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The impact of urbanization on the quality of drinking water sources is a challenge in many developing countries. In this research, the main source of drinking water was quantified, quality baseline defined, and a thematic decision support management tool developed to protect the quality using Aba, Nigeria. Data from primary and secondary sources were obtained from desktop search, empirical instruments, satellite data, hydrogeological investigations and water quality assessment. Geoscientific and statistical tools were used to analyse the landform, characterize the land use, and create management tools to protect the water source.
The results revealed that groundwater is the main source of water for both domestic and industrial uses. An average water consumption per capita rate of 35.9 l/day was estimated, which is low compared to the WHO recommendation. The landform and land-use analyses revealed that the area is low-lying, poorly drained, and the urban land-use is the fastest-growing class growing averagely at 0.6% /annum between 1986 to 2017. Some of the urban land-use practices that harm the quality of the groundwater were identified and mapped in a contamination hotspot map.
The results of the twenty-one quality indicators in the groundwater showed that the pH was acidic (3.7-5.6), total dissolved solids (TDS) ranged between 6.5 mg/l-364 mg/l. The mean concentrations of the remaining indicators were within the WHO limits for drinking water quality. But, the EC, TDS, chloride and nitrate revealed significant differences when tube-wells between densely and sparse built-up areas are compared. Again, four dominant water types were identified in groundwater. The Na-HCO₃ water type was dominant mostly in the sparse built-up area and it is assumed as the background groundwater facies in the area. Whereas Mg, Ca-Cl, Na-Cl and Ca-HCO₃ water types were predominant in the densely built-up area. The bacteriological assessments of drinking water from natural and alternative (i.e. beverages and packaged water) sources revealed the presence of E. Coli and Coliform bacteria in some samples of the natural water.
The groundwater quality distribution and vulnerability assessment maps were developed based on water quality index, and DRASTIC methodologies, respectively. The quality distribution map showed that > 98% of the area has a “suitable“ rating. While the vulnerability assessment map found that the groundwater has a “medium” baseline vulnerability covering about 80%. The differences in the results were due to some observed poor urban land-use practices in the area. Finally, a thematic decision support tool that delineates priority monitoring zones and suggests possible source protected areas tailored for the area was developed. This tool is cost-effective in protecting the groundwater quality and can be applied to other developing urban areas with similar physiological conditions.
In NITROLIMT stand an erster Stelle die Frage: Ist N-Reduktion ökologisch sinnvoll?
Die Auswertung der Seendatenbank hat gezeigt, dass Stickstoff weit häufiger die Biomasse des Phytoplanktons begrenzt und damit die Gewässergüte bestimmt als bisher angenommen. In flachen durchmischten Seen und Flussseen tritt N-Limitation sogar häufiger auf als P-Limitation, wobei meist ein Übergang von P-Limitation im Frühjahr zu N-Limitation im Sommer stattfindet. Diese Befunde wurden durch Gewässermonitoring und Bioassays in vier Modellgewässern bestätigt. Demnach ist nicht nur P-, sondern auch N-Reduktion ökologisch sinnvoll. Daher wurden seentypspezifische Zielwerte für TN- und TP-Konzentrationen zur Erreichung eines guten ökologischen Zustandes ermittelt. „Ist-“ und „Sollzustand“ der so ermittelten TN- bzw. TP-Konzentrationen differieren stark. Der Zusammenhang zwischen TN und Biomasse des Phytoplanktons ist aufgrund der kleineren Datenmenge für TN, uneinheitlicher N-Analytik und unberücksichtigter gelöster organischer N-Verbindungen (DON) sehr variabel. Eine Validierung der TN-Zielwerte basierend auf einer verbesserten Datengrund-lage wird daher in NITROLIMIT II angestrebt.
Zudem galt es zu beantworten: Ist Stickstoffreduktion wirtschaftlich vertretbar?
Ein Maßnahmenkatalog zur Nährstoffreduktion (N und P) für die Bereiche Landwirtschaft und urbane Quellen wurde erstellt. Darin sind Informationen zu Wirkungen und Kosten der einzelnen Maßnahmen zusammengestellt. Zudem wurden in einer Ökobilanz nichtmonetäre ökologische Auswirkungen verschiedener Varianten einer N-Elimination auf Großklärwerken an einem Modellklärwerk untersucht. Hier zeigten sich signifikante Unterschiede in Wirksamkeit und Energieeffizienz zwischen den verschiedenen Maßnahmen, die bei der weiteren Maßnahmenplanung für Großklärwerke berücksichtigt werden sollten. Für die ökobilanzielle Bewertung von Maßnahmen im urbanen Bereich fehlt noch die Untersuchung von Maßnahmen der Regenwasserbewirtschaftung.
