Grundzüge Wasserhaushalt SS 06 Wolfgang Kinzelbach

Präsentation zum Thema: "Grundzüge Wasserhaushalt SS 06 Wolfgang Kinzelbach"—  Präsentation transkript:

1 Grundzüge Wasserhaushalt SS 06 Wolfgang Kinzelbach
Wasserqualität Grundzüge Wasserhaushalt SS 06 Wolfgang Kinzelbach

2 Wassergütemerkmale Unterschiedliche Anforderungen je nach Verbrauchersektor oder Umweltkompartiment:  Trinkwasser (Toleranz- und Grenzwerte, Lebensmittelverordnung) Bewässerungswasser (Salinität, TDS) Abwasser (Emission) Gewässergüte in Fluss, See oder Grundwasser (Immission) Zahlen siehe Anlage

3 Gewässergüteklassen Integrale Beurteilung durch Biozönose
Saprobienindex (entspricht im wesentlichen Sauerstoffgehalt) 1.      oligosaprobe Stufe = Wassergüteklasse I Keimzahl unter 10/cm3, Rädertierchen, Schnecken, Kieselalgen, verschiedene Grünalgen u. a. 2.      b-mesosaprobe Stufe = Wassergüteklasse II Keimzahl unter 10000/cm3, Hauptverbreitung der Kieselalgen und Grünalgen, Schnecken, Rädertierchen, Kleinkrebse u. a. 3.      a-mesosaprobe Stufe = Wassergüteklasse III Keimzahl unter /cm3, Blaualgen, Kieselalgen und Grünalgen, Massenentwicklung bestimmter Organismen = Wasserblüten, Krebse und Insektenlarven nur wenige 4.      polysaprobe Stufe = Wassergüteklasse IV Keimzahl unter /cm3, Massenentwicklung weniger Arten, es fehlen Kieselalgen, Grünalgen, Krebse.

4 Gewässergüteklassen Integrale Beurteilung durch Biozönose

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6 Kritik Das Saprobiensystem erfasst bestimmte Zusammenhänge bzw. Einflüsse nicht oder unzureichend, z. B.: Substratverhältnisse Strömungsverhältnisse und Wasserführung Jahresperiodische Schwankungen der Wasserführung Belastungen mit biologisch nicht abbaubaren Stoffen (z. B. Salze) toxische Einflüsse mit letalen und subletalen Effekten strukturelle Gewässerschäden Es lässt sich im Prinzip durch Klassifizierung nach mittleren BSB5- und Sauerstoffverhältnissen ersetzen

7 Anforderungen an Fliessgewässer

8 Quellen von Schadstoffen
Haushalte (Kläranlagen) Industrie (Abwasser, Leckagen, Unfälle) Verkehr (Unfälle) Altlasten (Deponien und Altstandorte) Kraftwerke (Kühlwasser, Abwasser) Landwirtschaft (via Oberflächenabfluss und Grundwasserzufluss) Atmosphäre (nasse und trockene Deposition) Unterscheide: Punktquellen – Diffuse Quellen

9 Relevante Stoffe und Einträge (1)
Mikrobielle Verschmutzung Salzbelastung (Geniessbarkeit, Pflanzentoxizität) Schwermetalle (Toxizität, Anreicherung in Fresskette) Organochlorverbindungen (toxisch, karzinogen) (HKW als Cl unter 0,001 mg/l) Polychlorierte Biphyenyle (toxisch, hormonelle Wirkung) Polyzyklische Aromaten (karzinogen) (PAK als C unter 0,002 mg/l) Mineralölkohlenwasserstoffe (karzinogen, toxisch) (unter 0,05 mg/l) Fluor (Knochenversprödung) Phenole (Geschmack, fischtoxisch) (unter 0,001 mg/l) Arsen (toxisch) Cyanide (toxisch)

10 Relevante Stoffe und Einträge (2)
Organische Belastung (Folge Sauerstoffzehrung) Nitrat (Folge Überdüngung, Nitrosaminbildung, Methämoglobinämie) Phosphat (Folge Überdüngung) Nitrit, Ammonium (Folge Toxizität und Sauerstoffzehrung) Pestizide (Folge Toxizität) (unter 0,001 mg/l) Versauerung (Folge Mobilisierung von Schwermetallen, Aluminium: Fischtoxizität) Sonstige wassergefährdende Chemikalien (grosse Anzahl von chemischen Substanzen) Trübung Erwärmung (DT < 3 K)

