Küppers, S.

Subklew, G.

Wilken, R.-D.

Juelich Shared Electronic Resources

Ökologische Auswirkungen des  Drei-Schluchten-DammsBMBF geförderte Deutsch-Chinesische Wasserprojekte trag zu leisten, sind seit dem Jahr 2003 auch Partner aus Deutschland eingebunden. Dabei geht es um Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Wasserqualität im Drei-Schluchten-Reservoir, das sich von der Staumauer (30 km westlich von Yichang) bis nach Chongqing, also über mehr als 600 km,  erstreckt. Naturgemäß wirkt sich diese Staumaßnahme auch in den zahlreichen Neben-flüssen des Yangtze aus (Abb. 1). Als Folge einer Vielzahl gemeinsamer Vorar-beiten bis hin zur Antragstellung beim Bundes-ministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter Gesamtkoordination des Forschungs-zentrums Jülich hatte das BMBF im Rahmen des Yangtze-Projekts in den Jahren 2008/2009 bereits fünf Forschungsanträge über Landnut-zungswandel, Bodenerosion, Massenbewegun-gen und Stoffeinträge positiv beschieden. Zum 1. August 2010 wurden weitere fünf Vorhaben im Themenbereich Wechselwirkungen Schad-stoff / Wasser / Sediment in die Förderung aufge-nommen. Mit der Koordination dieser Vorhaben Wasserqualität und Wasserversorgung stellen eine globale Herausforderung dar. In vielen Regionen der Welt wird dies deutlich stärker sichtbar als bei uns in Deutschland. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) för-dert Kooperationen, bei denen deutsche Wissenschaftler gemeinsam mit aus-ländischen Partnern aktuelle Fragestellungen aufgreifen und hierzu  Lösungskonzepte und Vorschläge zu deren praktischer Umsetzung erarbeiten. In der Zusammenarbeit mit China sind jetzt Projekte zu den ökologischen Aus-wirkungen des Drei-Schluchten-Damms am Yangtze Projekte speziell zu was-serwirtschaftlichen Themen gestartet worden, die hier vorgestellt werden.verwunderlich ist dennoch, dass bei der extrem dynamischen wirtschaftlichen Entwicklung, die in China in den vergangenen Jahrzehnten stattge-funden hat, auch Nebenwirkungen aufgetreten sind. Daher unternimmt China derzeit große An-strengungen, die Versorgung des gesamten Lan-des mit Wasser in guter Qualität sicher zu stel-len. In diesem Rahmen werden auch zahlreiche Staudämme und Wasserkanäle errichtet, z.B. die Projekte, bei denen Wasser aus dem wasserrei-chen Yangtze-Einzugsgebiet über rund 1.200 km in den wasserarmen Norden fließen soll. Eines dieser Projekte, in dem Wasser durch Flusstäler, Tunnel und Kanäle aus dem Süden nach Peking gelangt, ist gerade in Betrieb gegangen.Gemeinsame Ideen seit 2003In die Überlegungen und Bemühungen chinesi-scher Wissenschaftler, zur Überwindung der sich aus der Errichtung des Drei-Schluchten-Damms ergebenden, Herausforderungen [1,2] einen Bei-Abb. 1: Blick auf den Zusammenfluss des sedimen-treichen Yangtze und des klaren Jialing-Flusses nahe der Stadtmitte von Chonqqing im oberen Teil des Yangtze-StaubereichsJederzeit und überall bedenkenlos Trinkwasser aus der Leitung entnehmen zu können – diese ständige Verfügbarkeit von gesundheitlich unbe-denklichem Wasser hoher Qualität wird in Deutschland von der Mehrzahl der Menschen als selbstverständlich angenommen. Die dahin-ter stehenden zahlreichen Schritte der Explorati-on, Förderung, Speicherung, Aufbereitung und Verteilung von (Trink)-Wasser sowie die umfang-reiche Analytik bis hin zum erheblichen Präven-tionsaufwand kennen die meisten nur aus der Presse. Die Aufmerksamkeit wird erst dann ge-weckt, wenn Unvorhergesehenes passiert, was diese im Normalfall lückenlose Versorgungskette unterbrechen lässt.Dass die Versorgung von Bevölkerung, Land-wirtschaft und Industrie mit qualitativ zwar unter-schiedlichem, dem jeweiligen Verwendungszweck aber angepasstem einwandfreiem