Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe

> Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe

Herausgegeben vom Bundesamt für Umwelt BAFU Bern, 2010

Rechtlicher Stellenwert dieser Publikation Diese Publikation ist eine Vollzugshilfe des BAFU als Aufsichtsbehörde und richtet sich primär an die Vollzugsbehörden. Sie konkretisiert unbestimmte Rechtsbegriffe von Gesetzen und Verordnungen und soll eine einheitliche Vollzugspraxis fördern. Berücksichtigen die Vollzugsbehörden diese Vollzugshilfen, so können sie davon ausgehen, dass sie das Bundesrecht rechtskonform vollziehen; andere Lösungen sind aber auch zulässig, sofern sie rechtskonform sind. Das BAFU veröffentlicht solche Vollzugshilfen (bisher oft auch als Richtlinien, Wegleitungen, Empfehlungen, Handbücher, Praxishilfen u.ä. bezeichnet) in seiner Reihe «Umwelt-Vollzug».

Impressum

Herausgeber Bundesamt für Umwelt (BAFU) Das BAFU ist ein Amt des Eidg. Departements für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation (UVEK).

Autor Paul Liechti, Bundesamt für Umwelt (BAFU)

Mitarbeit Jürg Zobrist, Eawag, Eidg. Wasserforschungsinstitut des ETH-Bereichs Beat Mattmann, ONION Energie- und Umweltmanagement AG

Begleitung Werner Goeggel und Adrian Jakob, Bundesamt für Umwelt (BAFU) Barbara Känel und Pius Niederhauser, Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft (AWEL), Kanton Zürich Simone Langhans und Christine Weber, Eawag, Eidg. Wasserforschungsinstitut des ETH-Bereichs

Zitiervorschlag Liechti Paul 2010: Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe. Umwelt-Vollzug Nr. 1005. Bundesamt für Umwelt, Bern. 44 S.

Gestaltung Ursula Nöthiger-Koch, 4813 Uerkheim

Titelfoto BAFU

Download PDF www.umwelt-schweiz.ch/uv-1005-d (eine gedruckte Fassung ist nicht erhältlich)

Diese Publikation ist auch in französischer Sprache erhältlich

© BAFU 2010

> Inhalt 3

> Inhalt Abstracts 5 Vorwort 7

1 Einleitung 8

1.1 Das Modul-Stufen-Konzept 8

1.2 Rechtliche Grundlagen 9

1.3 Ziel dieser Publikation 10

2 Erhebungen chemisch-physikalischer

Parameter 11

3.4 Koordinierte Beobachtung der

Oberflächengewässer 19

Anhang 20 A1 Charakterisierung der Messgrössen 20 A2 Probenahme 32 A3 Umrechnungen für Ammonium und Nitrit, kart. Darstellung 38 A4 Screeningverfahren mit 4 bis 5 Messungen pro Jahr 41

Verzeichnisse 44 Abbildungen 44 Tabellen 44 Literatur 44

> Abstracts 5

> Abstracts The Modular Stepwise Procedure for the analysis and assessment of watercourses Keywords: includes survey methods in the areas of hydrodynamics and morphology, biology, and chemical and physical surveys, chemical or toxic effects. The present report describes how to assess watercourses nutrients, requirements as to using chemical and physical parameters. The water quality requirements are either water quality, assessment on a those specified directly in numerical terms in Annex 2 of the Water Protection Ordi- 5-point scale nance or are obtained by converting the qualitative requirements specified in this Annex into quantitative terms (“target values”). Indicator values are obtained by aggregation of the chemical parameters measured for the water samples. They can the be compared with the requirements and target values in an assessment based on a 5-point scale.

Im Rahmen des Modul-Stufen-Konzeptes (MSK) werden Methoden zur Untersuchung Stichwörter: und Bewertung der Fliessgewässer erarbeitet für die Bereiche Hydrodynamik und Chemisch-physikalische Morphologie, Biologie sowie chemische Inhaltsstoffe und toxikologische Effekte. Der Erhebungen, Nährstoffe, vorliegende Bericht beschreibt die Methoden, mit welchen Fliessgewässer anhand Anforderungen an die chemisch-physikalischer Kenngrössen beurteilt werden können. Die Beurteilung orien- Wasserqualität, tiert sich an den Anforderungen an die Wasserqualität, wie sie im Anhang 2 der Ge- Beurteilung in 5 Klassen wässerschutzverordnung beschrieben sind: Die nummerischen Anforderungen werden direkt übernommen, die verbalen Anforderungen in nummerische Grössen umgesetzt und als Zielvorgaben verwendet. Aus den Resultaten der chemischen Untersuchung der Gewässerproben werden statistische Schätzwerte berechnet. Deren Vergleich mit den Anforderungen/Zielvorgaben führt zu einer Beurteilung in 5 Klassen.

Le système modulaire gradué (SMG) prévoit la mise au point de méthodes d’analyse et Mots-clés: d’appréciation des cours d’eau dans les domaines «Hydrodynamique et morphologie», analyses physico-chimiques, «Biologie» et «Effets chimiques et toxiques». Le présent guide décrit la manière nutriments, exigences à la qualité d’apprécier les cours d’eau à l’aide de paramètres chimiques et physiques. Les exigen- des eaux, appréciation en cinq ces relatives à la qualité des eaux figurent à l’annexe 2 de l’ordonnance fédérale sur la classes protection des eaux, soit directement sous forme chiffrée, soit sous une forme descriptive, permettant une transposition en valeurs numériques, adoptées comme objectifs de qualité. Pour apprécier la qualité des échantillons d’eau, les résultats des analyses chimiques sont combinés en des indices statistiques, ceux-ci pouvant ensuite être comparés aux exigences et objectifs dans un système comprenant 5 classes d’état.

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 6

Il sistema basato su moduli e livelli, adottato per l’analisi e la valutazione dei corsi Parole chiave: d’acqua, prevede un sistema di rilevamento a due livelli di intensità nei settori «Idrodi- rilevamenti chimici e fisici, namica e morfologia», «Biologia» ed «Effetti chimici e tossici». Il presente rapporto nutrienti, esigenze relative alla descrive il metodo in base ai quali i corsi d’acqua possono essere valutati applicando qualità dell’acqua, suddivisione parametri chimici e fisici. Nell’allegato 2 dell’ordinanza sulla protezione delle acque le in 5 classi esigenze relative alla valutazione dei corsi d’acqua figurano direttamente in forma numerica oppure, sulla base di descrizioni, sono trasposte in valori numerici, qui denominati obiettivi prestabiliti. I risultati dell’analisi chimica dei prelievi d’acqua effettuati servono poi a calcolare dei valori di stima, che sulla base del loro confronto con le esigenze e gli obiettivi prestabiliti sono suddivisi in cinque classi.

> Vorwort 7

> Vorwort Das Leben hat sich im Wasser entwickelt und ist ohne Wasser nicht möglich. Durch die Verwitterung der Gesteine erhält das Wasser Mineralien, auf welche die Wasser- und Landlebewesen angewiesen sind. Problematisch sind Stoffe, deren Konzentrationen durch menschliches Zutun so stark erhöht werden, dass sie das Leben im Wasser beeinträchtigen.

Fliessgewässer und ihre Uferbereiche dienen als Lebensraum für Menschen, Tiere und Pflanzen. Für den Zustand der Fliessgewässer spielen neben der Belastung durch Abwasser verschiedene Nutzungen wie Wasserkraft, Siedlungsentwässerung und Hochwasserschutz eine wichtige Rolle. Nebst Morphologie und Hydrologie beeinflussen auch die Inhaltsstoffe den Gewässerlebensraum. Der chemische und physikalische Gewässerzustand ist für die in den Gewässern vorkommenden Arten bestimmend und muss deshalb bei umfassenden Gewässeruntersuchungen weiterhin erhoben werden. Die vorliegende Version des Moduls chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe, beinhaltet Beurteilungsmethoden für anorganische Inhaltsstoffe und Nährstoffe.

Das Gewässerschutzgesetz vom 24. Januar 1991 (GSchG) und die revidierte Gewässerschutzverordnung vom 28. Oktober 1998 (GSchV) haben den umfassenden Schutz der Gewässer und ihrer vielfältigen Funktionen als Lebensräume für Pflanzen und Tiere sowie die nachhaltige Nutzung durch den Menschen zum Ziel. Das Modul-Stufen- Konzept will diesen Auftrag auch im Bereich der Gewässerüberwachung umsetzen, indem Teilmethoden (Module) erarbeitet werden, die den verschiedenen Aspekten der Fliessgewässer gerecht werden. Eine Gruppe von Fachleuten aus BAFU, Eawag und kantonalen Fachstellen hat die Empfehlungen über die Untersuchung der Schweizerischen Oberflächengewässer von 1982 soweit angepasst und weiterentwickelt, dass sie in den Rahmen des Modul-Stufen-Konzeptes eingefügt werden können.

Stephan Müller Abteilungsleiter Wasser Bundesamt für Umwelt (BAFU)

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 8

1 > Einleitung

1.1 Das Modul-Stufen-Konzept

Durch Untersuchungen soll festgestellt werden, ob der Zustand der Gewässer den Überprüfung der gesetzlichen Zielen und Anforderungen des Gewässerschutzgesetzes vom 24. Januar 1991 und den Ziele und Anforderungen zugehörigen Verordnungen entspricht. Gemäss Artikel 50 GSchG und Artikel 49 GSchV sind der Bund und die Kantone verpflichtet, die Öffentlichkeit über den Zustand der Gewässer zu informieren. Die sachkundige Interpretation der Resultate von Gewässeruntersuchungen liefert den Behörden die Entscheidungsgrundlage für allenfalls notwendige Gewässerschutzmassnahmen. Dies bedingt, dass sich die Untersuchung und Beurteilung nicht auf eine einzelne, sondern auf mehrere Methoden aus allen betroffenen Bereichen abzustützen haben.

Seit mehreren Jahren wird auf Bundesebene an einem Vorgehen zur gesamtheitlichen Untersuchung und Beurteilung Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer gearbeitet. Die Methode besteht aus der Fliessgewässer verschiedenen Teilmethoden (Modulen), die aufeinander abgestimmt sind und die sich gegenseitig ergänzen. Mit Ausnahme des Moduls «Äusserer Aspekt» kann jedes Modul unabhängig von den übrigen Methoden angewandt werden. Durch das übergeordnete Konzept wird sichergestellt, dass sich die Erhebungen der verschiedenen Module ergänzen. Die Liste der zur Methode gehörenden Module ist offen. Im Rahmen dieses Konzeptes werden verschiedene Methoden bzw. Module zur Beurteilung von Schweizer Fliessgewässern in den drei Bereichen Hydrodynamik und Morphologie, Biologie sowie chemische und toxische Effekte vorgestellt.

Ein wesentliches Element des Modul-Stufen-Konzeptes ist die Unterteilung in drei Erhebungsstufen Stufen unterschiedlicher Bearbeitungsintensität, damit die Erhebungen je nach Bedarf und Zielsetzung verschieden detailliert durchgeführt werden können:

F: «Flächendeckend», d.h. alle Fliessgewässer mit den wichtigsten Zuflüssen, wenige Stufe F Schlüsselparameter, angepasste Untersuchungstiefe; geringerer Aufwand pro Einzeluntersuchung. Ziel: Flächendeckender Überblick über den ökologischen Gewässerzustand und die ökologischen Defizite. S: «Systembezogen», d. h. ganze Fliessgewässer mit ihren Zuflüssen; grössere Anzahl Stufe S an Parametern, mittlere Untersuchungstiefe; mittlerer Aufwand pro Einzeluntersuchung. Ziel: Detaillierte Erfassung des Gewässerzustandes mit Defizitanalyse und Herleitung von Massnahmeplänen. A: «Abschnittsbezogen», d.h. bestimmte Bereiche eines Fliessgewässers; angepasst an Stufe A konkrete Fragestellungen; lokal aufwändige Erhebungen. Ziel: Beantwortung von Detailfragen.

1 > Einleitung 9

Im Basisbericht zum Modul-Stufen-Konzept, welcher in der Schriftenreihe «Umwelt- Weitere Methoden Vollzug, Mitteilungen zum Gewässerschutz, Nr. 26» des BUWAL publiziert wurde, werden das Prinzip der Module und Stufen sowie die gesetzlichen und ökologischen Grundlagen erläutert. Die verschiedenen Module sollen in einzelnen Teilpublikationen im Rahmen der gleichen Schriftenreihe vorgestellt werden, wie zum Beispiel Ökomorphologie – Stufe F (flächendeckend), Fische – Stufe F, Kieselalgen – Stufe F und die Methode Äusserer Aspekt. Weitere Methoden des Konzeptes erscheinen in loser Reihenfolge im Rahmen der Schriftenreihen des BAFU. Entwürfe zu den Modulen Ökomorphologie – Stufe S, Makroinvertebraten – Stufe F und Hydrologie, Stufe F sind im Internet unter der Adresse www.modul-stufen-konzept.ch abgelegt. Weitere Entwürfe werden folgen, sobald diese als Grundlage für eine Erprobungsphase genügen.

1.2 Rechtliche Grundlagen

Die vorliegende Publikation konkretisiert das Vorgehen bei der Erhebung chemisch- Anforderungen nach Anhang 2 physikalischer Parameter an Gewässern und bei der Beurteilung, ob die Anforderungen der Gewässerschutzverordnung an die Wasserqualität gemäss Gewässerschutzverordnung (GSchV), Anhang 2 Ziffern 11 und 12 eingehalten sind. Die Festlegung der Art und Weise der Erhebungen – soweit diese über Vorschriften in der Gewässerschutzverordnung nicht bereits vorgegeben sind – und die Bewertung der Resultate sind gemäss den Artikeln 47 GSchV und

48 GSchV Aufgabe der Kantonsbehörde:

Art. 47 Vorgehen bei verunreinigten Gewässern Artikel 47 der Gewässerschutz- Stellt die Behörde fest, dass ein Gewässer die Anforderungen an die Wasserqualität nach verordnung Anhang 2 nicht erfüllt oder dass die besondere Nutzung des Gewässers nicht gewährleistet ist, so: a. ermittelt und bewertet sie die Art und das Ausmass der Verunreinigung; b. ermittelt sie die Ursachen der Verunreinigung; c. beurteilt sie die Wirksamkeit der möglichen Massnahmen; d. sorgt sie dafür, dass gestützt auf die entsprechenden Vorschriften die erforderlichen Massnahmen getroffen werden. Sind mehrere Quellen an der Verunreinigung beteiligt, so sind die bei den Verursachern erforderlichen Massnahmen aufeinander abzustimmen.

