Sedimente in Seitenstrukturen der Elbe Susanne Heise
Was sind Seitenstrukturen der Elbe? Seitenstrukturen sind Gewässer in den Talauen, die nur geringe oder keine Anbindung an den Hauptfluss haben, die aber bei erhöhten Abflussverhältnissen überflutet werden und Sedimente mit der Elbe austauschen können. Zum Beispiel: okleine Häfen oaltarme (mit Anbindung) oaltwasser (ohne Anbindung)
Relevanz der Seitenstrukturen für die Elbe? >1000 Seitenstrukturen im nicht-tidalen Gebiet der deutschen Talaue davon 1/3 länger als 500 m gesamte Oberfläche ca. 50 km 2 Annahme: Senken für historisch kontaminierte Sedimente WENN Kontamination der oberen 30 cm der Sedimente 9 mio m 3 Frage: Sind Seitenstrukturen auch Quellen? Resuspension und Transport der Sedimente in die Elbe?
Ziel der Untersuchung o Bestimmung des potenziellen Risikos ausgesuchter Seitenstrukturen o Quantifizierung des Risikos für die Elbe? o Können Parameter, die mit diesem Risiko korreliert sind, identifiziert werden? (z.b. Lage in der Talaue, Häufigkeit der Überflutung, Elb-Anbindung) Vorhersage eines Risikos für Seitenstrukturen entlang der Elbe? ggf. Berücksichtigung im Sedimentmanagementplan
Untersuchtes Gebiet Elbe-km 340-569 15 Seitenstrukturen in 7 Arealen 2 3 Probenahmen pro Seitenstruktur
Herangehensweise Untersuchung von 15 Seitenstrukturen bzgl. : o o o o o Erodierbarkeit der Sedimentoberfläche Erodierte Masse bei überkritischer Schubspannung Tiefe der Sedimentschicht Chemische Kontamination Ökotoxikologische Effekte (Mikrotoxtest)
.. im Detail on site Messung der Erosionsstabilität Microtox test (methanol extract) Fluffy layer 0-1,5 3-4,5 6-7,5 9-10,5 0-10 cm 10-20 cm Analyse historischer Kontaminat. (HM, HCB, PAH, PCB) Transport zum Labor, Bestimmung der erodierten Masse bei überkritischem U* Tiefe Sedimentprobe mit Bohrer
Prinzip der Bestimmung der Erosionsstabilität mit dem Gust schen Mikrokosmos Feldmessungen Prinzip: Schrittweise Erhöhung der Scherkräfte Montoring der Trübung From Thomsen & Gust, 2000, modified 35 2,5 Trübung (ppm) 30 25 20 15 10 5 U* Trübung 2 1,5 1 0,5 U* (cm/s) U crit 2 U crit 1 Radiale Verteilung der Schubspannungsgeschw. 0 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Zeit (min)
Klassifikation der Erosionsmessungen Bewertung Erodierbarkeit Hohe u crit (>2 cm/s), geringe erodierte Masse Mittlere u crit (1 bis 2 cm/s), Moderate erodierte Masse geringe u crit (<1 cm/s), Hohe erodierte Masse
Klassifikation der Kontamination Schwankungsbreite der Kontaminationen in 90 Sedimentproben der Seitenstrukturen Bezug: Oberer Schwellenwert der IKSE-Klassifizierung e.g. Metalle Concentration in mg/kg 800 700 600 500 400 350 300 250 200 150 100 50 0 As Pb Klassifikation Cr Cu 150 100 50 1-4 Substanzen > oberer Schwellenw.. > 4-7 Substanzen > oberer Schwellenw. > 7 Substanzen > oberer Schwellenw. Concentration in mg/kg (Cd, Ni, Hg) 20 15 10 5 0 Cd Ni Hg Zn 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Concentration in mg/kg (Zn) Mehr als 75 % der Sedimentproben von 15 Seitenstrukturen übersteigen die oberen Schwellenwerte von As,Pb, Ni, Cd, Hg, p,p DDD
Klassifizierung der Sedimenttiefe Messung der Schlammschichtdicke durch Peilstab: Annahme: Potenziell remobilisierbar Kategorisierung Dünne Sedimentauflage: < 20 cm Mitteldicke Sedimentauflage: 20-50 cm Dicke Sedimentauflage: > 50 cm
Visualisierung der Ergebnisse Sedimentkontamination Erodierbarkeit Sedimentdicke
