Wärmehaushalt und Temperaturregime... 1

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1 2.4. Wärmehaushalt und Temperaturregime Wärmehaushalt und Temperaturregime Leitbild und Defizitanalyse des Temperaturregimes Referenzierung und Leitbild Defizitanalyse Analyse des Temperaturregimes und der Treiber des Temperaturregimes Wupper-Talsperre, Heizkraftwerke und Abwassereinleitungen Gewässerstruktur Zusammenfassung Wärmehaushalt und Temperaturregime Das Temperaturregime steuert die Intensität aller biochemischen Prozesse und wird somit zum Schlüsselfaktor für den Stoffwechsel, das Wachstum und die Entwicklungsdauer der meist poikilothermen (wechselwarmen) aquatischen Organismen. Bedingt durch die mit einer Temperaturerhöhung gesteigerte Stoffwechselrate steigt der Sauerstoffbedarf der Organismen während gleichzeitig, bedingt durch die physikalische Abhängigkeit der Löslichkeit des Sauerstoffs im Wasser und die Intensivierung des Ökosystemstoffwechsels, das Sauerstoffangebot sinkt. Die Auswirkungen des Wärmestress auf und das Erklärungspotenzial für die Veränderungen in der aquatischen Biozönose und im Ökosystemstoffwechsel sind in den entsprechenden Kapiteln (Makrozoobenthos, Fischfauna, Ökosystemstoffwechsel) dargestellt. C:\daten\FGM\FLIESSGEWÄSSER\Wupper\Untere Wupper\IMF\Berichte\IMF\Temperatur.doc Seite 1 von 15

2 Als Ergebnis des Zusammenspiels externer Energiezufuhren und gewässerinterner Strukturen (Abb.x.1) ist das Temperaturregime eines Fließgewässers gesteuert von den klimatischen Verhältnissen (Energiezufuhr: Strahlung, Lufttemperatur), den hydrologischen Verhältnissen (Volumenstrom, Seitenbäche, etc) und der Gewässerstruktur (Uferbeschattung, Gewässersohle - Grundwasseraustausch). Die Jahres- und Tagesgänge der Wassertemperatur spiegeln die entsprechenden klimatisch gesteuerten Schwankungen der Lufttemperatur in gedämpfter Amplitude wider. Dabei nimmt die sommerliche Mitteltemperatur im Längsverlauf zu. Abb x.1. Wärmeaustauschprozesse in Fließgewässern (aus Internetseite: Environmental Protection Agency [1]) Hydrologisch ist die Wupper ein oberflächenwassergeprägter Mittelgebirgsfluss mit nur geringer Wasserzufuhr aus Seitenbächen. Entsprechend gering ist der Trockenwettervolumenstrom unter potenziell naturnahen Bedingungen in den Sommermonaten. Im naturnahen Zustand reduziert C:\daten\FGM\FLIESSGEWÄSSER\Wupper\Untere Wupper\IMF\Berichte\IMF\Temperatur.doc Seite 2 von 15

3 die hohe Beschattung nicht zuletzt aufgrund der tief eingeschnittenen Tallagen in Verbindung mit dem Uferbewuchs die externe Energiezufuhr und dämpft somit das Temperaturregime. Gewässermorphologisch fehlt diesem Mittelgebirgsfluss des Grundgebirges, welcher auf alluvialen Lockergesteinen fließt, ein Kontakt zum (phreatischen, kühlen) Grundwasser. Entsprechend puffert lediglich der Wasseraustausch zwischen Wasserkörper und Gewässersohle (hyporheischer Durchvolumenstrom) die Temperaturamplituden der Wupper (Abb.X.2) und stellt mikroskalige Refugialräume für benthische Organismen bereit. Abb. X.2. Die zeitliche Entkopplung und Dämpfung der Temperaturschwingungen zwischen Oberflächenwasser und hyporheischem Durchfluss dämpft die Temperaturamplituden im Wasserkörper [2] Anthropogen überlagert und verändert wird der potenziell natürliche Wärmehaushalt der Unteren Wupper durch den Betrieb der Wupper-Talsperre (Volumenstrom, Wassertemperatur/Füllstand) die Abwärmeeinleitungen aus den Heizkraftwerken Barmen und Elberfeld die Abwassereinleitungen aus den Kläranlagen und Strukturgütedefizite (Austausch Gewässersohle, Beschattung). C:\daten\FGM\FLIESSGEWÄSSER\Wupper\Untere Wupper\IMF\Berichte\IMF\Temperatur.doc Seite 3 von 15