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 10

Art. 48 Untersuchungen und Ermittlungen Artikel 48 der Gewässerschutz- Untersuchungen und Ermittlungen richten sich nach den anerkannten Regeln der Tech- verordnung nik; als solche gelten insbesondere die entsprechenden Normen des CEN (Europäisches Komitee für Normung) 1 oder andere Normen, die gleichwertige Ergebnisse liefern. Soweit diese Verordnung keine Vorschriften über die Art und Häufigkeit der Probenahmen und die Ermittlung der Einhaltung der Anforderungen enthält, legt dies die Behörde im Einzelfall fest.

1.3 Ziel dieser Publikation

Im Folgenden werden chemisch-physikalische Untersuchungen auf Stufe F behandelt – Nährstoffe insbesondere die Nährstoffe. Die Aufnahme des äusseren Aspektes eines Fliessgewässers gemäss GSchV, Anhang 2 Ziffer 11 wird gemäss einem separaten Modul erhoben. Deshalb wird der äussere Aspekt (Kolonien von Bakterien Pilzen oder Protozoen; unnatürliche Wucherungen von Algen oder höheren Wasserpflanzen; Schlamm; Trübung; Verfärbung; Schaum; Geruch; etc.) im Rahmen dieser Publikation nicht behandelt.

Der Anhang 2 GSchV gibt Anforderungen vor für Stoffe, die in der Umwelt zu Problemen führen. Das vorliegende Modul «chemisch-physikalische Erhebungen» gibt Hinweise auf Auswahl, Probenahme und Beurteilung solcher Stoffe. Die Problematik der organischen Spurenstoffe (Mikroverunreinigungen) wird in einer zusätzlichen Methode behandelt werden, wenn die gesetzlichen Vorgaben (GSchV Anhang 2) angepasst sind. Im Rahmen der Strategie des BAFU zur Reduktion der organischen Spurenstoffe aus der Siedlungsentwässerung werden diese Anpassungen notwenig.

Die vorliegende Publikation macht zudem Vorschläge für die numerische Konkretisie- Zielvorgaben für verbale rung von Anforderungen, im Folgenden auch Zielvorgaben genannt, die in der GSchV Anforderungen nur verbal festgelegt sind. Diese zusätzlichen Zielvorgaben sind als Empfehlung gedacht. Falls die kantonale Fachbehörde nachweist, dass andere Werte für diese Zielvorgaben ebenfalls einem rechtskonformen Vollzug entsprechen, kann sie deshalb davon abweichen.

1 Bezugsquelle: Schweizerische Normen-Vereinigung (SNV), Bürglistr. 29, 8400 Winterthur

2 > Erhebungen chemisch-physikalischer Parameter 11

2 > Erhebungen chemisch-physikalischer Parameter

2.1 Strategie

Erhebungen chemisch-physikalischer Parameter in Fliessgewässern sind mit klaren Zielsetzungen zu planen. Nur so sind auch eindeutige Resultate zu erwarten. Erst wenn die für eine Fragestellung bestimmenden Parameter, Einflussgrössen und Anforderungen bekannt sind, kann eine den gegebenen Verhältnissen lokal, zeitlich und methodisch angepasste Gewässeruntersuchung durchgeführt werden.

Erhebungen, die Antworten auf solche Fragen geben, zu reproduzierbaren Resultaten führen und Handlungsbedarf aufzeigen, umfassen folgende Schritte:

> Einzugsgebiet festlegen > Liste der mindestens zu messenden Parameter festlegen, mit Fokus auf Stoffe die auf anthropogenen Einfluss reagieren, beispielsweise Nährstoffe. > Messstellen auswählen, die gut zugänglich sind und bei denen die Wasserkörper gut gemischt sind (vgl. el. Leitfähigkeit). Bei der Auswahl sind bereits vorhandene Kenntnisse des chemischen Zustandes des Fliessgewässers und der Standorte der Stoffquellen zu berücksichtigen. > Erhebungsfrequenz: Mindestens 12 Stichproben/Jahr. > Proben kühlen (< 4 °C), sonst können die labilen Stickstoffparameter nicht beurteilt werden > 90. Perzentil berechnen und Klassierung vornehmen nach Kapitel 3.3.2

2.2 Einzugsgebiet und Umfeld

Bevor chemische Untersuchungen aufgenommen werden, ist das Einzugsgebiet eines Spezialuntersuchungen bei Gewässers zu analysieren. Bei eindeutig erkennbaren Problemfällen – beispielsweise Problemfällen im Einzugsgebiet an grösseren oder überlasteten Kläranlagen, insbesondere falls die Verdünnung in den Vorflutern zu klein ist – kann es sinnvoll sein, anstelle der Untersuchungen gemäss diesem Modul kampagnenmässig direkt vertiefte Erhebungen an kritischen Objekten durchzuführen.

Meist zeigen Defizite in den Bereichen Wasserchemie und Morphologie auch Auswirkungen in der Biologie. Im umgekehrten Fall, d. h. wenn Defizite in der Biologie ausgewiesen werden, nicht aber bei der Morphologie und der Chemie, kann es notwendig werden, die Parameterliste im Modul Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe, gezielt auszuweiten, die Probenahmeart anzupassen oder die Probenamefre-

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 12

quenz zu erhöhen. Daher werden chemische Untersuchungen idealerweise in einem modulübergreifenden Erhebungsplan integriert. Die Beurteilung der Resultate muss dann entsprechend ebenfalls modulübergreifend erfolgen.

2.3 Vorgehen

2.3.1 Fragestellung und Zielsetzung

Die Planung der Untersuchungen soll von konkreten Fragen ausgehen:

> Welches Ziel haben die vorgesehenen Untersuchungen? Gibt es offene Fragen? Quellen im Einzugsgebiet > Welche Parameter können auf die bestehenden Fragen Antwort geben? > Welche Belastungsquellen sind in den Einzugsgebieten dieser Gewässerabschnitte festzustellen? Welche weiteren Einflussgrössen könnten die Wasserinhaltsstoffe beeinflussen? > Falls Abwassereinleitungen vorhanden sind: Wie sind die hydraulischen Verhältnisse im Gewässerabschnitt; nach welcher Fliessstrecke kann mit vollständiger Durchmischung gerechnet werden? siehe auch unter Anhang A1: Elektrische Leitfähigkeit. > Sind ober- oder unterhalb der möglichen Probenahmestelle bereits Daten erhoben Frühere Untersuchungen ? worden? Welche Probleme und Defizite werden durch die Interpretation dieser Daten erkennbar? > Mit welchem Aufwand muss gerechnet werden für die Probenahme, das Erheben und das Auswerten der Daten? > Sind 12 Stichproben pro Jahr richtig oder müsste entsprechend der Problematik eine andere Probenahmeart oder -frequenz gewählt werden (siehe Anhang A2)?

2.3.2 Probenahmestellen

Der Wahl der Probenahmestellen ist besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Die Stabiles Umfeld über längere Zeit Festlegung der Probenahmestellen ist häufig erst nach dem Abschreiten der Gewässerabschnitte möglich. Für die Ermittlung der Veränderung innerhalb bestimmter Zeiträume, sollten Untersuchungen möglichst an denselben Orten durchgeführt werden, damit auch nach längerer Zeit entsprechende Vergleiche möglich bleiben. Werden Probenahmen über mehrere Jahre vorgesehen, sind deshalb dafür Stellen auszusuchen, deren unmittelbare Umgebung voraussichtlich möglichst wenig verändert wird, d. h. beispielsweise keine Probenahmestellen an Orten mit aktiver oder geplanter Bautätigkeit.

Der Aufwand bei der Probenahme muss in einem vernünftigen Verhältnis stehen zu Zugänglichkeit der Probenahmeden möglichen Aussagen bei einer Beurteilung der Messwerte; in diesem Zusammen- stellen hang ist auch die Zugänglichkeit der Probenahmestellen von entscheidender Bedeutung, d. h. diese sollten auch im Winter mit einem Fahrzeug erreichbar sein.

2 > Erhebungen chemisch-physikalischer Parameter 13

Die Auswahl der Probenahmestellen richtet sich nach der Grösse eines Gewässers, nach der zu erwartenden Belastung und nach den Probenahmekonzepten der Fachstellen.

Bei lokalen Problemen an kleineren Gewässern kann sich ein engmaschiges Netz als notwendig erweisen. Chemisch-physikalische Erhebungen sind zweckmässigerweise vor dem Zusammenfluss mit grösseren Gewässern sowie ober- und unterhalb kritischer Belastungsquellen durchzuführen. Im Allgemeinen erübrigt sich bei grösseren Flüssen ein dichtes Messstellennetz, weil kleine Belastungsänderungen im Fluss wegen der grossen Verdünnung nicht nachgewiesen werden können.

Sinnvollerweise sind für unterschiedliche Module, die auf punktförmige Untersuchun- Identische Stellen für weitere gen beruhen, die Stellen möglichst identisch oder in der Nähe zu wählen (Chemisch Methoden? physikalische Erhebungen, Kieselalgen, Makrozoobenthos, Fische, …).

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 14

3 > Beurteilungsverfahren

3.1 Generelles

Die Bewertung erfolgt anhand eines Vergleichs der Anforderungen gemäss GSchV, Gewässerschutzverordnung Anhang 2 Ziffern 11 und 12 oder den Zielvorgaben, die im Kapitel 3.2 vorgestellt Anhang 2 Ziffern 11 und 12 werden mit einem statistischen Schätzwert, der aufgrund der erhobenen Messwerte berechnet wird. Die Beurteilung der Bewertung und die Planung von Massnahmen zur Behebung der festgestellten Defizite erfolgt ebenfalls gemäss den Vorschriften der GSchV, beispielsweise Artikel 47.

Die Aussagekraft der Messungen ist nicht nur abhängig von der Messfrequenz und der zeitlichen Verteilung der Probennamezeiten, sondern auch von der Art der Probenahme. Weitere Angaben dazu sind im Anhang A2 dieser Publikation zu finden.

Frachtberechungen für Parameter, die auch partikulär gebundene Komponenten ent- Hochwasserereignisse und halten, wie TOC, Gesamt-N und Gesamt-P, sind nicht möglich, falls vor allem bei Frachtberechnungen Mittel- und Niedrigwasser gemessen worden ist. Falls die Frachtberechnung ein Ziel ist, muss die Probenahme deshalb vermehrt auch auf Hochwasserereignisse ausgedehnt werden.

Als Grobscreening wird in Anhang A4 ein vereinfachtes Verfahren vorgestellt, für Grobscreening in Anhang A4 Stellen an wenig belasteten Gewässern, die noch nicht oder nur selten beprobt worden sind.

3.2 Chemisch-physikalische Messgrössen

Die vorliegende Methode macht keine Aussagen zur chemischen Analytik. Die Labora- Analysenvorschriften der kantotorien der kantonalen Gewässerschutzfachstellen der Schweiz haben Analysevorschrif- nalen Gewässerschutzfachstellen ten für alle nachfolgend erwähnten Parameter ausgearbeitet (http://www.labeaux.ch/).

Speziell zu beachten ist der Unterschied zwischen den numerischen Anforderungen Zielvorgaben nur als Empfehlung (GSchV Anhang 2 Ziffer 12 Absatz 5), die gesetzlich verbindlich sind, und zusätzlichen, nur in dieser Publikation erwähnten Zielvorgaben (Tab. 1 und Tab. 4) aufgrund verbal formulierter Anforderungen gemäss GSchV Anhang 2 Ziffer 11 und 12 Absatz 1 bis 3. Da es sich bei dieser Publikation um eine Vollzugshilfe handelt, sind diese Zielvorgaben als Empfehlung zu werten. Dies betrifft insbesondere Nitrit und Ammoniak 2 (GSchV Anhang 2 Ziffer 12 Absatz 1):

2 Entsprechend der Abbildung 1 wurden die Anforderungen an Ammonium (GSchV Anhang 2 Ziffer 12 Absatz 5 Nr. 5 erweitert unter

Berücksichtigung des pH-Wertes

3 > Beurteilungsverfahren 15

«Die Wasserqualität muss so beschaffen sein, dass: a. sich in der Gewässersohle keine von blossem Auge sichtbaren Eisensulfidflecken bilden; besondere natürliche Verhältnisse bleiben vorbehalten; b. die Nitrit- und Ammoniak-Konzentrationen die Fortpflanzung und Entwicklung empfindlicher Organismen, wie Salmoniden, nicht beeinträchtigen.»

Für stehende Gewässer wird die Nährstoffkonzentration festgelegt (GSchV Anhang 2 Verbale Anforderung für Ziffer 13 Absatz 2): «Der Nährstoffgehalt darf höchstens eine mittlere Produktion von Phosphor nur bei stehenden Biomasse zulassen; …». Gesamt-Phosphor und bioverfügbarer Phosphor sind im Ein- Gewässern zugsgebiet belasteter Seen somit zu erheben und zu klassieren. Falls auch Frachtabschätzungen oder -berechnungen vorgenommen werden sollen, dürfen Hochwasserereignisse nicht vernachlässigt werden, denn erhöhte Partikelfrachten und Entlastungen aus dem Kanalsystem sind bei schnell ansteigendem Abfluss zu erwarten. Die biologische Aktivität der Fliessgewässer unterhalb der Seen ist in der Regel nicht phosphorlimitiert. Diese Fliessgewässer werden durch höhere P-Gehalte kaum negativ beeinflusst, hier dient Phosphor primär als Indikator für anthropogene Belastungen. Eine Beurteilung der P-Verbindungen unterhalb der Seen ist somit auch nicht unbedingt notwendig.

