Auswirkungen eines geplanten Grüngürtels in den Stadtteilen Duisburg-Marxloh und Duisburg-Bruckhausen/Beeck auf die Ausbreitung von Feinstaub Gutachten im Auftrag des Amtes für Umwelt und Grün der Stadt Duisburg - Kurzfassung Textteil - Erstellt von Priv.-Doz. Dr. Michael Bruse Bearbeiter: Dr. Michael Bruse Dipl.-Geogr in. Annekathrin Ihde Essen, im Mai 2007
Gutachten Grüngürtel Bruckhausen/Beeck und Marxloh, Teil Lufthygiene (Kurzform) Seite 2 von 6 1 Untersuchungsgegenstand Die Stadt Duisburg plant, in den nördlichen Stadtteilen Marxloh, Bruckhausen und Beeck im Rahmen eines Sanierungsverfahrens einen Teil der Wohnbebauung zurückzubauen und die frei werdenden Flächen zur Errichtung eines Grüngürtels ( Grüngürtel Nord ) zu nutzen. Dieser Grüngürtel soll insbesondere eine abschirmende Funktion zwischen den nahe liegenden Industrieanlagen von ThyssenKrupp und der verbleibenden Wohnbebauung übernehmen. Das vorliegende Gutachten untersucht im Rahmen der Vorbereitenden Untersuchungen zu diesem Sanierungsverfahren die Auswirkungen des Grüngürtels auf die Ausbreitung von feinen Staubpartikeln mit einem Durchmesser von 10 Mikrometern ( PM10 ). Der konkrete Untersuchungsauftrag dieses Gutachtens ist es, zu analysieren, in wie weit ein Grüngürtel geeignet ist, den Transport von Feinstäuben (hier: Partikel mit einem Durchmesser von 10 Mikrometern, PM10) von den Industrieanlagen der Firma ThyssenKrupp in die östlich des Grüngürtels gelegene Wohnbebauung zu verringern. Die Untersuchung basiert ausschließlich auf numerischen Simulationsrechnungen. Vor diesem Hintergrund ergeben sich folgende Rahmenbedingungen für die Untersuchung: Untersucht wird die Auswirkung des geplanten Grüngürtels auf die Ausbreitung der von den ThyssenKrupp Anlagen verursachten PM10 Zusatzbelastungen. Hintergrundbelastungen und zusätzliche PM10 Quellen außerhalb des Untersuchungsgebietes werden dabei nicht berücksichtigt. Es handelt sich somit nur um ausgewählte Quellen innerhalb der Untersuchungsgebiete. Als zusätzliche Feinstaubquellen wurden die innerhalb des Untersuchungsgebietes gelegenen Straßen bei der Analyse berücksichtigt. Da aufgrund der räumlichen Anordnung der Industrieanlagen, des geplanten Grüngürtels und der Wohnbebauung ein Effekt des Grüngürtels im Wesentlichen bei einer Westwindlage eintritt, wird diese Windrichtung bei der Untersuchung vorausgesetzt. Diese Windrichtung stellt zugleich den Worst-Case für die Wohnbebauung bezüglich der Feinstaubbelastung durch die nahe gelegenen ThyssenKrupp Anlagen dar. Ein direkter Vergleich mit Daten von Messstationen einerseits, sowie eine Aussage, ob Grenzwertkriterien des Bundesimmissionsschutzgesetzes eingehalten werden ist aufgrund dieser Rahmenbedingungen nicht möglich. Die in diesem Gutachten durchgeführten Berechnungen analysieren die Auswirkungen des Grüngürtels unter speziell ausgewählten Bedingungen und machen keine Aussage darüber, wie oft diese Bedingungen in der Realität eintreten. Insofern wird in diesem Gutachten auch kein weiterer Bezug auf absolute Belastungswerte und Messstationen genommen. Dieses Dokument ist eine Kurzfassung des ursprünglichen Gutachtentextes und beinhaltet nur die Beschreibung der generellen Rahmenbedingungen sowie eine Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse. 1.1 Beschreibung der Untersuchungsmethode Die Untersuchung der Auswirkungen des geplanten Grüngürtels auf die Feinstaub zusatzbelastung erfolgt mit dem numerischen Simulationsmodell ENVI-met (Bruse und Fleer 1998, Bruse 2006, www.envi-met.com). Das Modell ENVI-met ist ein dreidimensionales gekoppeltes Strömungs- und
