Immissionsorientierte Bilanzierung punktueller und diffuser Schwermetallfrachten [online]
Creators: name: Holz, Axel A.
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2004

description: KURZFASSUNG

Der Schutz unserer natürlichen Lebensgrundlage  des Wassers -
verlangt eine nachhaltige und schonende Nutzung dieser
natürlichen Ressource als ein gemeinsames Gut mit kommenden
Generationen. Dieser Schutz umfasst vor allem die traditionellen
Siedlungsgebiete des Menschen, die Flussgebiete. Internationale
Schutzabkommen und die europäische Wasserrahmenrichtlinie
fordern den Schutz der Wasserqualität innerhalb der
Einzugsgebiete von Flüssen. Ein integraler Bestandteil ist dabei
die Abschätzung der im Gewässer transportierten
Schadstofffrachten nach deren Herkunft. Die dazu notwendigen
Frachtabschätzungen der Schadstoffe erfolgten bisher weitgehend
über die Abschätzung der Stoffeinträge, der Emissionen. Im
Rahmen der notwendigen Überwachung der Gewässerbeschaffenheit
(Gewässer-Monitoring) wird jedoch der Gewässerzustand
immissionsorientiert erfasst, d.h. bezogen auf das Gewässer,
quasi aus der Sicht des Gewässers. Neben den qualitativen
Messwerten des Gewässer-Monitorings werden im Rahmen der
Überwachung der Pegelstände die quantitativen Abflusswerte
ermittelt, die somit ebenfalls direkt am Fließgewässer erhoben
werden.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine immissionsorientierte
Bilanzierung der wesentlichen diffusen und punktuellen
Frachtanteile der Schwermetalle unter Verwendung der vor Ort am
Gewässer erhobenen und allgemein verfügbaren Messdaten (hard
data). Die Arbeit berücksichtigt die Schwermetalle Arsen,
Cadmium, Chrom, Kupfer, Nickel, Blei und Zink, die in ihrem
Gefährdungspotential für die Umwelt überwiegend als vordringlich
(prioritäre Schwermetalle) eingestuft werden. Die für die
Frachtabschätzungen verwendeten Messdaten des
Gewässer-Monitorings beziehen sich auf die Gesamtkonzentrationen
der einzelnen Schwermetalle in der Wasserphase.
Das Untersuchungsgebiet ist das makro-skalige Einzugsgebiet
(13.956 km²) des rechts-rheinischen Neckars. Davon entfallen 98
% auf das Bundesland Baden-Württemberg und die restlichen 2 %
auf Hessen (298 km²) und Bayern (16 km²). Der untersuchte Neckar
ist ein typischer Vertreter eines Mittelgebirgsflusses ohne
ausgeprägte Niederungsstrecken, mit einem komplex strukturierten
Einzugsgebiet. Die Flächennutzung reicht von dicht besiedelten
und industriellen Ballungsräumen (Stuttgart, Heilbronn) über
Gebiete mit intensiver und extensiver landwirtschaftlicher
Aktivität bis hin zu naturnahen Waldgebieten (Schwarzwald,
Schwäbische Alb).
In die Untersuchung einbezogen werden fünf Teileinzugsgebiete
des Neckars mit den Referenzpunkten Rottweil, Plochingen,
Poppenweiler, Kochendorf und Feudenheim sowie die meso-skaligen
Einzugsgebiete der fünf Nebenflüsse Fils, Rems, Enz, Kocher und
Jagst. Die Arbeit umfasst einen vierjährigen
Beobachtungszeitraum von 1993 bis 1996 für das Neckargebiet und
von 1994 bis 1997 für die untersuchten Nebenflussgebiete (im
Falle der Enz von 1993 bis 1996).
Der immissionsorientierte Ansatz der Arbeit basiert auf dem
hydrologischen Kreislauf. Der Abfluss im Fließgewässer setzt
sich dabei aus einzelnen Abflusskomponenten zusammen. Die in
einem Fließgewässer transportierte Fracht ist somit die
Kombination der mit den einzelnen Abflusskomponenten
transportierten Frachtanteile. Diese sind der unmittelbar
niederschlagsbeeinflusste Oberflächen- und Zwischenabfluss sowie
der Basisabfluss und die vom Menschen verursachten punktuellen
Abflüsse. Aus der Korrelation von Frachtdaten zu Abflussdaten
eines Fließgewässers lässt sich mit Hilfe des mathematischen
Lösungsansatzes der linearen Regression die Punktfracht
ermitteln. Für die immissionsorientierte Abschätzung der
Punktfracht ist dazu noch das Aufkommen der Punktabflüsse des
untersuchten Einzugsgebietes (das im Rahmen der Landesstatistik
erhoben wird) sowie der Basisabfluss und die damit
transportierte Fracht erforderlich. Im Rahmen der
immissionsorientierten Schwermetallbilanzierung ist der geogen
geprägte Basisabfluss und die damit transportierte
Schwermetallfracht nicht vernachlässigbar und daher
detaillierter zu betrachten.
