Fluviatiler Austrag polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe in Gewässern der Region Trier - der Weg von der Quelle bis zum Austragssignal
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Analyse von Hochwasserwellen in vier Einzugsgebieten der Region Trier mit unterschiedlicher Größe und heterogener Ausprägung offenbart bezüglich des Transportes partikelgebundener PAK wiederkehrende Reaktionsmuster. Wir beobachten eine zeitliche Abfolge von den niederkondensierten Polyzyklen zu Beginn der Ereignisse bis zum Auftreten höhermolekularer Kohlenwasserstoffe am Schwebstoff im Wellenauslauf. Dies ist unabhängig von Jahreszeit oder Stärke der Niederschlagsereignisse. Eine aktuelle Beprobung der Schadstoffquellen in unseren Untersuchungsgebieten spiegelt diese charakteristischen Muster nicht wider. Einzelne Quellen wie Luftstaub, Straßenstaub, Sedimente oder Oberbodenmaterial haben ihre eigenen PAK Profile, die dem Responsprofil im Wellenablauf nicht zugeordnet werden können, obwohl sich der Schwebstoff überwiegend aus diesen Quellen rekrutiert. Die vorliegende Untersuchung beschreibt die Konzentration sowie Profile von 15 ausgewählten polyzyklisch aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) in unterschiedlichen Kompartimenten der Region Trier und erklärt deren zeitliche Variabilität. Da das Transportmedium Wasser in Form von Niederschlag und Abfluss von unterschiedlichen Flächen Haupttransportfaktor der überwiegend partikelgebundenen Schadstoffgruppe ist, wurde die Stoffgruppe auf Veränderungen während ihres Transportes von den Quellen und dem Feinstaub in der Luft bis in die Gewässer betrachtet. Neben der reinen Quantifizierung werden kontinuierliche Zeitreihen der PAK im Luftstaub, im Schwebstoff einer Oberbodendränage und im Feinsediment erklärt. Unsere Untersuchungen zeigen, dass es im Verlauf der hydrologischen Transportkette durch unsere Einzugsgebiete eine Materialsortierung und damit verbunden eine Veränderung der Zusammensetzung der Polyzyklen gibt. Zu Beginn der Hochwasserwellen wird gröberes Material bewegt. Feinere Korngrößen treten im weiteren Verlauf aufgrund der abnehmenden Transportkraft des Wassers in den Vordergrund. Wir können zeigen, dass an feineren Partikeln verstärkt größere Polyzyklen gebunden und an gröberen Partikeln dominant kleinere Polyzyklen gebunden sind. Daher nimmt im Verlauf der Wellen die Bedeutung höher kondensierter PAK zu. Im Vergleich zu den Gehalten an den Quellen spielen PAK in unseren Fließgewässern eine nur untergeordnete Rolle. Während die Konzentrationen der Quellen (Partikel aus Schornsteinen, Automotoren, Lokomotiven) sowie am Luftstaub im Mikrogramm pro Gramm Bereich (20 - 200 μg pro g) liegen, bewegen wir uns in den Gewässern im Nanogramm pro Gramm Bereich (500 - 5000 ng pro g). Dies ist insbesondere auf Abbauprozesse in der Transportkette von der PAK Entstehung an den Quellen bis in die Fließgewässer, als auch auf Vermischung mit unbelastetem Erosionsmaterial zurückzuführen. Da sich der Luftstaub als Hauptträger für den Eintrag der PAK in die Umwelt erweist, wurden mögliche Quellen wie Feinstaub aus KFZ Abgassystemen oder aus Heizungssystemen betrachtet. Belastungen durch industrielle Produktionsprozesse sind in der Region Trier von untergeordneter Bedeutung. Als Hauptquellen für PAK in unserem Untersuchungsgebiet (Stadt Trier und Konz, 204 km2) haben sich der von Kraftfahrzeugen produzierte Feinstaub (3 kg PAK pro Jahr) und der Staub aus Heizungssystemen (15 kg PAK pro Jahr) herausgestellt. Für das besonders intensiv untersuchte Einzugsgebiet des Olewiger Bachs südlich von Trier wurde eine PAK Bilanz erstellen und mit einem Modell beschrieben. Unsere Untersuchungen zeigen, dass in das 35 km2 große Gebiet ca. 11 kg der 15 analysierten US-EPA PAK pro Jahr eingetragen werden, davon aber nur 2 kg den Pegel passieren. Der größte Teil wird in den Böden gespeichert. Bedeutende Quellen für die Belastung unserer Fließgewässer sind der Reifenabrieb, Bremsabrieb sowie die Staubemissionen vom Verkehr.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Gallé, T., Krein, A., Bierl, R. & Welfring, J. (2005): Transient storage of particle-bound contaminants in river sediments: mobilizable sediments and longitudinal pollutant gradients downstream of a SWTP inlet. - Proceedings of the SETAC Europe 15th annual meeting, Lille, 22.- 25.5.2005.
