Hydrodynamische und Wasserqualitäts-Simulation des Yangzonghai-Sees, Südwestchina, mit dem zweidimensionalen CE-QUAL-W2-Modell

Warum die Geschichte dieses Sees wichtig ist

Viele Seen weltweit füllen sich stillschweigend mit überschüssigen Nährstoffen aus Landwirtschaft, Siedlungen und Industrie. Dieser Prozess, der klares Wasser grün und verkrautet erscheinen lässt, bedroht Trinkwasserversorgung, Fischbestände und Tourismus. Im Südwesten Chinas ist der Yangzonghai-See ein solch gefährdeter „Hochplateausee“, hoch gelegen und versorgend für Wasser und Lebensunterhalt der umliegenden Gemeinden. Diese Studie nutzt ein leistungsfähiges Computermodell, um zu verstehen, wie sich Wasser im See bewegt, wie sich Verschmutzung verteilt und anreichert und wie stark die Emissionen reduziert werden müssen, um den See in einen gesünderen Zustand zurückzuführen.

Ein langer, schmaler See unter Druck

Der Yangzonghai-See erstreckt sich über mehr als 12 Kilometer, ist aber nur wenige Kilometer breit, wodurch er sich wie ein langes, schmales Fluss-See-System verhält. Er liegt hoch auf dem Yunnan-Plateau, wo dünne Luft, starke Sonneneinstrahlung und kühleres Wasser ein anderes Verhalten als Tieflandseen erzeugen. Der See erhält Abfluss von umliegenden Feldern, Städten und kleinen Betrieben sowie von mehreren Flüssen, die Stickstoff, Phosphor und organische Substanz eintragen. Diese Stoffe können Algenwachstum fördern, das Wasser trüben und den Sauerstoffgehalt senken, wodurch Fische und anderes Wasserleben geschädigt werden. Die Behörden in China klassifizieren die Wasserqualität in mehrere Klassen, und der Yangzonghai-See hatte Schwierigkeiten, den strengeren Klasse-II-Standard zu erfüllen, der dem Schutz von Trinkwasser und Erholung dient.

Ein Digitaler Zwilling des Sees

Um dieses komplexe System zu entwirren, bauten die Forschenden einen „digitalen Zwilling“ des Yangzonghai mit einem Werkzeug namens CE-QUAL-W2, einem zweidimensionalen Computermodell, das für lange, geschichtete Seen und Stauseen entwickelt wurde. Sie teilten den See in tausende kleiner Boxen entlang seiner Länge und Tiefe und fütterten das Modell mit detaillierten Aufzeichnungen zu Flussabflüssen, Niederschlag, Verdunstung, Wasserentnahmen und lokalem Wetter. Ebenfalls wurden Messwerte zu Schlüsselverschmutzern aus den Jahren 2016 bis 2018 eingegeben. Das Modell berechnete dann Tag für Tag, wie sich der Wasserspiegel veränderte, wie sich die Temperatur von warm an der Oberfläche bis kühl in der Tiefe schichtete und wie sich Nährstoffe und Algen im See bewegten und reagierten.

Was das Modell über das Verhalten des Sees zeigte

Der simulierte See stimmte gut mit beobachteten Wasserständen überein und erfasste die Oberflächentemperaturen angemessen, einschließlich des saisonalen Musters starker Schichtung im Sommer und vollständiger Durchmischung im Winter. In den warmen Monaten bildet sich eine scharfe Temperaturgrenze etwa 12–20 Meter unter der Oberfläche, die wie ein Deckel wirkt und verhindert, dass tieferes Wasser nach oben gemischt wird. Unter diesen geschichteten Bedingungen reichern sich Stickstoff, Phosphor und organische Substanz nahe der Oberfläche an, insbesondere in der Nähe der Haupteinläufe an Nord- und Südufer. Algen gedeihen, wie an steigenden Chlorophyll-a-Werten ersichtlich, während die Sichttiefe abnimmt. Im Gegensatz dazu bleibt das tiefere Wasser kühler und stabiler, mit begrenzter direkter Exposition gegenüber der neuen Verschmutzung aus dem Einzugsgebiet.

