Basisinformation zur qualitativen Hydrologie

Die qualitative Hydrologie ist der Zweig der Gewässerkunde, der Vorkommen, Mobilität und Verfügbarkeit von gelösten oder gebundenen Stoffen (chemische Elemente und Verbindungen) betrachtet. Anhand physikalischer, chemisch-analytischer oder biologisch-ökologischer Kenngrößen kann die Gewässerbeschaffenheit (stoffliche, thermische und hygienische Belastung) bewertet werden. Durch den Vergleich mit festgelegten Kriterien können Aussagen zur Gewässergüte bzw. Qualität des Gewässers erfolgen.

Stoffeintrag in die Gewässer

Systemskizze Stoffeintrag
Abb. 1: Systemskizze des Stoffeintrages in die Gewässer / Mobilität der Stoffe im Gewässer

Der Eintrag von Stoffen in die Gewässer erfolgt durch direkte, punktuelle Einleitungen (Abwasser aus kommunalen und industriellen Kläranlagen) und diffuse Einträge, die über größere Flächen in die Gewässer gelangen.
So gelangt über die Luft (trockene und feuchte Deposition) eine Vielzahl von Stoffen (z.B. Nährstoffe, Schwermetalle) direkt in die Gewässer oder auf den Boden. Durch Auswaschung werden Stoffe im Boden im Sickerwasser gelöst und über das Grundwasser den Gewässern zugeführt, abgeschwemmte Stoffe gelangen mit dem Oberflächenabfluss auch direkt in die Gewässer. Wasser- und Winderosion bewirken die Verlagerung von Bodenbestandteilen oder Gesteinen als Feststoffe in die Gewässer. So werden Teile der auf landwirtschaftlich genutzten Böden ausgebrachten Nährstoffe (Dünger) und Pflanzenschutzmittel im Wasser gelöst oder an Bodenbestandteile gebunden in Gewässer eingetragen.

Mobilität der Stoffe im Gewässer

Verhältnis gelöst/partikulär gebunden
Abb. 2: Anteil gelöster/partikulär gebundener Elemente am Gesamtgehalt im Wasser der Elbe (Quelle: UFZ, 2005)

Im Gewässer besteht ein Stoffkreislauf zwischen den im Wasser gelösten Stoffen, den an Schwebstoffe gebundenen Stoffen, den Lebewesen und dem Sediment. Es stellt sich für jeden Stoff ein typisches Verhältnis von gelösten Anteilen zu partikulär gebundenen Anteilen in der Wasserphase ein. Die Stoffe werden von Lebewesen (Plankton, Fische) aufgenommen und gelangen nach deren Absterben und Zersetzung in das Sediment. Schwebstoffe (und an selbige gebundene Stoffe) können bei geringen Fließgeschwindigkeiten absinken und bilden somit neue Sedimente. Bei Hochwasser kann eine Resuspension und Remobilisierung der Sedimente erfolgen, durch die ein Teil der am Sediment gebundenen Stoffe wieder im Wasser gelöst wird bzw. Sedimente als Schwebstoffe verlagert werden.
Bei Fließgewässern wird der beschriebene Stoffkreislauf durch die Verfrachtung von Stoffen in Fließrichtung überlagert.

Erfassung von Gewässerbelastungen in Messstationen

Probenahme an einer Messstation © BfG
Abb. 3: Probenahme an einer Messstation (Grafik: © BfG)

Zur Bestandsaufnahme und Überwachung der kurz- und langfristigen Entwicklung von Gewässerbelastungen werden an Messstationen bzw. Messstellen eine Vielzahl physikalischer, chemischer und biologischer Kenngrößen untersucht.
Je nach Untersuchungsziel und den örtlichen Voraussetzungen ist die Ausstattung von Messstationen unterschiedlich. Automatische Gewässergütemessstationen sind der Regel am umfangreichsten ausgestattet und in der Lage, Kenngrößen der Wasserbeschaffenheit kontinuierlich zu messen und zu speichern. Zur Entnahme von Probenwasser für die Messsysteme und Probenehmer werden bei landgebundenen Messstationen längere Rohrleitungen als bei schwimmenden Messstationen benötigt. Die Mess- und Probenahmesysteme können aus folgenden Komponenten bestehen:

  • Messsonden (kontinuierliche Messung: Wassertemperatur, Sauerstoffgehalt, elektr. Leitfähigkeit, pH-Wert, Trübung, Nitrat)
  • kontinuierliche Biotestverfahren (z.B. Algen-, Daphnien-, Muschel-, Fisch-, Bakterientest)
  • Schwebstoffgewinnung (Zentrifuge, Sedimentationsbecken)
  • automatische (Misch-)Probensammler
  • ggf. Überwachung der Radioaktivität