Die Parameterliste umfasst:

> Gesamter Phosphor, unfiltriert (ev. Gesamter Phosphor, filtriert) > Ortho-Phosphat > Nitrat > Nitrit > Ammonium > Gelöster organischer Kohlenstoff, DOC > pH-Wert > Temperatur > Abflussmenge (ev. geschätzt), zur Charakterisierung der Messstelle (Abfluss im Mittel, bei Hochwasser und bei Trockenwetter) > Sauerstoff

Mögliche zusätzliche Parameter (je nach Fragestellung und Einflussfaktoren [siehe Kapitel 3.3.3]):

> Elektrische Leitfähigkeit (Im Transekt zur Beurteilung der Durchmischung) > Chlorid > Gesamt-Stickstoff > Gesamter organischer Kohlenstoff, TOC > Biochemischer Sauerstoffbedarf, BSB 5 > Geochemische Parameter, Alkalinität oder Gesamthärte > Schwermetalle > (Pestizide; bevorzugt in Form von Messkampagnen)

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 16

Insbesondere bei geochemischen Parametern, die zwar in Abhängigkeit von Tempera- Probenahmefrequenz für geogene tur und Abfluss innerhalb eines Jahres deutlich ändern, über die Jahre aber recht stabil Stoffe und Schwermetalle bleiben, darf die Probenahmefrequenz geringer sein als bei den übrigen Parametern. Analoges gilt für die Schwermetalle, da die numerischen Anforderungen – mit Ausnahme von Cu und Zn – in der Wasserphase unserer Gewässer meist eingehalten werden. Diese können somit alle 5 bis 10 Jahre in Form einer Kampagne überprüft werden. Die Untersuchung der Pestizide und anderer organischer Spurenstoffe (Mikroverunreinigungen) wird in Kapitel 1.3 erwähnt (Ergänzung in einer zusätzlichen Methode).

Tab. 1 > Zusätzliche numerische Zielvorgaben 3 Zielvorgaben als Ergänzung der Anforderungen nach GSchV, Anhang 2, Ziffer 12, Absatz 5

Inhaltsstoff Ortho-P Gesamt-Phoshor Gesamt-N Nitrit-N TOC Filtr./Unfiltr. [mg/L] 0,04 0,05 / 0,07 7,0 0,05 3,0–5,0

3.3 Auswertung und Beurteilung

3.3.1 Schätzwerte

Um eine Bewertung einer Gewässerstelle vornehmen zu können, muss aus den er- Vergleich mit Anforderungen mittelten Werten auf Basis eines normierten statistischen Verfahrens ein «repräsentati- der Gewässerschutzverordnung ver» Wert oder statistischer Schätzwert errechnet werden. Dieser wird dann in Bezug zur Anforderung gesetzt, wie sie beispielsweise in GSchV, Anhang 2 Ziffer 12 formuliert ist. Der Schätzwert ist eine kritische Grösse. Die Zustandsbeurteilung des Gewässers ist vom dabei angewendeten statistischen Verfahren direkt abhängig. Schätzwerte können sein: Arithmetischer Mittelwert, geometrischer Mittelwert, Median oder andere Perzentile.

Bei der Bestimmung chemischer Parameter ist es häufig schwierig, Fehlmessungen von Fehlmessungen (Ausreisser) tatsächlichen Ereignissen zu unterscheiden. Auffällige hohe Werte können alleiniger Hinweis sein für Probleme im Einzugsgebiet. Der Beizug zusätzlicher chemischer und physikalischer Parameter kann bei dem Entscheid helfen, ob Werte verworfen werden sollen; oft ist dies aber trotz fundierter Kenntnis der Einflussfaktoren im Einzugsgebiet nicht eindeutig möglich. Die gebräuchlichen Verfahren zur Bestimmung der Schätzwerte (Mittelwerte, Perzentile) berücksichtigen sehr grosse Werte, «Extremwerte», aber unterschiedlich stark.

3 Da es sich bei dieser Publikation um eine Vollzugshilfe handelt, sind diese zusätzlichen Zielvorgaben als Empfehlung gedacht. Sie sind

somit rechtlich nicht verbindlich.

3 > Beurteilungsverfahren 17

GSchV Anhang 2 Ziffer 12 sieht folgende Ausnahmen vor: besondere natürliche Ver- Seltene Hochwasserspitzen oder hältnisse wie Wasserzufluss aus Moorgebieten, seltene Hochwasserspitzen oder seltene seltene Niederwassereignisse Niederwasserereignisse. Streng genommen sind Schätzwerte nur dann verordnungskonform, wenn die bei deren Berechnung nicht berücksichtigten Extremwerte mit den Ausnahmen nach Ziffer 12 in einen eindeutigen Zusammenhang gebracht werden können. Nur falls die Abflussmengen mit erhoben wurden, ist eine solche Zuordnung auch im Nachhinein möglich. GSchV Anhang 2 Ziffer 12 präzisiert den Begriff «seltene Hochwasserspitzen» nicht. Bei grösseren Regenereignissen, beispielsweise bei stärkeren Sommergewittern, werden Trübstoffe mobilisiert, was grosse Auswirkungen auf die Gehalte der Wasserinhaltsstoffe zur Folge hat. Ist der Trübstoffgehalt sehr gross, müssen solche Ereignisse bereits als Ausnahmesituationen gelten. Gerade sie sind aber bei der Beurteilung beispielsweise der Gesamtphosphorfrachten besonders wichtig. «Seltene Niederwasserereignisse» gemäss GSchV sind nach Trockenperioden, die länger dauern als 1 bis 2 Monate (je nach Wasservorrat im Einzugsgebiet) häufig ebenfalls erreicht.

Wesentlich bei allen Überlegungen zur Ableitung von Schätzwerten ist die Verteilung der Messwerte, die zur Beurteilung am besten graphisch dargestellt wird, beispielsweise durch Auftragen der Werte in Form von Summenhäufigkeiten. Weitere Angaben über Schätzgrössen empirisch ermittelter Messdaten und Probleme bei deren Ermittlung gibt auch Kapitel 60 des schweizerischen Lebensmittelbuches (Bundesamt für Gesundheitswesen, BAG, 1989).

Perzentile geben an, ab welchem Wert ein bestimmter Prozentsatz der Ergebnisse Perzentile, Median erreicht oder überschritten wird. Der Median beispielsweise ist der 50. Perzentilwert, d. h. die Hälfte der erhobenen Messwerte sind kleiner oder gleich dem Median. Klar ersichtlich werden die Perzentile beim Auftragen der Summenhäufigkeitsverteilung. Sie eignen sich zur Ermittlung geeigneter Schätzwerte insbesondere bei nicht normal- oder logarithmisch normal verteilten Messwerten besser als die Mittelwerte. Mit den heute verfügbaren Tabellenkalkulationsprogrammen ist die Berechnung einfach möglich; eine Abschätzung der Streuungsbreite der berechneten Werte ist allerdings nicht trivial.

Um die Vergleichbarkeit der Resultate von Fliessgewässeruntersuchungen verschiedener Fachstellen zu verbessern, wird als statistischer Schätzwert generell das 90. Perzentil für mindestens 12 Stichproben vorgeschlagen.

3.3.2 Klassierung

In Anlehnung an die EU-Wasser-Rahmenrichtlinie (2000/60/EG) vom 23. Oktober 5 Zustandsklassen 2000 wird im Modul-Stufen-Konzept eine Einteilung in fünf Kategorien, resp. Zustandsklassen vorgenommen:

sehr gut / gut / mässig / unbefriedigend / schlecht

Die Kategorien, resp. Zustandsklassen werden gemäss Tabelle 2 festgelegt.

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 18

Tab. 2 > Beurteilung der Messwerte, Einteilung in Klassen des chemischen Zustandes

Beurteilung Bedingung/Beschreibung Einhaltung Zielvorgabe Klassierung generell

sehr gut Der Schätzwert 4 (S) ist kleiner S<½Z als die halbe Zielvorgabe (Z) 5 Zielvorgabe eingehalten gut der Schätzwert (S) ist kleiner als die ½Z≤S<Z Zielvorgabe (Z) mässig der Schätzwert (S) ist kleiner als die Z ≤ S < 1,5 * Z eineinhalbfache Zielvorgabe (Z) unbefriedigend der Schätzwert (S) ist kleiner als die 1,5 * Z ≤ S < 2 * Z Zielvorgabe überschritten doppelte Zielvorgabe (Z) (nicht eingehalten) schlecht der Schätzwert (S) ist gleich wie oder S≥2*Z grösser als die doppelte Zielvorgabe (Z)

Im Folgenden werden die Werte für die einzelnen Parameter getrennt dargestellt. Wenn Abweichungen von dem in Tabelle 2 beschriebenen proportionalen Ansatz auftreten, werden diese in einer Fussnote erläutert.

Tab. 3a > Klassierung des chemischen Zustandes Klassierung nach Parametern

Beurteilung Ortho-P Gesamt-P unfiltriert 6 Gesamt-P filt. sehr gut bis < 0,02 Bis < 0,04 bis < 0,025 gut 0,02 bis < 0,04 0,04 bis < 0,07 0,025 bis < 0,05 mässig 0,04 bis < 0,06 0,07 bis < 0,10 0,05 bis < 0,075 unbefriedigend 0,06 bis < 0,08 0,10 bis < 0,14 0,075 bis < 0,10 schlecht 0,08 und mehr 0,14 und mehr 0,10 und mehr

Tab. 3b > Klassierung des chemischen Zustandes

Beurteilung Nitrit [mg/L N] 7 Nitrit [mg/L N] Nitrit [mg/L N] sehr gut bis < 0,01 bis < 0,02 bis < 0,05 gut 0,01 bis < 0,02 0,02 bis < 0,05 0,05 bis < 0,10 mässig 0,02 bis < 0,03 0,05 bis < 0,075 0,10 bis < 0,15 unbefriedigend 0,03 bis < 0,04 0,075 bis < 0,10 0,15 bis < 0,20 schlecht 0,04 und mehr 0,10 und mehr 0,20 und mehr

4 Die Wahl eines geeigneten Schätzwertes richtet sich nach der Verteilung der Werte und nach der Fragestellung. Das 90.Perzentil wird

als Standard vorgeschlagen.

5 Zielvorgaben sind hier die numerischen Anforderungen gemäss Anhang 2 GSchV und die zusätzlichen Zielvorgaben nach Tabellen 1

und 4 6 Bei grossem Anteil an Apatit können die Klassengrenzen entsprechend angepasst werden.

7 Als Zielvorgabe gelten jeweils die Werte aus Tabelle 4, Anhang 1. Das Kapitel «Parameterabhängige Zielvorgaben», Anhang 3, erläutert

das mathematische Vorgehen.

3 > Beurteilungsverfahren 19

Tab. 3c > Klassierung des chemischen Zustandes

Beurteilung Ammonium 8 Ammonium Nitrat 9 sehr gut bis < 0,04 bis < 0,08 bis < 1,5 gut 0,04 bis < 0,2 0,08 bis < 0,4 1,5 bis < 5,6 mässig 0,2 bis < 0,3 0,4 bis < 0,6 5,6 bis < 8,4 unbefriedigend 0,3 bis < 0,4 0,6 bis < 0,8 8,4 bis < 11,2 schlecht 0,4 und mehr 0,8 und mehr 11,2 und mehr

Tab. 3d > Klassierung des chemischen Zustandes

Beurteilung Gesamt-N BSB 5 10 DOC 11 TOC 15 sehr gut bis < 2,0 bis < 2,0 bis < 2,0 Bis < 2,5 gut 2,0 bis < 7,0 2,0 bis < 4,0 2,0 bis < 4,0 2,5 bis < 5,0 mässig 7,0 bis < 10,5 4,0 bis < 6,0 4,0 bis < 6,0 5,0 bis < 7,5 unbefriedigend 10,5 bis < 14,0 6,0 bis < 8,0 6,0 bis < 8,0 7,5 bis < 10,0 schlecht 14,0 und mehr 8,0 und mehr 8,0 und mehr 10,0 und mehr

3.4 Koordinierte Beobachtung der Oberflächengewässer

Das Projekt «Koordinierte Beobachtung der Oberflächengewässer» der KVU und des Vergleichbarkeit der Erhebungen BAFU will die Vergleichbarkeit von Erhebungen über grössere Gebiete verbessern und verschiedener Fachstellen antwortet daher auf bestimmte Fragestellungen mit koordinierten Konzepten. Für die Erhebungen der in Kapitel 3.2 beschriebenen chemischen Messgrössen werden 12 Stichproben pro Jahr als Erhebungsstandard vorgegeben, dies soll die Vergleichbarkeit über die Kantonsgrenzen hinaus fördern. Falls nicht eine spezifische Fragestellung eine spezielle Probenahmezeit erfordert, soll soweit möglich auf eine zufällige zeitliche Verteilung der Probenahmen (Tageszeit, Wochentage) geachtet werden.

8 Ammonium umfasst die Summe von NH4+-N und NH3-N. Bei Temperaturen über 10 °C oder pH-Werten über 9 werden wegen der Protolyse von NH4+-N und der Erhöhung des Ammoniakanteiles deshalb verschärfte Kriterien angewendet. Längerfristige Ammoniak-Konzentrationen ab 0.008 mg/L N können für Eier und Brut von Edelfischen toxisch sein; 0.02 mg/L N sollten nicht überschritten werden. Das Kapitel «Parameterabhängige Zielvorgaben», Anhang 3, erläutert das mathematische Vorgehen. Wenn die Temperatur nicht bestimmt worden ist, gelten die verschärften Kriterien. Wenn der pH-Wert nicht bestimmt worden ist, wird nur die Temperatur berücksichtigt.

9 Für Nitrat wurde die Klassengrenze zwischen «sehr gut» und «gut» aufgrund ökologischer Überlegungen gemäss GSchV Anhang 1

Ziffer 1 Absatz 3c auf 1.5 mg/L N reduziert und weicht somit von einem proportionalen Ansatz ab; die Anforderung GSchV, Anhang 2 Ziffer 12 von 5.6 mg/L N orientiert sich an der Trinkwassernutzung. Mit einem proportionalen Ansatz wäre die Klassengrenze für «sehr gut» 1 mg/L N. Die natürliche Hintergrundbelastung ist aber noch kleiner.

10 In natürlicherweise wenig verschmutzten Gewässern kann auch strenger bewertet werden. Die Gewässerschutzverordnung trägt dem

durch einen Anforderungsbereich von 2 bis 4 mg/L O2 Rechnung. Bei günstigen Randbedingungen sind deshalb entsprechend kleinere Werte einzusetzen – für die einzelnen Beurteilungsklassen proportional.

11 In Abflüssen von Mooren und Seen finden sich erhöhte DOC-Konzentrationen natürlichen Ursprungs. Im Herbst kann der DOC/TOC-

Gehalt auch durch den Abbau des in die Gewässer gelangten Laubes erhöht sein. Die Gewässerschutzverordnung trägt dem durch einen Anforderungsbereich von 1 bis 4 mg/L DOC Rechnung. Deshalb wird für TOC ein Bereich von 2 bis 5 mg/L TOC vorgeschlagen. Bei günstigen Randbedingungen sind deshalb entsprechend kleinere Werte einzusetzen – für die einzelnen Beurteilungsklassen proportional.

