Weiterbildungsveranstaltung. E i n f ü h r u n g

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1 Altlastenbearbeitung im Land Brandenburg Weiterbildungsveranstaltung Sickerwasserprognose Nr. VII - L y s i m e t e r - E i n f ü h r u n g Eberswalde 11. Mai 2007 Folie 1 von 30

2 Sickerwasserprognose Worum geht es? 2 Nr. 5 BBodSchV Abschätzung der von einer Verdachtsfläche, altlastverdächtigen Fläche, schädlichen Bodenveränderung oder Altlast ausgehenden oder in überschaubarer Zukunft zu erwartenden Schadstoffeinträge über das Sickerwasser in das Grundwasser, unter Berücksichtigung von Konzentrationen und Frachten und bezogen auf den Übergangsbereich von der ungesättigten zur wassergesättigten Zone. Standardfall Altlast/schädl. BV Ort der Probennahme (O.d.P.) Ungesättigte Zone Q si c si Übergangsbereich (O.d.B.) Gesättigte Zone Prognose räumliche Dimension: O.d.P. O.d.B. zeitliche Dimension: derzeit zukünftige Entwicklung Q si : Sickerwasserrate c si : Stoffkonzentration Fracht = Q si * c si Folie 2 von 30

3 In Anhang 1 Nr. 3.3 Verfahrensübersicht der BBodSchV werden die Verfahren zur Abschätzung des Stoffeintrags aus Verdachtsflächen oder altlastverdächtigen Flächen in das Grundwasser genannt. Die Abschätzung kann hierbei annäherungsweise erfolgen aufgrund von: Materialuntersuchungen (Lysimeter Verfahren zur Herstellung von Eluaten mit Wasser ) Rückrechung aus Abstromuntersuchungen im Grundwasser in situ-untersuchungen (unter Anwendung von Stofftransportmodellen) Folie 3 von 30

4 Bodenschutzrechtlicher Handlungsrahmen - Sickerwasserprognose Verdacht auf schädliche Bodenveränderung/Altlast 3 (1), (2) BBodSchV Anhaltspunkte Orientierende Untersuchungen Ziel: Bestätigung oder Ausschluss des Verdachts Kriterium: Stoffkonzentration im Sickerwasser am O.d.B. und Vergleich mit Prüfwerten Vorgehensw.: verbal-argumentativ 9 (1) BBodSchG Amtsermittlung Kosten: zust. Behörde Verdachtsausschluss Materialuntersuchungen Verdachtsbestätigung Direktbeprobung GW-Untersuchungen In situ Untersuchungen Materialuntersuchungen Detailuntersuchungen Ziel: Feststellung/Ausschluss einer Gefahr für d. GW Kriterium: Stoffkonzentration und fracht am O.d.B. Vorgehensw.: quantifizierende Abschätzung Verfahren: Materialuntersuchungen/Modellrechnung Anhang 1/3.3 BBodSchV Verfahren Sickerwasserprognose Anordnung bei hinreichender Verdachtsbestätigung 9 (2) BBodSchG Gefährdungsabschätzung Kosten: Verpflichteter Folie 4 von 30

5 Bearbeitungsstufen einer Sickerwasserprognose - Detailuntersuchung - Konzepterstellung Durchführung der Untersuchungen Durchführung Standortbeschreibung mit Angabe von Parametern und Messgrößen Beschreibung der Schadstoffquelle Transportbetrachtung Emissionsstärkeabschätzung für den Ort der Beurteilung fachliche Beurteilung und rechtliche Bewertung der Ergebnisse der Sickerwasserprognose Folie 5 von 30

6 Konzeptionelle Modellvorstellung Quelle OdP M ges M mob Beschreibung der Schadstoffquelle Schadstoffinventar M ges Schadstofffreisetzung M mob - derzeit - zukünftig Q s1, c s1, E s1, J s1 Transportstrecke Ungesättigte Zone OdB Q s2, c s2, E s2, J s2 gesättigte Zone c gw >GFS? 1 Austrittsebene F 1 z s Quellstärke J s1 (t) Transportbetrachtung Quantifizierung der Schadstoffminderung - Sorption, J - Abbau s2 < J s1 2 Eintrittsebene F 2 Emissionsstärkeabschätzung J s : Quell- bzw. Emissionsstärke = Fracht/Fläche = E s /F Q s : Sickerwasserrate c s : Schadstoffkonzentration im Sickerwasser E s : Fracht = Q s *c s (Flächenrepräsentanz) Folie 6 von 30

