Informationen zum Projekt LIFE ENVD/D/000337 Ferngesteuerte Kontrolle des eutrophierenden Eintrags aus diffusen Quellen in der Region SAAR-LOR-LUX LAYMAN REPORT Universität des Saarlandes Institut für Anorganische und Analytische Chemie und Radiochemie Prof. Dr. H. P. Beck, Dr. C. Klein, A. Meyer Fachrichtung 8.14 Postfach 15 11 50 66041 Saarbrücken Telefon: 0681 / 302 4230 www.eutroph-monitor.com
Das vorgestellte Projekt ist Teil des sogenannten EU-LIFE-Programmes (die offizielle Projektbezeichnung ist LIFE00 ENV/D/000337). Das Programm dient der EU als Finanzierungsinstrument zur Umsetzung und Anwendung der europäischen Umweltpolitik und -gesetzgebung. Es ermöglicht die Demonstration und Entwicklung neuer Methoden für den Schutz und die Verbesserung der Umwelt Universität des Saarlandes 2004 Projektkoordination: Prof. Dr. H.P. Beck Autoren: A. Meyer, C. Klein Institut für Anorganische und Analytische Chemie und Radiochemie Fachrichtung 8.1 Postfach 15 11 50 66041 Saarbrücken Telefon: 0681 / 302 4230 www.iaarc.de, www.eutroph-monitor.com
Einleitung Fließgewässer bilden in vielen Fällen die Grenze zwischen verschiedenen Staaten. Dennoch sind Fließgewässer und deren Einzugsgebiete letzten Endes völlig unabhängig von politischen Trennungslinien. Daher kann sich eine Bewertung ebenso wie ein Schutz von Gewässern nicht an diesen Grenzen orientieren. Dieser Tatsache entspricht die Europäische Union durch die Wasserrahmenrichtlinie aus dem Jahr 2000, in der alle Mitgliedsstaaten zu einer gemeinsamen internationalen Wasserpolitik aufgefordert werden. Durch die Definition so genannter internationaler Flussgebietseinheiten wird der nationale Gedanke abgelöst durch einen Länder übergreifenden Ansatz. Zu den Kriterien, die im Rahmen der Überwachung der Gewässergüte von Bedeutung sind, zählen hierbei erstmals auch die Einträge aus sog. diffusen Quellen. Dies bedeutet, dass neben den punktuellen Eintragsquellen (wie z.b. Kläranlagenabläufen) auch Augenmerk auf die ökologisch wirksamen Stoffe gerichtet wird, die durch Auswaschungen aus den umliegenden Bereichen oder aus der Atmosphäre in die Fließgewässer gelangen. Diesen beiden neuartigen Aspekten (internationaler Ansatz und diffuse Quellen) versuchte das hier beschriebene Projekt mit dem Titel Ferngesteuerte Kontrolle des eutrophierenden Eintrags aus diffusen Quellen in der Region SAAR-LOR-LUX Rechnung zu tragen. Durch den Aufbau eines mobilen Messnetzes wurde eine Möglichkeit erarbeitet, diffuse Einträge in Fließgewässern zu erfassen und zu interpretieren. Hierzu wurden kommerziell erhältliche Messgeräte in mobilen Containern kombiniert und an unterschiedlichen Standorten entlang eines Fließgewässers positioniert. Durch die Beteiligung von Instituten und Behörden aus Deutschland, Luxemburg und Frankreich wurde darüber hinaus eine grenzüberschreitende Charakterisierung des vollständigen Einzugsgebietes eines Fließgewässers hinsichtlich unterschiedlicher Aspekte erstellt. 1
Was versteht man unter diffuser Verschmutzung von Gewässern? Diffuse Verschmutzungen können an verschiedenen Orten des Einzugsgebietes und über unterschiedliche Eintragspfade in das Gewässer gelangen. Eine Einleitung wie z.b. ein Abflussrohr wird als Punktquelle bezeichnet. Im Gegensatz dazu wird die diffuse Verschmutzung hauptsächlich durch Auswaschungsprozesse aus den umgebenden Böden oder auch aus der Atmosphäre verursacht. Sie ist nicht direkt lokalisierbar und deren Identifikation stellt deshalb eine große Herausforderung sowohl an die zuständigen Behörden als auch an die Messtechnik dar. Diffus eingetragene Schadstoffe können je nach der Nutzung der umgebenden Flächen unterschiedlicher Natur sein. Es handelt sich dabei z.b. um: Nährstoffe wie Stickstoff- und Phosphorverbindungen, welche über landwirtschaftliche Düngung eingetragen werden können, Fäkalkoliforme oder andere pathogene Substanzen, die durch organische Düngung oder über undichte Kanalisation in das Gewässer gelangen können, Pestizide, Pharmazeutika oder Biozide aus industriellem oder landwirtschaftlichem Einsatz, Schwermetalle aus industriellen Prozessen oder aus Altlagern und Deponien. Diffuse Gewässerverschmutzung hat sowohl Auswirkungen auf die Pflanzen- und Tierwelt im Fluss als auch auf die Gewässernutzung. Diese Auswirkungen bedingen zum Beispiel: die Kontaminierung von Grundwasser und Oberflächengewässern, Fischsterben, Nährstoffanreicherung und Eutrophierung Sauerstoffmangel, Gefährdung für die Pflanzen- und Tierwelt. 2
