Beside inputs from wastewater treatment plants, untreated stormwater runoff can also be an important source of pollutants affecting urban surface waters. To evaluate the relevance of micropollutants in urban stormwater runoff for the city of Berlin, an event-based, one-year monitoring program was conducted in five homogeneous catchments of different urban structure types. Volume proportional samples were analysed for a comprehensive set of ~100 micropollutants (e.g. biocides/pesticides, plasticisers, flame retardants, PAH, heavy metals) as well as standard parameters (TSS, total P, phosphate, ammonium, COD, BOD). Micropollutant concentrations found in stormwater runoff were extrapolated to annual loads for the city of Berlin (impervious connected area of ~170 km2) based on the concentration patterns found in each of the five specific city structure types. Results show that micropollutants of several substance types can enter Berlin surface waters at loads in the order of 10-700 kg/yr via stormwater runoff. These loads are in a similar order of magnitude as micropollutants that enter Berlin surface waters via (treated) sewage, such as pharmaceutical residues carbamazepine or ibuprofen.

Im Forschungsprojekt KURAS wurde eine Methode vorgeschlagen, mit der Maßnahmen der Regenwasserbewirtschaftung für konkrete Stadtquartiere ausgewählt und platziert werden können. Hinsichtlich der möglichen Ziele geht die Methode über die wasserwirtschaftliche Wirkung hinaus und betrachtet zusätzlich Effekte auf Umwelt (Grundwasser, Biodiversität) und Bewohner (Stadtklima, Freiraumqualität, Gebäudeebene) sowie den Aufwand an Kosten und Ressourcen. Grundlage der Methode sind die lokalen Gegebenheiten; diese werden verknüpft mit einer Bewertung von 27 Maßnahmen, von der Gebäudeebene bis zum Kanaleinzugsgebiet. Die Methode wurde im Rahmen eines Planspiels für zwei Berliner Bestandsquartiere angewendet. Es zeigte sich, dass (i) eine integrierte Planung von Regenwasserbewirtschaftung sehr vorteilhaft sein kann und (ii) angestrebte Effekte mit der Methode in einem hohen Maße erreicht werden können. Die gezeigten Arbeiten sind das Ergebnis einer Zusammenarbeit zahlreicher Projektpartner.

Swimming in urban surface waters is still an exception in European cities. At the same time there are numerous initiatives trying to achieve a quality of urban surface waters that allows recreational activities including swimming. In order to manage bathing waters properly the EU Bathing Water Directive (2006/7/EC) demands the elaboration of bathing water profiles in which sources of pollution have to be assessed. In order to investigate the relevance of stormwater as a source of microbial contamination as well as the influence of catchment characteristics on the faecal loading, E.Coli, intestinal Enterococci and colony counts have been measured in event related stormwater samples of three different catchment areas in Berlin. The catchment areas were chosen to be as homogeneous as possible representing catchments of old housing buildings (OLD), new housing buildings (NEW), and commercial areas (COM). N-Formylaminoantipyrine (FAA) was measured as a tracer for raw wastewater. Results showed elevated concentrations (1-2 log units) of faecal indicator organisms (FIO) in catchment OLD (104-105 in comparison to 103 cfu/100mL) suggesting illicit connections of wastewater discharges to rainwater drains, which is supported by elevated concentrations of FAA in the same catchment type. This underlines the relevance of these illicit connections as a source of hygienic contamination, which has to be considered when planning urban bathing water activities.

In view of existing and future challenges, such as the results of climate change and the changing manner of water usage, the overriding target of the joint research project KURAS (Concept for urban stormwater management and wastewater systems), sponsored by the German Federal Ministry for Education and Research, was to formulate recommendations for the operation, expansion and adjustment of urban wastewater and stormwater infrastructures to the future. To this end planning methods have been developed in KURAS, in which a consequent evaluation of measures interlink with local requirements and challenges. The basic methods were elaborated within the project for the topics wastewater systems and management of stormwater and applied for Berlin case studies at quarter and catchment area level. For both topic areas it shows that an integrated, scale overlapping planning of measures for stormwater management and wastewater management can achieve an increased level of usage. The methods developed in KURAS are suitable for supporting such a planning. A standard employment necessitates additional solutions of a technical as well as regulatory nature.

