Zusammenhänge zwischen Sauerstoffhaushalt und Schwebstoffverteilung in der Unterems - Naturmessungen und Laboruntersuchungen -

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1 Zusammenhänge zwischen Sauerstoffhaushalt und Schwebstoffverteilung in der Unterems - Naturmessungen und Laboruntersuchungen - Andreas Schöl, Claudia Günster, Walter Krings, Volker Kirchesch, Walter Rätz Referat - Ökologische Wirkungszusammenhänge Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

2 Ästuare nach WRRL-Nomenklatur - der tidebeeinflusste Fluss und das Übergangsgewässer sind Ökosysteme mit eigenständigem Sauerstoffhaushalt. Die während der langen Aufenthaltszeiten einwirkenden physikalischen, chemischen und insbesondere biologischen Prozesse bestimmen wesentlich den Sauerstoffgehalt im Ästuar. BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

3 Knock km 45 Terborg Sauerstoffmessungen in der Unterems Entwicklungen seit 1983 Leerort km 11 8 Längsprofile im Jahr 26 Vertikalprofile am Ems-km 11 Unterems-km Papenburg Sauerstoffzehrung der Schwebstoffe - Laborergebnisse Herbrum km -12,7 BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

4 Sauerstoffsättigung bei Papenburg Übersättigungsbereich Papenburg Sauerstoffsättigung (%) Daten: NLWKN, Betriebsstelle Aurich BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

5 Terborg Terborg Sauerstoffgehalte bei Terborg Sauerstoffgehalt (mg O 2/l) Daten: BfG BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

6 Sauerstoffsättigung und organischer Kohlenstoff (TOC und DOC) bei Leerort Sauerstoffsättigung TOC-Gehalt DOC-Gehalt 3 Leerort Sauerstoffsättigung (%) org. C (mg/l) Jahre Anmerkung: Für die Jahre sind die TOC-Gehalte aus CSB- Messwerten (CSB/2,5=TOC) berechnet. Daten: NLWK, Betriebsstelle Aurich BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

7 Entwicklung der Sauerstoffgehalte im Ems-Ästuar nach chemischer LAWA-Güteklasse Papenburg Leerort 1992 Terborg Die Sauerstoffgehalte an den Stationen Papenburg, Leerort und Terborg zeigen, dass es zu einer Verschlechterung der Sauerstoffsituation im Ems-Ästuar gekommen ist. So treten seit Mitte der neunziger Jahre vermehrt Sauerstoffgehalte unter 4 mg O 2 /l auf. <2 >2 >4 >5 >6 >7 mg O 2 /l Sauerstoffgehaltsklassen BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26 Daten: Niedersächsische Landesbetrieb für Wasserwirtschaft und Küstenschutz (NLWKN)

8 Sauerstoffsättigung (%) Sauerstoffsättigung (%) Sauerstoffgehalt (mg/l) Knock Zeit t Terborg Zeit t Papenburg Zeit t Sauerstoffsättigung im Sommer 2 25 Station Knock (km 5,9) Sauerstoffsättigung über 4 % gleichbleibende Werte Station Terborg (km 24,6) Sauerstoffsättigung unter 2 % sinkende Werte Station Papenburg (km,4) Sauerstoffgehalt unter 1 mg/l (~ 1 %) keine Tendenz Daten: NLWKN und BfG BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

9 Daten auf Basis der 8 Dauermessstation von NLWKN und BfG Jahr Dez 383 Nov 3827 Okt 3824 Sep 3821 Aug 3818 Jul 3815 Jun 3812 Mai 389 Apr 386 Mär 383 Feb 38 Jan Herbrum Unterems-km Knock Zeitliche und räumliche Verteilung der Tagesminima des Sauerstoffgehaltes in der Unterems im Jahr 24 Sauerstoffminima unter 2 mg/l (orange Bereiche) zwischen Anfang Juni und Ende August von Papenburg (km ) bis Leerort (km 14,6). unter 4 mg/l (orange und gelbe Bereiche) traten zum ersten Mal bereits im Mai auf und dann durchgängig von Anfang Juni bis Ende September. Maximale Ausdehnung von Papenburg bis Pogum (km 35). BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

10 Oberwasserabfluss (m³/s) Jan 31.Jan 2.Mrz 2.Apr 2.Mai 1.Jun 2.Jul 1.Aug 1.Sep 1.Okt Längsprofil-Februar Sauerstoffsättigung (%) Längsprofil Februar Schwebstoffgehalt (mg/l) Leitfähigkeit (µs/cm) Sättigung > 75 % O 2 -Depression km 1-4 Schwebstoffgehalt (> 1 g/l) von km 2-35 hoher Oberwasserabfluss geringe Wassertemperaturen (< 5 C) Salzwassereinfluss (> PSU 1) ab km Unterems-km Herbrum Emden BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

