title: Heavy metal state and mobility in floodplain soils and reservoir sediments under the influence of varying moisture conditions and water levels
title: Schwermetall-Status und Schwermetallmobilität in Auenböden und Stauseesedimenten unter besonderer Berücksichtigung von Durchfeuchtungs- und Wasserstandsänderungen
Creators: name: Hahn, Jens
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: Porenwasser
Schwermetall
Böden
Geowissenschaften
Talsperren
reservoir
Oberflächengewässer
porewater
Heavy metal
floodplain soil

description: Schwermetalle und Arsen werden
      häufig in Auenbereichen oder Flussstauungen akkumuliert.
      Große Anteile der vorliegenden Schwermetallmengen werden
      dabei in Mineralen gebunden oder an den Oberflächen von
      Bodenpartikeln sorbiert, so dass nur die gelösten oder leicht
      löslichen Schwermetallanteile in die Nahrungskette gelangen
      können. Da Redoxreaktionen die Bindung von Schwermetallen in
      Böden oder Sedimenten beeinflussen, unterliegen die
      Mengenverhältnisse gelöster Schwermetalle Variationen mit
      Änderungen von Grundwasserständen und Feuchteverhältnissen.
      Umfang und Folgen der Redoxänderungen stehen dabei in
      Zusammenhang mit Dauer, Frequenz und Intensität der
      wechselnden Durchfeuchtung, sowie den spezifischen
      Eigenschaften der betroffenen Substrate. Grund- und
      Oberflächenwässer variieren in ihren Wasserständen
      jahreszeitlich oder als Folge von Hoch- und
      Niedrigwasserereignissen. Entsprechend plausibel erscheint
      die Annahme, dass gelöste Schwermetallanteile durch
      zukünftige Änderungen von Feuchteverhältnissen modifiziert
      werden können. Zudem werden die Variationen der
      Abflussverhältnisse von Fließgewässern und der daran
      gekoppelten Grundwasserstände durch anthropogene Eingriffe
      verändert. Um vorliegende Konzentrationen und das
      Mobilitätsverhalten von gelösten Schwermetallen (As, Cd, Cr,
      Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, Zn) während saisonal und periodisch
      variierenden Wasserstands- und Durchfeuchtungsänderungen zu
      analysieren, wurden Auenböden des unteren Lahntals während
      einer 2-jährigen Feldkampagne untersucht. Dies wurde an Böden
      durchgeführt, die ober- und unterhalb von Staustufen und
      Wehranlagen gelegen sind und somit verschiedenartige
      Frequenzen und Amplituden von Wasserstandsänderungen erwarten
      ließen. Neben Feuchteverhältnissen und gelösten
      Schwermetallanteilen wurden wichtige Parameter der
      Schwermetallmobilität erhoben. Die Böden unterhalb von
      Wehranlagen zeigten eine größere Beeinflussung durch
      variierende (Grund-)Wasserstände und höhere Amplituden des
      Redoxpotentials in größeren Bodentiefen. Ein flussaufwärts
      der Stauanlagen gelegenes Profil verfügte hingegen über einen
      relativ ausgeglichenen Grundwasserspiegel, der
      vergleichsweise geringere Gehaltsänderungen gelöster
      Schwermetallanteile in größeren Bodentiefen und einen höheren
      über Kapillarwässer erfolgenden Schwermetalleintrag in
      mittlere Profilbereiche bewirkte. Ein Boden in größerer
      Distanz zum Gerinne der Lahn zeigte eine weitaus geringere
      Reaktion auf Änderungen von Fluss- und Grundwasserständen.
      Die Beeinflussung der in Porenwässern gelösten
      Schwermetallmengen durch zukünftige Klimaänderungen wird als
      sehr geringfügig eingeschätzt. Anthropogen bewirkte
      Wasserstandsänderungen und ihr Einfluss auf gelöste
      Schwermetallanteile in Interstitial- und Oberflächenwässern
      wurden an drei Talsperren untersucht. Hierbei wurden Analysen
      während und kurz nach einer vollständigen
      Staukörperentleerung (Aartalsperre, TS Driedorf)
      durchgeführt, während die dritte Talsperre (TS Klingenberg)
      ca. 1,5 Jahre nach dem Herunterfahren des Wasserspiegels
      untersucht wurde. Aufgrund ihrer hohen Wasserhaltekapazität
      setzten Bindungsänderungen im Bereich der Seesedimente erst
      nach längeren Freilegungsdauern ein, während die abfließenden
      Oberflächenwässer sprunghafte und kurzzeitige
      Konzentrationszunahmen zahlreicher gelöster Schwermetalle
      kurz nach der Entleerung aufzeigten.
description: Depending on their river
      catchment, heavy metals and arsenic are often accumulated in
      floodplain soils or reservoirs. Big parts of these trace
      elements are bound in minerals or adsorbed on the surface of
      soil particles, so that only their (easily) dissolved
      fraction can reach the food chain. As redox processes
      influence the soluble concentrations, dissolved heavy metal
      amounts can underlie variations within fluctuating water
      levels or changing moisture conditions. Extent and
      consequences of redox changes depend on their continuity,
      frequency and intensity, as well as the specific properties
      of the affected substrate. Changing levels of ground and
      river water can occur during different seasons and episodic
      flood- or low water events. Therefore it also seems plausible
      that upcoming flow- and moisture-changes as consequence of
      the climate change can influence the resulting risk of heavy
      metal accumulations. Additionally variations of water levels,
      moisture conditions and dissolved metal amounts can be
      triggered by human intervention during the emptying of water
      basins. To analyze the pollution state and the mobilization
      behavior of dissolved heavy metals (As, Cd, Cr, Cu, Fe, Mn,
      Ni, Pb, Zn) during seasonal and periodic fluctuations of
      water tables and soil moisture, floodplain soils of the Lahn
      valley (Germany) have been observed in field investigation
      for 2 years. Therefore soil profiles were chosen, that are
      situated in different distances to the riverbed as well as
      up- and downwards of watergates, where different frequencies
      and amplitudes of river- and groundwater changes are present.
      Out of the given moisture differences, variations of the
      mobile heavy metal phases and their key factors were
      recorded. The soils downward the water gates showed bigger
      influences by changing groundwater and a higher amplitude of
      redox variations, especially in deeper profile parts. The
      upward situated profile showed instead a more regular ground
      water level that caused only little changes in deeper soil
      parts, and a bigger influence of capillary waters in medium
      depths. A soil in bigger distance to the river showed a
      weaker response to the coupling of river- and groundwater
      changes in the dissolved heavy metal fraction. An impact of
      changing climate conditions on the heavy metal mobility is,
      at least for upper soils of the investigation area, expected
      to be very low. Anthropogenically induced changes of water
      tables and their impact on dissolved heavy metal conditions
      in interstitial- and river waters were analyzed in three
      reservoirs. The analyses were conducted during and shortly
      after the complete emptying of two reservoirs (Aartalsperre,
      TS Driedorf), whereas the third basin (TS Klingenberg) was
      prospected after a 1,5 year lasting exposure. After the
      emptying the interstitial waters of the lake sediments were
      marked, because of good water-holding capacities, by mostly
      small and slowly beginning variations of dissolved trace
      metals. The water of the draining creeks showed
      simultaneously, affected by draining interstitial waters,
      significantly rising concentrations of several heavy metals.
      The longer exposed lake sediments showed instead a vertical
      differentiation of soil horizons with clear contrasts of
      dissolved metal amounts. The sediment passing creek underlay,
      with the exception of dissolved Mn, no continuous enrichment
      of the regarded elements.