XXlI, 1960
563
Die N
ihrstoffzufuhr zum Hallwilersee
Chemische Uutersucbungen an seinen Zufliissen Yon H. AMBCIHL (Chemisches Laboratorium des Kantons Aargau, Aarau) Manuskript eingegangen am 12. Juli 196o
INHALT I.
Einleitung
IL
Voruntersucbung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I[[.
Hauptuntersucbung
. . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
Die Verteilung der Probenahmen; Zeitplan Chemische Untersuchung IV.
Ergebnisse
563
566
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9. . . . .
. . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I. Die Herkunft der N~ihrstoffe Der Anteil des Baldeggersees 2. Die Sicherheit der Resultate
9 9 2 . . . . . . . . . . . . . . .
567 569 570 570 570
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
572
....
576
-. : . " . . . . "" . . . . . . .
3- N~hrstoffgehalte der Seeabfltiss.e im Jahreslauf; RiJckschliisse auf den
Trophiegrad von Hallwiler- un~ .Balde[gg'ersee. . . . . . ,. . . . . . . . 4. Der mittlere Tagesverlaufder Abwasserlast . . . . . . . . . . . .
578 583
5- Der Anteil der nicht aus Siedlung und Gewerbe stammenden N.~hrstoffe
588
6. Der Einfluss der Niederschl~ge aufden Chemismus des Bachwasscrs . .
59o
V.
Schlussfolgerungen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
594
VI.
Zusammenfassung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Literaturver~ichnis
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
595
596
I. Einleitung
Das yon F. BALDINGEV. in dieser Zeitschrift erl~iuterte, grosszi.igige Sanierungsprojekt [2], welches vorsieht, s~imtliches Abwasser aus den aargauischen Seegemeinden in Hangleitungen zu sammeln und so dem See g~inzlich fernzuhalten, um es schliesslich am untern See-Ende in einer mechanischbiologischen Kl~iranlage zu reinigen, steht vor seiner Verwirklichung, 37
564
H. Ambtihl
Hydrol.
nachdcm im Dezembcr I959 die zust~indigen Gcmdndcvcrsammlungcn scinc Ausffihrung bcschlossen haben. Urn dem projckticrenden Ingenieur gcwisse |imnologische Grundlagcn zu licfcrn und namentlich, um wcitern Kreisen des aargauischen Seetals fiber die N~ihr- und Schmur.zstoffbc[astung ihrcs Sccs gcnaueren Aufschluss geben zu kSnnen, ffihrtc das Chcmischc Laboratorium des Kantons Aargau im Auftrag der Aargauischen Baudirektion verschicdcne Untersuchungcn an den Zuflfissen zum Hallwilersec dutch. Eine erste Serie davon isc bei BALDINGER [2] schon bcsprochen; dnc zwdtc Seric, daselbst ebenfalls schon angeffihrt, gclangtc Ende I957 zum Abschluss. Ihrer Aufgabe gem~iss handcltc cs sich um reine Zweckarbeiten, ausgerkhtet auf die tcchnisch bcdingte FragestcIlung. Es h~ittc freilich auch den Rahmen des Programms fiberschritten, hSttc man im sclben Zusammenhang auch noch allgcmcine wissenschaftlichc Gcsichtspunktc verfolgcn wollcn. Ergcbnissc und Auswcrtung diescr Erhebungen sind in einem Bericht des Kant. Chemischen Laboratoriums an die Aargauische Baudirckrion nicdcrgelcgt. Einc Publikation diescs Berichtcs ist zwar wcnig zwcckmSssig, da manchcs auf die lokalen Belange ausgerichtet ist und lokales Intcrcsse nicht fibersteigt, doch ist bci dcr Auswertung so vicl zum Vorschdn gekommen, was uns cincr allgcmeinercn Diskussion weft schcint, dass sich wenigstcns die Publikation tinct gekiirzten Fassung"rechtfcrtigt. Der Hallwilerseesanicrung wurden dic neucren Erkenntnisse fiber den Mechanismus der Eutrophierung, wic sic namentlich THOMAS aufgczeigt hat [m, II, I2, H, I4], zugrunde gclegt. Die Grfinde, wisscnschaftliche wie technische, die zum heutigen Projekt geffihrt haben, hat BALDINGER [2, 3] ausffihrlich diskuticrt. Namentlich dic Erkenntnis, dass auch chemisch-biologisch gcrcinigtcs Abwasscr immcr noch mehr als 5o% der anorganischen Stickstoff- und Phosphorvcrbindungen des Rohwassers mitftihrt [3] und dass eben gerade dicse Stoffc als PflanzennShrstoffc ffir die Eutrophierung verantwortlich sind, hat auch die Idcc, die Sanierung mit Hangkan~ilen zu projckticrcn und damit das Abwasser dcm Sec kurzcrhand total fcrnzuhalten, wesentlich befruchtet. Die vorliegcnden Untcrsuchungen befassen sich denn auch in erster Linie mit den Minimumstoffcn P und N. Ihre wichtigsten Resultatc sind yon BALDINGER [3] verSffcntlicht und bcsprochen worden. Ffir die mehr technischen Bclangc und jcne Einzelheiten, welche ausschliesslich mit der Sccsanierung zusarnmenh~ingen, verwcisen wit auf diese Arbeit, welche auch dic hydrographischen Datcn des Sees enth~ilt, und wicdcrholcn in den folgcnden Abschnitten nur dic Haupczfige davon, soweit sic ffir das Vcrst~indnis dcr Secsanierung not-
X X I I , 1960
Die N~ihrstoffzufuhr zum Hallwilersee
565
wendig sind. Dafiir legen wir das Hauptgewicht auf die Mitteilung der limnologiscben und gewiisserkundlichenBelange, soweit sie sich aus dem vorhandenen Zahlenmaterial ausziehen lassen. Der gegenwiirtige Zustand des Hallwilersees mahnt zum Aufsehen. W~ihrend im Sommer I918 eine Sauerstoffverteilung herrschte, wie man sie yon m/issig eutrophierten Seen her kennt [5] (z.B. bei JAAG [6] oder bei BALBINGER [Z] angeftihrt), mit einem allm~ihlichenAbsinken des Sauerstoffgehaltes bis zum Grund, wo er ungef~ihr null betr~igt, pr~isentieren sich sp~iteren Untersuchern [8, 4, z, I, 3 in chronologischer Reihenfolge] VerhSltnisse, die typisch sind ftir stark tiberdtingte Seen, n~imlich sehr hohe Sauerstoffgehalte im Epilimnion, kr~iftige Sauerstoffzehrung im Metalimnion, welche bis zum vollst~indigen Sauerstoffschwund in IO bis I5 m Tiefe ftihren kann, und vollst~indiger Schwund in der Tiefe, d.h. vom Grund bei 42 m bis hinaufzu 2o m oder noch h/Sher. Das Aussehen des Sees ist namentlich bei k~ihlem,windigemWetter ebenso unerfreulich wie sein Stoffhaushalt. Trotzdem ist er ein Fremdenziel, das sich wachsender Beliebtheit erfreut, und man versteht die Ungeduld, mit der die Anwohner die Sanierung erwarten. Die Untersuchungen hatten sich nach folgenden Fragen zu richten: I. Wie gross ist die Gesamtmenge an Phosphor- und Stickstoffverbindungen, die dem See zugef~ihrt werden ? 2. Wie gross sind die N~ihrstoffmengen, die aus dem Baldeggersee durch die Wag (Verbindungsbach zwischen dem s~idlich und etwas htiher gelegenen Baldeggersee und dem Hallwilersee) in den Hallwilersee gelangen ? 3. Wie gross ist die mit dem Aabach (Seeausfluss) abgeftihrte N~ihrstoffmenge? 4. Ist die durch nat~rliche Vorg~inge und dutch die landwirtschaftliche D[ingung in den See gelangende Menge an N~ihrstoffen gering genug, um eine weitere Eutrophie zu verhindern ? Dies unter der Annahme, dass s~imtlicheAbw/isser dem See ferngehalten werden ? Die Beantwortung dieser Fragen wurde auf zwei Untersuchungsserien verteilt. Mit einer ersten Serie, im folgenden ,Voruntersuchung>~ genannt, sollten durch wenige Messungen, daftir an s~imtlichen erreichbaren Zufliissen,jene Gew~isserausgeschieden werden, welche am meisten N~ihrstoffe in den See ftihren, w~ihrend man yon einer zweiten Serie, der eigentlichen ,Hauptuntersuchung~., anhand dieser ausgew~ihlten Gew~isser und mit einem ausgedehnten Probenahmeprogramm den absoluten Wert der N~ihrstoffzufuhren zu erfassen w~inschte.
566
Hydrol.
