Algal dynamics in Lake Taihu, an example for shallow eutrophic lakes - from monitoring to modelling = Algendynamik im Taihu See, ein Beispiel für flache eutrophe Seen - vom Monitoring zur Modellierung
Creators: name: Yang, Jingwei
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: water quality vertical dynamics
eutrophication
stepwise linear regression

description: Algenblüten kommen häufig in eutrophen Seen vor und sind in vielen Ländern der Welt zu einem großen Problem geworden. Ein Beispiel hierfür ist der flache und eutrophe Taihu-See in China. Im Taihu-See treten Algenblüten oft mehrmals im Jahr auf und führen zu wachsenden Herausforderungen bei der Trinkwasserversorgung. Besonders die Trinkwasserkrise im Jahr 2007 war ein Weckruf für die Regierung, Zivilbevölkerung und Forscher, weshalb über die letzten Jahre verschiedenste Maßnahmen ergriffen wurden, um diesem Problem entgegenzuwirken. Die Ergebnisse dieser Maßnahmen sind jedoch bis heute nicht zufriedenstellend. Es ist daher dringend erforderlich, die Algendynamik im Taihu-See in den verschiedenen Jahreszeiten zu verstehen sowie die treibenden Faktoren der Algenblüten zu identifizieren, um auf Basis dieses Wissens angepasste Strategien und Lösungen zu entwickeln. Herkömmliche traditionelle Methoden zur Messung der Wasserqualität liefern in der Regel verzögerte Messdaten, die meist nie die Echtzeit-Situation eines Gewässers widerspiegeln. Zudem ignorieren die meisten Messverfahren vertikale Unterschiede der Wasserqualität, die insbesondere bei flachen und geschichteten Wasserkörpern einen großen Einfluss haben können. In dieser Studie wurde daher ein stationäres Online-Hochfrequenz-Multisensorsystem (BIOLIFT) eingesetzt, um die Veränderungen der Wasserqualität über die gesamte Wassersäule zu analysieren. Gleichzeitig wurde eine an den BIOLIFT angeschlossene Wetterstation genutzt, um meteorologische Echtzeit-Daten zu erfassen. Zur Messung der räumlichen Verteilung der Wasserqualität kam zudem ein Online-Multisensorsystem (BIOFISH) zum Einsatz, welches von einem Boot aus betrieben wurde. Parallel zu diesen Aktivitäten wurden Wasser- und Sedimentproben entnommen, um den Zustand und die Dynamik der im Taihu-See auftretenden Nährstoffe und Spurenmetalle zu charakterisieren. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde anschließend ein Simulationsmodell sowie ein konzeptionelles Modell erstellt, das in naher Zukunft dazu beitragen soll, ein Frühwarnsystem für das Wassermanagement am Taihu-See und den Betrieb von Trinkwasseranlagen zu entwickeln. Darüber hinaus wurden die ermittelten Online-Messdaten mit entsprechenden Daten des tieferen und weniger stark eutrophierten Westensees in Deutschland verglichen. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit geht hervor, dass die Eutrophierung in Kombination mit geringen Wassertiefen vorteilhafte Bedingungen für das Algenwachstum schafft und auch die Remobilisierung von Metallen verstärkt. Es wurde ein Sauerstoffmangel beobachtet, der durch die Zersetzung von Algen und die Reduzierung des ins Wasser einfallenden Sonnenlichts durch Algenschäume verursacht wurde. Dieser Sauerstoffmangel führt zum Tod von Wassertieren und zur Verringerung der Artenvielfalt. Die Algendynamik, die Klima- und Witterungsbedingungen sowie die Wasserqualität (z.B. Nährstoffgehalte, Wassertemperatur, etc.) weisen außerdem starke jahreszeitliche Unterschiede auf. Selbst im flachen Taihu-See wurde im Sommer und zeitweilig im Herbst eine Stratifizierung beobachtet, was auf die Notwendigkeit eines vertikalen Tiefenprofil-Monitorings der Wasserqualität hinweist. Die vertikale Verteilung der Algen variiert in Abhängigkeit der Algenarten und wird durch windinduzierte Vermischungs- und Resuspensions-Ereignisse beeinflusst. Resuspensionsprozesse stellen eine der zentralen Nährstoffquellen dar und können insbesondere den benthischen Algen zu besseren Lebensbedingungen verhelfen sowie nahe der Wasseroberfläche auftretende Balualgenkolonien in tiefere Wasserschichten zurückbringen. Blaualgen sammeln sich im Sommer und Herbst, vor allem am Nachmittag, bevorzugt an der Wasseroberfläche an. Sonnenlicht ist wichtig für das Algenwachstum, jedoch führen Fluoreszenzlöschung- und/oder Photoinhibitionseffekte durch das starke Sonnenlicht zu einem Anstieg der Algenfluoreszenz in der Nacht, aufgrund der Erholung von Lichtschäden. Im Allgemeinen weisen flache Seen wie der Taihu eine bessere Lichtverfügbarkeit auf, allerdings kann diese auch leichter durch windbedingte Resuspensionsprozesse reduziert werden. Neben der Resuspension beeinflussen auch Blaualgenschäume die Lichtverhältnisse im Wasser. Grundsätzlich treten Blaualgenblüten vorzugsweise an warmen, sonnigen und ruhigen Tagen auf, wenn das Wasser außerdem einen hohen pH-Wert aufweist. Es besteht zudem eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass Blaualgenblüten nach einem starken Windereignis auftreten. Blaualgen tolerieren auch Schwachlichtbedingungen, indem sie sich durch Auftriebsänderungen an die Wasseroberfläche bewegen. Daher kann präventive Arbeit im Vorfeld geleistet wurden. Mit den Ergebnissen dieser Studie wurde ein Modell entwickelt, mit dem auf Basis von hochfrequenten Multisensor- sowie Wetterdaten die Chlorophyll-a-Fluoreszenz-Veränderungsraten von Grün- und Kieselalgen sowie die Phycocyanin-Fluoreszenz von Blaualgen an der Wasseroberfläche simuliert werden können und sich darüber hinaus über einen kurzfristigen Zeitraum (2-3 Tage) vorhersagen lassen. Dies kann in Trinkwasseranlagen zur weiteren Entscheidungsfindung über notwendige Wasseraufbereitungsverfahren und die Menge des in verschiedene Einzugsgebiete gepumpten Rohwassers genutzt werden. Diese Dissertation zeigt neue Methoden zur Messung und Analyse der Wasserqualität in flachen und eutrophen Seen. Neben dem Taihu-See kann dieses System auch in anderen Oberflächengewässern (z.B. den Westensee) angewendet werden. Die Erkenntnisse und Modelle über die Wasser- und Algendynamik lassen sich zudem auf andere Seen in der Welt übertragen.