4 Leitbild und Defizitanalyse des Temperaturregimes Referenzierung und Leitbild. Die längszonale Strukturierung der aquatischen Biozönose der Fließgewässer wird neben dem sich ändernden Nahrungsangebot durch die sich ändernden hydrogeomorphologischen Verhältnisse (Gefälle, Struktur Stromsohle) und das typspezifische Temperaturregime gesteuert. Aufgrund der hydrogeomorphologischen Verhältnisse ist die Untere Wupper zwischen km 60 und km 15 dem Hyporhithral (Äschenregion) und nachfolgend bis zur Mündung dem Epipotamal (Barbenregion) zuzuordnen. Diesem längszonalen Wechsel kommt biozönotisch eine Schlüsselstellung zu, da die Grenze Rhithral - Potamal (Bach / Fluss) überschritten wird. Vielfach wurde und wird die rhithrale (Salmoniden-)Zone von der potamalen (Cypriniden-) Zone thermisch dadurch abgegrenzt, dass das Monatsmittel der Temperaturen des wärmsten Monats im Jahresverlauf in der rhithralen (Salmoniden-)Zone <20 C bleiben [7]. Moog & Wimmer [6] unterziehen die Abgrenzung der biozönotischen Längszonierungen aufgrund des Temperaturregimes einer kritischen Sichtung und kommen zu dem Ergebnis, dass insbesondere die sommerlichen Mitteltemperaturen die biozönotischen Längszonierungen charakterisieren. Diese Feststellung wird für die Abgrenzung des Hyporhithrals durch Freilanduntersuchungen von Schmitz & Schumann [4] unterstrichen, wonach das Vorkommen von Äschen (Leitfisch Hyporhithral) auf Gewässerabschnitte mit T Sommer < 17 C beschränkt ist (Tab.X.1). Tab.X.1. Temperaturobergrenzen der entsprechenden biozönotischen Regionen (T Morgen Maxima der Morgenstunden; T Sommer Mittlere Sommertemperatur 15.Juli/15.Sept) Epirhithral Metarhithral Hyporhithral Epipotamal Metapotamal T Morgen T Sommer <17 22 <20 25 > 20 C:\daten\FGM\FLIESSGEWÄSSER\Wupper\Untere Wupper\IMF\Berichte\IMF\Temperatur.doc Seite 4 von 15

5 Neben dem sommerlichen Temperaturmittel kommt den Jahresmaxima der Nacht-/ Morgenstunden, welche die Temperaturmaxima in Nähe der Gewässersohle abbilden, für die Ausbildung der gewässertypspezifischen Biozönosen eine Schlüsselstellung zu [3] Defizitanalyse. Wie ein Vergleich der im Bereich der Unteren Wupper gemessenen Temperaturen für das Jahr 2009 (Tab.X.2) mit den Referenztemperaturen (Tab.X.1) zeigt, Tab.X.2. Charakterisierung des Temperaturregimes 2009 (KTG Kumulative Tagesgrade; T Sommer Mittlere Sommertemperatur (15.Juli/15.Sept), T Max Maximum der Jahrestemperatur; T Morgen Maxima der Morgenstunden; Tage > 20 C T Mitt Anzahl der Tage >20 C Tagesmitteltemperatur; Tage < 20 C T min Anzahl der Tage >20 C T min ) km 57,8 49,2 41,5 5,5 KTG T Max T Morgen T Sommer ,6 22,4 25,2 24,3 18,2 19,2 21,6 21,9 15,5 17,3 20,9 19,0 Tage>20 C T Max Tage>20 C T Morgen weist die Untere Wupper in Übereinstimmung mit dem hydrogeomorphologischen Leitbild bis zur Einleitung der Heiz-Kraft-Werk (HKW) Elberfeld (km 45,9) das Temperaturregime eines hyporhithralen Gewässers und nachfolgend bis zur Mündung jenes eines epipotamalen Gewässers auf. Aufgrund der Abweichung des Temperaturregimes von der gewässertypspezifischen Referenz sind folglich im Streckenabschnitt km 45 bis km 16, bedingt auch zwischen km 53 (HKW Barmen) und km 45, Abweichungen von einer gewässertypspezifischen Biozönose zu erwarten. Wie die gegen alle Erwartungen ab Rutenbeck im weiteren Längsverlauf zu beobachtende Abnahme der Wassertemperaturen bis Opladen darüber hinaus verdeutlicht, befindet sich die Untere Wupper ab Rutenbeck in einem thermischen Ungleichgewicht mit ihrer Umgebungstemperatur. C:\daten\FGM\FLIESSGEWÄSSER\Wupper\Untere Wupper\IMF\Berichte\IMF\Temperatur.doc Seite 5 von 15

