Umweltwissenschaften (Fach) / Kapitel 2 (Lektion)

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• Globaler Wasserkreislauf (Definition) Definition Wasserkreislauf (nach DIN): Ständige Folge der Zustands- und Ortsveränderung des Wassers mit den Hauptkomponenten Niederschlag, Abfluss, Verdunstung und atmosphärischer Wassertransport.
• Wasserbilanz Die Allgemeine Wasserhaushaltsgleichung verknüpft die Prozesse des Wasserkreislaufes: S = P – R – E P: Niederschlag (Precipitation) E: Verdunstung (Evaporation) R: Abfluss (Run-off) S: Wasservorrat (Storage)   Der zugrundegelegte Massenerhaltungssatz (Kontinuitätsgleichung) besagt, dass die Summe des einem Raum oder Körper in einem Zeitabschnitt zugeführten Wasservolumen gleich dem im Zeitabschnitt abgeführten Wasservolumen und der Änderung des gespeicherten Wasservolumen ist – d.h. das im Umlauf befindliche Wasser wird nicht verbraucht, sondern umverteilt.
• Wasserverfügbarkeit (Definition) Das verfügbare Wasser ist die Summe aus erneuerbarem Grundwasser und Oberflächenwasser.  
• Wassernutzung (Definitionen) Wasserentnahmen (water withdrawals): Dem Vorfluter zur anthropogenen Nutzung insgesamt entnommenes Wasser. Vorfluter: Fluss, Kanal, auch: Grundwasser, wenn es genutzt wird Wasserverbrauch (water consumption): Diejenigen Wasserentnahmen, die nach der Nutzung nicht dem Vorfluter zurückgegeben werden.
• Wasser als knappe Ressource Wasserverfügbarkeit deutlich höher als die Wasserentnahmen.   Aber: Wasser oft nicht in den Gebieten, wo es benötigt wird Wasser ist oft nur zeitlich begrenzt verfügbar (z.B. Monsun), nur bei gutem Management nutzbar Intensive Nutzung führt zu einer Verringerung des Wasserwerts, z.B.          - Wasserverschmutzung         - Übernutzung von Grundwasserspeichern
• Wasser als knappe Resource: Indikator 1 - Pro-Kopf Wasserverfügbarkeit Wie kann man Wasserknappheit messen? → Variante 1 Verfügbares Wasser pro Person je Einzugsgebiet: Pro-Kopf WV = Jährliche Wasserverfügbarkeit / Bevölkerungszahl  
• Wasser als knappe Ressource: Indikator 2 - Wasser-Stress Wie kann man Wasserknappheit messen?  → Variante 2 Für jedes Einzugsgebiet werden Wasserentnahmen und Wasserverfügbarkeit gemessen (Wasser-Stress).   Wasser-Stress = Jährliche Wasserentnahmen / Jährliche Wasserverfügbarkeit   Wann kann hoher Wasser-Stress kritisch werden? Allgemeiner Richtwert : Wasser-Stress > 0.4   Führt kritischer Wasser-Stress zu „Wasser-Krisen“? In Industrieländern vermutlich eher selten; da hier Abwasserbehandlung, Recycling von Industriewasser, usw., eine intensive Wiederverwendung erlaubt. In Entwicklungsländern halten Wasserknappheiten an, da hier oft eine Abwasserbehandlung fehlt, was zu deutlichen Wasserqualitätseinbußen führt.  
• Klimawandel und Wasserverfügbarkeit Folgen des Klimawandels hinsichtlich der Wasserprobleme variieren stark, je nach Region und Klimawandelszenario. Der Klimawandel wird einen spürbaren Einfluß auf Wasserverfügbarkeit haben. Aber: Andere Entwicklungen des globalen Wandels sind mindestens ebenso wichtig bei der Betrachtung von Wasserproblemen.
• Wassergüte (Definition) Wassergüte (water quality) beschreibt die Eignung von Wasser für eine bestimmte Nutzung, z.B. als Trinkwasser oder als Habitat (Lebensstätte/Lebensraum).
• Parameter für Wassergüte Menge des gelösten Sauerstoffs und Bedeutung von aeroben Abbauprozessen in Gewässern (Abbau unter Verwendung von Sauerstoff) Bakterielle Kontaminierung Nährstoffgehalte und Eutrophierung Nitratgehalt des Grundwassers Pestizide (Pflanzenschutzmittel) und andere toxische organische Substanzen pH-Werte von Gewässern
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• Parameter für Wassergüte - Menge des gelösten Sauerstoffs Aus der Atmosphäre eingetragen durch Diffusion (Durchmischung) & Turbulenz der Flüsse in ihren Oberläufen. Sauerstoffgehalt wichtig für aquatische Organismen. Stark reduziert durch die Belastung an organischen Substanzen aus Abwassereinleitungen.
• Parameter für Wassergüte - Belastung mit organischen chemischen Verbindungen Aerober Abbau von organischen Verbindungen (Beispiel: Ethanol): C2H5OH + 3O2 = 2CO2 + 3H2O → Aerobe mikrobiologische Abbauvorgänge im Gewässer führen zum Verbrauch des im Wasser gelösten Sauerstoffs Abbau von 1 g Ethanol benötigt 2,1 g Sauerstoff Abbauvorgang limitiert durch Angebot an organischem Substrat, Makronährstoffangebot, Mikronährstoffangebot, Sauerstoffangebot.
