Überwachung von Oberflächengewässern in Nordrhein-Westfalen

Gewässerstrukturgüte der Fließgewässer

Kleiner Fluss mit hoher Strukturgüte

In den letzten Jahren ist der Zustand der Flüsse und Bäche als Lebensraum immer mehr in das Blickfeld des Gewässerschutzes gelangt. Sauberes Wasser allein genügt nicht, um im Gewässer eine seinem Charakter entsprechende Lebensgemeinschaft zu ermöglichen. Der Fluss oder Bach muss „bewohnbar" sein.

Als Instrument zur Feststellung gewässermorphologischer Defizite aus ökologischer Sicht wurde ein Verfahren zur Ermittlung und Kartierung der Strukturgüte für Fließgewässer entwickelt, das nach Erprobung demnächst flächendeckend in NRW eingesetzt werden wird. Damit besteht die Möglichkeit, sowohl Defizite als auch Verbesserungen der Gewässerstruktur objektiv zu ermitteln und zu dokumentieren. Als Bestandteil von Konzepten zur naturnahen Entwicklung von Fließgewässern wird die Strukturgütekartierung bereits genutzt. Sie beschränkt sich nicht auf den aquatischen Bereich sondern bezieht auch die zeitweise überfluteten amphibischen und terrestrischen Bereiche der Fließgewässer ein. Damit wird ein weiterer Schritt zum umfassenden Gewässerschutz getan.

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Zeitnahe Gewässerüberwachung rund um die Uhr Das nordrhein-westfälische Konzept der intensivierten Gewässerüberwachung (INGO) wurde 1987 vom ehemaligen Landesamt für Wasser und Abfall NRW in die Praxis umgesetzt und kontinuierlich weiterentwickelt. Die Aufgabe besteht in der kurzfristigen Aufdeckung von bedeutsamen Gewässerverunreinigungen und Stoßbelastungen nach Unfällen, Havarien oder Betriebsstörungen in kommunalen und industriellen Kläranlagen. Mit den Messwerten aus den an Rhein und Ruhr gelegenen Messstellen ist eine rechtzeitige Information der Wasserwerke gegeben, die diese Gewässer für die Trinkwasserversorgung nutzen.

