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Steinach

Kontext

Die Steinach ist ein Gewässer, das aufgrund der Einleitungen von Mischwasser der Stadt St. Gallen und der Einleitung von gereinigtem Abwasser der Abwasserreinigungsanlage Hofen stark belastet war. Flussabwärts der ARA setzte sich der Trockenwetterabfluss zu bis zu 80 % aus gereinigtem Abwasser zusammen. Der ökologische Zustand des Flusses wurde in den durchgeführten Studien (Concept Wastewater Discharge ARA Hofen, 2004) als schlecht bewertet. Nur im oberen Abschnitt des Gewässers werden die gesetzlichen Bestimmungen hinsichtlich Qualität und Biologie erfüllt.

Die Abflussdynamik ist in diesem Gewässer, unter anderem aufgrund der Einleitungen der versiegelten Flächen der Stadt St. Gallen, sehr hoch. Der Fluss verläuft bei seinem Weg durch St. Gallen unterirdisch. Bei Trockenwetter beträgt die Abflussmenge in der Steinach rund 0.27 m³/s. Beim Jahrhunderthochwasser lag der geschätzte Abfluss bei etwa 120 m³/s.

Über 36 Mio. CHF wurden im Rahmen der GEP-Massnahmen investiert, um die Situation zu verbessern:

  • Einführung von Trennsystemen des Siedlungseinzugsgebiets, soweit technisch und finanziell möglich
  • Verringerung des Fremdwasseranteils im Netz (Bachwasser, Sickerwasser etc.)
  • Rückhaltung und Versickerung von Regenwasser im Siedlungsgebiet
  • Errichtung eines Fangbecken/Fangkanal (Lukasmüli, 7560 m³) und Verbesserung der hydraulischen Funktion des Überlaufs Espenmoos.

Aufgrund dieser Massnahmen liessen sich Verbesserungen an verschiedenen Gewässerabschnitten feststellen. Dennoch verbesserte sich die Situation flussabwärts der ARA Hofen nicht.

Um diese Probleme zu beheben, wurden verschiedene Verbesserungsvarianten diskutiert: Einleitung des gereinigten Abwassers der ARA Hofen in die Sitter oder direkt in den Bodensee, Erhöhung der Reinigungsleistung der ARA mit zusätzlicher Filtration oder Wechsel zu effizienteren Reinigungsverfahren.

Die Frage, ob das gereinigte Abwasser der ARA Hofen auch weiterhin in die Steinach eingeleitet werden sollen, und falls ja, in welcher Qualität, wird durch zahlreiche Faktoren beeinflusst. Neben dem Trinkwasserschutz und den Überlegungen zum Gewässerschutz sind auch ökologische und politische Aspekte zu berücksichtigen.

Eine integrale Bewirtschaftung für die Steinach: Weshalb?

Die Entwicklung einer Lösung für den Fluss Steinach basiert auf der Untersuchung von sechs Szenarien (siehe unten), die hinsichtlich ihrer Machbarkeit und ihrer Kosten (Investition und Instandhaltung) bewertet wurden. Die geschätzte Schadstoffbelastung in Richtung Bodensee (insbesondere Phosphor) spielt in der Analyse eine entscheidende Rolle. Die vorgeschlagenen Varianten berücksichtigen teilweise eine zusätzliche Reinigung des Abwassers zur Phosphorbeseitigung:

Varianten ohne zusätzliche Behandlung

  • Variante 0: Optimierung der ARA Hofen und Einleitung in die Steinach
  • Variante 1: Desinfektion des Abwassers mit Einleitung in die Steinach
  • Variante 2: Anschluss an die ARA Morgental, ohne Filtration
  • Variante 3: Optimierung der ARA Hofen, Einleitungen in den Bodensee

Varianten mit zusätzlicher Behandlung

  • Variante 4: Flockungsfiltration, mit Einleitung in den Bodensee
  • Variante 5: Membranbiologie mit Einleitung in die Steinach
  • Variante 6: Anschluss an die ARA Morgental mit Filtration vor Einleitung in den Bodensee

Im Rahmen dieses Beispiels und wie sich der Abbildung oben entnehmen lässt, ist es entscheidend, die ARA (Hofen, Morgental), das Gewässer selbst (Steinach), das Kanalisationsnetz (Separierung, Erhöhung der Rückhaltekapazitäten etc.) und den Bodensee gleichermassen zu betrachten. Nur durch eine globale und integrale Betrachtung der Wasserbewirtschaftung lässt sich eine zufriedenstellende Lösung finden.

