategorien unterteilen: Plankton, Nekton, Neuston/ Pleuston und Benthos. Die autochthone Primärproduktion eines Sees umfasst in erster Linie die photoautotrophe Produktion des Phytoplanktons im Pelagial und der Makrophyten, des Phytobenthos und des Periphytons im Benthal. Im Nahrungsnetz der Ökosystems See schließen sich die Primär- und Sekundärkonsumenten an (z.B. im Pelagial vorkommende Fische und Insektenarten, benthische Makrozoobenthosarten). Tiefere Seen sind in der Regel dimiktisch, das heißt der Wasserkörper unterliegt zweimal im Jahr einer Zirkulation (Frühjahres- und Herbstzirkulation). In Abhängigkeit der Jahreszeit ändert sich die Temperatur des Sees. Im Winter kommt es aufgrund der Dichteanomalie des Wassers zu einer sehr kalten, zum Teil eisbedeckten oberflächennahen Schicht und einer wärmeren, tieferen Schicht von 4 °C am Grund des Sees. Damit ist das Überleben der Fische in den tieferen Wasserschichten des Sees im Winter sichergestellt. Im Frühling setzt eine Frühjahrszirkulation ein und die beiden Wasserschichten mischen sich. Nach der Vollzirkulation hat der See eine konstante Wassertemperatur und ähnliche Sauerstoff- und Nährstoffverhältnisse. Während der Sommerstagnation erwärmt sich das Oberflächenwasser auf über 20 °C, während das Wasser in den tieferen Schichten des Hypolimnions kälter ist. Die im Herbst einsetzenden Stürme führen erneut zu einer Herbstzirkulation und die beiden Wasserschichten durchmischen sich. Ein Team des LANUV bei der Seeuntersuchung, Foto: LANUV/FB 55 Das LANUV NRW – hier der Fachbereich 55 „Ökologie der Oberflächengewässer“ - führt regelmäßig biologische Untersuchungen in 23 Seen und 24 Talsperren mit einer Fläche von mehr als 50 ha durch. Die Seen in NRW sind bis auf 2 natürlich entstandene Altarme des Rheins (Altrhein Bienen-Prast und Altrhein Xanten) durch Menschenhand geschaffene Abgrabungsseen der Kies- und Sandindustrie oder des Braunkohletagebaus und damit gemäß Terminologie der WRRL künstliche Gewässer. Talsperren sind aufgestaute und damit erheblich veränderte Fließgewässer, die mit ihren limnischen Eigenschaften stehenden Gewässern am ähnlichsten sind. Grundlage für diese Gewässeruntersuchungen ist die im Jahr 2000 beschlossene Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) die in Deutschland rechtlich durch die Novellierung des Wasserhaushaltsgesetzes (WHG) und durch die Oberflächengewässerverordnung (OGewV 2011, 2016) umgesetzt ist. Nach diesen Regelungen soll der gute Gewässerzustand erhalten bleiben und – wo dies nicht mehr der Fall ist – soll schrittweise spätestens bis zum Jahr 2027 der gute Zustand erreicht werden. Erheblich veränderte und künstliche Gewässer müssen das gute ökologische Potenzial erreichen. Foto: LANUV/FB 55 Foto: LANUV/FB 55 Gewässerüberwachung Die Untersuchung und Bewertung der Flora und Fauna liefert wesentliche Grundlagen z.B. zum Erhalt und zur Verbesserung der Artenvielfalt, des Gewässerschutzes und des Erholungs- und Freizeitwertes der Seen und Talsperren in NRW. Tiere und Pflanzen sind wichtige Bioindikatoren. In der Zusammensetzung der Arten und der Häufigkeit ihres Vorkommens spiegeln diese Organismen die Lebensbedingungen über einen längeren Zeitraum wider und geben Auskunft über eine längerfristige Belastungssituation. Chemische Analysen beschreiben lediglich eine Momentaufnahme. Für die Stehgewässer ist das Phytoplankton die wichtigste biologische Qualitätskomponente. Biologische Qualitätskomponenten
