Abstract:
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. ... mehrEs 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.
Abstract (englisch):
Algal blooms are frequently observed in eutrophic lakes and have become a widespread concern in many countries in the world. Algal blooms are never absent and appear many times every year in shallow and eutrophic Lake Taihu, China. The drinking water crisis that happened in 2007 has been a wake-up call for government, researchers and civilians. For more than a decade, many measures were taken to alleviate this problem. However, the result is not satisfactory, until now. It urgently needs to understand the algal dynamics in shallow and eutrophic Lake Taihu in different seasons and the driving factors for the algal bloom. ... mehrDeveloping better policies and solutions must be based on these pieces of knowledge and background.
Traditional methods for water quality measurement always generate delayed data, which can not resolve real-time situations. Moreover, most studies ignore the vertical difference in water quality, especially when studying shallow water bodies. This study applied a stationary online high-frequency multi-sensor system (BIOLIFT) to measure the water quality changes across the whole water column. A real-time weather station was connected to the BIOLIFT to record meteorological data at the same time. Moreover, a boat dragged online multi-sensor system (BIOFISH) was used to measure the water quality’s spatial distribution. Water and sediment samples were also taken at the same time to understand the nutrients and trace metals status and dynamics in Lake Taihu. A simulation model and conceptual model was created based on this knowledge, which aims to contribute to an early warning system for water management and drinking water plants in the near future. Moreover, online measurement data were compared with data from the deeper and less eutrophic Lake Westensee, Germany.
From the results, eutrophication and lake shallowness create better conditions for algal growth and also aggravate the remobilization of metals. Oxygen depletion was observed, caused by algal decomposition and sunlight reduction in the water by algal scums. It will kill aquatic animals and reduce biodiversity. Algal dynamic, meteorological changes, and water quality (e.g., nutrients, water temperature, etc.) variation have seasonal differences. Even in shallow Lake Taihu, stratification was observed in summer and sometimes in autumn, which indicates the necessity of vertical depth-profile monitoring. The vertical distribution of algae varied between species and is influenced by the wind-induced mixing and resuspension. Specifically, resuspension is one of the nutrient sources and it can help the benthic algae get better living conditions as well as bring the surface blue-green algae scums back to deeper layers. Blue-green algae prefer to accumulate on the water surface in summer and autumn to get better light conditions, especially in the afternoon. Light is important for algal growth, however, fluorescence quenching and/or photoinhibition caused by the strong sunlight will increase algae fluorescence signals at night due to the recovery of light damage. In general, shallow lakes have better light availability, however, easier to be reduced by wind-induced resuspension. Except for the resuspension, blue-green algae scums will also influence the light conditions in the water.
In general, blue-green algal blooms prefer to happen under warm, sunny, calm, and high pH conditions. There is a high probability that it will happen after a strong wind. Blue-green algae can also tolerate low-light conditions by their capability to move to the water surface by buoyancy changes. Therefore, preventive work can be done beforehand.
From the result, models were developed based on high-frequency multi-sensor and weather data to simulate chlorophyll-a fluorescence changing rate of green algae and diatoms and phycocyanin fluorescence of blue-green algae on the water surface layer. Taking into account weather forecast data, these models furthermore have the potential to predict chlorophyll-a and phycocyanin fluorescence over short-term periods (2-3 days). This can be used in the drinking water plant for further decision-making of water treatment procedures and the amount of water pumped in different intake areas.
This dissertation provides new methods to measure and analyse water quality in shallow and eutrophic lakes. Besides Lake Taihu, the system can also be applied in other surface waters (e.g., Lake Westensee). The pieces of knowledge and models about the water and algal dynamics can also be transferred to other lakes in the world as well.