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 20

> Anhang A1 Charakterisierung der Messgrössen

A1-1 Bemerkungen zu den einzelnen Messgrössen

Phosphor gelangt diffus aus der Landwirtschaft und punktuell über Abwassereinleitun- Gesamt-Phosphor (P tot ) gen und Regenüberläufe in die Gewässer. Der Ausbau der Abwasserreinigung und das 1986 in Kraft getretene Phosphatverbot in Textilwaschmitteln haben zu einer Reduktion des Phosphateintrages in die Oberflächengewässer geführt.

Phosphor ist essentieller Nährstoff für Wasserorganismen. Da er natürlicherweise nur Phosphor als limitierender in geringen Mengen in Gewässersysteme gelangt, ist die Zufuhr aus anthropogenen Wachstumsfaktor Quellen bestimmend für das Ausmass des aquatischen Pflanzenwachstums. Sollen für die Beurteilung Anhaltspunkte über die Herkunft des Phosphors gewonnen werden, ist der Gesamt-Phosphor in der filtrierten und unfiltrierten Probe zu bestimmen. Für Seen sind der Gesamtphosphor im Filtrat in den Zuflüssen und der Gesamtphosphor roh (unfiltriert) im Ablauf direkt einleitender Abwasserreinigungsanlagen massgebend. Im Filtrat finden sich anorganische und organische Phosphate: Orthophosphat, Polyphosphat (z. B. aus Reinigungsmitteln, Geschirrspülmitteln), organischer Phosphor pflanzlicher und tierischer Herkunft und organischer Phosphor aus Reinigungsmitteln (Phosphonate). Ungelöste Phosphorverbindungen im Filterrückstand stammen aus biologischem Material (z. B. Algen) oder es handelt sich um partikuläre Phosphorverbindungen aus der Erosion des Bodens oder der Verwitterung der Gesteine (z. B. Apatit, welches nicht direkt bioverfügbar ist).

Es gibt in der GSchV nur verbale Anforderungen an stehende Gewässer und numeri- Keine gesetzlichen Anforderunsche Anforderungen an Emissionen. Der Vorschlag einer Zielvorgabe 12 macht deshalb gen für Fliessgewässer oberhalb von Seen Sinn. Fliessgewässer unterhalb der Seen werden durch höhere P-Gehalte kaum negativ beeinflusst, hier dient Phosphor primär als Indikator für anthropogene Belastungen: 0,07 mg/L P unfiltriert; bei grossem Apatitanteil kann dieser Wert entsprechend höher angesetzt werden und muss dann aber durch Messungen des gesamten, gelösten Phosphors in der filtrierten Probe (Zielvorgabe: 0,05 mg/L P) ergänzt werden.

Gesamt-P (unfiltriert) ist wichtig für Frachtberechnungen. Dabei sind vermehrt auch Gehalte bei hohen Abflusswerten zu berücksichtigen (siehe Anhang A2).

Die biologische Aktivität der Fliessgewässer unterhalb der Seen ist in der Regel nicht phosphorlimitiert. Diese Fliessgewässer werden durch höhere P-Gehalte kaum oder allenfalls in sehr langsam fliessenden Flussabschnitten negativ beeinflusst; hier dient

12 Da es sich bei dieser Publikation um eine Vollzugshilfe handelt, sind diese Zielvorgaben als Empfehlung gedacht; sie sind in den

Anforderungen an die Wasserqualität gemäss GSchV Anhang 2 Ziffer 12 in dieser Form nicht enthalten.

> Anhang 21

Phosphor somit primär als Indikator für anthropogene Belastungen. Somit liegt es im Ermessensspielraum der kantonalen Gewässerschutzfachstellen, unterhalb der Seen die Zielvorgaben bezüglich Phosphor und Orthophosphat anzupassen oder auf eine Beurteilung zu verzichten.

Orthophosphat stellt die für Pflanzen physiologisch direkt wirksame Phosphorkompo- Orthophosphat (PO 4 -P) nente dar und ist ein Indikator für die anthropogene Belastung eines Gewässers. (Keine Anforderung in GSchV; Vorschlag einer Zielvorgabe: 0,04 mg/L P).

Für Abwasserreinigungsanlagen, unterhalb der Seen, welche nicht im Einzugsgebiet des Rheins liegen oder unter 10 000 EW belastet sind, gibt es keine Anforderungen für Phosphor. Nach guter Nachklärung liegt Phosphor im ARA-Auslauf vor allem als gelöste Fraktion vor. Wenn das Verdünnungsverhältnis in einem Vorfluter nur 1:10 beträgt, kann es vorkommen, dass die Konzentration an Orthophosphat grösser wird als die obengenannte Zielvorgabe, obwohl die betreffende Abwasserreinigungsanlage die Anforderungen der Gewässerschutzverordnung einhält. Die Zielvorgaben dieser Publikation sind, soweit sie mit den Anforderungen gemäss GSchV Anhang 2 Ziffer 12 nicht übereinstimmen, gesetzlich nicht verbindlich.

Gesamt-Stickstoff als Summe aller Stickstoffparameter wird immer öfters als Ergän- Gesamt-Stickstoff (N tot ) zung oder auch als Ersatz für Nitrat gemessen. Durch die Erfassung von Gesamt-Stickstoff werden organische und partikuläre Stickstoffanteile erfasst. Partikulärer Stickstoff umfasst im wesentlichen organisches Material.

Wenn Gesamt-Stickstoff direkt ermittelt wird, kann auf die kompliziertere Messung des Kjeldahl-Stickstoffes verzichtet werden, der bisher zusammen mit den Nitrat- und Nitritgehalten die rechnerische Ermittlung des Gesamt-Stickstoffes ermöglichte. (Keine Anforderung in GSchV; Vorschlag einer Zielvorgabe: 7 mg/L N. Ein ökologisch begründeter Wert würde bei 3 bis 4 mg/L N liegen. Die Anforderung für Nitrat gemäss GSchV Anhang 2 Ziffer 12 verhindert dies.)

Stickstoff ist essentieller Nährstoff für Wasserorganismen und wird von den Pflanzen Nitrat (NO 3 -N) insbesondere über Nitrat aufgenommen. Der grösste Teil des anorganischen Stickstoffs liegt in Gewässern in Form von Nitrat vor. Eine Limitierung des Algen- und Pflanzenwachstums wegen geringen Nitratkonzentrationen ist für schweizerische Fliessgewässer die Ausnahme. Negative Auswirkungen auf die Lebensgemeinschaften in Oberflächengewässern durch Nitratgehalte unter 10 mg/L N werden nicht beobachtet. Nur falls Nitrat unter Sauerstoffmangel als Elektronenakzeptor (Oxidationsmittel) dient, können reduzierte Stickstoffverbindungen gebildet werden, die ihrerseits toxisch sind: Nitrit und Ammonium. Nitratgehalte über 1,5 mg/L N lassen meist auf Abschwemmung und Auswaschung von landwirtschaftlich genutzten Flächen und auch auf die Einleitung von kommunalen Abwässern schliessen. Die Anforderungen in der GSchV Anhang 2 Ziffer 12 an Gewässer, die der Trinkwassernutzung dienen, beträgt 5,6 mg/L N. Eine rein ökologisch orientierte Zielvorgabe (Nitrat als Indikator für Belastungen) gemäss GSchV Anhang 1 Ziffer 1 Absatz 3c müsste tiefer angesetzt werden, beispielsweise auf 2 mg/L N. Deshalb wurde die Klassengrenze zwischen «sehr gut» und «gut» in Abweichung von einem proportionalen Ansatz auf 1,5 mg/L N reduziert. Der Nitratgehalt des

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 22

Wassers, welches aus den Wäldern des Mittellandes exfiltriert, liegt bei 1 mg/L N und wird beeinflusst durch die Deposition von Stickstoffverbindungen aus der Atmosphäre. Die Gehalte in Seen und Seeausflüssen sind wegen den Denitrifikationsprozessen in Seen häufig nur etwa halb so gross. Die natürliche Hintergrundbelastung läge aber noch einmal deutlich tiefer, bei etwa 0,5 mg/l N im Mittelland und 0,2 mg/l N in alpinen Gebieten.

Nitrit ist biochemisch labil. Werden Proben in Flaschen abgefüllt und in einem Labor Nitrit (NO 2 -N) analysiert, ist mit einem substanziellen biologischen Abbau während des Transportes ins Labor zu rechnen. Bei hohen Ammonium-Werten in der Flasche kann über die Nitrifikation auch Nitrit erzeugt werden. Die Proben sollten deshalb kurze Zeit nach der Probenahme analysiert oder zumindest filtriert werden. Auf eine angemessene Kühlung (< 4 °C) nach der Probenahme und dem Transport ist zu achten. Die GSchV beschreibt nur verbale Anforderungen an den Nitritgehalt.

Nitrite sind stark fischgiftig, insbesondere für Salmoniden. Erhöhte Nitritkonzentratio- Fischtoxisches Nitrit nen können bei der biologischen Umsetzung von Ammonium zu Nitrat entstehen oder unter anaeroben Bedingungen bei der Denitrifikation von Nitrat zu gasförmigen N 2 O oder N 2 .

Die Messung des Nitrits ist angezeigt in Fischgewässern (Salmoniden- oder Laichgewässern) bei Ammoniumkonzentrationen über 0,2 mg/L. Da die Toxizität des Nitrits von der Chloridkonzentration abhängig ist, sollte diese ebenfalls bestimmt werden. Vorschlag für die Beurteilung der Nitritgehalte in Abhängigkeit des Chloridgehaltes:

Tab. 4 > Zielvorgaben für Nitrit in Salmonidengewässern13

Chloridgehalt Zielvorgabe 10–20 0,05

Das rechnerische Vorgehen zur Herleitung eines Schätzwertes unter Berücksichtigung wechselnder Zielvorgaben wird in «Parameterabhängige Zielvorgaben», Anhang A3 erläutert.

Die Ammoniumkonzentrationen geben Aufschluss über die Belastung eines Gewässers Ammoniak/Ammonium durch kommunale Abwässer und durch Einträge aus Abschwemmung und Auswa- (NH 3 -N, NH 4 -N) schung landwirtschaftlich genutzter Gebiete.

Ammonium ist chemisch nicht sehr stabil. Werden Proben in Flaschen abgefüllt und in einem Labor analysiert, ist über die Nitrifikation insbesondere bei kleineren Ammonium-Gehalten mit einem substantiellen biologischen Abbau während des Transportes ins Labor zu rechnen. Auf eine angemessene Kühlung (< 4 °C) bei der Probenahme und dem Transport ist zu achten.

> Anhang 23

Die analytische Bestimmung von Ammonium und die rechnerische Ermittlung von Fischtoxischer Ammoniak Ammoniak sollte bei pH-Werten über 9 oder Temperaturen über 10 °C routinemässig durchgeführt werden. Bei diesen Bedingungen wird das Ammoniak/Ammonium- Gleichgewicht zugunsten des fischtoxischen Ammoniaks verschoben 13,14 . Sind beide Bedingungen erfüllt, liegt der Ammoniak-Anteil bereits über 15 % (siehe Abb. 1). Das rechnerische Vorgehen zur Herleitung eines Schätzwertes unter Berücksichtigung wechselnder Zielvorgaben wird in «Parameterabhängige Zielvorgaben», Anhang A3 erläutert.

Bei kleinen, stark belasteten Gewässern können gelegentlich unzulässig grosse Ammo- Photosynthese und Ammoniaknium- bzw. Ammoniakkonzentrationen festgestellt werden. Besonders gefährdet sind Konzentrationen auch langsam fliessende Gewässerabschnitte, deren Ufer keinen Schutz vor Sonneneinstrahlung bieten und die eine grössere Primärproduktion aufweisen (Algenrasen, dichte Makrophytenbestände). Eine grosse Photosyntheserate und der dadurch bedingte grössere Entzug von Kohlendioxid und Hydrogenkarbonat erhöht die Hydroxidkonzentration (OH-) und kann lokal zu pH-Werten über 9 führen.

Abb. 1 > Prozentuale Verteilung von Ammoniak/Ammonium abhängig vom pH-Wert; bei verschiedenen Temperaturen

0 °C 5 °C

% Ammoniak 10 °C 50 15 °C

40 20 °C 25 °C 30 °C

7 8 9 10 11 12 pH

Die Anforderungen in der GSchV sind abhängig von der Temperatur. Wenn die Temperatur nicht bekannt ist, ist der strengere Wert zu nehmen.

Wegen des grossen Dynamikumfanges wurde die Klassengrenze zwischen «sehr gut» und «gut» in Abweichung von einem proportionalen Ansatz auf 0,04 resp. auf 0,08 mg/L N reduziert.

13 NH3[%] = 100/(10pKa – pH +1) wobei pKa = 0.09018 + 2729.92 / T[K] (EMERSON et al., 1975)

14 Längerfristige Ammoniak-Konzentrationen ab 0.008 mg/L N können für Eier und Brut von Edelfischen toxisch sein;

0.02 mg/L N sollten nicht überschritten werden.

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 24

Der gelöste organische Kohlenstoff (DOC = dissolved organic carbon) kann ein Indika- Gelöster organischer Kohlenstoff tor für die zivilisatorische Belastung eines Gewässers sein. Eine Temperatur- oder (DOC) Abflussabhängigkeit ist beim DOC nur selten ersichtlich. Es ist zu beachten, dass sich der DOC aus einem natürlicherweise vorhandenen und einem zivilisatorisch bedingten Anteil zusammensetzt. Flüsse aus alpinen Gebieten weisen meistens niedrige DOC Werte auf (< 1 mg/l C). DOC kommt in Fliessgewässern natürlicherweise als Folge des Abbaus von organischem Material und der Auswaschung aus Böden im Einzugsgebiet vor. Erhöhte DOC-Konzentrationen finden sich auch in Abflüssen von eutrophierten Seen oder von Mooren. Im Herbst kann der DOC-Gehalt auch durch den Abbau des in die Gewässer gelangten Laubes erhöht sein. Grössere DOC-Gehalte können somit rein natürliche Ursachen haben. Die Gewässerschutzverordnung versucht dem durch einen Anforderungsbereich an den DOC von 1 bis 4 mg/L C Rechnung zu tragen. Schlecht abbaubare DOC-Gehalte natürlichen Ursprungs können aber auch wesentlich höhere Werte erreichen ohne dabei den Gewässerzustand negativ zu beeinflussen. Zwischen der Zusammensetzung der Biozoenose und der leicht abbaubaren – meist anthropogen bedingten – Fraktion des DOC besteht häufig ein Zusammenhang: Bereits 1,0 mg/l C des leicht abbaubarem DOC reichen beispielsweise aus für eine Zunahme des Bewuchses mit Sphaerotilus. Entscheidend für eine Beurteilung ist somit der häufig viel kleinere Anteil der abbaubaren, anthropogen bedingten Fraktion. Wenn der natürliche Anteil gross oder weitgehend unbekannt ist, wird somit die Einteilung in eine Beurteilungsklasse problematisch.