Mit zunehmender Messdichte ist eine effizientere Eingrenzung der Verursacher von Gewässerverunreinigungen möglich. Die intensivierte Gewässerüberwachung wird an 13 Alarmmessstationen unterschiedlicher Leistungsfähigkeit durchgeführt. Grundbaustein ist ein kontinuierlich betriebenes Probenahmegerät für die Bereitstellung von Rückstellproben, um bei außergewöhnlichen Ereignissen mögliche Einleiter einzukreisen. Weitere Bausteine der Alarmmessstationen sind Integralmessstationen, automatisierte Probenahme für leichtflüchtige organische Verbindungen (mehrmals pro Tag) sowie biologische Wirkungstests (z. B. Dynamischer Daphnientest, Dreissena-Monitor). Wegen der geforderten Zeitnähe zwischen Probenahme und Analysenergebnis werden spezielle Messverfahren angewendet: Bei dem als Integralmessung bezeichneten Verfahren wird ein Teilstrom des Gewässers kontinuierlich nach den Messgrößen untersucht, die mit Messfühlern (Elektroden) zu messen sind. Dies sind vor allem pH-Wert, Sauerstoffgehalt Wassertemperatur und Leitfähigkeit. Ergänzende on-line-Verfahren liefern mehrmals täglich Ergebnisse über die Belastung des Rheins mit leichtflüchtigen und polaren organischen Verbindungen. Die Messwerte aus den Stationen werden mittels Datenfernübertragung in die Alarmzentrale des LUA NRW in Düsseldorf weitergeleitet. Als Screening werden Übersichtsanalysen bezeichnet, anhand derer das Abweichen vom „Normalzustand" leicht erkennbar ist. Dabei werden die Wasserproben mittels gaschromatographischer (GC) und flüssigkeitschromatographischer (HPLC) Methoden auf mehr als 200 organische Schadstoffe untersucht. Die erhaltenen Rohdaten werden ohne aufwendige Qualitätssicherung auf Auffälligkeiten geprüft. Die Abweichung gegenüber dem Normalzustand wird bei den organischen Schadstoffen durch einen Vergleich chromatographisch gewonnener Spektren ermittelt, die für die jeweiligen Fließgewässer charakteristische „Fingerabdrücke" darstellen. Beim Vorliegen ungewöhnlicher Befunde werden die Substanzen mit Hilfe der Massenspektrometrie (MS) identifiziert und quantifiziert. Dynamische Biotests werden in den Messstationen an Teilströmen des Gewässers betrieben; die eingesetzten Organismen zeigen integrale Wirkungen von Stoßbelastungen an. Sie ergänzen somit die chemische Analyse um die Wirkungsinformation. Im Dynamischen Daphnientest wird das Bewegungsverhalten von Wasserflöhen kontinuierlich registriert. Bei signifikanten Abweichungen vom regulären Schwimmverhalten wird Alarm ausgelöst. Im Dreissena-Monitor wird der Öffnungszustand von Muscheln digitalisiert, um daraus verschiedene Messparameter und Alarmschwellen zu berechnen. Werden durch Abweichungen vom Normal-verhalten bestimmte Alarmkriterien erfüllt, löst das Gerät Gewässeralarm aus. Die Ergebnisse werden mittels automatisierter Datenfernübertragung nach Düsseldorf weitergeleitet. Zur Ergänzung der bestehenden Testpalette werden z. Zt. kontinuierliche Tests mit Algen erprobt. Messcontainer in Düsseldorf-Flehe Während die Integralmessungen und Biotestverfahren kontinuierlich ablaufen, erfolgen die Screeningmessungen im regelmäßigen Turnus aus rund um die Uhr gesammelten Wasserproben, z. T. nach speziellen Anreicherungsverfahren. Diese Untersuchungen werden in den Laboratorien der Rheinwasserkontrollstationen Bad Honnef und Kleve-Bimmen/Lobith sowie im Labor in Düsseldorf täglich – auch am Wochenende – durchgeführt. Auffällige oder erhöhte Schadstoffkonzentrationen werden analytisch abgesichert. Beim Überschreiten von Warngrenzen führen diese zu einer Alarmauslösung, z. B. im Rahmen des Internationalen Warn- und Alarmdienstes Rhein.

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Langzeitüberwachung Die systematische Erfassung der Gewässerbeschaffenheit und ihrer langfristigen Änderung erfolgt durch die zwölf StUÄ und das LUA NRW auf der Grundlage des Gewässergüteüberwachungssystems NRW (GÜS). Durch ein stark differenziertes Messprogramm werden lokale Besonderheiten der Belastung und Nutzung des Gewässers berücksichtigt.

Langzeitmessprogramm (Gewässergüte-Erfassung)

Sicherung des Gewässers als Ökosystem Gewährleistung der vielfältigen Nutzungen

3500 Basismessstellen 1-2 Untersuchungen in 5 Jahren	bis zu 250 Intensivmessstellen jährlich wechselnder Untersuchungsumfang mindestens 4 x jährlich	94 Trendmessstellen 13 bzw. 26 Untersuchungen jährlich
Grundmessprogramm:	Grundmessprogramm	Grundmessprogramm
Abfluss Wassertemperatur pH-Wert Leitfähigkeit Sauerstoffgehalt abfiltrierbare Stoffe Ammonium-N Nitrit-N Nitrat-N Gesamt-N Orthophosphat-P Chlorid gesamter organisch gebundener Kohlenstoff (TOC) + Saprobienindex +Gewässergüteklasse	+ erweitertes Grundmessprogramm DOC Kalium Natrium Calcium Aluminium Magnesium AOX BSB 5 Silikat Sulfat + weitere Untersuchungsgruppen je nach Problemstellung	+ erweitertes Grundmessprogramm + Trendmessprogramm Schwermetalle Komplexbildner sowie 130 organische Einzelstoffe in der Wasserphase und 70 organische Einzelstoffe im Schwebstoff Koloniezahl gesamtcoliforme Keime fäkalcoliforme Keime

