Originalbeiträge
Untersuchungen zur chemischen Belastung von Seitenstrukturen an der Elbe
Susanne Heise (susanne.heise@haw-hamburg.de), Hamburg

Zusammenfassung
Mehr als 1000 Seitenstrukturen finden sich in der Talaue derdeutschen nicht-tidalen Elbe, die zusammengenommen eine
Fläche von 50 km2 haben. Die Beprobung von 15 ausgesuchten Seitenstrukturen (Altarme, Buchten und Altwasser)
zwischen Fluss-km 340 und 569 im Frühjahr 2013 zeigte einehohe Belastung der Sedimente mit historisch emittiertenorganischen und anorganischen Schadstoffen. Obwohl lokale
Quellen in einzelnen Fällen nicht auszuschließen sind, weist
das relativ ähnliche Kontaminationsmuster der Sedimente auf
einen Schwebstoff-gebundenen Eintrag der Schadstoffe bei
Hochwasserereignissen hin.
Untersuchungen zur Erosionsstabilität zeigen ein differenziertes Bild auf, nach dem 6 der 15 untersuchten Seitenstrukturen mit Sedimentmächtigkeiten von 20 bis 100 cm
bereits bei Strömungsgeschwindigkeiten in erheblichem Maße
mobilisiert und ausgetragen werden können, die einem
langsam fließenden Gewässer (1,6 km/h) entsprechen. Im
Falle einer Überflutung werden angeschlossene Altarme und
Altwasser jedoch häufig sehr stark durchströmt, was zu einer
umfangreichen Resuspendierung der Sedimente führen wird.
Ob Seitenstrukturen zwischen den Hochwasserereignissen
jedoch als Reservoir kontaminierter, abgelagerter Schwebstoffe anzusehen sind, oder ob bei Überflutungen große
Mengen tiefer gelegener, historisch kontaminierter AltSedimente in die Elbe eingetragen werden, bleibt zu klären.
1. Einleitung
Im Bereich der deutschen Binnenelbe liegen mehr als 1000
Seitenstrukturen in der Talaue, die insgesamt eine Fläche vonca. 50 km2 einnehmen. Den größten Anteil hieran haben
Altwasser (nicht angeschlossen) und Altarme (einseitig
angeschlossen), die Teil des früheren Elbverlaufs sind. Je
nach ihrer Lage in der Talaue und Wasserstand bzw. Abfluss
der Elbe werden sie bei einem Hochwasser einseitig oder
beidseitig an die Elbe angeschlossen und können dann mit
hoher Geschwindigkeit durchströmt werden.
Schwebstoffe und Sedimente der Elbe sind historischdurch Bergbau und Industrie belastet [1, 2]. Es ist zu
erwarten, dass Gewässer, die an das Schwebstoffregime derElbe ständig oder zeitweise bei hohen Abflüssen angeschlossen waren oder werden, ebenfalls durch Schadstoffebelastet sind. Nur wenige Publikationen (z.B. [3]) haben sichdiesbezüglich mit Seitenstrukturen beschäftigt und untersucht,
ob und wie viel Material im Hochwasserfall erodiert wird undwie viel Schwebstoff sich bei zurückgehendem Hochwasser
wieder absetzt. Anlässlich der Erarbeitung eines Sedimentmanagementplans für die Elbe durch die Internationale
Kommission zum Schutz der Elbe (IKSE) wurden im Frühjahr
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2013 daher ausgewählte Seitenstrukturen auf ihre Sedimentbelastung, die Erodierbarkeit der Oberflächensedimente und
die Sedimentmächtigkeit untersucht.
Diese Studie sollte Aussagen darüber treffen, ob a) ein
Schadstoffaustrag aus Seitenstrukturen erfolgen kann und
man b) von den erhobenen Charakteristika der Gewässer auf
ein mögliches Risiko schließen könnte.
2. Methodik
Auswahl der Probenahmestandorte
Für diese Studie wurden 15 Seitenstrukturen zwischen Flusskm 340 und 569 ausgewählt, die sich in ihrer Lage undEntfernung zum Fluss und in ihrer Anschlusssituation
unterscheiden (eine Bucht, vier Altarme mit Anschluss bei MQ(langjähriger, durchschnittlicher Abflusswert), acht Altwasser
mit Anschluss bei 2 MQ, 2 Altwasser mit Anschluss bei 3 MQ)(Tabelle 1).
Art der
Fluss