Eutrophierung gefährdet die Gewässerqualität, denn eutrophierende Stoffe (wie z.b. Phosphate und Stickstoffverbindungen) verursachen ein verstärktes Wachstum von Grünpflanzen (auch Algen). Stirbt das überschüssige Pflanzenmaterial ab und wird dann zersetzt, so führt dies zu einer erheblichen Sauerstoffzehrung. Fische und andere Tiere werden dann nicht mehr ausreichend mit Sauerstoff versorgt und sterben. Die dadurch hervorgerufene Degradation von aquatischen Ökosystemen ist kaum rückgängig zu machen. Daher ist die Überwachung von Eutrophierung und ihre Verringerung von großer Bedeutung. Das Umweltbundesamt ermittelt bereits seit langem das Ausmaß diffuser Verschmutzung durch Phosphor- und Stickstoffeinträge (Abb. 1). Über den Zeitraum von zehn Jahren hat zwar die Gesamtverschmutzung durch Stickstoff- und Phosphorparameter bedingt durch die Reduzierung der punktuellen Einträge aus industriellen und kommunalen Kläranlagen abgenommen, die prozentuale Belastung durch Stickstoff- und Phosphorverbindungen ist jedoch weiterhin steigend aufgrund des unveränderten Eintrages diffuser Verschmutzung. Abb.1: Diffuse Verschmutzung durch Stickstoff- und Phosphorparameter [UBA] Stickstoffeinträge in t/a Punktquellen: Phosphoreinträge in t/a Kläranlagen Die Ermittlung und Überwachung der diffusen Verschmutzung ist verglichen mit der Industrielle Messung und Kontrolle der punktuellen Einträge Einleitungen sehr schwierig, da sie unvorhersehbar und schnell auftreten kann, so dass sie nur mit Hilfe kontinuierlicher Messungen beobachtet Diffuse Quellen: werden kann. Manuelle Beprobungen können diesen Anforderungen in keiner Weise gerecht Atmos. Deposition werden. Das Life Projekt EUTROPH MONITOR konnte durch den Aufbau eines städt. Flächen kontinuierlich und automatisch arbeitenden Fernüberwachungssystems den Eintrag von Erosion eutrophierenden Substanzen überwachen. Dazu wurden kommerziell erhältliche Messgeräte Abschwemmung in mobile Container eingebaut und an verschiedenen Gewässerstandorten aufgestellt (Abb.2). Drainwasserr Die gemessenen Daten wurden an die Grundwasser Zentralrechner der Projektpartner und an die zuständigen Behörden übertragen, so dass die aktuellen Konzentrationswerte jederzeit abgerufen und ausgewertet werden konnten. Abb. 1: Stickstoff- und Phosphoreinträge in Oberflächengewässer in Deutschland [UBA] 3
Die Ermittlung und Überwachung der diffusen Verschmutzung ist verglichen mit der Messung und Kontrolle der punktuellen Einträge sehr schwierig, da sie unvorhersehbar und schnell auftreten kann, so dass sie nur mit Hilfe kontinuierlicher Messungen ermittelbar ist. Manuelle Beprobungen können diesen Anforderungen in keiner Weise gerecht werden. Das Projekt Eutroph Monitor hatte das Ziel, ein kontinuierlich arbeitendes System zur ferngesteuerten Kontrolle des eutrophierenden Eintrags aus diffusen Quellen zu erstellen und zu testen. Dazu wurden ausschließlich kommerziell erhältliche Sensoren und Online- Analysatoren verwendet, welche in mobilen Messcontainern installiert wurden und bestimmte Parameter kontinuierlich erfassten. Neben den eutrophierenden Stoffen wie Phosphor- und Stickstoff-Verbindungen wurden auch Chlorophyllgehalte als Indikatoren für die Eutrophierung ermittelt. Durch die kontinuierliche Erfassung der Wasserinhaltsstoffe und die direkte Übermittlung der Messdaten wurde die Beobachtung von kurzfristigen Veränderungen und deren Interpretation ermöglicht. Die gemessenen Daten wurden an die Zentralrechner der Projektpartner und an die zuständigen Behörden übertragen (Abb. 2). Container in Frankreich Container in Luxemburg Zentralrechner Container in Deutschland Container in Deutschland Abb. 2: Das Messnetz des Life-Projektes EUTROPH MONITOR 4
