ZUSAMMENFASSENDE AUS- UND BEWERTUNG DER LÄNGSPROFILUNTERSUCHUNGEN IN DER ELBE Abschlußbericht Für den Zeitraum vom bis 30.9.

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1 ERFASSUNG UND BEURTEILUNG DER BELASTUNG DER ELBE MIT SCHADSTOFFEN TEILPROJEKT 2: SCHWERMETALLE SCHWERMETALLSPEZIES BMBF-FORSCHUNGSVORHABEN: 02-WT 9355/4 ZUSAMMENFASSENDE AUS- UND BEWERTUNG DER LÄNGSPROFILUNTERSUCHUNGEN IN DER ELBE Abschlußbericht Für den Zeitraum vom bis Die Elbe von der Quelle bis zur Mündung Rostock Cuxhaven Hamburg Lübeck Elbe Szczecine Berlin N 0 50 km Magdeburg Wittenberg Saale Mulde Schw. Elster Dresden Pramen Labe Bilina Vltava Labe Praha Hradec Králové A. Prange und Mitarbeiter Institut für Physikalische und Chemische Analytik Dezember 1997 Band 1/3

2 ERFASSUNG UND BEURTEILUNG DER BELASTUNG DER ELBE MIT SCHADSTOFFEN TEILPROJEKT 2: SCHWERMETALLE SCHWERMETALLSPEZIES ZUSAMMENFASSENDE AUS- UND BEWERTUNG DER LÄNGSPROFILUNTERSUCHUNGEN IN DER ELBE BMBF-FORSCHUNGSVORHABEN: 02-WT 9355/4 Endbericht Dezember 1997 Projektleiter: A. Prange unter Mitarbeit von: A. Aulinger H. Böddeker E. Bössow B. Erbslöh R. Jablonski E. Jantzen P. Krause P. Leonhardt R. Niedergesäß R. Pepelnik A. Schäfer M. Schirmacher W. v. Tümpling jr. Institut für Physikalische und Chemische Analytik GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH Geesthacht Dezember 1997

3 - I - Inhalt Seitenzahl Verzeichnis der Abbildungen... Verzeichnis der Tabellen... VI XI Danksagung... XIII Vorwort... XV 1 Einleitung und Problemstellung Das Elbstromtal Material und Methoden - Systematische Untersuchungen und Ergebnisse zur Probennahme und Element- und Elementspeziesanalytik Probennahme Durchführung der Probennahme Filtrate und Schwebstoffe der Elbe Elbe-Sedimente Systematische Untersuchungen zur Probennahme Untersuchung der Schwankungen der Schwebstoffkonzentrationen Prüfung auf vorhandene Zusammenhänge zwischen zwei benachbarten Probennahmestellen im Längsprofil der Elbe Element- und Elementspeziesanalysen Filtrate Schwebstoffe und Sedimente Methodenabgleich der Analysen von Sediment-, Schwebstoffund Filtratproben am Beispiel ausgewählter Elemente Elementspeziesanalytik Analytische Qualitätssicherung 57 4 Ergebnisse und Diskussion der Wasser-, Schwebstoff- und Sedimentuntersuchungen im Längsprofil der Elbe Gewässergüteparameter Elementkonzentrationen in der Elbe im Oktober 1993, Mai 1994, September 1995 und April Elbwasserfiltrate Saale-beeinflußte Elementkonzentrationsprofile Individuell geprägte Elementkonzentrationsprofile 74

4 - II - Inhalt Seitenzahl Schwebstoffe Geogen beeinflußte Elemente Anthropogen beeinflußte Elemente Sedimente Geogen beeinflußte Elemente Anthropogen beeinflußte Elemente Verteilung von im Wasser gelösten und partikulär gebundenen Element-Anteilen Auf das Wasservolumen bezogene Konzentrationen von im Wasser gelösten und partikulär gebundenen Elementen Längsprofile der gelösten und partikulären Anteile Längsprofile der prozentualen partikulären Anteile (1995) Medianwerte der prozentualen partikulären Anteile (1995) Mathematisch beschreibbare Zusammenhänge zwischen im Wasser gelösten und partikulär gebundenen Elementen Verteilungskoeffizienten in der Elbe Multivariate lineare Regression PLS-Modellierung Normierte Konzentrationsprofile für Schwebstoffe und Sedimente im Vergleich Normierung auf ein Referenzelement Referenzelement Scandium Gegenüberstellung von unnormierten und Sc-normierten Längsprofilen Resumeé Organometallspezies des Sn, Hg und Pb in Oberflächensedimenten im Längsprofil der Elbe Konzentrationsprofile der Organometallspezies Zinnorganyle Quecksilberorganyle Bleiorganyle Elementmusterverteilungen bei Filtraten, Schwebstoffen und Sedimenten im Elbelängsschnitt Elementmusterverteilungen bei den Filtraten Ähnlichkeiten der Elemente Ähnlichkeiten der Probennahmestellen 176

5 -III- Inhalt Seitenzahl 5.2 Elementmusterverteilungen bei den Schwebstoffen Ähnlichkeiten der Elemente Ähnlichkeiten der Probennahmestellen Elementmusterverteilungen bei den Oberflächensedimenten Ähnlichkeiten der Elemente Ähnlichkeiten der Probennahmestellen Bewertung der Ergebnisse Vergleich der Elementkonzentrationen der Filtrate mit Standardwerten Vergleich mit Trinkwassergrenzwerten Vergleich mit typischen Elementgehalten anderer Fließgewässer Vergleich der Elementkonzentrationen der Schwebstoffe mit neuen und alten geogenen Referenzwerten Vergleich mit den Elbe-relevanten geogenen Hintergrundwerten Vergleich mit dem Internationalen Tongesteinstandard Vergleich der Elementkonzentrationen der Sedimente mit neuen und alten geogenen Referenzwerten Vergleich mit den Elbe-relevanten geogenen Hintergrundwerten Vergleich mit dem Internationalen Tongesteinstandard Empfehlungen für die Umsetzung in die Praxis Zusammenfassung Literaturverzeichnis

6 - IV - Inhaltsverzeichnis des Anhangs Band 2/3 Grafische Darstellung der Längsprofile - Filtrate, Schwebstoffe, Sedimente - Seitenzahl 1 Vorwort 5 2 Probennahmeorte 7 3 Abflußdaten 11 4 Elbelängsprofilgrafiken Elbelängsprofilgrafiken der untersuchten Gewässergüteparameter 15 Erläuterungen zu den Grafiken 16 Temperatur T 17 ph-wert ph 21 elektrische Leitfähigkeit Lf. 25 Schwebstoffgehalt SPM 29 Sauerstoff O 2 33 Gesamt-Stickstoff N-ges. 37 Gesamt-Phosphor P-ges. 41 adsorbierbare org. Halogenide AOX Elbelängsprofilgrafiken der untersuchten Elemente für die Filtrat-, Schwebstoff- und Sedimentbeprobungen sowie die Sc-normierten Konzentrationen 49 Erläuterungen zu den Grafiken 50 Element Formelzeichen Aluminium Al 51 Antimon Sb 59 Arsen As 67 Barium Ba 75 Beryllium Be 83 Bismut Bi 91 Blei Pb 97 Bor B 105 Brom Br 113 Cadmium Cd 119 Calcium Ca 127 Cäsium Cs 135 Cer Ce 143 Chrom Cr 151 Cobalt Co 159 Dysprosium Dy 167 Eisen Fe 173 Erbium Er 181 Europium Eu 187

7 - V - Inhaltsverzeichnis des Anhangs Band 2/3 Seitenzahl Element Formelzeichen Gadolinium Gd 195 Gallium Ga 201 Germanium Ge 209 Gold Au 217 Hafnium Hf 223 Holmium Ho 229 Kalium K 235 Kupfer Cu 243 Lanthan La 251 Lithium Li 259 Lutetium Lu 267 Magnesium Mg 273 Mangan Mn 281 Molybdän Mo 289 Natrium Na 297 Neodym Nd 305 Nickel Ni 313 Niob Nb 321 Phosphor P 327 Praseodym Pr 335 Quecksilber Hg 343 Rubidium Rb 349 Samarium Sm 357 Scandium Sc 363 Schwefel S 367 Selen Se 375 Silber Ag 381 Strontium Sr 387 Tantal Ta 395 Terbium Tb 401 Thallium Tl 407 Thorium Th 415 Thulium Tm 421 Titan Ti 427 Uran U 435 Vanadium V 443 Wolfram W 451 Ytterbium Yb 459 Yttrium Y 465 Zink Zn 473 Zinn Sn 481 Zirconium Zr Danksagung 495

8 -VI- Verzeichnis der Abbildungen Seitenzahl 2.1 Höhenprofil im Längsschnitt der Elbe Das Einzugsgebiet der Elbe Elbequelle im Riesengebirge in 1384 m Stausee bei Spindler Mühle Chemiekombinat Synthesia mit Klärwerk, Absetzbecken und Einleiter Zusammenfluß von Elbe, Moldau und Moldaukanal bei Melnik Wehr Strekov mit Burg Schreckenstein bei Ústí nad Labem Mündung der Bilina (Einleitung der Spolchemie) in Ústí nad Labem Decín nahe der deutsch/tschechischen Grenze Festung Königstein im Elbsandsteingebirge Elbe in Dresden Mündung der Schwarzen Elster Mündung der Mulde Mündung der Saale Elbe in Magdeburg Havelberg mit Havel, Stichkanal und Gnevsdorfer Vorfluter Wehrgruppe Quitzöbel Mündung der Havel über den Gnevsdorfer Vorfluter Wehr Geesthacht Süderelbe mit Köhlbrandbrücke im Hamburger Hafen Brunsbüttel mit Schleusenanlagen zum Nord-Ostsee-Kanal Kugelbake bei Cuxhaven, Mündung der Elbe in die Deutsche Bucht Abflüsse der Elbe und einiger Nebenflüsse Karte der Probennahmepositionen Probennahme aus dem Helikopter im Hamburger Hafen Sedimentprobennahme mit modifiziertem Flachgreifer Probennahmen für systematische Untersuchungen Schwankungen des Schwebstoffgehaltes bei Schmilka Schwankungen des Schwebstoffgehaltes bei Roßlau Schwankungen des Schwebstoffgehaltes in der Muldemündung Schwankungen des Schwebstoffgehaltes bei Breitenhagen Vergleich der Zn-Beladung bei Beprobung vom Hubschrauber und Schiff Vergleich der Al-Beladung bei Beprobung vom Hubschrauber und Schiff Methodenvergleich von Strontiumanalysen in Elbwasserfiltraten Methodenvergleich von Bariumanalysen in Elbwasserfiltraten Vergleich der Aufschlußmethoden vom Sediment MESS Vergleich der Aufschlußmethoden vom Elbsediment ES Vergleich der Aufschlußmethoden der Sedimente MESS-1 und ES Methodenvergleich von Mangananalysen in Elbe-Sedimenten 50

9 - VII - Verzeichnis der Abbildungen Seitenzahl 3.18 Methodenvergleich von Zinkanalysen in Elbe-Sedimenten Methodenvergleich von Kaliumanalysen in Elbe-Schwebstoffen Methodenvergleich von Nickelanalysen in Elbe-Schwebstoffen Fließdiagramm zur Probenvorbereitung für Speziesanalysen GC-ICP-MS-Kopplung zur Bestimmung von Organometallspezies Ergebnisse der Ringanalyse von schwebstoffbürtigem Sediment Wassertemperaturen 1995 / ph-werte 1994 / Elektrische Leitfähigkeiten 1993 / Schwebstoffgehalte 1995 / Sauerstoffgehalte 1993 / Stickstoffgehalte 1995 / Phosphorgehalte 1995 / Gehalte an adsorbierbaren organischen Halogeniden 1993 / Natrium-Konzentrationen in Filtraten 1993 / Uran-Konzentrationen in Filtraten 1994 / Lithium-Konzentrationen in Filtraten 1993 / Kupfer-Konzentrationen in Filtraten 1994 / a Zink-Konzentrationen in Filtraten 1993 / b Zink-Konzentrationen in Filtraten 1994 / Cadmium-Konzentrationen in Filtraten 1995 / Antimon-Konzentrationen in Filtraten 1995 / a Arsen-Konzentrationen in Filtraten 1993 / b Arsen-Konzentrationen in Filtraten 1994 / a Nickel-Konzentrationen in Filtraten 1993 / b Nickel-Konzentrationen in Filtraten 1994 / Wolfram-Konzentrationen in Filtraten 1993 / Cer-Konzentrationen in Filtraten Rubidium-Konzentrationen im Schwebstoff 1995/ Hafnium-Konzentrationen im Schwebstoff 1994/ Cer-Konzentrationen im Schwebstoff 1995/ a Quecksilber-Konzentrationen im Schwebstoff 1993/ b Quecksilber-Konzentrationen im Schwebstoff 1994/ a Uran-Konzentrationen im Schwebstoff 1993/ b Uran-Konzentrationen im Schwebstoff 1995/ Silber-Konzentrationen im Schwebstoff 1993/ Antimon-Konzentrationen im Schwebstoff 1993/ Chrom-Konzentrationen im Schwebstoff 1993/ Arsen-Konzentrationen im Schwebstoff 1993/

10 -VIII- Verzeichnis der Abbildungen Seitenzahl 4.29 Blei-Konzentrationen im Schwebstoff 1993/ Zink-Konzentrationen im Schwebstoff 1993/ Cadmium-Konzentrationen im Schwebstoff 1993/ Zinn-Konzentrationen im Schwebstoff 1993/ Cobalt-Konzentrationen im Schwebstoff 1993/ Wolfram-Konzentrationen im Schwebstoff 1993/ Rubidium-Konzentrationen im Sediment 1992/ Lanthan-Konzentrationen im Sediment 1992/ Magnesium-Konzentrationen im Sediment 1992/ Quecksilber-Konzentrationen im Sediment 1992/ Silber-Konzentrationen im Sediment 1992/ Cadmium-Konzentrationen im Sediment 1992/ Uran-Konzentrationen im Sediment 1992/ a gelöste und partikuläre Anteile von Arsen: 1993, b gelöste und partikuläre Anteile von Arsen: 1994, a gelöste und partikuläre Anteile von Kupfer: 1993, b gelöste und partikuläre Anteile von Kupfer: 1994, a gelöste und partikuläre Anteile von Zink: 1993, b gelöste und partikuläre Anteile von Zink: 1994, a gelöste und partikuläre Anteile von Blei: 1993, b gelöste und partikuläre Anteile von Blei: 1994, gelöste und partikuläre Anteile von Uran und Antimon: gelöste und partikuläre Anteile von Vanadium und Cadmium: gelöste und partikuläre Anteile von Eisen und Cer: Prozentuale partikuläre Anteile von Uran und Antimon: Prozentuale partikuläre Anteile von Arsen und Nickel: Prozentuale partikuläre Anteile von Barium und Rubidium: Prozentuale partikuläre Anteile von Phosphor und Kupfer: Prozentuale partikuläre Anteile von Wolfram und Vanadium: Prozentuale partikuläre Anteile von Zink und Cobalt: Prozentuale partikuläre Anteile von Beryllium und Cadmium: Prozentuale partikuläre Anteile von Cäsium und Mangan: Prozentuale partikuläre Anteile von Titan und Blei: Prozentuale partikuläre Anteile von Eisen und Cer: Prozentuale partikuläre Anteile der Elemente: Wasser-Schwebstoff-Verteilungskoeffizienten der Elbe 1993, 1994, Wasser-Schwebstoff-Verteilungskoeffizienten im Elbelängsprofil Oktober ' Vergleich der gemessenen Elementkonzentrationen im Schwebstofflängsprofil der Elbe mit modellierten Ergebnissen für September

11 -IX- Verzeichnis der Abbildungen Seitenzahl 4.63 Streudiagramme von Li, Al, Rb, Cs zu Scandium Streudiagramme von V, Ti, Th, Fe zu Scandium a Sc-Konzentrationen in den Schwebstoffen der Elbe b Sc-Konzentrationen in den Sedimenten der Elbe a Al-Konzentrationen in den Schwebstoffen und Sedimenten der Elbe b Sc-normierte Al-Konzentrationen in den Schwebstoffen und Sedimenten Sc-normierte V-Konzentrationen in den Schwebstoffen und Sedimenten Sc-normierte Cs-Konzentrationen in den Schwebstoffen und Sedimenten Sc-normierte Eu-Konzentrationen in den Schwebstoffen und Sedimenten Sc-normierte Ta-Konzentrationen in den Schwebstoffen und Sedimenten a Zn-Konzentrationen in den Schwebstoffen und Sedimenten der Elbe b Sc-normierte Zn-Konzentrationen in den Schwebstoffen und Sedimenten a Hg-Konzentrationen in den Schwebstoffen und Sedimenten der Elbe b Sc-normierte Hg-Konzentrationen in den Schwebstoffen und Sedimenten a Pb-Konzentrationen in den Schwebstoffen und Sedimenten b Sc-normierte Pb-Konzentrationen in den Schwebstoffen und Sedimenten Tetrabutylzinn in Oberflächensedimenten der Elbe Tributylzinn in Oberflächensedimenten der Elbe Dibutylzinn in Oberflächensedimenten der Elbe Monobutylzinn in Oberflächensedimenten der Elbe Methylquecksilber in Oberflächensedimenten der Elbe Methylethylblei in Oberflächensedimenten der Elbe Dendrogramm der Elemente in den Filtraten Dendrogramm der Elemente in den Filtraten Dendrogramm der Elemente in den Filtraten Dendrogramm der Elemente in den Filtraten Elementgruppen der Elbwasser-Filtrate Elementmuster der Filtrate 1993, Elementmuster der Filtrate 1995, Elbabschnitte mit unterschiedlichen Elementmustern in den Filtraten Dendrogramm der Elemente in den Schwebstoffen Dendrogramm der Elemente in den Schwebstoffen Dendrogramm der Elemente in den Schwebstoffen Dendrogramm der Elemente in den Schwebstoffen Elementgruppen der Elbe-Schwebstoffe Elementmuster der Schwebstoffe 1993, Elementmuster der Schwebstoffe 1995, Elbabschnitte mit unterschiedlichen Elementmustern in den Schwebstoffen Dendrogramm der Elemente in den Sedimenten

12 -X- Verzeichnis der Abbildungen Seitenzahl 5.18 Dendrogramm der Elemente in den Sedimenten Elementgruppen der Elbe-Sedimente Elementmuster der Sedimente 1992, Elbabschnitte mit unterschiedlichen Elementmustern in den Sedimenten Verhältnis der Medianwerte der Elementkonzentrationen in Elbwasserfiltraten zu den Trinkwasser-Grenzwerten Verhältnisse der Mediane der Elementkonzentrationen der Elbeschwebstoffe im Vergleich zu den elbspezifischen geogenen Hintergrundwerten Verhältnisse der Mediane der Elementkonzentrationen der Elbeschwebstoffe im Vergleich zum Internationalen Tongesteinstandard Verhältnisse der Mediane der Elementkonzentrationen in den Elbsedimenten im Vergleich zu den elbspezifischen geogenen Hintergrundwerten Verhältnisse der Mediane der Elementkonzentrationen der Elbsedimente im Vergleich zum Internationalen Tongesteinstandard 222

13 -XI- Verzeichnis der Tabellen Seitenzahl 2.1 Stauobjekte in Tschechien Wasser-Abflüsse während der Kampagnen Probennahmeorte Zusammenhang aufeinanderfolgender Probennahmeorte für die Elementkonzentrationen in den Filtraten Zusammenhang aufeinanderfolgender Probennahmeorte für die Elementkonzentrationen in den Schwebstoffen Zusammenhang aufeinanderfolgender Probennahmeorte für die Elementkonzentrationen in den Sedimenten Methodenvergleich für das Elbsediment ES Wiederfindungsraten verschiedener Aufschlußprozeduren Genauigkeit und Richtigkeit der Natriumtetraethylborat-Methode Ringanalyse von schwebstoffbürtigem Sediment (1995) Ringanalyse (1997) Bodenprobe Ringanalyse (1997) Bodenprobe Toxizitäten von Tributylzinn Vergleich von Medianwerten der Elementkonzentrationen in Elbwasserfiltraten mit Trinkwasser-Grenzwerten Vergleich der Medianwerte der Elementkonzentrationen in Elbwasser und Fließgewässern Vergleich der elbspezif. geogenen Hintergrundwerte mit den Medianwerten der Elementkonzentrationen der Elbe-Schwebstoffe Vergleich der Elementgehalte der Elbe-Schwebstoffe mit denen des Internationalen Tongesteinstandards Vergleich der Medianwerte der Elementkonzentrationen der Elbsedimente mit denen der elbspezif. geogenen Hintergrundwerte Vergleich der Mediane der Elementkonzentrationen der Elbsedimente mit denen des Internationalen Tongesteinstandards 221