Angesichts dieser Problematik wurden mithilfe der Experten des Wasserforschungsinstituts Eawag, der ETH und des Bundesamts für Umwelt (BAFU) verschiedene Arbeitsgruppen gebildet. Sämtliche relevanten Fragen der verschiedenen Fach- und Interessensbereiche wurden behandelt und soweit möglich beantwortet. Auch die Vertreter des Kantons St. Gallen sowie die Vertreter des BAFU wurden direkt einbezogen.

Letztlich fiel die Wahl im Rahmen dieses Projekts auf die Variante 3. Das gereinigte Abwasser der ARA Hofen und der ARA Morgental werden einem gemeinsamen Verfahren zur Behandlung von Mikroverunreinigungen am Standort der ARA Morgental unterzogen (Inbetriebnahme der Anlage für 2021 geplant).

Verwendete Daten

Sämtliche verfügbare Daten zur strategischen Lösungsfindung wurden zusammengestellt: Rechtsgrundlage, Einleitungsbedingungen, Raumentwicklung, Daten zu Einzugsgebieten, Kennzahlen des GEP etc. Auch die erforderliche Erhöhung des Speichervolumens im Netz wurde berücksichtigt. Die Reinigungsleistung und der Zustand der ARA Hofen wurden bewertet und der kurz- und mittelfristige Sanierungsbedarf bestimmt.

Landreserven und Finanzplanung der Stadt St. Gallen und des Abwasserverbands Morgental wurden untersucht und bestimmt.

Sämtliche erforderlichen Daten zur Umsetzung der verschiedenen Instrumente (siehe nachfolgendes Kapitel) wurden durch die Arbeitsgruppen dieses Projekts erhoben: chemischer, ökologischer und ökotoxikologischer Zustand des Gewässers, Fischereidaten, detaillierte Leistungsdaten der ARA, Daten zum Bodensee (Strömung, Temperatur etc.).

 

Verwendete Instrumente

Verschiedene Arbeitsgruppen beschäftigten sich mit den sechs vorgeschlagenen Varianten. In jeder Arbeitsgruppe wurden verschiedene Instrumente genutzt.

Arbeitsgruppe ARA

Die Arbeitsgruppe ARA musste folgende Fragen beantworten:

  • Welche Bedingungen gelten für die Einleitungen von gereinigtem Abwasser in Abhängigkeit der verschiedenen gesetzlichen Parameter (insbesondere Temperatur, Phosphor, Hygiene etc.) in die Steinach und den Bodensee?
  • Auf welche Weise ist das gereinigte Abwasser in die Steinach zu leiten (Ort und Struktur der Einleitung)?

Eine Expertengruppe des Kantons St. Gallen, des Wasserforschungsinstituts Eawag und des BAFU beschäftigte sich mit diesen Fragen und analysierte mehrere Lösungen (Optimierung der Biologie, Membrantechnologie, Ozonierung). Sämtliche Varianten wurden unter Berücksichtigung von Kriterien wie Äusserer Aspekt im Abfluss der ARA, Einhaltung der Badengewässerqualität, Reduzierung der Mikroverunreinigungen etc. verglichen. Auch eine mögliche Trübung des Abwassers und die Erzeugung von Wasserkraft wurden berücksichtigt. Die eingesetzten Instrumente basierten auf den damaligen Kenntnissen (2006) zu den verfügbaren Techniken (Stand der Technik). Es wurde keine Software eingesetzt.

Beispiel für in der ARA Wädenswil eingesetzte Membrantechnologie

Arbeitsgruppe Bodensee

Folgende Fragen stellten sich der Arbeitsgruppe Bodensee:

  • Hat das zusätzlich in den See eingeleitete Abwasservolumen einen Einfluss auf die Trinkwasserzeugung in Bezug auf Nährstoffe, Schadstoffe, Bakteriologie an der Einleitungsstelle in der Steinacher Bucht?
  • Wie verhält sich das durch die Kanalisation der ARA eingeleitete Abwasser im See (Schichtung, Längsverteilung)?
  • Ist es erforderlich, die bestehende Einleitungsstelle zu versetzen oder andere Massnahmen zum Schutz des Bodensees und/oder der Steinacher Bucht zu ergreifen, wenn das Abwasser der ARA Hofen durch die Leitung der ARA Morgental in den Bodensee eingeleitet wird?
  • Wie hoch ist das maximale Abwasservolumen, das bei Regen von der ARA Hofen direkt in den See eingeleitet werden kann und muss? Sind Anpassungen an den Einleitungsanlagen und deren Steuerung erforderlich?