Für den Bodensee wurde das Informationssystem BodenseeOnline zur Vorhersage des hydrodynamischen Verhaltens und der Wasserqualität im Rahmen eines Verbundforschungsprojektes entwickelt, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft finanziert wurde. Nach dieser Entwicklungsphase wird BodenseeOnline nun von der LUBW betrieben, verbessert und erweitert. Die Informationen aus BodenseeOnline basieren auf Modellsimulationen, die täglich aktualisiert werden. Die räumliche Auflösung des Modellgitters beträgt derzeit einhundert Meter. Die Modelle basieren auf umfassenden Messdaten und verarbeiten stündliche Prognosedaten des Deutschen Wetterdienstes. Für das Verständnis der Informationen aus BodenseeOnline ist wichtig zu beachten, dass Simulationsmodelle die realen Verhältnisse am See nur näherungsweise beschreiben können und entsprechend der Güte der Modelle und der verwendeten hydrometeorologischen Antriebsdaten von der Wirklichkeit abweichen. Insbesondere bei den Vorhersagen ist mit einer erhöhten Unsicherheit der Ergebnisse zu rechnen. Bedingt durch die räumliche und zeitliche Auflösung der verwendeten Modelle und Daten können kurzzeitige oder kleinräumige Ereignisse durch die Modelle nicht abgebildet werden. Bedenken Sie dies, wenn Sie die Daten von BodenseeOnline zu persönlichen Entscheidungen wie Segeltörn, Tauchgänge oder Badebesuche verwenden. Nachfolgend finden Sie Hintergrundinformationen zu BodenseeOnline sowie zu einigen bedeutenden Vorgängen im Bodensee: Wie funktioniert BodenseeOnline? Was sind interne Wellen? Wohin fließt das Flusswasser im See? Wie funktioniert die Tiefenwassererneuerung? Veröffentlichungen In BodenseeOnline werden numerische Modelle eingesetzt, mit denen die dreidimensionale Seeströmung berechnet wird. Zusammen mit einem ökologischen Modell werden auch der Nährstoffkreislauf des Sees und biologische Komponenten, wie z.B. Chlorophyll-a, berechnet. Die Modelle bilden sowohl den saisonalen Verlauf der Schichtung und der Phytoplanktonentwicklung als auch interne ;Schwingungen und windinduzierte Strömungen nach. Anhand der Wettervorhersage werden die Verhältnisse im See über die nächsten 78 h prognostiziert. Das System BodenseeOnline bietet wichtige Basisinformationen zur Strömung, zu den Windverhältnissen und den Oberflächenwellen. Die Modelle werden durch aktuelle Messwerte der Hydrologie und der Wetterverhältnisse sowie einem Windmodell zur Berechnung des zweidimensionalen Windfeldes über dem See angetrieben. Die Aussagegenauigkeit der Modelle wurde anhand von mehreren Messkampagnen überprüft und wird weiterhin durch die aktuellen Messwerte aus dem See kontrolliert. Das Informationssystem besteht aus einer umfassenden Datenbank, in der sowohl historische Daten als auch aktuelle Messinformationen gespeichert werden. Es kommt ein dreidimensionales hydrodynamisches Modell für die Seeströmung in Kombination mit einem Windmodell und ein biogeochemisches Modell, das mit dem hydrodynamischen Modell gekoppelt ist, zur Anwendung. Die Nutzer der IGKB, der AWBR und der Gefahrenabwehr (Feuerwehr, Wasserpolizei, Katastrophenschutz) am Bodensee haben über einen Passwort-geschützten Zugang Zugriff auf alle wichtigen Daten und Modellinterpretationen, die eine detaillierte Einschätzung der jeweiligen Situation ermöglichen. Im numerischen Modell wird der Bodensee in viele kleine Quader eingeteilt, über die alle betrachteten Größen, wie z.B. Strömungsgeschwindigkeiten und Wassertemperaturen, bilanziert werden. In horizontaler Richtung betragen die Seitenlängen eines Quaders bzw. einer Modellzelle einheitlich 100 m. Daraus ergibt sich ein Netz, das den gesamten Bodensee überspannt. In der folgenden Abbildungen ist ein Auschnitt des östlichen Teils des Bodensees mit dem Modellnetz dargestellt. In vertikaler Richtung wird das Modellgitter in Schichten eingeteilt. In horizontaler Richtung sind die Mächtigkeit und die Höhenlage der Schichten konstant. In