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Numerische Gewässergütemodellierung von Seen – das dynamische Simulationsmodell StoLaM

Das numerische Gewässergütemodell StoLaM (Stoichiometric Lake Model) ist sowohl für temporär bis stabil geschichtete stehende Flachgewässer als auch für größere Seen ausgelegt. Es berücksichtigt die in Flachgewäs­sern aufgrund ihres geringen Volumen-Flächen-Verhältnisses wichtigen Sediment-Wasser-Interaktionen sowie die in flachen und tieferen Gewässern bedeutsamen vertikalen Gradienten. Die Turbulenz und die Temperaturschichtung sowie die daraus resultierenden Sauerstoff- und Nährstoffgradienten können durch das eindimensionale (vertikal aufgelöste) hydrodynamische Submodell HyLaM (Hydrodynamic Lake Model) auch bei geringen Gewässertiefen präzise abgebildet werden. In StoLaM werden neben dem Sauerstoffgehalt und der Wassertemperatur mehrere Zooplankton- und Phytoplanktongruppen simuliert. Drei Pflanzennährstoffe (Phosphor, Stickstoff und Silizium) wurden als geschlossene Kreisläufe modelliert unter Beachtung ihrer stöchiometrischen Relationen bei der Aufnahme durch das Phytoplankton und Regene­ration durch Zooplankton. Menge und Verhältnis der im Wasser gelösten Nährstoffe werden durch externe Einträge und seeinterne Prozesse (Freisetzung aus dem Sediment, Eintrag durch benthivore Fische, Sedimentation, N2-Fixierung, Denitrifikation) beeinflusst. Ein Fischmodul bildet sowohl den Einfluss omnivorer Friedfische auf das Zooplankton als auch den fischbedingten Nähr­stoffeintrag aus dem Sediment in die Wassersäule ab.
Die Datengrundlage für Modellentwicklung und Validierung bildete eine intensive dreijährige Erhebung der Planktonsukzession und Nährstoffdynamik in einem eutrophen Weiher (Strauss 2009).

StoLaM Nahrungsnetz

Schematische Darstellung der modellierten Nährstoffflüsse im Gewässergütemodell StoLaM (Fraßbeziehungen als graue Pfeile).

StoLaM wurde an verschiedenen Seen unterschiedlicher Trophie und Morphometrie getestet. So konnten beispielsweise für zwei Tagebaurestseen mit unterschiedlichem Nährstoffeintrag die charakteristischen Sauerstoffprofile (metalimnisches Sauerstoffminimum im oligotrophen See, metalimnisches Sauerstoffmaximun im eutrophen See) erfolgreich simuliert werden.

StoLaM SAND project.png
Simulierte und gemessene Temperatur- und Sauerstoffprofíle zur Zeit der Sommerstratifikation für den oligotrophen Boisdorfer See (links) und den eutrophen Peringser See (rechts).

Das Gewässergütemodell StoLaM lässt sich als prognostisches Werkzeug bei der prozessorientierten Analyse als auch in der Maßnahmenplanung zur Auswahl und Bewertung geplanter Steuerungskonzepte für stehende Gewässer unterschiedlicher Größe sinnvoll einsetzen (Beispiel Re-Oligotrophierung). Durch die Berücksichtigung der Prinzipien der ökologischen Stöchiometrie ist zudem der Einfluss unterschiedlicher Nährstoffverhältnisse auf die Planktonentwicklung darstellbar. Die zeitlich hoch aufgelöste Simulation vertikaler physikalisch-chemischer Gradienten ermöglicht zudem eine naturnahe Analyse der Populationsdynamik von Planktonorganismen wie beispielsweise dem vertikal wandernden Dinoflagellaten Ceratium hirundinella (Strauss 2009).

StoLaMGradienten
Vergleich der simulierten (oben) und gemessenen (unten) Temperaturschichtung (links) und Sauerstoffsättigung (rechts) für den Alsdorfer Weiher bei Aachen.

StoLaM Plankton.png
Vergleich der simulierten und gemessenen Dynamik der Algenentwicklung (links) und des dominanten Zooplankters (Bosmina longirostris) für den Alsdorfer Weiher bei Aachen.

Publikationen:

Strauss T, Preuss TG (2012): Aquatic ecosystem model framework for use in refined environmental risk assessment. Poster presentation SETAC-World, Berlin, Germany.

Strauss, T. (2009): Dynamische Simulation der Planktonentwicklung und interner Stoffflüsse in einem eutrophen Flachsee. Shaker, Aachen, ISBN 978-3-8322-8501-2, DOI: http://dx.doi.org/10.18154/RWTH-CONV-113654

Strauss, T. (2008): Das Gewässergütemodell StoLaM - ein Werkzeug zum Management stehender Gewässer. In: Naturschutz und Freizeitgesellschaft, Bd. 8 (Renaturierung - Programmatik und Effektivitätsmessung), S. 153-171, Academia Verlag, St. Augustin.

Strauss T, Ratte HT (2002): Modelling the vertical variation of temperature and dissolved oxygen in a shallow, eutrophic pond as a tool for analysis of the internal phosphorus fluxes. - Verh. Internat. Verein. Limnol. 28:1508-1511.

Ansprechpartner:

Dr. Tido Strauss