Methode zur Ermittlung

Ablagerungen auf Folien in Schwimmteichen und Naturpools

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Fädige Algen im Strömungsbereich des Beckenrandes. Foto: Andreas Thon

Schwimmteiche und Naturpools sind in der heutigen Gartengestaltung eine marktrelevante Alternative zu konventionell gereinigten Swimming-Pools. So hat sich in den letzten Jahren parallel zu dieser Entwicklung ein vielfältiges Spektrum an Anbietern und Dienstleistungsunternehmen auf dem Markt etabliert.

Im Zuge dessen steigt gegenwärtig auch die Zahl der gerichtlichen Auseinandersetzungen, die sich mit dem Schwimmteichbau befassen. In den meisten Fällen ist die Wasserqualität ein häufiger Gegenstand der Auseinandersetzungen. Die Betreiber bemängeln in der Regel ein übermäßiges Vorkommen an fädigen oder schwimmenden Algen und den Aufwuchs eines Biofilms. Beides mindert den Badegenuss, stört das ästhetische Empfinden und erhöht den Pflegeaufwand der gesamten Anlage. Mit dieser Problemstellung sind einige Gutachter auf Prof. Dr. Andreas Thon an der Hochschule Geisenheim University entgegengetreten. Es war der Anlass für ein erstes intern gefördertes Forschungsprojekt mit dem Ziel eine standardisierte Methode zur Ermittlung von Ablagerung auf Abdichtungen (i.d.R. Folien) in Schwimmteichen (auch genannt als Algen- und Biofilmmatrix) zu entwickeln.

Für die Bewertung von Phytoplankton gibt es objektive Bewertungskriterien (Sichttiefe, Chlorophyllgehalt etc. - vgl. FLL, 2011 und Klee, 1990). Für fädige Algen und Biofilmablagerungen existieren solche Bewertungsgrundlagen bis heute nicht. Für eine objektive Bewertung des Biofilmaufwuchses und Algenvorkommens ist eine solche standardisierte Aufnahmemethode/Matrix erforderlich, damit Gutachten auf einer einheitlichen Datengrundlage bauen können. Es ist unstrittig, dass Algen und Biofilme in biologisch gereinigten Schwimmteichen vorkommen und vorkommen müssen. Die Wirkung des Biofilms hinsichtlich seiner Abbauleistung von Nährstoffen sowie seiner hygienisierenden Leistung beim Abbau von pathogenen Keimen wurde bisher mehrfach untersucht und die gewonnenen Ergebnisse publiziert. Die veröffentlichten Arbeiten bezogen sich meist auf den Biofilm auf mineralischen Filterkörpern oder als Aufwuchs auf Beckenwänden. Die wissenschaftlich, nutzbaren Ergebnisse fanden auch Eingang in die Richtlinie für Planung, Bau und Instandhaltung von privaten Schwimm- und Badeteichen (2017) und der Richtlinien für Planung, Bau, Instandhaltung und Betrieb von Freibädern mit biologischer Wasseraufbereitung (Schwimm- und Badeteiche) (2011) der FLL.

Analyseausstattung für Wasserproben und Bestandsaufnahme. Foto: Andreas Thon

Aufnahmerahmen für kleinflächige Analysebereiche. Foto: Andreas Thon

Kamerahalterung mit Flächenraster und Teleskopstange. Foto: Andreas Thon

In diesen Regelwerken ist festgelegt, dass nur Abdichtungen zugelassen sind, auf deren Oberflächen sich Biofilme, also auch Algen, ansiedeln können. Gleichzeitig wird jedoch erwartet, dass bei der Wasserrückführung des Wassers aus dem Filterbereich, das Anströmen von Boden-, Wand und Einbauflächen vermieden wird, um einem übermäßigen Biofilm- und Algenbewuchs entgegenzuwirken (vgl. Anströmung erhöht die Verfügbarkeit von Nährstoffen und kann somit das Algen- und Biofilmwachstum fördern). Es ist dem sehr unterschiedlichen Empfinden und den vielfältigen Erwartungen der Nutzer an die Beschaffenheit eines Schwimmteichs zuzuschreiben, dass es an diesem Punkt regelmäßig zu Auseinandersetzungen zwischen dem Benutzer/Betreiber und Erbauer kommt. Für alle Beteiligten fehlt hier eine objektive und praxistaugliche Bewertungsgrundlage, wie rein der Deckungsgrad des Algen- und Biofilmaufkommens objektiv aufgenommen werden kann. Spätestens zum Zeitpunkt der gerichtlichen Auseinandersetzung sollte den Beteiligten hier eine Bewertungsgrundlage zur Aufnahme von Ablagerungen auf Folien zur Verfügung stehen. Die Frage die dann Gutachter in einem zweiten Schritt klären muss, ab wann/ab welcher Bedeckung ist das vorhandene Vorkommen von Algen- und Biofilmaufwuchs auf Folien ein Mangel.

