Die Überwachung von Brunnen läuft nach Monitoringprogrammen, in denen der Ablauf der erforderlichen Maßnahmen geplant ist. Heutzutage werden zunehmend die Betriebsparameter kontinuierlich ermittelt und durch Fernübertragungssysteme zu zentralen Datenbanken übertragen. Basierend auf einem solchen System hat die Firma Veolia in Frankreich ein Software-Modul entwickelt, welches die Messdaten der Wasserstände, der gepumpten Wassservolumen und der Schaltungen der Pumpen in einer Datenbank ausliest und Bilanztabellen und Diagramme in Excel erstellt. Dies bildet die so genannten „Bilans Lerne“, die es ermöglichen, die Entwicklung der Brunnen kontinuierlich zu überwachen. Die Anwendung dieses Instruments an den Brunnen der Berliner Wasserbetriebe (BWB) wurde drei Monate lang beispielhaft an fünf Brunnen am Standort TegelHohenzollernkanal getestet. Ziel war es, zu prüfen, inwieweit sich die gegenseitigen Beeinflussungen zwischen den Brunnen und die für Berlin spezifischen Betriebspläne auf die Datenauswertung und Berechnungen des Moduls auswirken. Dazu sollte auch untersucht werden, ob das vorgegebene Messintervall, die Instabilitätskoeffizienten und die minimale Dauer für die Ermittlung der Betriebs- und Ruhewasserstände auf Berlin übertragen werden können oder ob Optimierungen notwendig sind. Dazu wurden zunächst einmal die gegenseitigen Beeinflussungen der Brunnen aufeinander geschätzt: Die Reichweiten der Absenkungstrichter erreichen mindestens 90 m und die betrachteten Brunnen sind ca. 50 m voneinander entfernt, so dass die Schaltungen eines Brunnens sich immer auf den Wasserstand in den unmittelbar benachbarten Brunnen auswirken. Dies ist auch auf den Gangliniendiagrammen der gemessenen Wasserstände deutlich zu sehen. In den dreimonatigen Messungen konnten die „Bilans Lerne“ für die fünf ausgewählten Berliner Brunnen erstellt werden. Allerdings sind die Ergebnisse der Modulanwendung teilweise unvollständig. Dies liegt vor allem daran, dass die Berliner Brunnen im Vergleich zu Brunnen in Frankreich sehr selten geschaltet werden, das Modul jedoch, um alle Parameter wie geplant ermitteln zu können, auf den Wechsel von Pump- und Auffüllungsphasen zurückgreift, um Fördermengen, Absenkungsbeträge und spezifische Ergiebigkeiten zu berechnen. So kann unter den Berliner Betriebsverhältnissen lediglich ein Wert der spezifischen Ergiebigkeit pro Monat berechnet werden, während für die französischen Brunnen i. d. R. ein Wert pro Tag berechnet wird. Da dies im Vergleich zum derzeitigen Stand der Praxis eine Verbesserung hinsichtlich der Häufigkeit der Ergiebigkeitsmessungen darstellt, kann die Benutzung eines solchen Instrumentes in Berlin empfohlen werden. Damit das Instrument in Berlin lückenlose Berechnungen durchführen kann, sind jedoch Anpassungen und Optimierungsschritte für die Makros erforderlich. Darüber hinaus könnte z. B. als eine Anpassung an die Betriebsbedingungen spezifisch für Berlin erwogen werden, die Messungen weniger häufig durchzuführen.