Trendmessstellen liegen an Orten besonderer wasserwirtschaftlicher Relevanz, bei deren Auswahl besonders schutzbedürftige Nutzungen und die exponierte Lage an Knotenpunkten von Einzugsgebieten berücksichtigt werden. An 9 Trendmessstellen überwacht das LUA den Rhein, seine Nebenflussmündungen sowie die Ruhr. Ausführliche Messprogramme in den Teilbereichen Chemie, Biologie und Radioaktivität erlauben einen umfassenden Überblick über die Situation der untersuchten Gewässer. Die Trendmessstellen bilden nur eine kleine, aber äußerst detailliert untersuchte Untergruppe des gesamten Messstellennetzes an den Fließgewässern in NRW. Dieses besteht aus 3.500 Basismessstellen, an denen abhängig von der Gewässergüte ein- bis zweimal in fünf Jahrenbiologische und begleitende chemische Untersuchungen durchgeführt werden. Lokale und regionale Problemstellungen, z. B. die Notwendigkeit oder der Erfolg von Sanierungsmaßnahmen führen zur zeitlich begrenzten Einrichtung von Intensivmessstellen. Diese sind je nach Fragestellung zwischen Immissions-/Emissionsüberwachung und zeitnaher Gewässerüberwachung einzuordnen. Das LUA NRW ist bei der Gewässerüberwachung im Rahmen landesweiter, nationaler und internationaler Aufgaben maßgeblich beteiligt. Diese beinhalten landesweit die Untersuchung der Gewässergüte im westdeutschen Kanalnetz, der deutsch-niederländischen Grenzgewässer sowie zahlreiche Sonderuntersuchungen (z. B. Messung der Pestizidgehalte in ausgewählten, insbesondere landwirtschaftlich geprägten Gewässersystemen). Ergebnisse aus Untersuchungen an Rhein und Weser fließen in Auswertungen der deutschen und internationalen Rheinschutzkommission, der Arbeitsgemeinschaft zur Reinhaltung der Weser sowie EU-weite Umweltprogramme ein. Zusätzlich zu den Untersuchungen der Wasserproben und den darin mitgeführten Schwebstoffen ist das LUA NRW auch landesweit für die Überwachung der Flusssedimente zuständig. Viele in Wasser schwerlösliche Schadstoffe, vor allem Schwermetalle und schwerflüchtige chlororganische Verbindungen, reichern sich im Sediment an und werden dort über lange Zeit gespeichert. Dieses „Gedächtnis der Flüsse" ist ein guter Indikator für den langfristigen Trend von Gewässerbelastungen. In Kombination mit radiologischen Altersbestimmungen können aktuelle illegale Einleitungen von adsorbierbaren Schadstoffen ermittelt werden. Laborschiff "Max Prüss" im Einsatz Daneben werden in den Fischereidezernaten der Landesanstalt für Ökologie, Bodenordnung und Forsten / Landesamt für Agrarordnung (LÖBF/LAfAO) Akkumulationsuntersuchungen an Fischen durchgeführt, bei denen festgestellt wird, welche Schadstoffe sich in welchem Ausmaß in den Fischen angereichert haben. Aus den Ergebnissen lässt sich das langfristige Gefährdungspotential von Stoffen abschätzen. Darüber hinaus lassen sich Empfehlungen zur Verzehrsfähigkeit von Fischen ableiten. Für spezielle Probenahmen und Untersuchungen setzt das LUA NRW das Laborschiff „MAX PRÜSS" ein. An jährlich etwa 230 Einsatztagen werden 16.000 km Fließgewässer und Kanäle befahren. Dabei werden mehr als 2.000 Wasser-, Schwebstoff- und Sedimentproben entnommen. Eine große Anzahl der Wasserproben wird zum Teil direkt an Bord untersucht.