Im bereits bestehenden Regelwerk für private Schwimmteiche heißt es zudem, dass die Funktion eines Schwimmteichs nur durch regelmäßige und fachgerechte Pflege erhalten werden kann (FLL 2017). Des Weiteren wird in diesem Regelwerk auf eine regelmäßige Kontrolle unter anderem der Algenentwicklung/Aufwuchs hingewiesen. Es findet sich in den aktuellen Regelwerken (FLL, Ö-Norm, Schweitzer Richtlinien) kein konkreter Hinweis, wie ein übermäßiger Algenbewuchs zu beurteilen ist und welchen Pflegeaufwand durch den Betreiber aufgebracht werden muss. In der FLL von 2017, wird nur darauf hingewiesen, dass Algen in Abhängigkeit von der Wasseraufbereitung und dem Nährstoffgehalt in jedem Schwimmteich vorkommen. Es wird weiter ausgeführt, dass bei einer Massenentwicklung oder ungewöhnlich starker Algenblüte und der dadurch eingeschränkten Nutzungsmöglichkeit, Handlungsbedarf besteht. Eine konkrete Angabe (Fläche, Trockenmasse o. Ä.) die eine objektive Beurteilung ermöglichen, fehlen jedoch. Im Schadensfall und zur Begutachtung von Mängelrügen ist eine konkrete Angabe über das Maß des Mangels unbedingt erforderlich. Es kann sich nicht als rechtlich belastbar erweisen, wenn Sachverständige und Unternehmer ihre Beurteilung nach ihrer jeweiligen persönlichen Einschätzung tätigen. Um diese Lücke zu schließen, wurde 2017 ein Forschungsprojekt mit dem Ziel eine Bewertungsmethode für Ermittlung von Algen- und Biofilmaufwuchs zu entwickeln an der Hochschule Geisenheim University gestartet.

Im Ergebnis soll eine praxistaugliche und unkomplizierte Methode zur Aufnahme von Algen- und Biofilmaufwuchs zur Verfügung stehen. Um eine solche anwendungsorientierte Matrix zu erstellen, erfolgte eine umfangreiche Bestandsaufnahme von Referenzschwimmteichen. So wurden neben der optischen Erfassung gleichermaßen die chemischen und biologischen Parameter der jeweiligen Schwimmteiche erhoben. Hierfür ist jeweils pro Schwimmteich eine Wasseranalyse entnommen worden. Auch die baulichen Faktoren wie Standort, Bauart, Materialität, um nur einige zu benennen, wurden in einem Erhebungsbogen berücksichtigt. Die vielfältigen Variablen konnten so vergleichbar und nachvollziehbar dokumentiert werden. Erwartungsgemäß verlangt die Vielschichtigkeit der Einflussfaktoren und deren sensibles Reaktionsverhalten untereinander eine besondere Herangehensweise, um im Ergebnis ein vereinfachtes und praxisorientiertes Bewertungsinstrument erstellen zu können. Die Zielvorstellung dieses Forschungsprojektes ist, dass die Anwendung dieser Methode sowohl von Fachkundigen, als auch von Laien angewendet und bewertet werden kann.