vertikaler Richtung variiert die Schichtmächtigkeit dahingegen. Im Bereich der Wasseroberfläche ist diese vom Wasserstand abhängig. Bei einem Mittelwasserstand von 395,21 m ü. NN beträgt die Mächtigkeit der obersten Schicht 25 cm. Die Mächtigkeit der darunter liegenden Schichten steigt von einer Mächtigkeit von 1 m mit zunehmender Tiefe zunächst auf 2,5 m an. Zwischen 60 m und 110 m Wassertiefe nimmt die Mächtigkeit weiter auf 10 m zu. Die Lage des Modellgitters ändert sich nicht. Die folgende Abbildung veranschaulicht die vertikale Unterteilung. Interne Wellen können bei thermisch geschichteten Verhältnissen auftreten, also wenn eine wärmere Wasserschicht über dem kalten Tiefenwasser liegt. Wird durch den Wind das Deckschichtwasser in eine Richtung des Sees getrieben, verlagert sich die Grenzfläche zwischen warmem und kaltem Wasser und sie beginnt zu schwingen (siehe Abbildung). Die vertikale Amplitude der Schwingungen beträgt oftmals mehrere Meter. Bei stärkeren Windereignissen kommen Amplituden über mehrere Zehnermeter vor, insbesondere im Herbst, wenn der Dichteunterschied zwischen Deckschicht und Tiefenwasser klein wird. Im abgebildeten Beispiel hat ein Westwind mit bis zu 10 m/s über mehrere Tage das warme Deckschichtwasser in den Ostteil des Sees transportiert, was zu den beobachteten heftigen Schwingungen im Westteil des Sees führte. Die Linien zeigen die gemessenen und die Flächen die berechneten Temperaturen. An dieser Stelle im Überlinger See hat der Wind sogar dazu geführt, dass 4 bis 5°C kaltes Wasser aus einer Tiefe von etwa 30 m bis an die Oberfläche kommt. Der größte Zustrom des Bodensees, der Alpenrhein, fließt bei Fußach in den Bodensee. Zwischen Dämmen wird er ca. 3 km bis in den See geleitet, damit die Schwebstoffe, die er mit bringt, in das tiefe Hauptbecken des Bodensees und nicht in die Bregenzer Bucht transportiert werden. Der Alpenrhein hat meist eine etwas tiefere Temperatur als das oberflächennahe Seewasser im Epilimnion. Außerdem bringt er insbesondere bei Hochwasser eine größere Menge an Schwebstoffen mit. Da die Dichte von Wasser sowohl von der Temperatur als auch von den Schwebstoffen abhängt, ist das Rheinwasser schwerer als das Wasser der warmen Deckschicht. Aus diesem Grund taucht das Wasser des Alpenrheins direkt nach der Mündung ab. Dieses Phänomen wird als "Rheinbrech" bezeichnet. Es ist meist deutlich sichtbar, da es dort eine scharfe Grenze zwischen See- und Flusswasser gibt und sich das trübere Rheinwasser farblich vom Seewasser unterscheidet. Bei Hochwasser kann der Rhein bis zu 10 g/l Schwebstoffe mitführen. Das Rheinwasser dringt dann als sogenannte "Underflows" weiter in die Tiefe vor als bei normalen Abflussverhältnissen und erreicht manchmal auch die tiefste Stelle des Bodensees. Durch das Ausfällen der Schwebstoffe und die Vermischung des Wassers mit dem Seewasser ändert sich die Dichte der vorgedrungenen Flusswasserfahne, so dass sie teilweise wieder in höheren Wasserschichten vordringt. Solche trüben Flusswasserfahnen lassen sich auch an der nahe zur Rheinmündung gelegenen Trinkwasserentnahmestelle bei Nonnenhorn beobachten. Bei Hochwasser im Alpenrhein steigt die Trübung des Rohwassers oftmals wenige Stunden nach dem Beginn des Hochwassers im Alpenrhein an. Die Aufbereitung des Rheinwassers in Lindau ist aber auf diese Ereignisse ausgelegt und kann die Verbraucher auch im Hochwasserfall mit trübstofffreiem Trinkwasser versorgen. Neben dem Alpenrhein wird der Bodensee zu ca. 40% von weiteren Zuflüssen gespeist, die meist keine Vorstreckung haben. Die Schussen beispielsweise mündet in das Flachwasser am nördlichen Ufer des Bodensees. Das Schussenwasser breitet sich weitgehend in