11 Oberwasserabfluss (m³/s) Jan 31.Jan 2.Mrz 2.Apr 2.Mai 1.Jun 2.Jul 1.Aug 1.Sep 1.Okt 12 Längsprofil-Mai Sauerstoffsättigung (%) Längsprofil - 4. Mai Schwebstoffgehalt (mg/l) Leitfähigkeit (µs/cm) Sättigungsminimum 5 % O 2 -Depression km 5-3 Schwebstoffgehalt (~ 1 g/l) von km 2-25 Oberwasserabfluss < 5 m³/s Wassertemperatur C Salzwassereinfluss (> PSU 1) ab km 25, Unterems-km Herbrum Emden BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

12 Oberwasserabfluss (m³/s) Jan 31.Jan 2.Mrz 2.Apr 2.Mai 1.Jun 2.Jul 1.Aug 1.Sep 1.Okt Längsprofil-Juni Sauerstoffsättigung (%) Längsprofil - 1. Juni Schwebstoffgehalt (mg/l) Leitfähigkeit (µs/cm) Sättigungsminimum 6 % O 2 -Depression km 1-25 geringer Schwebstoffgehalt (~,5 g/l) von km 18-3 Oberwasserabfluss > 5 m³/s Wassertemperatur 13 C Salzwassereinfluss (~ PSU 1) ab km 25, Unterems-km Herbrum Emden BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

13 Oberwasserabfluss (m³/s) Jan 31.Jan 2.Mrz 2.Apr 2.Mai 1.Jun 2.Jul 1.Aug 1.Sep 1.Okt Längsprofil-Juli Sauerstoffsättigung (%) Längsprofil Juli Schwebstoffgehalt (mg/l) Leitfähigkeit (µs/cm) Sättigungsminimum 16 % O 2 -Depression km -25 Schwebstoffgehalt (> 1 g/l) von km -2 Oberwasserabfluss << 5 m³/s Wassertemperatur C Salzwassereinfluss (~ PSU 1) ab km 8, Unterems-km Herbrum Emden BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

14 Oberwasserabfluss (m³/s) Jan 31.Jan 2.Mrz 2.Apr 2.Mai 1.Jun 2.Jul 1.Aug 1.Sep 1.Okt Längsprofil-August Sauerstoffsättigung (%) Längsprofil - 2.August Schwebstoffgehalt (mg/l) Leitfähigkeit (µs/cm) Sättigungsminimum 3 % O 2 -Depression km -7 bis 25 Schwebstoffgehalt (> 1 g/l) von km -7 bis 2 Oberwasserabfluss << 5 m³/s Wassertemperatur C Salzwassereinfluss (~ PSU 1) ab km Unterems-km Herbrum Emden BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

15 Oberwasserabfluss (m³/s) Jan 31.Jan 2.Mrz 2.Apr 2.Mai 1.Jun 2.Jul 1.Aug 1.Sep 1.Okt Längsprofil-September Sauerstoffsättigung (%) Längsprofil - 27.September Schwebstoffgehalt (mg/l) Leitfähigkeit (µs/cm) Sättigungsminimum 2 % O 2 -Depression km bis 22 Schwebstoffgehalt (> 1 g/l) von km -1 bis 3 Oberwasserabfluss << 5 m³/s Wassertemperatur 19 C Salzwassereinfluss (~PSU 1) ab km Unterems-km Herbrum Emden BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

16 Längsprofile 26 von Unterems-km 45 bis Herbrum (km -12,7) während Ebbphasen Sauerstoffsättigung meerseitig (km 45) und flussseitig (Herbrum, - km 12,7) immer > 7 % bei hohen Oberwasserabflüssen, einem nur moderaten Salzwassereinfluss (bis km 25) und geringen Wassertemperaturen lagen die Sauerstoffsättigungen in der Unterems > 5 %, trotz z. T. hoher Schwebstoffgehalte ( > 1 g/l) im Juli bis September bei geringen Oberwasserabflüssen, starkem Salzwassereinfluss und höheren Wassertemperaturen kommt es zur Ausprägung starker Sauerstoffuntersättigungen (16 3 %). generell zeigen Schwebstoffgehalte und Sauerstoffsättigungen einen entgegen gesetzten Verlauf BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

