Integration, Analyse und interaktive Visualisierung von Daten für das Risikomanagement großräumig kontaminierter Standorte

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1 Integration, Analyse und interaktive Visualisierung von Daten für das Risikomanagement großräumig kontaminierter Standorte Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer.nat.) Vorgelegt der Naturwissenschaftlichen Fakultät III der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg Von Herrn Tilmann Steinmetz Geboren am in Stuttgart Gutachter: 1. Prof. Dr. P. Wycisk, Uni Halle 2. Prof. Dr. B. Meißner, TFH Berlin Halle (Saale), 14. Dezember 2007 urn:nbn:de:gbv: [

2 Abstract In order to give sound advice for sustainable future land use in the surroundings of large scale groundwater contamination ecological and human health risk assessment are required. The process according to US EPA is discussed as well as the applicablility to german setups. The complexity of such a risk assessment arises from the multitude of parameters and models involved. Underground geology, comprised of a large number of heterogeneous volumetric bodies of differing permeability and the resulting flow regime, land use data, juridical numbers as well as toxicological and exposition parameters have to be included. These data must be available to those working on the assessment in order to give them a comprehensive understanding of the coupled processes involved. Data manipulation comprises statistical analyses and (geostatistical) interpolation, storage in and querying from databases and analysis and visualization in interactive 3-dimensional model presentations. An exemplary risk assessment study in the context of human health and ecological risk assessment at the large scale groundwater contamination site of Bitterfeld-Wolfen is shown that uses the traditionally employed proprietary software tools. A system is presented, which comprises a geo information system (GIS) and spatial databases in a content management system framework with a web-based interface that can be used as a collaborative decision support system. This study forms the basis to demonstrate how an integration of these tools into an application server which runs in a content management system framework can streamline and optimize the workflow for the preparation of decision relevant risk assessment reports. Kurzzusammenfassung Um konkrete Handlungsempfehlungen für Entscheidungen zu geben, welche die zukünftige Landnutzung im Umfeld von großräumig kontaminiertem Grundwasser betreffen, ist eine human- und ökotoxikologische Risikoabschätzung erforderlich. Die Verfahrensweise bei einer solchen Risikoabschätzung nach den Verfahren der US-Umweltbehörde EPA wird beschrieben und erklärt. Es wird diskutiert, inwiefern das Verfahren und die Software Anwendung in Deutschland finden können. Die Komplexität einer solchen Risikoabschätzung erwächst aus der Vielzahl der beteiligten Parameter und Modelle, die dafür zu betrachten sind. Angefangen bei der Untergrundgeologie, bestehend aus einer großen Menge heterogen aufgebauter Volumenkörper unterschiedlicher Durchlässigkeit und dem sich darin einstellenden Strömungsregime, über Landnutzungsdaten, gesetzliche Vorgaben zu Qualitätszielen bis hin zu toxikologischen und Expositionsparametern werden unterschiedliche Wissensdomänen berührt. Diese Daten sollen in einer gekoppelten Darstellung dem Bearbeiter zur Verfügung gestellt werden, um ein umfassendes Prozeßverständnis zu gewinnen. Die Bearbeitung der Punkt-Meß-Daten umfasst die statistische Untersuchung und Regionalisierung mittels (geostatistischer) Interpolation, ihre Speicherung in Datenbanken sowie Analyse und Visualisierung in interaktiven, 3- dimensionalen Darstellungen. Am Beispiel der großräumigen Grundwasserkontamination im ehemaligen Chemiedreieck von Bitterfeld-Wolfen wird dargestellt, wie die Vorgehensweise bei der human- und ökotoxikologischen Risikoabschätzung ist und wie die bisher verwendeten separaten Software-Bestandteile diese unterstützen. Es wird ein System vorgestellt, welches die web-gestützte Zusammenarbeit zur Entscheidungsunterstützung bei der risikobasierten Beurteilung kontaminierter Standorte ermöglicht. Es integriert Geoinformationssysteme (GIS), Datenbanken und Anwendungen in ein Content Management Framework, welches als Applikationsserver dient. Schliesslich wird gezeigt, auf welche Weise der Arbeitsablauf durch Integration der Ausgangsdaten, Analysen und Ergebnisse in den Applikationsserver optimiert wird. Das Resultat ist eine vereinfachte und beschleunigte Bearbeitung bei der entscheidungsrelevanten Aufbereitung der komplexen Ausgangsdaten für ein besseres Gesamtverständnis der Risikosituation, die durch den vorgegebenen Workflow qualitätsgesichert ist.