6 120 Jahresmaxima Nacht-/Morgentemperaturen ( ) Wupper [km] Meta-/Hyporhithral Hyporhithral/Epipotamal Epi-/Metapotamal Wassertemperatur [ C] Abb.x.3. Temperaturobergrenzen der entsprechenden biozönotischen Regionen (rot) und Jahresmaxima der Morgenstunden ( ) Analyse des Temperaturregimes und der Treiber des Temperaturregimes Wupper-Talsperre, Heizkraftwerke und Abwassereinleitungen Das Temperaturregime der Wupper wird insbesondere im Bereich des Stadtgebiets durch die Abwärmeeinleitungen aus den Heizkraftwerken (HKW) anthropogen überprägt. Während die Aufheizspanne der Unteren Wupper im Stadtgebiet für die mittleren Sommertemperaturen bis 2003 noch bei ca. 5 C lag, hat sich die Situation jedoch dank der Bemühungen des Betreibers, der WSW, deutlich entspannt. Dabei liegen insbesondere die Jahre 2004 und mit 1-2 C seither unter dem langjährigen Mittel der Erwärmung von 3,2 C (Abb.x.4). C:\daten\FGM\FLIESSGEWÄSSER\Wupper\Untere Wupper\IMF\Berichte\IMF\Temperatur.doc Seite 6 von 15

7 Bedingt durch die Abwärmeeinleitungen der HKW ist die im naturnahen Zustand zu erwartende stetig zunehmende Erwärmung der Wupper im Längsgradienten dahingehend verändert, dass das Temperaturmaximum im Bereich Rutenbeck (km 41,5) und nicht wie zu erwarten in Opladen (km 5,5) auftritt. 5 Zunahme der mittleren Sommertemperaturen Laaken / Rutenbeck CL=3,17 4 Temp. [ C] Jahr 19 Mittlere Sommertemperaturen Längsgradient ( ) 18 Temp. [C] CL=17,22 Abl Wu_T Laaken Klus_B Rutenb Opladen C:\daten\FGM\FLIESSGEWÄSSER\Wupper\Untere Wupper\IMF\Berichte\IMF\Temperatur.doc Seite 7 von 15