Nachdem in den vergangenen dreißig Jahren in Deutschland durch den Bau und Ausbau von Kläranlagen ein hohes Niveau der kommunalen und industriellen Abwasserreinigung erreicht wurde, gewinnt die Problematik der Gewässerbelastung durch Regenwassereinleitungen aus Siedlungsräumen an Bedeutung. Menge und Zusammensetzung der über den Pfad der Regenwassereinleitung in die Gewässer eingetragenen Schmutzfrachten hängen von der Flächenart des Entwässerungsgebietes sowie dessen Nutzung ab. Verschmutzungsquellen sind beispielsweise die atmosphärische Deposition, Bremsabrieb und Ölverluste des Straßenverkehrs oder auf Gebäudefassaden angewandte Materialschutzmittel. Der auf die undurchlässigen Flächen gelangende Niederschlag trägt diese Substanzen ab und wird in Trennkanalisationssystemen meist ohne vorherige Behandlung in die Vorflut eingeleitet. Durch den Stoffeintrag entstehen teilweise erhebliche Verunreinigungen in den Gewässern, die z.B. Eutrophierung, eine erhöhte Schadstoffbelastung im Sediment und ökotoxikologische Auswirkungen zur Folge haben. Klassische Schmutzfrachtmodelle berechnen Nähr- und Schmutzstofffrachten im Regenabwasser auf Grundlage von mittleren Konzentrationen oder jährlichen Flächenabträgen. Dabei ist die detaillierte Herkunft der Stoffe bei der Planung von Maßnahmen der zentralen Niederschlagswasserbehandlung unerheblich. Bei der dezentralen Regenwasserbewirtschaftung hingegen ermöglichen Informationen zur räumlichen Verteilung der Stoffquellen und -ströme eine gezielte Abstimmung der Maßnahmen auf den örtlichen Handlungsbedarf. Der Modellansatz SEWSYS (implementiert in der Software STORM ermöglicht eine solche räumlich differenzierte und dynamische Simulation von Stoffkonzentrationen. Die für den Einsatz von SEWSYS erforderlichen ortsspezifischen Eingangsgrößen (z.B. Verkehrsbelastung, Anteil der Metallflächen) liegen für Berlin jedoch noch nicht in geeigneter Form vor. Auch ein Vergleich von SEWSYS mit dem herkömmlichen Ansatz der Schmutzfrachtsimulation unter Berücksichtigung der Unsicherheiten der Modelleingangsdaten steht bislang aus. Im Rahmen der Diplomarbeit soll das Modell STORM/SEWSYS verwendet werden, um beispielhaft für das Einzugsgebiet Ruschegraben in Berlin den Transport ausgewählter Stoffe im Niederschlagsabfluss von urbanen Flächen räumlich differenziert abzubilden. Im Einzelnen sind folgende Punkte zu bearbeiten: (i) Recherche und Aufbereitung von Eingangsdaten für den Modellansatz SEWSYS (allgemeine, stoff- und quellenspezifische Daten sowie ortsspezifische Daten des Einzugsgebietes), (ii) Durchführung von Langzeit-Schmutzfrachtsimulationen für ausgewählte Stoffparameter, (iii) Vergleich von SEWSYS mit dem herkömmlichen Ansatz der Schmutzfrachtsimulation und Diskussion der Ergebnisse und (iv) Aufzeigen von Unsicherheiten bezüglich der von SEWSYS verwendeten Eingangsdaten und Analyse ihrer Auswirkung auf die Simulationsergebnisse

Ein wichtiges Teilgebiet der Siedlungswasserwirtschaft ist die Entwässerung urbaner Gebiete. Zum Ableiten von anfallendem häuslichen Abwasser wurden im Laufe der Jahrhunderte Kanalisationen entwickelt, die für bessere hygienische Verhältnisse in besiedelten Gebieten sorgen sollten. Dies waren zumeist offene Gerinne zwischen Fahrbahn und Bürgersteig, in denen sich das Brauch- und Regenwasser mit dem Unrat der Straße vermischte und in ein nahe gelegenes Gewässer eingeleitet wurde. Dies führte zu starken Verschmutzungen der Gewässer. Heutzutage werden Kanalisationen unterirdisch gebaut. Das Abwasser wird zur Reinigung einer Kläranlage zugeführt und von dort aus einem Oberflächengewässer zugeführt. Durch das Einleiten von Niederschlagswasser, den Einträgen aus der Industrie, den Einleitungen aus kommunalen Kläranlagen sowie Einleitungen aus diffusen Quellen wird das Gewässer sowohl hydraulisch als auch stofflich stark belastet. Herkömmliche Maßnahmen für den Rückhalt von Mischwasser sind der Bau von Speicherbecken. Da ein Neubau meist sehr kostenintensiv ist und viel Platz in Anspruch nimmt, der in Großstädten meist nicht zur Verfügung steht, kann die Bewirtschaftung von vorhandenem Kanalraum als eine Alternative angesehen werden. Durch den Bau von Regenrückhaltebecken und die Regenwasserbewirtschaftung ist ein Rückgang der Mischwassereinträge und dadurch eine Verringerung der Gewässerbelastung zu verzeichnen. Trotzdem ist der Verschmutzungsgrad der meisten Gewässer weiterhin bedenklich. Auf Grund der Tatsache, dass die Trink- und Abwasserentsorgung Berlins innerhalb der Stadtgrenzen betrieben wird, ist es wichtig, einen umfassenden Gewässerschutz zu betreiben. Mit der Einführung der Wasserrahmenrichtlinie (WRRL, 2000) hat man sich auf europäischer Ebene darauf geeinigt, dass alle europäischen natürlichen Oberflächengewässer bis zum Jahr 2015 einen „guten ökologischen und guten chemischen Zustand“ erlangen sollen (Art. 4.2 WRRL). Ein Ansatz zur Umsetzung dieser Vorgaben ist die Reduzierung der Mischwasserüberläufe während Regen. Dies kann z.B. unter Zuhilfenahme einer Verbundsteuerung umgesetzt werden. Ziel dieser Diplomarbeit ist es, einen bewertenden Vergleich zwischen einer Verbundsteuerung und der momentanen Berliner Steuerungsstrategie (lokale Steuerung) an ausgesuchten Abwasserpumpwerken durchzuführen. Dabei soll festgestellt werden, ob und in wie weit, eine übergeordnete Verbundsteuerung zur Reduktion von Mischwasserüberläufen beitragen kann. Zu diesem Zweck sollen Simulationen durchgeführt werden. Dabei soll einerseits mittels Langzeitsimulationen das Potential einer Verbundsteuerung im Gegensatz zur derzeitigen Steuerung (Kap. 2.3.2) theoretisch bestimmt werden. Auf der anderen Seite werden auf der Basis gemessener Daten (Fördermengen und Wasserstände) Einzelsimulationen für ausgewählte Regenereignisse (Kap. 7.2) durchgeführt. Diese dienen der Überprüfung des eventuell theoretisch vorhandenen Steuerungspotentials.