3 Inhalt 1 EINFÜHRUNG Vorwort Aufgabenstellung Entscheidungsunterstützung Regionalisierung Risikoabschätzung Integriertes Informationssystem Einbindung in Geodateninfrastrukturen und Schnittstellen Vorangegangene Untersuchungen Projekteinbindung Aufbau der Arbeit Gebietsbeschreibung Projektgebiet Geologie Hydrogeologie Schadstoffinventar Methoden der Datenbearbeitung Räumliche Explorative Datenanalyse Regionalisierung durch Geostatistik Methodenintegration zur Entscheidungsunterstützung 18 2 RISIKOABSCHÄTZUNG - RISK ASSESSEMENT RA Motivation für RA an industriellen megasites Anwendbarkeit im vorliegenden Projekt Methoden und Definitionen Ablaufschema Definitionen Risikoberechnung Grenzwerte, Qualitätsziele, Risikomaße Software RBCA RISC SADA 45

4 3 ENTSCHEIDUNGSUNTERSTÜTZUNGSSYSTEME Anforderungen an DSS und Definition Geschichte der DSS DSS im Umweltschutz Aufgaben von DSS im Umweltschutz Risk Assessment Workflow-Management DSS System-Anforderungsprofil im vorliegenden Projekt Fähigkeiten des Systems Ausblick 56 4 DATEN, SOFTWARE UND METHODEN Datenmanagement Datenvorbereitung Datenbanken Formularbasierte Werkzeuge Geo-Informations-Systeme Datenbeurteilung Explorative Räumliche Datenanalyse Regionalisierung/Interpolation 68 5 INTEGRIERTES DATENMANAGEMENT Arbeitsablauf ohne Systemintegration Integration durch das Content Management System Plone/ZOPE Workflow Management PrimaGIS/Zmapserver RStatServer / R Analysendurchführung 94 6 ERGEBNISSE Regionalisierung Explorative Datenanalyse Beschreibende Statistik D-Interpolation Diskussion D-Interpolation Diskussion Risk Assessment 103

5 6.2.1 Expositionspfade Vorgehensweise Diskussion Qualitätsziele SADA D-Visualisierung ArcScene Google Earth VRML Systemintegration Erfolg Diskussion SCHLUSSFOLGERUNGEN UND AUSBLICK LITERATUR ANHANG Übersicht der verwendeten Daten Tabellen Beispiel-Bericht Interpolationen Skripte BILDUNGSGANG EIDESSTATTLICHE ERKLÄRUNG 162

6 Glossar und Akronyme API Application Programming Interface ArcMap GIS-Produkt von ESRI ATKIS Amtliches Topographisch-Kartographisches Informations System CAD Computer Aided Design CIR Color Infra Red CLARINET Contaminated Land Rehabilitation Network for Environmental Decision Support CMF Content Management Framework CMS Content Management System CORINE Coordination of Information on the Environment DSS Decision Support Systems/ Entscheidungsunterstützungssystem(e) ESRI Environmental Spatial Research Institute FreeBSD Freies UNIX- ähnliches Betriebssystem GIS Geoinformationssystem GMS Groundwater Modeling System GOK Geländeoberkante GUI Graphical User Interface: grafische Benutzeroberfläche für Software GWL Grundwasserleiter IELCR individual excess lifetime cancer risk INSPIRE INfrastructure for SPatial InfoRmation in Europe EU-Initiative zum Aufbau von Geodateninfrastrukturen JRC Joint Research Center KML Keyhole Markup Language- XML Dialekt zur Darst. von Geometrien in Google Earth LAWA Länderarbeitsgemeinschaft Wasser LD Lethale Dosis LOEL Lowest observed effect level MAT multi attribute analysis MCA multi criteria analysis MCL Maximum contaminant level MODFLOW Grundwassermodellierungssystem MT3D Modflow Preprocessor NICOLE Network for Industirally Contaminated Land in Europe NOAEL No observed adverse effect level OGC Open Geospatial Consortium ORNL Oak Ridge National Laboratory PHP PHP Hypertext Processor Plone Content Management System, basiert auf ZOPE Postgis Erweiterung für räumliche Daten in PostgreSQL PostgreSQL Ein freies Relationales Datenbanksystem (RDBMS) Python Freie Programmiersprache, Grundlage für ZOPE RA RAGS Risk Assessment: Riskikoabschätzung Risk Assessment Guidance for Superfund RAM Risk Assessment Werkzeug der BP Oil AG RBCA Risk Based Corrective Action Risikobasierte Sanierungsanweisung RBSL Risk Based Screening Level risikobasierter Prüfwert RDBMS Relational Database Management System RfC Reference Concentration/Ref.-konz. zur Abschätz. Inhalativer n.-kanz. Risiken RfD Reference Dose/Referenzdosis zur Abschätzung nicht-kanzerogener Risiken SADA Spatial Analysis and Decision Assistence SAFIRA Sanierungsforschung in Regional Kontaminierten Aquiferen SDE Spatial Database Engine ESRIs räuml. Erweiterung kommerzieller RDBMS, Aufgaben etwa entsprechend denen von Postgis SF Slope Factor (für kanzerogene Risikoanschätzung) SOAP Simple Object Access Protocol Netzprotokoll zum Zugriff auf Objekte und Anwendungen über ein Netzwerk SRTM Shuttle Radar Topography Mission SSTL Site specific target level (Sanierungszielwert) UMN Mapserver University of Minnesota Mapserver gängigster freier Kartenserver mit OGC-konformer WFS-Server-Fähigkeit US EPA United States Environmental Protection Agency Web Services stellen ganz allgemein eine Schnittstelle zu Daten dar, die über das Internet zugänglich gemacht werden sollen ( WMS, WFS, WCS, Metadatenservice) WHO World Health Organization (Weltgesundheitsorganisation) WFS Web Feature Service WMS Web Map Service XML Extensible Markup Language - Datenformat ZOPE Content Management System-Baukasten, programmiert in Python