Schwebstoffbürtige Sedimente in Buhnenfeldern – was ist im - elise

TUHH
Leibniz-Institut für
Gewässerökologie und
Binnenfischerei
Technische Universität
Hamburg-Harburg
IGB
BIS
Beratungszentrum Integriertes
Sedimentmanagement
Schwebstoffbürtige Sedimente in
Buhnenfeldern – was ist im Hinblick auf
Qualitätskomponenten der
EGWRRL zu beachten ?
René Schwartz, Susanne Heise, Peter Heininger
SedNet
FORSCHUNGSVERBUND
ELBE-ÖKOLOGIE
Changing perspective on sediment
BMBF-VERBUNDPROJEKT
HOCHWASSER
Gliederung
• Generelle Aspekte
• Schwebstoffqualität und
-quantität
• Schwebstoffsedimentation
• Chemische
Charakterisierung
Sedimentdepot
• Erosionsstabilität
• Zusammenfassung
• Forschungsbedarf
Natürliche Funktionen von Sedimenten
Elementarer
Bestandteil eines
hydrodynamischen
Kontinuums
(Erosion, Transport,
Deposition)
Qualitätskomponenten für
die
Einstufung
des ökologischen
Zustandes
hydromorphologisch
•
Morphologische
Bedingungen
Schlüsselstellung
in zahlreichen
Stoffkreisläufen
(Quelle, Umwandlung, Senke)
Lebensraum für
aquatische
bzw. semiaquatische
Fauna und
Flora
chemisch und
physikalischchemisch
biologisch
•
Nährstoffe
•
Makrophyten
•
spezifische
anorganische
und organische
Schadstoffe, z.T.
prioritäre nach
EG-WRRL
•
Benthische
wirbellosen
Fauna
•
Fischfauna
Aspekte zum nachhaltigen Sediment-Management
•
Sedimente sind nicht nur fester Bestandteil von Flüssen, sie sind
essentiell für dieses Ökosystem.
• Ein nachhaltiges Sediment-Management-Konzept bedarf nicht
nur einer lokalen bzw. sektoralen Sichtweise, sondern einer
flusseinzugsgebietsbezogenen ganzheitlichen.
• Bei Eingriffen in das Flusssystem sind die natürlichen Funktionen
von Schwebstoffen, Sedimenten und Böden zu berücksichtigen.
•
Eingriffe in den Sedimenthaushalt dürfen sich im Hinblick auf das
Verschlechterungsverbot weder heute noch zukünftig negativ auf das
Gesamtsystem auswirken.
• Maßgebliche gesetzliche Regelungen (Auswahl):
Wasserrahmenrichtlinie (EG-WRRL), Richtlinie zur integrierten
Vermeidung der Umweltverschmutzung (IPPC), Futtermittelrichtlinie und Kontaminantenverordnung (EG), BundesBodenschutz-Gesetz (BBodSchG)
Aufbau und Funktion von Buhnen
700
Hamburg
Oste
600
(überwiegend)
Steinschüttung aus
Schlackesteinen
Stettin
Elbe
Elde
500
Dosse
Bremen
PL
Jeetzel
Havel
400
Hannover
Berlin
Ohre
Spree
Magdeburg
Untersuchungsgebiet
300
200
Bode
Schwarze
Elster
Mulde
Saale
Elbe
100
Unstrut
Dresden
Weiße
Elster
Ilm
D
Saale
0
Freiberger
Mulde
Jizera
Labe
Zwickauer
Mulde
-300
-100
Labe
Ohre
Vltava
Prag
- 200
Zweck:
Einengung
der Fließ-breite bei
Niedrig-wasser,
Anhebung des
Wasserstandes,
Erhöhung der Fließgeschwindigkeit,
Vermeidung von
Dünenbildungen
Berounka
N
Sázava
Luznice
W
E
S
CR
Otava
D
Vltava
Folge:
Sohlenerosion,
verstärke SchwebstoffSedimentation
Gehalt abfiltrierbarer Stoffe im Elbewasser