Der gesamte organische Kohlenstoff (TOC = total organic carbon) umfasst nebst dem Gesamter organischer DOC auch partikulär gebundene, organische Kohlenstoffanteile, die insbesondere bei Kohlenstoff (TOC) Regenereignissen durch das Ansprechen der Regenentlastungen bei Abwasserreinigungsanlagen, durch Abschwemmung von organischen Düngemitteln und durch die Erosion des Bodens in die Gewässer gelangen. Bei Hochwasser werden zudem vermehrt auch die in den Gewässern selbst produzierten Aufwuchsorganismen abgeschwemmt und tragen zur TOC-Fracht bei. Bei Frachtberechnungen müssen deshalb auch Gehalte bei hohen Abflusswerten bestimmt werden. Anforderungen an den TOC- Gehalt müssen ebenso flexibel formuliert werden wie beim DOC. Keine Anforderung in GSchV; Vorschlag einer Zielvorgabe13: 3 bis 5 mg/L C. Die unter DOC erwähnten Probleme und Einschränkungen gelten noch deutlicher auch für den TOC.

Der biochemische Sauerstoffbedarf ist ein Mass für den Sauerstoffverbrauch durch Biochemischer Sauerstoffbedarf biologische Abbauvorgänge innerhalb einer festgelegten Zeit, beispielsweise innerhalb (BSB 5 ) von 5 Tagen (BSB 5 ). Sauerstoffzehrende Substanzen umfassen u.a.: Organischer Kohlenstoff, Ammoniak, Nitrit, Schwefelwasserstoff und andere reduzierte Substanzen. Es werden vor allem leicht abbaubare Stoffe erfasst.

Innerhalb der Gewässer ist der Abbau sauerstoffzehrender Substanzen stark von deren Morphologie, der Hydrologie und von der Wassertemperatur abhängig. Empfindlich sind langsam fliessende oder tiefe Gewässer (Flussstaue). Bleibt abgelagertes organisches Material liegen, kann die Sauerstoffzehrung in Sohlennähe und in der Sohle so gross werden, dass anaerobe Verhältnisse auftreten und reduzierte Substanzen entstehen, wie Nitrit oder eventuell sogar Ammonium, Methan und Schwefelwasserstoff. (Anforderung gemäss GSchV: 2 bis 4 mg/L O 2 ).

> Anhang 25

Bei kalten Gewässern kann der Abbau natürlicher Substanzen (Abschwemmungen von Aufwuchsorganismen oder Einträge von Fallaub) ebenfalls vermindert sein.

Der pH-Wert eines Gewässers wird hauptsächlich durch die Kalk-Kohlensäuregleich- pH-Wert gewichte und die geochemischen Verhältnisse im Einzugsgebiet bestimmt. In kalkreichen Einzugsgebieten ist die Pufferkapazität des Wassers hoch und der pH liegt bei ca. 8,3. Weitere Einflussfaktoren des pH-Wertes sind die Temperatur und biologische Prozesse wie beispielsweise die Photosynthese und der Abbau von organischem Material. Mit zunehmender Temperatur nimmt die Löslichkeit von CO 2 ab, wodurch sich der pH-Wert erhöht. Umgekehrt nimmt bei tiefen Temperaturen die Löslichkeit des CO 2 zu, was zu einer Erniedrigung des pH-Wertes führt. Bei der Photosynthese wird dem Wasser CO 2 und HCO 3 - entzogen, wodurch der pH-Wert steigt.

- -

Beim aeroben Abbau von organischem Material wird CO 2 freigesetzt, was zu einem Absinken des pH-Wertes führt. Die unterschiedliche Herkunft des Wassers hat ebenfalls einen Einfluss auf den pH-Wert. Beispielsweise enthält Grundwasser meistens mehr gelöstes CO 2 als Oberflächenwasser und weist dadurch tiefere pH-Werte auf.

Die Jahresganglinie des pH-Wertes (Tagesmittel) in Fliessgewässern verläuft sinusähnlich, was auf die Temperaturabhängigkeit des pH-Wertes und auf die biologischen Prozesse zurückzuführen ist. Wie bei der Temperatur ist auch beim pH-Wert ein Tagesgang überlagert. Bei Fliessgewässern, denen eutrophe Seen vorgelagert sind, sind diese Ganglinien besonders ausgeprägt, weil die im See ablaufenden biologischen Prozesse (Photosynthese, Respiration) diejenigen der Fliessgewässer zusätzlich verstärken.

Abwassereinleitungen bewirken meist auch eine Erniedrigung des pH-Wertes, weil durch das im Abwasser vorhandene organische Material eine erhöhte mikrobielle Abbautätigkeit ausgelöst wird. Dadurch steigt die CO 2 -Produktion, was wiederum ein Absinken des pH-Wertes zur Folge hat. Andererseits senken Säureeinträge aus Industrie und Gewerbe den pH-Wert in einem Vorfluter. Ebenfalls bewirkt das zur Phosphatfällung eingesetzte Eisenchlorid (FeCl 3 ) und die Nitrifikation des Ammoniums eine Erniedrigung des pH-Wertes. Sowohl der Jahresgang wie auch der Tagesgang der pH- Werte kann durch periodisch anfallendes Abwasser dermassen beeinflusst werden, dass der sinusähnliche Verlauf nur noch schwach oder gar nicht mehr erkennbar ist.

Als Folge von Abwassereinleitungen ergeben sich, vor allem auf der Alpennordseite mit genügend grossen Wasserhärten, in der Regel keine nachteiligen pH-Werte. Werte unter 5 begünstigen die Verwitterung beispielsweise von Tonmineralien und können zu erhöhten Gehalten an toxischen Aluminiumverbindungen führen. Werte über 9 begünstigen die Dissoziation von Ammonium und somit die Bildung von Ammoniak. Die pH- Werte sollten deshalb im Bereich von 6,5 bis 8,5 liegen. Kritisch kann der pH-Wert bei erhöhter pflanzlicher Produktion werden, insbesondere in langsam fliessenden Gewässerabschnitten, deren Ufer keinen Schutz vor Sonneneinstrahlung bieten. Der pH-Wert

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 26

ist ein logarithmisches Mass und kann nicht gemäss dem in Kapitel 3.3.3 geschilderten Vorgehen beurteilt und klassiert werden. In der Gewässerschutzverordnung wird der pH-Wert in Anhang 2 Ziffer 11 Absatz 2d verbal geregelt.

Die Temperatur ist einer der physikalischen Schlüsselparameter, welche die chemi- Temperatur (T) schen und vor allem die biologischen Prozesse in einem Fliessgewässer mitbestimmen. Dies zeigt sich beispielsweise beim Nitrat, welches offenbar von der biologischen Aktivität der Böden (Denitrifikation) stark beeinflusst wird (siehe Abb. 2).

Abb. 2 > Temperatur und Nitrat und Abfluss

Aare Brugg 1991 mg N/l °C 2.6 5

2.2 Temperatur 10

Nitrat

1.8 15

1.4 n=11 20 200 240 280 320 Wasserführung (m3/s) Daten: NADUF, www.naduf.ch

Das Jahres-Temperaturregime (Tagesmitteltemperaturen) eines Fliessgewässers weist einen asymmetrischen sinusähnlichen Verlauf auf, welcher um einige Wochen verzögert der Kurve der mittleren Lufttemperatur folgt, wobei der Temperaturanstieg meist langsamer ist als der Temperaturabfall. Ein grosser Grundwasseranteil kann dabei eine zeitliche Verschiebung und Verzerrung der Kurve bewirken. Diesem Jahresgang ist ein Tagestemperaturgang überlagert, welcher von der Distanz zur Quelle abhängt. Im Quellbereich sind die Variationen klein und weitgehend parallel zur Temperaturentwicklung der Umgebung. Im Mittellauf sind die zeitlichen Schwankungen maximal und ziemlich asymmetrisch. Das Tagesminimum wird zwischen 6 und 8 Uhr morgens, das Tagesmaximum zwischen 15 und 18 Uhr gemessen. Im Unterlauf werden die Temperaturverhältnisse wieder ausgeglichener. Es empfiehlt sich, bei der Entnahme von 24-stündigen Sammelproben die Minimal- und Maximaltemperaturen zu erfassen. Der Einsatz von kostengünstigen Datenloggern mit integrierten Temperaturfühlern ist zu erwägen. Erhebungen mit 12 Stichproben pro Jahr dienen vor allem der Beurteilung des Ammoniums und liefern in Gewässern mit starkem Tagesgang aus statistischen Gründen keine solide Grundlage für die Beurteilung ökologischer Effekte.

> Anhang 27

Jede gravierende Änderung eines der Aspekte des Temperaturregimes beeinflusst die standorttypische Artenverteilung deutlich. Als Folge von Eingriffen soll die Grösse der Temperaturamplituden und die zeitliche Lage der Minima und Maxima deshalb nicht wesentlich verändert werden. Gemäss GSchV darf eine künstliche Veränderung der Temperaturen 3 °C (1,5 °C in der Forellenregion) nicht übersteigen und maximal 25 °C dürfen nicht überschritten werden. Diese Anforderungen werden in den meisten Fällen eingehalten. In den letzten 40 Jahren haben nun aber die Jahresmittel der durchschnittlichen Temperatur in den Mittellandgewässern – abhängig vom Vergletscherungsanteil im Einzugsgebiet – um 1 bis 2,5 °C zugenommen. Wenn die mittlere Julitemperatur über 22 °C liegt, kann es Salmoniden, wie den Bachforellen und Äschen, bereits zu warm werden, und sie meiden solche Gewässer; die Temperaturgrenze für das Überleben der Fischeier von Samoniden liegt aber mit max. 15 °C tiefer. Die Fischsterben im August 2003 haben deutlich gemacht, wie eng die Temperaturgrenzen für Fische sind. Die Temperatur wird deshalb für die Charakterisierung der Gewässer zunehmend wichtig, sie ist aber von vielen Einflussfaktoren abhängig. Die Charakterisierung und Beurteilung der Gewässer anhand der Temperatur sprengt den Rahmen dieses Moduls. Es wird diskutiert, ob dafür ein eigenständiges Modul erarbeitet werden soll.

Das in Kapitel 3.3.3 geschilderte Vorgehen zur Beurteilung und Klassierung ist auf chemische Parameter ausgerichtet. Physikalische Parameter werden zwar miterfasst, da sie für das Gesamtverständnis der Vorgänge in einem Gewässer und für die Klassierung des Ammoniums wichtig sind, sie werden aber nicht klassiert.

Die Sauerstoffkonzentration in einem Fliessgewässer wird durch die temperaturabhän- Sauerstoff (O 2 ) gige Löslichkeit des Sauerstoffes, den Gasaustausch zwischen Wasser und Atmosphäre sowie durch die Photosynthese, Respiration und Mineralisation organischer Stoffe bestimmt. Dabei nimmt die Löslichkeit von Sauerstoff mit zunehmender Temperatur ab (siehe Abb. 3). Der Gasaustausch zwischen Wasser und Atmosphäre ist einerseits abhängig von der Wiederbelüftungsrate, welche zunimmt, je turbulenter die Wasserbewegung ist. Andererseits wird der Gasaustausch umso grösser, je grösser die Differenz zwischen der Konzentration im Wasser und der Sättigungskonzentration ist. Die Photosyntheseaktivität nimmt mit zunehmenden Nährstoffeinträgen infolge von Abwassereinleitungen und Abschwemmungen aus landwirtschaftlich intensiv genutzten Gebieten zu, weil damit leicht verfügbare Nährstoffe in die Gewässer gelangen. Dies führt dazu, dass die Primärproduktion und Respiration erhöht werden kann und dadurch die Tagesschwankungen der Sauerstoffkonzentrationen ebenfalls grösser werden. Die Mineralisation nimmt zu, je grösser die Zufuhr organischer Stoffe wird.

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 28

Abb. 3 > Konzentrationswert [mg/L O 2 ] für die Sauerstoffsättigung (100%) als Funktion der Temperatur und der Höhe ü.M.

12 200 m 400 m

mg/L Sauerstoff 600 m

10 800 m 1000 m 9 1200 m 1400 m

0 5 10 15 20 25 30 °C

Wegen der temperaturabhängigen Löslichkeit des Sauerstoffes verläuft die Jahresganglinie der Sauerstoffkonzentrationen sinusähnlich mit tieferen Konzentrationen im Sommer und höheren Konzentrationen im Winter. Die Tagesganglinien, welche dieser Jahresganglinie überlagert sind werden stark von den biologischen Prozessen beeinflusst und sind umso ausgeprägter, je grösser die biologische Aktivität in einem Gewässer ist. Das Sauerstoffminimum wird in der Regel am Ende der Nacht beobachtet. In stark belasteten Gewässern nimmt die Ausprägung der Tagesganglinien als Folge der Selbstreinigung der Fliessgewässer mit zunehmender Fliessstrecke ab.

Sauerstoff ist in grösseren Fliessgewässern in der Regel kein Problemparameter. Die Bestimmung von Sauerstoff bei Stichproben ist nicht trivial. Insbesondere bei der Erhebung von Sammelproben ist das Aufstellen einer Sauerstoffsonde mit Datenlogger zu erwägen, denn damit würden die Sauerstoffminima korrekt erfasst. In der Gewässerschutzverordnung wird der Sauerstoffgehalt in Anhang 2 Ziffer 11 Absatz 2d verbal geregelt.

Die elektrische Leitfähigkeit als Indikator für den Gehalt an gelösten Salzen ist ohne Elektrische Leitfähigkeit (κ25) grossen Aufwand messbar. Bestimmend sind insbesondere die geogenen Salze, zu welchen man alle jene gelösten Substanzen zählt, die aus der Gesteinsverwitterung stammen. In erster Linie ist es die Wasserhärte (Calcium, Magnesium, Bikarbonat), welche die elektrische Leitfähigkeit beeinflusst. Zu den anthropogenen Parametern, welche die el. Leitfähigkeit mitbestimmen, zählen v. a. die klassischen Nährstoffparameter wie Nitrat, Nitrit, Ammonium und Phosphat wie auch Salze aus Ionenaus-

> Anhang 29

tauschern, Strassenunterhalt im Winter und Fällungsmittel in Abwasserreinigungsanlagen (Natrium, Chlorid, usw.).