Naheliegen-Nr

Angeschlos-Über-

sen beiströmt bei

Seiten-km

der Ort.

struktur

1

568

Sassendorf

Bucht

MQ

2MQ

2

568

Sassendorf

Altwasser

2MQ

2MQ

3

551,6

Bleckede

3MQ

3MQ

4

509

Damnatz

Altwasser
Bucht/
Altarm

MQ

2MQ

5

509

Damnatz

Altwasser

2MQ

2MQ

6

509

Damnatz

Altwasser

3MQ

3MQ

7

505,5

Brandleben

Altarm

MQ

2MQ

8

505,5

Brandleben

Altwasser

2MQ

2MQ

9

497,8

GrippelAltarm

MQ

3MQ

10

497,8

GrippelAltwasser

2MQ

3MQ

11

451,8

Losenrade

Altarm

MQ

2MQ

12

451,8

Losenrade

Altwasser

2MQ

2MQ

13

389,5

FischbeckAltwasser

2MQ

3MQ

14

389,5

FischbeckAltwasser

2MQ

3MQ

15

333,2

Gerwisch

Altwasser

2MQ

HQ5

Tab. 1: Beschreibung der für die Untersuchung selektierten
Seitenstrukturen (MQ: langjährig durchschnittlicher Abflusswert bzw. ein Vielfaches davon (2 MQ, 3 MQ); HQ5:
Ingenieurtechnisch ermittelter wahrscheinlich erreichter
Hochwasserscheiteldurchfluss innerhalb von 5 Jahren).
Da sich die Seitenstrukturen fast ausschließlich im Elbe-Biosphärenreservat befinden, wurden die Beprobungen mit
Genehmigung der verantwortlichen Naturschutzbehörden von
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einem Schlauchboot mit E-Motor aus in den Monaten April
und Mai 2013 durchgeführt. Sedimentmächtigkeiten einer
Seitenstruktur wurden an jeweils mehreren Querprofilen mit
einer Peilstange erhoben. Je nach Größe und Beschaffenheit
der Seitenstruktur wurden weiterhin an einer bis drei
Positionen Sedimentkerne zur Ermittlung der Sedimenteigenschaften (Korngröße, Wassergehalt), des Schadstoffgehalts(Durchmesser Sedimentkernstecher 7,5 cm, HYDROBIOS)
und der Erosionsstabilität (Durchmesser Sedimentkernstecher
10 cm, Spezialanfertigung Technik Service A. Meyer)
gezogen. Die tiefen Sedimentproben wurden mit Hilfe eines
Torfbohrers gewonnen.
Messung der Erosionsstabilität
Für die Messung der Erosionsstabilität vor Ort wurde die
Erosionsapparatur „Gust’scher Mikrokosmos“ (Anfertigung:Technik Service A. Meyer) genutzt, bei der aus zwei sichüberlagernden Strömungsregimen eine homogene Schubspannungsgeschwindigkeit über der Sedimentoberfläche
erzielt wird [4]. Während diese Schubspannungsgeschwindigkeit während der Messung schrittweise erhöht wird, wird
die Resuspendierung der Sedimentoberfläche über einen
optischen Backscatter verfolgt (OptekTrübungssensor Inline).
Die Durchflussmessung erfolgt kontinuierlich über einen
Ultraschalldurchflussmesser (Sonoflow CO.55, Fa. Sonotec).
Durchführung chemischer Analysen
Für die Bestimmung der Korngrößenverteilung und der
Schadstoffgehalte wurden die entsprechenden Unterproben in
Glasgefäße überführt und ins analytische Labor transportiert.
Alle Analysen wurden von der Gesellschaft für BioanalytikmbH (GBA) in Hamburg durchgeführt. Schadstoffgehalte
wurden in den Tiefen 0 bis 10 cm, 10 bis 20 cm und tiefer als
20 cm bestimmt. Die chemische Analyse auf Schwermetalle
erfolgte in der <20 µm-Fraktion nach DIN EN ISO 17294-2(E29) bzw. DIN EN 1483 (E12) (Quecksilber). Organische
Schadstoffe wurden in der kleiner 2 mm Fraktion mit GC-MSD(PAKs), nach DIN EN ISO 6468-F1 (HCB), bzw. DIN ISO
10382 (weitere SHKW) bestimmt.
3. Ergebnisse und Diskussion
Erhebung ortskonkreter Sedimentvolumina
In allen beprobten Seitenstrukturen hatten sich erhebliche
Mengen an Schwebstoffen abgelagert. Häfen, Altwasser undAltarme zeigten mittlere Sedimentmächtigkeiten von 20 bis
