Modellierung der Auswaschung und Umweltexposition von Bauinhaltsstoffen

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1 Modellierung der Auswaschung und Umweltexposition von Bauinhaltsstoffen M. Burkhardt, F. Hochstrasser, O. Tietje, D. Engelke, S. Gehrig, F. Mehta, P. Nigg, P. Meier HSR Hochschule für Technik Rapperswil Oberseestrasse 1, 864 Rapperswil Ittigen, 15. Dezember 215

2 Gliederung Ausgangslage Fallstudie Fassaden COMLEAM Modell Validierung Modellanwendung Test von Szenarien Schlussfolgerungen 2

3 Umwelt: Vorkommen von Stoffen im Strassenwasser 1 Metalle und organische Stoffe im Strassenwasser von Österreich.1 µg/l in Grundund Oberflächenwasser 1 Clara et al. (214), Spurenstoffemissionen aus Siedlungsgebieten und von Verkehrsflächen, Umweltbundesamt, Wien 3

4 Umwelt: Vorkommen von Stoffen in Siedlungsgebieten 1 Organische / anorganische Stoffe im Niederschlagswasser von Berlin Emission lässt sich Bauzonen, Immission dem Abwassernetz zuordnen 1 Wicke et al. (215), Towards assessing the relevance of micropollutants in stormwater discharged to Berlin surface waters, Berlin 4

5 Umwelt: Pestizide in Fliessgewässern 1 Mecoprop (Additiv, Ester): ganzjährig, besonders bei Regenwetter Quellen: WF-Bitumenbahnen, Wiesen/Grünflächen, Landwirtschaft.1 µg/l in Grund- und Oberflächenwasser Sinniger et al. (212): Pestiziduntersuchung, AWEL, Zürich. 5

6 Umwelt: Pestizide in Fliessgewässern 1 Terbutryn (Biozid, Algizid): ganzjährig bei Trocken- und Regenwetter Quellen: Aussenputz, Fassaden-/Dachfarben, Dachziegel u.a..1 µg/l in Grund- und Oberflächenwasser Sinniger et al. (212): Pestiziduntersuchung, AWEL, Zürich. 6

7 Umwelt: Emission in Boden und Gewässer Gebäude/Strasse n Plätze Drainage Emission Abwassersystem Versickerung Trennkanalisation Mischkanalisation Wege Boden Diffuser Eintrag Regenwasser Überlauf-Schmutzwasser Schmutzwasser Schmutzwasser Punktueller Eintrag Kläranlage Gewässer Grundwasser Gewässer 7 Michael Burkhardt

8 Umwelt: Immission in Boden und Gewässer Boden und Sediment Gewässer Schadstoffanreicherung in Boden und Sediment, Verlagerung ins Grundwasser und Remobilisierung Dynamischer Verlauf im Gewässer, kritische Konzentrationen für aquatische Lebewesen Langfristiger Frachtverlauf Dynamik sekundär Σ g Zeit Dynamischer Konzentrationsverlauf Langzeitiger Frachtverlauf mg/l Zeit 8 Michael Burkhardt

9 Umweltbewertung: Vorgehen 1 Europaweit harmonisierte Vorgehen mit Modellunterstützung Vorkommen, Risiko, Reduktionsmassnahmen, LCA, Labelling BPR (Biocidal Product Regulation): Biozidzulassung für 23 Produkttypen durch Risikoabschätzung mit Modellszenarien (Emission Scenario Documents) REACH (Registration, Evaluation, Authorisation of Chemicals): Zulassung von Stoffen > 1 t/a in EU (15 notifiziert) durch Risikoabschätzung Behörde für Stoffzulassung in Europa CPR (Construction Product Regulation): An Bauprodukte sechs Anforderungen für CE: ER3 für Mensch (Indoor) und Umwelt (Boden, Wasser) CEN TC351 WG 1: Auswaschung mit harmonisierten Tests abschätzen DSLT und Perkolation-Test 9