Projektpartner An dem Projekt beteiligten sich Partner aus der Region Saar-Lor-Lux. Eine genaue Aufstellung der Teilnehmer sowie deren Aufgabenverteilung sind der Abbildung 3 zu entnehmen: Projekt-Management: Universität des Saarlandes (Organisation und Koordination) Deutschland Luxemburg Frankreich UdS SERVICES DE LA GESTION DE L EAU GEMCEA Durchführung des Projektes auf deutscher und Unterstützung auf luxemburgischer Seite Untersuchungsgebiet: Nied auf deutscher Seite Durchführung des Projektes auf luxemburgischer Seite Untersuchungsgebiet: Attert Durchführung des Projektes auf französischer Seite Untersuchungsgebiet: Nied auf französischer Seite IRH INRIS Analytik von Wasserproben und Test von Materialien Entwicklung von Datenübertragungssystemen und Software Abb. 3: Übersicht über die teilnehmenden Partner und deren Aufgaben Das Projekt Eutroph Monitor wurde kofinanziert von: Ministerium für Umwelt des Saarlandes, Agence de l Eau Rhin-Meuse und Administration de l'environnement de Luxembourg. 5
Das Untersuchungsgebiet Als Untersuchungsgebiete wurden die Nied als grenzüberschreitender Fluss in Deutschland und Frankreich sowie die Attert (Luxemburg) ausgewählt (Abb. 4). Beide Gewässer sind durch ländliche Einzugsgebiete sowie durch starken Strukturreichtum und große Naturnähe gekennzeichnet. Beiden Flüssen kommt daher eine hohe Bedeutung für Naherholung und Tourismus zu. Attert Nied: Die Nied ist der zweitgrößte Nebenfluss der Saar. Er entsteht durch den Zusammenfluss der Deutschen und der Französischen Nied bei Condé-Northen (Frankreich). Die Quellen der Deutschen Nied befinden sich in der Nähe von St. Avold, der Fluss fließt in west-südwestlicher Richtung Abb. 4: Lage der Untersuchungsgebiete Die Französische Nied entspringt im Ort Marthil und fließt zunächst westlich bis Oron, ändert ihre Richtung dann nach Nord- und Nordwest, später nach Nordosten. Bei Condé-Nothen vereinigen sich die beiden Teilströme. Nach weiteren 34 km überschreitet die Nied die deutsche Grenze und mündet unterhalb der Ortschaft Rehlingen von links kommend in die Saar. Die Gesamtlänge der Nied beträgt 106 km. Das Einzugsgebiet umfasst ca. 1377 km 2 - davon rund 73 km 2 auf deutscher Seite - und wird vornehmlich von landwirtschaftlicher Nutzung (Wiese, Weide und Ackerbau) und Wald geprägt. An der Nied wurden insgesamt vier Messstationen aufgestellt (vgl. Abb. 4): zwei Stationen auf deutscher Seite - Niedaltdorf (NAD) und Fremersdorf (FD) - und zwei Stationen an der Nied Allemande auf französischer Seite: Crehange (CH) und Bionville (BV). 6
Attert: Die Attert entspringt in Belgien nahe der luxemburgischen Grenze und fließt in westlicher Richtung nach Luxemburg. Das Einzugsgebiet der Attert umfasst ca. 310 km 2 und ist ebenfalls stark von Landwirtschaft und Wald geprägt. Nach einer Fließstrecke von 38 km mündet der Fluss bei Colmarberg in die Alzette, welche über die Sauer (Sûre) letztlich der Mosel zufließt. An der Attert wurde ein Messcontainer in der Nähe der Ortschaft Everlange als Referenz zu den Niedstandorten aufgestellt. Aufbau der Messcontainer Um die räumliche Flexibilität der Stationen zu gewährleisten, wurden sie als ein- oder zweiachsige mobile Container konzipiert. Zunächst wurden so genannte Prototypen gebaut, um die Funktionsweise der Geräte zu testen. Die dabei gesammelten Erfahrungen führten zu zahlreichen Verbesserungen bei der Konstruktion der nachfolgenden Modelle. Das Flusswasser wurde zunächst mittels einer Pumpe in den so genannten Quelltopf gefördert. Durch einen Überlauf an der anderen Seite floss das überschüssige Wasser heraus und wurde wieder in den Fluss zurückgeleitet. Mittels eines Ventils an der Unterseite des konisch geformten Quelltopfes konnte der am Boden abgesetzte Schlamm jederzeit abgelassen werden. In allen Stationen wurden Substanzen erfasst, die repräsentativ für Nährstoffe sind: Ammonium, Nitrat, Ortho- und Gesamtphosphat, TOC (Gesamter organischer Kohlenstoff) und SAK (Spektraler Absorptionskoeffizient), der in manchen Matrizes den aufwändig zu messenden TOC ersetzen kann. Des Weiteren wurden auch solche Parameter gemessen, die Hinweise auf chemische Abläufe im Fluss geben wie z.b. Sauerstoff, Leitfähigkeit, ph-wert und Redox-Potential. Als Maß für die Auswirkungen der oben genannten, eutrophierenden Parameter wurde die biologische Aktivität der Pflanzen durch Messung des Gehaltes verschiedener Chlorophyll-Arten ermittelt. Ein automatischer Probenehmer ermöglichte eine Zeit-gesteuerte Probenahme zur regelmäßigen Kontrolle der Messwerte sowie eine Ereignisgesteuerte Probenahme zur Überprüfung außergewöhnlicher Vorkommnisse. 7