- Junk, J., Helbig, A. & Krein, A. (2004): Bewertung der Luftqualität in Rheinland-Pfalz mittels verschiedener Luftqualitätsindizes.- Umweltwissenschaften und Schadstoffforschung 16, H. 3, S. 161 - 167.
- Junk, J., Helbig, A. & Krein, A. (2004): Screening and scenarios of traffic emissions at Trier, Germany. - Environmental Science and Pollution Research 11, H. 5, S. 297 - 301.
- Krein, A. (2005): Development and use of a hydro-acoustic measuring system for the investigation of the dynamics of the bed load transport and the characterisation of the moved particles regarding their quantity and quality.- RMZ Materials and Geoenvironment 52, H. 1, 262.
- Krein, A., Petticrew, E. & Udelhoven, T. (2003): The use of fine sediment fractal dimensions and colour to determine sediment sources in a small watershed.- Catena 53, H. 2, S. 165 - 179.
- Krein, A., Rothstein, B., Junk, J., De Rossi, C. & Symader, W. (2003): PAK im Oberboden und Dränageabfluss in einem kleinen Mittelgebirgseinzugsgebiet.- Wasser, Luft und Boden 2003, H. 7- 8, Terratech - Supplement für Altlasten und Bodenschutz, S. 20 - 24.
- Krein, A., Symader, W. & De Rossi, C. (2004): Fluviatile Stoffflüsse polyzyklisch aromatischer Kohlenwasserstoffe von ihren Quellen bis zum Eintrag ins Sediment.- Abstracts zu den Beiträgen zum Tag der Hydrologie vom 22. bis 23.3.2004 in der Universität Potsdam, S. 63.
- Kurtenbach, A., & Krein, A. (2007): Pre-event hydrological conditions as determinants for suspended sediment and pollutant transport during artificial and natural floods. - In Westrich, B. & Förstner, U. et al. (Hrsg.): Sediment dynamics and pollutant mobility in river basins - Interdisciplinary approach. Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York.
- Kurtenbach, A., Krein, A. & Bierl, R. (2004): Hydraulic implications on sediment transfer and pollutant transport during artificial flood events in two mid-mountain river channels.- Proceedings of the 6th International Symposium on "Sediment Quality Assessment" held at Antwerp, Belgium August 2004.
- Kurtenbach, A., Krein, A. & Symader, W. (2005): Die Bedeutung der Gerinneprozesse für die Verknüpfung von Abflussbildung und Stofftransport ¿ eine Analyse mit Hilfe künstlicher Hochwasserwellen in zwei mesoskaligen Mittelgebirgseinzugsgebieten.- Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 49, H. 4, S. 172 ¿ 181.
- Kurtenbach, A., Krein, A., Symader, W., Gallé, T., Welfring, J. & Möller, S. (2005): Linking quantity and quality: river basin and in-channel impacts on contaminant fluxes during artificial and natural flood events.- Proceedings of the 3rd International Symposium on Flood Defence held at Nijmegen, vom 25. - 27.5.2005.
- Kurtenbach, A.; Krein, A., Symader, W. & Möller, S. (2006): On the relationship between hydrographs and chemographs. - Hydrological Processes 20, 2921-2934. (Siehe online unter: doi: 10.1002/hyp.6169)
- Petticrew, E., Krein, A. & Walling, D. (2006): The use of artificial flood flows in evaluating fine sediment mobilization and storage. - Hydrological Processes 21, 198-210. (Siehe online unter: doi: 10.1002/hyp.6183)