10 Umweltbewertung: Labortest DSLT DSLT: Dynamic Surface Leaching Test Freisetzung von anorganischen und organischen Stoffen aus Bauprodukten Europäische Technische Spezifikation CEN/TS : Prüfung von monolithischen, platten- oder folienartigen Produkten Auswaschung über die Zeit: Freisetzungsmengen, Freisetzungsmechanismen und Extrapolation 1

11 Umweltbewertung: Labortest DSLT Bestimmung vom Freisetzungsmechanismus und genormte Extrapolation auf bis zu 3 Jahre Lebensdauer Metall [mg/l] Diffusion org. Additiv [µg/l] Diffusion mit Abwaschung org. Additiv [µg/l] Unbekannter Mechanismus Metall [mg/m 2 ] 1 1 org. Additiv [mg/m 2 ] 1 1 org. Additiv [mg/m 2 ] Zeit [d] Zeit [d] Zeit [d] 11

12 Fazit: Aussagekraft und Übertragbarkeit? Nutzungsphase: Emission aus Bauteilen und Stoffeintrag in Umwelt Wie lassen Labor-/Felddaten für Stoff-/Umweltbewertung nutzen? Wie lässt sich Konzentrations/Verlauf abbilden und bewerten? Emission (Labor/Feld Nutzungsphase Immission (Realität) 1 Metall [mg/m 2 ] Zeit [d] Vergleich mit Feldemission und Modellierung 12

13 Gliederung Ausgangslage Fallstudie Fassaden COMLEAM Modell Validierung Modellanwendung Test von Szenarien Schlussfolgerungen 13

14 Biozide als Filmschutzmittel (VBP, PA 7) 1 Kombination von 2-4 Bioziden (Algizide, Fungizide) Gut abbaubare organische Biozide nehmen an Bedeutung zu Wirkstoffklasse Wirkstoff WL (mg/l) logkow Persistenz (Umwelt) Triazin Terbutryn hoch Phenylurea Diuron hoch Isoproturon hoch Isothiazolinone DCOIT mittel OIT gering Carbamate IPBC gering Carbendazim mittel Metallorganik Zinkpyrithion 8.9 mittel 1 Burkhardt & Dietschweiler (213): Mengenabschätzung von Bioziden in Schutzmitteln in der Schweiz. Bericht, BAFU, Bern. 14 Michael Burkhardt

15 Mengen von Bioziden für Filmschutz t/a Biozide (7% verkapselt), Algizide von Umweltinteresse 1-15 mg/m 2 pro Biozid, 2-4 in Kombination In mineralischen Produkten teils Zinksulfid / Zinkoxid (keine Biozide) Tonnen /Jahr Maximum Minimum 1 Burkhardt, M., et al. (213): Mengenabschätzung von Filmschutzmitteln in Bautenfarben und putzen (PA 7), Holzschutzmitteln (PA 8), Mauerschutzmitteln (PA 1) und Antifoulingmitteln (PA 21) in der Schweiz. BAFU. 15 Michael Burkhardt

16 Auswaschung: Abfluss an kleinen Fassaden Relevante Faktoren für Fassadebbfluss: Wetter, Ausrichtung, Höhe Abflussmenge <1% vom Jahresniederschlag (815 mm), in 1% der Regenereignisse tritt kein Abfluss ein 4 Relative Häufigkeit (%) Proportion (%) Zürich Modellhaus (Putz): 1.8 m Höhe, 62 Abflussereignisse in 372 d Abflussanteil Runoff vs. Precipitation (% am Regen) (%) 16

17 Auswaschung: Abfluss an hohen Fassaden (Höhe 1.5 m) 74 Ereignisse in 36 d (9 mm/a Regen; >2% kein Abfluss) 8 Relative Häufigkeit (%) Proportion (%) Abflussanteil Runoff vs. Precipitation (% am Regen) (%) Abflussanteil <.4% vom Horizontalregen 17 Michael Burkhardt

18 Auswaschung: Abhängigkeit von der Fassadenhöhe Je kleiner die Fassade, des geringer der flächenbezogen Abfluss (l/m 2 ) Der Abfluss an kleinen Prüfkörpern kann um Faktor >1 überschätzt werden height <1.5 m = runoff >1% height m = runoff 1-1% height >5 m = runoff <1% 1 IBP,.4 m Facade Runoff (%) 1 1 RMI, 1. m Zurich, Eawag, mm Thor, 3.8 m Zurich, Eawag, 1.5 m Height (m) 18