• Parameter der Wassergüte - Messung der Belastung mit organischen chemischen Verbindungen CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf) = die Menge an Sauerstoff, die bei der kompletten Oxidation von allen Substanzen verbraucht wird. Häufig wird Kaliumdichromat als Oxidationsmittel genutzt. (mg/l O2) BSB5 (Biochemischer Sauerstoffbedarf) = die Menge an Sauerstoff, die bei der biologischen Selbstreinigung einer Wasserprobe innerhalb von 5 Tagen bei 200C verbraucht wird. (mg/l O2) Beispiel Ablauf BSB5 (Biochemischer Sauerstoffbedarf nach 5 Tagen): Bakterien: Die Wasserprobe wird mit bakterienhaltigem, sauerstoffgesättigtem Wasser versetzt Der Sauerstoffgehalt wird bestimmt Die Probe wird verschlossen und bei 20 °C thermostatisiert. Die Bakterien bauen einen Teil der organischen Wasserinhaltsstoffe unter Sauerstoffverbrauch ab. Nach 5 Tagen wird erneut der Sauerstoffgehalt gemessen. Der daraus ermittelbare Sauerstoffverbrauch wird als BSB5 in mg/l O2 angegeben.  
• Parameter der Wassergüte - Bakterielle Kontaminierung Wassergüteindikator: Konzentration von coliformen Bakterien (z.B. Enterobacter, Citrobacter)Mögliche Ursache: Unbehandeltes Abwasser gelangt in Gewässer, chronische Kontaminierung der Wasserressourcen Problem: Konzentration in stadtnahen Gewässern ist häufig deutlich höher als die typischen internationalen Grenzwerte (für den menschlichen Kontakt mit dem Wasser, z.B. Angeln/Baden):  
• Parameter für Wassergüte - Nährstoffgehalte und Eutrophierung Eutrophierung: Vorgang, bei dem hohe Nährstoffkonzentrationen ein erhöhtes Wachstum von Wasserpflanzen und Algen verursachenSterben die Pflanzen und Algen ab, wird bei Abbau der organischen Substanz Sauerstoff verbraucht → lokaler Mangel an gelöstem O2 Was verursacht das Wachstum? Normalerweise begrenzter Vorrat an Nährstoffen (Stickstoff N und Phosphor P), der das Wachstum limitiert. Hoher Eintrag von anorganischen P und N (z. B. durch Landwirtschaft oder ungeklärte Abwässer) hebt diese Limitierung auf, was zu vermehrtem Wachstum führt
• Parameter für Wassergüte - Nitratgehalt (NO3-) im Grundwasser Die Nitratbelastung in Weinanbaugebieten und in der intensiven Viehwirtschaft ist deutlich höher als der Grenzwert in der Trinkwasser-Verordnung. Typische Quelle: Dünger aus Ammonium-N Stickstoff (Nitrifikation)   Prozess der Nitrifikation: NH4+ + 3/2 O2 = NO2- + H2O + 2 H+ (Nitrosomonas) NO2- + 1/2 O2 = NO3- (Nitrobacter)
• Parameter der Wassergüte - Pestizide und andere toxische organische Substanzen Unkraut- und Schädlingsbekämpfung: Pflanzenbehandlungs- und Schädlingsbekämpfungsmittel (PBSM)   Wichtigste Vertreter: Herbizide (Unkrautvernichtungsmittel), Fungizide (gegen Pilze), Insektizide (gegen Insekten)   Eintrag, z.B. durch die Landwirtschaft erfolgt sowohl ins Grundwasser als auch in Oberflächengewässer.  
• Parameter der Wassergüte - pH-Werte von Gewässern Der pH-Wert: gibt den Säuregrad eines Gewässers an wird bestimmt durch Konzentration von Kohlendioxid sowie Calcium- und Magnesiumhydrogencarbonat (Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2) Absenkung des pH-Werts durch zusätzlichen Eintrag von sauren Substanzen Phänomen des sauren Regens: Emissionen von Luftschadstoffen: SO2 (Schwefeldioxid), NOx und NH3 (Ammoniak) In der Atmosphäre entstehen durch chemische Prozesse Schwefelsäure (H2SO4) und Salpetersäure (HNO3) Schadstoffe werden aus der Atmosphäre durch Niederschlag oder Diffusionsprozesse entfernt u. a. Deposition als „saurer Regen“ Wo die Böden karbonatarm sind: Versauerung der Bäche, Seen und des Grundwassers Mobilisierung von Metallen, z. B. Al, Zn, Ni (Nickel), CO (Kohlenstoffmonoxid) Deposition: Ablagerung und Austrag von Luftinhaltsstoffen auf Oberflächen biotischer und abiotischer Systeme Auswirkungen der Aufnahme von Al auf Organismen: Verlust von Salzen aus dem Blutplasma Verstopfung der Kiemen durch Schleimbildung Hyperventilation Zwischen 1940 und 1975: Aussterben der gesamten Fischpopulation in 1.750 von insgesamt 5.000 Seen in Norwegen.
• Parameter der Wassergüte - Andere Indikatoren und Probleme Wärmebelastung durch die Ableitung des heißen Kühlwassers von Kraftwerken. Sediment-Belastung durch Erosion. Radioaktive Kontaminierung durch Abwassereinträge aus Kernkraftwerken und anderen Quellen.

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