Quellstärke von gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) aus Böden

Laufzeit: 10/2018 – 12/2022 (Phase 1) – 12/2026 (Phase 2)

Graben in einem Moorstandort mit deutlich barun gefärbten Wasser, umliegend Torfmoose
DOC-haltiges Wasser an organischem Nassstandort  © Laura Degenkolb

Austräge gelöster organischer Kohlenstoffverbindungen (dissolved organic carbon-DOC) aus Böden in die Zuflüsse von Trinkwassertalsperren stellen die sächsische Trinkwasserversorgung vor erhebliche Herausforderungen. Zum einen zeigt sich der Trend zu insgesamt steigenden mittleren DOC-Konzentrationen, zum anderen treten Konzentrationsspitzen in einzelnen Niederschlag-Abfluss-Ereignissen auf. Derzeit besteht noch kein gesichertes, umfassendes Prozessverständnis zur Erklärung der räumlichen und zeitlichen Variabilität von DOC-Austrägen in den betroffenen Einzugsgebieten. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens soll eine detaillierte und differenzierte Betrachtung des DOC- Austrags anhand des Einzugsgebietes der Talsperre Sosa im Fokus stehen.

Langfristig widmet sich das Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie mit dem Aufbau eines Sondermessnetzes Huminstoffe der Problematik.

/
(© Anne Lehmann)

geografische Lage des Einzugsgebietes (rot) im Freistaat Sachsen, Darstellung der Topografie im Einzugsgebiet

Das Bild zeigt den Freisaat Sachsen und die Lage des Unetrsuchungsgebietes. Das Untersuchungsgebiet ist in der Vergrößerung ersichtlich.
/

Statistische Auswertung der DOC Konzentrationen in den Hauptzuflüssen der Talsperre Sosa: Kleine Bockau und Neudecker Bach. Basierend auf den monatlichen Messwerten der LTV (01/1995-05/2019)

Die Darstellung zeigt ein Boxplot in schwarz-weiß.
/

Entwicklung der DOC-Konzentration in den Zuflüssen der Talsperre Sosa von 1995-2019, basierend auf dem Messwerten der LTV (Stand Mai 2019).

Das Bild zeigt ein Diagramm mit zwei Punktwolken in blau und rot.
/
(© Fr. Bornmann, technologiezentrum Wasser)

Impressionen des ersten DOC-Workshops in Tharandt: Referentin Fr. Bornmann vom Technologiezentrum Wasser berichtet über Aufbereitungstechniken DOC-haltiger Wässer

Impressionen vom Workshop

Projektziele

Ziel dieses Vorhabens ist es, durch ein verbessertes Prozessverständnis Hinweise zur flächenspezifischen Quellstärke von DOC für das Einzugsgebiet der besonders vom DOC Anstieg exemplarisch für die Talsperre Sosa darzulegen. Hierbei soll auch der jeweilige Beitrag von Mooren und anderen Nassstandorten, organischen Auflagehorizonten unter forstlicher Nutzung und weiteren C-haltigen Bodenhorizonten an den DOC-Austrägen erforscht und die jeweils maßgeblich darauf wirkenden Einflussgrößen dargestellt werden. Auf Grundlage des gewonnenen Prozessverständnisses richtet sich der Ausblick ferner darauf, künftig mechanistisch begründete Prognosen und langfristig auch Handlungsoptionen für das Problem der Einträge von organischer Substanz in Trinkwassertalsperren entwickeln zu können.

Als DOC werden generell alle organischen Kohlenstoffverbindungen angesprochen, welche einen Filter mit 0,45 μm Porenweite passieren (Thurman 1985). Der Begriff DOC umfasst mehrere Substanzen, hauptsächlich organische Säuren (Peptide, Zucker, Nukleinsäurereste, Fette) und zu geringen Anteilen Proteine, Aminosäuren und Kohlenhydrate. Diese entstehen im Laufe der Zersetzung organischer Substanz durch mikrobielle Aktivität oder werden im Boden durch Pflanzen freigesetzt. Wesentliche Prozesse zur Entstehung von DOC sind dabei die Fermentation unter anaeroben (sauerstofffreien) Bedingungen und die Oxidation unter aeroben Bedingungen. Die Anreicherung von DOC in Oberflächengewässer führt zu einer Veränderung von Färbung und Geruch des Wassers. Weiterhin besteht die Gefahr der Adsorption von Schadstoffen. Deshalb muss DOC im Zuge der Trinkwasseraufbereitung entfernt werden. Mit steigendem DOC Gehalt in den Trinkwassertalsperren steigen somit die Aufbereitungskosten, was perspektivisch zu einem höheren Trinkwasserpreis führen kann.

Nach aktuell gesicherten Erkenntnissen ist der Eintrag von DOC in Gewässer von folgenden Faktoren abhängig:

  • Jahreszeit (DOC-Konzentration im Sommer > als im Winter)
  • Hydrologisches Geschehen (DOC-Konzentration nach Starkregenereignissen > als in Trockenphasen)
  • Morphologie (DOC-Austrag aus flachen Einzugsgebieten > als aus stark geneigten)
  • Rückgang des sauren Regens (Anstieg des DOC durch Gesundung der Böden und damit einhergehender gesteigerter mikrobieller Aktivität)
  • Teilweise von der Flächennutzung (DOC-Austrag aus Forst > als aus Landwirtschaft)
  • vermutlich Klimawandel / veränderte Niederschlagsverteilung (Steigende Temperaturen und längere Trockenphasen mit vereinzelten Starkregenereignissen führen zu erhöhten DOC Austrägen.)