19 Auswaschung: Terbutryn an kleinen Fassaden 34 Ereignisse in 372 d analysiert (-12 Monate alt) 6 5 Anfangskonzentration 2365 mg/m 2 Terbutryn Terbutryn (µg/l) Anzahl Ereignisse (-) Abnahme der Konzentration im Ablaufwasser 19

20 Auswaschung: Terbutryn an hohen Fassaden (Höhe 1.5 m) 2 Ereignisse in 1 d analysiert (6-9 Monate alt) 9 8 Anfangskonzentration 17 mg/m 2 Terbutryn (µg/l) Anzahl Ereignisse (-) Im ersten Jahr 1-2% Auswaschverluste (mg/m 2 bis g/m 2 ) 2 Michael Burkhardt

21 Gliederung Ausgangslage Fallstudie Fassaden COMLEAM Modell Validierung Modellanwendung Test von Szenarien Schlussfolgerungen 21

22 Konzept: Modellierung der Auswaschung und Umweltexpostion Einfache Model sind bereits für die Biozidzulassung etabliert Hohe Potential wurde durch wissenschaftliche Modelle gezeigt Kumulierter Abfluss (m 3 ) 4' 3' 2' 1' Konzentration (mg/l) Kriterium akut Abfluss Dauer Anzahl Jahr '2 1' Niederschlag (mm/h) Akute Überschreitung (Anzahl, h) Gramm Terbutryn pro Jahr und Hektare 2 Dreigeschossige MFH (2-27) 18 Zweigeschossige E/ZFH (26) 16 Zweigeschossige Häuser ( ) Szenarienjahr 22

23 Vorteil von numerischen Modellen Simulation hilft, die Dynamik der Emission und Immission für festgelegte Szanrien oder Fallstudien abzuschätzen Sensitivätsanalyse und Variation von Parametern gibt Hinweise zu kritischen Substanzen oder problematischen Anwendungsbereichen Randbedingungen lassen sich vereinheitlichen oder individuell definieren Beispiel-Szenario: BPR Haus Nutzungsphase 2.5 m 23

24 COMLEAM: Construction Materials Leaching Model COMLEAM ist eine benutzerfreundliche Software zur Simulation von Schlagregen, Auswaschung, Eintrag und Umweltrisiko Interfaces (IC): virtuelle Kompartimente für die Risikoabschätzung (point-of-compliance, POC) oder Datenexport (z.b PELMO, Orchestra) Bauteil oder Haus Siedlung (Einzugsgebiete) IC IC PELMO, Orchestra IC 24

25 COMLEAM Konzept und Struktur Geometrie von Bauteilen, z.b. Höhe, Länge, Ausrichtung Wetter, z.b. Niederschlag, Windrichtung/-geschwindigkeit (FOCUS) Simulation vom Schlagregen (vertikale Flächen) nach ISO :29 Emission unter Berücksichtung verschiedener Faktoren Auswaschung: Daten aus Feld oder Labor (z.b. DSLT, EN1615) Material- / Substanzeigenschaften: Datanbank oder individuelle Eingabe Emissionsfunktionen, z.b. Time1-Time2 (BPR), detailliert, log-function Bauteil, Hause Überbauung Quartier IC IC IC 25

26 COMLEAM-Potenzial: GIS Ziel: Ableitung von realitätsnahen Szenarien/Fallstudien hinsichtlich verbauter Materialien und damit zu erwartender Stoffe für z.b. «Neubaugebiet», «Mischzone», etc. Georeferenzierte Erhebung von Exposition, Höhe und Fläche sowie verbaute Materialien auf Fassaden. Daten zu Bauzonen, Gebäudealter etc. Material- Datenbank verknüpft Emissionsdaten und Materialien, in denen sie vorkommen 1% 8% 6% 4% 2% % Glas Holz Kunststoff Metall Mineralisch I IHD W2 W3 W4 W5 Oe4 Q I 26