Messprogramme zur Überwachung der Entwicklung von Gewässerbelastungen

Da die Überwachung der Gewässerbeschaffenheit in den Aufgabenbereich der Bundesländer fällt, hat jedes Bundesland ein entsprechendes Landesmessnetz mit unterschiedlich intensiv beprobten Messstellen. In der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) wurde für ausgewählte Gütemessstellen ein einheitliches 'LAWA-Untersuchungsprogramm' entworfen, das eine vergleichbare Ergebnisdarstellung ermöglicht. Im Zuge der Umsetzung der Wasserrahmenrichtline (WRRL) wurden in den Flussgebietsgemeinschaften abgestimmte Überwachungsprogramme (Überblicksüberwachung, Operative Überwachung, Überwachung zu Ermittlungszwecken) neu aufgestellt. Die Überwachungsprogramme dienen der Kontrolle von Maßnahmen zur Verbesserung der Gewässergüte und der langfristigen Sicherung bzw. Herstellung eines 'guten Zustandes' der Gewässer.
An grenzüberschreitenden Flüssen sind die Messprogramme zur Überwachung von Gewässerbelastungen und die Auswahl der Messstationen international abgestimmt.

  • Internationales Messprogramm Elbe (IKSE) 2017
  • Koordiniertes Elbemessprogramm (FGG Elbe) 2017 (pdf)
  • Rheinmessprogramm Chemie (IKSR) 2015-2020

Gewässerbelastungen - wichtige Stoffgruppen und Kenngrößen

Im Anhang 10 der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) sind 'prioritäre' Stoffe benannt, die in allen Flussgebieten überwacht werden sollen. Dazu gehören Schwermetalle und -verbindungen (Cadmium, Quecksilber, Blei, Nickel), Pflanzenschutzmittel (z.B. Lindan, Atrazin, Diuron, Alachlor), chlorierte Kohlenwasserstoffverbindungen (z.B. Chloroform, Hexachlorbenzol, Hexachlorbutadien), polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK wie z.B. Benzo[a]pyren; Anthracen, Naphthalin) und Einzelverbindungen wie Tributylzinnverbindungen (TBT), Nonylphenole und Diethylhexylphthalat (DEHP). In jedem Flussgebiet gibt es weitere 'flussspezifische' Problemstoffe, die ebenfalls intensiv überwacht werden.
Die Belastung mit Nährstoffen (z.B. Ammonium, Nitrat, Phosphat) und die hygienische Belastung (s.u.) werden gleichfalls beobachtet. In wissenschaftlichen Studien werden Vorkommen und Mobilität 'neuer Stoffe' (z.B. Arzneimittelwirkstoffe) untersucht, die künftig zu Problemstoffen werden könnten.

Einordnung und Bewertung der Messwerte

Eine Bewertung der Messwerte kann durch den Vergleich mit Umweltqualitätsnormen (-zielen) oder aufgrund einer statistischen Einordnung der Messwerte erfolgen.
Die Messwerte der Stoffkonzentration in der Wasserprobe bzw. Schwebstoff- oder Sedimentprobe sind jedoch immer vor dem Hintergrund der herrschenden Abflussverhältnisse zum Zeitpunkt der Probenahme einzuordnen. So kann die Stoffkonzentration in einer auflaufenden Hochwasserwelle weitaus höher sein als bei einer ablaufenden Hochwasserwelle obwohl der Durchfluss (m³/s) am Bezugspegel den gleichen Wert aufweist. Es können auch saisonale bzw. einleiterbedingte Schwankungen der Stoffkonzentrationen auftreten.
Unsicherheiten bei der labortechnischen Analytik sind ebenfalls zu berücksichtigen.
Bei der Betrachtung von Stofffrachten ist der Schätzfehler von der Probenahmestrategie (Einzel- bzw. Mischprobenahme) und der Abflussdynamik an der Messstelle abhängig.