der Flachwasserzone abhängig von der Seeströmung aus. Dies bedeutet, dass stoffliche Belastungen aus dem Flusswasser z.B. durch Regenüberläufe bei Niederschlag in die angrenzenden Uferbereiche kommen können. Nachfolgende Animation verdeutlicht die dynamische uferparallele Ausbreitung des Schussenwassers. Bei der Tiefenwassererneuerung wird frisches, sauerstoffreiches Seewasser bis in die größten Tiefen des Sees gebracht. Dies ist wichtig, damit sich am Seegrund keine sauerstofffreien Verhältnisse einstellen. Sauerstoffdefizite schädigen Organismen, wie z.B. Fischeier am Seegrund, und verändern die Rücklösungsprozesse am Seegrund, was zu einer Beeinträchtigung der Wasserqualität führen kann. Die Sauerstoffzehrung im Tiefenwasser ist eine Folge des biologischen Abbaus von abgestorbenem organischem Material, wie z.B. Algen, welches in die Tiefe absinkt. Die im Tiefenwasser durch die Abbauprozesse freigesetzten Pflanzennährstoffe werden bei der Tiefenwassererneuerung teilweise wieder in die Deckschicht gebracht und dort von den Algen genutzt. Zur Tiefenwassererneuerung tragen verschiedene Prozesse bei. Der Beitrag von (schwebstoffbeladenem) Flusswasser, welches in die Tiefe vordringt, ist hierbei eher gering. Der wichtigste Vorgang ist die konvektive Durchmischung, welche durch die Auskühlung des Wassers an der Seeoberfläche angetrieben wird. Das ausgekühlte Wasser erreicht nahe 4°C sein Dichtemaximum und kann dann weit in die Tiefe vordringen. Da dieser Prozess von den winterlichen Temperaturen abhängt, findet in relativ warmen Wintern oftmals nur ein schwacher Tiefenwasseraustausch statt. Vor dem Hintergrund der Klimaänderung werden kalte Winter seltener und die Häufigkeit einer guten Tiefenwassererneuerung nimmt ab. Lang, U., Schick, R. & G. Schröder The Decision Support System BodenseeOnline for Hydrodynamics and Water Quality in Lake Constance.pdf In: "Decision Support Systems Advances in", Edited by Ger Devlin, InTech (ISBN 978-953-307-069-8), March, 2010, S. 81-98. Abschlussbericht vom Verbundforschungsvorhaben BodenseeOnline Ein Informationssystem zur Vorhersage der Hydrodynamik und der Wasserqualität von Seen am Beispiel des Bodensees November 2008, Bericht: A254-7. Mehlhorn, H., Kobus, H., Schick, R. & U. Lang: Naturschatz und Ressource Bodensee - eine wasserwirtschaftliche Herausforderung Wasserwirtschaft 98 (2008), Heft 10, S. 12-15. Eder, M., Kobus, H. & R. 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Geiger (Hrsg.), Umweltministerium Baden-Württemberg, Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg, Forschungszentrum Karlsruhe, Institut für Angewandte Informatik, Seite 129-140 Kempke, S., Fleig, M., Lang, U., Faißt, M. & R. Schick (2005): "'Bodensee-Online' ein Informationssystem zur Vorhersage der Hydrodynamik und der Wasserqualität von Seen - Anwendungsbezogene Aspekte aus der Sicht der Wasserversorgung -" 37. Jahresbericht der Arbeitsgemeinschaft Wasserwerke Bodensee-Rhein (AWBR), Seite 107-138 Achenbach, J., Krass, C., Lurk, A., Scheuermann, W., Schmidt, F. (2005): "BodenseeOnline - Ein Informationssystem zur Vorhersage der Hydrodynamik und der Wasserqualität von Seen am Beispiel des Bodensees" Workshop Simulation in den Umwelt- und Geowissenschaften, 16. - 18. März 2005 in Dresden Stand 10.09.2012