Weil die elektrische Leitfähigkeit, wie der pH, vom Kalk-Kohlensäuregleichgewicht beeinflusst wird, ist sie sowohl von der Temperatur als auch von den biologischen Prozessen abhängig. Die Jahresganglinie der elektrischen Leitfähigkeit verläuft deshalb ebenfalls weitgehend sinusförmig, wobei die Werte im Sommer aufgrund der geringeren Löslichkeit der Ionen und der höheren Bioaktivität tiefer sind als im Winter. Bei Seeausflüssen wird dieser Effekt durch die Primärproduktion im See und der dabei induzierten biogenen Kalzitfällung zusätzlich verstärkt, was zu noch ausgeprägteren täglichen Schwankungen führt.

Für die Messung sind auch tragbare, batteriebetriebene Geräte mit eingebauter Temperaturkompensation erhältlich. Sprunghafte Leitfähigkeitsänderungen sind im Längsverlauf häufig Hinweis auf punktförmige Belastungsquellen oder Einleitungen, im Querverlauf Hinweis auf Abwasserfahnen oder auf unvollständige Durchmischung. Die elektrische Leitfähigkeit ist nicht direkt proportional zum Salzgehalt, da neben der Zusammensetzung auch die Ionenbeweglichkeit und die Komplexierung eine Rolle spielen; sie kann somit nicht gemäss dem in Kapitel 3.3.2 geschilderten Vorgehen klassiert werden.

Chlorid kommt als geogener Parameter in kleineren Konzentrationen (2 bis 4 mg/L Cl-) Chlorid (Cl) natürlicherweise in den Gewässern vor. Im Mittelland liegt der geogene Anteil der Chloridfrachten unter 10%. Der Rest ist zivilisatorischen Ursprungs (z. B. Strassensalzung, Ionenaustauscher, Hofdünger, Fällungsmittel in Abwasserreinigungsanlagen, …). Bei der Beurteilung der fischtoxischen Wirkung der Nitrite muss der Chloridgehalt ebenfalls mitberücksichtigt werden. Chlorid ist in grösseren Konzentrationen (>200 mg/L Cl-) toxisch für Pflanzen, insbesondere Algen (Keine Anforderung in GSchV, kein Vorschlag für eine Zielvorgabe).

Zu den geochemischen Parametern gehören Calcium, Magnesium und Karbonate (aus Geochemische Parameter der Verwitterung von Kalkgesteinen), Kieselsäure (aus Granit, Feldspat und Tonmineralien), Sulfat (aus gipshaltigem Gestein), Natrium und Chlorid (aus der Verwitterung von Steinsalzen) und Kalium (aus Granit und Tonmineralien). Bei Einzugsgebieten mit mehrheitlich kristallinen Gesteinen (vor allem Aluminiumsilikate und Silikate) ist die Pufferkapazität des abfliessenden Wassers wegen der geringen Karbonat-Härte häufig ungenügend. Insbesondere bei der Schneeschmelze, wenn grössere Mengen an sauren Niederschlägen anfallen, die im Winter in der Schneedecke angehäuft wurden, kann dies in den Gewässern zu niederen pH-Werten führen. Im Industrie-, Gewerbe- und Haushaltsabwasser können erhöhte Konzentrationen geochemischer Parameter insbesondere von Sulfat, Natrium und Chlorid auftreten. Kalium wird zusätzlich über diffuse Quellen infolge von Düngerauswaschung aus landwirtschaftlich genutzten Flächen in die Gewässer eingetragen. Bei Natrium, Chlorid und Kalium können diese anthropogen bedingten Einträge gegenüber den geogenen dominieren.

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 30

Da die geochemischen Parameter weitgehend aus der Verwitterung der Gesteine stammen, sind sie für die Beurteilung der zivilisatorischen Belastung der Gewässer weniger geeignet. Anthropogene Einflüsse zeigen sich meist erst in der Analyse sehr langer Zeitreihen (beispielsweise durch die Änderung der Verwitterung durch Stoffe, welche über die Atmosphäre transportiert wurden [Säureeintrag], oder durch die Erhöhung der Temperaturen). Es ist deshalb auch nicht vorgesehen, diese Parameter einem Beurteilungsschema gemäss dem in Kapitel 3.3.2 geschilderten Vorgehen zu unterziehen.

Geochemische Parameter und dadurch beeinflusste Grössen zeigen normalerweise innerhalb eines Jahres ein zyklisches Verhalten, primär abhängig von der Wassertemperatur und in geringerem Ausmass auch von der Wassermenge. Sie verändern sich aber von Jahr zu Jahr nur wenig und müssen deshalb nicht mit der gleichen Häufigkeit gemessen werden wie mehrheitlich anthropogen beeinflusste Parameter.

Wegen den Vorschriften für Import, Verwendung und Entsorgung von Quecksilber und Schwermetalle Cadmium sind diese beiden Schwermetalle in den Oberflächengewässern heute kaum (Pb, Cd, Cr, Cu, Ni, Hg, Zn) mehr problematisch. Das gleiche gilt wegen der rückläufigen Verwendung verbleiten Benzins auch für Blei. Kupfer und Zink gelangen aus der Dachentwässerung und aus der Verwendung entsprechender Rohre bei der Trinkwasserverteilung in Gebäuden in grösseren Konzentrationen in die Gewässer. Weitere mögliche Quellen sind Abrieb von Reifen, Bremsen und für Kupfer auch von Stromleitungen der Bahn oder städtischer Verkehrsbetriebe. Kupfer wird ebenfalls als Fungizid im Weinbau, im biologischen Anbau und als Futterzusatz bei der Schweinemast eingesetzt.

Ökotoxikologisch relevant sind die freien, d. h. ungebundenen und unkomplexierten Komponenten. Da diese nicht direkt analytisch erfassbar sind, beschränkt man sich meist auf die Bestimmung der gelösten Fraktion. In welcher Form die Schwermetalle vorliegen – ob gelöst oder an Partikel adsorbiert – hängt von der Schwebstoffkonzentration im Wasser und von den pH-Bedingungen ab. Je geringer die Schwebstoffkonzentrationen und je tiefer der pH-Wert, desto wasserlöslicher sind die Schwermetalle. Die gemessenen Gesamtkonzentrationen sind demnach als obere Grenze für die gelösten Konzentrationen zu verstehen und bezüglich ihrer ökologischen Relevanz zu beurteilen.

Die Konzentration der Schwermetalle ist weitgehend unabhängig von der Jahreszeit und wird von der Intensität industrieller Abwassereinleitungen beeinflusst. Auch zeigen die Schwermetalle in ihren Konzentrationsverläufen – wie die Schwebstoffe – eine deutliche Abhängigkeit vom Abfluss bzw. von einzelnen Regenereignissen, weil sie eine grosse Affinität zur Bindung mit Partikeln besitzen. In der Gewässerschutzverordnung sind Anforderungen für Pb, Cd, Cr, Cu, Ni, Hg und Zn festgelegt.

Um ein Bild der Belastungsverteilung zu erhalten werden häufig auch die Sedimente auf Schwermetalle untersucht. Solche Untersuchungen erfassen die Belastung integrativ, sie sind repräsentativ für einen längeren Zeitraum.

> Anhang 31

Die GSchV Anhang 1 Ziffer 1 legt ökologische Ziele für oberirdische Gewässer fest. Pestizide Ziffer 1 Absatz 3 schreibt vor, dass Stoffe, welche die Gewässer verunreinigen und organische Spurenstoffe durch menschliche Aktivitäten ins Wasser gelangen können, keine nachteiligen Einwirkungen auf die Lebensgemeinschaften von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen haben dürfen. Dies umfasst auch Beeinträchtigungen der Gewässerökologie durch künstliche organische Verbindungen. Für die Untersuchung der Pestizide und organischen Spurenstoffe werden Konzepte erarbeitet. Die entsprechende Beurteilungsmethoden werden in einem separaten Modul publiziert.

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 32

A2 Probenahme

A2-1 Probenahmetechnik

Wegen der talabwärts gerichteten Strömung der Fliessgewässer werden Ufer und Probenahmezeit, Boden von ständig neuem Wasser bespült. Werden an einer festen Stelle kontinuierli- -häufigkeit und -art che Messungen der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Wassers durchgeführt, so werden im zeitlichen Ablauf immer wieder neue Wasserpakete beobachtet. Wegen der kurzfristigen Änderungen im Einzugsgebiet weisen sie häufig andere Eigenschaften auf als die vorangegangenen, die bereits weiter talwärts verfrachtet worden sind. Im Gegensatz zu stehenden Gewässern ist die Dynamik im Wärme- und Stoffhaushalt gross. Probenahmen in einem fliessenden Gewässer müssen diese Dynamik je nach Fragestellung angemessen berücksichtigen. Die Erfahrung zeigt, dass Bäche mit einem kleinen Abfluss oder Flüsse ohne Seen im Einzugsgebiet eine höhere Variation in den Konzentrationen der meisten Wasserinhaltsstoffe zeigen als die grossen Mittellandflüsse.

Die Hauptmenge der Wasserinhaltsstoffe stammt aus der Verwitterung der Gesteine. Geogene Quellen Natürliche geochemische Prozesse bestimmen weitgehend die Stofffrachten in den Gewässern. Sie variieren abhängig von der je nach Jahreszeit unterschiedlichen Herkunft des Wassers (Schmelzwasser, Regenwasser, Seeabfluss, austretendes Grundwasser, etc.).

Aus- und Abschwemmungen landwirtschaftlich genutzter Böden tragen zur Belastung Nährstoffe aus der Landwirtschaft mit den Nährstoffen Phosphor und organischem Kohlenstoff bei; sie sind abhängig von Regenereignissen und nehmen mit deren Intensität zu. Einige wenige sommerliche Gewitterregen können beispielsweise beim Phosphor bis zu 50 % der Jahresfracht bringen. Die Gehalte und die Verteilung der Inhaltsstoffe werden auch durch intensive Kontakte der Fliessgewässer mit der Umlandvegetation beeinflusst (z. B. über den Eintrag von Fallaub). Mit Abwassereinleitungen gelangen ebenfalls organische Stoffe sowie stickstoff- und phosphorhaltige Verbindungen in die Gewässer. Daneben führen Abwässer Spuren toxischer Stoffe, wie Schwermetalle, Biozide und Organochlorverbindungen und schlecht abbaubare, organische Verbindungen mit sich. Bei den Einleitungen in die Kanalisation sind tägliche, wöchentliche und saisonale Schwankungen zu beobachten. Bei grösseren Niederschlägen können die Hochwasserentlastungen der Kanalisation ansprechen und Abwasser direkt und ungereinigt in die Gewässer führen.

Von grosser Bedeutung für die Konzentrationen an Nährstoffen oder abbaubaren Biologische Umsetzungen Substanzen und für deren zeitliche Veränderungen sind jedoch die im Gewässer selbst ablaufenden biochemischen und biologischen Prozesse. So wird beim Aufbau pflanzlichen Materials dem Wasser nicht nur Kohlendioxid entzogen und gleichzeitig die Karbonathärte verändert, es werden auch Nährstoffe, wie Phosphor und Stickstoff, aufgenommen und somit der Wasserphase entzogen. Da die biologischen Prozesse naturgemäss stark von Temperatur und Belichtung abhängen, zeigen sich hier ausgeprägte tägliche und saisonale Unterschiede.

> Anhang 33

Die jahreszeitlichen und täglichen Abfluss- und Temperaturschwankungen, die Änderungen in der Sonneneinstrahlung und die Variationen auch in der Belastung durch den Menschen führen deshalb zu mehr oder weniger grossen Fluktuationen der Wasserinhaltsstoffe. Beim Ammonium kann die Konzentration schon nur während eines Tages um mehrere Hundert Prozent ändern.

Zeit und Dauer der Probenahme – Stichprobe oder Sammelprobe – beeinflussen des- Einfluss der Probenahmeart halb die Zusammensetzung der chemischen Parameter in einer Probe wesentlich. Jede Beurteilung chemischer Parameter muss diesem Umstand Rechnung tragen. Insbesondere ist die Genauigkeit, beispielsweise bei der Mittelwertbildung oder bei der Berechnung von Perzentilen, in jedem Fall kritisch zu hinterfragen. Ohne Kenntnis der üblichen Fluktuationen im Gehalt der betroffenen Stoffe kann das Einhalten von Anforderungen gemäss Anhang 2 GSchV nicht korrekt beurteilt werden. Die meisten Inhaltsstoffe mit partikulärem Anteil, insbesondere solche mit Komponenten anthropogenen Ursprungs sind in der Regel logarithmisch-normal verteilt.

Gewisse Mindestanforderungen bezüglich Probenahmeart und -frequenz müssen für eine sinnvolle Beurteilung erfüllt sein. Die Irrtumswahrscheinlichkeit einer Beurteilung ist u.a. abhängig von der Anzahl Messungen und der zeitlichen Verteilung der Probenahme. Im Folgenden werden die verschiedenen Möglichkeiten diskutiert.

Stichproben sind Momentanaufnahmen, welche die Situation im Gewässer zu einem Stichproben bestimmten Zeitpunkt (oder während eines vernachlässigbar kurzen Intervalls) darstellen. Zeitliche Veränderungen lassen sich durch eine Serie von Stichproben darstellen, wenn die Frequenz der Stichproben die zeitlichen Veränderungen der Konzentration des Parameters deutlich übertrifft. Um z. B. einen Tagesgang eines Gewässers einigermassen genau zu erfassen, sind mindestens 6 Probenahmen nötig. Es gilt: Je höher die Probenahmefrequenz, desto höher ist auch die zeitliche Auflösung der Ergebnisse.

Bezüglich der möglichen Aussagen lassen sich vier Kategorien unterscheiden (Tab. 5):

> Einzelne Stichproben > Saisonale Stichproben (4 pro Jahr) > Periodische Stichproben (> 4 pro Jahr bis wöchentlich) > Quasi-Kontinuierliche Probenahme (z. B. 12–24 pro Tag)

Im Unterschied zu Stichproben wird bei Sammelproben der chemische Zustand des Sammelproben Gewässers für eine gewisse Periode (mehrere Stunden bis Tage) gemittelt. Die Mittelung kann zeit-, pegel- oder abflussproportional erfolgen. Als statistische Vergleichsgrösse wird ebenfalls das 90. Perzentil vorgeschlagen, obwohl abhängig von der Sammelperiode Konzentrationsspitzen und Tagesschwankungen mehr oder weniger stark gedämpft werden.