abfiltrierbare Stoffe [mg/l]
80
Daten:
Arge-Elbe
Strom-km
470,0
60
40
20
0
1996
1997
1998
1999
2000
Größenanteile schwebstoffbürtiger Sedimente
100
Daten:
Arge-Elbe
Strom-km
470,0
< 20 µm
Anteil [%]
80
60
20 - 63 µm
40
20
> 63 µm
0
1996
1997
1998
1999
2000
Fraktionsanteile – gelöst / partikulär
100
gelöst
partikulkär
Anteil [%]
80
60
40
20
B
le
i
Zi
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m
Daten:
Arge-Elbe
U
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61
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0
km
ef
t,
62
9
km
Hg (mg/kg)
Quecksilber-Gehalte in Schwebstoffen
10
8
6
4
2
Daten:
IKSE, Arge-Elbe
1997
0
1999
Messstelle
2001
2003
Zielvorgabe IKSE:
0,8 mg/kg (Sedimente)
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
Topographie, Mess- u. Probenahmepunkte (BF 420,9-L)
2,76 m PN Havelberg
(ca. Mittelwasserstand)
1
Messstelle
A
Probenahme
70 m
Elbe
60 m
8
50 m
Einstrom
1
40 m
40 m
A
30 m
B
5
4
2
C
20 m
Ausstrom
D
Zentrum
7
6
10 m
3
0m
(2001)
30 m
20 m
10 m
0m
0m
10 m 20 m 30 m 40 m 50 m 60 m 70 m 80 m
Fließgeschwindigkeiten im Buhnenfeld 420,9-L
Fließgeschwindigkeit [cm/s]
50
Einstrom
Ausstrom
Zentrum
40
30
20
10
0
1
2
(2001, Niedrig- u. Mittelwasser, n = 12)
3
4
5
Messposition
6
7
8
Effektive Sedimentationsraten im Buhnenfeld 420,9-L
effektive Sedimentation [g TM/m²/d]
2000
Einstrom
Ausstrom
Zentrum
1600
1200
800
400
160
120
80
40
0
1
2
(2001, Niedrig- u. Mittelwasser, n = 12)
3
4
5
Messposition
6
7
8
Schwebstoffbürtiges Sedimentdepot im BF 420,9-L
(20.11.01)
Elbe
70 m
60 m
50 m
40 m
40 m
30 m
30 m
20 m
20 m
10 m
10 m
0m
0m
0 m 10 m 20 m 30 m 40 m 50 m 60 m 70 m 80 m
Tiefenprofil (Raumdichte)
0
Signifikanter Anstieg
des Silizium-Gehaltes
(Sandanteil)
10
Tiefe [cm]
20
30
Hochwasserereignisse
40
50
1,00
(BF 420,9-L)
1,05
1,10
1,15
1,20
1,25
1,30
Dichte [g/cm³]
1,35
1,40
1,45
1,50
(2003)
Tiefenprofile (Kalium und Kalzium)
0
10
Kalium
Kalzium
Tiefe [cm]
20
Hochwasserereignisse
30
Niedrigwasserereignisse
40
50
0
(BF 420,9-L)
5
10
15
20
25
Gehalt [g/kg]
30
50
100
150
(2003)
Tiefenprofil (Dioxine und Furane)
0-2
save sediment value
OCDF
1,2,3,4,7,8,9-HpCDF
1,2,3,4,6,7,8-HpCDF
1,2,3,7,8,9-HxCDF
2,3,4,6,7,8-HxCDF
1,2,3,6,7,8-HxCDF
1,2,3,4,7,8-HxCDF
2,3,4,7,8-PeCDF
1,2,3,7,8-PeCDF
2,3,7,8-TCDF
OCDD
1,2,3,4,6,7,8-HpCDD
1,2,3,7,8,9-HxCDD
1,2,3,6,7,8-HxCDD
1,2,3,4,7,8-HxCDD
1,2,3,7,8-PeCDD
2,3,7,8-TCDD
8-10
Tiefe [cm]
16-18
24-26
32-34
40-42
48-50
0
(BF 420,9-L)
20
40
60
I-TEQ PCDD/F [ng/kg]
80
100
(2003)
Tiefenprofil (kritische Fließgeschwindigkeit)
Zentrum: 5 - 10 cm/s
10
Tiefe [cm]
20
30
40
50
0
(BF 420,9-L)
Ein- bzw. Ausstrombereich: 15 – 30
cm/s
0
25
Wirtz (2004):
Sohlschubspannung
Buhnenfeldzentrum
August-Hochwasser
2002
1,0 - 2,5 Pa
(62 - 102 cm/s)
50
75
100
Fließgeschwindigkeit [cm/s]
125
150
(2003)
