Long-term development of nutrient loads in Berlin surface water system and their causes during the last 150 years

Abstract

Based on a comprehensive database, the spatial and temporal trends of surface water quality of Berlin and the suroundings catchments of Spree, Dahme and Havel were detected. The transitional points in the course of nutrient development are due to the changes in water supply and drainage system, the sewage farms, the establishment of waste water treatment plants and their technological improvements, the legal and management system. The changes in nutrient removal capacity of sewage farms, technological improvements in waste water treatment plants and the nutrient-related legal requirements are the major driving forces for nutrient emission mitigation in Berlin. Due to intensive anthropogenic impacts, some surface water bodies in Berlin particularly in the Teltowkanal have quite different seasonal variations compared to the natural water bodies. The spatial differentiation of Berlin water bodies is predominantly determined by the inside factors (effluent of waste water treatment plants, overflow water, heat emission from power plants) and inflow waters. Overflow from combined sewer system is the dominant diffuse source in the inner city area. The upstream water quality also contributes to the differentiation in quality of Berlin waters. This study analyses nutrient emissions by point and diffuses sources and their loads were estimated for the city of Berlin and also for the subcatchment of Upper Havel, Spree and Dahme and the whole Havel catchment over the last 150 years by modelling approaches. It was found that the present level of nitrogen load is about 4-4.5 times higher than the level in the mid 19th century. Phosphorus load is 3 times higher. In order to reach a good status required by the The Water Framework Directive (WFD) corresponds to the phosphorus concentration of 0.1 mg/l, total phosphorus emissions from Berlin must be further reduced. This goal can be reached by the application of new technologies in waste water treament plants as well as new efforts in nutrient mitigation. At present, the runoff from urban area increases the discharge in Berlin s rivers by one third. But the nitrogen load of these waters doubles the nitrogen load of the sources in the upstream catchments. Because the surface waters downstream of Berlin possess a high retention capacity for nitrogen and phosphorus is for the freshwater systems the limiting factor it can be concluded that the further reduction of the P load by 40% is the urgent task. Specific nutrient emission per inhabitant of Berlin depends on the living standards, particularly on the application of P-containing detergents and automatic wash machines or dish washers. The atmospheric nutrient deposition in Berlin is strongly affected not only from the local source, but also the regional and global sources. The diffuse sources play more and more an important role in nutrient emissions to surface water bodies. The riverine lakes of the lowland river system in Berlin have a high nutrient retention capacity. However, after along time of overloading, their nutrient retention capacities have been degraded, especially for phosphorus. It is shown that these lakes contribute for a transition period by internal loading to the reduced retention in the last decade. The nutrient loads are being altered due to changes in population growth and distribution, the development of waste water collection (combined and separate sewers) and treatment system (sewage farms and waste water treatment plants), the use of chemicals (P-detergents) and relevant legislation.