Hygienische Belastung der Gewässer (Normalzustand)

Quellen der Gewässerbelastung (Normalzustand)
Abb. 4: Quellen der Gewässerbelastung (Normalzustand)

Mikroorganismen gehören zur natürlichen Lebensgemeinschaft der Gewässer. Es findet ein kontinuierlichen Eintrag über das Grund- und Oberflächenwasser sowie durch Verfrachtung auf dem Luftweg statt. Ferner gelangen Mikroorganismen durch die Einleitung von gereinigtem Abwasser aus Kläranlagen in die Gewässer. Da nicht alle Mikroorganismen optimal an den Lebensraum Wasser angepasst sind, stirbt ein Teil der Mikroorganismen bereits nach kurzer Zeit ab, ein Teil kann im Wasser längere Zeit (mehrere Wochen) überleben, sich jedoch nicht fortpflanzen und ein Teil der Mikroorganismen überlebt und kann sich fortpflanzen.
Von besonderem Interesse für das gesundheitliche Risiko ist das Vorkommen pathogener (krankheitserregender) Mikroorganismen. Mit Fäkalien können pathogene Bakterien wie z.B. Vibrio cholerae (Cholera), Salmonella typhii (Typhus), Salmonella parathyphii (Paratyphus) in die Gewässer gelangen. Zum Nachweis einer fäkalen Belastung werden Fäkalindikatorbakterien wie z.B. Escherischia coli (E. coli) bestimmt, die aus dem Darm von Warmblütern in weitaus größerer Zahl als möglicherweise auftretende Krankheitserreger ausgeschieden werden.

Hygienische Belastung der Gewässer bei Starkregen und Hochwasser

Quellen der Gewässerbelastung (Hochwasser)
Abb. 5: Quellen der Gewässerbelastung (Hochwasser)

Bei Starkniederschlägen kommt es durch verstärkte Abspülung von der Vegetation und vom Boden zu einem erhöhten Eintrag von Mikroorganismen in die Gewässer. Durch überlastete und überlaufende Kanäle bei Mischwasserkanalisationen (gemeinsame Ableitung von häuslichem Abwasser und Regenwasser in einem Abwasserkanal) sowie überlastete Kläranlagen kann mikrobiologisch stark belastetes Abwasser in die Gewässer gelangen. Durch die höhere Abflussmenge kommt es jedoch auch zu einem stärkeren Verdünnungseffekt.
Bei der Überflutung von Viehweiden, fäkal gedüngten Ackerflächen, Ställen und Kläranlagen gelangen u.U. Fäkalien direkt ins Gewässer. Die Überschwemmung von Siedlungsflächen mit mikrobiologisch belastetem Wasser kann neben der unmittelbaren Gefahr für Leben und Eigentum auch ein gesundheitliches Risiko für Bewohner und Hilfskräfte durch wasserübertragene mikrobielle Krankheitserreger bedeuten.

Überblicks- und Fachliteratur, Glossar

  • Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (DWA) (Hrsg.) (2016): Risiken an Badestellen und Freizeitgewässern aus gewässerhygienischer Sicht. Merkblatt DWA-M 624. Hennef.
  • Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (DWA) (Hrsg.) (2017): Gewässermonitoring - Strategien und Methoden zur Erfassung der physikalisch-chemischen Beschaffenheit von Fließgewässern. Merkblatt DWA-M 517. Hennef.
  • Hellmann, H. & Liebscher, H.-J. (Hrsg.) (1999): Qualitative Hydrologie - Wasserbeschaffenheit und Stoff-Flüsse (Lehrbuch der Hydrologie 2). Borntraeger, Berlin.
  • Lecher, K., Lühr, H.-P. & Zanke, U. (Hrsg.) (2015): Taschenbuch der Wasserwirtschaft: Grundlagen - Maßnahmen - Planungen. 9. Aufl., Springer Vieweg, Wiesbaden.
  • Schönborn, W. & Risse-Buhl, U. (2013): Lehrbuch der Limnologie. 2. Aufl., Schweizerbart, Stuttgart.
  • Sigg, L. & Stumm, W. (2016): Aquatische Chemie: Einführung in die Chemie natürlicher Gewässer. 6. Aufl., vdf Hochschulverlag AG, Zürich.
  • Steinberg, C., Calmano, W., Klapper, H. & Wilken, R.-D. [Hrsg.] (1996 ff.): Handbuch Angewandte Limnologie: Grundlagen, Gewässerbelastung, Restaurierung, Aquatische Ökotoxikologie, Bewertung, Gewässerschutz. (Loseblatt-Ausgabe). ecomed Medizin, Verlagsgruppe Hüthig Jehle Rehm, Landsberg a. Lech.
  • Umweltbundesamt (Hrsg.) (2017): Gewässer in Deutschland: Zustand und Bewertung
  • WMO, UNESCO (Hrsg.) (2012): International Glossary of Hydrology WMO-No. 385
  • WMO, UNESCO, Hubert, P. (Hrsg.): Internationales hydrologisches Glossar

Belastung von Wasser, Schwebstoff und Sediment / Sedimentmanagement