Der Aufbau der Messcontainer ist in der folgenden Planzeichnung schematisch dargestellt: Abb. 5: Planzeichnung der Container Im Quelltopf befanden sich die Sonden für die Erfassung von Trübung, SAK und NO - x sowie die elektrochemischen Sensoren für ph-wert, Leitfähigkeit, Sauerstoff und Redox. Die Entnahmevorrichtungen der übrigen Messgeräte für die Erfassung von Ammonium, TOC (Total Organic Carbon), Ortho- und Gesamt-Phosphat sowie Chlorophyll waren ebenfalls im Quelltopf installiert. Ein Homogenisator bereitete die Proben für den TOC- und den Phosphat-Analysator vor, indem er die in der Probe vorhandenen Feststoffe durch Ultraschall zerkleinerte. Alle in den Stationen gemessenen Werte wurden von einem Datenlogger gespeichert und konnten von einem Zentralcomputer telefonisch abgerufen werden. Weitere Zentralrechner wurden auch bei den zuständigen Behörden installiert, so dass alle erhobenen Daten durch Fernabfrage eingesehen werden konnten und eine aktuelle Übersicht über die Qualität der angeschlossenen Fließgewässer möglich war. 8
LIFE 00 ENV/D/000337 Eutroph Monitor Datenübertragung Alle Messgeräte wurden über ihre analogen Ausgänge an einen so genannten Datenlogger angeschlossen. Dieser speicherte die ermittelten Werte in fünfminütigen Intervallen und leitete diese telefonisch in festgelegten Intervallen an den Zentralcomputer weiter (Abb. 6). Telefonverbindung zum ausgewählten Container AlarmAnzeige Abb. 6: Startseite des Übertragungsprogrammes Die Daten konnten auch graphisch oder in Form von Tabellen dargestellt und weiterverarbeitet werden (Abb. 7). Darüber hinaus konnten auch Informationen von Zusatzgeräten, wie z.b. von Wasserwächtern, Füllstandsanzeigern o.ä. als binäre Signale übertragen werden, so dass jederzeit eine Überprüfung des gesamten Systems mittels Fernübertragung möglich war. 9
Abb. 7: Graphische Darstellung der Messergebnisse (Luxemburg, 10. bis 25. April 2004) Die übertragenen Werte wurden in einer Datenbank gespeichert und konnten mit Hilfe spezieller Programme ausgewertet werden. Durch die Anbindung aller Stationen an das Übertragungssystem war es schließlich auch den autorisierten Behörden und Personen möglich, die Daten jeder Station zu jeder Zeit einzusehen, zeitliche Verläufe festzustellen und Vergleiche zwischen verschiedenen Standorten zu ziehen. Darüber hinaus konnten Daten aller Stationen auch auf der Homepage des Projekts veranschaulicht werden [EUM]. Hier konnten sie als Kurve (gemessener Verlauf, s. Abb. 8), Histogramm (Einordnung der ausgewählten Messungen im Vergleich zur Einordnung aller ausgewerteten Messungen für den in der Datenbank enthaltenen Sensor, s. Abb. 9) und als Zeitstatistik (Kurve mit Minima, Maxima, Durchschnittswerten und Standard-Abweichungen für jeden Messtag, s. Abb. 10) dargestellt werden. Außerdem konnten die ausgewählten Messungen als ASCI-Daten zur Verarbeitung in gängige Programme eingelesen werden. 10
Abb. 8: Konzentrationsverlauf für Nitrat (Attert, April 04) Abb. 9: Histogramm der ausgewählten Datei Abb. 10: Zeitstatistik der ausgewählten Daten 11
Auswertung der Daten und Interpretation Die erste Messstation wurde im Mai 2002 in Betrieb genommen, seit April 2003 wurden vier weitere Stationen in Deutschland, Frankreich und Luxemburg installiert. Einige der seither gemachten Beobachtungen sind im Folgenden beispielhaft dargestellt. Um allerdings eine vollständige Interpretation der gemessenen Daten durchführen zu können, war zusätzlich eine Fülle von Hintergrundinformationen erforderlich. Konzentrationsdaten alleine können zwar miteinander verglichen werden und Korrelationen zwischen den einzelnen Parametern aufdecken, sie geben jedoch keine Hinweise auf die Gesamtbelastung des Flusses, da diese in