Vorläufiges Fazit
Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass Stickstoffreduktion überwiegend ökologisch sinnvoll und für einige der analysierten Szenarien wirtschaftlich vertretbar ist. Daher wird empfohlen, zur Verbesserung der Gewässergüte nicht nur den Eintrag von Phosphor, sondern auch den von Stickstoff zu reduzieren.
Entsprechende regionale Konzepte zur Nährstoffreduktion sollten für kleine Modelleinzugsgebiete erstellt und umgesetzt werden. Durch wissenschaftliche Begleituntersuchungen sollten dabei der Erfolg von einzelnen Maßnahmen und Maßnahmenkombinationen geprüft und Schlüsselprozesse des N- und P-Umsatzes (N2-Fixierung, Denitrifikation und P-Freisetzung) weiter aufgeklärt werden.
Zur Beantwortung der Frage, ob Stickstoffreduktion in solchen Gewässern wirtschaftlich vertretbar ist, wurde am Beispiel eines für die Norddeutsche Tiefebene charakteristischen Flusssees, der Berliner Unterhavel, untersucht, mit welchen Kosten und Nutzen das Erreichen des guten ökologischen Zustandes verbunden ist.
Hierfür wurde zunächst der Status quo der Stickstoff- und Phosphoreinträge aus dem Einzugsgebiet (EZG) sowie deren Konzentration in der Berliner Unterhavel ermittelt. Darauf basierend wurde berechnet, in welchem Umfang die Einträge reduziert werden müssen, um die gewässerinterne Konzentration auf einen Wert zu senken, ab dem erwartet wird, dass sich der gute ökologische Zustand einstellt. Zielwerte für Stickstoff- und Phosphorkonzentrationen in unterschiedlichen Gewässertypen wurden in einer vorangegangenen Studie ermittelt (modifiziert nach: NITROLIMIT-Diskussionspapier Band 1, 2013; Dolman et al. 2016). Im nächsten Schritt wurden für das Einzugsgebiet der Berliner Unterhavel kosteneffiziente Stickstoffreduktionsmaßnahmen im urbanen und landwirtschaftlichen Bereich identifiziert. Schließlich wurde für verschiedene Kombinationen ausgewählter Maßnahmen ermittelt, wie hoch die Stickstoffreduktionsleistung und die entsprechenden Kosten wären, wenn sie im Einzugsgebiet der Berliner Unterhavel umgesetzt würden.
Der ökonomische Nutzen wurde anhand der Zahlungsbereitschaft der Berliner und Brandenburger Bevölkerung für das Erreichen des guten ökologischen Zustandes der Berliner Unterhavel ermittelt. Die Zahlungsbereitschaft wurde in einer Umfrage erhoben, bei der auch erfasst wurde, wie häufig Gewässer zur Erholung aufgesucht und welche Aktivitäten dort am liebsten ausgeübt werden. Abschließend wurden die Kosten für Maßnahmen zur Stickstoffreduktion dem Nutzen gegenübergestellt.
In diesem Diskussionspapier werden die wesentlichen Ergebnisse der Studien dargestellt. Eine ausführliche Darstellung aller Ergebnisse und methodischen Details sind im Abschlussbericht von NITROLIMIT I (2014) zu finden (S. 127-186).
In NITROLIMIT wurde die bisher größte Datenbank zu Gewässergüteparametern aus 373 natürlichen Seen der norddeutschen Tiefebene zusammengestellt.
Die Auswertung dieser Daten zeigte:
• Der größte Teil der Seen befindet sich in einem mäßigen bis schlechten ökologischen Zustand.
• Sowohl Stickstoff als auch Phosphor sind eng mit der Phytoplanktonbiomasse korreliert. Als Prädiktor für N- bzw. P-Limitation wurde ein DIN:TP-Massenverhältnis von 1,6 ermittelt.
• N-Limitation tritt fast genauso häufig auf wie P-Limitation, wobei seentypspezifische und saisonale Limitationsmuster auftreten: N-Limitation tritt häufiger in flachen durchmischten Seen und Flussseen auf, und P-Limitation häufiger in tiefen geschichteten Seen. Im Verlauf der Vegetationsperiode findet häufig ein Wechsel von P-zu N-Limitation statt und zudem nimmt die Häufigkeit von anderen Limitationszuständen (beispielsweise Licht und Temperatur) zu.
• Die ermittelten TN- und TP-Zielwerte zum Erreichen der oberen Grenze der ökologischen Zustandsklasse „gut“ reichen für die verschiedenen Seentypen von 480-800 μg L-1 TN und 22-66 μg L-1 TP.
