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Physikalische und ökologische Auswirkungen einer

Kühlwasserausbreitung im Greifswalder Bodden

– Endbericht –

Projektleiter:

Prof. Dr. Hans Burchard1

Priv. Doz. Dr. Gerald Schernewski1

Projektmitarbeiter:

Dipl. Biol. Oliver Bittner, Dr. Karsten Bolding2, Dipl. Phys. Monika Gerth1, Dr.

Robert Hetland3, Dipl. Phys. Richard Hofmeister1,

Dipl. Biol. Stefanie Maack1, Dr. Thomas Neumann1, Dr. Herbert Siegel1, Dipl.

Geogr. Pina Springer1, Dipl. Geol. Iris Stottmeister1 Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde wiglaf.dk, Asperup, Dänemark Texas A&M University, College Station, USA in Auftrag gegeben vom Staatlichen Amt für Umwelt und Natur Stralsund Rostock, Warnemünde, den 3. Juni 2008 Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde Seestr. 15, 18119 Rostock-Warnemünde www.io-warnemuende.de Direktor: Prof. Dr. Bodo v. Bodungen1

Kühlwasserstudie Greifswalder Bodden:

Endbericht Inhaltsverzeichnis 0 Zusammenfassung

1 Hintergrund & Ziele der Studie

2 Methodik

2.1 Modellansatz

2.1.1 Grundlegende physikalische Prozesse

2.1.2 Simulationsstrategie

2.1.3 Möglichkeiten und Grenzen der Modellbetrachtungen

2.1.4 Beschreibung der numerischen Modelle

2.1.4.1 Hydrodynamische Modelle (2D und 3D)

2.1.4.2 Ökologisches Modell

2.1.4.3 Modellgitter

2.2 Modellszenarien

2.2.1 Das Modelljahr

2.2.1.1 Lufttemperatur & Niederschläge

2.2.1.2 Niederschlag

2.2.1.3 Wasseroberflächentemperatur

2.2.1.4 Abflussmengen

2.2.1.5 Windverhältnisse

2.2.2 Antriebs- und Validationsdaten

2.2.2.1 Wasserstandsrandwerte

2.2.2.2 Randwerte für Temperatur und Salzgehalt

2.2.2.3 Abflussraten

2.2.2.4 Meteorologische Antriebe

2.2.2.5 Nährstoffeinträge

2.2.2.6 Ökologische Rand- und Startbedingungen

2.3 Untersuchungen zum Referenzsystem AKW Bruno Leuschner (1974 – 1990)

2.4 Literaturrecherche

2.5 Expertenbefragung

2.6 Verwendete Satellitendaten

2.7 Untersuchungsgebiete

2.7.1 Grobabschätzung der Kühlwasserausbreitung

2.7.2 Grobabschätzung der beeinflussten Naturräume

2.7.3 Definition der Untersuchungsräume

3 Der Greifswalder Bodden

3.1 Räumliche Struktur des Greifswalder Boddens

3.2 Transporte im Großraum der Vorpommerschen Bodden

3.3 Wasserbilanz des Greifswalder Boddens

3.4 Zentrale Ökosystemprozesse

3.5 Zeitliche Dynamik

3.6 Natürliche Variabilität

3.7 Typisierung nach EG WRRL

Juni 2008Kühlwasserstudie Greifswalder Bodden:Endbericht

4 Auswirkungen auf die Gewässerphysik

4.1 Ergebnisse der 2D-Physik: Wasserstände und Strömungen

4.1.1 Validierung

4.1.2 Transporte

4.1.3 Wasserstandsunterschiede

4.2 Ergebnisse der 3D-Physik: Kühlwasserausbreitung und Schichtung

4.2.1 Validierung der Hydrographie

4.2.1.1 Monitoringdaten

4.2.1.2 Fernerkundungsdaten

4.2.2 Kühlwasserausbreitung

4.2.2.1 Validierung durch historische Daten

4.2.2.2 Ausbreitung

4.2.2.3 Schichtung

4.2.2.4 Veränderung des Salzgehaltes

5 Ökologische Auswirkungen

