Zukunft Wasser - Neue Wege der Gewässerschutzpolitik. In Europa - In Berlin Informationsblatt zur Europäischen Wasserrahmenrichtlinie. (2.

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1 Zukunft Wasser - Neue Wege der Gewässerschutzpolitik In Europa - In Berlin Informationsblatt zur Europäischen Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) (2. Ausgabe)

2 Einleitung Wie wir unsere Gewässer besser verstehen. Wie funktionieren unsere heimischen Gewässer? Was können wir dazu beitragen, unsere natürlichen Wasserressourcen auf Dauer zu sichern? Zu diesen Fragen werden im Folgenden verständliche Informationen zu einem komplizierten Thema gegeben. Die Europäische Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) formuliert, wie in Europa die Wasserressourcen verbessert und dauerhaft gesichert werden sollen. Zweifellos beinhaltet die Europäische Wasserrahmenrichtlinie, die für die Hälfte unseres Kontinents gilt, eine der größten Anstrengungen seit es eine zentrale europäischen Umweltgesetzgebung gibt. In Anbetracht der intensiven Nutzung und Belastung der Wasserressourcen in Europa stellt die Richtlinie ein notwendiges und richtiges umweltpolitisches Signal dar; hiermit stellen sich auch den Beitrittsländern der Europäischen Union in Ostund Südosteuropa neue und umfangreiche Aufgaben. Zur Konkretisierung des in der Richtlinie formulierten Ziels eines Guten ökologischen Zustandes ist die Kenntnis der sogenannten Referenzbedingungen, also des Zustandes mit nur geringfügigen menschlichen Einflüssen, erforderlich. Die Referenzbedingungen bilden die Basislinie für Bewertungsverfahren, welche ab 2006 im Rahmen der Gewässerüberwachung zur Anwendung kommen werden. Die Senatsverwaltung für Stadtentwicklung Berlin fördert dazu ein Forschungsprojekt des Leibniz-Institutes für Gewässerökologie und Binnenfischerei. Mit modernen paläolimnologischen und hydrologischen Methoden werden die Wirkungen bedeutender menschlicher Einflüsse auf das Ökosystem der unteren Spree erforscht. Das Landesumweltamt Brandenburg ermittelt im gleichen Zeitraum die Referenzzustände für Seen im Einzugsgebiet der Havel. Die wesentlichen Ziele und Methoden dieser Forschungsarbeiten wurden anlässlich des Kongresses und der internationalen Fachmesse Wasser Berlin 2003 auf der begleitenden Infoschau Wasser ist Zukunft als Postersession gezeigt. Mit dieser Broschüre machen wir die Ausstellungstafeln einer breiteren Öffentlichkeit zugänglich und hoffen, dass diese auf ein reges Interesse stoßen. Den Mitarbeitern des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei Berlin, Frau Dr. Sabine Hilt, Frau Dr. Ilka Schönfelder und Herr Dr. Christoph Engelhardt sowie Herrn Jörg Schönfelder vom Landesumweltamt Brandenburg sei an dieser Stelle für die intensive Unterstützung bei der Zusammenstellung der Ausstellungstafeln gedankt. Um die Ursachen der Veränderungen in der unteren Spree besser verstehen und reale Entwicklungsmöglichkeiten aufzeigen zu können, werden die ökologischen Bedingungen in wesentlichen historischen Zeitetappen der letzten ca Jahre rekonstruiert. 2

3 Inhalt Guter ökologischer Zustand der Gewässer 4 Was beeinflusst die ökologische Beschaffenheit unserer Gewässer? 5 Wie werden ökologische Referenzzustände für Gewässer ermittelt? 6 Paläolimnologie: Die Archive der Gewässer werden geöffnet 7 Kieselalgen als Bioindikatoren - Leben in einer Glasbox 8 Wie war die Wasserqualität unserer Flüsse und Flussseen vor 1000 Jahren? 10 Die Veränderung der Wasserqualität unserer Seen seit dem Mittelalter 12 Unterwasserpflanzen: Ihre Vorkommen einst und heute 14 Paläohydrologie: Die Abflussverhältnisse im Wandel der Zeit 15 Der Lauf der unteren Spree 1769 und ein Vergleich 16 Paläohydrologie: Welche Informationsquellen werden genutzt? 18 Integrierte Bewertung historischer Zustände Kopplung von Paläohydrologie und Paläolimnologie 19 Ausblick 20 Glossar 21 Foto: Michael Kirsten 3