The KompetenzZentrum Wasser Berlin (KWB) is a private research and development center, created in 2000, with a status of public interest, and mainly supported by Veolia Water and Berliner Wasser Betriebe. This is where I did a six month-training period as part of my studies at the French AgroParisTech ENGREF engineering school. Within the department “Point and non-point source pollution control”, the KWB initiated a program called Aquisafe. The aim is to investigate the mitigation of trace contaminants from diffuse sources in rural and semi-rural areas to improve water quality of surface water bodies. The sustainable way of addressing pollution control is that the selected mitigation metods are natural or nature-based: namely constructed wetlands and riparian1 corridors. To develop knowledge and tools about these mitigation zones, an innovative approach was chosen when conducting the project: - The first part aims at a background study about surface water and pollutions from diffuse sources, leading to a progressive focus on key pollutants for the future of the project. The second part investigates modelling tools as diagnosis tools for the repartition and load of contaminants in a watershed. The third part contains field experiments and uses results from previous parts. The final purpose is to assess the mitigation efficiency of the systems and to optimize their design in the perspective of improving surface water quality. In charge of the first part, I did set the context of the project by reviewing background information on surface waters in Europe and associated pollutions, that move to water via soil surface run-off or subsurface run-off. After using criteria related to the Aquisafe context, the main pollutant families of interest for the rest of the screening process are pesticides used in agriculture, pollutants coming from the spreading of animal waste on land, pollutants coming from the spreading of sludge from wastewater treatment plants, pollutants from natural and extensive areas, and pollutants from transportation networks. During the study it appeared that in a rural or semi-rural area, the land use of the watershed plays a key role in the selection and assessment of priority pollutants coming from diffuse sources and entering surface waters. The importance of this factor should always be kept in mind as the project goes on. The work is still in progress concerning the review of pollutant families, and will lead to the final screening at the molecule level, providing a list of key contaminants for the other parts of the Aquisafe project. Finally the results of Aquisafe will tell if such sustainable mitigation zones can be used as a real innovative management tool of diffuse pollution in a watershed.

Several kinds of managed aquifer recharge techniques provide very good purification of surface water since more than 100 years. In order to maintain a reliable supply of clean water, they are becoming increasingly popular all over the world. These methods require low technical effort. At Aquifer Storage and Recovery and ponded infiltration the recharged amounts are technically controlled. The infiltration water has to be pumped and often pretreated. At bank filtration this is dispensable, the approach, of using existing surface water bodies is even more consequent. Exemplarily, at a test site at Lake Tegel, Berlin, Germany, the hydraulic processes are modelled. By means of 3D long term regional and transient hydraulic modelling it was detected that the existing approaches for determining the leakance induce large errors in the water balance and describe the infiltration zone insufficiently. The leakance could be identified to be triggered by the groundwater table, causing air exchange and intrusion of atmospheric oxygen, which reduces clogging by altered redox conditions by at least one order of magnitude. This causes that changes of the groundwater table are mitigated much more than previously assumed. Taking these findings into account, a transient water balance is determined and bank filtration ratios are quantified. A new inverse modelling concept has been developed and applied to a 3D short term local and transient hydraulic model. It comprises spatially distributed pilot points and overparameterisation constrained by regularisation and calibration to head differences. Significance of the results is demonstrated by cross validation. With this approach the spatial distribution of an aquitard have been identified with high precision. The highly transient and heterogeneous flow conditions are specified and a new viewpoint on the geologic formation of Lake Tegel is obtained. The good fit of modelled and observed breakthrough curves of 18O, chloride and temperature by just using transferred parameters obtained with the previous hydraulic methods, show the very good model performance and predictive capabilities. The intrusion of atmospheric oxygen into the unsaturated zone is identified to be the principal redox determining factor during infiltration. Previously inconsistent and also local geochemical conditions are identified to be determined by interaction of infiltration processes with the spatial extent of the aquitard. A theory for chemical clogging of abstraction wells is developed, identifying the strong vertical redox zoning as principal factor of influence.