7 Schwerpunktbereiche Lysimeteruntersuchungen im Rahmen der Altlastenbearbeitung Gefahrenbeurteilung Wirkungspfad: Boden Grundwasser (Sickerwasserprognose) Quellstärkeermittlung Transportbetrachtung Emissionsstärkeabschätzung Wirkungspfad: Boden Pflanze Beurteilung von Sanierungsmaßnahmen Wirksamkeit von mineralischen Oberflächenabdeckungen/-abdichtungssystemen Folie 7 von 30

8 L y s i m e t e r lysis = Lösung, Auflösung metron = Maß ältester Einsatznachweis Bodenwasseruntersuchungen von Van Helmont im Jahr 1620 (Niederlande) seit ca werden Lysimeter in größerem Umfang eingesetzt [Quelle: Entsprechend ihrer Konstruktionsart liefern Lysimeter Informationen über: Versickerungsmengen Wasservorratsänderungen Grundwasserneubildung kapillaren Aufstieg Evapotranspiration Transport/Austrag gel. Stoffe Folie 8 von 30

9 Veröffentlichungen des LUA Brandenburg zur Thematik Folie 9 von 30

10 Lysimeterstationen in Brandenburg und Berlin Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e. V. Station: Dedelow Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e. V. Station: Paulinenaue Institut für Landwirtschaftsbau, FG Wasserhaushalt und Kulturtechnik der TU Berlin Station: Berlin - Dahlem Institut für Forstökologie und Walderfassung, Eberswalde Station: Britz Umweltbundesamt, Ressourcenschutz Trinkwasser Station: Berlin - Marienfelde Forschungsinstitut für Bergbaufolgelandschaften, Finsterwalde Station: Grünewalde Landesumweltamt Brandenburg (Nutzung bis ca. Ende 2003) Station: Trebbin Folie 10 von 30

11 Großlysimeteranlage: Britz / Eberswalde Bundesforschungsanstalt für Forst- und Holzwirtschaft Institut für Forstökologie und Walderfassung Zielstellung der Untersuchungen ist es, z.b. den Baumarten- und Alterseinfluss von Kiefern-, Lärchen-, Buchen- und Douglasienbestockungen auf die Grundwasserneubildung und Verdunstung zu erforschen. [Quelle: Betrieb: 1929 Anzahl: 3 Lysimeter Typ: wägbare Gravitationslysimeter Größe: Durchmesser 1 m² x Tiefe 1.5 m Betrieb: seit Anfang 1960 Anzahl: 9 Lysimeter Typ: wägbare Gravitationslysimeter Größe: Durchmesser 100 m² x Tiefe 5 m Folie 11 von 30

12 Lysimeteranlage: Berlin - Marienfelde, Schichauweg Umweltbundesamt, Fachbereich II - Gesundheitlicher Umweltschutz, Schutz der Ökosysteme Forschungsschwerpunkt Klärung spezieller Fragestellungen zur Umwelthygiene: Untersuchung des Versickerungsverhaltens von: Schwermetallen, organischen Schadstoffen (Phthalate) Pflanzenschutzmitteln Vieren und Bakterien (Trinkwasserschutz) in sandigen, Podsolbraunerden und Parabraunerden, z.t. mit zusätzlicher Bewässerung. [Quelle: Umweltbundesamt, Fachgebiet II 3.3] Betrieb: Anzahl: seit Anfang 1970 (WaBoLu) 18 Lysimeter Typ: Gravitationslysimeter, davon 4 wägbare Lysimeter Größe: Durchmesser 1 m² x Tiefe 2,0 m Folie 12 von 30

