Was messen die Satelliten und wie tun sie das?

Mit dem satellitenbasierten Gewässermonitoring (SATWAQMON) können unterschiedliche Gewässerqualitätsparameter erfasst werden, die Informationen zum Zustand des Gewässers liefern:

• Die Chlorophyll-a-Konzentrationen (CHL)
  beschreibt die Algenentwicklung und Algenverteilung in einem See.

• Die Sichttiefe (SDD) ist ein allgemein bekannter einfacher Parameter, der summativ optische Eigenschaften eines Gewässers erfasst. Die Sichttiefe wird zum Beispiel durch Algenblüten oder auch Flusswasserfahnen, die gelöste Substanzen in einen See eintragen, beeinflusst.

• Der trophischer Status Index eines Sees (TSC), der Informationen darüber liefert, wieviel Nährstoffe zur Verfügung stehen und wie stark die Primärproduktion von Algen in einem Gewässer ist.
  Der satellitenbestimmte trophische Status Index unterscheidet sich methodisch von der in situ bestimmten Trophie.

Für das Gewässermonitoring stehen sowohl Satelliten mit einer gröberen räumlichen Auflösung (zum Beispiel: Sentinel 3, Auflösung = 300 Meter) und einer täglichen Überflugfrequenz als auch solche mit höherer räumlicher Auflösung (zum Beispiel: Sentinel 2 A/B, Auflösung = 10 bis 60 Meter) und geringerer Überflugfrequenz (alle 5 Tage) zur Verfügung.

Mehr zur Entwicklung des SATWAQMON-Programmes lesen sie hier.

Welche Seen wurden untersucht?

In Baden-Württemberg gibt es eine große Anzahl von natürlichen und künstlichen Seen und stehenden Gewässern. 28 Seen mit einer Fläche größer als 50 Hektar, etwa 260 Seen größer als 10 Hektar und rund 1300 Seen größer als 1 Hektar.

Im Jahr 2022 wurde das satellitenbasierte Gewässermonitoring auf insgesamt 50 Seen verschiedener Größenklassen angewendet. Im Jahr 2023 wurden bereits für 200 Seen Gewässerqualitätsinformationen abgeleitet.

Vergleich der Seen

Auf den ersten Blick sieht man, dass hohe mittlere Chlorophyll-a-Werte in den betrachteten Seen mit niedrigeren mittleren Sichttiefen korrespondieren und der trophische Status Index – als Anzeiger der Nährstoffkonzentrationen und der Produktivität eines Gewässers – mit den Chlorophyll-Konzentrationen direkt korreliert.

Solche Boxplot-Darstellungen können dabei helfen, größere Gruppen von Gewässern schneller einzuordnen und zu sehen, wo evtl. potentiell schwierige Entwicklungen auftreten. Außerdem vermitteln Sie ein besseres Systemverständnis für die Gesamtheit der untersuchten Seen.

Die zeitliche Entwicklung des Gewässerzustandes eines Sees

Das Wachstum von Algen, sichtbar an den Chlorophyll-a-Werten, ist stark von der Jahreszeit abhängig:

Zu Beginn des Jahres im Januar und Februar werden relativ geringe Werte gemessen. Dabei ist zu beachten, dass es auch zu einzelnen Ausreißern und Überschätzungen der Werte kommen kann, da die sehr niedrigen Sonnenstände Anfang des Jahres die Fernerkundung stören können. Im März und April steigen dann die Chlorophyll-a-Konzentrationen an, während im Mai – der Klarwasserphase – wieder weniger Algen im Gewässer vorhanden sind. In den Sommermonaten kommt es zu einem Anstieg der Chlorophyll-a-Konzentration, die von Juni bis August auf einem etwa gleichbleibenden Niveau liegen, bis Ende September noch einmal leicht erhöhte Werte registriert werden.

Die Werte der Sichttiefe korrespondieren mit der Algenentwicklung im Gewässer: bei hohen Algenkonzentrationen wird die Sichttiefe kleiner und umgekehrt. Speziell im Sommer während der Phase mit höheren Chlorophyll-a-Werten und damit Algenkonzentrationen werden nur geringe Sichttiefen um etwa 5 Meter registriert.

Der satellitenbasierte trophische Index zeigt einen zeitlichen Verlauf, der eng mit den Chlorophyll-a-Konzentrationen verknüpft ist. Für eine der LAWA-Trophiebestimmung (LAWA - Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser) analoge Einstufung und Kategorisierung eines Gewässers anhand dieses satellitenbasierten Trophie State Index (TSC) werden die Werte der besonders aktiven sommerlichen Primärproduktionsphase herangezogen und gemittelt.

Flächenhafte Informationen zur Verteilung von Algen in einem Gewässer

Mit der satellitenbasierten Fernerkundung von Gewässern können die entsprechenden Parameter nicht nur an einzelnen Messpunkten bestimmt, sondern deren horizontale Verteilung in einem Gewässer erfasst werden.

Im März werden deutlich geringere Konzentrationen gemessen, während im August einheitlich sehr hohe Werte auftreten.

Solche flächenhaften Darstellungen können auch genutzt werden, um die Repräsentativität von Vor-Ort-Punktmessungen für einen bestimmten Zeitpunkt zu bewerten und die räumliche beziehungsweise horizontale Variabilität des untersuchten Parameters – in diesem Falle der Chlorophyll-a-Konzentration - zu bestimmen.

Aufgaben und Ziele des satellitenbasiertes Gewässerqualitätsmonitoring für Seen

Die satellitenbasierten Gewässerinformationen werden für die Ergänzung von Vor-Ort-Routinemessungen und für ein indikatives Gewässermonitoring verwendet, bei dem eine erste Bestandsaufnahme und Bewertung des Zustandes für eine Vielzahl kleiner Seen anhand der satellitenbasierten Gewässerqualitätsinformationen vorgenommen werden kann.

Folgende Aufgaben und Ziele stehen im Vordergrund:

• Ergänzung und Erweiterung bestehender in situ Monitoringprogramme.

• Indikatives Gewässermonitoring - für eine Vielzahl kleiner Seen können satellitenbasierte Fernerkundungsdaten häufig erstmalig limnologische Basisinformationen für eine erste Beurteilung und Bewertung des Gewässerzustandes liefern.

• Landesweites, methodisch einheitliches Monitoring einer großen Anzahl von kleinen Seen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung

• Veränderungsanalysen (change detection) anhand saisonaler und Jahr-zu-Jahr Vergleiche des Gewässerzustandes

• Steuerung von in situ Monitoringprogrammen

In Zukunft sollen darüber hinaus „online Alarmsysteme“ zum Beispiel auf Blaualgenblüten hinweisen und zeitnah Informationen über potentiell beeinträchtigte Gewässerqualität liefern und so den Schutz der Seen weiter verbessern.