H. Ambfihl II. Voruntersuchung
Im November I953, M~irz I954, November I954 und September x955 untersuchte unser Laboratorium (Dr. R.BRAuN, damals Kantonaler Gew~isserbiologe) s~imtliche erreichbaren Zufltisse zum See. Dabei wurden nicht nur Proben erhoben an den Btichen, sondern auch an DNnagen, an Abwasserauslaufen, an allen irgendwie erreichbaren Rinnsalen, und gleichzeitig die Wassermengen gemessen oder gesch~itzt. Die chemische Analyse erstreckte sich auf freies Ammoniak, Nitrit-Ion, Nit"tat-Ion, Gesamtstickstoff und Phosphat. Um ein einigermassen durchschnittliches Bild zu erhalten, wurden diese Probenahmen aufdie charakteristischen Jahreszeiten und aufverschiedene Wasserfdhrungen verteilt. Auch nahm man darauf Bedacht, eine Probenahme bei Regenwetter kurz nach intensiver Dfingung der H~inge durchzuf'tihren, womit man alle wesentlichen Streufaktoren beriicksichtigt zu haben hoffte. Dies allerdings im Bewusstsein, dass eine viermalige Probenahme an Zufliissen, welche st~irksten tageszeitlichen Schwankungen unterworfen sind, grosse Fehler haben kann. Deshalb ist es auch der nachfolgenden Hauptuntersuchung vorbehalten geblieben, auf Einzelheiten einzutreten. Der Zweck der Voruntersuchung war nut, die wichtigsten N~ihrstoffzubringer auszuscheiden sowie zahlenm~issig festzulegen, wie gross der Anteil dieser Hauptzubringer an der gesamten N~ihrstoffzufuhr ist, damit es sptiter bei der Auswertung mtiglich war, aufdie Totalzufuhr zu schliessen. Tabelle 1 Untersuchung Datum A n z a h l Zufliisse Totale .Wasserfiihrung (ma/Tag) Zufuhr an GesamtstickstofI (kg/Tag) Zufuhr an Phosphat (kg/Tag)
I
II
III
IV
11.53 28
3.54 94
11.54 95
9. 55 70
51 252
228 510
221 107
157 148
167,5
604,1
484,1
650,8
5,90
21,98
5,18
14,77
In Tabelle I sind die Summenergebnisse dieser Voruntersuchung zusammengestellt. Es flillt auf, wie stark die einzelnen Untersuchungen voneinander abweichen, namentlich bei den Phosphatmengen. Hier ist zu berticksichtigen, dass Untersuchung II in einer ausgesprochenen Niederschlagsperiode lag, dazu w~ihrend der Schneeschmelze sowie in einer Zeit
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Die N ~ h r s t o f f z u f u h r z u m HaUwilersee
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intensiver Jauchedfingung. Untersuchung IV wurde ebenfalls bei Regenwetter ausgeftihrt, w~ihrend die erste Untersuchung in einer ausgesprochcncn Trockenperiode lag, weshalb auch dic Anzahl der Zuflfisse, untcr dcncn tin grosser Toil kleinstc Sickerw~isser und Dr~inagen ist, sehr stark schwankt. Es erfibrigt sich, auf die Resultate der einzelnen Untersuchungen weiter einzutreten. Von Belang ist dagegen, welche B~iche nunmehr als Hauptzubringer in Frage kommen. Es sind dies, wie schon bei BALDINGER [2, 3] beschrieben (in Reihenfi~Ige ihrer Wichtigkeit): die Wag (Hauptzufluss, gleichzeitig Abfluss des Baldeggersees), der Beinwiler Dorfbach, der Dorfbach Meisterschwanden, der stidliche Dorfbach yon Seengen, der Bettlerbach (Schachenholzbach) in Meisterschwanden, eine grSssere Kanalisation vom s/.idlichen Dorfteil Beinwil, im folgenden <
Von dieser Untersuchungsserie erwartete man ein mSglichst genaues quantitatives Bild der Nfihrstoffzufuhren. Es war daher tznerl~isslich, die Probestellen soweit wie mSglich mit Einrichtungen zur Messung der Wasserftihrung zu versehen. Am Beinwiler und Meisterschwander Dorfbach sowie am siidlichen Dorfbach Seengen konnten Messiiberf~ille eingebaut werden. An derWag (Stelle Mosen, siehe Abb. I) wurde an geeigneter Stelle ein Abstichpunkt fixiert und eine mehrmalige Fliigeleichung vorgenommen. Der Bettlerbach schliesslich erlaubte die direkte Geflissmessung, und nur an der Kanalisation yon Beinwil (Abwasserdole) konnte die Durchflussmenge nicht anders als durch Sch~itzung bestimmt werden. Weitere Probestellen waren am Aabach beim Schloss Hallwil (Seeausfluss) sowie an der Wag kurz nach ihrem Austritt aus dem Baldeggersee. M i t dieser letzten MeBstelle, welche allerdings keine Abflussmessung erlaubte, sollte bestimmt werden, wieviel N~ihrstoffe der Baldeggersee in den Hallwilersee liefert.
Hydrol.
H.Ambfihl
568
N
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S
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1
2
J
4
Kilometer
1
Abbildung Situationsplan mit eingezeichneten Probestellen.
Die Dorfb~iche Beinwil und Seengen sind sehr stark durch Abwasser verunreinigt, ebenso der Bettlerbach, welcher zeitweise auch noch grosse Mengen von gewerblichem Abwasser aufzunehmen hat, w~ihrend die Wag
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Die N~ihrstoffzufuhr z u m Hallwilersee
569
und der Meisterschwander Dorfbach nicht augenf~illigverschmutzt sind. BRUTSCm"und G/~rERr [5] bezeichnen die Wag (im Jahr I93C9)als, sehr gut~, w~ihrend eine Notiz derselben Autoren vom Dorfbach Meisterschwanden iible Zust~inde erw~ihnt. Durch Umstellungen in der Dorfentw~isserung ist dieser Bach in der Zwischenzeit entlastet worden. Die zeitliche Festlegung der Probenahme; der <~statistische~ Zeitplan Fi.inf der env~ihnten sechs Zufltisse sind mehr oder weniger stark mit Abwasser belastet; einzelne sind eigentliche Abwasserkloaken. Einzig dieWag bleibt w~ihrendder meisten Zeit des Jahres yon zivilisatorischen Einfliissen verschont und erh~iltihr chemisch-biologisches Regime yore Baldeggersee aufgepr~igt. Ihrer Eigenschaft als Vorfluter gem~issist an den ftinfgenannten Zufltissen ein ausgesprochener Tag-Nacht-Rhythmus der Schmutz- und N~ihrstoffbelastung zu erwarten. Ferner sind w/Schentliche, regelm~issig wiederkehrende Schwankungen in der Abwasserlast durch vermehrte W~ischet~itigkeit am Wochenende und -anfang sowie an den regelm~issig wiederkehrenden Schlachttagen zu bedicksichtigen. War ursprtinglich eine Untersuchung pro Woche, ohne weitere zeitliche Einschr~inkung, vorgesehen, so zeigte sich bald, dass ein solches lockeres System den tats~ichlichen Verh~ihnissen nicht gerecht wird. In der Folge stellten wir einen Zeitplan auf, der in Anlehnung an M~Rra [9] eine gleichm~issigeVerteilung der Stichzeiten vorsah aufr Wochentage, s~imtlicheTageszeiten und alleJahreszeiten. Als Stichzeiten legten wir fest: 0800 IIOO I4OO I7OO 2OOO 23OO 0200 0500. Diese Zeiten verteilten sich aufdie einzelnen Wochentage in der Weise, dass jeder Wochentag pro Q~artal zweimal an die Reihe kam, und zwar einmal tagsfiber und einmal nachts. Der vollstfindige Turnus ergab somit 7 (Wochentage) • 8 (Tageszeiten) = 56 Probenahmen. Da f~ir einen ganzj~ihrigen Turnus jedoch 60 Entnahmen erforderlich sind, h~ingten wir nach jeder r 5. Untersuchung die erste Entnahmezeit des betreffenden Quartals noch einmal an, so dass das Programm zuletzt 60 Probenahmen umfasste. Mit dieser Verteilung, die aus technischen Griinden schematisch sein musste, liessen sich im Verh~iltnis zum Aufwand ziemlich viel Kenntnisse samme|n. Man kann diese starre Zeitverteilung natfirlich nicht ohne weiteres als, statistisch~ im gewohnten Sinne betrachten. Beriicksichtigt man jedoch, dass die Witterung und damit die Wasserfiihrung der B~iche eine nicht zum voraus bestimmbare und damit, zuffillige>~Gr/Jsse ist, so
570
H. Ambiihl
Hydrol.