Anwendungsbereich der Kamerahalterung auch an den Beckenwänden. Foto: Andreas Thon

Zu Beginn des Projektes und während des ersten Arbeitskreistreffens wurden grundsätzliche Überlegungen diskutiert, wie eine Bestandsaufnahme sinnvoll und ergebnisorientiert erfolgen kann. Entsprechend einer wissenschaftlichen Feldforschung stellen die ermittelten Daten die empirische Basis des gesamten Forschungsprojektes dar und müssen den Forderungen nach Objektivität und Wiederholbarkeit erfüllen. So wurde festgelegt, die Flächen eines Schwimmteiches ähnlich einer vegetationskundlichen Biotopkartierung zu erfassen. Eine Schätzskala (Londo Skala) liefert ein vereinfachtes Abbild vom Deckungsgrad des Algen- und Biofilmaufwuchses des jeweiligen Schwimmteiches. Im Wesentlichen wurden die wichtigsten Elemente die auf den Oberflächen des Teiches vorkamen in dieser Erhebung berücksichtigt. Schon zu Beginn des Projektes entschied sich das Team, nur die primär vorkommenden Bestandteile zu erheben. In erster Linie um während des gesamten Projektverlaufes die erhobenen Daten zusammenführen zu können und eine übergreifende Auswertung der Daten zu ermöglichen. Dieser vorgegebene Rahmen kann je nach Anforderung entsprechend verfeinert und angepasst werden.

Eine wesentlichere Fragestellung war neben Festlegung der Methodik zur Datenerhebung, auch die Klärung, mit welchen Mitteln eine Bestandsaufnahme unter Wasser erfolgen kann. Auch hier ist die Forderung an die praxistaugliche und unkomplizierte Technik der Datenerhebung ein wesentliches Kriterium. Die Erprobung dieser Methode soll auch Informationen über die grundsätzliche Tauglichkeit des verwendbaren technischen Materials erbringen und gegebenenfalls verfeinert beziehungsweise schlüssig weiterentwickelt werden. Prinzipiell soll diese Erhebungsmethodik nach wissenschaftlichen Standards belegbar, gleichzeitig praxisorientiert sein und grundsätzlich ein flexibles System bleiben, um erforderliche Ergänzungen oder Änderungen anpassen zu können. Das im Projektverlauf eingesetzte Kamerasystem wurde in einem Metallgestell auf einer Trägerplattform in einem vorher erprobten Abstand zum Rasterrahmen befestigt. Die Flächengröße des Rahmenrasters beträgt 1 m² und ist in ein 10 x 10 cm Gitter unterteilt. Das gesamte Gestell wurde jeweils für die Unterwasseraufnahmen in den Teich in unterschiedlichen Abschnitten des Teiches abgesenkt. Die Voreinstellung der Unterwasserkamera war immer identisch, um auch hier mit einheitlichen und vergleichbaren Ergebnissen arbeiten zu können.

Generell besteht die Möglichkeit, entsprechend der Biotopkartierung, einer selektiven, flächenrepräsentativen oder einer flächendeckenden Erhebung. Durch eine selektive Erhebung kann ausreichend Datenmaterial gesammelt werden, um eine repräsentative Aussage über den Gesamtzustand des Gewässers zu treffen. Prinzipiell kann auch eine flächendeckende Erhebung erfolgen, doch soll die Datenaufnahme und anschließende Analyse in einem ausgewogenen wirtschaftlichen Kosten-Nutzen-Verhältnis stehen.

Zu Beginn dieses Projektes wurden ausschließlich flächige Strukturen auf dem Boden und den Wänden von Schwimmteichen erfasst. Angelehnt an eine Vegetationsaufnahme für typische Strukturen einer Vegetationsfläche beträgt die Größe der Aufnahmefläche 1 x 1 m. Pro Teich erfolgten sechs bis neun Absenkungen, je nach Größe des Schwimmteichs. Nach dem Prinzip der Londo-Skala erfolgt eine Schätzung des Deckungsgrades mit einem entsprechenden Umrechnungsfaktor. Anstelle der Kraut-, Moos-, Strauch-, und Baumschicht, wurde stattdessen der Deckungsgrade von Algen-, Biofilm-, Laub und offenen Folienbereichen erfasst. Die Höhe der Algen/Biofilme (3D) werden zu diesem jetzigen Projektzeitpunkt noch nicht berücksichtigt.