4 Guter ökologischer Zustand der Gewässer Die Europäische Wasserrahmenrichtlinie definiert neue Ziele für den Gewässerschutz Veranlassung Im Jahre 2000 ist die Europäische Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) in Kraft getreten. Mit dieser Richtlinie wurden umfassende Zielstellungen für den Gewässerschutz verbindlich festgelegt. Bis zum Jahre 2012 sind umfangreiche Maßnahmen umzusetzen, um den Guten ökologischen Zustand in den Gewässern bis 2015 zu erreichen. Güteklasse 1 - Sehr guter Zustand Güteklasse 2 - Guter Zustand (Zielstellung) Güteklasse 3 - Mäßiger Zustand Güteklasse 4 - Unbefriedigender Zustand Güteklasse 5 - Schlechter Zustand Wie werden die Gewässer bewertet? Als Guter ökologischer Zustand (Güteklasse II) wird der Zustand beschrieben, der nur geringfügig vom Referenzzustand ( Sehr guter ökologischer Zustand - Güteklasse I) abweicht. Der Referenzzustand beschreibt den Zustand eines Gewässertyps ohne oder mit nur geringfügigen anthropogenen Einflüssen. Dieser ist repräsentativ durch Untersuchungen an anthropogen unbeeinflussten oder nur sehr geringfügig beeinflussten Gewässern zu ermitteln. Können für bestimmte Gewässertypen einer Ökoregion aktuell keine Referenzmessstellen mehr aufgefunden werden, sind alternative Verfahren einzusetzen. Insgesamt werden die Gewässer künftig in fünf Güteklassen (siehe Abbildung) eingestuft. Foto: Michael Kirsten Was wird bewertet? Der ökologische Status der Gewässer wird vorrangig über die biologischen Merkmale wie Artenzusammensetzung und -häufigkeit von Fischen, Wasserflora (Phytoplankton, Makrophyten, Phytobenthos) und die Wirbellosenfauna (Makrozoobenthos) eingestuft. Unterstützend werden hydromorphologisch/ hydrologische und chemisch/physikalische Merkmale erfasst. Untersuchungen im Spree-Havel-Raum Insbesondere für die stark eutrophierten und verbauten mittelgroßen bis großen Fließgewässer und Flussseen des Norddeutschen Tieflandes wie Spree und Havel fehlen Referenzmessstellen. Im Rahmen von Forschungsprojekten des Landesumweltamtes Brandenburg und der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung Berlin werden derzeit die typspezifischen Referenzzustände für die Untere Spree und für die Havel ermittelt. Die nachfolgenden Seiten geben einen Einblick in angewandte Methodiken und zeigen erste Ergebnisse. Laufende Projekte: Rekonstruktion natürlicher biozönotischer Referenzbedingungen in Kombination mit hydromorphologischen, hydraulischen und hydrochemischen Verhältnissen an Fließabschnitten der nordostdeutschen Tiefebene und Ermittlung von Entwicklungsmöglichkeiten (Untere Spree); Senatsverwaltung für Stadtentwicklung, VIII E 2 Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel Teilprojekt 1: Paläolimnologische Leitbildrekonstruktion für Seen im Einzugsgebiet der Havel (ohne Spree); Landesumweltamt Brandenburg, Referat Q 5 4

5 Was beeinflusst die ökologische Beschaffenheit unserer Gewässer? NIEDERSCHLÄGE NIEDERSCHLÄGE V E R D U N S T U N G Klima Kurz- und langfristige Änderungen von Temperatur und Lichtklima wirken steuernd auf die Aktivität der aquatischen Lebensgemeinschaft und bedingen ihre saisonale Dynamik. V E R D U N S T U N G A B F L U S S Neiße Cottbus Frankfurt/Oder Oder Spreewald Topographie Die Gefälleverhältnisse im Landschaftsrelief beeinflussen die Fließgeschwindigkeit und formen unterschiedliche Habitatstrukturen im Wasserlauf. Geologie Der Kalk- und Sulfatgehalt des Bodens beeinflusst unmittelbar den regional ausgeprägten ph-wert sowie die Leitfähigkeit des Sicker-, Grund- und Oberflächenwassers. Spree Tiefbrunnen Berlin Landnutzung Ackerbau bietet der Erosion Angriffsfläche, Nährstoffe werden in die Gewässer geschwemmt. Auch Anlagen zur Fischzucht belasten durch Reste von Futtermitteln und Nährstoffe die Bäche, Flüsse und Seen. Potsdam Havel Braunkohlentagebau Klärwerke weichseleiszeitliches Grundwasser Siedlungen Industrie führten in den letzten Jahrzehnten zu einer Erhöhung der Nährstoffkonzentrationen, der Bau von Klärwerken stoppte die rasante Eutrophierung. Brandenburg/ Havel Flussausbau Sandbänke und Wasserpflanzenbestände sind wichtige Filter für Schwebstoffe. Werden Flüsse ausgebaggert und gekrautet, so wird deren Selbstreinigungsleistung reduziert. Durch den Bau von Stauanlagen verändert sich das Abfluss- und Wasserstandsregime sowie die Durchgängigkeit. Elbe Havel Vegetation Die Rodung in den Einzugsgebieten seit dem frühen Mittelalter löste über eine verstärkte Erosion eine Erhöhung des Eintrages von Schweb- und Nährstoffen in die Gewässer aus. A B F L U S S saaleeiszeitliches Grundwasser Elbe Grundwasser Überschüssige Düngergaben auf Ackerflächen und unkontrollierte Versickerung von Abwässern können die Qualität des Grundwassers nachhaltig schädigen. Über den Grundwasserpfad gelangen die versickerten Nähr- und Schadstoffe dann früher oder später in die Fließgewässer und Seen. Natürliche und anthropogen bedingte Faktoren führen zu nachhaltigen Veränderungen unserer Flüsse und Seen und ihrer Lebensgemeinschaften: Phytoplankton, Phytobenthos, Makrophyten, Makrozoobenthos und Fische 5

