Biologically based engineering strategies for remediation of eutrophic shallow lakes: a model study for the Lake Chao in China

Für die Nutzung von eutrophierten Flachseen ist die Prognose der Wasserqualität in diesen Seen von besonderer Bedeutung. In der Arbeit wird der Einfluss der ufernahen Bepflanzung mit Schilf- und Makrophytenbeständen auf die Wasserqualität eines eutrophierten Flachsees modelliert. Die Nährstoffaufnahme der Makrophyten und die Reduzierung der Eutrophierung stehen im komplexen Zusammenhang. Über die Reduzierung des Gesamtphosphors kann in einem phosphorlimitierten Ökosystem die Blaualgenentwicklung beeinflusst werden. Aufbauend auf bestehenden Methoden zur Bestimmung der Biomasseentwicklung von Makrophyten und deren Einfluss auf den Wasserkörper wird ein hydrodynamisches Modell unter Berücksichtigung der Makrophyten auf die Gerinnereibung weiterentwickelt und auf die Modellierung von Schilfbeständen erweitert. Das in dieser Arbeit entwickelte Modell zur Prognose der Wassergüte wurde auf den Chaosee in der Provinz Anhui, China angewendet. Der eutrophe Flachsee wird u. a. für die Trinkwas-serversorgung genutzt, die aufgrund regelmäßiger Blaualgenblüten in den heißen Sommermonaten immer wieder eingestellt werden muss. Messdaten, die für die Modellierung nicht in ausreichender zeitlicher Auflösung vorlagen, wurden durch Literaturangaben und durch Daten, die mit einem dafür erstellten Neuronalen Netz anhand anderer vorhandener Parameter generiert wurden, ergänzt. Aufbauend auf den Modellergebnissen werden neue Strategien zur Sanierung eines eutrophierten Flachsees hinsichtlich ihrer Wirksamkeit untersucht. Es werden Strategien zur Reduzierung des Trophiegrades und zur Verhinderung des Eintrags von Blaualgen in das Rohwasser entwickelt. Für die Verwendung des Rohwassers zur Trinkwasserversorgung wird als Zielgröße der von der WHO empfohlene Grenzwert für die Microcystin-Konzentration im Trinkwasser von 1 µg/l angestrebt. Mit einem für das Schilfwachstum und den unterschiedlichen Ansprüchen der wasserwirtschaftlicher Nutzungen des Chaosees angepassten Wasserstand wird die maximale Assimilationsleistung des Schilfs bezüglich des Gesamtphosphors aufgezeigt. Über die Reduzierung des Gesamtphosphors kann in einem phosphorlimitierten Ökosystem die Blaualgenentwick-lung gesteuert werden, was im Modell über eine Reduzierung des Trophiegrades belegt wird. Zur Reduzierung der durch Blaualgen produzierten Toxinkonzentration werden Maßnahmen entwickelt und deren Wirkungen mit dem Modell belegt. Dazu gehört die Optimierung der Rohwasserentnahme für die Trinkwasserversorgung wie auch die zusätzliche Verminderung anthropogener Phosphoreinträge durch überschlägig dimensionierte Vorsperren. Anhand der Reaktionen des Ökosystems wird ein Alarmplan für Bevölkerung und Behörden mit Nutzungseinschränkungen, technischen Maßnahmen, sowie einem begleitenden, speziell für Blaualgenblüten entwickelten Monitoringprogramm bis zum Rückgang der Blaualgenblü-te erstmals vorgeschlagen.The prediction of water quality is of particular importance for the utilization of eutrophic shallow lakes. The influence of litoral planting with reed and macrophytes on the water quality of an eutrophic shallow lake and its modelling is shown in this paper. The assimilation of nutrients by macrophytes is associated with the reduction of eutrophication in a complex connection. The development of blue-green algae can be influenced by the reduction of total phosphorus in a phosphorus limited ecosystem. A hydrodynamic model is developed by using existing methods for the growth of the macrophytes biomass and their influence on the water body and the ecosystem. This model is extended by modules for the reed population which consider the roughness of the macrophytes to the channel friction. The model for predicting the water quality, which is developed in this study, is applied to Lake Chaohu in the Anhui Province, China. This eutrophic shallow lake is used for drinking water supply. The water intake is suspended during hot summer months due to periodical blooms of blue-green algae. For water quality parameters no records of adequate temporal resolution are available. Thus, the data has been completed with values from the literature and with data generated by a neural network. The coverage of the lake surface by macrophytes and the water level varied in different scenarios simulated by the model. Based on the results of the model new strategies for the remediation of any eutrophic shallow lake in consideration are investigated in respect to their effectivity. Strategies are developed in order to reduce the trophic status and to prevent the blue-green algae from entering the water intake. The WHO threshold for Microcystin concentration in drinking water of 1 µg/l is set as the target value for the use of raw water. Considering a water level adapted for reed growth and the multiple requirements for the water management of Lake Chaohu, the maximum assimilation activity of the reed can be achieved with regard to reduction of total phosphorus. The development of blue-green algae can be controlled in a phosphorus limited ecosystem by reduction of total phosphorus. The model proves the decrease of the trophic status. Measures are developed for the reduction of the concentration of toxin produced by blue-green algae; their effectivity is shown by application of the model. The scenario of different remediation measures results in an optimization of raw water intake for drinking water supply as well as in the additional reduction of phosphorus import by pre-dams. A novel alarm plan for the public, based on the ecosystem’s reactions, is proposed. The alarm plan comprises restrictions of the water usage, technical measures and a special monitoring programme for blue-green algae, which is operated until a decrease of the blue-green algae bloom is observed