Bei Seen entwickelt sich im Sommer und im Winter eine Temperaturschichtung. Grund für diese Schichtung ist ein physikalisches Gesetz: (Süß-) Wasser hat etwa bei 4 Grad Celsius die größte Dichte, d.h. es ist spezifisch schwerer als wärmeres, aber auch als kälteres Wasser. Da im Sommer das Wasser von der Oberfläche her durch die Sonneneinstrahlung erwärmt wird, entstehen im See Wassermassen mit unterschiedlicher Temperatur und Dichte. Das wärmere oberflächennahe Wasser ist leichter als das kältere Tiefenwasser. Es gelingt dem Wind nicht mehr, den Widerstand gegen das schwerere, kühle Tiefenwasser zu überwinden. Eine Durchmischung erfolgt jetzt nur noch innerhalb der oberen Wasserschicht (Epilimnion). Darunter liegt eine schmale Wasserschicht, in der die Temperatur sprunghaft abfällt, die sog. Sprungschicht (Metalimnion). Im Laufe des Sommers kann sie mit zunehmender Erwärmung des Epilimnions immer weiter nach unten wandern.
Das Projekt "Untersuchungen des Methan Paradoxons in Seen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungsverbund Berlin, Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei durchgeführt. Methan ist ein höchst potentes Treibhausgas, dennoch ist das globale Methanbudget durch die vielen unbekannten CH4-Quellen und -senken sehr unsicher. Die Höhe der CH4-Anreicherung in der Wassersäule hängt von komplexen Interaktionen zwischen methanogenen Archaeen und methanotrophen Bakterien ab. Das bekannte Methan Paradoxon, das die CH4-Übersättigung im oxischen Oberflächenwasserkörper von Seen und Meeren darstellt, weckt Zweifel, dass die mikrobielle CH4-Bildung nur im anoxischen Milieu stattfindet. Im oligotrophen Stechlinsee haben wir eine wiederkehrende Methanübersättigung im Epilimnion gefunden. Unsere Studien zeigen, dass das CH4 aktiv in der oxischen Wassersäule produziert wird. Die Produktion scheint dabei an die autotrophe Produktion von Grünalgen und Cyanobakterien gekoppelt zu sein. Zur gleichen Zeit sind keine methanotrophen Bakterien im Epilimnion vorhanden, so dass das CH4 nicht oxidiert wird. Unsere Haupthypothese ist, dass pelagische Methanogene hydrogenotroph sind, wobei sie den Wasserstoff aus der Photosynthese und/oder Nitrogenaseaktivität nutzen. Unsere Untersuchungshypothesen sind:1) Die CH4-Produktion ist mit der Photosynthese und/oder N-Fixierung gekoppelt, wobei hydrogenotrophe methanogene Archaeen mit den Primärproduzenten assoziiert sind. Die Methanogenen können angereichert und kultiviert werden, um Mechanismen der epilimnischen CH4-Produktion detailliert zu untersuchen.2) Die CH4-Oxidation ist durch die Abwesenheit der Methanotrophen und/oder der Photoinhibition in den oberen Wasserschichten reduziert.3) Die CH4-Produktion innerhalb mikro-anoxischer Zonen, z. B. Zooplankton und lake snow, ist nicht ausreichend für die epilimnische CH4-Produktion.Die saisonale Entwicklung des epilimnischen CH4-Peaks soll in Verbindung mit den Photoautotrophen und der Seenschichtung im Stechlinsee untersucht werden. Dabei soll eine neu-installierte Mesokosmosanlage (www.seelabor.de) genutzt werden, um CH4-Profile bei unterschiedlichen autotrophen Gemeinschaften und Seenschichtungen zu studieren. Die Verknüpfung zwischen methanogenen Archaeen und den Photoautotrophen soll in Inkubationsexperimenten mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung und qPCR für funktionelle Gene untersucht werden. Methanotrophe werden quantifiziert und die Photoinhibition der CH4-Oxidation durch Inkubationsexperimente gemessen. In Laborexperimenten sollen die methanogenen Archaeen angereichert und kultiviert werden mittels dilution-to-extinction und axenischen Cyanobakterien und Grünalgen. Physiologische Studien an Anreicherungs- oder Reinkulturen sollen die zu Grunde liegenden molekularen Mechanismen ermitteln. Feld- und Laborexperimente sollen helfen, das Methan Paradoxon zu entschlüsseln, um die bisherige und potentiell wichtige CH4-Quelle zu charakterisieren und zu quantifizieren. Die Studien sollen helfen, unser Verständnis des globalen CH4-Kreislaufes zu verbessern, damit zukünftige Prognosen realistischer werden.