darfder Zeitplan im gesamten trotzdem mit einigem Rechr als statistisch angesprochen werden. Diese Definition ist nicht unwesentlich for die Art der Auswertung, indem n~imlich for die Berechnung der Jahressummen jedem Messwert, sei er nun durchschnittlich oder extrem, genau dasselbe Gewicht zuerkannt wird. Voraussetzung ist natiirlich, dass die Probenahmen innerhalb enger Grenzen wirklich zur festgelegten Zeit erfolgten. Die chemische Untersuchung Auf Grund der Erfahrungen aus den Voruntersuchungen bestimmten ~vir:
Nitration
(Salizylatmethode nach SCrmV.INGA, Messung im Photometer). Kjeldahl-Stickstoff (Aufschluss mit Schwefelstiure und Kupfersulfat, photometrische Messung des nesslerisierten Destillats). Phosphat (Molybd?in-Wolfram-Reagens, Reduktion mit Zinnchlorid. Photometrische Messung der mit P-freier Aktivkohle gereinigten Probe). Gesamtphosphor (aus Aliquot des Kjeldahl-Aufschlusses. Nach Neutralisation gegen p-Nitrophenol: Reaktion mit MoW-Reagens und Zinnchlorid). Zu jeder photometrischen MeBserie liessen wir eine Typl/Ssung yon bekanntem Gehalt mitlaufen, um Reagenzienschwankungen unsch~idlich zu machen. Bei der Gesamt-P-Bestimmung verwendeten wir als TypRSsung eine Phosphatl/Ssung mit dem gleichen Gehalt an Natrium- und Sulfation wie die aufgeschlossenen Proben. Gesamtstickstoff und Gesamtphosphor wurden aus der unfiltrierten, n/Stigenfalls homogenisierten Probe bestimmt. IV. Ergebnisse 1. Die Herkunfi der Niibrstoffe
Die insgesamt 24o0 Analysenresultate der einzelnen Erhebungen sind im Bericht an die Aarg. Baudirektion dokumentiert; sie hier anzuftihren, er/ibrigt sich. Zu erw~ihnen ist bloss, dass sie sehr stark streuen, was auch von Anfang an zu erwarten war, dass diese Streuung dann abet im Mittel eine gewisse tageszeitliche Regelm~issigkeit erkennen l~isst,wie aufSeite 583 ausgeffihrt ist. Natiirlich trifft das nut ftir die abwasserbelasteten B~ichezu.
X X I I , 1950
571
Die Nghrstoffzufuhr zum HaUwilersee
Die Wag, als Abfluss des Baldeggersees ohne wesentliche Abwasserlast, folgt den Gesetzm~issigkeiten des Sees und zeigt deshalb in Wasserftihrung und Chemismus langsame, andersgeartete Schwankungen, welche besonders zu diskutieren sin& Die erste Frage (Seite 565) l~isst sich durch einfaches Berechnen der N!ihrstofflast (aus Konzentration undWasserftihrung)undSummieren s~imtlicher Tageswerte fiber das ganze Jahr hinweg hinreichend beantworten. Wie erw~ihnt, haben wir bei dieser Summenbildung jedem einzelnen Wert, egal ob mittelm~issig oder extrem, das gleiche Gewicht zuerkannt. Das ist eine Voraussetzung f'fir die Brauchbarkeit der angewandten Methode der ~statistisch)> verteilten Probenahmezeiten. Die aus Wasserfiihrung und Konzentration berechneten Tagessummen im einzelnen anzufiihren, erfibrigt sich; wir beschr~inken uns auf die Mitteilung der Endresultate, welche bereits bei B A L D I N G E R [3] publiziert sind: Tabelle 2 Totale NS.hrstoffzufuhr 5. 11. 1956 bis 30. 10. 1957
Nitrat-N Kjeldahl-N! Gesamt-N kg kg kg
PO4-P kg
Gesamt-P kg
Wag. Beinwiler Dorfbach D o r f b a c h Meisterschwanden Siidl. D o r f b a c h Seengen . . Bettlerbach Abwasserdole
25 493 2 487 8 568 2 880 706 290
47 190 5 426 3 622 2 106 1641 889
683 913 190 985 347 179
1 302 315 277 181 159 77
3 140 584 487 259 263 124
Total
40 424
60 874
101 297
2 311
4 857
Aabach
16 776
69 162
85 938
72 7 12 4 2 1
684.
3 613
In Tabelle 2 ist die totale N~ihrstoffzufuhr durch die untersuchten 6 Zuflfisse in der Zeit yore 5. Nov. I956 bis zum 3o. Okt. I957 zusammengestellt. In dieser Zeit, also knapp einem Jahr, sind durch die untersuchten Gew~isser somit 4o,4 t Nitratstickstoff (entsprechend 29o t Kalisalpeter) und 6o,9 t organisch gebundener Stickstoff in den See gekommen. Die Phosphormengen sind bescheidener, ihrer Wirkungsweise nach jedoch nicht weniger beachtenswert. So betrug die Zufuhr an anorganischem, direkt assimilierbarem Phosphor (Orthophosphat) 2,3 t (entsprechend 9,8 t Ammoniumphosphat beispielsweise). I n Form organischer Verbindungen gelangten 2,6 t P in den See. Um aufdie totale Zufuhr (aus siimtlichen Zuflfissen) zu schliessen, miissen diese Werte gemiiss den VerMltniszahlen aus der Voruntersuchung
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H. Ambiihl
Hydrol.
noch erhtiht werden. Damals stellten wir lest, dass die 6 Zufltisse der Hauptuntersuchung 76,9 + I2,5% an N und 86,9 4- 4,7% an P liefern; der Rest stammt aus den tibrigen Zufltissen. Die Totalmengen berechnen sich demnach zu 13165o kg 4- 164o0 kg N (Gesamtstickstoff) und 2650 kg + 125 kg P (Phosphat). (Da der Gesamtphosphor in der Voruntersuchung nicht bestimmt wurde, kann seine Totalzufuhr nicht errechnet werden). Der Wegtransport durch den Aabach betr?igt for die gleiche Zeit 85938 kg Gesamtstickstoffund 684 kg Phosphat-P. Der Anteil des Baldeggersees Zur Bestimmung jenes Anteils, welchen der Baldeggersee selber liefert, diente die Probestelle Richensee (Abb. I), wenige hundert Meter nach dem Ausfluss des Wagbaches aus dem Baldeggersee. Abw~isser aus Siedlungen fehlen hier noch vollst~indig. Die Differenz zwischen dem N~ihrstofftransport, gemessen bei Mosen, vor dem Eintritt der Wag in den Hallwilersee, und bei Richensee, ist gleichbedeutend dem Anteil, der aus dem Zwischenseengebiet stammt. Eine g01tige Eichung des Abflusspegels Richensee existiert zurzeit nicht, so dass wir dieWasserftihrung nicht kennen und deshalb auch keine direkte Berechnung der N~ihrstoffmengen anstellen k/Snnen. Zur Feststellung des Jahrestotals kann indessen auch ein summarisches Verfahren glaubwiirdige Werte liefern : Aus der Fl~iche des Einzugsgebietes der Wag zwischen dem Hallwilerund Baldeggersee und aus dem langj~ihrigen Abflussmittel des gesamten Hallwilersee-Einzugsgebietes kann sein j~ihrlicher Abfluss abgesch~itzt werden. Diese Wassermenge yon der bei Mosen gemessenen subtrahiert ergibt den Abfluss bei Richensee. Mit Hilfe dieses totalen Jahresabflusses und der mittleren Jahreskonzentration der verschiedenen analysierten Komponenten erhalten wir eine totale N~ihrstoffmenge, welche in erster N?iherung der wirklichen Ausschwemmung aus dem See entspricht. Blosses Mitteln der Konzentrationswerte liefert nun allerdings noch nicht das richtige Resultat, da die Einzelwerte der N~ihrstoffkonzentration ja infolge der schwankenden Wasserftihrung verschiedenes Gewicht haben, im Gegensatz zur gleichm~issigen Behandlung der N~ihrstoffmengen bei der Berechnung des Jahrestotals. Mit
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Die Nahrstoffzufuhr zum Hallwilersee
Hilfe der Resultate der unteren MeBstelle (Mosen) haben wir versucht, Korrekturen zu ermitteln in folgender Weise: Aus den yon dort bekannten Jahressummen far N~ihrstoffe und Abflussmenge berechnen wir die mittleren N~ihrstoff-Jahreskonzentrationen und steUen diese den arithmetischen Mitteln der je 6o Konzentrationswerte gegenfiber. Der Quotient daraus ergibt einen Korrekturfaktor, der auf die Werte von Richensee angewandt wird. In Tabelle 3 sind die Jahrestotale der N~ihrstoffzufuhren, daraus berechnet die effektiven Jahreskonzentrationsmittel und die arithmetischen Mittel aus den einzelnen Konzentrationswerten zusammengestellt sowie schliesslich die daraus errechneten Korrekturfaktoren (als Q~otient der beiden Mittelwerte). Tabelle 3 W a g bei Mosen, B e r e c h n u n g d e r K o r r e k t u r f a k t o r e n
Nitrat-N Kjeldahl-N . . . Gesamt-N Phosphat-P . . . Gesamt-P
Zufuhr (kg/Jahr)
Effektives Arithmetisches Korr.-faktor J ahresmittel Konzentr.! mittel (mg/l) (mg/1)
25 47 72 1 3
0,629 1.165 1.792 0.0321 9 . 0,0776
492,8 189,7 682,5 302,1 140,4
0,671 1,182 1.854 0,0338 0,0860
0,937 0,985 0,967 0,950 0,903
T o t a l e A b f l u s s m e n g e an der MeBstelle Mosen : 40 523 000 m 3 Arithmetisches Konzentrationsmittel x [ = effektives J a h r e s m i t t e l
Das Einzugsgebiet des Hallwilersees umfasst I41,78 km ~, sein Abfluss im 33j~ihrigen Mittel 2,38 m3/sec (Abfluss wiihrend der Untersuchungsperiode : 2,I8 m3/sec). Das Einzugsgebiet der Wag zwischen den l~eiden Probestellen Richensee und Mosen umfasst hut topographischer Karte Io,7I km 2. Dieser Fl~icheen tspricht ein oberirdischer Abfluss yon o,I8I m3/sec bzw. 5 668 ooo m~/~abr. Somit betr~igt die wahrscheinliche Abflussmenge der Wag aus dem Baldeggersee w~ihrend des Untersuchungsjahres 40 523 000 m a - 5 668 000 m a 34 855 000 m a
(MeBstelle Mosen) (Wag-Einzugsgebiet) (Abfluss aus d e m B a l de gge rs e e )
Aus dieser totalen Wasserftihrung, den arithmetischen Mitteln der N~ihrstoffkonzentrationen und den Korrekturfaktoren lassen sich gemfiss Tabelie 4 die mutmasslichen N~ihrstoffmengen, welche w~ihrend der Unter-
574
H. Ambfihl
Hy~ol.