Untreated stormwater runoff can be an important source of pollutants affecting urban surface waters. To investigate the relevance of micropollutants in urban stormwater runoff for the city of Berlin, an event-based, one-year monitoring program for sampling of separate storm sewers was conducted. Monitoring points were selected in five homogeneous catchments of different urban structure types to consider catchment-specific differences. Volume proportional samples (one composite sample per event) were analysed for a comprehensive set of ~100 micropollutants determined from literature review (e.g. plasticisers [phthalates], biocides/pesticides, flame retardants [organophosphates, polybrominated diphenylethers], PAH, heavy metals) as well as standard parameters (TSS, total P, phosphate, ammonium, COD, BOD). For selected storm events, time resolved samples were analysed to investigate the concentration dynamics and evaluate first flush characteristics. Results of event mean concentrations show catchment-specific differences for the majority of detected micropollutants. Furthermore, results of time-resolved samples indicate that most parameters do not show clear first flush effects with concentrations of several micropollutants even remaining constant during the course of the storm event (e.g. mecoprop, carbendazim, TBEP).

Im Rahmen einer etwa zweijährigen Studie wurde für Berlin erstmals das Ausmaß der Belastung von Regenabfluss mit Spurenstoffen durch ein einjähriges Monitoringprogramm in Einzugsgebieten unterschiedlicher Stadtstrukturtypen (Altbau, Neubau, Gewerbe, Einfamilienhäuser, Straßen) untersucht. Insgesamt wurden über 90 volumenproportionale Mischproben auf etwa 100 Spurenstoffe analysiert (z.B. Phthalate, Pestizide/Biozide, Flammschutzmittel, PAK, Schwermetalle), von denen ein Großteil (>70) detektiert wurde. Die höchsten Konzentrationen an organischen Spuren- stoffen wurden für Phthalate gefunden (DIDP+DINP: Ø 12 µg/L), während Schwermetalle von Zink dominiert wurden (Ø 950 µg/L). Für die Mehrzahl der Stoffe gab es dabei signifikante Unterschiede zwischen den Stadtstrukturen. In einem Fließgewässer genommene Proben zeigen, dass für einige Substanzen (z.B. DEHP, Carbendazim, einige PAK) Umweltqualitätsnormen im Gewässer bei Regen überschritten werden können. Eine Hochrechnung der über das Regenwasser in die Gewässer gelangenden Spurenstofffrachten für Gesamt-Berlin hat ergeben, dass Frachten regenwasserbürtiger Spurenstoffe in der gleichen Größenordnung wie schmutzwasserbürtige Spurenstoffe liegen können.

Die Modellierung der biogeochemischen Prozesse im Sediment mittels QSim (2.3.1) sollte durch den Aufbau eines vereinfachten, prozessbasierten Modellansatzes optimiert werden. Konkret sollte die Weiterentwicklung des Sedimentmoduls SEDFLUX des Gewässergütemodells QSim unterstützt werden, indem die Abbildung des Stickstoffumsatzes im Sediment unter verschiedenen Intensitäten vertikaler Advektion untersucht wird. Diese Arbeiten stellen eine konzeptuelle Prüfung („proof-ofconcept“) der im Kapitel 2.3.1 abgeleiteten Hypothesen zum Austausch zwischen Wasser und Sediment dar, sowie ihrer Effekte auf den Stoffumsatz in diesem Kompartiment. Die Modellergebnisse werden mit Hilfe von Vertikalprofilmessungen plausibilisiert. Die Nutzung vereinfachter Modellansätze ermöglicht die Untersuchung einzelner Prozesse sowie eine schnelle Anwendung auf verschiedene Gewässer. Als Simulationsumgebung wird das frei verfügbare Softwarepaket R-ecosim genutzt (Reichert 2014).

A total of 27 existing measures of stormwater management were studied across scales from building level (vegetated buildings, rainwater use) to city quarter level (infiltration, de-paving, artificial lakes and streams, decentralised treatment) and catchment level (centralised treatment, storage). For each measure, the same performance indicators were quantified based on literature, monitoring and simulation results regarding six potential benefits (water/energy saving potential, improvement of landscape quality, increase in biodiversity, reduced urban heat exposure, improvement of groundwater and surface water bodies), indirect resource use (life cycle assessment) and direct cost. Results show that each measure has its strengths and weaknesses. Thus, it is expected that different combinations of measures will lead to increased benefits for different locations/settings. The developed measurebenefit/cost-matrix may support the finding of such improved combinations and is currently tested in a research project regarding its potential for problem-oriented urban planning in Berlin, Germany.