17 Tiefe unter Wsp (m) P2 P1 P8 P3 P9 P Sauerstoffgehalt (mg/l) P5 P4 P6 Sauerstoff und Schwebstoff Vertikalprofile an Ems-km 11,1 Pegel (cm) P1 P2 P3 P4 P7 P8 P9 P5 P6 9: 11: 13: 15: 17: Zeit (h) Schwebstoffgehalt (g/l) Ebbphase P1-P3-3 m ~ 2 mg O 2 /l 4-7 m zunehmend sauerstofffrei kurz vor Kenterpunkt P4-P5-1,5 m ~ 2 mg O 2 /l 3-4 m < 1 mg/l Tiefe unter Wsp (m) P1 P3 P5 P9 P7 kurz nach Kenterpunkt P6-5 m ~ 2 mg O 2 /l 6-7 m noch sauerstofffrei Flutphase P7-P9-7 m > 2 mg O 2 /l BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

18 Vertikalprofile Sauerstoff und Schwebstoff an Ems-km 11,1 - Ebbphase 1h vor Kenterpunkt - Tiefe unter WSP. (m) Sauerstoffgehalt (mg/l) Vertikale Schichtung Nitrat (mg N/l) Trüber Fluss Schwebstoff < 1 g/l Sauerstoff > 1 mg/l Übergangszone Schwebstoff 1-5 g/l Sauerstoff > 1 mg/l Fluid mud Schwebstoff > 5 g/l Sauerstoff ~ mg/l Schwebstoffgehalt (g/l) Stickstoff (mg N/l) BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

19 Vertikalprofile Sauerstoff und Stickstoff an Ems-km 11,1 - Ebbphase 1h vor Kenterpunkt - Tiefe unter WSP. (m) Sauerstoffgehalt (mg/l) Nitrifikation Denitrifikation Trüber Fluss Übergangszone Fluid mud Nitrat (mg N/l) Vertikale Schichtung Nitrat 1,5 mg N/l Ammonium,5 mg N/l Nitrat nimmt ab Ammonium nimmt zu Nitritmaximum Nitrat <,5 mg N/l Ammonium >,1 mg N/l Schwebstoffgehalt (g/l) Ammonium Stickstoff und (mg Nitrit N/l) (mg N/l) BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

20 Sauerstoffgehalt (mg/l) Nitrat (mg N/l) Ebbphase kurz vor Kenterpunkt Tiefe unter WSP. (m) Tiefe unter Wsp. (m) Schwebstoffgehalt (g/l) Ammonium Stickstoff und (mg Nitrit N/l) (mg N/l) Sauerstoffgehalt (mg/l) Vertikalprofile Sauerstoff und Stickstoff an Ems-km 11,1 Flutphase,5 h nach Kenterpunkt Nitrat (mg N/l) Vertikale Schichtung Trüber Fluss Schwebstoff < 1 g/l Sauerstoff > 1 mg/l Übergangszone Schwebstoff 1-5 g/l Sauerstoff > 1 mg/l Schwebstoffgehalt (g/l) BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November Ammonium und Nitrit (mg N/l) Fluid mud Schwebstoff > 5 g/l Sauerstoff ~ mg/l

21 Tiefe unter WSP. (m) Sauerstoffgehalt (mg/l) Sauerstoffgehalt (mg/l) Schwebstoffgehalt (g/l) Nitrat (mg N/l) Stickstoff (mg N/l) Nitrat (mg N/l) Tidephasenabhängige Vertikalprofile am Ebbphase Bildung ausgedehnter fluid mud-schicht Ausbildung von starken vertikalen Gradienten für Sauerstoff- und Stickstoff Sauerstofffreie Schicht Denitrifikation und reduktive Prozesse Tiefe unter Wsp. (m) Schwebstoffgehalt (g/l) Ammoniumund Nitrit (mg N/l) Flutphase kurz nach Kenterpunkt beginnende Resuspension des fluid muds Ausgleich der Schwebstoff- und Stickstoffkonzentrationen Tiefe unter Wsp. (m) Sauerstoffgehalt (mg/l) Nitrat (mg N/l) Flutphase (verstärkter advektiver Transport) fast vollständige Einmischung der Schwebstoffe gleichmäßig geringe Sauerstoffgehalte keine vertikalen Stickstoffgradienten Schwebstoffgehalt (g/l) BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November Ammonium und Nitrit (mg N/l) Arbeiten zur Gironde (Abril et al und 2)

22 Schwebstoffzusammensetzung 4 Glühverlust (%) Proben mit höheren Schwebstoffgehalten weisen geringe organische Anteile auf Schwebstoffgehalt (mg/l) BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

23 Schwebstoffzusammensetzung und Herkunft Glühverlust (%) Unterems Herbrum und Unterems km 45 Unterems - Tiefenproben Proben bei Herbrum (flussseitig) und bei km 45 (meerseitig) haben hohe organische Anteile Tiefenproben aus der Unterems haben geringe organische Anteile Schwebstoffgehalt (mg/l) BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