erheblichem Maße von dessen Wasserführung abhängig ist. Um die Gesamtbelastung des Flusses zu ermitteln, mussten diese Daten mit Abflussmessungen in Bezug gebracht werden, so dass auch die realen Frachten der verschiedenen Parameter berechnet werden konnten. Auch im Hinblick auf diffuse Einträge war eine Betrachtung des Abflusses unerlässlich, denn nur bei Regenereignissen können bestimmte Stoffe aus dem Boden ausgewaschen werden. Wie in der Literatur beschrieben setzt sich der Gesamtabfluss aus drei verschiedenen Teilen zusammen: dem Oberflächenabfluss, dem Zwischenabfluss und dem Grundwasserabfluss (Abb. 11). Während heftiger Regenfälle steigt nur der Oberflächenabfluss stark an. Er verursacht Bodenerosion und spült Bodenteilchen in die Flüsse. Der übrige Teil des Wassers dringt in den Boden ein. Dieses Wasser erreicht teilweise den Fluss als so genannter Zwischenabfluss oder Interflow. Er tritt mit einer Zeitverzögerung zum Oberflächenabfluss auf und verlangsamt den Rückgang des Gesamtabflusses. Das tiefer eingedrungene Wasser gelangt z.t. über das Grundwasser in den Fluss und gewinnt so zuletzt an Bedeutung. Das Ineinandergreifen der verschiedenen Abflussarten ergibt den Gesamtverlauf der Abflusskurve nach Regenfällen. 12
Abb. 11: Zusammensetzung des Gesamtabflusses [HEL] Von besonderem Interesse hinsichtlich diffuser Einträge ist natürlich auch die Frage nach deren Herkunft. Um die Eintragspfade genauer zurückverfolgen zu können, wurden zusätzlich zu den kontinuierlich erhobenen Daten auch manuelle Beprobungen an den Seitenbächen durchgeführt (s. Abb. 17). Die Ermittlung der Belastung dieser Bäche und die Betrachtung ihrer Einzugsgebiete ermöglichte eine differenziertere Lokalisierung der diffusen Schadstoffquellen. Abgesehen von den o.g. hydrologischen Daten wurden auch pedologische, geologische und nutzungsbedingte Faktoren (z.b. begünstigen sandige Böden die Auswaschung verschiedener Stoffe) sowie jahreszeitliche Aspekte bei der Interpretation mit einbezogen. Eintragspfade diffuser Verschmutzung Vergleicht man den Verlauf der Nitratkonzentration (gemessen in der deutschen Messstation nahe der französischen Grenze) mit dem Verlauf der Wassermenge in der Nied, so zeigt sich eine Erhöhung der Nitratwerte parallel zum Ansteigen des Abflusses mit einem zeitlichen Versatz von ca. 1,5 Tagen (vgl. Abb. 12). Dies lässt den Schluss zu, dass der Hauptteil des Nitrates aus diffusen Quellen stammt und bei Regenereignissen aus den umliegenden Bereichen ausgewaschen wird. Der zeitliche Versatz deutet darauf hin, dass ein Teil des Eintrages über einen Transport mittels Interflow (unterirdischer Zwischenabfluss) erfolgt. Dabei durchläuft das Niederschlagswasser zunächst einige Bodenschichten von oben nach unten, bevor es schließlich in das Fließgewässer gelangt. 13
Abb. 12: Vergleich von Nitratkonzentration und Abfluss über einen Monat (jeweils Tagesmittelwerte, Station Niedaltdorf, Oktober 2002). Trägt man die in Abb. 12 gezeigten Nitratkonzentrationen (gemessen im Oktober 2002 in mg pro Liter) gegen den Wasserabfluss der Nied (in m 3 pro Sekunde) auf, so lassen sich im Zeitverlauf bei länger anhaltenden Regenfällen unterschiedliche Mechanismen erkennen (vgl. Abb. 13). Zunächst bleibt die Konzentration an Nitrat bei ansteigender Wassermenge (von ca. 1 bis ca. 9 m 3 /s) in etwa konstant (im Fluss vorhandenes Wasser wird durch einen weiter oben erfolgenden starken Oberflächenabfluss schnell herantransportiert, in der Graphik durch den blauen Kasten markiert). Danach macht sich diese Phase der intensiven Auswaschung bemerkbar, in der trotz abnehmender Wassermenge ein Anstieg der Nitratkonzentration verzeichnet werden kann (in der Graphik durch den grünen Kasten markiert). Diese Phasen wiederholen sich bis schließlich nur noch wenig Nitrat im Boden verblieben ist und die im Gewässer vorhandene Nitratmenge abnimmt (Verdünnung, in der Graphik durch den gelben Kasten markiert). 14