Der Basisabfluss wird mit der in dieser Arbeit vorgestellten
Methode der Dauerlinien-Separation abgeschätzt. Diese Methode
erfordert die Analyse der Datensätze aus den täglichen
Niederschlagsmengen und den täglichen Abflüssen, welche das
hydrologische Geschehen in den betrachteten Einzugsgebieten des
Neckars beschreiben, um den Basisabfluss quantitativ zu
bestimmen. Der für die Schwermetalle relevante qualitative
Aspekt des Basisabflusses wird über die Beschaffenheit des
oberflächennahen Grundwassers aus den Messdaten des
Grundwasser-Monitorings ermittelt, um damit aus diesen
Datensätzen die Basisfracht abzuschätzen.
Die Abschätzung der gesamten mittleren Schwermetallfracht
erfolgt unmittelbar aus den Datensätzen der Abflusswerte und der
Schwermetallkonzentrationen für ein Einzugsgebiet, bezogen auf
die Referenzpunkte der Datenerhebung am Fließgewässer. Da im
Untersuchungszeitraum die Daten zur Wasserqualität über
unterschiedliche Arten der Probenahmen (Einzel- und Mischproben)
erhoben wurden, werden in der Arbeit die an die Probenahme
angepassten Berechungsansätze und Fehlerabschätzungen auf die
Gesamtfrachten angewendet. Anschließend wird aus der Differenz
der Punkt- und Basisfrachten zur Gesamtschwermetallfracht die
diffuse Fracht abgeschätzt.
Da die Bilanzierung auf mittleren, über einen mehrjährigen
Beobachtungszeitraum erhobenen Stofffrachten basiert, sind
außergewöhnliche hydrologische Ereignisse, insbesondere extreme
Abflüsse, auszuschließen. Sowohl für die Abschätzung der
Gesamtfrachten als auch für die Abschätzung der punktuellen
Schwermetallfrachten wurden daher die Extremwerte des Abflusses
mit Hilfe des statistisch robusten, verteilungsunabhängigen
Verfahrens der explorativen Datenanalyse bestimmt. Als weiteres
wesentliches Werkzeug der Datenaufbereitung dient in dieser
Arbeit die Verarbeitung von raumbezogenen Daten mit Hilfe eines
Geografischen Informationsystems (GIS), beispielsweise um die
Ausgangsdaten für die Basisabflussfrachtkomponente aufzubereiten.
Diese fließgewässerbasierte Frachtbilanzierung der Schwermetalle
wurde mit vergleichbaren emissionsorientierten
Schwermetallbilanzen (basierend auf Stoffeintragspotentialen)
mit Hilfe von Literaturdaten auf ihre Plausibilität überprüft.
Die immissionsorientierte Schwermetallbilanzierung bildet ein
handhabbares Werkzeug für die am Management von Flussgebieten
beteiligten Planer und Entscheidungsträger, indem die
wesentlichen Stofffrachtanteile eines Flussgebietes, basierend
auf dem Fließgewässer-Monitoring, aufgeschlüsselt werden in:
·	anthropogen bedingte Punktfrachten,
·	geogen geprägte Hintergrundfrachten und
·	sonstige (anthropogene) diffuse Frachten.


ABSTRACT

The protection and conservation of our natural basis of life 
the water  demands the sustainable and preventive use of this
resource as a common good for future generations. Above all,
this protection encompasses the traditional settlement areas of
man, the river basins. International protection and conservation
treaties like the European Water Framework Directive require the
protection of the water quality within the catchment areas of
rivers on a high level.
An integral part of these regulations is the estimation of loads
of transported pollutants within a water body by their origin.