mehr als 150 cm, wobei die Dicke der Sedimentauflage innerhalb der Seitenstrukturen stark variierte. Durchgehend geringe Sedimentmächtigkeiten wurden in keinem Fall verzeichnet. Wie mobil die Sedimente sind, ob sie also mit ansteigender Strömungsgeschwindigkeit resuspendiert werden würden,
sollte die Messung mit der Erosionsapparatur klären.
Erodierbarkeit der Sedimente
Nur ein Kern aus einem Altwasser bei Damnatz war leicht
erodierbar mit einem u*crit von weniger als 1 cm/s. Mittlere
kritische Schubspannungsgeschwindigkeiten zwischen 1 und
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2 cm/s, wie sie auch von Bohling[5] und von Humann[6] mit
einem vergleichbaren Gerät für Brackwassersedimente
bestimmt wurden, wurden in dieser Studie sowohl für Altarme
als auch für Altwasser gemessen. Die Schwellenwerte innerhalb einer Seitenstruktur waren dabei häufig ähnlich: Im Altarm Grippel schwankten die u*crit zwischen 1,17 und 1,51
cm/s (n=3) (siehe Abbildung 1), während sie im Altwasser bei
Sassendorf (n=3) und im Altarm bei Losenrade (n=2) immer
oberhalb von 2 cm/s lagen. Eine Vorhersage der Erosionsstabilität auf der Basis der Korngrößenverteilung war nicht
möglich. Ein Bezug zur Lage der Seitenstrukturen in der Talaue konnte ebenfalls nicht abgeleitet werden.
Inwiefern die erzeugten Schubspannungsgeschwindigkeiten tatsächlich in den Seitenstrukturen der Elbe auftreten
können, kann aufgrund fehlender Messungen unter realen
Bedingungen nur abgeschätzt werden. In fließenden Gewässern beträgt das Verhältnis der mittleren Strömungsgeschwindigkeit ein bis zwei Meter über dem Boden zur
Schubspannungsgeschwindigkeit ca. 19:1 [7]. Damit würde
ein hier maximal angelegtes u* von 2,4 cm/s bei einer
Fließgeschwindigkeit von ca. 1,65 km/h auftreten. Dies
entspricht ungefähr der Fließgeschwindigkeit der Elbewährend eines Niedrigwassers, würde also im Falle derDurchströmung einer Seitenstruktur noch deutlich überstiegenwerden. Berücksichtigt man weiterhin die gemessenen
Sedimentmächtigkeiten von mehr als einem Meter, dann liegt
in den Seitenstrukturen teilweise ein erhebliches, unter
Hochwasserbedingungen remobilisierbares Sedimentvolumen
vor. Inwiefern dies zu einem Risiko für die Elbe werden kann,hängt jedoch primär von der Sedimentbelastung ab.
Sedimentbelastung
Die chemischen Analysen zeigten, dass alle Seitenstruktursedimente in einem erheblichen Maße mit verschiedenen
Schadstoffen belastet waren. Geringere Belastungen (geringere Anzahl an Schadstoffen, die die oberen Schwellenwerteüberschritten) wurden für Bleckede und einzelne Probenahmestationen in den Seitenstrukturen bei Sassendorf,
Brandleben, Grippel und Damnatz verzeichnet. In den
meisten Fällen wurden jedoch die oberen Schwellenwerte der
IKSE-Klassifizierung der Sedimentqualität [8] um ein erhebliches Maß überschritten. In Abbildung 2 werden inverschiedenen Publikationen ermittelte Hintergrundkonzentrationen („BG“ – background) für toxische Metalle und Arsen[3, 9] dem oberen Schwellenwert der IKSE gegenübergestellt.
Das Ausmaß der Überschreitungen des jeweiligen oberen
Schwellenwertes in allen gemessenen Sedimentproben ist
dargestellt. Insbesondere Cadmium, Quecksilber und Zink
lagen teilweise weit über den oberen Schwellenwerten der
IKSE (2013 gemessene Höchstwerte Cd: 39 mg/kg; Hg: 52
mg/kg; Zn: 3810 mg/kg). In einigen Proben lagen auch PCB in
hohen Konzentrationen vor (Höchstwert Summe PCB: 292µg/kg). p,p-DDT kam i.d.R. nur in Sedimenten von mehr als
10 cm Tiefe in signifikanter Konzentration vor. Häufig jedoch
war die tiefste Schicht nicht notwendigerweise die am
stärksten kontaminierte. Entgegen der Erwartung, dass sich93

