Umschichtung des Wassers, Bindung von Phosphaten, Belüftung und Zwangszirkulation.

Warum durchmischt sich das Wasser unserer Seen?

Die Umschichtungen oder Durchmischungen von Gewässern sind wichtig, um für den Sauerstoffeintrag, besonders in der Tiefe, zu sorgen. Aber, warum passieren diese Umschichtungen?

Die meisten uns bekannten Materialien haben die Eigenschaft sich bei Erwärmung auszudehnen und bei Abkühlung zusammenzuziehen. Beim Wasser ist das anders. Wasser hat bei +4°C seine größte Dichte. Das heißt, bei +4°C ist ein Liter Wasser am schwersten. Wird es kälter, wird der Liter Wasser wieder leichter.

Das ist auch der Grund, warum bei tiefen Gewässern am Grund immer eine Temperatur von 4°C herrscht. Das schwerste Wasser sinkt immer ganz nach unten. Oder anders betrachtet, wenn Wasser kälter als +4°C wird, dehnt es sich aus und wird wieder leichter. Das ist der Grund, warum Leitungen bei Frost platzen und sogar Felsen zerbersten können.

Zurück zu unserem See: Es wird Winter, das Wasser an der Oberfläche kühlt zuerst deutlich ab und wird dadurch schwerer. Dieses schwerer gewordene Wasser sinkt jetzt nach unten und das wärmere Wasser aus der Tiefe kommt an die Oberfläche. Irgendwann, in einem richtigen Winter, wie wir ihn leider nicht mehr oft haben, ist der größte Teil des Wassers bei Temperaturen um den Gefrierpunkt angekommen. Es bildet sich eine Eisschicht und die sogenannte Winterstagnation tritt ein. Allerdings bleiben in der Regel tiefere Stellen, die dann um die +4°C Temperatur haben. Dort versammeln sich dann die Fische, die bei Temperaturen um die 0°C sterben würden.

Bei dieser Umschichtung ist viel Sauerstoff von der oberen Wasserschicht in die Tiefe transportiert worden. Die obere Wasserschicht hat durch die Photosynthese des Phytonplanktons und durch Wind und Wellen einen natürlichen Sauerstoffeintrag. Auch speichert kaltes Wasser Sauerstoff viel besser als warmes Wasser.

Im Frühjahr, wenn das Eis schmilzt und sich das Wasser an der Oberfläche des Sees wieder erwärmt, wird das Oberflächenwasser bis zu einer Temperatur von +4°C wieder schwerer. Damit sinkt es nach unten und das noch kältere Wasser vom Seegrund kommt nach oben. Das ist die sogenannte Frühjahresumschichtung, an die sich die Sommerstagnation anschließt, bis es im Herbst wieder kälter wird.

Damit hatten wir früher zuverlässig zwei Umschichtungen pro Jahr, die eingebettet waren von zwei Stagnationsphasen.

Da unsere Winter aber immer milder werden, gilt diese Regel leider nicht mehr.

Um im Frühjahr eine Umschichtung zu haben, muss das Wasser des Sees eine Temperatur von kleiner als +4°C haben. Da aber, bedingt durch den Klimawandel, unsere Winter immer milder werden, kann unser Seewasser sich nicht mehr deutlich unter +4°C abkühlen. Es bildet sich ja auch nur noch selten eine Eisdecke. Bei der tiefsten Durchschnittstemperatur im Januar 2019 von nur +4,9°C kann sich das Seewasser unmöglich unter die Schwelle von +4°C abkühlen.

Das bedeutet für unseren See, die Frühjahrsumschichtung findet wegen der globalen Erwärmung nicht mehr statt. Damit fehlt auch der Sauerstoffeintrag, den es mit dieser Umschichtung früher einmal gegeben hat.

Was sind weitere Gründe für eine Umschichtung oder einen Austausch des Wasserkörpers?

Da sind an erster Stelle die Zu- und Abflüsse zu betrachten. Auch Regen und Verdunstung spielen eine Rolle. Betrachtet man die Wasser- Hoch- und Tiefstände, so kommt man im Jahr 2019/2020 auf eine Differenz von ca. 50 bis 60 cm. Das entspricht bei einer Größe des Sees von ca. 70 ha einer Wassermenge von etwa 0,4 Millionen Kubikmetern ( m³ ). Der Eintrag von Wasser über die Zuflüsse und den Niederschlag erreicht seinen Höhepunkt Ende März.