Wasser eine volkswirtschaftlich essentielle Aufgabe darstellt, haben auch die Verantwortlichen in der Volksre-publik China bereits seit längerem erkannt. Kaum GIT Labor-Fachzeitschrift 6/2011, S. 388–391, GIT VERLAG, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Darmstadt www.gitverlag.com      www.git-labor.dehat der Projektträger den Leiter des Vorhabens bei IWW Mülheim, Prof. Rolf-Dieter Wilken, beauftragt. Im vorliegenden ersten Teil dieses Beitrages werden die Gesamtsituation und die Rahmenbedingungen des Projektes vorgestellt; über Einzelprojekte wird in weiteren Beiträgen berichtet.Wassersituation in Deutschland und China Standort DeutschlandDeutschland hat eine erste Welle der wirtschaft-lichen Entwicklung mit Beginn der Industrialisie-rung um 1820 und dem damit verbundenen  dramatischen Niedergang der natürlichen Le-bensräume in und an den Flüssen erlebt und in-zwischen erfolgreich gemeistert. Seinerzeit wur-den auch bei uns Abfälle und Abwässer aus Landwirtschaft, Rohstoffgewinnung und Indu-strie ebenso ungeklärt in die Flüsse geleitet wie auch die Abwässer aus den Siedlungen und Städten. Die langanhaltende Verunreinigung des Wassers, der darin lebenden Fische, von Pflanzen und Sedimenten war somit vorprogrammiert. Die Trinkwasserentnahme aus den Flüssen mach-te aufwändige Aufbereitungsschritte notwendig. Der Rhein, auf den die Deutschen so stolz sind, aber auch die anderen deutschen Flüsse,  waren stinkende Abwasserkanäle geworden.Mit dieser Verschmutzung des Flusswassers gingen auch Seuchen einher wie Cholera-Epide-mien. Beispielsweise erkrankten 1892 in Ham-burg knapp 17.000 Menschen. Mehr als 8.500 Menschen starben.Durch die industrielle Entwicklung kamen in die Oberflächengewässer auch immer neue Stoffe, die sich nicht mehr mit einfachen Verfah-ren aus dem Wasser entfernen ließen. Deshalb konnten viele Anlieger an den großen deutschen Flüssen das entnommene Flusswasser nur noch mit hohem Aufwand zu Trinkwasser aufbereiten. Dies wird am Beispiel der Stadt Wiesbaden deut-lich, die Wasser aus dem Rhein nach Uferfiltra-tion entnahm aber trotzdem zwei Wasserwerke hintereinander schalten musste, um eine sichere Trinkwasserversorgung gewährleisten zu kön-nen. Die Baumaßnahmen für das Wasserwerk Schierstein begannen im Jahre 1901, ab 1961 lieferte es als zweistufiges Rheinwasser-Aufbe-reitungswerk Trinkwasser aus dem Rhein.Den Menschen an den Flüssen wurde es zu-nehmend ein Bedürfnis, die Umwelt wieder in ihren ursprünglichen sauberen Zustand zu ver-setzen. Wie ein Donnerschlag wirkte dann 1986 der Brand in einem Chemikalienlager im Oberlauf des Rheins, in Schweizerhalle, bei dem Chemika-lien in großen Mengen mit dem Löschwasser in den Fluss gespült wurden. Eine der Folgen dieses Unfalls war ein massenhaftes Fischsterben ent-lang des Rheins. Zahlreiche grenzüberschreiten-de Maßnahmen des Umweltschutzes am Rhein und seinen Nebenflüssen führten schließlich dazu, dass der Rhein als Folge der gemeinsamen Anstrengungen aller Beteiligten wieder ein vor-bildlich sauberer Fluss wurde (Abb. 2).Diese und viele andere Erfahrungen der deut-schen Umweltforschung bilden den Grundstock, den Wissenschaftler aus deutschen Universitäten und Forschungseinrichtungen mit den chinesi-schen Gruppen teilen wollen. Mit dem zusätzlich gewonnen Know How wiederum bereiten sich die deutschen Partner auf die „nächste Runde“ der Anforderungen zur Sicherung der Wasserver-sorgung bei uns in Europa vor.Standort ChinaFür China als Land mit hoher und immer noch schnell wachsender Bevölkerung und einer zu-gleich dramatisch zunehmenden Wirtschaftsleis-tung ist die Frage nach Wasser mit guter Qualität eine Lebensfrage von hoher Bedeutung.Die Volksrepublik China hat eine Landfläche