Die Eawag in Kastanienbaum wurde mit der Durchführung einer Studie zur Auswirkung der Abwassereinleitung in den Bodensee beauftragt. Es wurde ein Programm zur 3D-Simulation des Bodensees verwendet. Dieses Modell beschreibt die vertikale und horizontale Ausbreitung von Abwasserfahnen. Die Ergebnisse der Berechnungen ermöglichen die Optimierung der Auslassdüse im See. Die für das Modell erforderlichen Parameter, wie die physiologischen Merkmale des Abwassers, ein vertikales Profil der Temperatur und der Leitfähigkeit des Seewassers sowie Kenntnisse zur Tiefe der Einleitung und das bathymetrische Profil sind bekannt bzw. vorhanden. Die Berechnungen erfolgten sowohl für die Abwasser der ARA Morgental als auch für die gemeinsame Einleitung der ARA Hofen und der ARA Morgental. Die Ergebnisse des Modells ermöglichten es, die beste Positionierung der Einleitungsstelle im Bodensee zu ermitteln.

Analyse der Auswirkungen der Einleitungen der ARA an verschiedenen Einleitungsstellen im See.

Arbeitsgruppe Gewässer (Eawag)

Die Arbeitsgruppe Eawag musste folgende Fragen beantworten:

  • Welche Massnahmen sind hinsichtlich der Wasserökologie zu ergreifen, wenn die ARA Hofen weiterhin in die Steinach einleitet (Option Aufrechterhaltung der Einleitung)?
  • Welche Verbesserungen sind in der Steinach im Bereich aquatische Ökologie erwartbar, wenn auf die Einleitung des gereinigten Abwassers der ARA Hofen verzichtet wird?
  • Welche Massnahmen wären erforderlich, um die negativen Auswirkungen der Abflussverringerung aufgrund der eingestellten Einleitung in das Gewässer zu reduzieren?

Die Antwort auf diese Fragen basiert auf bereits vorhandenen Daten zu diesem Gewässer (Wasserqualität, Eigenschaften der Einleitungen, Daten zu Algen, Wirbellosen und Fischen in der Steinach). Es erfolgten Abflussmessungen während Trockenperioden sowie eine Inspektion, um den Abfluss entlang der Steinach bei Trockenwetter zu ermitteln.

Analyse der Abflüsse in die Steinach, Analyse mit Abfluss der ARA (kleine Abbildung links) und ohne Abfluss der ARA (kleine Abbildung rechts)

STORM-Ansatz

Die im Rahmen der STORM-Analyse gestellte Frage lautet wie folgt:

  • Wie lässt sich die Verschmutzung der Steinach durch die Einleitungen von Mischwasser aus der Region der Stadt St. Gallen und die Einleitung des gereinigten Abwassers der ARA Hofen mithilfe der Verwendung der STORM-Kriterien bewerten?

Die Analysen erfolgten in mehreren Etappen. Das Kanalisationsnetz der Stadt St. Gallen (Einzugsgebiet der Steinach) wurde vereinfacht und in die Software SASUM integriert. Durch eine Langzeitsimulation wurde das Verhalten der Entlastungsbauwerke des Netzes untersucht.

Mithilfe des Programms REBEKA II erfolgte eine erste grobe Berechnung der Auswirkungen der Mischabwasserüberläufe auf die Steinach. Auf dieser Grundlage wurde eine Bewertungsmatrix der Einleitungen mithilfe einer Inspektion der charakteristischen Abschnitte des Gewässers erstellt. Anschliessend erfolgte eine detaillierte Berechnung mit REBEKA II, die modellierten Auswirkungen wurden mit den Feldbeobachtungen verglichen.

Renaturierungsanalyse

Folgende Fragen stellten sich in Zusammenhang mit der Renaturierung des Gewässers:

  • Welche Projekte gibt es bereits in Bezug auf die Renaturierung der Steinach und den Hochwasserschutz? Inwiefern sind diese auf dem neuesten Stand?
  • Wie kann/muss der Unterlauf der Steinach entworfen werden, wenn das Abwasser der ARA Hofen nicht länger eingeleitet wird?
  • Sind Massnahmen erforderlich, um einen Abfluss in die Steinach auch bei Niedrigwasser zu gewährleisten, wenn das Abwasser der ARA Hofen nicht länger eingeleitet wird? Wie lässt sich die ökologische Funktion des Gewässers erhalten? Welche Massnahmen sind ggf. vorstellbar und realisierbar?