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Radioaktivitätsüberwachung Die Überwachung der Radioaktivität gliedert sich in zwei Bereiche: Anlagenbezogene Messungen und Messung der Umweltradioaktivität. Aufgrund der Richtlinie zur Emissions- und Immissionsüberwachung kerntechnischer Anlagen (REI) werden Emissionskontrollen des Abwassers wie auch Immissionsmessungen des Oberflächenwassers, der Sedimente und Fische in der näheren Umgebung der Anlage durchgeführt. Zur Bestimmung der allgemeinen Umweltradioaktivität werden nach dem Strahlenschutzvorsorgegesetz (StrVG) flächenrepräsentative Proben von Gewässern, Böden aber auch von Lebens- und Futtermitteln untersucht, um zuverlässige Referenzwerte aller Bereiche zu gewinnen. Im Falle von Ereignissen mit möglichen nicht unerheblichen radiologischen Auswirkungen kann mit Hilfe der Messergebnisse der unterschiedlichsten Medien eine Früherkennung und damit eine Schadenminimierung erfolgen, indem durch angemessene Maßnahmen die Strahlenexposition der Menschen so gering wie möglich gehalten wird.

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Auswertung und Veröffentlichung der Messergebnisse Trotz drastischer Reduktion der Schadstoffgehalte in den letzten zwei Jahrzehnten sind die nordrhein-westfälischen Fließgewässer weiterhin intensiv zu überwachen, weil mit der Verbesserung der Gewässergüte eine erhöhte Störanfälligkeit der Ökosysteme einhergeht. In Zukunft kommt der Belastung aus diffusen Quellen im Vergleich zu Punktquellen mehr Bedeutung zu. Als grundsätzlicher Weg zur Problemlösung gilt unverändert: Gewässerbelastungen erkennen Schadstoffe quantifizieren Quellen lokalisieren technische und rechtliche Maßnahmen zur Sanierung einleiten. Dazu werden die Messergebnisse der Gewässerüberwachung mit Zielvorgaben, Schwellenwerten und Güteanforderungen (Allgemeine Güteanforderungen für Fließgewässer, AGA) verglichen. Für einige Kenngrößen werden auch Güteanforderungen aus EU-Gewässerschutzrichtlinien, z. B. über „Qualitätsanforderungen an Oberflächengewässer für die Trinkwassergewinnung" herangezogen. Prinzipiell werden in NRW alle Daten zur Gewässergüte veröffentlicht. Das Landesumweltamt NRW gibt hierzu jährlich einen Rheingütebericht bzw. Gewässergütebericht heraus, der die Entwicklung der Gewässerqualität und die Ergebnisse von Sonderuntersuchungen zu ausgewählten Problembereichen beschreibt.

