Advancing chemical water quality monitoring in small and medium-sized rivers: The critical role of real-time measurements for detecting pollution sources and evaluating chemical status

Abstract

The European Water Framework Directive (WFD) mandates achieving 'good ecological and chemical status' in all EU surface waters. Small and medium-sized rivers, which constitute over 70% of the EU's river network, are critically important, yet extremely vulnerable to any pollution due to their low dilution capacity and rapid hydrological responsiveness. Consequently, conventional monitoring, based on monthly grab sampling, is fundamentally inadequate for these dynamic systems, leading to a chronic misclassification of their chemical and ecological status. The presented work underscores the power of real-time monitoring in small, dynamic rivers using in situ sensors directly in the water, as well as on-site sensors and wet-chemical analysers in mobile riverbank stations. The parallel recording of reliably measurable target parameters such as oxygen, temperature, pH, and nutrients makes it possible to capture the transient, event-driven pollution patterns characteristic of small rivers. This enables precise source identification, load determination, and a valid assessment of the chemical status of small and mediumsized rivers. This paradigm shift overcomes the limitations of traditional methods and is crucial for protecting these vital aquatic ecosystems, developing targeted mitigation measures, and ultimately achieving the environmental objectives of the WFD.

Die Europäische Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) schreibt vor, dass alle Oberflächengewässer in der EU einen „guten ökologischen und chemischen Zustand“ erreichen müssen. Kleine und mittlere Flüsse, die über 70 % des Flussnetzes der EU ausmachen, sind hierbei von entscheidender Bedeutung, aber aufgrund ihrer geringen Verdünnungskapazität und ihrer schnellen hydrologischen Reaktion äußerst anfällig für jede Art von Verschmutzung. Folglich ist die herkömmliche Überwachung auf Grundlage monatlicher Stichproben für diese dynamischen Systeme grundsätzlich unzureichend, was zu einer chronischen Fehlklassifizierung ihres chemischen und ökologischen Zustands führt. Die vorgestellte Arbeit unterstreicht die Leistungsfähigkeit der Echtzeit-Monitorings von kleinen, dynamischen Flüssen unter Verwendung von in situ-Sensoren direkt im Wasser sowie von at-site-Sensoren und nasschemischen Analysegeräten in Messstationen am Ufer. Die parallele Erfassung zuverlässig messbarer Parameter wie Sauerstoff, Temperatur, pH-Wert und Nährstoffen ermöglicht es, die für kleine Flüsse charakteristischen ereignisbedingt kurzfristigen Belastungsmuster zu erfassen. Dies ermöglicht eine präzise Identifikation der Herkunft der Belastung sowie auch eine zuverlässige Bewertung des chemischen Zustands kleiner und mittlerer Fließgewässer. Dieser Paradigmenwechsel überwindet die Grenzen traditioneller Methoden und ist entscheidend für den Schutz dieser lebenswichtigen aquatischen Ökosysteme, die Entwicklung gezielter Maßnahmen zur Schadensminderung und letztlich für die Erreichung der Umweltziele der WRRL.