27 COMLEAM-Potenzial: GIS GIS-gestütztes Szenario / Fallstudie Auswahl Gebiet und Gebäude (3D-GIS) unter Berücksichtigung von Bauzonen Datenaufbereitung mit GIS Materialerhebung (vor Ort, Annahmen) Import in COMLEAM und Auswertung Berechnung Geometrie (Gebäude) Wetter Emission Umweltkompartiment 27

28 Berechnung schematischer Ablauf Geometrie Fläche, Ausrichtung, Materialien Wetter Niederschlag, Windstärke/ -richtung Stoffemission Daten, abgel. Funktionen WDR [L/m2] E [mg/m2] dy ( ) A k y G y Calculator i i i i i dt = i Ergebnis Pro Fassade, Haus, Siedlung: Schlagregen, Stoffemissionsverlauf und kumulierter Austrag in Boden / Gewässer dz E c k y k z dt = i i i a i 28

29 Wie sieht COMLEAM aus? Rechenkern und Schnittstellen realisiert (Expertenmodus verfügbar) Umsetzung Frontend 216, drop-down Menus, default Werte etc. Software gratis und als Web-Applikation (open-source) 29

30 Gliederung Ausgangslage Fallstudie Fassaden COMLEAM Modell Validierung Modellanwendung Test von Szenarien Schlussfolgerungen 3

31 COMLEAM: Vorhersage vom Schlageregen Simulation vom Schlagregen vergleichbare zu Messungen (links) Westfassade ist relevant für Abfluss (rechts) Windrichtung und Wandfaktor (Höhe) sind sensitive Parameter 6 Zürich Modelhaus Simulierter Schlagregen (L/m 2 ) Gemessener Abfluss (L/m 2 ) ( ) Slope R-Square W NW N NE E NW NE Vorhergesagter Schlagregen (L/m 2 ) S 31

32 COMLEAM: Test von Emissionsfunktionen Input: Emissionfunktion entwickelt am Zürich Modelhaus Funktion Time1-Time2 : lineare Emission, fern der Realität Funktion Detailed : variiert ereignisbezogen, bildet Puls-Emissionen ab Emission (mg/m 2 ) Time1 Time2: geglättete Emission West Süd Ost Detailed: Dynamik mit Puls-Emission West Süd Ost Nord Tage (d) Nord Tage (d) 32

33 COMLEAM: Modellierung der Emission von Biociden Gute Vorhersage der Auswaschung mit Funktion Detailed (West) Emission (mg/m 2 ) Diuron Zürich Modelhaus COMLEAM IPBC Zürich Modelhaus COMLEAM Emission (mg/m 2 ) OIT Zürich Modelhaus COMLEAM DCOIT COMLEAM Zürich Modelhaus Time (days) Time (days)

34 COMLEAM: Sensitivität der vorhergesagten Emission Die Abweichung zwischen gemessener und vorhergesagter Emission ist gering, aber der Verlauf kann deutlich abweichen Kalibration und Validierung in Bearbeitung (Emissionsfunktionen, Stoffe) Abweichung von Messdaten (%) 34

35 Gliederung Ausgangslage Fallstudie Fassaden COMLEAM Modell Validierung Modellanwendung Test von Szenarien Schlussfolgerungen 35

36 Vergleichsanalyse von Emissionen Zwei Feldstandorte mit Putz und Terbutryn Zürich (Modellhaus): West, Start Januar, 1.8 m Höhe Ober-Ramstadt (RMI): Süd, Start Oktober, 1. m Höhe Geringfügig verschiedene Dynamik und relative Austragsmengen Kumulative Emission (mg/m 2 ) RMI Ober-Ramstadt panels Zurich Model House C = 2365 mg/m 2 1.2% C = 127 mg/m 2 1.6% Kumulativer Fassadenabfluss (L/m 2 ) 36