Welche Mechanismen und Quellen im Detail zu steigenden DOC-Konzentrationen führen ist jedoch noch nicht hinreichend geklärt.

Um die oben genannten Ziele zu erreichen, erfolgt eine differenzierte und detaillierte Betrachtung des Einzugsgebietes der Talsperre Sosa. Die Talsperre wird von zwei Zuflüssen (Kleine Bockau, Neudecker Bach) mit unterschiedlich hohen DOC Konzentrationen gespeist und eignet sich darum gut zur Prozessforschung. Die Beprobung der Umweltkompartimente Boden und Wasser ermöglicht es, die Prozesse in den Medien selbst und an der Schnittstelle zwischen terrestrischem und aquatischem Kontinuum zur verfolgen. Dieses Monitoring wird mit Bodenmessplätzen und automatischen Probenehmern in Fließgewässern, die ereignisbezogen Gewässerproben entnehmen, realisiert. Im Fließgewässer erfolgt weiterhin die Überwachung des Durchflusses per Drucksonde im V-Wehr und der DOC Konzentration/-Qualität mittels Fluoreszenzsensor. Die Bodenmessplätze sind mit Messtechnik zur Erfassung der Bodentemperatur und Saugspannung sowie zur Beprobung von Sickerwasser (Humuslysimeter und Saugkerzen) ausgestattet. Messungen werden dabei in mehreren Horizonten durchgeführt, besondere Aufmerksamkeit wird der organischen Auflage gewidmet.
Die Installation der Messtechnik an vier Standorten, die sich hinsichtlich des Feuchtgrades, der Nährstoffverfügbarkeit, des Reliefs, des Bodentyps und der Vegetation unterscheiden, ermöglicht es, Prozesse unter variierenden Umweltbedingungen zu erforschen. Im Detail werden organische Nassstandorte, terrestrische Standorte und mineralische Nassstandorte analysiert. Ziel dieser Beprobung ist es, die Einflussgrößen und deren Wirkung auf die DOC Austräge zu ermitteln. Ergänzend zu den Freilandmessungen finden Laborversuche statt.

Messtechnik an der Messstelle
Grafik_Prozesse_Messtechnik  © Lehmann/Degenkolb

Erste Phase 2019-2022:

  • Zusammentragen aller Daten und Kenntnisse für Einzugsgebiete betroffener Trinkwassertalsperren bei zahlreichen Behörden und Organisationen
  • Aufbereitung der Fach und Metadaten
  • Geländeerhebungen, -kartierungen, Messkampagne zur Beprobung von Boden und Wasser, um Hinweise auf Quellstärke und Entstehung des DOC zu sammeln
  • einfache grafische, geografische und statistische Auswertung

Ausblick auf Zweite Phase ab 2023, Konsolidierungsphase:

  • Fokus auf Erstellung von Prognosemodellen und Abschätzung der Wirkung von Eingriffen und Veränderungen in genannten Einzugsgebieten
  • Fortführung der (ggf. optimierten) Messkampagne im Freiland

Wasserversorger, Forschende, Mitarbeiter aus Landkreisen und anderen Institutionen folgten am 03.03.2020 der Einladung zum Workshop »DOC - Einträge in Oberflächengewässer«. Neben der Vorstellung aktueller Forschungsarbeiten im Harz, Bayerischen Wald und Erzgebirge wurden Hintergründe zu DOC-Mobilisierungsdynamiken in Böden und aus Feuchtgebieten beleuchtet. Einen Blick in die Praxis ermöglichten Berichte der Südsachsen Wasser GmbH und der Fernwasserversorgung Elbaue-Ostharz GmbH sowie des Technologiezentrum Wasser.

In der abschließenden Diskussion konnten Hinweise zum Forschungs- und Entwicklungsvorhaben »Quellstärke von DOC-Austrägen aus Böden« gesammelt und die Positionen der einzelnen Akteure verdeutlicht werden.

Alle Vorträge finden Sie hier:

Vorträge

Poster

Ansprechpartner

Referat 42: Boden, Altlasten

Dr. Ingo Müller

Telefon: 03731 294-2810

E-Mail: Ingo.Mueller@smul.sachsen.de

Webseite: http://www.smul.sachsen.de/lfulg

Referat 43: Siedlungswasserwirtschaft, Grundwasser

Toni Düskau

Telefon: 0351 8928-4314

E-Mail: Toni.Dueskau@smul.sachsen.de

Webseite: http://www.smul.sachsen.de/lfulg

Referat 42: Boden, Altlasten

Anne Lehmann

Telefon: 0351 8928-4206

E-Mail: Anne.Lehmann2­@smul.sachsen.de

Webseite: http://www.smul.sachsen.de/lfulg

Partner im Projekt

TU Dresden - Institut für Bodenkunde und Standortslehre

Landestalsperrenverwaltung (LTV)

Staatsbetrieb Sachsenforst (SBS)

Sächsisches Ministerium für Energie, Klimaschutz, Umwelt und Landwirtschaft (SMEKUL)

Staatliche Betriebsgesellschaft für Umwelt und Landwirtschaft (BfUL)

Finanzierung

Forschungsmittel des Freistaates Sachsen – Sächsisches Staatsministerium für Umwelt und Landwirtschaft

Verwandte Themen

Sondermessnetz Referat 43 LfULG

zurück zum Seitenanfang