6 Wie werden ökologische Referenzzustände für Gewässer ermittelt? 1. Suche nach ökologisch intakten Gewässern im gleichen Naturraum Seen Flüsse Bäche Tief und geschichtet Flach und ungeschichtet?? z.b. Seen im Naturpark Stechlin- Ruppiner Land z.b. Großer Müggelsee ß z.b. Spree ß z.b. Bäche im Naturpark Hoher Fläming 2. Blick in die Vergangenheit: Paläolimnologie und Paläohydrologie Entnahme eines Sediment-Gefrierkerns, gekühlt mit flüssigem Stickstoff, im Großen Treppelsee, Naturpark Schlaubetal Sedimentkernbohrung mit Russischem Kammerbohrer im Spreedelta Sawall bei Beeskow ß 3. Studium alter Literatur und Expertenbefragung ß Analyse von: Recherche von: historischen Karten ökologischen Schriften Herbarien fischereilichen Fangstatistiken fischereilichen Fangstatistiken Plänen zum Flussausbau ß ß Fachwissen von Landesbehörden, Heimatforschern und Gewässernutzern, z.b. Anglern Modellgestützte Charakterisierung der natürlichen Hydrologie und Morphologie ß ß Beschreibung der ungestörten Flora und Fauna für jeden Gewässertyp 6

7 Paläolimnologie: Die Archive der Gewässer werden geöffnet In strömungsarmen Abschnitten von Gewässern, z.b. Seen oder Altgewässern von Flussauen, werden ständig Sedimente abgelagert. Diese speichern Informationen über die physikalischen, chemischen und biologischen Umweltbedingungen des jeweiligen Gewässers (1). Entnimmt man mithilfe einer Bohrung einen Sedimentkern (2), unterteilt ihn in Abschnitte (3) und bereitet das gewonnene Material entsprechend auf (4), so lassen sich über unterschiedliche Verfahren (5, 6) sowohl Parameter wie Wassertemperatur, ph-wert, Schwermetall- und Nährstoffkonzentrationen als auch (zumindest teilweise) die Entwicklung der pflanzlichen und tierischen Besiedlung des Gewässers rekonstruieren Datierung Mithilfe folgender Methoden lässt sich das Alter der Sedimente bestimmen: Blei ( 210 Pb, Halbwertszeit 22,3 Jahre), Künstliche Radionuklide ( 137 Cs, Halbwertszeit 30,6 Jahre), Radiokarbon ( 14 C), Asche- und Tufflagen aus Vulkanausbrüchen, Pollenanalyse. Radiokarbonmethode: Jedes Lebewesen nimmt laufend den natürlich in der Atmosphäre vorkommenden, radioaktiven Kohlenstoff 14 C auf und gibt einen Teil davon als Stoffwechselprodukt auch wieder ab. Auf diese Weise besteht im lebenden Organismus ein Gleichgewicht mit dem normalen Kohlenstoff 12 C. Dieses Verhältnis beginnt sich erst ab Eintreten des Todes zu verschieben, da nun kein 14 C mehr aufgenommen werden kann. Mit Hilfe der Halbwertszeit des radioaktiven Kohlenstoffes kann so der Zeitpunkt des Todes berechnet werden. Untersuchungsparameter Biologische Phytoplankton: Pigmente verschiedener Algengruppen, Schuppen von Chrysophyceen (Goldalgen), Skelette von Diatomeen (Kieselalgen) Makrophyten: Pollen, Samen, Blätterreste, Oosporen von Armleuchteralgen,Trichosklereide (Festigungszellen) Zooplankton: Ephippien (Dauereier), Ostracoden- Schalen (Muschelkrebse), Kopfpanzer, Schalen oder Postabdomen von Cladoceren Makrozoobenthos: Kopfkapseln von Chironomiden, Eikokons von Fischegeln Fische: Schuppen, Wirbel Anwendungsbeispiele Sedimentologisch-chemische Korngrößen, Tonmineralien, Karbonat, Organischer Kohlenstoff, Phosphor, Silizium, Magnesium, Aluminium, Eisen, Mangan, Schwermetalle, stabile Isotope von Sauerstoff und Kohlenstoff 1. Klimaänderungen: Veränderungen der Temperatur, Niederschläge und Evaporationsraten 2. Seespiegelschwankungen und Durchflussveränderungen 3. Versauerung von Seen 4. Nährstoffbelastung (Trophische Situation) 5. Archäologische Untersuchungen 7