8 Abb.x.4. Zunahme der Tagesmittel der Sommertemperaturen zwischen der Messstation Laaken (km 57,8) und Rutenbeck (km 41,5) und mittlere Sommertemperaturen der Jahre an den kontinuierlich messenden Stationen. Tagesmaxima Wassertemperaturen Opladen Rutenbeck KlusBr Laaken Abl WupperT Wassertemperaturen [ C] Abb.x.5. Tagesmaxima der Sommertemperaturen (Median, 90-Perzentil) der Jahre 2009/10 im Ablauf Wupper-Talsperre und an den Messpunkten Laaken, Kluser Brücke, Rutenbeck und Opladen Um den Einfluss der Abwassereinleitungen aus der Kläranlage (KA) Buchenhofen auf das Temperaturregime einschätzen zu können, wurde die Erhöhung der mittleren Tagestemperaturen der Wupper anhand der Aufzeichnungen der Wassermengen und Tagesmitteltemperaturen des Jahres 2009 im Ablauf der KA Buchenhofen und der Wassermengen und Tagesmitteltemperaturen an der Messstation Rutenbeck (km 41,5) abgeschätzt: die Abwassereinleitungen führen derzeit (Szenario mit HKW ) in den Wintermonaten zu einer Erhöhung und in den Sommermonaten zu einer Absenkung der Wassertemperaturen (Abb.x.6.). C:\daten\FGM\FLIESSGEWÄSSER\Wupper\Untere Wupper\IMF\Berichte\IMF\Temperatur.doc Seite 8 von 15

9 1,2 0,9 Zunahme Tagesmitteltemperatur 2009 nach Aufnahme KA Buchenhofen, berechnet CL=0,39 Temp. [ C] 0,6 0,3 0-0, Monat Tagesmittel Wassertemperaturen 24 Temperatur [ C] RUTENBECK Kohlfurth Abb.x.6. Für die jeweiligen Monate des Jahres berechnete und in den Sommermonaten gemessene Veränderung der Tagesmitteltemperaturen der Unteren Wupper durch die Abwassereinleitung der KA Buchenhofen Entsprechend den Modellprognosen finden sich denn auch unterhalb der Abwassereinleitung aus der KA Buchenhofen am Messpunkt Kohlfurth (km 35,9) in den Sommermonaten 2010 gemessen niedrigere Wassertemperaturen als in Rutenbeck (km 41,5). Wie ein Szenario ohne Heizkraftwerke anhand der Wassermengen Rutenbeck und der Wassertemperaturen Laaken zeigt, erhöht sich der Einfluss der Abwassereinleitungen im Szenario ohne HKW und führt zu einer Erhöhung der Wassertemperaturen im Jahresmittel um + 1,1 C (statt + 0,4 C mit HKW ) wobei allerdings im Szenario ohne HKW auch in den Sommermonaten eine Erwärmung - und keine Abkühlung wie im Szenario mit HKW - der Wupper um ca. + 0,6 C zu besorgen wäre. C:\daten\FGM\FLIESSGEWÄSSER\Wupper\Untere Wupper\IMF\Berichte\IMF\Temperatur.doc Seite 9 von 15

10 Neben den Abwärmeeinleitungen aus den Heizkraftwerken und den Kläranlagen ist das Temperaturregime durch den Betrieb der Wupper-Talsperre geprägt. Bedingt durch den Talsperrenbetrieb weist das Temperaturregime der Unteren Wupper eine zeitliche Phasenverschiebung der Jahrestemperaturamplitude aus (Abb.x.7.). So sind die Frühsommermonate im Vergleich zu nicht talsperrenbeeinflussten Fließgewässern (wie dem Eifgenbach rot in Abb.x.7.) deutlich unterkühlt und im Spätsommer zeitlich verzögert überhöht. Nicht zuletzt aufgrund dieser Phasenverschiebung erfolgt die Berechnung der mittleren Sommertemperaturen für den Zeitraum d.Jahres Monatsmittel Wassertemperaturen Temperatur [ C] Monat Abb.x.7. Bedingt durch die Abgabe hypolimnischen und zunächst kalten Tiefenwassers kommt es zu einer zeitlichen Phasenverschiebung im Jahresgang der Wassertemperaturen im Bereich der Unteren Wupper Wie die Auswertungen kontinuierlicher Temperaturmessungen zeigen, liegen die mittleren Sommertemperaturen im Ablauf der Wupper-Talsperre mit 15,2 C im Bereich des Hyporhithrals (Abb.x.8.). Deutliche Abweichungen vom langjährigen Temperaturmittel weisen die Jahre 2003 ( Jahrtausendsommer ) und 2009/2010 aus. In diesen Jahren ist der sommerliche Füllstand der Wupper-Talsperre deutlich unter dem langjährigen Mittel: das Epilimnion ist bereits in den Sommermonaten auf Grund gesetzt, so dass oberflächenwarmes im Mittel 1,5-2 C wärmeres - Wasser abfließt! Vor dem Hintergrund, dass die mittleren Sommertemperaturen in Rutenbeck 3-4 C höher liegen als im Ablauf Wupper-T, ist dieser Einfluss durchaus beachtenswert. C:\daten\FGM\FLIESSGEWÄSSER\Wupper\Untere Wupper\IMF\Berichte\IMF\Temperatur.doc Seite 10 von 15