Das Projekt "3-D-numerische Simulation der geplanten epilimnischen Wasserentnahme an der Talsperre Bautzen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik durchgeführt. In den letzten Jahren kam es in den Sommermonaten zu einer erhöhten Entwicklung von Blaualgen im Stausee der Talsperre Bautzen. Zur Verbesserung der Wasserqualität der Talsperre Bautzen ist eine gezielte Wasserentnahme aus unterschiedlichen Entnahmehorizonten geplant. Für die gezielte Entnahme aus dem jeweiligen Horizont ist ein Leitschacht auf der Einlaufkammer vorgesehen. Alle seitlichen Öffnungen werden mit Stahlplatten abgedeckt, außer dem unteren vorderen Feld, es wird durch eine steuerbare Verschlussklappe verschlossen. Die Öffnung lässt sich somit wahlweise öffnen oder schließen und ermöglicht so die wechselnde Entnahme aus Hypolimnion und Epilimnion. Ziel der Untersuchungen ist der Nachweis der Funktionsweise der Wasserentnahmen bei geöffneter Klappe.
Das Projekt "Sauerstoffdynamik in großen Talsperren: Ein mechanistisches Verständnis zur Entstehung metalimnischer Sauerstoffminima?" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Department Geographie und Geowissenschaften, Geozentrum Nordbayern, Lehrstuhl für Angewandte Geologie durchgeführt. Der gesunde und nachhaltige Umgang mit unseren Binnengewässern stellt eine Angelegenheit von höchstem öffentlichem Interesse dar. Gelöster Sauerstoff (DO) stellt eine Schlüsselgröße beim Wasserqualitätsmanagement in Seen und Stauhaltungen dar. Zu niedrige Konzentrationen begrenzen die Eignung für Trinkwasser und andere Nutzungen. Wir schlagen ein Forschungsprogramm von Wissenschaftlern aus führenden chinesischen und deutschen Institutionen in der Gewässerforschung vor, um die Dynamik des Sauerstoffs in Standgewässern in Raum und Zeit besser zu verstehen. Sowohl numerische Simulationsprogramme wie auch Feldmessprogramme und-experimente werden auf dem neuesten Stand eingesetzt. Von dieser Zusammenarbeit versprechen wir uns ein verbessertes Prozessverständnis, einen intensiven fachlichen Austausch zu modernen Methoden in Monitoring und Modellierung und schließlich detaillierte Einblicke, wie man neue Erkenntnisse in Wasser- und Talsperrenmanagement im jeweils anderen Land umsetzt. Sauerstoff reagiert sehr empfindlich auf Umweltstressoren, wie organische Verschmutzung, Eutrophierung oder Klimaänderung. Die Voraussage von Konzentrationsveränderungen stellt eine Herausforderung dar wegen der komplexen Verflechtung von ökologischen, biogeochemischen und physikalischen Vorgängen. Während man die Entwicklung von DO im Hypolimnion (Tiefenwasser) schon eingehender untersucht hat und viele Prozesse mit einiger Genauigkeit vorhersagen kann, versteht man bis heute die Entwicklung von DO im Metalimnion (d.h. in der Schicht zwischen dem warmen, oberflächennahen Epilimnion und dem kalten darunterliegenden Hypolimnion) weit weniger gut. Metalimnische Sauerstoffminima (MOM) sind