Ein Projekt zur Renaturierung der Steinach an der Mündung im Bodensee wurde 1990 ausgearbeitet. Dieses Projekt stellt die Arbeitsgrundlage dar, um den erforderlichen Hochwasserschutz zu gewährleisten. Detaillierte hydrographische Analysen, durchgeführt durch das Eawag, zeigten die Versickerungsgebiete des Flusses. Die Messstation für die Abflüsse lieferte bei Trockenwetter ungenaue Angaben.

 

Fischzuchtanalyse

Das kantonale Amt für Jagd und Fischerei führte eine umfassende Fischzuchtanalyse durch, um das Fischzuchtpotenzial des Flusses zu ermitteln.

Elektrofischerei und Fischkennzeichnung in der Steinach

Multifaktorielle Analyse

Für die Auswahl der besten Lösung wurde ein globaler Ansatz angewandt. Er umfasst zahlreiche Akteure, wie Öffentlichkeit, kantonales Amt für Umwelt, Anwohner des Gewässers, Betreiber der Abwasserreinigungsanlagen, Fischer, Umweltschutzverbände, Verantwortliche für die Trinkwassererzeugung aus dem Bodensee etc. Die Kosten der verschiedenen Lösungen sowie die Vor- und Nachteile auf Grundlage verschiedener Kriterien wurden innerhalb der Lenkungsausschusses des Projekts bewertet. Es wurden keine Instrumente vom Typ Entscheidungshilfen eingesetzt.

 

PASST-Analyse

Die Potenzialanalyse zeigt für das Einzugsgebiet der ARA Hofen, St.Gallen ein erhöhtes Potenzial für einen dynamische Kanalnetzbewirtschaftung. Sowohl in Bezug auf die vorhandene Infrastruktur als auch in Bezug auf den Nutzen der Bewirtschaftung für das Einzugsgebiet bestehen gute Voraussetzungen. Für eine detailliertere Untersuchung wurde in einem weiteren Schritt eine Betriebsdatenanalyse durchgeführt. Diese bestätigt die einfache Potenzialabschätzung mit dem PASST Tool. Insbesondere die ungleichmässige Nutzung der vorhandenen Speichervolumen und die sehr ungleichen Wasser- und Frachtflüsse im Einzugsgebiet können in diesem Einzugsgebiet mit einer dynamischen Kanalnetzbewirtschaftung angegangen werden.

Integraler Ansatz für die Steinach

Hinsichtlich der integralen Wasserbewirtschaftung wurden im Beispiel Steinach mehrere Bereiche auf verschiedenen Ebenen betrachtet. Wie aus nachfolgender Abbildung ersichtlich wird, ist die Bewirtschaftung auf der Ebene Netz-ARA-Gewässer perfekt integriert.

Die anderen Bereiche sind auf verschiedenen Ebenen integriert. Fischereiliche Aspekte spielten eine sehr wichtige Rolle bei der Auswahl des Entwässerungssystems, im Bestreben, einen Migrationskorridor für die verschiedenen Fischarten zu schaffen. Auch die „Wasserkraft“ ist durch die Turbinierung des Abwassers einbezogen: Diese Option wurde in sämtlichen analysierten Szenarien berücksichtigt und als wichtiger Aspekt der ausgewählten Lösung betrachtet.

Abbildung der verschiedenen Bereiche der integralen Wasserbewirtschaftung, die von den verschiedenen Beispielen dieses Standorts betroffen sind: innerer Ring, NAG-Bereich, äusserer Ring: weitere betroffene Bereiche

Folgende Aspekte wurden etwas weniger stark in die Überlegungen einbezogen:

  • Raumordnung: Die Bevölkerungsentwicklung in den verschiedenen Einzugsgebieten und die Projekte zur Siedlungsentwicklung wurden in den verschiedenen Szenarien sorgfältig einbezogen.
  • Revitalisierung von Gewässern: Dieser Aspekt wurde im unteren Teil des Einzugsgebiets, vor der Einleitung in den See, als wichtig erachtet.

