Grenzüberschreitende Gewässerüberwachung Demonstrationsprojekt zur EU-Wasserrahmenrichtlinie

Transkript

1 Grenzüberschreitende Gewässerüberwachung Demonstrationsprojekt zur EU-Wasserrahmenrichtlinie Horst P. Beck, Christina Klein, Angelika Meyer Chemie Mit dem Inkrafttreten der EU-Wasserrahmenrichtlinie im Dezember 2000 wurde durch das Europäische Parlament ein Ordnungsrahmen für Maßnahmen der Gemeinschaft im Bereich der Wasserpolitik geschaffen. Die dadurch erforderliche internationale Gewässerpolitik hat die koordinierte Bewirtschaftung der Gewässer innerhalb sog. Flussgebietseinheiten über Staatsund Ländergrenzen hinweg und somit eine Harmonisierung des Gewässerschutzes zum Ziel. Darüber hinaus sollen durch den kombinierten Ansatz für Punktquellen und diffuse Quellen erstmals nicht nur punktuelle Eintragsquellen (wie z.b. Direkteinleiter), sondern auch Einträge aus sog. diffusen Quellen erfasst werden. Abb. 1: Untersuchungsgebiet Saar- Lor-Lux und Standorte Die Wasserrahmenrichtlinie der EU schreibt die Betrachtung von Flusseinzugsgebieten auch über Ländergrenzen hinweg vor. Daher sind im Rahmen eines EU LIFE-Projektes in der Region Saar-Lor-Lux Messstationen an zwei grenzüberschreitenden Flüssen installiert worden, mit denen (diffuse) Einträge von Nährstoffen detektiert wurden. Die mobilen Container wurden mit marktüblichen Messgeräten ausgestattet und an ein Datenübertragungsprogramm angeschlossen. Die Anbindung aller Partner sowie der zuständigen Umweltbehörden an dieses Programm ermöglichte eine grenzüberschreitende Gewässerüberwachung. In Anlehnung an diese beiden neuen Aspekte (internationale Betrachtung und kombinierter Ansatz) wurde an der Universität des Saarlandes von September 2001 bis August 2004 ein von der EU gefördertes LIFE-Projekt mit dem Titel: Ferngesteuerte Kontrolle des eutrophierenden Eintrags aus diffusen Quellen in der Region SAAR-LOR- LUX (kurz: Eutroph Monitor ) durchgeführt. Ziel des Projektes mit Teilnehmern aus Deutschland, Luxemburg und Frankreich war es, durch den Aufbau eines mobilen Messnetzes diffuse Einträge in Fließgewässern ermitteln und interpretieren zu können. Zu diesem Zweck wurden kommerziell erhältliche Messgeräte in mobilen Containern kombiniert, welche an verschiedenen Standorten entlang zweier Fließgewässer positioniert wurden. Als Untersuchungsgebiete wurden die Nied als grenzüberschreitender Fluss in Frankreich und Deutschland sowie die Attert (Belgien und Luxemburg) ausgewählt (s. auch Abb. 1) Konzeption der Messcontainer Um die räumliche Flexibilität der Messstationen zu gewährleisten, wurden diese als zweiachsige mobile Anhänger konzipiert (s. auch Abb. 2). Das Flusswasser wurde zunächst mittels einer Pumpe in einen Probentopf innerhalb des Containers gefördert. In diesem Probentopf befanden sich Sonden für die in-situ-messung von Trübung, SAK und Nitrat/Nitrit sowie Sensoren für ph-wert, Leitfähigkeit, Sauerstoff und Redoxpotential. Die Entnahmevorrichtungen der übrigen Messgeräte (Chlorophyll, Ammonium, TOC sowie Ortho- und Gesamt-Phosphat) wurden ebenfalls im Probentopf installiert. Datenübertragung Alle in den Stationen gemessenen Werte wurden vor Ort in einem Datenlogger in fünfminütigen Intervallen gespeichert und konnten so von einem Zentralcomputer via Telefon oder GSM abgerufen werden. Neben den eigentlichen Messwerten konnten auch Informationen von Zusatzgeräten, wie z.b. von Wasserwächtern, Füllstandsanzeigern o.ä. als binäre Signale übertragen werden. Innerhalb des Übertragungsprogrammes konnten zusätzliche Alarm-Funktionen eingerichtet werden, um sowohl für die einzelnen Messgeräte (z.b. Unter- bzw. Überschreiten eines bestimmten Messwertes) als auch für die Zusatzgeräte (z.b. im Falle eines Wassereinbruches) einen Alarm über den Zentralcomputer, ein Fax oder ein Mobil-Telefon zu erhalten, wodurch jederzeit eine Überprüfung des gesamten Systems mittels Fernübertragung ermöglicht wurde. Im weiteren Verlauf des Projektes wurden die in den Messcontainern in Deutschland, Frankreich und Luxemburg ermittelten Rohdaten in einer eigens erstellten Datenbank gespeichert und evaluiert. Durch die Anbindung aller Stationen an das Übertragungssystem und den Zugang zu allen Datenbanken konnte es schließlich den Projektpartnern sowie autorisierten Behörden ermöglicht werden, die Daten jeder Station zu jeder Zeit einzusehen, zeitliche Verläufe festzustellen und Vermagazin forschung 2/2004 7

2 gleiche zwischen verschiedenen Standorten - auch über die Ländergrenzen hinweg - zu ziehen. Interpretation der Daten und Ergebnisse Durch die zum Teil unterschiedliche bzw. redundante Ausstattung der Messcontainer konnten neben den eigentlichen Daten auch zahlreiche Informationen über die Eignung verschiedener Messgeräte, Messmethoden und Arten der Probenvorbereitung gewonnen werden. So wurde beispielsweise ein Container sowohl mit einem online-photometer zur Bestimmung des TOC (Total Organic Carbon, gesamter organischer Kohlenstoff) als auch mit Abb. 2: Schema eines Messcontainers einer SAK-Sonde (Spektraler Absorptionskoeffizient) ausgestattet. Der SAK- Wert kann in vielen Wässern direkt mit dem TOC-Wert korreliert werden und bietet daher eine kostengünstige und wartungsarme Alternative zur aufwendigen TOC-Bestimmung. Zwar konnte auch in diesem Falle eine Korrelation zwischen den beiden Parametern festgestellt werden, bei größeren Einträgen von Feststoffen jedoch reicht die Trübungskompensation der SAK-Sonde nicht mehr aus, und die Messungen können nicht mehr mit den TOC-Werten in Verbindung gebracht werden. Da die TOC-Gehalte ebenso wie die Feststoffkonzentration bei Regenfällen stark ansteigen, wurde aufgrund dieser Störungen schließlich auf die SAK-Messung verzichtet. Darüber hinaus wurden auch zwei verschiedene Methoden zur Ammoniumbestimmung getestet. Es handelte es sich dabei um die an die DIN angelehnte photometrische Indophenol-Blau-Methode sowie um ein gassensitives Verfahren. Letzteres erwies sich aufgrund zahlreicher Probleme bei Handhabung und Reinigung des Gerätes sowie mangelnder Zuverlässigkeit der Messwerte letztendlich als nicht praktikabel. Die Interpretation und Auswertung der gemessenen Daten erforderte eine große Anzahl von Hintergrundinformationen. Zwar konnten Konzentrationsdaten miteinander verglichen und Korrelationen zwischen den einzelnen Parametern aufgezeigt werden, sie gaben jedoch keine Hinweise auf die Gesamtbelastung des Flusses, da diese grundsätzlich in erheblichem Maße von dessen Wasserführung abhängig ist. Um also die Gesamtbelastung der Gewässer feststellen zu können, mussten die ermittelten Konzentrationen mit den Abflussmessungen in Bezug gebracht werden, um die realen Frachten der verschiedenen Parameter zu berechnen. Dies erwies sich gerade im Hinblick auf Einträge aus diffusen Quellen als besonders wichtig, um die Interpretation von Auswaschungsereignissen und Rückschlüsse auf die Herkunft der ermittelten Belastungen zu ermöglichen. Zusätzlich zu diesen theoretischen Betrachtungen wurden zwecks Lokalisierung der diffusen Einträge auch manuelle Beprobungen an den Seitenbächen durchgeführt, um nach dem Stamm- Ast-Prinzip die Eintragspfade zurückverfolgen zu können (s. auch Abb. 5). Neben der Bedeutung der o.g. hydrologischen Daten zeigte sich auch die Wichtigkeit jahreszeitlicher Aspekte sowie der Berücksichtigung von pedologischen, geologischen und nutzungsbedingten Faktoren. Aus diesem Grunde war neben der Betrachtung von Klimadaten eine eingehende Beschreibung des Einzugsgebietes und der einzelnen Standorte unumgänglich. Abb. 3: Vergleich der Nitratkonzentration und des Abflusses (Tagesmittelwerte, Der Vergleich der Messwerte unterschiedlicher Standorte ermöglichte darüber hinaus die Interpretation standorttypischer Besonderheiten und der Dynamik des Stofftransportes auch über nationale Grenzen hinaus. 8 Universität des Saarlandes

3 zeichnen war (grüner Rahmen). Diese Phänomene wiederholten sich, bis schließlich nur noch wenig Nitrat im Boden verblieb und die im Gewässer vorhandene Nitratmenge zurückging (Verdünnung, gelber Rahmen). Abb. 4: Verlauf der Nitratkonzentrationen gegen den Abfluss (Tagesmittelwerte, Abb. 5: Verlauf der Nitratkonzentrationen in den Seitenbächen Einige der gemachten Beobachtungen sind im Folgenden beispielhaft dargestellt: Der Vergleich des Verlaufes der Nitratkonzentration (gemessen in der deutschen Messstation nahe der französischen Grenze unmittelbar neben der Pegel-Station des Landesamtes für Umweltschutz) mit dem Verlauf des Wasserpegels der Nied zeigte generell eine Erhöhung der Nitratwerte parallel zum Ansteigen des Wasserstandes mit einem zeitlichen Versatz von ca. 1,5 Tagen (siehe Abb. 3). Dies ließ den Schluss zu, dass der Hauptteil des Nitrates aus diffusen Quellen stammte und bei Regenereignissen aus den umliegenden Bereichen ausgewaschen wurde. Der zeitliche Versatz deutete auf einen Transport über Interflow hin, bei welchem das Niederschlagswasser zunächst einige Bodenschichten vertikal durchströmt, bevor es schließlich ins Fließgewässer gelangt. Die unter Punkt 1 dargestellten Nitratkonzentrationen wurden in Abb. 4 gegen den Wasserabfluss der Nied im selben Zeitraum aufgetragen. So ließen sich im Zeitverlauf bei länger anhaltenden Regenfällen unterschiedliche Mechanismen von Oberflächenabfluss, Auswaschung und Verdünnung erkennen. Zunächst blieb die Konzentration bei ansteigender Wassermenge (von ca. 1 bis 9 m 3 /s) in etwa konstant, was auf einen reinen Oberflächenabfluss schließen ließ (in der Graphik markiert durch den blauen Rahmen; vgl. auch Punkt 1). Danach folgte eine Phase der intensiven Auswaschung, in der trotz abnehmender Wassermenge ein Anstieg der Nitratgehalte zu ver- Ähnliche Beobachtungen konnten bei den Seitenbächen gemacht werden (siehe Abb. 5): die Nitratkonzentrationen aller Seitenbäche stiegen in Zeiten mit hohen Niederschlägen an. Dabei wurde festgestellt, dass besonders stark belastete Bäche in der Regel landwirtschaftlich intensiv genutzte Gebiete entwässern. Um Rückschlüsse auf den Einfluss dieser Bäche auf das Hauptgewässer ziehen zu können, müssten allerdings die Wassermengen der Bäche und somit die absoluten Frachten der betreffenden Substanzen mitberücksichtigt werden. Neben Nitrat erwies sich Phosphat als aufschlussreicher Parameter. Besonders interessant war dabei die Betrachtung der Differenz zwischen Gesamt-Phosphat und dem gelösten Ortho-Phosphat (siehe Abb. 6). Bei niedrigem Wasserstand zeigten beide Konzentrationskurven für Ortho-Phosphat (in der Graphik als rote Kurve dargestellt) und Gesamt-Phosphat (grüne Kurve) einen parallelen Verlauf. Nahm der Wasserabfluss (blaue Kurve) jedoch zu, so stieg vornehmlich die Konzentration an Gesamt-Phosphat und somit die Differenz der beiden Parameter (violette Kurve). Im Gegensatz zu dem in Abb. 3 dargestellten Nitratverlauf erfolgte dieser Anstieg allerdings zeitgleich mit der Zunahme des Abflusses. Dies konnte darauf zurückgeführt werden, dass die Differenz zwischen den beiden Fraktionen den Anteil an Phosphat darstellt, der an Bodenteilchen gebunden ist und welcher bei einer oberflächlichen Abschwemmung durch Regen unmittelbar in das Gewässer gelangte (parallel dazu konnte auch ein Anstieg der Trübung verzeichnet werden). Eine Gegenüberstellung unterschiedlicher Parameter ließ nicht nur Rückschlüsse auf besondere Standortfaktoren zu, sondern ermöglichte auch die Beurteilung von Eintragspfaden in Anlehnung an die oben genannten Beobachtungen. Typische Konzentrationsverläufe der in der luxemburgischen Station erhobenen Parameter ( Mai 2004) in der Darstellung in der Übertragungssoftware zeigt Abb. 7. magazin forschung 2/2004 9

4 Der blaue Rahmen markiert dabei ein Regenereignis, welches ein Ansteigen des Wasserpegels und des TOC-Gehaltes sowie eine Konzentrationserhöhung von Gesamt-Phosphat und Trübung wie unter Punkt 3 zur Folge hatte. Des Weiteren lässt sich ein Absinken des ph-wertes und der Leitfähigkeit sowie eine Verdünnung des Nitrates erkennen. Letzteres Phänomen konnte lediglich an der Attert in Luxemburg und nicht an den Nied-Standorten beobachtet werden (vgl. auch Punkt 1). Dies legte den Schluss nahe, dass es sich in der Attert nicht um Nitrat aus diffusen Quellen handelt, sondern um Die Arbeitsgruppe zur online-überwachung von Gewässern gehört seit 1996 dem Lehrstuhl für Anorganische und Analytische Chemie und Radiochemie (Leitung: Prof. Dr. H.P. Beck) der Universität des Saarlandes an. Sie befasst sich neben dem Monitoring von Oberflächengewässern auch mit der Untersuchung von Abwässern (vornehmlich industrieller Herkunft). Dabei werden unterschiedliche, kommerziell erhältliche Analysatoren erprobt sowie eigene Entwicklungen im Bereich von online-messystemen eingesetzt. Besondere Bedeutung kommt in diesem Zusammenhang der Fernübertragung der ermittelten Daten zu. Die Arbeitsgruppe wird im Rahmen verschiedener Förderprogramme durch die EU sowie durch das Ministerium für Umwelt des Saarlandes finanziell unterstützt. Derzeit besteht die Arbeitsgruppe aus Dr. Christina Klein (Dipl.-Chem.) und Angelika Meyer (Dipl.-Geogr.). Nitrat, das aus kontinuierlichen Direkteinleitungen (z.b. Kläranlagenabläufen) stammt. Hierfür sprach auch die deutlich höhere Grundkonzentration an Nitrat (ca. 20 mg/l NO 3 - ) im Gegensatz zu den in der Nied ermittelten Werten (ca. 5 mg/l NO 3 - ). Im rot markierten Bereich ist ebenfalls ein Regenereignis zu erkennen, allerdings von deutlich stärkerem Ausmaße, das die gleichen, allerdings sehr sprunghaften Veränderungen der Messwerte nach sich zog. Als Folge dieses Starkregens kam es zu einem Stromausfall und somit zu einem Ausfall der Messgeräte, welcher erst ca. 24 Stunden später behoben werden konnte (schwarzer Rahmen). Zusammenfassung und Ausblick Innerhalb des Projektes Eutroph Monitor ist es gelungen, in Anlehnung an die EU-Wasserrahmenrichtlinie ein Kontrollsystem zur Überwachung von Belastungen aus diffusen Quellen an den Flüssen Nied und Attert zu errichten. Die Fülle und die Kontinuität der erhobenen Messdaten erlaubten die Aufdeckung zahlreicher unterschiedlicher Phänomene. Durch die Anbindung aller Messstationen an das Übertragungssystem konnten zeitliche Verläufe festgestellt und Vergleiche zwischen verschiedenen Standorten gezogen werden. Abb. 6: Vergleich der Konzentrationen von Ortho-Phosphat, Gesamt-Phosphat und deren Differenz sowie der Wassermenge (Tagesmittelwerte, Abb. 7: Vergleich der Konzentrationsverläufe der Parameter während zweier Regenereignisse (Mai 2004) Dank seiner modularen Konzeption kann das System in anderen Flusseinzugsgebieten eingesetzt und an die unterschiedlichsten Fragestellungen angepasst werden. So können letztendlich nicht nur einzelne Gewässer hinsichtlich unterschiedlicher Aspekte überwacht, sondern auch grenzüberschreitende Bewertungen der Einzugsgebiete internationaler Fließgewässer und Flussgebietseinheiten im Sinne der Wasserrahmenrichtlinie durchgeführt werden. Für die finanzielle und praktische Unterstützung des Projektes sei folgenden Behörden herzlich gedankt: Ministerium für Umwelt des Saarlandes (mit Sitz in Saarbücken), Agence de l Eau Rhin- Meuse (mit Sitz in Moulins-Lès-Metz ) und Administration de l Environnement de Luxembourg (mit Sitz in Luxemburg), Landesamt für Umweltschutz des Saarlandes (mit Sitz in Saarbrücken), Gemeinde Rehlingen-Siersburg. 10 Universität des Saarlandes

5