Gutachten Grüngürtel Bruckhausen/Beeck und Marxloh, Teil Lufthygiene (Kurzform) Seite 3 von 6 Energiebilanzmodell zur Berechnung des Mikroklimas und der Luftqualität in Städten. Die übliche Modellauflösung liegt zwischen 0.5 und 10 m und ermöglicht somit eine realitätsnahe Abbildung von komplexen Stadtstrukturen. Um eine Stadtstruktur im Modell untersuchen zu können, müssen alle Elemente wie Gebäude, Vegetation und Oberflächen in einem rechtwinkligen Modellquader dargestellt werden, wobei komplexe Strukturen durch die Kombination von Basiselementen (z.b. Würfel) nachgestellt werden. Das Untersuchungsgebiet Bruckhausen/Beeck wird durch ein Computermodell von 180 x 240 Gitterpunkten, entsprechend einer Fläche von 1200 x 900 m dargestellt (siehe Abbildung 1). Das Gebiet Marxloh wird durch 220 x 220 Gitterpunkte, entsprechend 1100 x 1100 m im Rechner abgebildet (siehe Abbildung 2). Als meteorologische Rahmenbedingungen für die Ausbreitungsrechnungen wurde eine Anströmung des Untersuchungsgeländes aus Westen mit einer Windgeschwindigkeit von 2 m/s in der Referenzhöhe 10 m ausgewählt. Für die Ausbreitungsrechnung wurde eine neutral geschichtete Atmosphäre angenommen, das heißt, thermische Effekte werden nicht berücksichtigt. 2 Die Gestaltungsszenarien des Grüngürtels Zum Zeitpunkt der Gutachtenerstellung lagen noch keine konkreten Vorstellungen über die landschaftsgärtnerische Ausgestaltung des Grüngürtels vor. Es existieren lediglich folgende qualitativen Vorgaben, wie die jeweils drei Szenarien zur Gestaltung des Grüngürtels aussehen sollten: Szenario 1 (hiernach Szenario25 bzw. SC25): 25% der Gesamtfläche belegt von Bäumen in Gruppen, Szenario 2 (hiernach Szenario50 bzw. SC50): 50% der Gesamtfläche belegt von Bäumen in Gruppen Szenario 3 (hiernach Szenario75 bzw. SC75): 75% der Gesamtfläche belegt von Bäumen als Blocks - davon jeweils 75% Laub- und 25% Nadelgehölze Es wurde dem Auftragnehmer überlassen, die Grüngestaltung nach eigenen Vorstellungen zu entwerfen. Neben den oben genannten Rahmenbedingungen wurden die Grünentwürfe für alle Untersuchungsgebiete von folgenden Prinzipien geleitet: Möglichst starke Abschirmung von den Emissionsquellen der ThyssenKrupp Anlagen in west-östlicher Richtung, Basisbestand der Bepflanzung: 15 m hohe Laubbäume mit dichter Krone. In den Szenarien 50 und 75 werden zudem 10 m hohe und 20 m hohe Bäume verwendet, wobei die niedrigen Bäume vor allem an die Ränder der Gruppen gesetzt wurden und die hohen Bäume in das Zentrum der Baumgruppen. Im Szenario75 werden die Laub- und Nadelgehölze in getrennten Gruppen platziert. Es ergaben sich so 3 Baumgruppen mit Nadelbäumen, die jeweils als 15 m hoch angesetzt wurden. In den Abbildungen 3 bis 7 sind die entwickelten vier Modellgebiete (Status-Quo plus drei Szenarien) für Bruckhausen als 3D Übersicht (Abb. 3) und als Kartenansicht (Abb. 4 bis 7) zusammengestellt. Analog zeigen die Abbildungen 8 bis 12 die Entwürfe für Marxloh.