11 18 Ablauf Wupper-T Mittlere Sommertemperaturen CL=15,90 Temperatur [ C] Jahr Wupper-Talsperre 254 Mittlerer Füllstand August 250 Füllstand [m NN] Jahr Abb.x.8. Der sommerliche Füllstand der Wupper-Talsperre ist von erheblichen Einfluss auf die mittleren Sommertemperaturen der Unteren Wupper Wie die Temperaturmessungen weiterhin zeigen, erfolgt bis zur Messstation LAAKEN eine nur geringe Aufwärmung und das Temperatursignal des Ablaufs Wupper-Talsperre (2003 & 2009!) ist deutlich erkennbar (da der 08/2010 ungewöhnlich kühl und abflussstark war, ist das Temperatursignal in diesem Jahr gedämpft!). C:\daten\FGM\FLIESSGEWÄSSER\Wupper\Untere Wupper\IMF\Berichte\IMF\Temperatur.doc Seite 11 von 15

12 19 Wupper Laaken (km 59,2) Mittlere Sommertemperaturen CL=16,81 Temperatur [ C] Jahr Wupper Rutenbeck (km 41,5) 25 Mittlere Sommertemperaturen CL=19,98 Wassertemperatur [ C] Jahr Abb.x.9. Das Füllstandsbeeinflusste Temperatursignal der Wupper-Talsperre ist weithin erkennbar Bis zur Messstation RUTENBECK erfolgt, bedingt durch die Abwärmeeinleitung des HKW Elberfeld (km 45,9), eine deutliche Erhöhung der mittleren Sommertemperaturen. Das Grundmuster des Temperaturregimes im Ablauf der Wupper-Talsperre ist allerdings bis RUTENBECK unverkennbar. C:\daten\FGM\FLIESSGEWÄSSER\Wupper\Untere Wupper\IMF\Berichte\IMF\Temperatur.doc Seite 12 von 15

13 Gewässerstruktur Insbesondere das sommerliche Temperaturregime der Unteren Wupper wird aktuell durch den erhöhten Tiefenwasser gepägten Trockenwetter-Volumenstrom aus der Wupper-Talsperre entlastet. Trotz der zum Teil deutlich anthropogen überprägten Gewässerstrukturen - insbesondere im Stadtgebiet Wuppertal und im Bereich der Rheinterasse - durchläuft die Wupper, nicht zuletzt aufgrund ihrer Tallage im Mittelgebirgsraum, noch auf längeren Streckenabschnitten Bereiche mit entsprechender Beschattung. Darüber hinaus kommt den Wasser- und Wärmeaustauschprozessen im Bereich der Gewässersohle, insbesondere in grundwassergeprägten Fließgewässern, eine Schlüsselstellung für den Wärmehaushalt zu. Bedingt durch den Eintrag kühlen Grundwassers wird in solchen Fließgewässern die Temperaturamplitude in den Sommermonaten in Nähe der Gewässersohle gedämpft so dass sich hier thermische Refugialräume für kaltstenotherme Organismen eröffnen [3]. Da die Wupper aufgrund ihrer hydrogeomorphologischen Situation nicht mit kühlem Grundwasser kommuniziert, ist, bedingt durch den hyporheischen Austausch des Wasserkörpers mit der Gewässersohle ein nur geringfügig dämpfender, aber dennoch wirksamer Effekt [2,5] zu erwarten (vgl. Abb.X.2.). Wie der Verlauf des Temperaturregimes der Unteren Wupper nahe der Gewässersohle (0 cm) und in 25 cm Tiefe unschwer erkennen lässt, führt der Wasser- /Wärmeaustausch an und mit der Gewässersohle, wie erwartet (Abb.x.2.) zu einer Dämpfung des Temperaturregimes. Während in Abkühlungsphasen (Herbst, November) hyporheisches Wasser aus 25 cm Tiefe bei Austritt Wärme mit sich führt, wirkt dieses austretende Wasser in Erwärmungsphasen (Frühjahr, Mai) eher dämpfend auf die Temperaturamplitude des Wasserkörpers [2]. Auch wenn, bedingt durch den vermutlich geringen hyporheischen Volumenstrom in Relation zum Talsperren erhöhten Volumenstrom im Gewässerbett die Wassertemperaturen des Wasserkörpers nur geringfügig gedämpft werden (vgl. Abb.x.2.), ist davon auszugehen, dass sich in Anwesenheit naturnaher, insbesondere nicht kolmatierter - Sohlstrukturen thermische Refugialräume in Nähe der Gewässersohle bilden, welche von Organismen genutzt werden können und so die Wirkung der thermischen Degradation verringern. C:\daten\FGM\FLIESSGEWÄSSER\Wupper\Untere Wupper\IMF\Berichte\IMF\Temperatur.doc Seite 13 von 15