13 Lysimeteranlage: Berlin-Dahlem Technische Universität Berlin Institut für Landwirtschaftsbau, Fachgebiet Wasserhaushalt und Kulturtechnik Forschungsschwerpunkt Untersuchungen zum Bodenwasserhaushalt, einschließlich der Grundwasserneubildung, der Perkolation und des kapillaren Aufstiegs Erfassung des Stofftransportes und des Abbaus bestimmter Stoffe in der ungesättigten Bodenzone Kalibrierung und Weiterentwicklung von Wasser-, Stofftransport- und Verdunstungsmodellen Betrieb: 1959 Anzahl: Typ: 12 Lysimeter 8 wägbare Unterdrucklysimeter [Quelle: 4 wägbare Grundwasserlysimeter Größe: Durchmesser 1 m² x Tiefe 1,5 m Folie 13 von 30

14 Forschungsstation: Paulinenaue Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) Quelle: Forschungsschwerpunkt Erkundung von alternativen Nutzungsmöglichkeiten des Grünlandes durch Energiepflanzen Aufklärung von Wechselbeziehungen zwischen Bodenwasserregime und physikalischen Bodeneigenschaften von Niedermoorböden Heil- und Gewürzpflanzen auf Grünland Erarbeitung von Grundlagen für eine ökologische Landbewirtschaftung und den Schutz von Boden- und Wasserressourcen Betrieb: 1968 Anzahl: 103 Lysimeter Typ: Größe: nicht wägbare monolithische Grundwasserlysimeter Durchmesser 1 m² x Tiefe 1,5 m Folie 14 von 30

15 Forschungsstation Dedelow Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) Forschungsschwerpunkt Erkundung von alternativen Nutzungsmöglichkeiten des Grünlandes durch Energiepflanzen Erarbeitung von Grundlagen für eine ökologische Landbewirtschaftung und den Schutz von Boden- und Wasserressourcen [Quelle: Betrieb: 1989 Anzahl: 32 Lysimeter Typ: nicht wägbare Gravitationslysimeter Größe: Durchmesser 1 m² x Tiefe 2,0 m Folie 15 von 30

16 Lysimeteranlage: Grünewalde, Lauchhammer Forschungsinstitut für Bergbaufolgelandschaften, Finsterwalde Forschungsschwerpunkt In den Projekten des FIB werden Beiträge zur Konzipierung einer langfristig erfolgversprechenden Sanierungsstrategie für den regionalen Wasserhaushalt in der Lausitz geleistet. Einfluss verschiedener Landnutzungen auf Sickerwassermengen und qualität Wasser-/Stoffhaushalt in der ungesättigten Zone von Kippen und Halden Hydrogeochemische Prozesse in Kippen-Grundwasserleitern (Bio-)technische Lösungen zur Verbesserung der Qualität von Grund- und Oberflächenwasser Betrieb: Anfang 1970 Anzahl: 96 (14) Lysimeter Typ: nicht wägbare Gravitations-/ Grundwasserlysimeter Größe: Durchmesser 1 m² x Tiefe 3,0 m [Quelle: Folie 16 von 30

17 Lysimeteruntersuchungen in der Altlastenbearbeitung Nationale Sachstandsrecherche 12/2006 Anfrage zum aktuellen Informationsstand hinsichtlich der Anwendung von Lysimetern im Rahmen der einzelfallspezifischen Altlastenbearbeitung. 16 Bundesländer Umweltbundesamt Deutschland Umweltbundesamt Österreich Folie 17 von 30

18 Inhaltliche Schwerpunkte des Fragenkatalogs Sachstandsrecherche 12/2006 Erfahrungen in der regulären einzelfallbezogenen Altlastenbearbeitung Branchen-Standort Bearbeitungsphase geplanter bzw. realisierter Untersuchungszeitraum Beobachtungszeitraum (verwertbare Ergebnisse) begleitende Untersuchungen im Labormaßstab modellgestützte Begleitung Lysimeterart Kostenrahmen Folie 18 von 30