Aber, anhand der berechneten Wassermenge von nur 0,4 Millionen m3, im Verhältnis zur gesamten Wassermenge von 2,3 Millionen m³, findet so nur ein maximaler Austausch des Seewassers von ca. 15 bis 20 % statt.

Ein weiterer Grund für eine Durchmischung ist der Wind. Besonders bei flachen Seen, wie dem unseren, ist die Wirkung hier größer als an tiefen Gewässern. Allerdings werden die tieferen Stellen des Sees, ab etwa 3 Meter Tiefe, dadurch kaum noch beeinflusst. Der Einfluss des Windes ist an der Oberfläche maximal. Je nach Wellenbildung und Windstärke kann die Durchmischung geschätzt bis in 2 bis 3 Meter Tiefe vordringen. Aus der Klimatabelle wird ersichtlich, dass wir den meisten Wind in den Wintermonaten haben. Im Juli und August ist es am ruhigsten.

Wie kann man Phosphate unschädlich machen?

Wenn Phosphate nicht in feste Verbindungen gefangen sind, bilden sie zusammen mit vielen anderen Stoffen einen hervorragenden Pflanzendünger, der in einem See das übermäßige Algenwachstum auslöst. Deshalb kann man, wenn es nicht gelingen sollte, den Phosphateintrag zu reduzieren, als schnelle Sofortmaßnahme, die Phosphate mit anderen Elementen binden. Dazu sind mir zwei Möglichkeiten bekannt.

1. Die Bindung an sogenannte Fällmittel. Dabei handelt es sich um Eisen- oder Aluminiumoxyde, die sich mit den Phosphaten dauerhaft verbinden. Das Fällmittel kann direkt in den See gegeben werden. Allerdings bildet sich ein Fällschlamm, der dann dauerhaft in dem Sediment verbleibt. Deshalb sollten solche Fällungen nur im Notfall, um z.B. das Umkippen eines Sees zu verhindern, oder als einmalige Unterstützung des Ökosystems, angewendet werden. Besser ist es, ein oder mehrere Klärbecken anzulegen. In den Klärbecken würde man dem Wasser die Phosphate entziehen und der Fällschlamm könnte als Sondermüll regelmäßig entsorgt werden.

2. Die Bindung an Sauerstoff. Phosphate binden sich hervorragend an Sauerstoff und tragen deshalb auch nicht mehr zum Pflanzenwachstum bei. Allerdings ist diese Verbindung flüchtig. Sobald den Phosphaten kein Sauerstoff mehr angeboten wird, binden sie sich wieder mit anderen Stoffen zu einem Pflanzendünger. Das ist der Grund, warum unsere Fisch- und Gartenteiche ein klares Wasser bekommen, wenn man einen kleinen Springbrunnen oder einen Wasserfall installiert. Schaltet man diese Belüftungen ab, kommt es wieder zu einem Algenwachstum, das Wasser wird wieder grün.

Belüftung und Zwangszirkulation.

Zur Belüftung gehört alles, was den See mit Sauerstoff versorgt. Ob Luft von oben über Düsen oder Feuewehrschläuche eingeblasen wird oder ob Luft durch Sprudelsteine vom Seegrund her aufsteigt. Je feiner die Luftblasen, um so besser wird der Sauerstoff vom Wasser gespeichert.

Bei einer Zwangszirkulation verhält es sich genauso, wie bei einer natürlichen Umschichtung des Wasser. Das Wasser aus der Tiefe wird an die Oberfläche geholt, reichert sich dort mit Sauerstoff an und sinkt wieder in die Tiefe. Aber, im Gegensatz zu den natürlichen Umschichtungen, die ja nicht mehr zuverlässig stattfinden, arbeitet z.B. die Zwangszirkulation des Aquamotec-Systems kontinuierlich, 365 Tage im Jahr und 24 Stunden am Tag. Das Wasser wird im Laufe eines Jahres vier- bis fünfmal durchgemischt.