Gutachten Grüngürtel Bruckhausen/Beeck und Marxloh, Teil Lufthygiene (Kurzform) Seite 4 von 6 3 Emissionssituation in den Untersuchungsgebieten Emittentengruppe ThyssenKrupp Die Emissionsmengen für die ThyssenKrupp Anlagen wurden aus den von ThyssenKrupp am 13.02.2007 im Rahmen dieses Gutachten bereitgestellten Werten abgeleitet. Es handelt sich bei den in diesem Gutachten verwendeten Quellen um ausgewählte Emittenten der Gruppe Industrie gemäß der Emissionsauskunft von ThyssenKrupp Stahl. Im Untersuchungsgebiet Bruckhausen/Beeck wird als relevante Emissionsquelle der Schachtofen als punktförmige (Kennung SG) und diffuse Schadstoffquelle (Kennung SD) betrachtet (siehe Abbildung 14). Im Untersuchungsgebiet Marxloh werden als Feinstaubquellen Hochofen 1 und Hochofen 2 als punktförmige (P1 und P2) und diffuse Quellen (D1 und D2) berücksichtigt (siehe Abbildung 15). Emittentengruppe Verkehr Zur Berechnung der Emissionsmenge des Kfz-Verkehrs wurden die von der Stadt Duisburg bereitgestellten Verkehrszählungsdaten (DTV-Wert und prozentualer Schwerverkehranteil) verwendet. Diese Daten wurden mit Hilfe des Immissionsscreening Modells ISIS Kfz in PM10 Emissionen umgerechnet. Im Bereich Bruckhausen/Beeck existieren als emissionsrelevante Straßen die Kaiser- Wilhelm-Str (KW) und die BAB A42 (BA) (siehe Abbildung 14). Im Untersuchungsgebiet Marxloh wurden der Willy-Brandt-Ring (WB, WC) sowie die Wiesenstr. (WI) im Modell berücksichtigt (siehe Abbildung 15).
Gutachten Grüngürtel Bruckhausen/Beeck und Marxloh, Teil Lufthygiene (Kurzform) Seite 5 von 6 4 Simulationsergebnisse und Planungshinweise Durch die Modellsimulationen lässt sich feststellen, dass durch eine geeignete Ausgestaltung des Grüngürtels die Feinstaubbelastung in der verbleibenden Wohnbebauung reduziert werden kann. Innerhalb des Grüngürtels wird eine nicht geringe Menge Feinstaub an den Blättern abgelagert und somit der Atmosphäre entzogen. Dieses ist ein sinnvoller Beitrag zur Verbesserung der generellen lufthygienischen Situation. Durch die konstante Emission von Feinstäuben bleibt die Zusatzbelastung dennoch auf einem hohen Niveau. Eine Verbesserung der lufthygienischen Situation lässt sich daher vor allem durch eine Grüngestaltung erzielen, die in der Lage ist, Teile der belasteten Luft von der verbleibenden Wohnbebauung wegzuleiten. Je dichter dabei die Vegetation ist, desto stärker ist der Umleitungseffekt, desto deutlicher ist der Rückgang der Feinstaubbelastung. 4.1 Gebiet Bruckhausen/Beeck Hinsichtlich der Vorbereitenden Planungen des Grüngürtels lässt sich qualitativ feststellen, dass der geplante Grüngürtel genau an der Stelle am schmalsten ist, an der eine erkennbare Zusatzbelastung durch den ThyssenKrupp Schachtofen auf die Wohnbebauung einwirkt. Allerdings ist diese Zusatzbelastung mengenmäßig so gering (um die 1 µg/m³), dass sich hieraus nicht die Forderung nach einer Verbreiterung des Grüngürtels ableiten lässt. Da die diffusen ThyssenKrupp Emissionsquellen in einer Höhe von 2 m über Grund liegen, lässt sich auch durch ein Anrampungssystem aus Vegetation (vgl. Gebiet Marxloh) an dieser Stelle keine weitere Verbesserung erzielen. 4.2 Gebiet Marxloh Die Immissionssituation in Marxloh ist geprägt durch die vom Hochofen 1 und 2 ausgehenden Schadstoffemissionen. Bei westlichen Windlagen werden diese direkt in die im Osten liegende Wohnbebauung verfrachtet und sorgen dort für eine erhebliche Zusatzbelastung an PM10 Partikeln. Wie bereits im vorangehenden Abschnitt erläutert, kann durch die Filterleistung der Vegetation alleine keine signifikante Verbesserung der Situation erreicht werden. Um mit Hilfe des Grüngürtels die Immissionsbelastung der anliegenden Wohnbebauung zu reduzieren, muss daher der Fokus auf die Möglichkeit gesetzt werden, mit Hilfe der Vegetation die Windströmung zu modifizieren. Vorteilhaft ist im Bereich Marxloh die Tatsache, dass alle Emissionsquellen von ThyssenKrupp in einer Höhe von 27 m und höher emittieren. Um die Belastung der Bevölkerung auf dem bodennahen Niveau zu reduzieren, muss daher