So far these necessary calculations widely result from the
estimation of the import of pollutants into a water body, the
emissions. Within the frame of the necessary monitoring of the
water quality, however, the water quality is recorded
immission-orientated, with regard to the water body, more or
less in view of the water body. In addition to the qualitative
data from the water quality monitoring, the quantitative data
from runoff are determined, as part of the monitoring of the
water levels of a water course. These data, too, are taken
directly from the water body.
The presented thesis aims in the elaboration of the
immission-orientated mass balance for the main diffuse
(non-point) and point load proportions of heavy metals by the
use of publicly accessible in-situ measurement data of the water
body (hard data). The thesis considers seven heavy metals:
arsenic, cadmium, chrome, copper, nickel, lead and zinc, which
are mostly classified as prior by their hazard potential for the
environment. The monitoring data used for the estimation of
loads refer to the total concentration of the heavy metals
within the water.
The project area is the macro-scaling basin (13,956 km²) of the
river Neckar orographically to the right of the river Rhine. 98
% of the catchment area are situated within the federal state of
Baden-Württemberg and the remaining 2 % are within the federal
states of Hesse (298 km²) and Bavaria (16 km²). The investigated
river Neckar is a typical representative of a river without
distinct lowland stretches, with a complexly structured
catchment area. The characteristics extend from densely
populated and industrial regions (Stuttgart and Heilbronn),
areas of intensive and extensive agricultural activities to
nature-like forest areas (black forest, Swabian low mountain
range).
The investigation includes five sub-basins of the river Neckar
with the reference points Rottweil, Plochingen, Poppenweiler,
Kochendorf and Feudenheim as well as meso-scaling basins of the
five tributaries Fils, Rems, Enz, Kocher and Jagst. The thesis
comprises a four-year period of water quality observation from
1993 until 1996 for the Neckar river basin and from 1994 until
1997 for the investigated basins of the tributaries (in case of
the tributary Enz from 1993 until 1996).
The immission orientated approach of the thesis is based on the
hydrological cycle. The runoff in a water course consists of
separate runoff components. The pollution load in a water course
is therefore the combination of the pollution loads from each
runoff component. These are the surface runoff and interflow
directly influenced by the precipitation as well as the base
flow and the man made point effluents. From the correlation of
load data to runoff data from a water course the point load can
be estimated by means of the mathematical method of the linear
regression. For the immission-orientated estimation of the point
load additionally the discharge from point sources within the
investigated catchment area (recorded by the statistical office
of a state) as well as the base flow and its load are required.
Within the frame of the immission-orientated calculation of the
heavy metal mass balance the geogenic influenced base flow of a
water course can not be neglected and has to be considered in
detail.
The base flow is estimated with the method introduced in the
presented thesis - the duration curve separation. To determine
the base flow quantitatively this methodological approach
requires the analysis of the data sets of the daily amount of
precipitation and the daily runoff which describe the
hydrological conditions within the investigated catchment areas
of the Neckar. The relevant qualitative aspect for the heavy
metals in the base flow is derived from monitoring data of the
quality of groundwater close to the surface to estimate from
these data sets the pollution loads transported by the base flow.
The estimation of the mean total loads of heavy metal for a
catchment area results directly from the runoff data and the
data of concentrations of heavy metals, related to the
predefined reference points for data collection at the water
course. During the observation period the water quality
monitoring data have been taken by different ways of sampling
techniques (spot and composite sample). Subsequently, the
calculations of the pollution loads and appended estimations of
errors had to be adjusted to the kind of sampling techniques.
Following these calculations the diffuse load of heavy metals is
based on the difference between the total load and the sum of
the point load and the basic load.
As the balance of loads is based on the mean pollution load
taken over an observation period lasting several years,
extraordinary hydrological incidents, especially extreme runoff
values, have to be excluded. For both, the estimation of the
total loads and the estimation of the point loads of heavy
metals, extreme runoff values have been determined by the
statistical procedure of the explorative data analysis (EDA),
which is statistically sound and independent from normal
distribution. In addition a Geographical Information System
(GIS) was used for this thesis as important tool for the
processing of spatial data, e.g. the base flow component.
This water course orientated balance of loads of heavy metals
was checked for its plausibility with comparable data from
emission-orientated balance of loads (based on emission
potential for heavy metals) taken from literature.
The immission-orientated heavy metal mass balance forms an
appropriate tool for planners and decision makers participating
in the management of river basins by breaking down the essential
load components of a river catchment area into three major
aspects based on the water course monitoring:
·	the anthropogenic point loads,
·	the geogenic influenced background loads and
·	the further (anthropogenic) diffuse loads.