Tabelle 4 W a g bei Richensee, B e r e c h n u n g d e r N ~ h r s t o f f m e n g e n
Nitrat-N Kjeldahl-N . . . Gesamt-N Phosphat-P . . . Gesamt-P
Konz.Mittelwerte (mg[1)
N/ihrstoffmenge (kg)
Korrekturfaktor (/)
Korr,~z~erte N~.hrstof fmenge Ikg)
0,1522 1,028 1,1845 0,0344 0,0745
5 305 35 831 41 286 1 199 2 597
0,937 0,985 0,967 0,950 0,903
4 971 35 300 39 920 1 140 2 344
suchungszeit aus dem Baldeggersee in dieWag gekommen sind, berechnen. Diese Werte erg~inzen sich mit allen iibrigen Ergebnissen zusammen zu einer Verteilung der NShrstoffzufuhren, die wir als ?,as eigentliche Hauptergebnis der gesamten gntersuchung zu betrachten haben, und die die beiden ersten Versuchsfragen (Seite 565) hinreichend beantwortet (Tabelle 5 und Abbildung 2): Tabelle 5
Prozentuale Anteileder Zuflfissean der gesamtenN~ihrstoffzufuhrzum Hallwilersee Zufluss Wag: Baldeggersee Region Hitzkirch-Mosen D o r f b a c h Beinwil D o r f b a c h Meisterschwanden Siidl. D o r f b a c h Seengen Bettlerbach Abwasserdole lJbrige Zufliisse (laut Voruntersuchung) Total W e g t r a n s p o r t durch den Aabach . . .
Gesamtstickstoff
Gesamtphosphor
30,2 25,3 } 55,5 6,0 9,1 3,8 1.7 0,9 23,1 -4- 12,5
42,0 14,3 } 56,3 10,4 8,7 4,6 4,7 2,3 13,1 -4- 4,7
131 650 kg N
5 640 kg P
85 938 kg N
3 618 kg P
%
%
Was far Schlussfolgerungen aus dieser Verteilung zu ziehen sind, hat BALDINGER [3] einl~isslich diskutiert. Gegentiber friiheren Ansichten, wonach die aargauischen Zubringer den Hauptanteil an der gesamten N~ihrstoffzufuhr aufsich vereinen, haben sich die Lasten verteilt, indem nun ein sehr bedeutender Anteil aus dem obenliegenden, luzernischen Gebiet herkommt. Man hat deswegen die aargauische Sanierung aber nicht als zweck-
X X l l , 1960
575
Die N~hrstoffzufuhr z u m Hallwilersee
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Gesaml"-N 1953
Gesaml"- P -1957
Abbildung 2 H e r k u n f t der N/ihrstoffe
los oder ungeniigend erachtet in der Meinung, dass man sie nicht fiir sich allein, sondern nur als Teil eines Ganzen betrachten dare Der hohe Anteil, der aUein yore luzernischen Baldeggersee geliefert wird, ist dafiir zu einem gewichtigen Argument geworden f~ir die Notwendigkeit einer Abwassersanierung des Baldeggersees. Da n~imlich in der Wag hie hohe N~ihrstoffkonzentrationen vorkommen, dazu ausgerechnet nicht beim Phosphor, die verhfiltnismfissig hohe Phosphatmenge somit aufdie grosse Wassermenge zurfickgeht, welche j~ihrlich vom Baldeggersee hinunter in den Halhvilersee fliesst, liegt eine, Reinigung>> des Wagwassers ausserhalb jeder technischen MSglichkeit; sie kann deshalb auf keinem andern Weg erreicht werden als mit einer Abwassersanierung des Baldeggersees. Zu einern solchen Werk sind tibrigens bereits Ansfitze vorhanden.
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H. Ambiihl
Hydrol.
2. Die Sicberbeit der Resultate
Anhangsweise soll kurz gepriJft werden, wie welt die in den bisherigen Abschnitten besprochenen Resultate, namentlich die prozentualeVerteilun g der N~ihrstoffzufuhren auf die einzelnen Zuflfisse, das tats~ichliche Geschehen repdisentieren. Es handelt sich dabei nicht um eine Fehlerrechnung, da die Ungenauigkeit der Messungen und der Analyse so gering sind, dass o/o 80-
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1957
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X X I I , 1960
Die N~ihrstoffzufuhr zum Hallwilersee
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sic nicht ins Gewicht fallen, sondern wir betrachten lediglich den zeitlichen Verlauf der sich allmiihlich entwickelnden Verteilung, um aus dessen Bewegung auf die Sicherheit des Endresultats zu schliessen. Es muss dazu ausdr/icklich erwShnt werden, dass sich die erhaltenen Angaben ausschliesslich auf die wShrend unserer Untersuchungszeit gewonnenen Resultate beziehen und nicht etwa darauf, in welchen Grenzen die Endresultate etwa einem effektiven, langj~ihrigen Mittelwert entsprSchen. Diese Frage, die f~ir das seinerzeitige Ziel der Untersuchung auch gar nicht so wichtig war, liesse sich ja nur mit mehr]Shrigen, gleichartigen Untersuchungen wirklich entscheiden, was den Aufwand denn doch nicht rechtfertigte. Es sind grundsStzlich zwei Komponenten, welche die Sicherheit der Resultate beeinflussen k6nnen, niimlich I. die tSglichen Schwankungen in Chemismus und Wasserfiihrung, die das Regime der abwasserbelasteten B~ichebestimmen, und 2. die iiber die Jahreszeiten hinweggehenden grossen Schwankungen im Niihrstoffgehalt der Wag. Das Verfahren ist folgendes: Die Zufuhren durch die einzelnen B~ichewerden laufend summiert und for ]edes neue Datum die Prozentanteile des aufgelaufenen Totals berechnet. Un terder vereinfachenden Annahme, dass die j eweiligenTagesmengen sowie ihre Schwankungen ungef~ihr gleich gross bleiben, n~ihert sich das Summenresultat einem Wert, yon dem aus die Abweichungen um so geringer werden, je grSsser die Anzahl der Analysen ist. F[ir die Wag mit ihren jahreszeitlichen Schwankungen muss die Untersuchung nadirlich ohnehin einen geschlossenen Jahreszyklus umfassen. Wir haben die Werte des Gesamtphosphors nach diesem Verfahren durchgerechnet und die Resultate in Abbildung 3 graphisch ausgewertet. ErwartungsgemSss sind die Schwankungen der ersten Untersuchungen sehr gross, was gewisse R/ickschliisse auf die Voruntersuchungen erlaubt, doch schon yon der 8. Untersuchung an beruhigt sich das Bild. Von da weg ist es hauptsiichlich die Wag, die den Verlauf der ~ Kurven>~ bestimmt. Wiihrend die eigentlichen Schwankungen immer geringer werden, bewirkt die langsame Verschiebung des Wag-Chemismus eine gewisse GegenlSufigkeit zwischen den Anteilen yon Wag und den iibrigen Zufliissen. Dieser allmiihliche Verlaufist indessen anders zu werten als die eigentliche Schwankung der Resultate und hat auf dieselbe keinen Einfluss. Aus dem Verlauf der ~ Kurvem) (aufgetragen sind die Deckfliichen yon Siiulen mit der HShe des jeweiligen Prozentwertes) ist abzusch~itzen, dass
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Hydrol.
unsere Resultate, soweit sie die prozentualen Anteile der Zufltisse an der Gesamtzufuhr betreffen, eine Schwankung yon ungef~ihr 4- 2% (Wag) bis 4- o,2% (Abwasserdole) besitzen, bezogen aufdie Gesamtzufuhr.