von 9,57 Millionen Quadratkilometern und ist damit flächenmäßig eines der größten Länder der Erde. Von Süd nach Nord und von Ost nach West beträgt die geographische Ausdehnung je-weils über 4.000 Kilometer.Die Einzugsgebiete der großen ins Meer mün-denden Flüsse entwässern etwa 64 % der gesam-ten Landesfläche, wovon der Huang Ho (= Gelber Fluss) einen großen Teil des Abflusses in Nordchi-na erfasst und der Yangtze (Changjiang = Langer Fluss) überwiegend den Süden Chinas entwässert. Beide Ströme münden in den Stillen Ozean.Der 6.380 Kilometer lange Yangtze, der auf dem Qinghai-Tibet-Hochplateau entspringt, ist Chinas längster Fluss und nach dem Nil und dem Amazonas der drittlängste Fluss der Welt. Der Fluss passiert zehn chinesische Provinzen Abb. 2: Der Rhein bei St. GoarshausenAbb. 3: Die Staumauer des Yangtze (wasserseitig)mit etwa 400 Mio. Bewohnern einschließlich der Stadt Shanghai. Dort mündet er in das Ost-Chi-nesische Meer. Der obere Yangtze bis Yichang ist über 4.300 km, der mittlere Teil bis zum Hukuo etwa 950 km und der untere Teil bis zur Mün-dung ist etwa 930 km lang.China besteht zudem aus einem ariden Nord-teil und einem subtropischen Südteil. Im letzte-ren befindet sich der Yangtze, der jetzt durch den „Drei-Schluchten-Damm“ aufgestaut wird. Die Fertigstellung des gesamten Projekts einschließ-lich der Wasserkraftanlagen und der zwei Schleu-sensysteme erfolgte im Jahr 2009. Inzwischen ist die Stauhöhe von 175 m ü.NN erreicht. Das Wasser des Yangtze bzw. seine Zuflüsse aus dem Norden soll zukünftig auch zur Wasserversor-gung der ariden Gebiete Chinas genutzt werden. Der Drei-Schluchten-Damm am YangtzeDie Länge des Staubereichs (= Reservoir) beträgt bei einer mittleren Breite von etwa 1.100 m gut 600 km (Abb. 3). Mit diesem gewaltigen techni-schen Vorhaben verfolgte die Staatsführung die Zielsetzungen:Vermeidung von Überflutungen ▪Sicherung der Wasserversorgung ▪Förderung der Schifffahrt und  ▪Erzeugung von elektrischer Energie. ▪Dabei wird im aufgestauten Flussabschnitt im Jah-resgang zukünftig gezielt mit verschiedenen Stau-höhen und -zeiten und damit temporären Wasser-spiegelschwankungen von bis zu 30 Metern gearbeitet. Dadurch ändert der Fluss auch seine hydrologische Charakteristik (Tabelle 1 und 2).Die Wasserqualität im Yangzte heuteNach offiziellen Berichten der Chinesischen Re-gierung ist der Yangtze unterschiedlich kontami-niert. Daraus resultieren Befürchtungen über Gesundheitsrisiken am Fluss. Eine spezielle Sor-ge entsteht dadurch, dass nicht alle Fabriken mit Gefahrstoffproduktion und ihren Lagerbestän-den rechtzeitig vor der Überflutung saniert wer-den konnten und somit Giftstoffe in den Yangtze gelangen. Darüber hinaus sind alle weiteren Ar-ten von Abfallhalden, die nicht saniert werden konnten, eine Gefahr für die Wasserqualität. Im Jahre 2001 sollen 23,4 Mrd. Tonnen – 11 % mehr als im Jahre 2000 [3] – an kommu-nalen und industriellen Abwässern und Abfall in den Yangtze gelangt sein, schreibt die Chinesi-sche Nachrichten-Agentur Xinhua. Der Bericht der Changjiang Water Resources Commission stellt fest, dass das Wasser in einigen Abschnit-ten zu sehr verschmutzt sei, als dass es für den menschlichen Genuss noch direkt nutzbar wäre [4]. Auch in der deutschen Presse wurden solche Informationen aufgenommen [5].Die chinesische Regierung hatte im Dezember 2001 angekündigt, dass sie 40 Mrd. Yuan (4.8 Mrd. US-$) bis 2010 für Projekte aufwenden zu wollen, um das Drei-Schluchten-Reservoir und die Nebenflüsse im Einzugsgebiet des Yangtze von Schadstoffen möglichst zu entlasten. Die Umwelt-behörde sprach davon, 260 Kläranlagen und 230 Abfall-Behandlungs-Anlagen bauen zu wollen [6].Zwei zugängliche Informationsquellen für die Beurteilung der Wasserqualität des Yangtze sind in [7] und [8] zu finden. Weitere Quellen zur Beurteilung der Wasserqualität stellen die Vor-träge dar, die auf den Treffen mit deutschen und chinesischen Forschern im Forschungszentrum Jülich stattfanden und dort verfügbar sind.