Talsperre und Fließgewässer

Hat eine dynamische Talsperrenbewirtschaftung Auswirkungen auf die Rohwasserqualität des Staukörpers?

Eine dynamische Talsperrenbewirtschaftung hat unter Berücksichtigung ökologisch vertretbarer Grenzen, keine negativen Auswirkungen auf die Rohwasserqualität des Staukörpers einer Talsperre. Vielmehr kann eine dynamische Bewirtschaftung genutzt werden, um den Nährstoffhaushalt und den Sauerstoffhaushalt gezielt positiv zu beeinflussen.

Besichtigung Wiehl Talsperre, Foto FiW 2014

Abbildung 1: Wiehltalsperre, Foto FiW 2014

Untersuchungsmethoden und Tools

Die primäre Funktion von Trinkwassertalsperren ist die Bereitstellung von Rohwasser zur Trinkwasser­aufbereitung in ausreichender Menge und Qualität. Eine energetische Nutzung der Wassermengen, die an die Trinkwasseraufbereitung und über den Grundablass an die unterliegenden Fließgewässer abgegeben werden, ist hierbei bisher lediglich ein positiver Nebeneffekt. Dies spiegelt sich auch in den derzeitigen Bewirtschaftungsregeln und Planfeststellungsbeschlüssen der Trinkwassertalsperren und den hier definierten abzugebenden Mindestwassermengen wider. Ein dynamischer Talsperrenbetrieb ist demnach größtenteils unzulässig und die Auswirkungen eines dynamischen Talsperrenbetriebes auf die Rohwasserqualität des Staukörpers nur schwer abzuschätzen bzw. kaum zu untersuchen.

In ENERWA konnte für derartige Untersuchungen jedoch eine Sanierungsmaßnahme des Ruhrverbandes am Damm des Biggesees begleitet werden. Über einen Zeitraum von sechs Monaten (Januar bis Juli 2015) wurden insgesamt 39 Mio. m³ des Stauraumvolumens (ca. 30 %) über den Grundablass abgegeben und eine Absenkung des Stauspiegels um 12 m erzielt. Dies wurde durch eine starke, energetisch optimierte Dynamisierung der Grundablassabgabe über den üblichen Betrieb hinaus und durch Wasserabgabe-Schwankungen von 1,5 m³/s bis zu 30 m³/s innerhalb von 15 min erreicht. Die Sanierungsmaßnahme wurde mit einem detaillierten Gewässergüte-Monitoring durch die Verbundpartner begleitet.

Um die Auswirkungen der dynamischen Bewirtschaftung auf die thermische Schichtung des Staukörpers, den Sauerstoff- und Nährstoffhaushalt untersuchen zu können, wurden sowohl in Zeiten schwacher als auch starker Grundablassabgaben Tiefenprofile zu folgenden wesentlichen Gewässergüteparametern aufgenommen:

  • Sauerstoffsättigung und -konzentration
  • Wassertemperatur
  • Trübung

Bei den Messungen konzentrierten sich die Verbundpartner auf den vorderen dammnahen Erosionsbereich des Staukörpers und den Bereich rund um den Grundablass (Abbildung 2). Die drastische Absenkung des Stauspiegels ermöglichte eine Abschätzung der maximalen Auswirkungen eines dynamischen Talsperrenbetriebes. Zusätzlich zu den im Rahmen von ENERWA erhobenen Gewässergütedaten wurden die langjährigen Talsperren-Gewässergütedaten der im Projekt beteiligten Wasserverbände als Vergleichsdaten genutzt und eine umfangreiche Literaturrecherche zu chemisch-physikalischen Prozessen in Staukörpern erstellt.

Skizze der thermischen Schichtung des Staukörpers und Aufnahme von Tiefenprofilen im dammnahen Bereich, Grafik FiW 2017

Abbildung 2:  Skizze der thermischen Schichtung des Staukörpers und Aufnahme von Tiefenprofilen im dammnahen Bereich, FiW 2017

Beispiele und Potenziale

Eine dynamische Talsperrenbewirtschaftung hat nach Auswertung der vorliegenden Daten keine Auswirkungen auf die Stabilität der thermischen horizontalen Schichtung des Staukörpers. Hingegen kann eine langfristige dynamische Bewirtschaftung mit starken Stauspiegelschwankungen Auswirkungen auf die vertikale thermische Schichtausprägung haben (Abbildung 3).

Durch die erhöhte Wasserentnahme aus dem Grundablass (und Hypolimnion) kommt es zu einer Absenkung der Sprungschicht (metalimnische Schicht) unter Mitführung des Wärmeinhaltes und zu einer leichten Erwärmung des Tiefenwassers.

Durch die vertikale Reduzierung des Hypolimnions, ist es umso wahrscheinlicher, dass die Herbstzirkulation den Gewässergrund schneller erreichen kann. Demnach kann die hypolimnische Rohwasserentnahme entscheidend zur Durchmischung des Staukörpers beitragen.

In Zeiten hoher Wasserabgaben waren keine Auffälligkeiten gegenüber anderen Bewirtschaftungsphasen bezüglich Temperatur, Sauerstoff oder Trübung festzustellen.

Bei der stetigen Abführung hypolimnischen Wassers konnte beobachtet werden, dass dem Staukörper gelöste Nährstoffe entzogen werden. Die dynamisierte Bewirtschaftungsweise könnte auf diese Weise zu einem langfristig oligotrophen Nährstoffbild beitragen.

Darstellung der Tiefenprofile für die Wassertemperatur und die Sauerstoffsättigung, Grafik FiW 2017

Abbildung 3:  Darstellung der Tiefenprofile der Wassertemperatur (min. und max.) und der Sauerstoffsättigung (qualitativ über Blasengröße) in Abhängigkeit von der Wassertiefe im angegebenen Messintervall, FiW 2017

Es konnten auffällig erhöhte Trübungskonzentrationen in Nähe des Grundablasses des Biggedammes beobachtet werden.
Mögliche Ursachen dafür sind:

  • Aufwirbelungen am Gewässergrund
  • horizontale und vertikale Konzentrationsverlagerung im Hypolimnion
  • Verstärkung des Vertikaltransports in der kompletten Wassersäule

Die während der Stauspielgelabsenkung gemessenen geringen Chlorophyll-a-Konzentrationen im Hypolimnion lassen vermuten, dass die erhöhten Trübungskonzentrationen

auf Grund von Konzentrationsverlagerungen und nicht durch Aufwirbelungen am Gewässergrund und Remobilisierung von Nährstoffen entstanden sind.

Die dynamisch verstärkte Wasserabgabe aus dem Grundablass führte während der Stratifikation zu höheren Sauerstoffkonzentrationen im grundnahen Bereich, verbunden mit einer verzögerten Ausbildung anaerober Verhältnisse.

Eine negative Beeinflussung der Rohwasserqualität des Staukörpers durch eine dynamische Talsperrenbewirtschaftung konnte somit nicht nachgewiesen werden. Im Gegenteil: Sie könnte sogar zur Regulierung des Nährstoff- und respektive Sauerstoffhaushaltes genutzt werden.

Vertiefende Literatur