24 Qualität der Schwebstoffe - biologische Abbaubarkeit Proben bei Herbrum (flussseitig) und bei km 45 (meerseitig) haben höhere Abbauraten frisches organisches Material Abbaubarkeit (d -1 ) Tiefenproben aus der Unterems haben geringe Abbauraten älteres organisches Material Herbrum, Mai Ems-km -2, Mai Ems-km 29, Mai Siel (Terborg), Mai Ems-km 45, Mai Ems-km 25, Jun Herbrum, April Ems-km 45, April Herbrum, Feb Ems-km 35, Feb Ems-km 11, Sep Ems-km 28, April Ems-km 35, April Ems-km 18, Jun Ems-km11, Aug Ems-km 45, Feb Ems-km11, Aug, 7m Ems-km11, Aug, 6m Ems-km11, Aug, 3m Ems-km11, Aug, 4m Ems-km11, Aug, 5m BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

25 Sauerstoffzehrung - Produkt aus Abbaubarkeit und Schwebstoffgehalt Tiefenproben aus der Unterems haben ein sehr hohes Sauerstoffzehrungspotenzial (im Vergleich zur atmosphärischen Wiederbelüftung). Diese biologische Zehrung ist ein langandauernder Prozess Sauerstoffzehrung (mg O2/l*d) Herbrum, Mai Ems-km -2, Mai Ems-km 29, Mai Siel (Terborg), Mai Ems-km 45, Mai Ems-km 25, Jun Herbrum, April Ems-km 45, April Herbrum, Feb Ems-km 35, Feb Ems-km 11, Sep Ems-km 28, April Ems-km 35, April Ems-km 18, Jun Ems-km11, Aug Ems-km 45, Feb Ems-km11, Aug, 7m Ems-km11, Aug, 6m Ems-km11, Aug, 3m Ems-km11, Aug, 4m Ems-km11, Aug, 5m Wiederbelüftung, 5m Wiederbelüftung, 8m BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

26 Sauerstoffhaushalt in der Unterems O 2 O 2 -Austausch mit Atmosphäre POC NH 4 Biogener O 2 -Eintrag durch Phytoplankton, -benthos O 2 -Verbrauch durch Bakterien C-Oxidation und Nitrifikation O 2 -Verbrauch durch Respiration der Tiere O 2 -Zehrung/ Reduktion in fluid mud -Schichten Wassertransport und Schwebstoffhaushalt Erhöhung der Aufenthaltszeiten des Wassers und der Schwebstoffgehalte (= Trübung) in Teilgebieten Intensivierung der mikrobiellen Sauerstoffzehrung im Wasserkörper und in fluid mud -Schichten Anreicherung von C-Substraten und Zunahme der Besiedlungsoberflächen Entstehen von reduzierten Verbindungen (NH 4, Mn red, Fe red,s red ) bei sehr hohen und andauernden fluid mud -Zonen BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

27 Fazit und Ausblick die Sauerstoffdefizite in der Unterems sind an die hohen Schwebstoffgehalte gekoppelt die Ausbildung von fluid mud-schichten führt zu sauerstofffreien Bereichen, in denen Denitrifikation stattfindet und Ammonium (und weitere reduzierte Mn- und Fe-Verbindungen) gebildet werden die mikrobielle Sauerstoffzehrung der organischen Bestandteile (obwohl diese eine geringe Abbaubarkeit haben) verursacht auf Grund der extrem hohen Schwebstoffgehalte wesentlich die hohen Sauerstoffdefizite in der Unterems es findet zu Zeiten hoher Trübung kein biogener Sauerstoffeintrag satt BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

28 Fazit und Ausblick Weitere Untersuchungen zur Herkunft, Alter und Abbaubarkeit der organischen Bestandteile der Schwebstoffe Untersuchung der reduktiven Prozesse im fluid mud (Mangan und Eisen) Untersuchung des heterotrophen planktischen Nahrungsnetzes Modellierung des Sauerstoffhaushaltes der Unterems mit Hilfe eines Gewässergütemodells BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und besonderen Dank für die Unterstützung durch das WSA Emden und WSA Meppen insbesondere den Schiffsbesatzungen der Friesland und Aschendorf. BAW/BFG-Kolloquium, Rissen 8/9.November 26

Z(u)-Score = -2. Z(u)-Score = +2

Z(u)-Score = -2. Z(u)-Score = +2 0,1399 Aluminium 0,0175 A = -2 0,1069 = +2 0,1773 1-0223 0,113-1,6306 1-0229 0,12-1,2063 1-0350 0,121-1,1457 1-0183 0,1230-1,0245 1-0192 0,123-1,0245 1-0097 0,1238-0,9760 1-0150 0,124-0,9639 1-0074 0,125-0,9033

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