Large-scale modeling of bacterial contamination in rivers, to support the global assessment of pollutant concentrations in rivers

Die räumliche Verteilung und der Zustand der Wasserqualität sind in vielen Teilen der Erde nicht bekannt und das, obwohl gesundes Leben und Wohlergehen auf Frischwasserressourcen mit einer guten bis exzellenten Wasserqualität beruhen. Heute sind 5,7% aller Behinderungen und Krankheiten sowie 4% aller Sterbefälle auf unsicheren Wasserzugang, mangelhafte sanitäre Anlagen und unzureichende persönliche und Haushaltshygiene zurückzuführen. Im Rahmen dieser Arbeit wird mit dem großskaligen Wasserqualitätsmodell WorldQual die Verschmutzung von Oberflächengewässern durch fäkalcoliforme Bakterien und die daraus resultierende mögliche gesundheitliche Gefährdung untersucht. WorldQual simuliert, ausgehend von diffusen und Punktquellen, Frachten sowie Konzentrationen in Oberflächengewässern. Fäkalcoliforme Bakterien waren bislang nicht in die Modellstruktur integriert, sodass die notwenigen mathematischen Gleichungen für Transport und Sterberaten von fäkalcoliformen Bakterien in WorldQual im Rahmen dieser Arbeit implementiert wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Einträge aus Haushalten mit 80% den dominanten Eintragspfad für die Fracht bilden. Die räumliche Verteilung der Konzentrationen in Oberflächengewässern war ähnlich zu der räumlichen Verteilung der Frachten. Besonders hohe Konzentrationen (hotspots) wurden für Zentraleuropa und für die europäischen Hauptstädte berechnet. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, fäkalcoliforme Bakterien auch auf anderen Kontinenten als Europa zu modellieren und zu simulieren. Europa ist Teil der ersten Welt und andere Kontinente wie Afrika haben einen deutlich niedrigeren Entwicklungsstand. Dieser Unterschied in der Entwicklung wird z.B. im Bereich der sanitären Anlagen deutlich. Aus diesem Grund wurden die unterschiedlichen sanitären Anlagen hinsichtlich ihres potentiellen Verschmutzungsrisikos für Oberflächengewässer bewertet. Dabei wurde festgestellt, dass das ungeklärt kanalisierte Abwasser das größte Risiko für Oberflächengewässer darstellt, weil das Abwasser unbehandelt direkt ins Oberflächengewässer geleitet wird. Um das Modellverhalten und die Struktur des Modells zu überprüfen wurde eine globale Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalyse mit dem Latin-Hypercube-Stichprobenverfahren durchgeführt. Als sensitive Parameter wurden die pro Kopf Fracht vom Menschen, die Sedimentationsgeschwindigkeit im Fluss und der Anteil der Bevölkerung, der an ein Kanalsystem angeschlossen ist, identifiziert. Die räumliche Verteilung der Intensität der Unsicherheit folgte der räumlichen Verteilung der sensitivsten Parameter. Weitere Modellsimulationen wurden für Lateinamerika, Afrika und Asien durchgeführt. Die Fracht wurde dabei von der Fracht aus Haushalten dominiert. Daraus folgte, genau wie für Europa, dass die Fracht in dicht besiedelten Gebieten höher war. Konzentrations-Hotspots waren in Südmexiko, an den West- und Ostküsten von Südamerika, in Nordafrika, dem flussaufwärtsliegenden Nil-Einzugsgebiet, vereinzelten Flussabschnitten in Ostafrika, dem Westen vom Iran, Nord- und Südindien und im Westen von Asien zu finden. Zudem wurde die Anzahl der ländlichen Bevölkerung, die mit fäkal stark verschmutztem (>1000 cfu/100ml) Oberflächengewässer in Kontakt kam, berechnet. Es wurde ermittelt, dass 79 bis 314 Millionen Menschen in ländlichen Gegenden durch Baden, Schwimmen, Benetzung, Wäsche waschen, Waschen oder durch Nutzung als Haupt-Wasserquelle mit fäkal stark verschmutztem Oberflächengewässer in Kontakt kommen. Analysen aus der Literatur deuten darauf hin, dass Frauen und Kinder zu den gefährdetsten Personengruppen zählen.