8 Kieselalgen als Bioindikatoren - Leben in einer Glasbox (1) Kieselalgen (Bacillariophyceen, Diatomeen) sind als Indikatoren ökologischer Veränderungen in Gewässern in Bezug auf die Universalität sicher nicht zu übertreffen, denn sie besiedeln alle aquatischen Lebensräume. Allein in Berliner und Brandenburger Gewässern konnten weit über 500 Arten nachgewiesen werden. Seit über 150 Jahren stehen die Diatomeen wegen der Schönheit ihrer Zellwandstrukturen und wegen ihrer interessanten Ökologie im Blickfeld des wissenschaftlichen Interesses. Die gleichermaßen filigranen wie physisch robusten Strukturen der verkieselten Schalen sind die entscheidende Voraussetzung dafür, dass die heutige Kenntnis zur Taxonomie und Ökologie dieser Algengruppe schon weit fortgeschritten ist und sie als zuverlässige Indikatoren der Wasserqualität erfolgreich eingesetzt werden. Die enorme Formenvielfalt der Diatomeenschalen lässt keine Langeweile am Lichtmikroskop aufkommen. Eine 600 bis 1200fache Vergrößerung der zwischen 5 und 400 µm langen Schalen ist für die routinemäßige Auswertung ausreichend. Amphora thumensis Caloneis tenuis Achnanthes flexella Cymbella affinis Cymbella amphicephala var. hercynica Fragilaria bidens Fragilaria constr. f. exigua Gomphonema sarcophagus Cavinula scutelloides Surirella brebissonii Navicula vulpina Denticula kuetzingii Mastogloia grevillei Diatoma ehrenbergii Eunotia arcubus Gomphonema lateripunctatum Navicula gregaria Diatoma vulgarisa Nitzschia amphibia Navicula striolata aus Krammer K. & Lange-Bertalot H., Foto: Roßberg, IGB Rasterelektronische Aufnahme der seltenen Diatomee Cyclotella tripartita aus dem Stechlinsee. Erst bei 6000facher Vergrößerung werden Details der komplizierten Zellwandstrukturen erkennbar. Die verkieselten Schalen der einzelligen Algen sind schachtelförmig zusammengefügt. Die einzelnen Strukturen sind artspezifisch ausgebildet und daher wichtige Bestimmungsmerkmale. a Transapikalstreifen b Zentralporen f Zentralknoten g Raphe h Endknoten i Epitheka j Epivalva k Epicingulum c Hypotheka d Hypocingulum e Hypovalva l Axialarea m Zentralarea 8

9 Kieselalgen als Bioindikatoren - Leben in einer Glasbox (2)... ökologisch hoch spezialisiert und sensibel Viele Kieselalgen reagieren schnell und empfindlich auf Veränderungen ihrer Umwelt, z.b. auf eine Erhöhung der Nährstoffkonzentrationen. Je empfindlicher eine Art reagiert, umso besser ist sie als biologischer Messfühler geeignet. Begriffe der ökologischen Toleranzlehre (rechts) und spezielle Umweltansprüche der häufigen Kieselalge Achnanthes minutissima (unten). aus Blick 1998 aus Schönfelder als Mikrofossilien am Gewässergrund erhalten Kieselalgen leben als Plankter im Freiwasser oder als Aufwuchs auf Steinen und Wasserpflanzen unserer Seen und Flüsse. Nach ihrem Absterben sinken die Schalen zum Gewässergrund und können über Jahrtausende erhalten bleiben. So werden Jahr für Jahr auch Informationen zur Wasserqualität im Sediment abgelegt. Im Folgenden zeigen wir Methoden, wie man in Gewässersedimenten lesen und die wertvollen historischen Informationen entschlüsseln kann. aus Schönfelder

10 Wie war die Wasserqualität unserer Flüsse und Flussseen vor 1000 Jahren? (1) Bohrung Sedimentkerne aus Seen werden von einer Bohrplattform aus erbohrt. Mit einem Kolbenbohrer können so bis zu 30 m lange Kerne gewonnen werden. Auswertung der Bohrkerne Die Schalen der fossilen Kieselalgengemeinschaften werden nach einem Aufschlussverfahren als Mikropräparate im Licht- und Rasterelektronenmikroskop auf Artniveau bestimmt. Es erfolgt eine möglichst genaue Datierung der Sedimente durch Isotope und Pollen. Bohrteam der FU Berlin und des IGB auf dem Großen Treppelsee, Brandenburg. Teile des Sedimentkerns zeigten Jahresschichten, vergleichbar mit den bekannten Baumringen. In Flussauen bewährte sich der Russische Kammerbohrer, der mit Handkraft bis zu 11 m tief in die torfigen Substrate gedrückt wird. Sedimentarchive aus Seen, Auen, Altarmen, Paläomäandern Kalibrierung... oder: nichts ohne Statistik In diesem wichtigen Schritt werden die ökologischen Ansprüche der heute in unseren Gewässern vorkommenden Arten genau bestimmt. Dazu wurden über 500 Diatomeenarten in über 80 Berliner und Brandenburger Gewässern untersucht. Als Ergebnis wurden Diatomeen-Umweltfaktor-Transferfunktionen aufgestellt. Erfolgreich beprobt wurden u.a. Auenbereiche der Spree (bei Sawall) und der Unteren Havel. Transferfunktionen mit hoher Performance sind die mathematische Basis, um aus den fossilen Diatomeengemeinschaften die Intensitäten von Umweltfaktoren, z.b. der Nährstoffe, berechnen zu können. 10