Weitere Bereiche wurden in geringerem Ausmass in die Überlegungen einbezogen: Hochwasserschutz (in Verbindung mit Überschwemmungsgefahr im unteren Teil des Einzugsgebiets). Diese Überlegung wurde parallel zu den Revitalisierungslösungen angestellt. Der Schutz der Biodiversität hängt weitgehend mit den aquatischen Aspekten zusammen. Dazu dient die Schaffung eines Wildtierkorridors, der die verschiedenen vorhandenen Biodiversitätsinseln verbindet. Der Aspekt „Freizeit und Erholung“ wurde mit den Anwohnerinnen und Anwohnern der Fliessgewässer und des Sees diskutiert.

Die weiteren Bereiche wurden nur am Rande in die Überlegungen einbezogen.

In diesem Beispiel waren sehr hohe Investitionen vorgesehen; es war wichtig, eine möglichst umfassende globale Betrachtung mit sämtlichen Akteuren zu erhalten. Wenngleich die vorstehende Abbildung vermuten lässt, dass die Interaktionen mit den verschiedenen Bereichen relativ gering sind, spielte ihre Integration eine Schlüsselrolle bei der Auswahl der besten Lösung!

Zusammenfassung

Die Ergebnisse und der Vergleich der Varianten wurden innerhalb der Lenkungsgruppe des Projekts diskutiert. Auf Grundlage der erfolgten Arbeiten gelangten sämtliche Mitglieder zu dem Schluss, dass die Variante „Einleitung des gereinigten Abwassers in den Bodensee“ vorzuziehen sei. Der Expertenausschuss beschloss, die Empfehlung auszusprechen, auf die Steinach als Aufnahmegewässer zu verzichten. Die Hauptgründe sind:

  • Die chronische Verschmutzung der Steinach wird beseitigt und der Allgemeinzustand des Gewässers somit langfristig verbessert.
  • Eine Austrocknung der Steinach infolge des Verzichts auf die Einleitung der ARA lässt sich so gut wie ausschliessen.
  • Was die Ozonierung betrifft, bestehen starke Unsicherheiten hinsichtlich der Leistung und der Sicherheit einer derartigen Lösung (Diskussionsstand 2006).

Werden die vorhandene Biologie der ARA optimiert und ein Bauwerk zur Einleitung in den Bodensee errichtet, werden eine Verringerung der Belastungen und eine höhere Sicherheit erwartet, um die erforderlichen Behandlungsleistungen zu erreichen. Zudem wird es künftig auch möglich sein, Wasserkraft aus dem Abwasser zu erzeugen, und zwar in deutlich höherem Umfang.

Eine 2017 anhand der Parameter des Modul-Stufen-Konzepts (Äusserer Aspekt, Wasserpflanzen, Kieselalgen und Makrozoobenthos) durchgeführte Leistungskontrolle in der Steinach belegt eine deutliche Verbesserung der Situation seit Anschluss der ARA Hofen die ARA Morgental.

Begleitende Massnahmen

Die Renaturierung der Steinach ist zusammen mit dem Hochwasserschutz zu betrachten. Zudem lassen sich erhebliche Verbesserungen der Biozönose im Unterlauf der Steinach nur in Verbindung mit einer ökomorphologischen Verbesserung erzielen.

Um bei Trockenwetter einen möglichst hohen Abfluss in die Steinach sicherzustellen, sind das Potenzial zur Beseitigung von Fremdwasser und zur Versickerung des Regenwassers im Einzugsgebiet der Steinach, wie im GEP empfohlen, voll auszuschöpfen. Die Reduzierung der Verschmutzung in der Steinach bei Regen lässt sich insbesondere durch eine stärkere Rückhaltung oder ein höhere behandelte Wassermengen auf der ARA erreichen. Die STORM-Berechnungen verdeutlichten jedoch, dass in Hinblick auf die kritischen Ereignisse im Gewässer eher geringe Verbesserungen erzielt werden können.

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Die integrale Wasserbewirtschaftung gewährleistet im Fall der Steinach einen sicheren Mehrwert für sämtliche Komponenten des Wasserkreislaufs!

 

Informationsquellen:

  • Kanton St.Gallen, Amt für Umwelt und Energie: Steinach – vom Sorgenkind auf dem Weg zum gesunden Gewässer
  • Hunziker – Betatech (2006). Konzeptstudie Steinach. Zusammenfassender Bericht
  • Amt für Wasser und Energie (AWE) des Kantons St.Gallen, Entsorgung St. Gallen (2017). Biologische Untersuchungen an der Steinach 2017

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