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Mobilität von Schadstoffen in den Sedimenten staugeregelter Flüsse - Dynamik und Bilanzierung von Schwebstoffen und Schwermetallen in einer Stauhaltungskette

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Beschreibung

Primäres Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Mobilität kontaminerter Sedimente im Neckar zu untersuchen und das daraus resultierende Gefährdungspotential für das Fliegewässerökosystem zu bewerten. Hierzu wurden sowohl die abgelagerten Gewässersedimente in der Stauhaltung Lauffen tiefenorientiert untersucht als auch experimentelle Analysen der Schwebstoff- und Schadstofffrachten in der Stauhaltungskette zwischen Plochingen und Lauffen durchgeführt. Darüber hinaus wurde die sedimentäre Cadmiumbelastung für den Bereich der Bundeswasserstraße zwischen Plochingen und Mannheim mit Hilfe numerischer Modellsimulationen in ihrer historischen Entwicklung analysiert.

Zur umfassenden Bewertung des Gefährdungspotentials das von kontaminierten Gewässersedimenten ausgeht, wurde eine Strategie entworfen, mit der das Erosionsrisiko und die Sedimentqualität tiefenabhängig untersucht werden kann. Diese Strategie beinhaltet die störungsarme Probenahme von Sedimentkernen und eine radiometrische Methode zur zerstörungsfreien Bestimmung der Sediment-lagerungsdichte. Das Kernstück der Strategie bildet ein im Rahmen dieses Vorhabens entwickelter Strömungskanal, der es erlaubt die Erosionsstabilität nahezu ungestörter Sedimente bis in Tiefen von ca. 130 cm zu ermitteln.

Im tiefenabhängigen Erosionsverhalten der Sedimente in der Stauhaltung Lauffen spiegelt sich die Heterogenität der sedimentologischen Schichtung wider. Die kritischen Schubspannungen für einsetzende Massenerosion liegen zwischen ca. 0,5 und 10 Pa. Oberflächennahe Sedimente können zumeist bereits bei Schub-spannungen kleiner 2 Pa erodiert werden, wohingegen sich mit zunehmender Sedimenttiefen eine schwache Tendenz zu höheren Erosionsschubspannungen ergibt. In 1 m Tiefe liegen die Erosionsgrenzwerte überwiegend zwischen 3 und 7 Pa. Hoch kontaminierte Altsedimente weisen mittlere kritische Schubspannungen für Massenerosion von ca. 6 Pa auf. Für die weniger belasteten jüngeren Sedimente liegt die mittlere kritische Erosionsschubspannung bei etwa 4 Pa. In der Stauhaltung treten bei einem fünfjährlichen Hochwasser Sohlschubspannungen von ca. 9 Pa auf, damit müssen alle Sedimente ? einschließlich der gut konsolidierten Altablagerungen ? als prinzipiell erosionsgefährdet eingestuft werden.

Die Belastung der in Lauffen abgelagerten Sedimente mit Schwermetallen und Polychlorierten Biphenylen sowie die daraus resultierende zelltoxische Wirkung ist stark variabel. Die Ablagerungen können in zwei Klassen unterteilt werden, hoch belastete Altsedimente, die vor 1973 gebildet wurden, und weniger belastete Jungsedimente. An einzelnen Sondierungsstellen stehen die Altsedimente direkt an der Sedimentoberfläche an, während an anderen Stellen bis in die Sondierungstiefen von ca. 1m nur mäßig belastetes Material vorgefunden wurde. An 3 der untersuchten Stellen wurde eine sprunghafte Zunahme der Belastung in Tiefen zwischen 20 und
75 cm festgestellt. Auf Grundlage der Dichteprofile und der Korngrößenverteilung in den einzelnen Tiefenzonen kann der Schluß gezogen werden, daß dieser abrupte Anstieg der Schadstoffgehalte auf eine Erosionsdiskordanz zurückzuführen ist, die überlagerndes Jungsediment scharf von darunter liegendem Altsediment trennt.

Auf der Basis der Belastungssituation und der Erosionsgrenzwerte wurde das Gefährdungspotential in der Stauhaltung Lauffen beurteilt. Die lokal direkt an der Sedimentoberfläche anstehenden Altsedimente können infolge zukünftiger extremer Hochwasserereignisse reaktiviert und nach Unterstrom in weniger belastete Bereiche des Gewässers verfrachtet werden. Ob es zukünftig auch zur Freilegung und Erosion tiefer liegender verunreinigter Sedimentschichten kommt, hängt über die hier erhobenen Parameter hinaus von Erosionsraten sowie der zukünftigen Häufigkeit und Dauer extremer Abflüsse ab.