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Die Gewässergütekarte Probenahme vor Ort Die Gewässergütekarte stellt die Gewässergüte unserer Fließgewässer auf der Grundlage biologisch-ökologischer Untersuchungen dar. Beurteilt wird die Beeinträchtigung der Lebensgemeinschaften durch Abwassereinleitungen und den Eintrag von Nähr- und Schadstoffen aus der Umgebung. Ergänzt werden die Untersuchungen durch die Erfassung chemischer Kenngrößen wie Sauerstoffgehalt, Sauerstoffzehrung, Gehalt an Ammoniumstickstoff, pH-Wert etc., die den allgemeinen Belastungszustand des Gewässers kennzeichnen. Gewässerbelastungen mit biologisch abbaubaren Stoffen führen zu Sauerstoffmangel und der Entstehung von Fäulnisgiften. Dadurch können die im Gewässer lebenden Tiere und Pflanzen stark geschädigt oder völlig vernichtet werden. Je nach Empfindlichkeit der Arten stellen sich entsprechend der Belastung unterschiedliche Lebensgemeinschaften ein, die jeweils typisch sind für einen bestimmten Verschmutzungsgrad bzw. Grad der Selbstreinigung. Die Zeigerarten dieser Lebensgemeinschaften nennt man Saprobien und fasst sie im Saprobiensystem zusammen. Hydropsyche contuberhalis Den Organismen ist – entsprechend ihrem Zeigerwert – eine Zahl zwischen 1 und 4 zugeordnet. Zusammen mit einem Zahlenwert für ihre Häufigkeit und ihre Indikatorqualität wird daraus ein Saprobienindex zwischen 1 – 4 errechnet. Aus diesem biologischen Wert und weiteren, vor allem chemischen Kenngrößen der Wasserbeschaffenheit, wird die Güteklasse ermittelt. Zur Ermittlung der Gewässergüteklasse eines Gewässerabschnittes wird zunächst an typischen Stellen die ortsgebundene Lebensgemeinschaft erfasst. Dies geschieht mit Hilfe eines Fangnetzes und durch Absammeln von Steinen, Holzteilen, Wasserpflanzen oder anderen besiedelbaren Flächen im Gewässer. Die vorgefundenen Organismen werden danach im Labor durch mikroskopische Untersuchungen bis zur Art bestimmt. Daran schließen sich die Errechnung des Saprobienindex und die Festlegung der Gewässergüteklasse an. In Nordrhein-Westfalen ist die Ermittlung der Gewässergüteklasse auf der Grundlage bundesweit vorgegebener Kriterien durch die Richtlinie zur Ermittlung der Gewässergüteklasse vereinheitlicht worden, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. Für die Bestimmung des Saprobienindex gilt seit 1990 die Norm DIN 38 410, Teile 1 und 2. Die Ermittlung der Gewässergüteklasse ist Bestandteil des Gewässergüteüberwachungssystems (GÜS) des Landes Nordrhein-Westfalen und wird an ca. 3500 Messstellen durchgeführt. Untersucht und in der Karte dargestellt werden nur solche Gewässer, die erkennbar belastet sind oder gezielten Nutzungen unterliegen. Am Rhein, den Mündungen seiner Hauptzuläufe, den deutsch-niederländischen Grenzgewässern und den Schiffahrtskanälen werden die Untersuchungen vom Landesumweltamt NRW, an den übrigen Gewässern von den jeweils zuständigen Staatlichen Umweltämtern durchgeführt. Ein Ausschnitt aus der Gewässergütekarte Nordrhein-Westfalen Das Landesumweltamt NRW koordiniert diese Untersuchungen und gibt alle 5 Jahre die aktuelle Gewässergütekarte für das Land Nordrhein-Westfalen heraus. Im gleichen Zeittakt wird aus den Karten der einzelnen Bundesländer eine Gütekarte der Fließgewässer der Bundesrepublik Deutschland erarbeitet.

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Bakteriologische Untersuchungen Da bisher nur in speziellen Fällen (Krankenhäuser, Tuberkuloseheilstätten, Tierkörperbeseitigungsanstalten) hygienisch-bakteriologische Anforderungen für Abwassereinleitungen gestellt werden, gelangen aus Kläranlagen, Mischwassereinleitungen, durch Abschwemmung von landwirtschaftlich genutzten Flächen, Wasservögel u. a. Quellen große Mengen an Fäkalbakterien und damit auch potentiellen Krankheitserregern in die Gewässer. Die biologischen Untersuchungen zur Gewässergüte werden deshalb durch Erhebungen zur hygienisch-bakteriologischen Beschaffenheit der Fließgewässer ergänzt. Dabei wird an den Trendmessstellen auf die Parameter Koloniezahl, gesamtcoliforme Keime und fäkalcoliforme Keime untersucht. Die „Koloniezahl" der saprophytischen Bakterien wird als Indikator für die organische Gewässerbelastung verwendet. Die Konzentration dieser an hohe Nährstoffgehalte adaptierten Bakterien ist eng verknüpft mit Abwassereinleitungen und zeigt die Intensität des Abbaus organischer Substanzen an. Die Koloniezahl steht daher auch in direkter Beziehung zur Gewässergüte. Die Anwesenheit gesamtcoliformer Keime begründet den Verdacht auf eine fäkale Verunreinigung, der Nachweis fäkalcoliformer Keime bestätigt dieselbe. Ist der Gehalt an Fäkalbakterien zu hoch, sind bestimmte Gewässernutzungen wie die Gewinnung von Trinkwasser, das Baden oder die Verwendung als Beregnungswasser für land-wirtschaftliche Kulturen nur eingeschränkt oder gar nicht mehr möglich.