Abb. 13: Verlauf der Nitratkonzentration gegen den Abfluss über einen Monat (Station Niedaltdorf, Tagesmittelwerte, Oktober 2002) Im Gegensatz zum Parameter Nitrat zeigen die Partikel gebundenen Stoffe ein abweichendes Verhalten. Sie werden hauptsächlich mit dem Oberflächenabfluss befördert. So steigt deren Konzentration mit steigendem Abfluss rasch an. Wenn man die Phosphor-Konzentration und die Abflusskurve vom Oktober 2002 (s. Abb. 14) betrachtet, so sind die Kurven für Ortho-Phosphat (rote Linie) und Gesamt-Phosphat (grüne Linie) parallel, wenn der Abfluss gering ist. Sobald der Abfluss ansteigt, erhöht sich die Konzentration von Gesamt-Phosphat, und besonders die Differenz zwischen den beiden Parametern (Delta-P: Partikel gebundener Phosphor, violette Linie) steigt sprunghaft an und fällt danach wieder steil ab. 15
Abb. 14: Vergleich zwischen den Phosphorkonzentrationen und Abfluss über einen Monat (Station Niedaltdorf, Tagesmittelwerte, Oktober 2002) Der Parameter TOC (Gesamter organischer Kohlenstoff) steht auch in Beziehung mit den an Partikel gebundenen Stoffen (z.b. Huminsäuren oder totes Pflanzenmaterial), und der Transport-Mechanismus des Eintrags ist der derselbe wie bei Delta-P. Im November 2002 traten mehrere Regenereignisse auf. In der folgenden Abbildung 15 werden die Konzentrationskurven von verschiedenen Parametern mit der Abflusskurve verglichen (Stundenmittelwerte, gemessen an der deutschen Station in Niedaltdorf). Die Abflusskurve zeigt drei von den Regenereignissen verursachte Haupt-Maxima (,, ). Die Regenfälle am 3., 11. und 17. November führten zu einem starken Anstieg des Abflusses, infolgedessen der Oberflächenabfluss einsetzte und die Konzentrationen von Partikel gebundenem Phosphor und TOC gleichzeitig sprunghaft ansteigen ließ. 16
2 1 3 Abb. 15: Vergleich zwischen den Konzentrationen von an Partikel gebundenem Phosphor, TOC und dem Abfluss innerhalb eines Monats (Stundenmittelwerte, Station Niedaltdorf, November 2002) Trägt man die Konzentrationen von Partikel gebundenem Phosphor und TOC gegen den Abfluss auf, so zeigt sich, dass jedes Abflussereignis (,, ) durch einen typischen Kurvenverlauf (Schleife) gekennzeichnet (Abb. 16) ist. Im Unterschied zu einer entsprechenden Nitratkurve (Abb. 13) zeigten die Partikel abhängigen Parameter gleichzeitig einen sprunghaften Konzentrationsanstieg mit dem Abfluss, der durch den schnell einsetzenden Oberflächenabfluss (innerhalb von einigen Stunden) verursacht wurde. 17
2 3 1 Abb. 16: Verlauf der Konzentrationen von P und TOC (vgl. Abb. 15) in Bezug zum Abfluss über einen Monat (Stundenmittelwerte, November 2002) Lokalisierung diffuser Quellen Zusätzlich zu den kontinuierlich erfassten Daten wurden an den Seitenbächen von Nied und Attert manuelle Beprobungen durchgeführt, um die Eintragspfade diffuser Verschmutzungen zurück zu verfolgen. Die Ermittlung der Verschmutzung in diesen Seitenbächen und die Untersuchung ihrer Einzugsgebiete erlaubte eine differenziertere Lokalisierung der diffusen Eintragsquellen. Diese Beprobungen wurden von November 2002 bis Juli 2004 an 9 Seitenbächen und vier Niedstandorten gleichzeitig durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass manche Seitenbäche stark verschmutzt sind- einerseits von punktuellen Einleitungen und andererseits von diffusen Einträgen. Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft die Nitratkonzentrationsverläufe aller Seitenbäche über ein Jahr. Die Nitratkonzentration aller Seitenbäche stieg während Zeiten mit vielen Regenfällen an. Dabei entwässern stark verschmutzte Bäche gewöhnlich stark landwirtschaftlich genutzte Gebiete. Um Schlüsse auf deren Einfluss hinsichtlich der Verschmutzung des Hauptflusses ziehen zu können, mussten aber die Wassermengen der Bäche und so die Frachten der 18
entsprechenden Substanzen berücksichtigt werden. Die Konzentrationsverläufe aller Beprobungsgebiete waren sehr ähnlich. Während starker Regenfälle stieg die Nitratkonzentration fast aller Bäche an aufgrund der Auswaschung von Nitrat aus den umliegenden stark landwirtschaftlich genutzten Gebieten. Die stark verschmutzte Schoppach fließt zwischen den beiden deutschen Messstationen in die Nied. Dennoch ist ihr Einfluss aufgrund ihres niedrigen Abflusses und der infolgedessen verhältnismäßig niedrigen Fracht nur gering. Allgemein zeigten alle Niedstandorte (blaue Linien, Abb. 17) denselben Verlauf auf einem geringen Konzentrationsniveau. Es konnte gezeigt werden, dass die Nied die Verschmutzungseinträge durch ihre große Wassermenge abpuffern kann. Abb. 17: Verlauf der Nitratkonzentrationen in den Seitenbächen (30.10.2002-30.10.2003). 19