sowohl aus Binnengewässern wie marinen Systemen bekannt. Sie entstehen aus einer Kombination von erhöhtem Sauerstoffbedarf und eingeschränktem vertikalem Austausch. Über die Ursachen für den erhöhten Sauerstoffbedarf im Metalimnion ist man sich nicht völlig im Klaren und Prozesse wie eingetragenes allochthones Material, Sauerstoffzehrung an trüben Einträgen und schließlich die Zersetzung von sedimentierendem organischem Material werden diskutiert. Ziel dieses Projektes ist es, ein hochauflösendes DO-Monitoring in einer deutschen und einer chinesischen Talsperre (Rappbodetalsperrre und Panjiakou Reservoir) zu betreiben, wobei parallel verschiedene Feld- und Labormessungen zum Test der verschiedenen Hypothesen zu den Ursachen der Sauerstoffzehrung durchgeführt werden. Die Resultate aus den Feld- und Laborexperimenten sowie hochauflösenden Monitoringansätzen werden in mathematische Prozessbeschreibungen übergeführt und in 1D und 3D Seenmodelle eingefügt, um die Dynamik des DO in Abhängigkeit der hydrodynamischen und biogeochemischen Prozessen zu simulieren Seenmodelle verbinden. Die entwickelten Modelltools werden in Form von Open-Source-Codes frei zur Verfügung gestellt.
Das Projekt "Forschungskatamaran KLIMAKAT" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Cottbus-Senftenberg, Institut für Boden, Wasser, Luft, Lehrstuhl für Gewässerschutz, Forschungsstelle Bad Saarow durchgeführt. Zur Untersuchung von ökologischen Folgen von klimabedingten Änderungen im Stoffhaushalt und Biozönosen von Seen wird für das Jahr 2013 ein Forschungsgroßgerät beantragt, das aus einem Forschungskatamaran besteht, ausgestattet mit zusätzlichen Probenahme, Analyse- und Messeinrichtungen. Die Investition ist langfristig einsetzbar und erfüllt damit eine wichtige Voraussetzung für Klimafolgenforschung. Die Gewässer Berlin/Brandenburgs waren und sind einem starken Wandel unterzogen und werden die Ziele der Wasserrahmenrichtlinie in vielen Fällen nicht erreichen. Der erwartete Klimawandel wird nach jetzigem Kenntnisstand den Eintrag von Nährstoffen erhöhen, weil durch Wasserstandsschwankungen und/oder durch pulsartige Nährstoffeinträge bei Starkniederschlägen die Transporte für Stoffe aus dem Einzugsgebiet intensiviert werden. Der Katamaran soll als mobile und stationäre Arbeitsplattform insbes. für ereignisbezogene Kurzzeitmessungen von Stoffeinträgen nach Extremwetterereignissen, die kontinuierliche Registrierung der Ausdehnung von Thermokline und Hypolimnion und quantitative Erfassung von Nährstoffrücklösungen und --einmischungen ins Epilimnion, für Kurzzeiterfassung von Spätwinter- bzw. Frühjahrsentwicklungen und Sukzessionen im Phytoplankton, von metalimnischen Einschichtungen sowie Cyanobakterienblüten eingesetzt werden. Durch seinen geringen Tiefgang ist der KLIMAKAT hervorragend für die geplanten Untersuchungen im Litoral sowie die Betreuung von Enclosure- und Exclosure-Experimenten geeignet.