11 Wie war die Wasserqualität unserer Flüsse und Flussseen vor 1000 Jahren? (2) Närstoffkonzentration der Unteren Havel der letzten ca Jahre Die Rekonstruktion der Gesamtphosphorkonzentration im Freiwasser der Unteren Havel, basierend auf den fossilen Diatomeengemeinschaften im Sediment eines verlandeten Altarms, ermöglichte eine Einschätzung der ökologischen Veränderungen im Fluss während der letzten 4000 Jahre. Als gesichert können somit natürliche Gesamtphosphorkonzentrationen zwischen 40 und 70 µg/l gelten. Die Havel mit ihren Seen unterhalb von Spandau ist damit als natürlich eutropher Fluss zu bewerten. Im Vergleich dazu ist die Spree im Bereich des Unterspreewaldes nährstoffärmer und wies noch im Mittelalter einen eher meso- bis eutrophen Übergangszustand auf. Gegenwärtige Untersuchungen dienen zur näheren Charakterisierung des natürlichen Nährstoffstatus der Oberen Havel und der Unteren Spree zwischen dem Spreewald und ihrer Mündung bei Spandau. aus Schönfelder

12 Die Veränderung der Wasserqualität unserer Seen seit dem Mittelalter (1) Ein Beispiel: Großer Treppelsee, Brandenburg Der Große Treppelsee liegt im Naturpark Schlaubetal. Er ist ein typischer, nährstoffreicher Flusssee. Ein erbohrter 27 m langer Sedimentkern, der zeitlich bis zur Entstehung des Sees nach der letzten Eiszeit vor rund Jahren zurückreicht, sollte Aufschluss geben, wie sich die Wasserqualität unter natürlichen Bedingungen veränderte und welchen Einfluss der Mensch seit der Besiedlung des Einzugsgebietes nahm. Seefläche 71,63 ha (ATKIS) Tiefe max. 5,60 m Volumen 1,60 Mill. m 3 Tiefe mitt. 2,28 m Oberirdisches hydrologisches Einzugsgebiet 58,3 km 2 Neuzeller Atlas Blatt Bremsdorf-Fünfeichen Urmesstischblatt Blatt Grunow 1:25000, 1844 Topographische Karte Blatt Grunow 1:25000, 1934 Die Veränderungen der Vegetation im Einzugsgebiet... sind z.b. in alten Karten gut dokumentiert. Im Zeitfenster von Jahrhunderten wurden ehemals gerodete baumfreie Heyden aufgeforstet. Änderungen in der landwirtschaftlichen Nutzung und die Zunahme an Waldflächen müssen sich auch auf den See, seine Nährstoffe und Lebensgemeinschaften ausgewirkt haben. 12

13 Die Veränderung der Wasserqualität unserer Seen seit dem Mittelalter (2) Die pflanzlichen Erstbesiedler sind heute im See ausgestorben Kieselalgen, die ökologisch an nährstoffarme Bedingungen gebunden sind, wie z.b. Cyclotella ocellata oder C. distinguenda, traten im Treppelsee nur in den ältesten Sedimentschichten auf (links), kommen heute aber noch in den nährstoffärmsten Seen Brandenburgs vor. Häufige Freiwasserarten können nach steigender Nährstofftoleranz zusammengestellt werden (unten). Starker Nährstoffanstieg schon ab 1250 Die Rekonstruktion der Gesamtphosphorkonzentration im Freiwasser des Großen Treppelsees mit Kieselalgen belegt einen beeindruckenden Anstieg etwa ab Zu diesem Zeitpunkt nahmen die siedlungszeigenden Pollen (grüne Kurve, u.a. Getreide-Pollen) stark zu, und es gab deutliche Veränderungen im Sedimentchemismus (z.b. nahm die Aluminium-Konzentration als Hinweis auf Erosionsprozesse zu). Fotos aus Krammer & Lange-Betalot verändert aus Schönfelder et al

14 Unterwasserpflanzen: Ihre Vorkommen einst und heute Beeinflussung der Wasserqualität in Flüssen... Beeinflussung des Sauerstoffgehaltes im Wasser und Sediment Rückhalt von Schwebstoffen und Bakterien durch Filterwirkung der Bestände Nahrung für Wasservögel Laichplatz, Habitat und Nahrung für zahlreiche Fischund Makrozoobenthos-Arten Akkumulation von Nährstoffen und Erhöhung der Aufwuchsoberfläche für Mikroorganismen Schutz für Zooplankton vor dem Fraßdruck planktivorer Fische... und in Seen Nahrung für herbivore Wasservögel Wasserpflanzen in der Krummen Lanke Verringerung der Trübung und Resuspension durch Stabilisierung des Sediments Körner 2001 Aus Literaturangaben rekonstruierte Besiedlung des Großen Müggelsees mit Unterwasserpflanzen um 1900 Aber: Die Eutrophierung der Flüsse und Seen führte zu starken Veränderungen in der Besiedlung mit Unterwasserpflanzen und insbesondere in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts zu einem drastischen Verlust, sowohl der Artenvielfalt als auch der Menge. Paläolimnologische Untersuchungen ermöglichen eine Rekonstruktion der Entwicklung der Unterwasservegetation und sind Grundlage für eine erfolgreiche Restaurierung. Körner 2001 Verringerung der Wassertrübung durch Abgabe chemischer Wirkstoffe, die das Algenwachstum hemmen (Allelopathie) um 1950 um 1990 Brandenburger Seen mit Unterwasserpflanzen Brandenburger Seen ohne Unterwasserpflanzen Anteil an Brandenburger Seen mit und ohne Vorkommen an Unterwasserpflanzen in den 1950er und 1990er Jahren 14