19 Ergebnis der Sachstandsrecherche 12/2006 Folie 19 von 30

20 Freistaat Sachsen [Quelle: Ökologisches Großprojekt Sächsische Olefinwerke GmbH Böhlen Branche Braunkohleveredelung und Petrochemie Nutzung seit den 20er Jahre durch Anlagen zur Energiegewinnung Nutzung seit den 30er Jahren zur Erzeugung von Treibstoffen sowie von Chemiegrundstoffen kontaminierter Bereich ca. 1 km 2 Auflandeteich Gaulis und Kraftwerk Lippendorf Kontaminationen des Bodens, der Bodenluft und des Grundwassers Schadstoffspektrum: MKW, BTEX, PAK, Phenole und vereinzelt Schwermetalle im Grundwasser aufschwimmende,,produktphase" Einfluss von Grundwasserschwankungen durch Braunkohlebergbau Folie 20 von 30

21 Freistaat Bayern Zielstellung der bayrischen Forschungsprojekte Emissionsprognose: Entwicklung und Fortschreibung einer Verfahrensvorschrift für die Emissionsabschätzung (Sickerwasserprognose) nach BBodSchV auf der Basis des bisherigen, praxisbewährten Verfahrens in Bayern. Verfahrensoptimierung: Erarbeitung eines abgestuften, praktikablen Verfahrensvorschlages zur Abschätzung der Freisetzung von anorganischen Schadstoffen aus kontaminierten Böden sowie des nachfolgenden Transports der Schadstoffe durch die ungesättigte Bodenzone zum Grundwasser. Erarbeitung einer praxistauglichen Verfahrensvorschrift zum Einsatz von Säulenversuchen für eine einheitliche Beurteilung von anorganischen und organischen Schadstoffen im Rahmen der Sickerwasserprognose. Folie 21 von 30

22 Bayerische Forschungsvorhaben Bayerisches Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen F&E Vorhaben: Auswertung und Durchführung von Sickerwasser-, Eluat- und Bodenuntersuchungen zur Ableitung von Prüfwerten zur Emissionsabschätzung bei Altlasten und schädlichen Bodenveränderungen für den Wirkungspfad Boden-Grundwasser Landesamt für Wasserwirtschaft, Bayern F&E-Vorhaben: Methodenentwicklung von Säulenversuchen zur Untersuchung und Bewertung der Sickerwasserbeschaffenheit von Altlastverdachtsflächen (Schwerpunkt anorganische Stoffe) - Kurztitel Säulenversuche Durchführung von Säulenversuchen, Elutionen, Lysimeterversuchen und Stofftransportmodellierungen im Hinblick auf die Verfahrensoptimierung zur Sickerwasserprognose Folie 22 von 30

23 Forschungs- & Entwicklungsvorhaben Säulenversuche Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft Fachlicher Hintergrund Die vom Gesetzgeber im Anhang 1 der BBodSchV aufgeführten Methoden sind ursprünglich für andere Anwendungen als die Ermittlung von Sickerwasserkonzentrationen am Ort der Probenahme entwickelt worden. Entsprechend ihrem ursprünglichen Anwendungsbereich führen die in der BBodSchV genannten Verfahren zwangsläufig zu unterschiedlichen Ergebnissen. Dem Bodensättigungsextrakt wird in der BBodSchV eine bevorzugte Stellung eingeräumt (Ergebnisse werden der Sickerwasserkonzentration gleichgesetzt). Folie 23 von 30

24 Forschungs- & Entwicklungsvorhaben Säulenversuche Zielstellung/Durchführung Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft Prüfung der Vergleichbarkeit der Labormethoden hinsichtlich ihrer Aussagekraft zur Sickerwasserbeschaffenheit (Einschränkung auf die anorganischen Stoffe) Durchführung von Vergleichsuntersuchung unterschiedlicher Laborverfahren (Bodensättigungsextrakt, S4-Methode DIN ,1984 und Säulenversuchen) Berücksichtigung der Ergebnisse zur Sickerwasserbeschaffenheit aus vorliegenden Großlysimeteruntersuchungen, für einen Teil der Bodenproben Untersuchungsmaterial - Referenzmaterialien aus dem BMBF Förderschwerpunkt "Sickerwasserprognose" (Boden, Hausmüllverbrennungsasche und Bauschutt) - Rieselfeldmaterial - Lysimeter-Material (Altstandort der Kupferarsenitacetat-Herstellung) Folie 24 von 30