Visualisierung der Ergebnisse: Seitenstruktur Losenrade Sedimentkontamination Erodierbarkeit Sedimentdi cke
Beispiel: Seitenstruktur bei Grippel Sediment kontamination Erodierbarkeit Sedimentdicke
Visualisierung der Ergebnisse: Seitenstr. Grippel Sediment kontamination Erodierbarkeit Sediment dicke
Integration der Ergebnisse Sediment kontamination Erodierbarkeit Sediment dicke
Integration der Ergebnisse Sediment kontamination Erodierbarkeit Sediment dicke
Ergebnisse: Seitenstruktur bei Grippel
Überblick: Risikopotenzial der untersuchten Seitenstr. Nur eine Seitenstruktur auffällig Ökotoxikologie? Zunehmendes Risiko für die Elbe
Wirkung im Leuchtbakterientest (methanol. Extrakte) 0-10 cm 10-20 cm > 20 cm Alle anderen 240 Daten: unauffällig Ökotoxizität: Keine Korrelation zur gemessenen Belastungen. Hohe Wirkung im LBT (Me-Extrakt) nur in Brandleben (>55 % Hemmung)
Überblick: Risikopotenzial der untersuchten Seitenstr. 10 Proben hohe toxische Wirkung 60 91% Hemmung Ursachen unbekannt! Klassifizierung Brandleben als hohes Risiko Ökotoxikologie! Zunehmendes Risiko für die Elbe
Können wir das Risiko für die Elbe quantifizieren? Wieviel an Kontamination könnte ausgetragen werden? Erodierte Masse bei Sedimentkernen: 0,3 bis 8 g, eine Stunde Messung von Kupfer in dem erodierten Material: tw. >1500 mg Cu/kg
Suspendierung von Kontamination aus Seitenstrukturen? Resuspendierung: Bis zu 3,5 kg/ha
Wie wahrscheinlich ist der Austrag? Wie wahrscheinlich ist es, dass U* überschritten wird? U* von 2,3 cm/s ~ 1,6 km/h Fließgeschwindigkeit Austrag wird eher unterschätzt. Aber: hohe Variabilität in der Belastung Nicht alle sind S.st. angeschlossen Sedimentation in der Talaue? Nach Schwartz et al. 2004: Sedimentauftrag auf überflutete Auenflächen: 1,5 kg/m 2 /a Diese Studie: Reuspendierung pro m 2 : bis zu 1 kg/m 2 Höhere Bedeutung der angeschlossenen S.st. Für die Elbe! Frank Krüger?
Haben wir unsere Projektziele erreicht? o Bestimmung des potenziellen Risikos ausgesuchter Seitenstrukturen Von ca. 50 % der untersuchten Seitenstrukturen wird ein Risiko für die Elbe bei höheren Abflüssen angenommen Hohe Schadstoffbelastung Vielfach hohe Sedimentauflagen > 50 cm Mindestens die oberste Schicht ist erodierbar Ökotoxikologische Effekte?
Haben wir unsere Projektziele erreicht? o Quantifizierung des Risikos für die Elbe? Austrag kann erheblich sein! Beispiel: Kupfer bis zu 3,5 kg/ha (eher Unterschätzung) Gesamtmenge, die tatsächlich bei Hochwasser erodiert wird?
Haben wir unsere Projektziele erreicht? o Können Parameter, die mit diesem Risiko korreliert sind, identifiziert werden? (Lage in der Talaue, Häufigkeit der Überflutung, Anbindung an die Elbe ) Vorhersage eines Risikos für Seitenstrukturen entlang der Elbe? Nein, keine Korrelation zu aufgenommenen Parametern. ABER: nur 15 Seitenstrukturen untersucht. Trend: Höheres Risiko in angeschlossenen Seitenstrukturen
Ausblick / weitere Forschungsaktivitäten Ökotoxikologische Untersuchungen Ageing. Welche Effekte gehen von den Schadstoffkonzentrationen aus? Validierung der These, dass in den angeschlossenen Seitenstrukturen ein hohes Risiko besteht Überprüfung, wieviel durch ein Hochwasser tatsächlich resuspendiert wird
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Susanne Heise Susanne.heise@haw-hamburg.de Und vielen Dank an die Helfer bei den Probenahmen und Messungen Nadine Heuer Andreas Zipperle Henning Tien Frank Krüger Henning Herrmann Sascha Seemann Stanislav Taran Und an ELSA für die Finanzierung Oleg Ernst