15 Paläohydrologie: Die Abflussverhältnisse im Wandel der Zeit Wie ermittelt die Paläohydrologie historische Abflussverhältnisse? Für einen unverbauten Fluss mit Sandbett sind die Mäanderschleifen die Verwirklichung eines Gleichgewichtes zwischen den zu transportierenden Wassermassen, einer zu transportierenden Schwebstofffracht und den natürlichen Bedingungen der Landschaft, durch die der Fluss fließt. Aus der (wie auch immer) gelungenen Rekonstruktion des Flussbettes lassen sich deshalb auch die vergangenen Abflussverhältnisse abschätzen. Eine solche Rekonstruktion der Abflüsse der Unteren Spree ist Gegenstand eines vom Senat von Berlin geförderten Projektes. Neben dem anthropogen unbeeinflussten Zustand sollen auch die Spreeabflüsse während charakteristischer Etappen des menschlichen Eingreifens ermittelt werden. Welche historischen Etappen sind für die Entwicklung der Abflussverhältnisse an der Spree relevant? v. Chr. 300 n. Chr. Anthropogen unbeeinflusster Zustand Übergang von nacheiszeitlichen Abflussbedingungen der Spree auf Dauerfrostböden (Mäanderradien bis 220 m) zu neuzeitlichen Klimabedingungen (Mäanderradien bis 90 m) n. Chr. Anthropogen weitgehend unbeeinflusster Zustand erste Siedlungen n. Chr. Anthropogen gering beeinflusster Zustand großflächige Rodungen, Beginn der Landwirtschaft, erste Anlage von Mühlenstauen n. Chr. Anthropogen mäßig beeinflusster Zustand Klimaabkühlung ( Kleine Eiszeit ), verstärkte Anlage von Mühlenstauen Schematische Darstellung des Einflusses natürlicher und anthropogener Faktoren auf die zeitliche Entwicklung einer Hochwasserwelle Foto: H. Pohl Ab 1800 n. Chr. Anthropogen stark beeinflusster Zustand klimatische Erwärmung ab 1850, umfassende Flussregulierungen (Begradigungen, Kanäle, Stauhaltungen), Intensivierung der Landwirtschaft, wachsende Kommunen, Braunkohlenbergbau mit Grubenentwässerung,Talsperren Jahreszeitliche Verteilung der Spreeabflüsse vor, während und nach der intensiven Braunkohleförderung 15

16 Der Lauf der unteren Spree 1769 und ein Vergleich (1) Der Vergleich beider Karten (Seite 16 und17), ein gedanklicher Zeitsprung von über 200 Jahren, dokumentiert eindrucksvoll die umfassenden morphologischen Eingriffe des Menschen in den Lauf der Spree über die Jahrhunderte, so die Laufverkürzungen durch Schaffung von Durchstichen, die Kanalisierung von Abschnitten, den Bau von Schleusen und Wehren und die Errichtung von Umflutkanälen. 16

17 Der Lauf der unteren Spree 1769 und ein Vergleich (2) Diese Eingriffe führten zu stark veränderten Lebensräumen der aquatischen Lebensgemeinschaften, z.b. durch Veränderung der Fließgeschwindigkeiten, Veränderung der Wasserstände, Fehlende Durchgängigkeit und Auendynamik sowie Verringerung der Strukturvielfalt. Digitale topografische Gebietskarte (TG), LGB Brandenburg

18 Paläohydrologie: Welche Informationsquellen werden genutzt? Historische Karte Luftbilder Foto: H. Pohl Bohrungen in der Aue Bohrung Durch die natürliche oder anthropogen beeinflusste Entwicklung des Flusses kommt es zur Entstehung von Altarmen, die, nachdem sie vom Hauptlauf des Flusses abgeschnitten sind, zügig verlanden. Heute kann man in der Flussaue verlandete Altarme finden, die über die Breite und Tiefe des Flussbettes unmittelbar vor Entstehung des Altarms Auskunft geben können. Um diese Informationen zu gewinnen, müssen Bohrungen quer durch die verlandeten Altarme niedergebracht werden. Das Bild Bohrung zeigt schematisch den ehemaligen Flussabschnitt vor seiner Entwicklung zum Altarm. Querschnitte mit verschiedenen Wassertiefen und Breiten (oben: Kolk, unten: Rausche) sind dargestellt. Rechts oben und unten erkennt man dieselben Querschnitte nach der vollständigen Verlandung. Hier werden heute die Bohrungen niedergebracht. Der Wechsel von während der Verlandung gebildetem organischen Material zum Sand und Kies des ehemaligen Flussbettes ist in den Bohrkernen leicht erkennbar. 18

