Gewässerschutz

Wasserqualität von Stauseen vorhersagen

Im Rahmen des deutsch-brasilianischen Forschungsprojekts MuDak-WRM soll ein einfaches Modell entwickelt werden, das die Wasserqualität von Stauseen vorausschauend über Jahre darstellt und sich ohne hohen Aufwand weltweit anwenden lässt.

 Für die Vorhersage der Wasserqualität in Stauseen entwickelt das Forschungsprojekt MuDaK-WRM neue Methoden (Foto: Mauricio Scheer).  

Stauseen versorgen in vielen Teilen der Erde die Menschen mit Trinkwasser. Doch die Wasserreservoire sind auch Sammelbecken für Sedimente, Dünger und Schadstoffe, die die Wasserqualität beeinträchtigen. Um die Prozesse in Stauseen besser in einem Modell abbilden zu können, ist die Einbeziehung des Flusseinzugsgebiets unerlässlich. Wenn durch intensive Land- und Forstwirtschaft oder starke Besiedelung große Mengen an Nährstoffen in das Staubecken gelangen, kann dies zur Überdüngung - Eutrophierung - des Sees führen, die das Wachstum von Algen und Cyanobakterien verstärkt. Wird das Gewässer langfristig überdüngt, eignet es sich nicht mehr zur Gewinnung von Trinkwasser.

Ein deutsch-brasilianisches Forschungskonsortium unter Federführung des KIT arbeitet an der Entwicklung eines möglichst einfachen Modells, mit dem sich die mittel- bis langfristig zu erwartende Veränderung der Wasserqualität in Stauseen vorhersagen lässt. Zentraler Aspekt des nun gestarteten Forschungsvorhabens ist es, die Komplexität der zugrunde gelegten wissenschaftlichen Ansätze und benötigten Daten für das künftige Modell zu verringern, damit es ohne hohen Aufwand unter anderem auch in Entwicklungsländern anwendbar ist.

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„Die reduzierte Komplexität im Vergleich zu den existierenden Modellen ist ein entscheidender Schritt zu einem übertragbaren, global funktionalen Modell“, betont Dr. Stephan Fuchs, Leiter des Projekts MuDak-WRM (Multidisziplinäre Datenakquisition als Schlüssel für ein global anwendbares Wasserressourcenmanagement). Fuchs leitet am Institut für Wasser und Gewässerentwicklung des KIT den Bereich Siedlungswasserwirtschaft und Wassergütewirtschaft.

Partikel mit Phosphor-Fracht

„Das Hauptproblem, das zur Überdüngung führt, sind feine Partikel, an denen Phosphor anhaftet und die mit dem Fluss in den Stausee transportiert werden“, erläutert der Geoökologe Dr. Stephan Hilgert, der am IWG das deutsch-brasilianische Verbundprojekt koordiniert. Das künftige Modell soll es Betreibern von Talsperren ermöglichen, die Wasserqualität über Jahre vorausschauend zu managen. Es könnte politischen Akteuren und Behörden Entscheidungsgrundlagen bieten und für die Information von Farmern und Industriebetrieben genutzt werden. Denn nachhaltige Veränderungen im Einzugsgebiet hätten einen Vorlauf von einigen Jahren, so Hilgert. Als Beispiel nennt der Wissenschaftler Aufforstungen, die verhindern, dass aus brachliegendem Boden bei Starkregen große Mengen Feinpartikel in den Fluss geschwemmt werden und in den Stausee gelangen.

Exemplarisch werden im Zuge des Forschungsprojekts die Große Dhünntalsperre in Nordrhein-Westfalen und der Passauna-Stausee im brasilianischen Bundesstaat Paraná mit ihrem jeweiligen Einzugsgebiet untersucht. Der Vergleich der Ergebnisse gewährleistet, dass die gewonnenen Erkenntnisse auf weitere Stauseen übertragbar sind.

„Das dynamische Zusammenspiel zwischen Einzugsgebiet und Wasserkörper ist noch nicht vollständig geklärt, das Projekt kann hier eine Lücke schließen“, so Hilgert. Dafür werden unter anderem innovative fernerkundliche Techniken genutzt: Mit Drohnen fliegende Hyperspektral-Kameras zeichnen detaillierte Spektren des vom Gewässer zurückgestreuten Lichts auf und ergänzen so multispektrale Satellitenaufnahmen der europäischen Weltraumagentur ESA. Über ein Echtzeit-Datennetzwerk (Sensor Web) haben die Partner des Forschungsverbunds jederzeit Einblick in den Projektverlauf und können die erhobenen Messungen und Ergebnisse unmittelbar nutzen.

Satellitendaten nutzen

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das bis März 2020 laufende Vorhaben für drei Jahre mit 2,6 Millionen Euro als Teil der BMBF-Fördermaßnahme GROW - Globale Ressource Wasser - im Zuge des Rahmenprogramms FONA - Forschung für nachhaltige Entwicklung.

Das Projekt nutzt Satellitendaten des europäischen Programms zur Erdbeobachtung Copernicus des ESA, vor allem die Radardaten der Sentinel 1 Satellitenmission zur Detektion der Bodenfeuchteschwankungen sowie die optischen multispektralen Daten von Sentinel 2 zur Erkennung von Landnutzungsänderungen.

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