versucht werden, die Schadstofffahnen in den höheren Luftschichten zu halten. Abbildung 34 zeigt ein Beispiel, wie dieser Effekt durch eine Vegetationskante erzeugt werden kann. Optimalerweise sollte man versuchen, durch regelmäßige Baumgruppen oder stufig ansteigende Baumhöhen ( Anrampung ) das Strömungsfeld so zu modifizieren, dass die Schadstofffahne nicht weiter absinken kann. Hierzu sind einerseits ausreichend dichte Bäume, andererseits auch ausreichend hohe Bäume notwendig. Letzterer Punkt ist bei einer Neuanlage des Grüngürtels natürlich schwer zu realisieren. Eine solche Maßnahme muss zudem im größeren Kontext gesehen werden, denn auch wenn durch die Erzwingung einer Überströ-
Gutachten Grüngürtel Bruckhausen/Beeck und Marxloh, Teil Lufthygiene (Kurzform) Seite 6 von 6 mung das hier betrachtete Wohngebiet eine Verbesserung der Luftqualität erfahren kann, so bleibt die Schadstofffahne dennoch bestehen und wird an anderer Stelle absinken. Eine weitere Möglichkeit, zumindest quellnah eine Verfrachtung der Schadstoffe in die höheren Luftschichten sicherzustellen, ist der bereits für Bruckhausen angedachte Immissionsschutzwall. Hierbei ist allerdings zu bedenken, dass jede aufwärtsgerichtete Strömung in Luv des Walles mit einer abwärtsgerichteten Strömung in Lee korrespondiert. Diese abwärtsgerichtete Strömung würde dann belastete Luft in das bodennahe Niveau verfrachten. Welche Höhe und welcher Anrampungswinkel des Walles das optimale Ergebnis liefert, lässt sich aufgrund der komplexen Wechselwirkungen ohne weitere Untersuchung nicht feststellen. 4.3 Generelle Hinweise Aus den verschiedenen Betrachtungen und Simulationsergebnissen lassen sich folgende Planungshinweise extrahieren: Die Ausgestaltung des Grüngürtels im Bereich Marxloh sollte ein Absinken der Schadstofffahnen verhindern bzw. verringern. Hierzu sind ausreichend hohe und dichte Bäume sinnvoll Um die Schadstofffahne am Absinken zu hindern, sind einzelne Baumgruppen mit geringen Zwischenräumen sinnvoller als blockartige Baumstrukturen mit großen Freiräumen zwischen den Blöcken Es stellt sich generell die Frage nach der Wintersituation, in der Laubbäume keine Blätter tragen. Da im Winter oft stabile Wetterlagen zu verzeichnen sind, ist hier mit einem besonders schnellen Absinken der Schadstofffahnen zu rechnen. Eine mögliche Lösung wären Nadelbäume, die zudem automatisch eine hohe Dichte aufweisen. Allerdings sind Nadelbäume als Stadtvegetation nicht unumstritten. Für den Bereich Bruckhausen/Beeck lassen sich aus lufthygienischer Sicht keine direkten Planungsempfehlungen geben, da die Zusatzbelastungen hier gering sind. Diese Aussage bezieht sich selbstverständlich nur auf die in diesem Gutachten berücksichtigten Que l- len von ThyssenKrupp Stahl unter der Annahme einer westlichen Windrichtung. Bei anderen Windrichtungen werden andere Quellen in der Umgebung des Untersuchungsgebiets relevant. Zudem wurden in diesem Gutachten keine lokalen und regionalen Hintergrundbelastungen berücksichtigt, da der Untersuchungsgegenstand ausschließlich der Effekt des Grüngürtels auf die Ausbreitung von Feinstäuben der östlich des Gürtels gelegenen ThyssenKrupp Anlagen war. Ein Vergleich mit Werten von Messstationen ist daher in beiden Gebieten nicht sinnvoll und auch methodisch nicht möglich. Da der Grüngürtel im Wesentlichen eine Nord-Süd gerichteten Verlauf aufweist entfaltet er seine schützende Wirkung im Untersuchungsgebiet nur bei Winden aus dem westlichen Sektor. Da im Untersuchungsgebiet jedoch südwestliche Richtungen vorherrschen, muss der Grüngürtel in nördlicher Richtung entsprechend lang sein, um die dann betroffenen Gebiete zu schützen. Die in diesem Gutachten vorgestellten Resultate sind eine Worst-Case Betrachtung hinsichtlich des Transportes von Schadstoffen der ThyssenKrupp Anlagen in die angrenzenden Wohngebiete. Die hierzu angenommene Windrichtung aus Westen ist nicht die im Jahresverlauf am häufigsten auftretende Windrichtung, daher lassen sich keine Aussagen über die Überschreitungshäufigkeit von Grenzwerten treffen.