19 Integrierte Bewertung historischer Zustände Kopplung von Paläohydrologie und Paläolimnologie Modellierungs- Ebenen Q* Q f25% (Q) paläohydrologische Q f Q o Q min Altersbestimmung Isotope Pollen... z [m] Bohrung 0 hydrologische Q Q t vegetation period o50% min75% (Q) (Q) a BC/AD hydrodynamische Kalibierung Welche Informationen liefert die Paläohydrologie? Veränderungen durch Flussbegradigungen, d.h. kürzere Lauflängen, größeres Gefälle, weniger und andere Mäanderformen, Veränderungen des Flussbettes, d.h. andere Formen, Fließwiderstand, Verteilung von Gewässerstrukturen (tiefe und flache Fließstrecken, Altarme), Veränderung der Form des Flussbettes; durch Modellierung sind Aussagen zu mittleren Abflüssen und jahreszeitlichen Schwankungen möglich. ln TP indiziert lntp gemessen ökologischhydrodynamische Nährstoff- Rekonstruktion Alter AD Welche Informationen liefert die Paläolimnologie? Nährstoffkonzentrationen der Gewässer für verschiedene Zeithorizonte, Erkenntnisse über Arten und Vorkommen von Algen und Unterwasserpflanzen. TP ß ß Welche neuen Informationen ermöglicht die Kopplung von Paläolimnologie und Paläohydrologie? Gekoppelte Betrachtung von Wassermenge und Wasserqualität ermöglicht Abschätzung von natürlichen Stofffrachten aus wasserwirtschaftlichen Planungsgebieten. Ergebnisse hydraulischer Berechnungen ermöglichen die Formulierung von Parametern der natürlichen Strömungsvielfalt als Habitatmerkmal für die Fauna der Fließgewässer und die modellgestützte Abschätzung der Ausbreitung von höheren Wasserpflanzen im Querprofil der Fließgewässer. 19

20 Ausblick Das Erreichen der Ziele der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie wird umfassende Maßnahmenprogramme im Gewässerschutz und in anderen betroffenen Strukturbereichen erfordern. Mit der Erarbeitung der Referenzbedingungen und der darauf aufbauenden Bewertungsverfahren für die Gewässerbiozönosen bis 2004 liegt eine wesentliche Grundlage und ein entscheidendes Instrumentarium für die bis 2009 zu erarbeitenden Maßnahmenprogramme vor. Ab 2006 sind die Untersuchungsprogramme gemäß WRRL zu starten. Ab diesem Zeitpunkt wird eine weitgehend flächendeckende Beschreibung des ökologischen Status unserer Gewässer möglich und der Handlungsbedarf konkreter bezifferbar sein. Was ist zu tun? Die Untersuchung der vielfältigen Zusammenhänge zwischen den Schadenssymptomen in und an den Gewässern und deren Ursachen ist seit langem Gegenstand der ökologischen Forschung. Auf diesem Gebiet liegt bereits heute ein umfassender Fundus an Erkenntnissen vor, so dass schon jetzt absehbar ist, wo der Gewässerschutz ansetzen bzw. verstärkt werden muss. Auch für solche Gewässer, die stark und irreversibel verändert sind, können zur Verbesserung des ökologischen Potenzials Maßnahmen ergriffen werden, um so den Biozönosen wieder mehr Raum und bessere Bedingungen zur Entfaltung zu geben. Reduzierung von Nähr- und Schadstoffeinträgen in die Gewässer u.a. durch Einrichtung von Uferrandstreifen Bessere landwirtschaftliche Praxis Extensivierung der Landwirtschaft Rückbau von Drainagen Wiedervernässung von Mooren Bau und Erweiterung von Kläranlagen Bau von Regenwasserreinigungsanlagen Naturnahe Regenwasserbewirtschaftung Verbesserung der Gewässerstrukturen u.a. durch Renaturierung von Gewässern Öffnung von Altarmen Verbesserung der Auendynamik Bau von Fischaufstiegshilfen Sanfte Gewässerunterhaltung Sicherung ökologischer Mindestabflüsse Einbringen von Totholz Standorttypische Begleitvegetation Foto: Michael Kirsten 20