3. Die N~'hrstoffgehalte der Seeabfliisse im ~Jahreslauf Riickscbliisse auf den Trophiegrad yon Hallwiler- und Baldeggersee Der Zeitplan f/ir die Probenahme war ausschliesslich ausgerichtet auf die Verh?iltnisse abwasserbelasteter B~iche; die (zumindest an den Probestellen) yon den Einfltissen der Zivilisation noch verschonten Seeabfltisse mussten sich in dieses Programm einftigen. Ohne allf~illigeTagesschwankungen, z. B. durch Vertikalwanderungen des Zooplanktons, noch besonders zu beriicksichtigen, haben wir die Konzentrationswerte der Seeabfltisse im Zeitablauf graphisch aufgetragen, weil Schwankungen im N~ihrstoffverlauf einiges aussagen k~innen tiber die Vorg~inge, die sich in der trophogenen (und auch im Abfluss erscheinenden) Schicht abspielen. Eine solche Darstellungsweise mag primitiv erscheinen. Wie die folgende Auswertung aber zeigt, gibt sie gerade dadurch, dass bloss eine einzige Komponente, und nur in zweidimensionaler Darstellung, betrachtet wird, ein besonders klares Bild. In den Abbildungen 4 und 5 sind die Ntihrstoffgehalte yon Wag (beim Abfluss aus dem Baldeggersee) und Aabach (beim Abfluss aus dem Hallwilersee) im Zeitablauf graphisch dargestellt. Kjeldahl-Stickstoff, damit auch Gesamtstickstoff und im selben Zusammenhang der Gesamtphosphor sind im wesentlichen durch den Planktongehalt bestimmt und unterliegen deshalb ziemlich starken Schwankungen. Wir sehen yon einer besonderen Besprechung dieser Komponenten ab und vergleichen bloss die Gehalte an Phosphat-P und Nitrat-N untereinander. Zum besseren Vergleich sind in den Abbildungen 4 und 5 die stark streuenden Einzelresultate, welche untereinander mit einer unterbrochenen feinen Linie verbunden sind, durch eine dick ausgezogene Linie erg~inzt, welche den Verlaufin grossen Ztigen angibt. Baldeggersee. Der Abfluss ftihrt anfangs November I956, zur Zeit des Beginns der Herbstzirkulation, weder Nitrat noch Phosphat. Das Wasser des Epilimnions ist frei yon N~ihrstoffen; diese sind durch die intensive Algenentfaltung, die man hier jedes Jahr beobachten kann, vollst~indig aufgezehrt. Mit fortschreitender Zirkulation gelangen die N~ihrstoffe aus der Tiefe, wo vor allem Phosphat und Ammoniakstickstoff angereichert
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Die N/ihrstoffzufuhr zum Hallwflersee
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Links: Abbildung 4 Wag bei Richensee (Abfluss des Baldeggersees) : Zeitlicher Verlauf der N~ihrstoffkonzentrationen. Reckts: Abbildung 5 Aabach (Abfluss des Hallwilersees) : Zeitlicher Verlauf der N~hrstoffkonzcntrationen.
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H. Ambfihl
Hydrol,
sind, wieder in die oberen Wasserschichten. Dieser Anstieg ist anfangs Januar vorderhand beendet; die markante Zacke des Phosphatgehaltes Mitte Januar geht auf einen Starkregen zuriick. Erst mit einsetzender Friihjahrszirkulation, welche den v/511igenWasserausgleich bis zum Grund schafft, wie eine Seekontrolle am 24. 2. I958 ergeben hat, erfolgt nochreals ein NShrstoffanstieg in den oberen Wasserschichten. Im Lauf des M~irz beginnt sich die Sommerstagnation auszubilden, und mit ihr entfaltet sich auch rasch die Algenflora, vorab Oscillatoria rubescens DC. Diese Fintwicklung zeichnet sich ab im Kjeldahl-Stickstoff, ganz auff~illig dann aber in einer ~iusserst kurzfristigen Abnahme des Nitratgehaltes yon rund o,4 aufrund o,I mg/l N. Er pendelt nun bis Mitte Ok:ober um diesen Wert herum. Bis gegen MitteJuli ist ein kr~iftiger Rtickgang des Kjeldahl-Stickstoffs zu bemerken, was so zu erkl~iren ist, dass sich bei dem damaligen ruhigen Sommerwetter die Burgunderblutalge in tieferen Lagen einschichtete, und damit nicht mehr in den Seeausfluss geriet. Von Mitte Juli an steigt er dann wieder krfiftig an. Parallel zum Nitrat erreicht der Pbospbatgehalt seinen H/Jhepunkt im Mfirz, und wird dann allm~ihlich, nicht so pl/Stzlich wie der Nitratstickstoff, aufgezehrt. Im Juli ist schliesslich ebenfalls nichts mehr vorhanden, und yon da an messen wir praktisch immer Null bis in den Oktober hinein, yon wo an beide Nfihrstoffe den Beginn eines erneuten Anstiegs zu zeigen scheinen. Hallwilersee. Die Verh~iltnisse liegen hier ~ihnlich. Das Untersuchungsjahr beginnt anfangs November I956 ebenfalls mit einem verh~iltnism~issig niederen Nitratgehalt, der allerdings etwas h~Sher ist als ira Baldeggersee, und einem Phosphatgehalt yon null. Im November setzt die Zirkulation ein; die Gehalte steigen an, indem nfihrstoffreiches Tiefenwasser allm:.ihlich mit dem ausgezehrten Wasser der oberen Schichten vermischt wird. Am 27. Oktober I957 massen wir beispielsweise im Hallwilersee an der tiefsten Stelle: An dcr Oberfl'fiche o,oo3 mg/l Phosphat-P in xo m 0,002 O,O I I II~5 m I5m
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Die Ntihrstoffzufuhr zum Hallwilersee
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setzt das Algenwachstum ein, auch hier zum grSssten Tell Oscillatoria rubescens DC. Das aufflillig rasche Verschwinden des Phosphats ist die unmittelbare Folge davon, w~ihrend der Nitratsfickstoff langsam aufgebraucht wird his aufeincn Wert yon ungefiihr o, I5 mg/1N, mit ziemlichen Schwankungen ira Wasser des Abflusses, welche aUerdings auch yore Moor hcrrtihren kSnnen, das dcr Aabach vom See bis zur MeBstelle zu durchfliessen hat (siehe Abbildung I). Stellen wir einander die vereinfachten VerlSufe der Niihrstoffkonzentrationen gegeniiber (Abbildung 6), so finden wir, dass das Nitrat im Balde c,,gerseein 5hnlicher Weise aufgezehrtwird wie das Pbospt~atim Hallrailersee: Rasche Aufzehrung innert weniger Tage oder \Vochen, worauf sich der Prima're Minimumsfaktoren
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Abbildung 6 Verlauf der Nitrat- und Phosphatkonzentration in den beiden Seeabfliissen.