Basierend auf einer umfassenden Basis von thematischen Karten, Statistiken und hydrochemischen Beobachtungsdaten werden Hauptmerkmale der Qualität Berliner Gewässer und der Einzugsgebiete ihrer Zuflüsse, Spree, Dahme und Havel, analysiert. Im Focus stehen dabei die räumliche und zeitliche Entwicklung der Nährstoffkonzentrationen und -frachten. Der zeitliche Verlauf der Nährstoffkonzentrationen wird hauptsächlich durch Änderungen des Wasserdargebots und des Abwassersystems, der Bewirtschaftung von Rieselfeldern, der Einführung von Kläranlagen und deren technologischen Verbesserungen sowie von gesetzlichen Grundlagen bestimmt. Änderungen in der Aufnahmefähigkeit von Rieselfeldern, technischer Fortschritt in Klärwerken und nährstoffbezogene gesetzliche Anforderungen sind die wichtigsten Ursachen für die Veränderungen der Nährstoffflüsse in den Berliner Gewässern. Die Unterschiede im Grad der anthropogenen Belastungen der Gewässer spiegeln sich deutlich in den jahreszeitlichen Variationen der verschiedenen Berliner Gewässern (insbesondere dem Teltowkanal) wieder, Die räumlichen Unterschiede in der Qualität der Berliner Gewässer wird hauptsächlich von internen Faktoren (Kläranlagen, Überlaufwässer, Aufheizung durch Kraftwerke) aber auch durch die zufließenden Gewässern gesteuert. Der Überlauf des Mischwassersystems stellt dabei die dominierende diffuse Eintragsquelle im innerstädtischen Bereich dar. Die Untersuchung der Langzeitveränderungen der Nährstoffemissionen aus punktuellen und diffusen Quellen und der Nährstofffrachten in den Flüssen wurde separat für den innerstädtischen Bereich von Berlin und für die Teileinzugsgebiete der Oberen Havel (Pegel Hennigsdorf), der Spree (Pegel Neuzittau und Wernsdorf), der Dahme (Pegel Neue Mühle und Nottekanal) und das Haveleinzugsgebiet unterhalb von Berlin durchgeführt, so daß neben den Veränderungen in den Teilgebieten auch die im gesamten Havelsystem analysiert werden konnten. Als Zeitraum der Analyse der Langzeitveränderungen wurden die zurückliegenden 150 Jahre gewählt, so daß ein Überblick zu den Veränderungen der Nährstoffbelastungen von der vorindustriellen Periode um die Mitte des 19. Jahrhunderts bis zur Gegenwart gegeben werden kann. Es konnte nachgewiesen werden, dass die derzeitige Stickstofffracht etwa 4-4,5-mal höher ist als in der Mitte des 19. Jahrhunderts. Die gegenwärtige Phosphorfracht liegt dagegen nur 3-mal über denen um 1850. Geht man davon aus, dass um 1850 die Belastungen und die Inanspruchnahme der Berliner Gewässer noch weitgehend einem guten Zustand entsprach und berücksichtigt man darüber hinaus, das der ökologische Zustand der Binnengewässer vor allem durch die Phosphorbelastung bestimmt wird, so kann man aus den Ergebnissen der Langzeitanalysen ableiten, dass zur Erreichung eines guten Zustandes die Phosphorbelastung noch um ca. 40% gesenkt werden muß. Dieses Ziel kann sowohl durch die Anwendung neuer Technologien in der Abwasseraufbereitung sowie in Anstrengungen zur Verringerung der Nährstoffemissionen erreicht werden. Gegenwärtig liegt der Anteil der Belastungen aus dem innerstädtischen Einzugsgebiet an der Gesamtfracht der Nährstoffe bei ca. einem Drittel, d.h. Maßnahmen zur Reduzierung der Phosphorbelastung müssen sich nicht nur auf Berlin sondern auch auf die Senkung der Frachten in den Zuläufen konzentrieren Die spezifische Pro-Kopf- Emission von Nährstoffen in Berlin hängt vor allem vom Lebensstandard und für Phosphor insbesondere vom Einsatz phosphorhaltiger Waschmittel für Waschmaschinen oder Geschirrspüler, ab. Die atmosphärische Deposition von Stickstoff wird nicht nur von lokalen, sondern auch regionalen und globalen Quellen gesteuert. Diffuse Quellen spielen eine immer entscheidendere Rolle für die Nährstoffemissionen in Oberflächenwasserköper. Die Flussseen der Berliner Region dagegen verfügen über ein hohes Rückhaltevermögen für Nährstoffe. Allerdings ist nach langjähriger Überfrachtung ihr Rückhaltevermögen, insbesondere für Phosphor, herabgesetzt. Es wird dargelegt, dass die Remobilisierung der Nährstoffe aus diesen Seen in der letzten Dekade zu einer Verminderung der Retentionsleistung dieser Gewässer führt. Die Nährstofffrachten wiesen in der Vergangenheit Veränderungen auf, die auf Bevölkerungswachstum und veränderte regionale Bevölkerungsverteilung, auf die Entwicklung von Abwassersammel- (Misch- und Trennsystemen) und -aufbereitungssystemen (Rieselfelder und Kläranlagen), auf die Anwendung von Chemikalien (phosphorhaltige Reinungsmittel) sowie auf die Entwicklung gesetzlicher Richtlinien zurückgeführt werden können.