Lake Tegel: hydrodynamics, pharmaceutical micro-pollutants and management strategies

Abstract

Ziele dieser Dissertation sind die Aufklärung der Strömungsverhältnisse und Untersuchungen zum Verhalten von Arzneimittelrückständen im Tegeler See, die Entwicklung eines Simulationsmodells für Szenarioberechnungen sowie die Ableitung neuer Bewirtschaftungskonzepte unter Zuhilfenahme der gewonnenen Erkenntnisse und Modellergebnisse. Das zweidimensionale Strömungsmodell 2D-POM kann die Mischungsverhältnisse der beiden Zuflüsse zum Tegeler See, insbesondere den Einstrom der Oberhavel, ausreichend genau abbilden. Der Oberhaveleinstrom ist sowohl windinduziert als auch vom Abfluss der Oberhavel abhängig. Der Wind wirkt je nach Windrichtung verstärkend oder abschwächend auf den Oberhaveleinstrom. Der Tegeler See weist im Vergleich zu anderen Oberflächengewässern, die als Trinkwasserressource dienen, die höchsten bisher berichteten Gehalte an Arzneimittelrückständen auf. Die räumliche Verteilung von Carbamazepin (CBZ) und Sulfamethoxazol (SMX) wird hauptsächlich durch die Verdünnung mit Oberhavelwasser bestimmt. Nur ein geringer Teil des CBZ (40%) wird im Tegeler See eliminiert. Für SMX konnte keine Elimination festgestellt werden. Im Gegensatz dazu wird Diclofenac (DCF) im Oberflächenwasser photolytisch abgebaut (50% in den Wintermonaten, mehr als 95% im Sommer). Die Konzentrationen von DCF im Tegeler See zeigen deshalb eine hohe saisonale Variabilität. Durch Simulation von sieben Bewirtschaftungsszenarien wurde untersucht, ob mithilfe der existierenden Seeleitung und Phosphateliminierungsanlage die Konzentrationen der Arzneimittelrückstände im Tegeler See verringert werden können, ohne die erfolgreiche Seerestaurierung zu gefährden. In keinem Szenario konnten die Gehalte an Arzneimittelrückständen und Phosphor gleichzeitig auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden. Aus diesem Grund sind ergänzende Maßnahmen notwendig, z.B. eine zusätzliche Spurenstoffentfernung im Zulauf des Sees oder eine weitere Phosphorreduzierung in der Oberhavel.

This cumulative thesis aims at (i) understanding the hydrodynamic characteristics of Lake Tegel, (ii) examining the occurrence and fate of pharmaceutical micro-pollutants in the lake, (iii) developing a modeling tool for scenario prediction, and (iv) utilizing the above findings and applying the above modeling tool to create new management strategies for Lake Tegel. The free-surface two-dimensional circulation model 2D-POM serves as an adequate tool for representing the intrusion of River Havel and the mixing intensity of both inflows, as validated by measured data. The calculations indicated that the intrusion of River Havel into Lake Tegel fluctuates with river discharge and wind, both of which can amplify or neutralize the other. Compared to other surface waters also used as drinking water resources, Lake Tegel seams to feature the highest ever reported pharmaceutical concentrations worldwide. The spatial distribution of carbamazepine (CBZ) and sulfamethoxazole (SMX) in the lake was shown to be primarily affected by dilution with water from River Havel rather than by degradation within the lake. By contrast, concentrations of diclofenac (DCL) are affected by both dilution and photodegradation. DCF showed the strongest elimination of all three pharmaceuticals and revealed significant seasonality with 50% elimination in winter and more than 95% in summer. Elimination of CBZ was 40%, while SMX did not degrade at determinable rates. Seven different management scenarios were tested to answer the question of whether the existing lake pipeline could be used to reduce the amount of pharmaceuticals in Lake Tegel without deteriorating the current phosphorus level. No scenario provided a strategy optimal for both pharmaceuticals and phosphorus. Consequently, additional efforts need to be made, such as supplementary pharmaceutical treatment of the inflow originating from the wastewater treatment plant, or phosphorus reduction in the River Havel catchment.