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Gehalt nur noch wenig ~ndert und namentlich sehr niedrig bleibt. Demgegeni.iber zeigen Nitrat im Hallwilersee und Phospbat im Baldeggersee einen andern, jedoch untereinander wieder sehr ~ihnlichen Verlauf, sofern wir yon den absoluten Konzentrationswerten vorerst absehen : Anstieg wie bei den eben besprochenen Komponenten bis zum vollst~indigen Ausgleich der Wassermassen, dann allm~ihliches Aufzehren bis zu einem Minimalwert (Nitrat) oder schliesslich auf Null (Phosphat). Setzen wir die Absolutkonzentrationen ein, so finden wir, dass der Riickgang der Phosphatkonzentration in beiden Seen ungef~ihr gleich rasch vor sich geht. Da abet im Hallwilersee der Vorrat beziehungsweise die Konzentration viel geringer ist, steht das Phosphat schon nach wenigen Tagen oder Wochen im Minimum - im Baldeggersee braucht es immerhin gegen 4 89 Monate dazu. Die Planktonentfaltung selber jedoch muss im Baldeggersee um einiges rasanter sein, denn die Nitratzehrung ist hier sehr viel intensiver. Bei gleicher Konzentration reicht das Nitrat hier h/Schstens einige Wochen aus, w~ihrend seine Zehrung im Hallwilerseewasser gegen fiinf Monate anh~ilt. Offensichtlich f/Srdert im Baldeggersee der hohe Phosphatgehalt das Algenwachstum. Aufdie Produktion an sich scheinen sich diese Unterschiede freilich nicht stark auszuwirken; die mittleren Jahreskonzentrationen an Kjeldahl-Stickstoff und organisch gebundenem Phosphor sind in beiden Seeabfltissen praktisch gleich gross (Tabelle 6). Der rasche Verbrauch des Nitrats im Ba!deggersee und der ebenso rasche Verbrauch des Phosphats im Hallwilersee zeigen unverkennbar, dass wir es hier mitprins Minimumstoffen zu tun haben (Abbildung 6). Tats~ichlich erh~ilt der Baldeggersee durch die Abw~isser eines Industriebetriebes und der Gemeinde Hochdorf so grosse Mengen an anorganischem und organischem Phosphor zugeftihrt, dass es nicht verwundert, wenn hier der Nitratstickstoffzum prim~iren Minimumsfaktor geworden ist. Die anderen Stoffe zeigen dagegen das Bild sekund~'rer Minimumsfaktoren, wovon das Phosphat im Baldeggersee deutlich, hingegen das Nitrat im Hallwilersee diese Rolle etwas verwischt spielt: weil hier das Phosphat eindeutig das Algenwachstum ~schr~inkt, kann das Nitrat gar nie richtig ins Minimum kommen. Nach dem Schliissel yon THOMAS [I4] ist demnach der Baldeggersee als stark eutropb bispolytropb, wenigstens in der ersten H~ilfte des Sommers, anzusprechen, w~ihrendder Hallwilersee unter die eutroiohenSeen einzugliedern ist. DieJahresmittel der N~ihrstoffkonzentration yon Wag und Aabach geben dazu eine gewisse Illustration:
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583
Die N~.hrstoffzufuhr zum HaUwilersee Tabelle 6
Jahresmittel der N~hrstoffkonzentrationendcr Wag und des Aabaches
Nitrat-StickstofI (mg/1 N) Kjeldahl-Stickstoff (mg/l N) Gesamtstickstoff (mg/1 N) Phosphat-Phosphor (mg/l P) Organisch gebundener Phosphor (mg/1 P) . Gesamtphosphor (rag/1 P)
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0,247 1,019 1,266 0,010 0,043 0,053
Demnach f/Ahrt der Hallwilersee mehr Nitrat; der Kjeldahl-Sticksioffist ungeflihr gleich und damit vermutlich auch die Produktion des Sees, w~ihrend vom Baldeggersee her mehr als die dreifache Konzentration an Phosphat zum Abfluss kommt, mit Schwergewicht auf der Zirkulationszeit. Die Gehalte an organisch gebundenem Phosphor sind dagegen wieder ungefShr gleich hoch. Da uns aber vergleichende Seewasser- und Sedimentuntersuchungen fehlen, wird es einstweilen bei der Mitteilung dieser Befunde bleiben m/]ssen. 4. Der mittlere Tagesverlauf der Abwasserlast
Als Seeabflfisse gehorchen Wag und Aabach ihrem eigenen Regime und haben mit dem Chemismus der ~ibrigen Zufltisse nichts gemeinsam. Diese ~ibrigen, mehr oder weniger stark mit Abw~issern belasteten Btiche haben seinerzeit den Modus der Probenahme bestimmt, wobei wit besonderen Wert legten auf das Erfassen der tageszeitlichen Schwankungen. Folglich muss nun das Zahlenmaterial bei geeigneter Auswertung einiges fiber diese Tag-Nacht-Schwankung im Chemismus aussagen kSnnen und damit Informationen liefern fiber die direkte Abwasserbelastung der einzelnen Zufli]sse. Eine solche Auswertung ist ftir das Gesamtresultat, n~imlich die Verteilung der Anteile der Zuflfisse an der Gesamtzufuhr, unwesentlich und unnStig, gibt uns aber eine wertvoUe Kontrolle iiber die Brauchbarkeit der Methode, gibt ferner Vergleichswerte iiber die Abwasserbelastung und liefert uns schliesslich die Grundlagen fi.ir die Beantwortung weiterer, in sp~iteren Abschnitten behandelter Fragen. Fiir jede der Stichzeiten, nach denen die Analysenwerte vorerst zu ordnen sind, l~isst sich ein Mittelwert errechnen. Die graphischen Darstellungen (Abbildungen 7 bis I8) geben Aufschluss iiber diese Mittelwerte und
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H. Ambfihl
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Die Ntihrstoffzufuhr zum Hallwilersee
585
die Streuung der Einzelwerte. Da es nicht so sehr aufden einzelnen Wert ankommt, verzichten wir aufeine tabellarische Zusammenstellung. W~ihrend bei den Seeabfl~issen die Konzentrationswerte die auswertbaren Gr/Sssen sind, lassen sich hier ausschliesslich die N~ihrstoffme/l~en(hier in kg/Tag angeben) miteinander vergleichen. Ein Vergleich yon Konzentrationswerten w~ireaus leicht ersichtlichen Gfiinden sinnlos. Somit geben uns die Darstellungen den mittleren t~iglichen Verlaufdes N~ihrstofftransportes, ungeachtet der Wasserfiihrung, deren Einfluss in einem anderen Zusammenhang besonders untersucht wird. Dorfbach Beinwil (Abbildungen 7-II) Der Nitratverlauf l!isst keine besonderen Schwankungen im Tagesablauf erkennen; der gfiSsste Teil des Nitrates stammt demnach nicht aus Abxvfissern, sondern aus der natiirlichen Sickerung aus dem Boden. Anders verKilt es sich mit dem organisch gebundenen (Kjeldahl-) Stickstoff, welcher den gleichen, Ftirden tfiglichen Anfall von Siedlungsabw.:isserncharakteristischen Tagesgang zeigt wie der Phosphat- und der Gesamtphosphor. Demnach kommt ein sehr bedeutender Teil auch des anorganischen Phosphors (Phosphat) aus dem Abwasser, und h/Schstens der Anteil, der kurz nach Mitternacht, um 02.oo Uhr, an Phosphat durchkommt, diirfte aus der nattirlichen Sickerung herstammen. Aus den grossen Schwankungsamplituden ist ersichlich, dass der Dorfbach Beinwil sehr stark mit Abw~issern belastet ist. Dorfbach Meisterschwanden (Abbildungen 12-15) Obwohl im unteren Teil dieses Dorfbaches, vor seiner Mtindung in den See, keine Verschmutzung festzustellen ist, hat er doch verh~iltnismfissig grosse Abwassermengen aufzunehmen. Der t~igliche Ablauf der Nitratftihrung schwankt unbedeutend, was daraufhinweist, dass ein grosser Teil des Nitrats aus der nattirlichen Sickerung herstammt. Einen deutlichen Abwassereinfluss lfisst dagegen der Verlauf des Kjeldahl-Stickstoffs erkennen.
Die Phosphatffihrung l~isst ebenfalls eine Periodizit~it erkennen, jedoch nur andeutungsweise; der nicht aus dem Abwasser stammende Anteil scheint dementsprechend hoch zu sein. Deutlichere Unterschiede sind beim Gesamtphosphor zu bemerken, doch auch hier ist die Schwankungsamplitude verh~iltnismfissig klein. Die N~ihrstoffmengen, mit denen der
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See zuletzt fertig werden muss, sind freilich immer noch hoch genug. Die zeitliche Verz/Sgerung des Tagesrhythmus gegentiber dem normalen Abwasseranfall weist aufein weitl~iufiges Einzugsgebiet hin. Dorfbach Seengen, Bettlerbach, Abwasserdole Beinwil (Abbildungen 16, 17, 18) Von diesen Zufliissen ist nur der Gesamtphosphor ausgewertet. Infolge der grossen Abwasserlast kommt hier die Tagesschwankung ausserordentlich kr~iftig zur Geltung. Der Bettlerbach und die Abwasserdole haben beide ein kleines Einzugsgebiet, sind aber sehr stark belastet mit Abw~issern. Hier fallen nun besonders die niederen Nachtwerte auf, w~ihrend der minimale Nachtwert des stidlichen Dorfbaches Seengen im Vergleich zur gesamten Schwankung etwas h6her ist, entsprechend seinem gr6sseren Einzugsgebiet - ein Hinweis, dass der Anteil, welcher aus dem Boden und nicht aus dem Abwasser stammt, bei Gew~issern mit gr/Ssserer Einzugsfi?iche so gross ist, dass er bei Voraussagen tiber die Wirkung einer Abwasserfernhaltung in Rechnung zu stellen ist. Im folgenden Abschnitt versuchen wir, diesen Anteil abzusch~itzen. 5. Der Anteil der nicbt aus Sie,tlung un,t Gewerbe stammenden Niihrstoff'e
Als eines der Ergebnisse der Voruntersuchungen f~ihrt BALDIXGER [2] den Anteil an, der aus mehr als 4o Drainage- und Sickerw~issern aus den gedtingten Landgebieten rings um den See zufliesst. Er wurde damals berechnet zu 2,3% der gesamten Stickstoff- und o,8% der Phosphatzufuhr. Diese Zahlen sind an sich tats~ichlich unbedeutend. Sie erfassen jedoch nur ein ganz kleines, fl~ichenm~issigunbedeutendes Gebiet rings um den See, nicht mehr als einen schmalen Uferg~irtel. Das gesamte tibrige weitgespannte Einzugsgebiet, das ebenfalls N~ihrstoffe aus dem Boden aussickert, ist damit nicht erfasst. Eine erneute r dieser Frage, diesmal anhand des umfangreichen Materials der Hauptuntersuchung, kommt zu einem Ergebnis, das sogar in seiner Gr~Sssenordnungverschieden ist und demzufolge Beachtung verdient. Dieser Anteil, den das Sanierungswerk nicht erfassen kann und somit dem See dauemd zur Last fallen wird, ist freilich nur auf Grund yon Annahmen abzugrenzen; zu einer sicheren Berechnung fehlen uns die Unterlagen. Deshalb liegt es uns auch fern, im Gang befindlichen Spezialuntersuchungen