Verfolgung der Herkunft der Verschmutzung

Durch die Verfolgung der Zuflüsse von jedem Fluss und Uferbereich zeigte das Modell, dass mehr als 70 Prozent der in den Yangzonghai eingetragenen Nährstoff- und organischen Verschmutzung aus externen Quellen stammen, dominiert von zwei Flüssen, die stark landwirtschaftlich genutzte und entwickelte Gebiete entwässern. Im Untersuchungszeitraum überschritten Gesamtstickstoff-, Gesamtphosphor- und Indikatoren organischer Verschmutzung oft die zulässigen Grenzwerte selbst für den lockereren Klasse-III-Standard, insbesondere während starker Sommer-Schichtung. Obwohl das Modell die Nährstofffreisetzung aus Sedimenten nicht explizit simulierte, deutet das Muster hoher externer Lasten und der Anreicherung in der Oberflächenschicht auf die zufließenden Flüsse als Hauptverursacher hin, wobei interne Rückführung eine sekundäre, aber weiterhin wichtige Rolle spielt.

Wie viel Reinigung ist genug?

Das Team nutzte das Modell anschließend als Prüfstand für Managementoptionen. Sie führten eine Reihe von „Was-wäre-wenn“-Szenarien durch, in denen die externen Lasten von Stickstoff, Phosphor und organischer Substanz schrittweise in 10-Prozent-Schritten reduziert wurden, um zu sehen, wie die Konzentrationen im See reagieren würden. Die Ergebnisse zeigen, dass zur Erreichung des durchschnittlichen Klasse-II-Standards jährliche Reduktionen von etwa 43 Prozent beim Gesamtstickstoff, 26 Prozent beim Gesamtphosphor und 10 Prozent bei organischer Verschmutzung erforderlich sind. Um strengere Zielwerte hoher Perzentile zu erfüllen, müssen die Einschnitte noch tiefer sein — bis zu etwa der Hälfte des Stickstoffs und ungefähr einem Drittel des Phosphors. Die Beziehung ist nicht linear: ab einem bestimmten Punkt erzeugen zusätzliche Reduktionen geringere sichtbare Verbesserungen, weil gespeicherte Verschmutzung und interne Kreisläufe das System weiter speisen.

Was das für Menschen und Politik bedeutet

Für Entscheidungsträger übersetzt die Studie komplexe Seephysik und -chemie in klare Zahlenziele. Sie zeigt, dass das simple Reduzieren von Düngereinsatz oder das Aufrüsten einzelner Abwasserstellen nicht ausreicht; erhebliche, anhaltende Reduktionen aus dem gesamten Einzugsgebiet sind erforderlich, kombiniert mit künftigen Maßnahmen, um die Nährstofffreisetzung aus Seensedimenten besser zu verstehen und zu begrenzen. Gleichzeitig unterstreicht die Arbeit den Wert und die Grenzen der Modellierung: CE-QUAL-W2 kann verlässlich Politikempfehlungen für lange, schmale Hochplateauseen liefern, doch bessere Daten zu Wetter, Zuflüssen und Seegrundprozessen werden die Prognosen schärfen. Für die Gemeinden, die vom Yangzonghai und ähnlichen Seen abhängen, bieten diese Erkenntnisse einen realistischen Fahrplan zur Wiederherstellung klareren Wassers, gesünderer Ökosysteme und sichererer Versorgungen angesichts wachsender Belastungen.

Zitation: Tang, C., Wang, J., Zhao, L. et al. Hydrodynamic and water quality simulation of Yangzonghai Lake, Southwest China, using the two-dimensional CE-QUAL-W2 model. Sci Rep 16, 12521 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42817-0

Schlüsselwörter: Seen-Eutrophierung, Nährstoffverschmutzung, Modellierung der Wasserqualität, Hochplateauseen, Einzugsgebietsmanagement