Seit April 2004 sind insgesamt vier Messstationen an der Nied (auf deutscher und französischer Seite) in Betrieb, so dass die gemessenen Konzentrationen entlang des gesamten Flusses miteinander verglichen werden konnten. Im Frühling und Sommer 2004 kam es häufig zu starken Regenfällen und besonders im Monat Mai konnten interessante Beobachtungen an allen vier Niedstandorten gemacht werden (Abb. 18). Am 8. Mai kam es zu einem Landregen, der zu einem steilen Anstieg des Abflusses führte. In der Folge stiegen auch die Nitratkonzentrationen in allen Messstationen an. In Crehange und Bionville beobachteten wir ein steiles Konzentrationsmaximum. Flussabwärts des Zusammenfließens der Nied Allemande und der Nied Française hingegen wird das Konzentrationsmaximum stark verbreitert (in Niedaltdorf (NAD), gelbe Kurve und in Fremersdorf (FD), hellblaue Kurve). Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass Nitrat in der Nähe von Crehange ausgewaschen wurde und die Konzentration durch den Zufluss der Nied Française verdünnt wurde. Am 11. Mai kam es wiederum zu einem heftigen aber eher lokalen Regenereignis, welches ein steiles kurzes Ansteigen des Abflusses bewirkte (dunkelblaue Kurve, NAD). Mit einem zeitlichen Versatz von ca. 1,5 Tagen stieg die Konzentration in Niedaltdorf und in Fremersdorf mit einer Verzögerung von ca. 2 Tagen an. Diese Beobachtung lässt darauf schließen, dass der Eintrag zwischen den Messstationen in Niedaltdorf und Bionville also bereits in der vereinigten Nied erfolgt sein muss. Die Steilheit und Schärfe des Konzentrationssignals deutet darauf hin, dass die Auswaschung sogar in unmittelbarer Nähe des Messstandortes Niedaltdorf stattgefunden hat. Einträge an der Nied Allemande oder der Nied Française wären stärker verdünnt worden durch den Zufluss des jeweils anderen Quellarms und hätten zu einem breiten Konzentrationsmaximum führen müssen. 20
Abb. 18: Niederschlag, Abflusskurve und Nitratkonzentrationsverlauf für alle vier Standorte an der Nied im Mai 2004 Eutrophierung als Auswirkung diffuser Nährstoffeinträge Betrachtet man nun die Phosphorkonzentration über den gleichen Zeitraum (Abb. 19), so erkennt man, dass der Verlauf dem des Nitrates sehr ähnlich ist. Insbesondere der Ortho- Phosphat-Gehalt zeigte ein eher kontinuierliches Ansteigen mit einem breiten über mehrere Tage konstant bleibenden Maximum. Der gesamte Phosphor (d.h. die Summe aus Partikel gebundenem Phosphor und Ortho-Phosphat-P) hingegen stieg zu Beginn des Regenereignisses aufgrund des einsetzenden Oberflächenabfluses stark an und blieb aufgrund des Anteils an Ortho-Phosphat ebenfalls konstant. Der lokale Starkregen vom 11. Mai hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Konzentrationsverläufe. Der nahezu konstant hohe Gehalt an gelöstem Ortho-Phosphat über den Zeitraum von ungefähr einer Woche führte dann auch zu einem Anstieg der Chlorophyllkonzentration (Abb. 20). 21
Abb. 19: Konzentrationsverlauf von Ortho-Phosphor, Gesamtphosphor und Chlorophyll a im Mai 2004 in Niedaltdorf (NAD) Diese starke Zunahme des Gesamtchlorophylls war hauptsächlich auf das Entstehen von Kieselalgen zurückzuführen wie aus Abb. 20 zu ersehen ist. Abb. 20: Beitrag der verschiedenen Algenklassen zur Chlorophyllkonzentration (fünfminütige Messwerte, Station Niedaltdorf, Mai 2004 22