Es gibt keine «beste» Probenahmetechnik. Jedes Verfahren hat Stärken und Schwä- Beurteilung der verschiedenen chen. Welches Verfahren für eine spezifische Fragestellung optimal ist, ergibt sich aus Probenahmearten einer Gegenüberstellung der Anforderungen (welche Aussagen sollen gemacht werden?) mit den spezifischen Vor- und Nachteilen der zur Auswahl stehenden Verfahren.

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 34

In der Tabelle 5 sind die verschiedenen Probenahme-Verfahren zusammengestellt. Die Tabelle 6 enthält eine Empfehlung, welches Verfahren für welche Fragestellung zum Einsatz kommen soll.

Tab. 5 > Überblick über die verschiedenen Probenahmefrequenzen

Bezeichnung Prinzip Vorteile Nachteile geeignet für Bemerkungen

Einzelne StP Reaktion bei Ereig- – präzise Erfassen einer Momentansinissen Momentanaufnahme tuation Saisonale StP 4 StP pro Jahr Jahresgang und kurzfristige Ereig- Grob-Screening gemäss – sollte alle 5 bis 10 Jahre nisse werden nicht erfasst Anhang A4 wiederholt werden – aufeinanderfolgende Erhebungen während mehrerer Jahre machen wenig Sinn Periodische StP 5–52 StP kurzfristige Ereignisse werden nicht Überwachung des chem. Gleichmässige Verteilung pro Jahr erfasst Gew.-Zustandes gemäss der Proben auf alle Wo- GSchG chen- und Ferientage! Qualifizierte StP gepoolte StP von kurzzeitige Fluktuationen vergleichsweise aufwändig Erfassen von Parametern mit gemäss DIN 38402 mehreren Stunden geglättet grosser Dynamik Quasi-konti- 12–24 StP – kaum Beschränkungen – bei längeren Mess-Serien grosse – Ereignisse mit hoher nuierliche StP pro Tag bezüglich Parameter Anzahl von Einzelproben Dynamik und anspruchs- – hohe Empfindlichkeit – Aufwand auch bei der Analytik voller Analytik möglich – Tagesdynamik – Wichtige Probenahmestellen Passive QS-Sampler, füllt – kostengünstige – Kunststoffgehäuse (PVC), nicht – Nährstoffkonzentrationen – für HW-Beprobung wird Tages-SaP sich kontinuierlich, Probenahmevorrichtung geeignet für Spurenstoffe und org. und Frachten bei Zufluss- auch Information über druckabhängig – unabhängig von Verbindungen Untersuchungen Wetter und Stromversorgung – Heikel in Betrieb und Einsatz (sehr – Beprobung von HW- Niederschlag benötigt sorgfältige Wartung und Ereignissen – für Frachtabschätzunqualifizierter Einsatz nötig!) gen wird PQ-Beziehung – Partikel können angereichert benötigt (>100 werden Einzelwerte nötig) Aktive Summe vieler – definierte und – keine Information über Tagesgang kontinuierliche Überwachung Tages-SaP kleiner Teilproben steuerbare – komplexe Infrastruktur und Instal- wichtiger Gewässerstellen während 24h Zeitabhängigkeit der lation integralen Probe – abhängig von Stromversorgung – präventive Wirkung – offene Proben, Verunreinigung aus durch lückenlose der Luft möglich Erhebung – chemische Veränderungen in den Zuleitungen möglich Online-Messung quasi-kontinuier- – hohe zeitliche – aufwändige Installation und Überwachung wichtiger liche Erfassung mit Auflösung Unterhalt Gewässerstellen mit hoher Sonden – Resultate ohne – eingeschränkte Parameterauswahl zeitlicher Auflösung

nachfolgende Analytik – beschränkte Empfindlichkeit verfügbar – abhängig von Stromversorgung

> Anhang 35

Tab. 6 > Zusammenstellung der Eignung der verschiedenen Probenahmetechniken

Fragestellung Probenahmetechnik Bemerkung

Überwachung des Gewässerzustandes gem. GSchV periodische StP – 12 StP pro Jahr (Dauerüberwachung, Stufe S) – während mehrerer Jahre – Bilanzierung von Frachten ist schwierig Flächendeckende Grob-, bzw. Voruntersuchung nach Periodische StP – sollte alle 5–10 Jahre wiederholt werden Anh. 3 – Untersuchungen auf Gewässer (Stellen) beschränken, bei denen aufgrund der Situation im Einzugsgebiet Probleme zu erwarten sind (d. h. sicher unkritische Gewässer bei der Stellenauswahl ausscheiden) Zufluss-Untersuchungen bei Seen – passive Tages-SaP & Beprobung – Information über Abfluss wird ebenfalls benötigt (Nährstoff-Bilanzen, von HW-Ereignissen – relativ grosse Unsicherheiten, Resultate sind eine Stufe A) – aktive Tages-SaP & Beprobung von Abschätzung HW-Ereignissen Untersuchung von Spezialfällen mit hoher Dynamik Quasi-kontinuierliche StP – aufwändige Logistik (Alarmier-System!) (z. B. im Zusammenhang mit Regenereignissen, Stufe A) – anspruchsvolle Planung permanente Überwachung wichtiger Gewässerstellen – Online-Messung (Stufe A) – aktive Tages-SaP

A2-2 Konzentrationen und Frachten

Durch Untersuchungen soll festgestellt werden, ob der Zustand der Gewässer den Zielen und Anforderungen des Gewässerschutzgesetzes und den zugehörigen Verordnungen entspricht. Dies wird erreicht, indem Konzentrationen der Wasserinhaltsstoffe ermittelt werden. Einige spezifische Fragestellungen erfordern die Berechnung der zugehörigen Frachten.

Konzentrationen werden üblicherweise als Mengen (eines Wasserinhaltsstoffes) pro Volumen Wasser (z. B. [mg/L PO 4 -P]) oder als «Menge pro Menge» (z. B. ppm: parts per million) bestimmt. Zur Beschreibung des Zustandes eines Gewässers werden v. a. repräsentative Durchschnittswerte und ev. Extremwerte (Minima, Maxima) verwendet.

Die biologische Wirksamkeit von Stoffen ist abhängig von deren Konzentration und Einflussdauer. Dabei sind vor allem die gelösten oder bei einigen Substanzen (Metallen) sogar nur die freien, d. h. ungebundenen und unkomplexierten Komponenten massgebend. Für eine chemische Zustandsbeschreibung der Gewässer sind somit die Stoffkonzentrationen relevant.

Frachten sind Mengen (eines Wasserinhaltsstoffes) pro Zeiteinheit (z. B. kg PO 4 - P/Jahr). Sie werden bestimmt, um Bilanzen errechnen zu können. Typische Fragestellungen sind:

> Nährstoffeintrag aus einem See-Einzugsgebiet in einen See; woher stammt welcher Anteil der Nährstoffe? > Nährstoffexport über ein Fliessgewässer. > Nährstoff- ev. Schadstoffeintrag aus einer ARA oder anderen Punktquellen in ein Fliessgewässer (Vorfluter)

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 36

Ohne Kenntnis der Abflüsse ist die Ermittlung von Stofffrachten in Fliessgewässern Ermittlung von Frachten bei nicht möglich. Eindeutige Frachtberechnungen über längere Zeitperioden bedingen Sammelproben nahtlos aufeinanderfolgende Sammelproben unter Berücksichtigung der jeweiligen Abflussmenge. Ideal sind abflussproportional erhobene Sammelproben. Die Stofffrachten berechnen sich als Produkt aus Konzentration und zugehöriger Abflussmenge. Problematisch bei Sammelproben über längere Zeiträume sind allerdings die biologischen und chemisch-physikalischen Veränderungen in der Flasche. Auch das Kühlen der Proben verhindert solche Prozesse nicht oder nur teilweise. Die Konzentration der einzelnen Stoffe in den Gewässern ist weiter vom biochemischen Gleichgewicht entfernt als in den Probenahmeflaschen, insbesondere bei Anwesenheit einer Feststoffphase und nach längeren Standzeiten der Proben in der Flasche. Dies betrifft vor allem labile Parameter (Ammonium, Nitrit) und solche, die Adsorptions- und Desorptionsprozessen unterliegen (Phosphor und organischer Kohlenstoff).

Es ist nicht notwendig, die Wassermenge direkt am Ort der Probenahme zu bestimmen, Rechnerische Verfahren zur doch sollten Pegelmessgeräte (mit Abflussbeziehung) oder andere registrierende Ermittlung von Frachten bei Geräte (z. B. Ultraschall), behelfsmässige Messungen oder rechnerische Modellrech- Stichproben nungen die Bestimmung der Abflussmengen erlauben. Wenn nur Stichproben vorliegen, oder wenn die Sammelproben nur mit Unterbrüchen erhoben wurden, ist eine rechnerische Annäherung an die tatsächliche Stofffracht möglich; dabei müssen aber mindestens die Abflussmengen kontinuierlich gemessen sein. Die analytisch bestimmten Konzentrationen werden als Funktion der zugehörigen Abflussmengen rechnerisch dargestellt. Es kann auch sinnvoll sein, die Konzentrationen als Funktion zweier Variablen, beispielsweise Abflussmenge und Temperatur oder Probenahmedatum auszudrücken. Dabei sind längere Zeitperioden zu berücksichtigen: Ein bis mehrere Jahre. Die so ermittelten Funktionen erlauben mit den vorliegenden Abflussmengen die rechnerische Ermittlung der Stoffkonzentrationen oder -frachten. Da oft bei hohen Abflüssen die grössten Konzentrationen gemessen werden, vor allem bei Stoffen, die auch an Partikel gebunden transportiert werden, ist das rechnerische Verfahren nur sinnvoll, wenn genügend Konzentrationsdaten vorliegen, insbesondere auch bei hohen Abflüssen! Auch unter idealen Randbedingungen sind die Fehler aber recht gross; bei der Bestimmung von Jahresfrachten für Gesamtphosphor in kleineren Fliessgewässern liegen sie bei 30 %.

A2-3 Qualitätssicherung

Eines der wichtigsten aber noch immer vernachlässigten Elemente für eine zielgerechte Einfluss der Probenahme chemische Beurteilung der Fliessgewässer ist die Probenahme. Denn eine schlecht geplante oder unsorgfältig durchgeführte Probenahme lässt sich auch mit einer qualitativ hochstehenden Bestimmung im Labor nicht mehr korrigieren. Probenahme und Analytik erfordern deshalb die gleiche Aufmerksamkeit und Sorgfalt.

Das Ziel aller Proben-Auswahlverfahren besteht darin, eine Teilprobe auszuwählen, deren Zusammensetzung derjenigen des gesamten Wasserpaketes entspricht, das in der untersuchten Zeiteinheit bei der Probenahmestelle durchfliesst.

> Anhang 37

Durch folgende Massnahmen können Fehlerquellen minimiert werden:

> Jeder Arbeitsschritt, auch scheinbar simple Arbeiten wie z. B. das Abfüllen der Minimieren der Fehler bei der Probe (Probenahme), muss von einer entsprechend qualifizierten Fachperson durch- Probenahme, der Probenbegeführt werden. Im Idealfall wird die Probenahme durch dasselbe Personal durchge- handlung und der Analytik führt, welches anschliessend die Proben analysiert. Mindestens ist eine enge Zusammenarbeit und gute Kommunikation zwischen den involvierten Personen sicherzustellen. > Im Hinblick auf die Qualitätssicherung sind alle Arbeitsschritte in Form von Arbeitsvorschriften zu normieren (siehe: http://www.labeaux.ch/). > Die Probenahmegefässe werden vom Labor zur Verfügung gestellt (gereinigt und beschriftet). > Die Ergebnisse sind durch den Projektverantwortlichen auf ihre Plausibilität hin zu prüfen. Dabei ist ev. wichtig, dass Informationen über die Probenahme (z. B. Wetter, Wasserstand, ungewöhnliche Umstände) vorhanden sind. > Die Qualität der Analytik (bzw. des analytischen Labors) ist durch regelmässige Ringversuche mit effektiv in der Umwelt erhobenen Proben, Fluss- und Seewasser, ev. Trinkwasser, abzuschätzen.

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 38

A3 Umrechnungen für Ammonium und Nitrit, kart. Darstellung

A3-1 Parameterabhängige Zielvorgaben

Die numerischen Anforderungen bzw. Zielvorgaben und Klassengrenzen für die Am- Ammonium (T, pH) monium- und Nitritbelastung sind parameterabhängig: Ammonium von der Wasser- Nitrit (Cl-) temperatur und vom pH-Wert, Nitrit in Salmonidengewässern vom Chloridgehalt. Entsprechend den Zielvorgaben hängen auch die Grenzen für die Zustandsklassen von der Temperatur, dem pH-Wert oder dem Chloridgehalt der Gewässer ab (Tab. 3b, c).

Wie kann der Perzentilwert unter Berücksichtigung der parameterabhängigen Zielvorgaben ermittelt werden? Ein Aufteilen der Messwerte aufgrund der Temperatur, des pH-Wertes oder der Chloridkonzentration führt nicht zum Ziel. Der Stichprobenumfang für jede einzelne Gruppe würde zu klein, um damit Perzentile schätzen zu können. Auch bleibt offen, wie die gruppenweisen Maximal- und Perzentilwerte in ein Klassierungsschema eingebunden werden könnten. Werden die Messwerte aber entsprechend den jeweiligen Zielvorgaben normiert, kann die notwendige Statistik mit dem gesamten Stichprobenumfang durchgeführt werden.

Falls der Chlodridgehalt nicht sehr stark schwankt, ist es eventuell möglich, das Verfahren für die Beurteilung des Nitritgehaltes zu vereinfachen, indem für die Ermittlung der geltenden Zielvorgabe der Jahresmittelwert der Chloridkonzentrationen beigezogen wird. Andernfalls ist für jede einzelne Messung zu prüfen, ob die spezifische, parameterabhängige Zielvorgabe eingehalten wird.