Standbild für manuelle Analyse. Foto: Andreas Thon

Vektorbasiert bearbeitetes Standbild. Foto: Andreas Thon

Standbild mit automatisiertem Bildbearbeitungsprogramm analysiert. Foto: Andreas Thon

Insgesamt wurden 25 Schwimmteiche und Naturpools untersucht. Bei jedem Teich sind sechs bis neun Unterwasseraufnahmen entstanden, die bearbeitet und anschließend ausgewertet wurden. In der Regel sind fünf Aufnahmen des Beckenbodens und mindestens zwei Aufnahmen von repräsentativen Wandflächen aufgenommen worden. Von den circa 190 gewonnenen Datensätzen konnte der größte Teil in der Analyse ausgewertet werden. Ungefähr 15 Prozent der Daten konnten nicht in der Auswertung verwendet werden. Auslöser dafür waren unter anderem schlechte Lichtverhältnisse, eine falsche Kameraeinstellung (Verzerrung unter Wasser) oder eine (zu) starke Wassertrübung. Grundsätzlich ist die Bildqualität des verwendeten Kamerasystems mehr als ausreichend, um eine aussagekräftige Datengrundlage für die anschließende Analyse zu erstellen. Im Verlauf der Projektarbeit konnten vorher nicht berücksichtigte Abläufe angepasst und optimiert werden. Zusammen mit den chemischen Analysewerten und der Auswertung der Erhebungsbögen wurden die Daten zusammengeführt und wissenschaftlich ausgewertet.

Die anschließende Auswertung der Daten erfolgte nach drei unterschiedlichen Methoden. Zu Anfang des Projektes wurden die Datensätze noch manuell ausgewertet. Der Deckungsgrad der Bestandsstrukturen wurde in den einzelnen Teilflächen (10 cm x 10cm) ermittelt und anschließend zusammengefasst. Zur weiteren Bewertung wurden der prozentualen Gesamtanteil von Algen, Biofilm, Laub und offene Folienflächen in der Dokumentation eingesetzt. Im Verlauf des Projektes wurden die Aufnahmen mit einem vektorisierten Flächenaufnahmeprogramm analysiert. Auch hier wurden die gleichen Parameter erfasst und digitalisiert. Diese Methode beschleunigte die Bewertungsprozesse im Gegensatz zur manuellen Analyse, da nur die Umrisse gleicher Ablagerungsflächen umrandet werden müssen. Das Programm ermittelt daraus dann automatisch die Flächengröße. Zudem konnten die einzelnen Flächenbelegungen digital wesentlich exakter definiert werden. Die dritte Methode erarbeitete Mark Lang im Rahmen seiner Bachelor-Thesis gegen Ende dieses Forschungsprojektes. Eine automatische Variante der Datenanalyse erfasst auch hier die entsprechenden Parameter wie in den vorherigen Methoden.

Die drei Abbildungen zeigen die jeweilige Arbeitsweise. Bei der manuellen Variante wird für jeden einzelnen Teilplot der prozentuale Anteil an Algen-, Biofilm-, Laub und offene Folienbereiche festgelegt. Aus diesen Teilwerten wurde anschließend ein Mittelwert berechnet.

Das mittlere Bild zeigt ein Beispiel einer manuellen Auswertung. An dieser Aufnahme sind noch starke Verzerrungen sichtbar. Diese wurde aber stets vor Auswertung entzerrt. Des Weiteren fällt auf, dass bei dieser Variante nicht 100 Teilplots, sondern nur ein kleiner Teil (21 St.) als Analysebereich zur Verfügung stehen. Für die abschließende Auswertung wurden vollständige Aufnahmen genutzt, oder wenn nicht vorhanden, diese stets auf 100 Teilplots ergänzt und auf 100 Prozent skaliert.

Das untere Bild zeigt die Auswertung mit Hilfe eines CAD-Programms. Auf Grund der vektorisierten Berechnung der Flächen müssen nur die Umrisse der Flächenbelegungen (Algen, Biofilm etc.) nachgezeichnet werden. Das Programm ermöglichte durch die Zuordnung in einzelne Klassen eine übersichtliche Strukturierung der Bestandteile auf der Beckenoberfläche. Die Flächengrößen wurden vom Programm automatisch errechnet und gegebenenfalls zusammengefügt.