25 Forschungs- & Entwicklungsvorhaben Säulenversuche Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft Teilergebnis (Bücherl & Berger, 2004) Das BoSE-Verfahren überschätzt deutlich die mittlere Sickerwasserkonzentration. Das S4-Verfahren vermag diese vergleichsweise gut abzubilden. Das BoSE-Verfahren scheint geeignet zu sein, die maximale Konzentration der Lysimetersickerwässer aus dem BMBF-Material abzuschätzen. Teilfazit (Berger & Scheuering, 2004) Sofern die dargestellten Ergebnisse verallgemeinerbar sind, ergeben sich für den vorsorgenden bzw. nachsorgenden Grundwasserschutz Konsequenzen. Die bevorzugte Stellung des BoSE-Verfahrens gegenüber den anderen in der BBodSchV genannten Verfahren sollte relativiert werden (annäherungsweise Gleichsetzung der Ergebnisse mit Sickerwasser). Folie 25 von 30

26 Vorteile Lysimetereinsatz in der Altlastenbearbeitung Beitrag zum Prozessverständnis hinsichtlich der physikalischen und chemischen Prozesse am Untersuchungsstandort ermöglichen eine realitätsnahe Beurteilung des Auslaugverhaltens von schadstoffbelasteten Böden/Materialien (flächenintegriertes mittleres Sickerwasser) hilfreich und sinnvoll bei der Plausibilitätskontrolle durchgeführter Laborversuche erlauben die Beurteilung/Überwachung des instationären Ausbreitungsverhaltens von Schadstoffen in der ungesättigten Bodenzone über größere Zeiträume dienen der Kalibrierung und Verifizierung von Stofftransportmodellen zur Abschätzung der Schadstoffkonzentrationen im Sickerwasser (Feldmaßstab) kann den Einfluss der chemischen, mikrobiologischen, mineralogischen und hydromechanischen Vorgänge im Boden realitätsnäher quantifizieren als im Labormaßstab (Wasserteilsättigung, Sauerstoffnachlieferung, Vegetationsschicht,...) Folie 26 von 30

27 Nachteile Lysimetereinsatz in der Altlastenbearbeitung für den regulären Einsatz in der Altlastenbearbeitung sind Lysimeteruntersuchungen i.d.r. zu aufwändig, langwierig und kostenintensiv der Einsatz ist erst ab der Untersuchungsphase einer Detailuntersuchung sinnvoll, da im Vorfeld umfangreiche Standortinformationen erhoben werden sollten (z.b. Schadstoffverteilung, Bodenkennwerte) Einsatz bei stark flüchtigen Schadstoffen erfordert i.d.r. einen größeren technischen Aufwand (z.b. gasdichte Sickerwasserprobennahme, ggf. Verringerung des Durchmessers der Ablaufleitung und des Rohrmaterials) Beschaffenheitsveränderungen in der Sickerwasserprobe durch lange Aufenthaltszeiten in der Filterbuchse und der Ablaufleitung sind nicht auszuschließen bei extremer Heterogenität der ungesättigten Bodenzone und Schadstoffverteilung ist eine direkte Übertragbarkeit der Untersuchungsergebnisse auf die Fläche (Flächenrepräsentanz) stark eingeschränkt bzw. nicht praktikabel Folie 27 von 30

28 V i e l e n D a n k f ü r I h r e A u f m e r k s a m k e i t! Folie 28 von 30

29 Quellenverzeichnis Folie 2 B. Engeser, 2006 (Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie Niedersachsen) Folie 3 (Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung UFZ, Seite nicht mehr verfügbar) (Praxispapier Niedersächsischer Arbeitskreis Sickerwasserprognose) Folie 4/6 In Anlehnung an: B. Engeser, 2006 (Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie Niedersachsen) Folie Folie 11 Folie 12 Bildnachweis: Umweltbundesamt, Fachgebiet II 3.3 Folie 29 von 30

30 Quellenverzeichnis Folie 13 Folie 14/15 Folie 16 Folie Folie 21/22 Bayer. Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen und Bayer. Landesamt für Wasserwirtschaft Folie 23/24 Bayer. Landesamt für Wasserwirtschaft Folie 25 Folie 28 Folie 30 von 30