[7] ist eine von chinesischer Seite geschriebene und aus dem chinesischen übersetzte Übersicht über die Umweltprobleme im Zusammenhang mit dem Stausee und gibt einen guten Überblick über die Situation. So werden 18 Messstationen im Staubereich des Yangtze aufgeführt und die Wasserqualität zwischen II und III, nach den Chi-nesischen Kriterien, über die verschiedenen Jah-reszeiten eingeschätzt. Berücksichtigt wurden: pH, gel. O2, KMnO4 index, BSB5, NH4-N, Öl, Phe-nol, Ptot, CSB; CN-, Hg, Pb, Cd, As, Cr6+ [8] ist eine Sammlung von Aufsätzen über Untersuchungen in chinesischen Flüssen, die von der Europäischen Union finanziert worden sind. Eine neuere Untersuchung wurde von Müller et al. [9] publiziert. Hierin wird festgestellt, aller-dings unterhalb des Staudammes, dass die Kon-zentrationen von Schwermetallen mit anderen großen Flüssen der Welt vergleichbar sind. Schulz [10] stellt fest, dass es schwierig ist, anthropogene und geogene Quellen von Schwermetallen im Yangtze-Einzugsgebiet si-cher zu unterscheiden. Ein Diskussionspapier der Weltbank [11] ur-teilt, dass über die letzten 15 Jahre kaum Ver-Abb. 4: Der Deutsch-Chinesische Kick-Off Workshop in Shanghai, 28.3.2011Der Wasserspiegel im Yangtze-Staudamm – Veränderung im Jahresgang (schematisch)Kennzahlen des Yangtze-StaudammsTechnische Daten zum DammLänge 2,335 kmHöhe 185 mDammkrone 40 mBasisbreite 115 mBauzeit Dez. 1994 bis 2011Kosten ca. 26 Mrd US$Daten zum ReservoirKapazität 39,3 Mrd km³Einzugsgebiet ca. 1.000.000 km²Oberfläche ca. 1.080  km²EnergieerzeugungTurbinen 26 x 700 MWinstallierte Kapazität 18.200 MWjährliche Stromproduktion 80.000 GWhbesserungen der Flusswasserqua-lität festzustellen sind, wenn man die Daten von Chinas National Mo-nitoring Center zu Grunde legt.  Aktuelle wissenschaftliche Fragen aus dem Thema  WasserIm Rahmen der Diskussionsprozes-se haben sich verschiedene Projek-te etabliert. Im Bereich Wasser be-finden sich von deutscher Seite sechs Projekte in der Startphase, von denen fünf durch das BMBF gefördert werden: RWTH Aachen: Transformation,  ▪Bioakkumulation und Toxizität organischer Mikroschadstoffe im Reservoir des Drei-Schluch-ten-DammsKarlsruher Institut für Technolo- ▪gie: Raum-zeitlich aufgelöstes in-situ und on-line Monitoring der Dynamik gewässerrele-vanter Parameter mittels eines Unterwasser-Sensorschleppsys-tems (MINIBAT) und numeri-sche Modellierung der Schad-stofftransportdynamikTechnologiezentrum Wasser  ▪Karlsruhe: Massentransfer und mikrobieller Abbau im System Schadstoff/Wasser/SedimentIWW Rheinisch-Westfälisches  ▪Institut für Wasserforschung Mülheim / Biebesheim: Bewer-tung der Wasserqualität des Drei-Schluchten-Stausees in Chi-na hinsichtlich der Eignung zur Trinkwasserversorgung und land-wirtschaftlichen BewässerungTechnische Universität Mün- ▪chen: Biomonitoring mit virtu-ellen Organismen – Biovirtuos Forschungszentrum Jülich  ▪ - Institut für Bio- und Geowis-senschaften, Institut Pflanzen-wissenschaften: Gesamtkoordi-nation Yangtze-Projekt - Institut für Bio- und Geowis-senschaften, Institut Agrosphä-re: Physikochemische Schlüssel-prozesse im Yangtze-Reservoir: Schwebstoffe/Sedimente als Quellen und Senken für Xeno-biotika - Zentralabteilung für Chemi-sche Analysen: Analytik von Elementen, orga-nischen Schadstoffen und deren MetaboliteAlle Projekte erlauben es, neue Me-thoden und Technologien zu testen, das Verständnis für Gesamtzusam-menhänge zu entwickeln und mittels Modellierung ein Gesamtbild