21 Glossar Akkumulation von Nährstoffen: Anreicherung von Nährstoffen in den Sedimenten Allelopathie: positive oder negative Wirkung, die Pflanzen und Mikroorganismen mittels chemischer Botenstoffe auf andere Pflanzen ausüben Altarm: vom Flusslauf infolge eines natürlichen Mäanderdurchbruchs oder eines künstlichen Durchstichs abgetrennte Flussschlinge anthropogen: durch den Menschen verursacht Aue: Überschwemmungsbereich von Bächen oder Flüssen Auendynamik: zeitliche Veränderung der Verhältnisse in der Aue wie Wasserstände im Wechselspiel zum Fluss Benthal: Lebensraum der Bodenzone eines Gewässers benthisch: in der Bodenzone eines Gewässers existierend Benthos: Organismen der Bodenzone eines Gewässers Biotop: Lebensraum einer charakteristischen Lebensgemeinschaft von Organismen (Biozönose) Biozönose: charakteristische, durch innere Wechselwirkungen verknüpfte Lebensgemeinschaft Einzugsgebiet: Gebietsfläche (in Horizontalprojektion), aus der Wasser, vor allem Niederschlagswasser, einem Gewässer oder Gewässerabschnitt zufließt eutroph: hochproduktiv; hohe pflanzliche Biomasseproduktivität durch Algen oder Makrophyten, meist anthropogen bedingt als Folge erhöhter Nährstoffzufuhr Eutrophierung: Nährstoffanreicherung, meist gebraucht für unerwünscht hohe Nährstoffzufuhr in Gewässern Evaporation: Verdunstung Fracht: in einem bestimmten Zeitraum durch ein Fließgewässer transportierte Stoffmenge; Produkt aus Stoffkonzentration und Wassermenge Habitat: Wohn- oder Standort einer Art (teilweise verwendet wie Biotop ) Herbivore: Pflanzen fressende Tiere hydrodynamische Modellierung: Computermodell auf der Basis der physikalischen Grundgleichungen des Erhalts von Masse und Impuls Hydrologie: Wissenschaft vom Wasser, seinen Eigenschaften und Erscheinungsformen auf und unter der Landoberfläche hydrologische Modellierung: Computermodell auf der Basis vereinfachter Gleichungen, zur Berechnung von Niederschlag und Abfluss Kalibrierung: Einstellung der Parameter eines Modells an einem konkreten Anwendungsfall (Modellanpassung) Kanalisierung: Veränderung des natürlichen Flusslaufs durch Begradigung, Uferbefestigung, Beseitigung von Inseln, Abtrennung von Altarmen u.ä. Kieselalgen: (=Diatomeen=Bacillariophyceen) Algenklasse mit meist bräunlichen Farbstoffen und zweiteiliger Schale aus Kieselsäure Kolk: Abschnitt im Scheitel eines natürlich mäandrierenden Flusses mit extrem asymmetrischem Tiefenprofil Limnologie: im engeren Sinne Seenkunde, umfasst heute für die Wissenschaft von allen aquatischen Ökosystemen im Binnenland Leitbild (= potentielles L.): Beschreibung des idealen Zielzustands einer Gewässerentwicklung ohne Berücksichtigung wirtschaftlicher oder sozialer Beschränkungen; nach Einbeziehung dieser Beschränkungen kann daraus ein Entwicklungskonzept (= integriertes Leitbild) abgeleitet werden Makrophyten: mit dem bloßen Auge sichtbare Algen und höhere Pflanzen in Gewässern 21

22 Glossar Makrozoobenthos: mit bloßem Auge sichtbare (wirbellose) Tiere auf dem Gewässerboden mesotroph: mäßig produktiv, Naturzustand vieler Gewässer vor der anthropogenen Zufuhr von Nährstoffen Morphologie: Gestalt (Form und Struktur) Nährstoffe: chemische Elemente, aus denen die Biomasse der Organismen aufgebaut ist, vor allem C, O, H, N, P, S; Verfügbarkeit von P und N, bei Kieselalgen auch von Si, kann Wachstum von Algen und höheren Wasserpflanzen begrenzen ökolog.-hydrodyn. Modellierung: Computermodell, mit dessen Hilfe die Auswirkungen der Strömung auf die Wechselwirkungen in einem Gewässer beschrieben werden kann Resuspension: Wiederaufwirbelung von am Gewässergrund abgelagertem organischen und anorganischen Material Sediment: am Gewässergrund abgelagertes organisches und anorganisches Material Sedimentation: Aussinken von Partikeln aus der Wassersäule zum Gewässergrund Sümpfungswasser: zur Trockenlegung von Tagebauen gefördertes Grundwasser Trophie: Intensität der pflanzlichen Biomasseproduktion; wird vorrangig gesteuert über das Nährstoffangebot und Lichtklima (Photosynthese) Paläohydrologie: Teilgebiet der Hydrologie, das sich mit der Rekonstruktion früherer Wasserhaushaltsbilanzen und Abflussverhältnisse beschäftigt Paläolimnologie: Teilgebiet der Limnologie, das sich mit der Rekonstruktion früherer Gewässerzustände beschäftigt Phytoplankton: Algen, die im Wasser schweben und Photosynthese betreiben Pytobenthos: Aufwuchsalgen auf dem See- und Flussgrund planktivorer Fisch: sich vom Plankton ernährender Fisch Plankton: im Freiwasser lebende, meist mikroskopisch kleine Organismen, deren Eigenbeweglichkeit nicht ausreicht, um sich gegen Wasserströmungen zu behaupten polytroph: sehr produktiv, sehr starke Entwicklung von Algen und Makrophyten, in einigen Klassifizierungssystemen als Zwischenstufe zwischen eutroph und hypertroph verwendet Rausche: Abschnitt zwischen zwei Flussschleifen mit einem symmetrischen Tiefenprofil 22

23 Impressum Herausgeber: Senatsverwaltung für Stadtentwicklung, Abteilung VIII Integrativer Umweltschutz Brückenstraße 6, Berlin Tel.: 030 / Redaktion: Matthias Rehfeld-Klein Layout ud Produktion: Stitz & Betz GmbH, Annette Weber Fotografien: Michael Kirsten Henrik Pohl 1. Auflage, August

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