5.1 Historische Analyse: Das AKW Bruno Leuschner

5.1.1 Vergleich des Nah- und Fernbereichs während AKW-Volllastbetrieb

5.1.2 Vergleich des Zustands im Fernbereich während AKW-Volllastbetrieb und heute

5.2 Modellsimulationen: Nährstoffe und Phytoplankton

5.2.1 Nährstoffeinträge in den Greifswalder Bodden

5.2.2 Modellsimulationen: Stickstoff

5.2.3 Modellsimulationen: Phosphor

5.2.4 Modellsimulationen: Phytoplankton

5.3 Sauerstoffmangel durch Schichtung

5.3.1 Hintergrund zu Sauerstoffmangelereignissen

5.3.2 Abschätzungen zu Sauerstoffmangelereignissen anhand des Maximallastszenarios.................. 105 5.3.3 Ergebnisvergleich mit der UVU in Bezug auf Sauerstoffmangel

5.3.4 Ansaugen von anoxischem Tiefenwasser aus der Pommerschen Bucht

5.4 Benthische Lebensräume

5.4.1 Hintergrund zur Toleranz von Tieren und Pflanzen

5.4.2 Grundlage: Ergebnisse zu Sauerstoffmangelsituation, Temperatur und Salzgehalt

5.4.3 Mögliche Auswirkungen

5.5 Literaturrecherche: Passage des Kühlwassersystems

5.5.1 Phytoplanktonbiomasse

5.5.2 Zooplanktonbiomasse

5.6 Fische

5.6.1 Einsaugen von Jung- und Kleinfischen

5.6.2 Wandernde Fischarten

5.6.3 Wichtige Laichgebiete

5.6.4 Entwicklung der Rippenqualle Mnemiopsis leidyi

6 Tabellenverzeichnis

7 Abbildungsverzeichnis

8 Literaturverzeichnis

9 Anhang

Juni 2008

Kühlwasserstudie Greifswalder Bodden:

Endbericht Kapitel 0 - Zusammenfassung 0 Zusammenfassung Die vorliegende Studie umfasst zwei aufeinander aufbauende Teile: einen physikalischen und einen ökologischen Teil.

Im Rahmen des physikalischen Teils dieser Studie wurden die durch Kühlwasserentnahme und einleitung hervorgerufenen Veränderungen physikalischer Parameter im Bereich des Greifswalder Boddens untersucht. Dabei wurde das für die nahe Zukunft typische Jahr 2002 mit einem warmen Sommer gewählt. Simuliert wurde der hypothetische Einfluss einer Pumpleistung von 451.000 m3/h = 125 m3/s bei einer Erwärmung des Kühlwassers von 7,55 K (Parameter entsprechend dem Prognosefall des worst-case Szenarios von Buckmann, 2007), welches die theoretische Maximallast der genehmigten GuD-Kraftwerke und des beantragten Steinkohlekraftwerkes mit einem Sicherheitszuschlag von 20 % der zu erwartenden Wärmemenge berücksichtigt. Stärkere Auswirkungen als in dem betrachteten Maximallastszenario (SKW + 2 GuD) sind aufgrund des Sicherheitszuschlags nicht zu erwarten.





Bei den Modelluntersuchungen wurde zunächst das Jahr 2002 realistisch (ohne Veränderung durch Kraftwerksbetrieb, Basisszenario) nachsimuliert und mit Hilfe von Messungen validiert. Anschließend wurde die Simulation wiederholt, wobei als einzige Modifikation die oben genannte Kühlwasserentnahme und –einleitung berücksichtigt wurde (Maximallastszenario). Die Simulation mit Kraftwerksbetrieb konnte durch Vergleich mit Satellitenbildern aus der Zeit des Atomkraftwerkes „Bruno Leuschner“ (das eine vergleichbare Kühlwasserleistung aufwies) qualitativ validiert werden.