14 Abb.x.10. Jahresgang der Wassertemperaturen an und in der Gewässersohle der Unteren Wupper bei Kohlfurth (km 35,9) in 0 cm und 25 cm Tiefe C:\daten\FGM\FLIESSGEWÄSSER\Wupper\Untere Wupper\IMF\Berichte\IMF\Temperatur.doc Seite 14 von 15

15 Zusammenfassung Das Temperaturregime der Unteren Wupper hat sich seit dem Jahr 2004 innerhalb und unterhalb des Stadtgebiets von Wuppertal deutlich dem gewässertypspezifische Niveau des Hyoprhithrals angenährt, überschreitet dieses derzeit jedoch noch im Streckenabschnitt Heizkraftwerke Elberfeld (km 45,9) bis Nesselrath (km 15). Insgesamt ist das potenziell naturnahe Temperaturregime der Unteren Wupper stark anthropogen überprägt. Neben den Abwärmeeinleitungen der Heizkraftwerke, insbesondere Elberfeld, beeinflussen der Betrieb der Wupper-Talsperre und die Abwassereinleitungen aus den Kläranlagen unverkennbar das Temperaturregime der Unteren Wupper. Handlungspotenziale eröffnen sich beim Betrieb der Heizkraftwerke und flankierend bei den Talsperren. Strukturdefizite in der Beschattung durch lokal mangelnde Ufervegetation in Verbindung mit einer Einengung des Gewässerbetts und damit einhergehend einer Verringerung der Gewässersohlober- und damit Wärmeaustauschfläche verändern die potenziell natürliche Aufnahmekapazität der Wupper für thermische Belastungen, eröffnen aber nur in geringem Umfang Handlungspotenziale mit Blick auf das Temperaturregime. Literatur [1] Environemtal Protection Agency, [2] Grant, G. et la., Potential effects of gravel augmentation on temperature in the Clackamas River, Oregon. Report Portland General Electric. [3] Bundesministerium für Land- u. Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft, Auswirkungen von Klimaänderungen auf die Tierwelt, Wien. [4] Schmitz, W. & G.O. Schuman, Die sommerlichen Wassertemperaturen der Äschenzone mitteleuropäischer Fließgewässer. Arch. Hydrobiol. 95: [5] Smith, J.W.N., Groundwater-Surface water interactions in the hyporheic zone, Environment Agency (Bristol), Science Report [6] Moog, O. & R. Wimmer, Comments to the water temperature based assessment of biocoenotic regions according to Illies & Botosaneanu. Verh.Int.Ver.Limnol. 25: C:\daten\FGM\FLIESSGEWÄSSER\Wupper\Untere Wupper\IMF\Berichte\IMF\Temperatur.doc Seite 15 von 15