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Die N~ihrstoffzufuhr zum Hallwilersee
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auf diesem Gebiet vorzugreifen, sondern wit beschr~inken uns hier ausdriicklich aufdie lokalen Verh~iltnisse des Seetals. WShrend unter den heutigen Verh~iltnissen tagsi.iber hShere Nfihr- und Schmutzstoffgehalte zu messen sind, gehen sie nachts stark zurtick mit Minimum zwischen 02.00 und 05.00. Ffllt nun die Abwasserzufuhr gfinzlich weg, so ist zu erwarten, dass diese Minimalwerte auch tagstiber andauern. Sie geben uns daher ein Mass ftir die NShrstoffmenge, welche nach erfolgter Sanierung schlimmstenfalls noch in den See gelangen kann. F(ir eine solche Berechnung sind aber nicht alle untersuchten Zuflfisse brauchbar, da j a auch nachts die Abwasserzufuhr hie ganz aufhSrt. Wit verwenden deshalb als Basis nut den Doff bach Meisterschwanden, weil er das grSsste Einzugsgebiet besitzt und verh~iltnism~issigschwach verunreinigt ist. Sein Minimalwert an Gesamt-P-Zufuhr (Mittelwert um o6.o0) liegt praktisch gleich hoch wie der entsprechende Phosphatnvert; somit ist dann nahezu der ganze Gesamtphosphor als Phosphat vorhanden. Der weiter nicht erfassbare Abwassereinfluss ist demnach um diese Zeit gering. Die minimale Tageszufuhr durch den Doff bach Meisterschwanden (Mittelwert 06.00) betr~igt 0,50 kg Gesamtphosphor. Bei einer jfihrlichen Abflussmenge von 3 320800 ma entspr~iche das einer mittleren Konzentration von o,o55 mg/1 P. Nach Extrapolation aufdas Einzugsgebiet des Hallwilersees minus dasjenige der Wag, bei einer Abflussmenge (Qtotaz-Qwag) von 20296900 ma, fliessen somit nach der Abwassersanierung aus diesem Gebiet, also ohne Wag-Einzugsgebiet, noch I I I 5 kg Gesamtphosphor in den See, was bei einer vorherigen Zufuhr von 2 500 kg (aus diesem Gebiet) einer Reduktion auf maximal 45% entspricht. Die aargauische Sanierung hfilt demnach in ihrem Einflussbereich mindestens 55% des Gesamtphosphors zurfick, eher mehr (die getroffenen Annahmen erlauben nut die Berechnung eines Grenzwertes). Der Rest stammt demnach aus dem Boden, aus der landwirtschaftlichen Dfingung usw. Dieses Resultat wird schlechter, wenn man die \\Tag, bei der eine Elimination der Nfihrstoffe nicht so rasch mSglich ist, dazu rechnet: Die totale Zufuhr aus s~imtlichen Zuflfissen betfiigt 564o kg Gesamtphosphor. Davon erfasst die aargauische Sanierung mindestens I II5 kg, es bleiben hSchstens 4525 kg oder hiSchstens 8o%. Wenn auch diese Zahlen nur als Maximal- bzw. Minimalwerte zu betrachten sind und nicht eben auf sehr festen Grundlagen ruhen, so geben
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sie doch die GriSssenordnung an, in welcher sich das RtickhaltevermSgen des Sanierungswerkes in bezug auf Pflanzennhhrstoffe bewegt. Wem sie gering vorkommen, der mag bedenken, dass zus~itzlich zu diesen Niihrstoffen noch die ganze Belastung des Sees mit eigentlichen Schmutzstoffen aufhSren wird und dass sich dadurch seine hygienischenVerhiihnisse rasch bessem werden. Im Interesse eines gesunden Badebetriebes ist schon allein dieses Ziel allerhand Anstrengung weft. Im weiteren untersti~tzen sie aufs eindrticklichste das Anliegen des Kantons Aargau an seinen luzernischen Nachbarn, das Seinige zu tun, um auch die Abwasserverh~iltnisse am Baldeggersee zu sanieren. Dass dieser, ein landschaftliches Kleinod sondergleichen, eine Verbesserung bitter nStig hat, zeigen die entsprechenden Zahlen in diesem Bericht. Ferner 1Ssst sich nun auch Frage 4 (Seite 565) einigermassen beantworten: Ob mit der aargauischen Sanierung allein die Symptome des heutigen eutrophen Zustandes wesentlich zurtickgehen werden, scheint fraglich. Sicher werden sie es tun, wenn auch dem Baldeggersee seine heutige Abwasserlast abgenommen wird. Im weitern dokumentieren diese kurzen Oberlegungen, dass am Hailwilersee der Einfluss der N~hrstoff-Ausschwemmung aus dem Boden in derselben GriSssenordnung zu liegen scheint wie der Einfluss der AbwSsser selber. Genauere, aufbreiterer Basis aufgezogeneUntersuchungen tiber die N~ihrstoffbelastung der Gew~sser dutch die Aussickerung aus dem Boden w~ren im Hinblick aufdie Beurteilung yon Abwassersanierungen an Seen yon griSsster Bedeutung, zumal sich das gleiche Problem ja nicht nut am Hallwiler- und Baldeggersee stellt, sondern fast iiberall in der Schweiz. Aus clieser Erkenntnis heraus, dass niimlich ein bedeutender Tell aller Niihrstoffe gar nicht erfasst werden kann, erwSchst uns die Forderung, dass daftir jede N~hrstoffquelle, welche sich mit technischen Mitteln irgendwie erfassen l~isst, mit der Sanierung erfasst werden muss.
6. Der Einfluu der Niederschllige a.uf den Chemismusdes Bachwassers Mit seinen kurzen, regelm~issigenZeitintervallen zwischen den einzelnen Probefassungen, welche gerade dadurch auch jede Witterung und Wasserftihrung erwischten, l~isst sich das Zahlenmaterial auch zur Beantwortung dieser Fragen heranziehen. Es ist kein besonders limnologisches Problem und hat zur Seesanierung auch nur eine entfernte Beziehung. Trotzdem wir nun voraussetzen, dass mit unseren Proben alle Wasserst~inde einigermassen gleichm~issig erfasst sind, stehen wit noch vor der
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Die ~N~ihrstoffzufuhr zum Hallwilersee
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Frage, was z.B. Gewitterregen ftir einen Einfluss aufdie N~ihrstofftihrung haben. Der Sommer i957 brachte eine Reihe yon Gewittern mit teilweise heftigen Starkregen; die Probenahmen fielen aber sozusagen alle daneben. Das mag so auch richtig sein. Fiele n~imlichein Gewitterregen beziehungsweise ein Gewitterhochwasser gerade mit einer Probenahme zusammen, so h~itte das bei der Auswertung zur Folge, dass diesem Ereignis ein Gewicht zugemessen w~irde, das einem Sechzigstel des ganzen Jahres, also ganzen sechs Tage entspr~iche. Gewitterregen dauern aber h/Schstens Stunden, nicht aber Tage und keinesfalls eine Woche. Eine solche Probenahme erhielte somit eine Bedeutung, die ihr nicht zuk~imeund k/Snnte zur Verf~ilschungdes Endresultats beitragen. Wir k/Snnendemnach zum vorneherein annehmen, dass Gewitterspitzen, so heftig sie im Moment sein m/Sgen, aufdas Jahrestota[ keinen grossen Einfluss haben.Trotzdem ist es notwendig, dass man anhand eines konkreten Materials priift, ob und welche Zusammenh~inge bestehen zwischen der Wasserftihrung, d.h. der Intensit~it der Sickerung aus dem Boden, und dem N~ihrstoffgehalt des Bachwassers. Am einfachsten geschieht dies graphisch. Wir verwenden dazu wieder die Werte des Dorfbaches Meisterschwanden als des bedeutendsten und konzentrationsm~issig am schw~ichsten belasteten Zuflusses. Besprochen werden nur Nitrat und Phosphat. Nitrat: In Abbildung z9 sind s~imtlichew~ihrend der Hauptuntersuchung gemessenen Nitratkonzentrationen als Funktion der jeweiligen Wasserftih6 rng/l. N
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Abbildung 20 Einfluss tier Wasserfiihrung auf den Nitrattransport des Dorfbaches Meisterschwanden
rung aufgetragen. Als Vergleich dazu ist in Abbildung 2o der t~igliche Nitrattransport in kg/Tag dargestellt, ebenfalls aufgezeichnet gegen die Wasserffihrung. Nach diesen Darstellungen beeinflusst die Wasserftihrung die Nitratkonzentration normalelaveise nicht.Nur bei sehr starken, pl&zlichen Regen tritt eine Steigerung der Konzentration und damit eine entsprechende progressive Steigerung des Transportes beziehungsweise der Ausschwemmung auf. Demgem~iss besteht zwischen Wasserftihrung und Transport normalelaveise eine mehr oder weniger lineare Beziehung, die scheinbar nut unter Bedingungen, wie sie ein Gewitter zu bieten vermag, durchbrochen wird. Eine markante Mengenspitze an der Wag, gemessen am 15. Februar 1957, nach sehr srarken Niederschl~igen, weist ebenfalls aufeine progressiv erh6hte Nitratausschwemmung hin (Abbildung 4)Pbospbat:Gem.~ss den Abbildungen 21 und 22 bleibt im Gegensatz zum Nitratgehalt die Phosphatkon~entrationyon der Wasserfiihrung nicht unbeeinflusst, sondern sie nimmt mit steigender Wasseri'dhrung ab. Diese Beziehung kommt trotz der starken Streuung der Einzelwerte ziemlich klar heraus. Mit steigender Wasserf'fihrung rritt auch eine Erh~hung der ausgewaschenen Men~e ein, namentlich bei niederen Wassersr~inden, w~ihrend die extremen Wasserst~inde nicht fiber eine proportionale Steigerung hinausgehen. Soweit man den (namentlich im Bereich der hohen Wasserftihrungen dtirftigen) Resultaten entnehmen daft, scheint bei extremen Niederschl~i-
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Die Ntihrstoffzufuhr zum Hallwilersee
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Abbildung 22 Einfluss der Wasserfiihrung auf den Phosphattransport des Dorfbaches Meisterschwaaden.