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Die Überwachung stehender Gewässer Die Mehrzahl der stehenden Gewässer Nordrhein-Westfalens ist künstlich entstanden. Über 70 Talsperren werden für die Gewinnung von Trink- oder Brauchwasser, zur Energiegewinnung, zur Abflussregulierung (Hochwasserschutz und Niedrigwasseraufhöhung) und zur Erholung genutzt. Durch die Abgrabung von Bodenschätzen sind über 1.000 Baggerseen und über vierzig Braunkohlerestseen geschaffen worden, die vor allem der Fischerei und dem Wassersport dienen, teilweise aber auch für den Biotop- und Artenschutz Bedeutung haben. Natürlichen Ursprungs sind die wenigen Heideweiher, Erdfallseen und Altwässer. Das Große Heilige Meer als einer der wenigen natürlich entstandenen Seen unseres Landes, verfügt über ausgedehnte Verlandungszonen und steht unter Naturschutz Die limnologische Untersuchung stehender Gewässer dient der Ermittlung und Überwachung ihres Gütezustandes. Sie gibt Aufschluss über die Wasserbeschaffenheit, die Schichtungsverhältnisse, den Trophiegrad und die Therapiebedürftigkeit und erlaubt Aussagen über mögliche Nutzungen. Die meisten Talsperren werden von den Betreibern oder den von diesen beauftragten anerkannten Instituten in eigener Verantwortung untersucht. Untersuchungsumfang und -häufigkeit an den Trinkwassertalsperren orientieren sich an der EU-Richtlinie über die Qualitätsanforderungen an Oberflächenwasser für die Trinkwassergewinnung in den Mitgliedsstaaten. Die aus-gewiesenen Badegewässer unterliegen der behördlichen Überwachung, wobei sich das Untersuchungsprogramm nach der EU-Richtlinie über die Qualität der Badegewässer richtet. Im Rahmen des Güteüberwachungssystems (GÜS) können wegen der Vielzahl der stehenden Gewässer nur diejenigen untersucht werden, die eine der folgenden Voraussetzungen erfüllen: Lage in einem Trinkwasserschutzgebiet überregionale Bedeutung für den Naturschutz regionale Erholungsfunktion außergewöhnliche Belastung. Die Untersuchungshäufigkeit wird im Einzelfall der Bedeutung, Gefährdung und Belastung des Gewässers angepasst. Die Untersuchungsintervalle betragen 1 bis 5 Jahre. Pro Jahr sind mindestens 5 Untersuchungen erforderlich: einmal während der Frühjahrszirkulation, viermal im Sommer zwischen Mai und August. Die Messstelle liegt in der Regel über der größten Seetiefe. Die Frühjahrsuntersuchung während der Durchmischungsphase des Sees dient insbesondere der Erfassung des hydrochemischen Charakters des Sees und beinhaltet ein relativ umfangreiches Analysenprogramm. Die Messungen im Sommer erlauben eine Beurteilung der Schichtungs- und Trophieverhältnisse. Das Messprogramm umfasst die Aufnahme von Tiefenprofilen (Temperatur, Sauerstoff, pH-Wert, Leitfähigkeit), die Bestimmung der Sichttiefe, des Chlorophyllgehaltes, ausgewählter anorganischer Inhaltsstoffe (bes. Pflanzennährstoffe und Salze) und eine halbquantitative Erfassung des Planktons. Ergänzend werden die Sedimentbeschaffenheit und das Vorkommen von Fischnährtieren, Wasserblüten und starken Entwicklungen von Fadenalgen bzw. höheren Wasserpflanzen untersucht. Ferner werden morphometrische Daten des Gewässers und wichtige Eigenschaften seines Umfeldes wie Nutzung und sichtbare Belastungen ermittelt. Die Ergebnisse werden in das Seenkataster NRW aufgenommen, das sich im Aufbau befindet.

Landesumweltamt NRW 2005