Schwebstoffbürtiges Sedimentdepot im BF 420,9-L
(10.07.02)
Elbe
vor dem
Hochwasser
70 m
60 m
50 m
40 m
40 m
30 m
30 m
20 m
20 m
10 m
10 m
Fläche: 972 m²
Volumen: 337 m³
0m
0m
0 m 10 m 20 m 30 m 40 m 50 m 60 m 70 m 80 m
Schwebstoffbürtiges Sedimentdepot im BF 420,9-L
(12.05.03)
Elbe
nach dem
Hochwasser
70 m
60 m
50 m
40 m
40 m
30 m
30 m
20 m
20 m
10 m
10 m
Fläche: 616 m²
Volumen: 131 m³
0m
0m
0 m 10 m 20 m 30 m 40 m 50 m 60 m 70 m 80 m
Hochwasserinduzierte Remobilisierung (BF 420,9-L)
2002 (v.d. HW): 337 m³
2003 (n.d. HW): 131 m³
schwebstoffbürtige Sedimente
‚Verlust‘: 206 m³ = 61 %
(206 m³, mittlere Dichte: 1,15 g/cm³, 237 t)
org.
Kohlenstoff
15,2 t
Zink
330 kg
Stickstoff
Phosphor
Schwefel
1,3 t
0,8 t
0,7 t
Kupfer
38 kg
13 mg I-TEQ PCDD/F
Blei
36 kg
Chrom
34 kg
Nickel
16 kg
(davon 560 µg 2,3,7,8 TCDD)
Zusammenfassung
• Buhnenfelder fungieren als eine große Sedimentationsfalle
(langfristige Stoffsenke).
• Historisch kontaminierte Sedimente stellen eine potentielle
Gefahr für den guten Gewässerzustand dar, da sie unter
extremen hydrologischen Bedingungen (re-)mobilisierbar sind
(temporäre Stoffquelle).
• Remobilisierte Altsedimente können zu sprunghaften
Veränderungen in der Schwebstoffqualität mit negativen
Konsequenzen für das System ‚Fluss - Aue‘ und das
Kontinuum ‚Binnengewässer - Übergangsgewässer Küstengewässer‘ führen.
• Sedimentverschmutzung hat eine viel längere zeitliche
Perspektive als Wasserverschmutzung.
Schlussfolgerungen (nicht nur für Manager)
Sedimente sind:
•
Indikator langfristiger Auswirkungen anthropogener
Belastungen.
•
kontinuierlich zu überwachen, um Erreichung zentraler
Ziele der Umweltschutzpolitik (z.B. EG-WRRL, Meeresschutzstrategie) - Verbot der Verschlechterung des
Gewässerzustandes; ‚Phasing out‘ - zu kontrollieren.
•
eine potentielle Gefahr für den guten ökologischen Zustand.
•
dynamischer Teil des Systems ‚Wasser-SchwebstoffSediment-Boden‘, d.h. als Teil dieses Systems nach
Möglichkeit im Flussgebiet (in-situ) zu managen.
Forschungsbedarf
• In-situ Bestimmung der Erosionsstabilität feinkörniger
Sedimente.
• Studium frühdiagenetischer Prozesse (Konsolidierung,
Biofilmbildung, Gasproduktion, ...) in frischen
schwebstoffbürtigen Sedimenten.
• Quantifizierung des ereignisbedingten Stoffrückhaltes
(Hochwasser, Niedrigwasser sowie Sommer, Winter)
in Stillwasserbereichen und in der rezenten Aue.
• Bilanzierung des Nähr- und Schadstoffdepots (Fluss
und Aue) über einen größeren Flussabschnitt.
• Erarbeitung eines Prognosemodells zur langfristigen
Entwicklung des Schwebstoff-Rückhalts in den
Stillwasserbereichen des Flusses sowie in der
rezenten Aue.
Einheit von Fluss und Aue mit seinem Wasser, den
Schwebstoffen, Sedimenten und Böden ...
... und natürlich den Lebewesen !
Buhnenfeld bei Dömitz

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