In Bezug auf die möglichen, komplexen Auswirkungen auf die Ökologie wurden ergänzende Untersuchungen durchgeführt. Hierbei wurden verschiedene Methoden genutzt und miteinander

kombiniert:

Es wurde eine Analyse der historischen Monitoringdaten zum Atomkraftwerk „Bruno Leuschner“ (AKW) durchgeführt, welches in seiner Wirkung auf den Greifswalder Bodden mit dem geplanten Vorhaben dreier Kraftwerke vergleichbar ist. Modellsimulationen für das Jahr 2002 wurden mit dem neuen, gekoppelten, räumlich hochaufgelösten ökologisch-physikalischen Modell Bio-GETM sowie mit dem erprobten, aber bezüglich der physikalischen Prozesse im Greifswalder Bodden vereinfachten, gekoppelten ökologisch-physikalischen Ostseemodell ERGOM durchgeführt, und zwar ebenso wie bei den physikalischen Simulationen jeweils eine ohne die Effekte durch das Kraftwerk (Basisszenario) und eine mit den Kraftwerkseffekten (Maximallastszenario). Zusätzlich wurde ein Modelllauf mit ERGOM durchgeführt, der die Auswirkung der aus der Spandowerhagener Wiek umgeleiteten Nährstofffrachten berücksichtigt.

Weiterhin wurden die physikalischen Modellergebnisse detailliert ausgewertet und interpretiert.

Ergänzend wurde eine systematische Literaturstudie zu zentralen Themenkomplexen durchgeführt sowie regionale Experten befragt.

Mit diesem Ansatz können erheblich verlässlichere Ergebnisse erzielt werden, als mit einer „worstcase“-Studie, bei der angenommene ungünstigste Fälle in hoher Idealisierung (z.B. mit stationären Winden) untersucht werden. Das liegt vor allem daran, dass a priori nicht festgestellt werden kann, Juni 2008

Kühlwasserstudie Greifswalder Bodden:

Endbericht Kapitel 0 - Zusammenfassung was ein „ungünstigster Fall“ ist, da bei den im Küstenbereich komplexen Ökosystemprozessen nicht nur ein stationärer Zustand von Bedeutung ist, sondern vor allem die zeitliche Abfolge von Zuständen.

Auswertung der Monitoringdaten aus der Zeit des Volllastbetriebes (1980-1989) des

Atomkraftwerks „Bruno Leuschner“ (AKW):

Eine Analyse der Monitoringdaten sowie eine ergänzende Literaturrecherche führten zu folgenden

Ergebnissen:

Der zentrale Greifswalder Bodden wurde durch die Emissionen des AKW offensichtlich nicht erkennbar betroffen. Das lässt die Annahme zu, dass auch die Auswirkungen der geplanten Kraftwerke bezüglich Temperatur und Nährstoffe sich auf den Nahbereich beschränken.

In Untersuchungen aus den späten 1980er Jahren wird der beeinflusste Bereich je nach betrachtetem Parameter und gewähltem Grenzwertkriterium mit einigen Kilomentern Entfernung von der Einleitstelle beziffert. In der Datenanalyse traten im Nahbereich östlich der Auslaufrinne (Station GB6 mit 1,4 km Entfernung) gegenüber dem Fernbereich (GB19 mit 7,3 km Entfernung) erhöhte Monatsmittelwerte der Temperatur sowie der Nährstoffkonzentrationen auf, die auf einen Einfluss der Kühlwassereinleitung des AKW inklusive der Nährstoffumleitung hindeuten können. Westlich der Auslaufrinne (GB5 mit 3 km Entfernung) wurden keine Unterschiede zum Fernbereich festgestellt, so dass an GB5 offenbar kein Einfluss vorlag.

Es muss allerdings festgehalten werden, dass sich die klimatische Situation und das aktuelle Belastungsniveau des Greifswalder Boddens sich von derjenigen vor 20 Jahren unterscheiden und das System heute sensitiver auf Veränderungen reagieren kann.

Ausdehnung und Auswirkungen der oberflächenahen Kühlwasserfahne im Greifswalder

Bodden:

Eine detaillierte Auswertung der physikalischen Simulationen, Literaturrecherche und

Expertenbefragungen führten zu folgenden Ergebnissen:

Als Faustregel hat sich bestätigt, dass die Kühlwasserfahne sich im Greifswalder Bodden oberflächennah etwa 90º rechtsdrehend zur Windrichtung ausbreitet, wenn sie nicht durch eine Küste abgelenkt wird. Bei nordöstlichen Winden kann sie sich weit in den Greifswalder Bodden ausbreiten und im Extremfall kurzzeitig bis in die Nähe der Südküste von Rügen reichen, wobei allerdings die kurzfristig wirksame Temperaturerhöhung bedingt durch atmosphärische Abkühlung und Vermischung hier mit unter 1 K keine Relevanz für das Ökosystem Greifswalder Bodden haben dürfte. Bei südlichen Winden wird die Kühlwasserfahne nach Osten abgeleitet und kann in extremen Fällen die Spandowerhagener Wiek oder die Nordküste von Usedom erreichen, ohne dort zu relevanten Temperaturerhöhungen zu führen. In Extremfällen kann Kühlwasser kurzzeitig direkt von der Auslaufrinne in die Einlaufrinne gelangen, wobei auch hier die Temperaturerhöhung nicht deutlich höher als 1 K betragen kann. Anzeichen für einen thermischen Kurzschluss (Zirkulation erwärmten Wassers, durch die sich eine Temperaturerhöhung von deutlich über 7,55 K ergeben könnte) konnten nicht beobachtet werden. Die Besiedlung der marinen Lebensräume des Ökosystems Greifswalder Bodden wird in erster Linie durch die mittleren Werte der Umweltparameter (Wassertemperatur, Salzgehalt) sowie die Sauerstoffverfügbarkeit geprägt. Eine Mittelung der Temperaturerhöhung über Juni 2008

Kühlwasserstudie Greifswalder Bodden:

Endbericht Kapitel 0 - Zusammenfassung das untersuchte Jahr ergibt eine mittlere Erhöhung der Oberflächentemperatur um mehr als 1 K für einen Küstenstreifen, der sich etwa 5 km westlich und östlich der Auslaufrinne ausdehnt, mit einer Ausdehnung von etwa 3 km in den Greifswalder Bodden. Eine mittlere Erhöhung von mehr als 3 K ist auf einen Radius von etwa 1,5 km von den Molenköpfen beschränkt. Die Erhöhung der Bodentemperatur erstreckt sich jeweils auf einen etwas kleineren Bereich.

Schichtungsverhältnisse im zentralen Greifswalder Bodden:

Eine detaillierte Auswertung der physikalischen Simulationen, Literaturrecherche und

Expertenbefragungen führten zu folgenden Ergebnissen:

Die Ausdehnung der Kühlwasserfahne in den Greifswalder Bodden bis in den Tiefenwasserfernbereich kann im südwestlichen Teil des zentralen Greifswalder Boddens wegen der Temperaturerhöhung und Salzgehaltsverringerung kurzzeitig zusätzliche Schichtung erzeugen. Solche Schichtungsereignisse sind allerdings nur dann relevant für das Ökosystem, wenn sie länger andauern.

Welche Schichtungsdauer kritisch ist für eine Sauerstoffversorgung bodennaher Bereiche hängt vor allem von der Sauerstoffzehrung am Boden und in der Wassersäule ab. Generell sollten Schichtungsereignisse ab etwa einer Woche Dauer bei den im Greifswalder Bodden üblichen bodennahen Sauerstoffzehrungsraten als potentiell kritisch in Bezug auf die Sauerstoffversorgung angesehen werden.

Eine Betrachtung der Modellergebnisse für den Greifswalder Bodden zeigt, dass ohne Kraftwerksbetrieb (Basisszenario) gelegentlich (typischerweise etwa 20 % der Zeit im Sommer, wenn die Sauerstoffzehrung maximal ist), in Teilen des südwestlichen Greifswalder Boddens Schichtung auftritt, wobei die maximale Dauer von sommerlichen Schichtungsereignissen gebietsweise bis zu 7 Tagen (auf ca. 5 km²) betragen kann, während 2 Tage Schichtung auf ca. 60 km² auftreten können.

Wegen der Abhängigkeit dieser Schichtungsereignisse von einzelnen Wettersituationen kann hier keine statistische Sicherheit gegeben werden. Messungen des Jahres 2002 zeigten keine Sauerstoffmangelsituationen im Greifswalder Bodden und auch aus früheren Jahren sind keine Sauerstoffmangelsituationen bekannt.

Durch den Kraftwerksbetrieb vergrößern sich die geschichteten und damit auch die potentiell hypoxischen Flächen in einem Bereich mit einer Entfernung über 10 km westlich der Auslaufrinne auf mehr als das Doppelte. Auch die Dauer der ununterbrochenen Schichtung nimmt durch den Kraftwerksbetrieb in einem größeren Bereich um einen bis zwei Tage zu.



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