Darüber hinaus wurde die Erosionsstabilität auf ihren Zusammenhang mit unterschiedlichen Sedimenteigenschaften hin untersucht. Bei den kohäsiven, überwiegend schluffigen Feinsedimenten mit hohen Anteilen an organischer Substanz wurden keine signifikanten Korrelationen zwischen der Erosionsstabilität einerseits und den erhobenen Sedimentparametern (kolloidale Kohlenhydrate, TOC, Wassergehalt, KAK) andererseits gefunden. Lediglich die Konsistenzzahl, die wiederum das Resultat mehrerer Sedimenteigenschaften ist, ließ einen Zusammenhang mit dem Erosionsverhalten erkennen. Daraus ist zu folgern, daß das Erosionsverhalten der kohäsiven Neckarsedimente durch ein komplexes Wirkungsgefüge aus physikalischen, chemischen und biologischen Sediment-charakteristika resultiert, das bisher noch nicht verstanden wird.

Das sohlnahe Strömungsfeld wurde mit Hilfe von Heißfilmsondentürmen (Prof. Gust TU Hamburg-Harburg) experimentell untersucht. Dabei zeigte sich, daß die sohlnahen Strömungskräfte erheblichen turbulenten Schwankungen unterliegen, die möglicherweise zu einem beständigen Wechsel zwischen Resupension und Ablagerung oberflächlicher Sedimente führen. Die turbulenten Schwankungen zeigten allerdings keinen eindeutigen Zusammenhang mit dem Schiffsverkehr im Neckar.

Mit Hilfe einer Mischungsanalyse von Hochwasserschwebstoffen Unterstrom der Stauhaltung Lauffen wurde der Beitrag erodierter Sedimente zur Schwebstoff- und partikulären Schadstofffracht quantifiziert. Die Ergebnisse verdeutlichen, daß während des untersuchten Hochwasserereignisses im April 1994 offenbar Altsedimente remobilisiert wurden. Die unterstromige Schwebstoffgesamtfracht setzt sich wie folgt zusammen: Ca. 88 % (200 000 t) von Oberstrom eingetragene Schwebstoffe, ca. 10 % (23 000 t) erodierte gering belastete Jungsedimente und ca. 2 % (5 000 t) erodierte hoch belastete Altsedimente. Aufgrund ihres hohen Belastungsgrades kommt den erodierten Altsedimenten jedoch eine enorme Bedeutung hinsichtlich der partikulären Schadstofffracht zu. Die Remobilisierung von Altsedimenten ist beispielsweise für 38 % der gesamten unterstromigen Cadmiumfracht verantwortlich. Dieser Befund deckt sich mit Ergebnissen von Hollert et al. (im Druck) wonach die feststoffgebundene Toxizität im Neckar während Hochwasserereignissen zunimmt.

Schwebstofffrachtbilanzen für die Stauhaltungskette zwischen Plochingen und Lauffen verdeutlichen, daß während Hochwasser insbesondere die Stauhaltungen Lauffen, Poppenweiler und Hessigheim Quellen für den Schwebstofftransport darstellen. Offenbar sind diese Stauhaltungen, die im Zuge der Verlandung in früheren Jahren überwiegend als Schweb- und Schadstoffsenken fungierten, heute in einem Zustand des dynamischen Gleichgewichtes zwischen Sedimentation und Erosion. Während Hochwasserereignissen werden sie daher auch zu potentiellen Quellen für partikuläre Schadstoffe.

Mit der Implementierung und Validierung des numerischen Strömungs- und Transportmodells COSMOS für die gesamte Bundeswasserstraße Neckar wurde ein wichtiges Werkzeug für zukünftige Untersuchungen geschaffen, mit dem auch der Memoryeffekt der Sedimente berücksichtigt werden kann. Historische Modellrechnungen zum Schwebstoff- und Cadmiumtransport zwischen Plochingen und Mannheim verdeutlichen, daß in den Neckarsedimenten nach wie vor gewässerökologisch relevante Mengen an Cadmium gespeichert sind. Die Sedimentablagerungen konzentrieren sich auf den oberstromigen Bereich bis Lauffen, wobei sich die größten Sedimentpools in den Stauhaltungen Hofen, Poppenweiler und Lauffen gebildet haben. Die stark erhöhten Cadmiumbelastungen unterhalb der Enzmündung konnten mit der Simulation gut reproduziert werden. Die historische Modellrechnung verdeutlicht auch den starken Rückgang des Cadmiumaustrages aus dem Neckar. Heute liegt die mittlere Cadmiumbelastung der Neckarschwebstoffe bei Mannheim bei knapp 1 mg kg-1 mit weiterhin leicht abnehmender Tendenz.

Metadaten

TitelMobilität von Schadstoffen in den Sedimenten staugeregelter Flüsse - Dynamik und Bilanzierung von Schwebstoffen und Schwermetallen in einer Stauhaltungskette 
Stand 2000 
Seitenzahl242 
Förderkennzeichen PW96.189

 

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