Das Projekt "Funktionelle Diversität aquatischer Primärproduzenten - Erarbeitung einer Konzeption für einer DFG-Forschergruppe" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Rostock, Institut für Biowissenschaften, Lehrstuhl für Ökologie durchgeführt. Im Rahmen eines Verbundvorhabens mit der BTU Cottbus, Universität Potsdam und dem IGB Berlin soll eine Forschergruppe zur Untersuchung der funktionellen Diversität aquatischer Primärproduzenten initiiert werden. Dieses Vorhaben soll eine detaillierte Analyse sowohl der räumlichen Inhomogenitäten als auch der zeitlichen Variabilität der Primärproduktionsleistung aquatischer Ökosysteme liefern. Die dem Vorhaben zugrunde liegende Hypothese geht davon aus, dass mit steigender Nährstoffbelastung eine Zunahme beider Variabilitätskomponenten erfolgt, welche durch die gegenwärtig praktizierte Probenahmestrategie nur unzureichend erfasst wird. In bisherigen gewässerökologischen Studien wird im Regelfall nicht die Leistung der Primärproduzenten erfasst, sondern nur ihre Biomasse als Proximatfaktor verwendet. In allen Klassifikations- und Bewertungssystemen wird ungeprüft vorausgesetzt, dass die Trophie als Intensität der Primärproduktion im gesamten Gewässer proportional zur Nährstoffbelastung und zur Biomasse des Phytoplanktons im Epilimnion ist. Dieser Sachverhalt trifft jedoch nur auf die Phasen der Dominanz von epilimnischem Phytoplankton zu. Mit der Abnahme der Nährstoffbelastung wächst die Bedeutung benthischer oder metalimnischer Produzenten für die gesamten Stoffumsatzprozesse und für die Ausprägung von Nahrungsnetzbeziehungen. Diese Prozesse und Komponenten sollen in einem Gesamtansatz erfasst werden. Aus diesem Grund steht die Entwicklung von vergleichbaren Methoden zur Erfassung der Primärproduktion aller photoautotrophen Organismen im Mittelpunkt der ersten Phase des Forschungsvorhabens
Das Projekt "Auswirkungen der Klimaerwärmung auf die Reinigungsleistung der Uferfiltration" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Berlin, Institut für Technischen Umweltschutz, Fachgebiet Wasserreinhaltung durchgeführt. Problemstellung: Die Gewinnung von Trinkwasser über Uferfiltration ist in Berlin das zentrale Verfahren zur Trinkwassergewinnung. Durch Temperaturanstieg infolge des Klimawandels unterliegt das Verfahren Uferfiltration Veränderungen, die Auswirkungen auf die Qualität und Quantität des Trinkwassers haben werden. Die mittleren Wassertemperaturen im Berliner Stadtgebiet sind in den letzen Jahrzehnten bereits erheblich gestiegen, beispielsweise im Tegeler See um 2,4 C (Monatsmittelwerte des Epilimnions) von 1980 bis 2008. Die Stabilität der Uferfiltration soll unter dem Einfluss erhöhter Wassertemperaturen als Folge der Klimaänderung erfasst werden, insbesondere soll das Risiko der Sulfidbildung mit toxischer Wirkung auf die Interstitialbiozönose beschreiben werden. Die Ergebnisse liefern auch die Basis für die Implementierung der Uferfiltration in semi-ariden Regionen. Projektziel und Vorgehensweise: Zur Beurteilung der Einflüsse der Wassertemperatur auf Prozesse während der Uferfiltration werden sowohl Freilandversuche als auch Säulenversuche unter Laborbedingungen durchgeführt. Durchgehend für einen Zeitraum von mindestens einem Jahr (Erfassung saisonaler Unterschiede) werden ausgewählte Parameter wie Wassertemperatur, Lichtverhältnisse (PAR), Sauerstoffgehalt, Chlorophyll (a) -Gehalt und DOC im Wasser und Sediment des Uferbereich aufgenommen und bestimmt. Mit den Ergebnissen sollen unter anderem Aussagen über Sauerstoffregime bei unterschiedlichen Temperatur und Lichtverhältnissen (und Tagesgang) gemacht werden und eine Sauerstoff-Bilanz erstellt werden. Im Labor werden Säulenversuche mit ungestörten Ufersedimenten unter definierten Licht- und Temperaturbedingungen durchgeführt, bei denen unter Anderem auch anoxische Verhältnisse, Trockenfall und Temperatursprünge simuliert werden. Es zeigt sich, dass die im Berliner Raum auftretenden Wassertemperaturen das Redoxsystem bei der Infiltration beeinflussen, und es tritt eine deutliche Temperaturabhängigkeit der anorganischen Stickstoffkonzentrationen durch Denitrifizierung auf, zudem findet bereits eine Mangan- und Eisenreduktion statt. Die Sulfatreduktion ist heute noch ohne Bedeutung, wird aber mit zunehmenden Temperaturen stattfinden.
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