• Die derzeitigen TN- und TP-Konzentrationen in den Seentypen überschreiten die oben genannten Zielwerte in den meisten Fällen deutlich. Dies trifft insbesondere auf die TN-Konzentrationen zu. Der große Anteil von Seen mit einem mäßigen bis schlechtem ökologischem Zustand zeigt, dass zur Umsetzung der WRRL weitere Anstrengungen unternommen werden müssen.
Dabei bekräftigen unsere Ergebnisse, nach denen P-Limitation etwas häufiger als N-Limitation auftritt, die derzeitige Strategie, durch Maßnahmen zur Reduktion der Phosphoreinträge eine Verbesserung des ökologischen Zustandes herbeizuführen. Unserer Ansicht nach sollte diese Strategie fortgeführt werden, wobei auch strengere Reduktionsziele für Phosphoreinträge zu erwägen sind.
Die EU-Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL 2000) beschäftigt Wasserforscher und Behörden in einer erfreulichen Weise: Erstmalig werden ökologische und gewässertypbezogene Bewertungsverfahren im nationalen Rahmen entwickelt und auf europäischer Ebene angepasst. Seit 999 sind die Autoren dieses Gewässerreportes in Projekten zur Erstellung eines Bewertungsverfahrens für das Phytoplankton in natürlichen Seen eingebunden. Die Verfahrensentwicklung begann mit einer umfassenden Literaturstudie zu Klassifizierungsverfahren von Seen und Flüssen anhand des Phytoplanktons. Diese internationale Literaturrecherche ergab, dass zwar gute Ansätze aus anderen Ökoregionen Europas vorhanden sind, diese sich jedoch nicht einfach auf die naturräumlichen Verhältnisse in Deutschland übertragen lassen oder nicht den vielfältigen Anforderungen der EU-WRRL genügen. Folglich beauftragte die Länderarbeitsgemeinschaft Wasser die Autoren, ein WRRL konformes Bewertungssystem zu entwickeln, das aus vorhandenen Überwachungsdaten gewonnen werden sollte. Allerdings machte die Zusammenführung dieser heterogenen Datenbestände deutlich, wie dringend eine Vereinheitlichung der Probenahmen und der mikroskopischen Erfassung erfolgen muss, da die einzelnen Bundesländer hierfür bisher sehr unterschiedliche Strategien praktizierten. Im Abschlussbericht wurden im Ergebnis die ersten Vorschläge für ein multimetrisches Bewertungssystem mittels Phytoplankton sowie zu seiner einheitlichen methodischen Erfassung beschrieben. In dem darauf folgenden 2-jährigen Praxistest wurden diese Empfehlungen einer bundesweiten Prüfung insbesondere auf Praktikabilität und Plausibilität unterzogen. Vielfältige Modifikationen des ersten Bewertungsentwurfes wurden notwendig infolge der Abstimmungsprozesse mit den Praxispartnern in den Bundesländern, mit den Anwendern in speziell zu diesem Thema ausgerichteten Workshops, aber auch innerhalb der EU („Interkalibrierung“). Ökologische Bewertung nach WRRL heißt, die Reaktion des Phytoplanktons auf eine anthropogene Belastung auf Ebene seiner Biomasse und seiner taxonomischen Zusammensetzung (Arten / Algenklassen) in Form von biologischen Kenngrößen (Metrics) zu berücksichtigen. Für die vorliegende Bewertungsherleitung für die Biokomponente Phytoplankton wird der Begriff „Belastung“ eingrenzend als eine anthropogen beschleunigte Eutrophierung und als Abweichung von einem Referenzzustand verstanden, wobei dieser Zustand nicht mehr allein biomasseorientiert, sondern auch durch die völlig neu entwickelte Liste an Indikatorarten (PTSI) definiert wird. Die Bewertung des Phytoplanktons erfolgt demnach mit einem multimetrischen Ansatz im Phyto-See-Index (PSI), der durch die Einbeziehung des Arteninventars sowie durch die neu definierten trophischen Referenzzustände in den meisten Fällen strenger ist als der in Deutschland bislang zur trophischen Einstufung von Seen verwendete LAWA-Index (1999). Um eine routinemäßige Bewertung einschließlich der Indikatorarten zu ermöglichen, wurde eine operative Taxaliste des Phytoplanktons mit Hinweisen für die Bestimmungstiefe sowie das Auswertungsprogramm „PhytoSee“ zur automatisierten Berechnung entwickelt, die zusammen eine schnelle Auswertung der standardisierten Messdaten erlauben.