gen zumindest keine progressive Steigerung der Ausschwemmung einzutreten wie beim Nitrat. Auch bei der Wag (MeBstelle Mosen) war festzustellen, dass der Konzentrationsverlauf weitgehend mit dem Verlauf der abgeftihrten Menge zusammenf~illt, abgesehen yon der Verzerrung durch das Friihjahrshochwasser, dass also auch hier die Menge an ausgeschwemmtem Phosphor yon der Witterung eher wenig beeinflusst wird. Somit besteht bei Gewitterregen nut fiir Nitrat die Gefahr einer progressiven Ausschwemmung, nicht aber beim Phosphat, was im Hinblick auf seine tiberragende Bedeutung als Minimumstoff eine gewisse Beruhi-
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gung bedeutet. Im weiteren d/irffe der Fehler, der unserer Auswertung dutch das Nichterfassen yon Gewitterspitzen zwangsl~iufigerwachsen ist, auch aus diesen Griinden gering sein und im iibrigen Fehler verschwinden. V. Schlussbemerkungen
Die vorliegende Arbeit hat die eingangs gestellten Fragen beantworten kSnnen, wenn auch nicht immer so, wie man es sich gewiinscht h~itte. Damit ist ihr eigentlicher Zweck erfiillt. Doch sind ihre Resultate im wesentlichen summarischer Art. Sie sagen nichts aus fiber Vorg~ingeim See selber, und namentlich erlauben sie nicht, die immer wieder verlangte Prognose der Sanierungsaussichten zu stellen. Wohl besteht nach JAAG [7] kein Zweifel dar/iber, dass das Sanierungswerk einen giinstigen Einfluss aufden inneren Haushalt des Sees und damit auf sein Aussehen haben wird: <(Oftwird uns die Frage vorgelegt, was yon den Reinhaltemassnahmen ffir die Verbesserung des Zustandes unserer Gew~isser schlussendlich erwartet werden kSnne. Aufdiese Frage kann geantwortet werden, dass ein Bach, Fluss oder Strom, so iibel er auch aussehen mag, yon dem Zeitpunkt an, da ihm ungen/igend gereinigte Abw~isser ferngehalten werden, sehr rasch, meist schon im Zeitraum yon ein bis zwei Jahren vSllig in Ordnung gebracht werden kann. Langsamer wird sich das chemisch-biologische Gleichgewicht in den Seen wieder einstellen, weil ja an ihrem Grunde eine unterschiedlich m~ichtige Schicht yon Faulschlamm abgebaut, das heisst mineralisiert werden muss. Abet auch in den Seen werden sich mit der Zeit die Verh~iltnisse wieder bessern, und zwar um so rascher, je schneller infolge bedeutender, reiner Zufliisse das Wasser sich in ihnen erneuert.>) Wie lange es aber dauern wird bis zum sichtbaren, dauerhaften Effekt, kann ohne einl~isslicheUntersuchungen tiber den gesamten Stoffwechsel des Sees niemand sagen. Die Einwohner des aargauischen Seetals haben abet auch ohne eine solche Prognose, ja sogar im Wissen um die UnmSglichkeit, sie zu stellen, jedoch im Vertrauen auf seine Wirksamkeit dem Sanierungsprojekt zugestimmt und damit die Dankbarkeit auch der Limnologen erworben. Wie die fortschreitende Eutrophie eines Sees n~imlichvor sich geht - daf'fir gibt es Beispiele genug. Sp~irlich sind sie aber ftir den umgekehrten Vorgang. Der Hallwilersee ist das erste in der Schweiz und eines der ersten Beispiele iiberhaupt.
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Die N ~ h r s t o f f z u f u h r z u m Hallwilersee
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VI. Zusammenfassung
I. Die vorliegenden Untersuchungen an den Zuflfissen des Hallwilersees hatten den Zweck, die Zufuhr an N~hrstoffen nach Hcrkunft und Menge zu erfassen. Sic wurden in zwci Etappen durchgeftihrt. 2. Als Hauptzubringer an N~ihrstoffen(Phosphor und Stickstoff) wurden erkannt: Der Baldeggersee, | Das Einzugsgebiet der Wag zwischen Richensee und Mosen : / Wag, Dorfbach Beinwil, Dorfbach Meisterschwanden, Si.idlicher Dorfbach Seengen, Bettlerbach Meisterschwanden (Schachenholzbach), Abwasserleitung aus dem siidlichen Dorfteil Beinwil. 3o% des Stickstoffs und 42% des Phosphors kommen allein aus dem Baldeggersee; je ungefiihr 55% gesamthaft mit der Wag. 3. Die Probenahme an diesen Zufliissen, welche wShrend eines ganzen Jahres aufWasserftihrung, Stickstoffund Phosphor untersucht wurden, erfolgte nach einem Zeitplan jeden sechsten Tag, und zwar unter gleichm~issiger Verteilung auf alle Tageszeiten (inklusive Nacht), Wochentage und Jahreszeiten. 4-Eine wirkliche Sanierung des Hallwilersees ist nur m6glich durch gleichartige totale Sanierung des Baldeggersees. 5- Als Minimumstoffe wurden erkannt: Im Hallwilersee Pbospbat(wlihrend Sommerstagnation), im Baldeggersee Nitrat, erst gegen Ende der Sommerstagnation auch Phosphat. Demnach ist der Hallwilersee nach TrioMas [I4] als eutroph, der Baldeggersee als stark eutroph bis polytroph (erste H~ilfte des Sommers) zu bezeichnen. 6. Die aargauischen Zufli.isse zum Hallwilersee sind stark mit Abw~issern belastet; der Dorfbach Beinwil, der Bettlerbach, der siidliche Dorfbach Seengen und die Abwasserdole des stidlichen Dorfteils yon Beinwil sind eigentlicheAbwasserkloaken mit sehr ausgeprfigterTag-Nacht-Schwankung, welche sich anhand des Zahlenmaterials gut heraussch~ilen l~isst. 7. Die Genauigkeit der endgfiltigen prozentualen Verteilung der Zufuhren w~ihrend des Untersuchungsjahres liisst sich anhand der Schwankungen absch~itzen. Sie betriigt ungefiihr 4- 2% (Wag) bis 4- 0,2% (Abwasserdole Beinwil), bezogen aufdie Totalzufuhr. Darin sind die nattir39
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lichen Unsicherheiten wie Wetter, Wasserfiihrung u.a. nicht beriicksichtigt. Die Abweichung yon einem theoretischen ~ langj~ihrigen Mitteb~ kann ebenfalls nicht angegeben werden. 8.. Der Anteil der aus dem Kulturboden abgeschwemmten N~ihrstoffe kann noch nicht genau abgegrenzt werden. Er ist jedoch verh~iltnism~issig gross und liegt in der gleichen Gr~Sssenordnung wie die abwasserbedingte Zufuhr von N~ihrstoffen. 9. Wiihrend des Untersuchungsjahres gingen verschiedene Gewitter nieder, die mit den Probenahmen nicht erfasst wurden. Der dadurch entstandene Fehler ist gering. Io. Die Ausschwemmung yon Nitrat aus dem Boden wird yon der Wasserfiihrung insofern beeinflusst, als die Nitratkonzentration unter normalen Bedingungen ungef~ihr konstant bleibt, d.h. die ausgewaschene Menge steigt proportional zur Wasserfiihrung, wlihrend bei sehr starken Regen eine Konzentrationserh/Shung und damit eine progressive Steigerung der Auswaschung eintreten kann. Bei lang andauerndem Regen kann daftir sogar eine Verdiinnung eintreten. Die ausgeschwemmte Phosphatmenge steigt ebenfalls an mit steigender Wasserfiihrung, immerhin nicht linear, sondern mit fallender Konzentration. Starke Gewitterregen bewirken keine progressive Steigerung der Ausschwemmung. II. Die aargauische Abwassersanierung wird die Zufuhr yon Gesamtphosphor aus dem ganzen Einzugsgebiet ausschliesslich jenes der Wag um mindestens 55% verringern, eher mehr, w~ihrend der Rest aus dem Boden stammt und nicht zu entfernen ist. Deshalb muss jede N~ihrstoffquelle, soweit sie irgendwie zu erfassen ist, ausgemerzt werden.
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Die N~ihrstoffzufuhrzum Hallwilersee
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