Der Großteil von Seen und Flüssen in Deutschland befindet sich nicht in dem von der europäischen Wasserrahmenrichtlinie geforderten guten ökologischen Zustand. Die Ursache hierfür besteht in den meisten Gewässern nach wie vor in zu hohen Nährstoffbelastungen. Dadurch wird besonders im Sommer das Wachstum des Phytoplanktons (Algen) gefördert, das Wasser wird trübe, zeitweise sauerstoffarm und riecht unangenehm. Solche Gewässer stellen für viele Tiere und Pflanzen keinen geeigneten Lebensraum dar und sind für den Menschen unattraktiv. Die Hauptnährstoffe, um die es dabei geht, sind Stickstoff und Phosphor. Dabei galt Phosphor (P) lange Zeit als der begrenzende Faktor der Phytoplanktonbiomasse in Binnengewässern: Je geringer die PKonzentration desto geringer die Biomasse und desto besser die Gewässergüte. Dies ist bis heute Lehrbuchmeinung. In der Praxis wurde und wird daher auf eine Senkung der Phosphorkonzentrationen gesetzt, was in vielen, aber längst nicht allen Gewässern zum Erfolg führte. Deutlich weniger Studien zeigten, dass Stickstoff die Phytoplanktonbiomasse begrenzt, was allerdings auch darauf zurückzuführen ist, dass deutlich weniger Studien zum Einfluss von Stickstoff durchgeführt wurden. Eine systematische Analyse zur Bedeutung von Phosphor im Vergleich zu Stickstoff fehlte bisher. Bis heute wird daher die Bedeutung von Stickstoff als begrenzender Faktor der Phytoplanktonbiomasse weitgehend negiert. In NITROLIMIT I (2011 - 2013) wurde dagegen gezeigt, dass die Algenbiomasse in fast der Hälfte der Seen der Norddeutschen Tiefebene durch N begrenzt wird. In der Praxis wird bislang die gezielte Reduktion von Stickstoffeinträgen abgelehnt, weil man befürchtet, dass dies besonders in Seen durch Stickstofffixierung von Cyanobakterien ausgeglichen werden kann und sinkende Nitratkonzentrationen die Freisetzung von Phosphor aus den Gewässersedimenten steigern. Beides könnte einer Verbesserung der Gewässergüte entgegenwirken. Für diese Argumente fehlte jedoch eine fundierte wissenschaftliche Grundlage. Stickstoff wird sowohl in Seen als auch in Fließgewässern intensiv umgesetzt und kann über verschiedene mikrobielle Umsatzprozesse (insbesondere Denitrifikation) auch wieder aus dem System entfernt werden. Fließgewässer transportieren schließlich die nicht zurückgehaltenen Nährstoffe aus den Einzugsgebieten in die Ästuare, Küstengewässer und Meere, wo in weiten Bereichen Stickstoff der limitierende Nährstoff ist. Über den Umsatz und den Rückhalt von Stickstoff in großen Flüssen bestehen bis heute allerdings große Unsicherheiten. Zur Beantwortung der Frage „Ist Stickstoffreduktion ökologisch sinnvoll?“ bestand daher umfangreicher Forschungsbedarf. Die bisherige Strategie zur Verbesserung der Gewässergüte zielte auf Minderung der Phosphorkonzentration ab. Hierzu existieren Erfahrungswerte zu Wirkung und Kosten von Maßnahmen. Viele Maßnahmen zur Phosphorreduktion gehen zu einem gewissen Teil auch mit Stickstoffreduktion einher. Der Erfolg der Begleiterscheinung „Stickstoffreduktion“ wurde jedoch meist nicht analysiert. Fallstudien zur Verbesserung der Gewässergüte durch gezielte Stickstoffminderung wurden bisher nicht durchgeführt, weshalb Daten und Erfahrungen zu Kosten und Wirksamkeit solcher Maßnahmen fehlen. Unabhängig davon, ob eine Verbesserung der Gewässergüte über Phosphor- oder Stickstoffreduktion angestrebt wurde, fehlte bisher eine Strategie, nach der im Voraus Kosten, Wirksamkeit und Nutzen ermittelt und abgewogen werden. Daher bestand auch zur Beantwortung der Frage, „Ist Stickstoffreduktion wirtschaftlich vertretbar?“ deutlicher Forschungsbedarf.