Sei {X 1 , X 2 , … X n } eine Messreihe mit n Messungen und {Y 1 , Y 2 , … Y n } die parallel dazu gemessenen Parameter. Im Falle von Ammonium sind die Y i ’s 2-Tupel mit Wassertemperatur und pH-Wert, im Falle von Nitrit sind es die Werte für den Chloridgehalt. Zu jeder Messung X i gibt es aus Tabelle 1, resp. 4 eine parameterabhängige Zielvorgabe Z(Y i ). Die mit den Zielvorgaben normierten Messungen bezeichnen wir xi : i

Für die so normierten Messungen gilt für alle Parameter eine Zielvorgabe mit dem Wert 1. Die chemisch-physikalischen Anforderungen an ein Gewässer sind genau dann Perzentilwert kleiner als 1 ist.

Z -2 , Z -1 , Z 0 , Z 1 sind die im Modul-Stufen-Konzept festgelegten parameterabhängigen Klassengrenzen des «ökologischen» Zustandes:

Z -2 (Y i ): Grenze zwischen schlecht und unbefriedigend Z -1 (Y i ): Grenze zwischen unbefriedigend und mässig Z 0 (Y i ): Grenze zwischen mässig und gut Z 1 (Y i ): Grenze zwischen gut und sehr gut

> Anhang 39

Dabei entspricht Z 0 (Y i ) der Zielvorgabe oder Anforderung Z(Y i ). Wären die Z k linear von Z abhängig, dann könnten die normierten Klassengrenzen

auf die mit Z normierte Messreihe angewendet und damit die Zustandsklasse ermittelt werden. Der lineare Zusammenhang ist jedoch nicht in jedem Fall gegeben (Beispiele Nitrat, Nitrit und Ammonium). Für die Einordnung des Gewässers in eine Zustandsklasse muss in solchen Fällen die Messreihe mit jeder Zustandsklassengrenze einzeln normiert und das Perzentil der so normierten Messreihe jedesmal mit 1 verglichen werden.

Da das oben beschriebene Verfahren komplex und nur durchführbar ist, wenn die zusätzlichen benötigten Parameter auch gemessen worden sind, kann in Ausnahmefällen auch darauf verzichtet werden. Auf Grund einer Beurteilung der statistischen Verteilung dieser zusätzlichen Parameter in der Schweiz können folgende vereinfachte Annahmen gemacht werden. Für Ammonium wird der strengere Wert angenommen (0,2 mg/L N) und für Nitrit der mittlere Wert (0,05 mg/L N).

A3-2 Kartographische Darstellungen

Um die Resultate von Gewässeruntersuchungen in einfacher, rasch lesbarer Form darzustellen und damit einem breiteren Publikum verständlich zu machen, empfiehlt sich eine farbige kartographische Darstellung. Die Kategorien des Zustandes «sehr gut», «gut», «mässig», «unbefriedigend» und «schlecht» können durch die fünf Farben blau, grün, gelb, orange und rot dargestellt werden.

Eine Gesamtbeurteilung der chemischen Parameter ist nur möglich, wenn die Beurtei- Gesamtbeurteilung lungen der einzelnen Parameter kaum differieren. Andernfalls muss jeder Parameter einzeln dargestellt werden. Eine Gewichtung der chemischen Parameter und die Verrechnung zu einem integralen Gesamtwert sind problematisch, insbesondere wenn dafür keine plausible Begründung vorliegt. Deshalb kann nur das Prinzip «Worst Case» eine integrale Darstellung ermöglichen: Der am schlechtesten klassierte Parameter definiert den Gesamtwert.

Eine in Europa häufig verwendete Darstellung verwendet farbige Bänder entlang des Gewässers oder färbt den Flusslauf ein, entsprechend der Klassierung nach einem Gesamtwert. Da aber nicht für jeden Fliessgewässerabschnitt, der ökomorphologisch erfasst wurde, auch eine chemische Probenahme durchgeführt werden kann, wird auch die Abgrenzung der Farbstreifen in der Längsrichtung nicht einfach. Nur die genaue Kenntnis der Rahmenbedingungen, wie Einleitungen von gereinigtem oder ungereinigtem Abwasser, Zusammenflüsse mit stärker belasteten Seitengewässern, grössere Infiltrationen von Grundwasser, etc. erlaubt eine sachgerechte Darstellung.

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 40

Diese Probleme können umgangen werden durch eine punktuelle Darstellung in Form Darstellung als Kreissektoren von konzentrisch um die Messstellen angeordneten Kreissektoren, deren Flächen sich direkt proportional zum Schätzwert der einzelnen Parameter verhalten.

Als quantitative Orientierungshilfe dient der Einheitskreis, dessen Fläche der Konzentration der Zielvorgabe entspricht.

Die Sektorradien werden wie folgt berechnet:

Schätzwert R =a* Zielvorgabe

R = Sektorradius; a = frei wählbarer Faktor; definiert den Radius des Einheitskreises in cm

Eine weitere geeignete Präsentation, die grob auch die zeitliche Entwicklung berück- Darstellung in Balkenform sichtigt, ist die Balkendarstellung. Für jede Messstelle und jeden Parameter wird ein farbiger Balken dargestellt, der sich aus einzelnen Rechtecken zusammensetzt. Jedem Rechteck entspricht eine fixe Zeiteinheit (Quartal, Jahr oder mehrere Jahre); es wird entsprechend der Beurteilung über diese Zeiteinheit von «sehr gut», bis «schlecht» mit den Farben blau, grün, gelb, orange oder rot eingefärbt.

Mehrere Parameter lassen sich zusammenfassen durch Stapeln verschiedener Balken, die so übereinander angeordnet werden, dass Rechtecke entstehen.

Tab. 7 > Darstellung in Balkenform

1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 Ammonium Nitrit Ortho-P DOC

Auch Balkendiagramme können soweit verkleinert werden, dass sie der Darstellung einer zeitlichen Entwicklung dienen können. Die Präsentation mehrerer Parameter auf derselben Karte ist damit aber kaum mehr möglich.

> Anhang 41

A4 Screeningverfahren mit 4 bis 5 Messungen pro Jahr

A4-1 Generelles

Bei kleineren Fliessgewässern, die noch nie oder kaum je untersucht worden sind, Für bisher kaum untersuchte, kann das Folgende grobe Screeningverfahren angewendet werden. Dieses sollte aber kleinere Fliessgewässer nicht auf Gewässerabschnitte angewendet werden, die bereits regelmässig beprobt werden; denn es ist kein Ersatz bisher routinemässig durchgeführter Untersuchungsprogramme entsprechend Kapitel 3. Es kann ebenfalls nicht angewendet werden auf Messstellen, die im Rahmen des Projektes «Koordinierte Beobachtung der Oberflächengewässer» (siehe Kapitel 3.4) bestimmt worden sind.

Es sollen mindestens vier Messungen pro Jahr durchgeführt werden. Die Untersuchun- Mindestens 4 Messungen pro gen sind gleichmässig verteilt über das Jahr durchzuführen. Eine statistische Auswer- Jahr tung mit wenigen Werten macht keinen Sinn. Deshalb wird für die Beurteilung nur der Maximalwert beachtet.

A4-2 Chemisch-physikalische Messgrössen

Die Auswahl beschränkt sich auf die wichtigsten Messgrössen, die als Indikator für Teilmenge der Messgrössen aus anthropogene Belastungen dienen und mit geringem Aufwand erfasst werden können. Kapitel 3.2

Orthophosphat stellt die für Pflanzen physiologisch direkt wirksame Phosphorkom- Orthophosphat ponente dar und stammt aus der Abwasserreinigung, aus Entlastungen der Kanalisation, aus Abschwemmung und Auswaschung landwirtschaftlich genutzter Flächen oder aus biochemischem Abbau organischen Materials.

Erhöhte Nitratwerte (> 1,0 mg/L N) sind Hinweis auf intensive landwirtschaftliche Nitrat Bewirtschaftung oder auf unsachgemässen Austrag von Düngemitteln oder auf einen grösseren Abwasseranteil. Die Anforderung GSchV Anhang 2 Ziffer 12 orientiert sich an der Trinkwassernutzung. Aufgrund rein ökologischer Überlegungen gemäss GSchV Anhang 1 Ziffer 1 Absatz 3c müsste für Nitrat ein strengerer Zielwert festgelegt werden.

Nitrit ist ein Übergangsprodukt bei der Nitrifizierung, d. h. der oxidativen biologischen Nitrit Umwandlung von Ammonium in Nitrat. In sauerstoffarmen Flussstauen kann Nitrit auch als Folge einer unvollständigen Denitrifizierung (biologische Umwandlung von Nitrat in Lachgas oder elementaren Stickstoff) auftreten.

Durch die Protolyse von Ammonium kann sich fischtoxisches Ammoniak bilden. Die Ammonium Ammoniak-Konzentration ist eine Funktion des Gehaltes an Ammonium, der Temperatur und des pH-Wertes. Im Abfluss von stehenden Gewässern mit erhöhter Bioproduk-

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 42

tion und bei Verkrautungen an besonnten Stellen ist deshalb ausser der Temperatur Temperatur, pH-Wert auch der pH-Wert zu bestimmen 15 .

Zwischen der Zusammensetzung der im Lebensraum Gewässer vorkommenden Orga- DOC nismen und der DOC-Konzentration besteht häufig ein Zusammenhang. Es ist zu beachten, dass sich der DOC aus einem natürlicherweise vorhandenen und einem zivilisatorisch bedingten Anteil zusammensetzt.

Eine minimale Parameterliste umfasst somit:

> Ortho-Phosphat (und/oder Gesamt-P unfiltriert) > Nitrat > Nitrit > Ammonium > DOC (gelöster organischer Kohlenstoff) > pH-Wert > Temperatur > Abflussmenge (ev. geschätzt)

Mögliche zusätzliche Parameter (je nach Fragestellung und Einflussfaktoren; siehe auch Anhang A1 Bemerkungen zu den einzelnen Messgrössen):

> Sauerstoff > Elektrische Leitfähigkeit > Chlorid

Auf dem Niveau dieses Grob-Screenings werden Stofffrachten nicht berücksichtigt. Stofffrachten werden nicht Bei geringer Probenanzahl ist eine sinnvolle Abschätzung von Frachten nicht möglich! berücksichtigt Allerdings ist es durchaus sinnvoll für die Charakterisierung des Gewässers die Abflussmenge – auch als grobe Schätzung – mit einzubeziehen, denn es ist für die Gesamtbeurteilung relevant ob 500 l/s anfallen oder 5 m³/s.

Bei gut ausgerüsteten Laboratorien mit automatisierten Analysensystemen ist nicht die Anzahl der zu messenden Parameter, sondern die Probenahme der zeitkritische Schritt, der Aufwand verursacht. Falls zusätzliche Parameter die Gesamtbeurteilung sinnvoll ergänzen, kann das Parameterspektrum gemäss Kapitel 3 vergrössert werden; dabei ist zu beachten, dass die Anforderungen der GschV oder die Zielvorgaben des Kapitels 3 die Grenze vorgeben zwischen den ökologischen Zuständen «gut» und «mässig».

15 Längerfristige Ammoniak-Konzentrationen ab 0.008 mg/L N können für Eier und Brut von Edelfischen toxisch sein;

0.02 mg/L N sollten nicht überschritten werden (siehe Anhang 1 unter Ammonium/Ammoniak).

> Anhang 43

A4-3 Auswertung und Beurteilung

Anhand der gemessenen Werte wird eine Einteilung in eine der fünf folgenden Quali- 5 Zustandsklassen täts- oder Zustandsklassen vorgenommen:

sehr gut / gut / mässig / unbefriedigend / schlecht

Für die Beurteilung wird nur der Maximalwert und nicht das 90.Perzentil verwendet. Keine abschliessende Beurteilung Die Klassierung erfolgt ebenfalls nach den Klassierungsbereichen gemäss Tabelle 3 in mit diesem Screeningverfahren Kapitel 3. Falls die Klassierung «mässig» bis «schlecht» ergibt, müssen ergänzende Erhebungen gemäss Kapitel 3 mit einer erneuten Beurteilung durchgeführt werden, bevor Massnahmen nach Anwendung von Artikel 47 GschV geprüft werden können.

Methoden zur Untersuchung und Beurteilung der Fliessgewässer. Chemisch-physikalische Erhebungen, Nährstoffe BAFU 2010 44

> Verzeichnisse Abbildungen Literatur

Abb. 1 Emerson K., Russo R.C., Thurston R.E., Lund R.V. 1975: Aqueous Prozentuale Verteilung von Ammonium/Ammoniak abhängig ammonia equlibrium calculations: Effect of pH and temperature. Journal vom pH-Wert; bei verschiedenen Temperaturen 23 of the Fisheries Research Board of Canada 32: 2379–2383.

Abb. 2 Bührer H., Wagner H. 1979: Die Berechnung der totalen Menge gelöster Temperatur und Nitrat und Abfluss 26 Stoffe in Seen. Schweiz. Z. Hydrol. 41: 418–420.

Abb. 3 Eidg. Departement des Innern 1982: Empfehlungen über die Unter- Konzentrationswert [mg/L O 2 ] für die Sauerstoffsättigung als suchung der schweizerischen Oberflächengewässer. Funktion der Temperatur und der Höhe ü.M. 28 Keleher C.J., Rahel F.J. 1996: Thermal Limits to Salmonid Distribution in the Rocky Mountain Region and Potential Habitat Loss due to Global Warming. Trans. Am. Fish. Soc. 125: 1–13. Tabellen Karr J.R., Chu E.W. 1999: Restoring Life in Running Waters: Better Tab. 1 Biological Monitoring, Island Press, Washington D.C. and Covelo California; ISBN 1-55963-674-2. Zusätzliche numerische Zielvorgaben 16

Tab. 2 Richtlinie 2000/60/EG des Europäischen Parlamentes und des Rates vom 23. Oktober 2000 zur Schaffung eines Ordnungsrahmens für Beurteilung der Messwerte, Einteilung in Klassen des Massnahmen der Gemeinschaft im Bereich der Wasserpolitik. chemischen Zustandes 18

Moosmann L., et al, (2005), Trend-oriented sampling strategy and estimation of soluble reactive phosphorus loads in streams, Water Klassierung des chemischen Zustandes 18 Resour. Res. 41, W01020. www.naduf.ch Klassierung des chemischen Zustandes 18

Klassierung des chemischen Zustandes 19

Klassierung des chemischen Zustandes 19

Tab. 4 Zielvorgaben für Nitrit in Salmonidengewässern13 22

Tab. 5 Überblick über die verschiedenen Probenahmefrequenzen 34

Tab. 6 Zusammenstellung der Eignung der verschiedenen Probenahmetechniken 35

Tab. 7 Darstellung in Balkenform 40