des komplexen Wasser-Systems im ver-änderten Yangtze zu entwickeln. Das BMBF unterstützt die Projek-te durch Personalmittel (Doktoran-den), Sachmittel und Investitionen sowie durch Mittel für den Austausch von Wissenschaftlern. Die chinesi-schen Partner ihrerseits beteiligen sich aktiv über verschiedene Pro-gramme und durch den Austausch von Wissenschaftlern, Doktoranden und Post-Docs mit der  Möglichkeit zum Aufenthalt in Deutschland. Vor Ort werden Workshops, gemeinsa-me Probenahmen bzw. Messkampa-gnen geplant, durch Verträge verab-redet und durchgeführt.Der AuftaktDie wesentlichen wissenschaftli-chen Partner der deutschen Projek-te sind in China im Wasserbereich derzeitChinese Research Academy of  ▪Environmental SciencesInstitute of Water Environment  ▪Research, CRAES, PekingChongqing Universität ▪Changjiang Water Resources  ▪Protection Institute, WuhanChinese Academy of Sciences:  ▪Institute of Hydroecology, WuhanChinese Academy of Sciences:  ▪Institute of Hydrobiology, WuhanTongji Universität, Shanghai ▪Nanjing Universität ▪Zhejiang Universität, Hangzhou ▪Nach einer zügig genutzten Vorbe-reitungszeit fand Ende März 2011 ein Kick-off-Workshop an der Tongij Universität in Shanghai statt (Abb. 4). Dabei wurden bereits erste Er-gebnisse, die im Rahmen gemeinsa-mer Vorprojekte entstanden waren, diskutiert.Es wurde bei vielen der chinesi-schen Vorträge deutlich, dass sich die hydrologischen Verhältnisse durch den Staudamm verändert haben und dadurch neue Probleme entstanden sind. So ist als ein wich-tiges Thema für die chinesischen Kollegen die „Algenblüte“ und die „Wasserhyazinthenpest“ immer wieder angesprochen worden, was durch Nährstoffüberschuss und Licht in stehendem Gewässer als Haupt-ursachen zu erheblichen Problemen führt. Die Nährstoffzufuhr aber da-durch zu verringern, dass man mit den Landwirten Abkommen aushan-delt wie beispielsweise in Deutsch-land, ist bei dem stark parzellierten Reisanbau im Yangtze Reservoir wenig erfolgversprechend. Auch der Einsatz von Pestiziden in den land-wirtschaftlich genutzten Bereichen des Flussgebietes gibt Anlass zur Regulierung.Die überwachende Wasseranaly-tik in China liegt, wie in Deutschland, bei den Ämtern und Hochschulen. Insbesondere die Universitäten, die „State Key Laboratories“ beherber-gen, stellen sich als gut ausgerüstet und kompetent dar. Die Kooperation mit den chinesi-schen Partnereinrichtungen beginnt sich zu entwickeln. Verträge mit ein-zelnen Einrichtungen vertiefen das Verständnis und geben Anlass für praktisches Zusammenarbeiten, wie gemeinsam geplante und durchge-führte Feldarbeiten, die schon im An-schluss an den Workshop begannen. Der Start ist geglückt, alle Teil-nehmer zeigten sich nach dem Kick-off-Meeting in Shanghai davon überzeugt. Nun gilt es, die unter-schiedlichen Erfahrungen, beispiels-weise durch Wissenschaftleraus-tausch,  nutzbar zu machen und zu gemeinsamen wissenschaftlichen Erträgen zu kommen. DanksagungDie Projekte und die gemeinsamen Deutsch-Chinesischen Workshops werden durch das BMBF, Förderung zum „Verbundprojekt Drei-Schluch-ten-Stausee am Yangtze – China“, sowie durch das Internationale Büro des BMBF finanziell unterstützt.Literatur ist direkt bei den  Autoren erhältlichAutorenProf. em. Dr. Rolf-Dieter Wilken, IWW Rhein-MainDr. Günter Subklew, Dr. Stephan Küppers, Forschungszentrum Jülich GmbH, K O n T A K T ▶Dr. Stephan KüppersForschungszentrum Jülich GmbHZentralabteilung für Chemische  AnalysenJülichTel.: 02461/61-2766Fax: 02461/61-2560s.kueppers@fz-juelich.de

Ökologische Auswirkungen des Drei-Schluchten-Damms

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Ökologische Auswirkungen des Drei-Schluchten-Damms

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