Anhang Abbildungen zum Gutachten: Auswirkungen eines geplanten Grüngürtel in den Stadtteilen Duisburg-Marxloh und Duisburg-Bruckhausen/Beeck auf die Ausbreitung von Feinstaub Abb.1: Untersuchungsgebiet Bruckhausen/Beeck Abb. 9: Marxloh Status-Quo (Aufsicht) Abb.2: Untersuchungsgebiet Marxloh Abb. 10: Marxloh Szenario 25 (Aufsicht) Abb.3: Bruckhausen/Beeck Übersicht der Szenarien Abb. 11: Marxloh Szenario 50 (Aufsicht) Abb.4: Bruckhausen/Beeck Status-Quo (Aufsicht) Abb. 12: Marxloh Szenario 75 (Aufsicht) Abb. 5: Bruckhausen/Beeck Szenario25 (Aufsicht) Abb. 14: Übersicht Lage Quellen (Bruckhausen/Beeck) Abb. 6: Bruckhausen/Beeck Szenario50 (Aufsicht) Abb. 15: Übersicht Lage Quellen (Marxloh) Abb. 7: Bruckhausen/Beeck Szenario75 (Aufsicht) Abb. 34: Marxloh x/y Schnitt PM10 Differenz (SQ-SC75) Abb. 8: Marxloh Übersicht Szenarien
Abb. 3: Untersuchungsgebiet Bruckhausen Status-Quo Szenario50 Szenario25 Szenario75
Abb 8: Untersuchungsgebiet Marxloh Status-Quo Szenario25 Szenario50 Szenario75
1.50 9.50 Abbildung 34: Marxloh Vergleich SQ zu SC75 Schnitt bei y=550 m, Isoliniendistanz 1.0 µg/m³ absolute Veränderung PM10 Konzentration unter -8.50 µg/m³ -8.50 bis -7.50 µg/m³ -7.50 bis -6.50 µg/m³ -6.50 bis -5.50 µg/m³ 1.50 1.50 3.50 4.50 8.50 2.50 4.50 1 5.50-3.50 4.50-4.50-4.50-5.50 5.505.50 7.50 Z (m) 1:2-4.50 7.50 15.50-4.50-6.50-6.50 2.50 1 3.50-7.50 137.50 162.50 87.50 135.50 16 133.50 158.50 145.50 17 143.50 168.50 141.50 166.50 139.50 164.50-120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00 1000.00 1100.00 X (m) -5.50 bis -4.50 µg/m³ -4.50 bis -3.50 µg/m³ -3.50 bis -2.50 µg/m³ -2.50 bis -1.50 µg/m³ -1.50 bis - µg/m³ - bis µg/m³ bis 1.50 µg/m³ 1.50 bis 2.50 µg/m³ 2.50 bis 3.50 µg/m³ 3.50 bis 4.50 µg/m³ 4.50 bis 5.50 µg/m³ 5.50 bis 6.50 µg/m³ 6.50 bis 7.50 µg/m³ 7.50 bis 8.50 µg/m³ 8.50 bis 9.50 µg/m³ über 9.50 µg/m³ Datei mrx_deltapm10_xz_y108_sz75.leo Marxloh Status-Quo vs. SC75