11 Neue Gefährdungen Additive (z. B. MTBE in Benzin, Additive in Baustoffen) Arzneimittel (z. B. Antibiotika) Hormonell wirksame Substanzen (z. B. Phtalate) Neue Agrochemikalien Neue Mikroorganismen

12 Situation Grundwasser (1)
Kriterien für die Relevanz eines Schadstoffs Toxizität   Mobilität Persistenz Löslichkeit Umgeschlagene Menge

13 Beurteilung ausgewählter Stoffe nach den 5 Kriterien
Tox Mob Pers Lös Menge Plutonium CKW Nitrat Cadmium Bakterien Dioxin Chrom

14 Vergleich anhand von Verschmutzungspotential
1 l Mineralöl kann theoretisch 1 Million l Wasser so verschmutzen, dass es nicht mehr als Trinkwasser verkauft werden kann (Konzentration gerade bei Grenzwert) Im gleichen Sinne kann 1 l CKW 100 Millionen l Wasser verschmutzen Wenn Plutonium löslich wäre, würde für 1 kg Plutonium das gesamte Süsswasser der Erde nicht für die Verdünnung unter den Grenzwert ausreichen.

15 Organische Belastung und Sauerstoff in Fliessgewässern (1)
Abbau von organischen Substanzen durch Mikroorganismen führt zu Sauerstoffzehrung Organische Belastung wird durch Summenparameter gemessen: BSB5 (Biologischer Sauerstoffbedarf in 5 Tagen) Der Zehrung steht eine Wiederbelüftung durch die Wasseroberfläche gegenüber Aus dem Zusammenspiel ergibt sich die natürliche Selbstreinigung eines Gewässers hinsichtlich abbaubarer organischer Stoffe

16 Organische Belastung und Sauerstoff in Fliessgewässern (2)
Quantitative Beschreibung Transportgleichungen für BSB5 und gelösten Sauerstoff BSB5 (Senke: Abbau erster Ordnung), Formelzeichen L (mg/l) Gelöster Sauerstoff (Senke BSB-Abbau, Quelle Wiederbelüftung), Formelzeichen c (mg/l) q seitl. Zufluss pro Länge, cs Sauerstoffsättigungskonzentration, Lin, cin Konzentrationen in Zufluss, K Dispersionskoeffizient, K1 Abbaurate, K2 Wiederbelüftungsrate

17 Streeter-Phelps Gleichungen
Annahmen stationäre Verhältnisse Vernachlässigung der Dispersion Konstante Raten für Abbau und Wiederbelüftung Keine seitlichen Zuflüsse (q = 0) 2. Gleichung oft für Sauerstoffdefizit formuliert D = cs - c

18 Lösung der Streeter-Phelps-Gleichungen
Randbedingungen: L(0) = L0, D(0) = D0 Vorsicht: c kann bei bestimmten Eingabedatenkombinationen kleiner Null werden, da die Abbaurate von c unabhängig ist. In diesem Fall ist das Streeter-Phelps Modell nicht korrekt anwendbar.

19 Lösung der Streeter-Phelps-Gleichungen
Graphische Darstellung der Lösung BSB c (mg/l) BSB5 Gel. Sauerstoff c x

20 Zusätzliche Angaben zur Abschätzung des Sauerstoffhaushalts (1)
Sauerstoffsättigungskonzentration (Fitkurve) Wiederbelüftungsrate Dm = * (1.307)(T-20) m2/s Typische Werte für K1: 0.1 – 0.4 1/d (bei T = 20°C) Umrechnung auf andere Temperatur

21 Zusätzliche Angaben zur Abschätzung des Sauerstoffhaushalts (2)
Typische Konzentrationen des BSB5: Haushaltsabwasser 200 mg/l Industrie bis mg/l Natürliches Gewässer < 2 mg/l Einwohnergleichwert 77 g/d (bzw. 60 g/d) Problem des BSB5 Unterschätzt Sauerstoffbedarf (Alternativen CSB, DOC) Abbau nicht unbedingt Reaktion 1. Ordnung, da Gemisch von vielen Substanzen mit unterschiedlicher Abbaurate

22 Gewässergüte Neckar 1976

23 Neckarsanierung Kosten rund 2 Mrd. DM Istzustand 1974 Abfluss BSB5
Gel. Sauerstoff Temperatur Vollausbau 1990 Kosten rund 2 Mrd. DM BSB5 Gel. Sauerstoff