Grafische Darstellung der Spannbreiten der Ergebnisse der drei Analysemethoden. Grafik: Andreas Thon

Grafischer Vergleich der Analysemethoden. Grafik: Andreas Thon

Die Grafiken zeigen die (teil-)automatische Auswertung mittels eines kostenfrei zugänglichen Grafikprogramms: In einem ersten Schritt entzerrt dieses Programm automatisch die Aufnahmefläche. Über einen Farbfilter erkennt das Programm nahezu automatisch die Kontrastunterschiede auf den Flächen und stellt diese auch entsprechend differenziert dar.

Entsprechend der Zielsetzung des Forschungsprojektes wurden alle drei Methoden miteinander verglichen. In der Abbildung ist die Spannbreite der Ergebnisse der ermittelten Beläge bei allen drei methodischen Ansätzen erkennbar (automatisch, manuell und per CAD). Innerhalb dieser drei unterschiedlichen Methoden wird zwischen den prozentualen Anteil der Fläche die als Folie, Alge, Biofilm, Laub oder sonstiges gleichermaßen unterschieden. Die Spannbreiten sind als Flächen dargestellt, die Mittelwert mit Rot markiert.

Die Abbildung "Biofilmablagerungen" zeigt beispielhaft die unterschiedlichen Ergebnisse der drei Methoden zur Ermittlung der Flächenbelegungen bei einer Aufnahme. Es wurden beispielhaft fünf unterschiedliche Aufnahmen ausgewählt (ID 2.6.1, 2.4.1, 2.3.1, 2.1.2 und 1.3.3). Es wurden die unterschiedlichen Ergebnisse der Biofilmablagerungen bei der automatischen, Manuelle und CAD ermittelten Variante mittels eines Balkendiagramms dargestellt. Es ist erkennbar, dass alle drei Varianten ähnliche Ergebnisse bei der Ermittlung der Flächen liefern.

Um sicher zu stellen, dass die Ergebnisse bei der manuellen, vektorisierten und automatischen Erkennung der Beläge sich nicht signifikant unterscheiden, müssen weitere Untersuchungen durchgeführt werden. Im Verlauf des Projektes hatte sich schon abgezeichnet, dass durch eine verfeinerte Methodik in allen drei Verfahren eine optimierte Anwendung zu erwarten ist.

Auch wenn die Auswertung der Ergebnisse noch nicht endgültig abgeschlossen ist, kann jetzt schon festgestellt werden, dass alle drei Varianten zu einem ähnlichen Ergebnis kommen. Eine statistische Sicherheit wird durch Folgeaufnahmen abgesichert. Durch den Einsatz einer automatischen Erkennung der Ablagerungen, werden die subjektiven (Fehl-) Einschätzungen der aufnehmenden Person reduziert. Das ist grundsätzlich positiv einzuschätzen, so lange die automatische Erfassung identische Ergebnisse liefert.

Bezugnehmend auf die Forschungsfrage lässt sich nach zahlreichen praktischen Anwendungen feststellen, dass die angewandte Methodik grundsätzlich die Ansprüche an ein praxistaugliches Bewertungsinstrument erfüllen kann. Im Verlauf des Projektes konnten durch optimierte Verfahrensabläufe die Methodik wesentlich verfeinert werden. Durch die zahlreichen Erkenntnisse dieses Forschungsprojektes und der begleitenden Bachelor-Thesis von Mark Lang ist ein wesentlicher Baustein für eine Bewertungsmatrix für die Beurteilung des Deckungsgrades der Algen-und Biofilmablagerungen in Schwimmteichen- und Pool erarbeitet worden. Deren Weiterentwicklung ist ein wichtiges Anliegen des Forschungsteams "Schwimmteiche" an der Hochschule Geisenheim. Eine Erweiterung und Fortführung des Projektes ist in einem Folgeprojekt (in Antragstellung) eingeflossen.

Dieser Artikel erschien in der Ausgabe NEUE LANDSCHAFT 02/2019 .

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