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hohe historische Kontaminationen in den tiefen Schichten der
Seitenstrukturen wiederfinden, waren diese trotz einesähnlichen Feinkornanteils teilweise geringer belastet als die
oberen 20 cm. In einigen Seitenstrukturen könnten bereits inrelativ geringen Tiefen bis 100 cm Sedimente vorliegen, dienicht an Resuspensionsprozessen teilnehmen und vor die
Zeit der deutlichen Schadstoffemissionen des letzten
Jahrhunderts (z.B. 60er Jahre für PCBs [10]) zu datieren sind.

Abb. 1: Vergleich der Erodierungsprofile von drei Sedimentkernen aus einem Altarm und von einem Sedimentkern aus einem
Altwasser bei Grippel.

Abb. 2: Überschreitung der in den Seitenstruktursedimenten gemessenen Metall- und Arsen-Konzentrationen im Vergleich zum
oberen Schwellenwert der IKSE. Zum Vergleich angegeben sind Abschätzungen von Hintergrundkonzentrationen für die Elbeund für Europäische Sedimente (FOREG).
4. Schlussfolgerung
Die Mächtigkeit der Sedimentschicht und die relativ leichte
Erodierbarkeit der Oberfläche könnten auf einen potenziell
hohen resuspendierbaren Anteil kontaminierten Materials
hinweisen. In dieser Studie konnte nicht ermittelt werden, wiehoch die Sedimentdynamik in den betrachteten Seitenstrukturen war. Es konnten ebenfalls keine „typischen“ EigenMitt Umweltchem Ökotox

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schaften von Seitenstrukturen identifiziert werden, die mit
erhöhten Belastungen und leichter Erodierbarkeit einhergingen. Der gegenwärtige Wissensstand legt daher nahe,dass Seitenstrukturen individuell betrachtet werden müssen
und zurzeit noch keine Verallgemeinerung bzw. Typisierung
möglich ist. Zum anderen müssen weitere Daten gesammelt
werden, um die Sedimentdynamik besser zu verstehen. Zu
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diesem Zweck wurde eine zweite Studie zur Belastung vonSeitenstrukturen im Frühjahr 2014 durchgeführt, während derauch einige der Altarme beprobt wurden, die bereits in 2013
Bestandteil der Untersuchung waren. Aufgrund des in der
Zwischenzeit erfolgten extremen Hochwassers (Ende
Mai/Anfang Juni 2013) erhoffen wir uns aus dem Vergleich
der Daten weitere Erkenntnisse, um die dynamischen Prozesse in den Seitenstrukturen besser zu verstehen.
Danksagung
Diese Studie wurde gefördert vom ELSA-Programm der BSU
Hamburg. Mein Dank geht weiterhin an alle Mitglieder derArbeitsgruppe Angewandte Aquatische Ökotoxikologie und an
viele Studierende, ohne die die Probennahmen nicht möglichgewesen wären.
Literaturverzeichnis
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Seiten.
http://www.tideelbe.de/files/elbestudie_sedimente_i.pdf
2. Heise, S., F. Krüger, U. Förstner, M. Baborowski, R. Götz,
und B. Stachel, Bewertung der Risiken durch Feststoffgebundene Schadstoffe im Elbeeinzugsgebiet. 2007, Im
Auftrag der Flussgebietsgemeinschaft Elbe und Hamburg
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http://www.tideelbe.de/files/elbestudie_ii_mai_2008_klein.
pdf
3. Zachmann, D.W., A. van der Veen, and K. Friese,
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1994. Proceedings 4th Nearshore and Estuarine Cohesive
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Universität Hamburg: Hamburg. p. 168.
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Combined water-column mixing and benthic boundarylayer flow in mesocosms: key for realistic benthic-pelagic
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Union General Assembly, Vienna, Austria,
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PCDD/F deposition at Greifensee, a lake of the Swiss
plateau, between 1848 and 1999. Chemosphere, 2007.
67(9): p. 1754-1761.
Korrespondenzadresse
Prof. Dr. Susanne Heise
Fakultät für Life Sciences
Arbeitsgruppe Angewandte Aquatische Toxikologie
Hamburg University of Applied Sciences(HAW-Hamburg)
Ulmenliet 2021033 Hamburg
Tel.: 040 42875 6217

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