37 Vergleich von Fassadenabfluss und Auswaschung Datenanalyse zeigt, dass Schlagregen relevant ist Mehr Schlagregen in Ober-Ramstadt (Höhenlage, Windgeschwindigkeit) Vergleichbare Emissionen wegen höheren Konzentrationen in Zürich Modellierter Schlagregen (L/m 2 ) Modellierte Emission (mg 2 /m 2 ) W NW N NE E W NW N NE E NW NE NW NE S S 37

38 Standortunabhängige Abschätzung der Emission Drei Szenarien unter Berücksichtigung von Zürich, Ober-Ramstadt und Wetterdaten von Hamburg (FOCUS-Standort) Eine Analyse der simulierten Verläufe und Ereignisse widerspiegelt zu erwartende Schwankungsbreite Terbutryn Emission [mg/m 2 ] Zürich Modelhaus % RMI Panele % Tage (d) Tage (d) 38

39 Gliederung Ausgangslage Fallstudie Fassaden COMLEAM Modell Validierung Modellanwendung Test von Szenarien Schlussfolgerungen 39

40 Szenario «Neue Fassaden und Trennkanal» Simulation der Auswaschung und des Eintrags in den Vorfluter (Fallstudie) 7 neue Gebäude, je 4-9 m 2 and Fassadenlänge 9-14 m Polymergebundener Putz mit Bioziden Emissionsfunktion Detailed Niederschlagswasser wird direkt eingeleitet in den Vorlfuter Distanz zum Bach 1 m 6 Tage Simulationsdauer Wetterdaten von Meteoswiss 4

41 Szenario «Neue Fassaden und Trennkanal» Exposition ist für jedes Einzelgebäude berechnet worden Emission von Fassaden sind abhängig von Ausrichtung Interface Kompartiment leitet die Stoffdynamik weiter zum Vorfluter 25 Südwest Kumulierte Emission (mg/m 2 ) Nordwest Südost Nordost West Ost Tage (d) 41

42 Vorkommen von Bioziden im Oberflächengewässer Immission nimmt mit zunehmenden Anteil Regenwasser im Gewässer und der Anzahl angeschlossener Gebäudefassaden zu (A to G) Puls-Belastung unter Regenwetterbedingungen (diffuse Belastung) Geringe Konzentrationen bei Trockenwetter oder starker Verdünnung Konzentration (ng/l) A B C D E F G.1 µg/l in Grund- und Oberflächenwasser Tage (d) 42

43 Häufigkeitsverteilung der Konzentrationen Anzahl Ereignisse mit bestimmten Konzentationsniveaus (klassifiziert) Für Umweltrisiko lassen sich z.b. Akzeptanzschwellen definieren oder testen (PEC/PNEC, Numerische Anforderungen Gewässer / Boden) Logarithmische Anzahl Ereignisse (-) Welches Risiko ist akzeptabel? >2 Resultat: Vergleich mit akuten und chronischen Ökotox-Werten, z.b. PEC/PNEC-Berechnungen) Konzentration (ng/l) 43

44 Gliederung Ausgangslage Fallstudie Fassaden COMLEAM Modell Validierung Modellanwendung Test von Szenarien Schlussfolgerungen 44

45 Zusammenfassung und Ausblick Feld-/Labordaten sind zeitaufwändig, nicht repräsentativ (nicht reproduzierbar) oder begrenzt übertragbar (Labor Feld) COMLEAM ermöglicht dynamische Modellierung von Auswaschung unterschiedlichste Stoffe aus vertikalen und horizontalen Bauteilen GIS-Kopplung schafft Raumbezug zwischen Materialien / Emissionen in Bauzonen (Bauteil bis Siedlung) zur Riskobewertung oder Risikomanagment von Boden und Gewässern (Vorsorgegedanke) Modularer Aufbau, bereits jetzt anwendbar und ab 216 breit verfügbar Internationale Abstimmung (ESTIMATE) und ECHA-Einbindung Ausblick: Entwicklung und Anwendung Frontend in Entwicklung (Bedürfnisse integrierbar) Bearbeitung von Fallstudien für organische / anorganische Stoffe und Materialien möglich (Risiko, Mustergebäude etc.) Tests durch ausgewählte Nutzer (Firmen, Consultants etc.) 45

46 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: