Stoffeinträge von Schwermetallen in Oberflächengewässer in Deutschland

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1 Stoffeinträge von Schwermetallen in Oberflächengewässer in Deutschland Modeling of Regionalized Emissions (MoRE) Stephan Fuchs, Stephan Hilgert, Tatyana Rogozina, Ramona Wander Simon Höllering, Jürgen Ihringer und Ulrike Scherer INSTITUT FÜR WASSER UND GEWÄSSERENTWICKLUNG, BEREICH SIELDUNGSWASSERWIRTSCHAFT UND WASSERGÜTEWIRTSCHAFT FAKULTÄT FÜR BAUINGENIEUR-, GEO- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Modellstruktur MoRE

3 Benutzeroberfläche MoRE I

4 Benutzeroberfläche MoRE II

5 Struktur und Begriffe Formel Beschreibung der Formel Definition der Ergebnisvariablen Erzeugung von Berechnungsvarianten z.b. gesamte landwirtschaftliche Fläche Rechenweg Sequenz von Formeln bzw. Rechenschritten z.b. gesamte Ackerfläche landwirtschaftlichen Flächen dränierte Fläche Rechenstapel Sequenz von Rechenwegen z.b. Eintragspfad, Wasserblianz, Flächebilanz etc

6 Rechenstapel Eintrag via Dränagen Eingangsdaten Dränierte Flächen Rechenschritt 3 Rechenschritt 2 Zwischenergebnis wird für weitere Berechnungen genutzt Rechenschritt

7 Rechenstapel Eintrag via Dränagen Eingangsdaten Dränabfluss Rechenschritt 4 Rechenschritt 5 Zwischenergebnis wird für weitere Berechnungen genutzt

8 Rechenstapel Eintrag via Dränagen Eingangsdaten Fracht Rechenschritte 6 Endergebnis

9 Visualisierung MoRE

10 Eigenschaft der MoRE-Implementierung Flexibilität Neue Variablen und Berechnungsansätze können ohne Programmieraufwand integriert werden Neue Substanzen können einfach aufgenommen werden Außer den Grunddaten besteht keine Mindestanforderung an Datenumfang und -qualität Dokumentation Alle Eingangsdaten sind über Metadaten dokumentiert (Ursprung, Gültigkeit...) Alle Rechenoperationen sind in Form von Flowcharts hinterlegt Eine strikte Versionskontrolle ist integriert Alle Operationen können mit ausführlichem Protokoll ausgeführt werden Einfache und kohärente Struktur Alle Daten und Ansätze sind in einer Datenbank zusammengefasst Komplexe Eintragspfade sind in überschaubare Einzelschritte zerlegt Kein programmierter Rechenkern

11 Implementierte Eintragspfade und Stoffe Pfade mit punktförmigen Quellen: kommunale Kläranlagen industrielle Direkteinleiter historischer Bergbau Pfade mit diffusen Quellen: Kanalisationssysteme Oberflächenabfluss Erosion Grundwasser Drainagen Stoffe Schwermetalle: org. Schadstoffe : Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn PAK direkte atmosphärische Depositionen auf die Gewässeroberfläche

12 Schwermetalleinträge Deutschland 100% 80% 60% 40% 20% 0% Cd Cr Cu Hg Ni Pb Zn t/a 9, Industrielle Direkteinleiter Kommunale Kläranlagen Altbergbau Urbane Systeme Erosion Oberflächenabfluss Drainagen Grundwasserzufluss Atmosphärische Deposition

13 Fachliche Weiterentwicklungen Integration eines neuen hydrologischen Ansatzes, basierend auf Hydrological Responds Units, Tageswerten zu Niederschlag, Temperatur und Verdunstung Integration neuer Grundlagendaten zur Berechnung des Bodenabtrags, basierend auf DLM zur präzisieren Ermittlung der Landwirtschaftsflächen, verbesserten Faktoren für Abtragsberechnung Generierung neuer Eingangsdaten zur versiegelten Fläche, basierend auf Corine Landcover 2006 und Versiegelungskarte FTSP (Fast Track Service Precursor on Land Monitoring) Auflösung von 30m Entwicklung regionalisierter Oberflächenpotenziale, basierend auf Fortschreibung und Analyse von Verschmutzungsdaten zu Misch- und Regenwasser Verbesserung der Eingangsdatenbasis für Kläranlagen durch koordiniertes Monitoring

14 Neue Eingangsdaten - versiegelte Flächen Corine Landcover 2006 innerörtliche versiegelte Fläche FTSP (Versiegelungsgrade) 2006 Fläche alt: km² Fläche neu: km²

15 Neue Eingangsdaten - Oberflächenpotenzial Ableitung von urbanen und ländlichen Konzentrationen aus Datenpool (basierend auf europaweiter Recherche) regionalisiertes Oberflächenpotenzial Ausweisung von Agglomerationsräumen/großen Städten mit einem hohen OF-Potenzial: z.b. Ruhrgebiet Berlin Frankfurt am Main Hamburg München

16 Zn-Einträge in der Weser - Vergleich der Varianten 100% 80% 60% Industrielle Direkteinleiter Kommunale Kläranlagen Altbergbau Urbane Systeme Erosion 40% 20% 0% Basisvariante Variante 1 Variante t/a 370 t/a 405 t/a Oberflächenabfluss Drainagen Grundwasserzufluss Atmosphärische Deposition

17 Modellierte Gewässerfracht [kg/a] Zn, Emissions-, Immissionsvergleich Beobachtete Gewässerfracht [kg/a] Basisvariante Variante

18 Zinkeinträge in der Weser - Vergleich der flächenspezifischen Einträge Prof. Max Mustermann - Präsentationstitel

19 Diffuse Quellen Punktquellen Hg-Einträge - Analyse der Situation in Deutschland Eintragspfad Wert Einheit Massenanteil Kommunale Kläranlagen 938,59 kg/a 35,3 % Industrielle Direkteinträge 130,76 kg/a 4,9 % Mögliche Verbesserung :! Plausibilitätskontrolle der Primärdaten Hg-Ablaufkonzentration von Kläranlagen Altbergbau 10,25 kg/a 0,4 % Urbane Systeme 400,93 kg/a 15 % Drainagen 350,20 kg/a 13,2 % Regionalisiertes OF-Schadstoffpotenzial von der versiegelten Flächen Grundwasser 320,26 kg/a 12 % Erosion 296,80 kg/a 11,3 % Oberflächenabfluss 152,56 kg/a 5,7 % Atmosphärische Deposition 68,43 kg/a 2,6 % Summe kg/a 100 % Ubiquitärer Pfad: Auflösung der Rasterdaten!

20 Hg-Konzentrationen im Kläranlagenablauf Aus Abfrage 2005, bisher berücksichtigt 0,1µg/l (Dominanz der Werte < BG von 0,2 µg/l) Aus der Rückrechnung von Klärschlammkonzentrationen 0,01 µg/l (C_KS = 1mg/kg TS, C_TS = 10 mg/l) Aus Sondermessprogramm Hessen 0,002 µg/l (BG 0,002 µg/l, Werte > BG 45 %) Aus Kläranlagenuntersuchung UBA Wien 0,038 µg/l (Einzelwert, alle weiteren Messungen < BG von?? µg/l) Aus Auswertung 2010, Datenbank UBA-Dessau 0,06 0,1 µg/l (4.449 Messwerte, BG= 0,0001 bis 0,2, Werte > BG 9 %)

21 Frachtanteil der Pfade bei geänderter Kläranlagenablaufkonzentration Abwassermenge in Mio m Kläranlagenablaufkonzentration in µg/l 0,1 0,01 0,002 Eintragspfad Wert Anteil Wert Anteil Wert Anteil Kommunale Kläranlagen 939 kg/a 35% 94 kg/a 5% 19 kg/a 1% Industrielle Direkteinleiter 131 kg/a 5% 131 kg/a 7% 131 kg/a 7% Altbergbau 10,2 kg/a 0% 10,2 kg/a 1% 10 kg/a 1% Urbane Systeme 401 kg/a 15% 401 kg/a 22% 401 kg/a 23% Dainagen 350 kg/a 13% 350 kg/a 19% 350 kg/a 20% Grundwasser 320 kg/a 12% 320 kg/a 18% 320 kg/a 18% Erosion 297 kg/a 11% 297 kg/a 16% 297 kg/a 17% Oberflächenabfluss 153 kg/a 6% 153 kg/a 8% 153 kg/a 9% Atmosphärische Deposition 66 kg/a 2% 66 kg/a 4% 66 kg/a 4% Summe kg/a 100% kg/a 100% kg/a 100%

22 Valide Datenbasis im Bezug auf Kläranlagen Gezieltes und abgestimmte Monitoring (1 Jahr) Teilnahme am Messprogramm ca (repräsentativ über DE verteilte) Anlagen unterschiedlicher Ausbaugröße (TS/MS) Probenahme, Analytik, Datenarchivierung nach gemeinsamen Protokoll Analysen mit einheitlich niedriger BG Getrennte Berücksichtigung der gelösten und feststoffgebundenen Anteile Koordinierte Auswertung der erhobenen Daten Vergleichbarkeit der Ergebnisse!