Zusammenfassung Seit der Inbetriebnahme der Container konnten eine Vielzahl von Messdaten gewonnen werden, die Rückschlüsse auf die Dynamik von Stofftransporten aus diffusen Quellen der untersuchten Einzugsgebiete zulassen. Die gemessenen Parameter und die Abflussdaten zeigten interessante Zusammenhänge, die auf unterschiedliche Eintragsmechanismen hindeuten. Diese Beobachtungen können auch auf andere diffus eingetragene Schadstoffe (wie z.b. Prioritäre Stoffe nach der Wasserrahmenrichtlinie [WRRL]), die über die gleichen Eintragspfade ins Gewässer gelangen, übertragen werden. Die gleichzeitigen Messungen an verschiedenen Standorten entlang des Flusses erlaubten auch eine annähernde Lokalisierung der diffusen Einträge. Diese Beobachtungen können einen wichtigen Beitrag leisten zur gezielten Reduzierung der diffusen Verschmutzungen in den Maßnahmenprogrammen, die in der Wasserrahmenrichtlinie gefordert werden. Um die zahlreichen Messdaten zu verwalten und auszuwerten, wurden spezielle Datenbanken und Programme entwickelt. Zur Interpretation der aufgezeichneten Daten und zur Lokalisierung der diffusen Quellen wurden eine Reihe weiterer Informationen wie Wasserstände, Abflussdaten, Niederschlagsdaten, landwirtschaftliche, geologische und pedologische Kriterien sowie Informationen über Direkteinleitungen hinzugefügt. Durch die Anbindung aller Messstationen an das Datenübertragungssystem und die entsprechenden Datenbanken waren die verantwortlichen Partner des Projektes und die zuständigen Behörden in der Lage die Messdaten jeder Station zu jeder Zeit einzusehen, Zeitverläufe zu erkennen und verschiedene Standorte miteinander zu vergleichen sogar über Ländergrenzen hinweg. Das Projekt zeigt, dass eine grenzüberschreitende Untersuchung von Oberflächengewässern eine unverzichtbare Voraussetzung dafür ist, die Eigenschaften und Besonderheiten eines Flusseinzugsgebietes zu verstehen. Die gute internationale Zusammenarbeit in der Region SAAR-LOR-LUX war die Grundlage für den Erfolg des Projektes. Die Zukunft wird zeigen inwieweit sich solche Kooperationen auf europäischer Ebene weiterentwickeln lassen. 23
Ausblick Bereits während der Projektlaufzeit stießen die Untersuchungsergebnisse sowohl in der Öffentlichkeit als auch bei den zuständigen Behörden auf lebhaftes Interesse. Gerade im Hinblick auf die Wasserrahmenrichtlinie liefert das Projekt eine Reihe wichtiger Informationen. Ein Großteil der Messstationen wird auch nach Abschluss des Projektes in Betrieb bleiben. Auf deutscher und luxemburger Seite werden die Container von den Behörden selbst betreut. Da die Messstationen mobil aufgebaut sind, werden sie an verschiedenen Orten aufgestellt werden, um auch andere Einzugsgebiete zu untersuchen. Die Bestandsaufnahmen der Flusseinzugsgebiete, die in der Wasserrahmenrichtlinie [WRRL] gefordert sind, sind in Deutschland weitgehend abgeschlossen. Im Rahmen solcher Untersuchungen wurden alle Oberflächengewässer klassifiziert und zum Teil als at risk (d.h. gefährdet, die Umweltqualitätsziele nicht zu erreichen) oder als heavily modified identifiziert. Insbesondere die als at risk eingestuften Wasserkörper werden Gegenstand von speziellen Überwachungsprogrammen werden. Diese Programme werden sich sowohl auf die Überwachung von Punktquellen als auch auf die Registrierung von diffusen Quellen konzentrieren. Dabei wird die gleichzeitige kontinuierliche Messung der relevanten Parameter wie sie in diesem Projekt gezeigt wurde, von grundlegender Bedeutung für die Identifizierung und Lokalisierung diffuser Einträge sein. Diese Programme müssen für viele Oberflächengewässer ausgeführt werden. Im Saarland z.b. sind 49% der Oberflächengewässer als at risk eingestuft (19% als heavily modified ) und müssen daher auch weiterhin beobachtet werden. Obgleich die Untersuchungen in diesem Projekt auf die Bestimmung von Nährstoffen ausgerichtet waren, sind die Vorgehensweisen auch auf die Überwachung von anderen Stoffen übertragbar. So kann die Palette der zu messenden Parameter auch auf die Stoffe der Prioritätenliste ausgedehnt werden. 24
Danksagung Für die finanzielle und praktische Unterstützung des Projektes sei an dieser Stelle folgenden Behörden herzlich gedankt: Ministerium für Umwelt des Saarlandes (Saarbücken) Agence de l Eau Rhin-Meuse (Moulins-Lès-Metz ) Administration de l Environnement de Luxembourg (Luxemburg) Gemeinde Rehlingen-Siersburg Landesamt für Umweltschutz Literatur: [HEL]: Hellmann, H.: Analytik von Oberflächengewässern, Thieme Verlag Stuttgart, 1986 [EUM]: http://www.eutroph-monitor.com [UBA]: http://www.umweltbundesamt.de [WRRL]: http://europa.eu.int/comm/environment/water/water-framework/index_en.html 25