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Ökologie

1.2.03 Verbundprojekt SEDYMO – Einflüsse der Sedimentdynamik auf die Qualität von Fließgewässern

Gewässer sind die Endstation vieler vom Menschen in die Umwelt eingebrachter Schadstoffe. Hier sammeln sich direkt eingeleitete Schadstoffe ebenso an, wie durch Niederschläge und Hochwasser abgeschwemmte Feststoffe und gelöste Verbindungen. Einige Schadstoffe werden bevorzugt an Partikel gebunden und mit den Sedimenten auf dem Gewässergrund abgelagert. Von dort aus können sie wieder ins Wasser gelangen, etwa wenn sie durch das Vertiefen der Fahrrinnen oder bei Hochwasser aufgewirbelt werden oder infolge chemischer Vorgänge wieder in Lösung gehen. Ein Forschungsprojekt nimmt sich dieser wichtigen Problematik an und erarbeitet fehlendes Grundlagen- und Prozesswissen.

Obwohl immer weniger Schadstoffe in Deutschlands Flüsse geleitet werden, sind ihre Sedimente vielerorts noch stark mit Umweltchemikalien belastet. Diese Stoffe gelangen nicht nur über Abwässer in die Gewässer. Ursachen für die Schadstoffbelastung sind auch Einträge aus der Luft, aus Niederschlägen und durch Hochwasser, das belastete Feststoffe aus Deponien oder Abraumhalden mit sich führt. Besonders betroffen sind Flussmündungen, da sich dort die Schadstoffe des gesamten Flusslaufs sammeln.

Feinsedimente sind für die Schadstoffforschung an Gewässern von besonderem Interesse. Sie beinhalten vergleichsweise große Mengen an Schadstoffen und sind durch ihre große Partikeloberfläche chemisch und physikalisch sehr reaktiv. Unter den Begriff Schadstoffe fallen nicht nur die unmittelbar giftigen Umweltchemikalien wie Schwermetalle oder bestimmte organische Verbindungen. Dazu gehören Stoffe, die indirekt die Gewässergüte verschlechtern können, etwa organische Substanzen oder die Nährstoffe Stickstoff und Phosphor. Durch Abbauprozesse und starkes Algenwachstum vermindern sie den Sauerstoffgehalt der Gewässer.

Dynamik der Schadstofffreisetzungen

Von den Flüssen transportierte Feststoffe sowie Teile von gelösten Stoffen lagern sich je nach Fließgeschwindigkeit und in Abhängigkeit vom chemischen und biologischen Zustand des Wassers in den Flussbetten und Überflutungsbereichen ab. Die Sedimente zeigen somit auch die Gewässerbelastung vergangener Tage an. Ihre Bestandteile können aber auch wieder freigesetzt werden. Handelt es sich um Feststoffe (mineralische oder organische Partikel), so sind daran natürliche oder künstliche Erosionsprozesse beteiligt. Auslöser sind beispielsweise Hochwasser, Schiffsbewegungen oder sogenannte Unterhaltungsbaggerungen, durch die Gewässer schiffbar bleiben. Lösliche Schadstoffe, die zwischenzeitlich an das Sediment gebunden waren, können durch (mikro-)biologische und chemische Prozesse freigesetzt werden.

Links: Sedimentprobenahme am Rhein / Rechts: Einsatz eines In-situ-Erosionstestgeräts an der Elbe

Links: Sedimentprobenahme am Rhein / Rechts: Einsatz eines In-situ-Erosionstestgeräts an der Elbe
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Das Wissen um die Dynamik schadstoffbelasteter Sedimente gewinnt bei der Umsetzung der europäischen Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) zunehmend an Bedeutung. Im Mittelpunkt der Richtlinie stehen flussgebietsübergreifende Maßnahmen zur Verbesserung der Gewässergüte.

Bis heute werden Aussagen über den Eintrag von Schadstoffen in ein Gewässer vorrangig anhand bekannter Quellen außerhalb der Gewässer getroffen. Dazu gehören diffuse Quellen wie die Landwirtschaft oder Punktquellen wie Deponien oder Industriebetriebe. Diese Herangehensweise vernachlässigt aber einen ganz wesentlichen Faktor: die erneute Freisetzung von schadstoffhaltigen Teilchen, die sich in den Ablagerungen des Flussbetts befinden.

Um diesen Aspekt der Sedimentforschung voranzubringen, wurde im Mai 2002 das BMBF-Verbundprojekt „Feinsedimentdynamik und Schadstoffmobilität in Fließgewässern“ (SEDYMO) gestartet. Es soll dazu beitragen, Unterhaltungsbaggerungen an Bundeswasserstraßen ökologisch zu optimieren, kontaminierte Überflutungssedimente nachhaltig zu bewirtschaften und Sedimentausräumungen zur Verbesserung der Gewässerstruktur und -ökologie zu planen und durchzuführen.

Interdisziplinäre Herangehensweise

Das vom Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft der TU Hamburg-Harburg koordinierte Verbundprojekt mit zwölf weiteren Partnern (siehe Projekt-Website der

Sedimentprobenahme an der Salzach

Sedimentprobenahme an der Salzach
Sedimentprobenahme an der Salzach
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TUHH) verbindet zwei zentrale Fragestellungen: das dynamische Abtrags- beziehungsweise Ablagerungsverhalten der Feinsedimente sowie die Mobilität von Schad- und Belastungsstoffen in Sedimenten und Schwebstoffen. Da die beiden Aspekte in der Praxis eng miteinander verknüpft sind, ist ein gemeinsamer Forschungsansatz technischer und naturwissenschaftlicher Fachdisziplinen nötig.

In der ersten Phase des Vorhabens untersuchte das Projektteam die Erosion und den Transport feinkörniger Sedimente am Beispiel des Neckars und der Elbe. Als Messapparaturen verwendeten die Forscher den Strömungskanal, den Mikrokosmos und die Turbulenzsäule. Physikalisch-chemische und mikrobiologische Analysen begleiteten die methodischen Arbeiten. Weitere Teilprojekte befassten sich mit vergleichenden Untersuchungen über den Transport feinkörniger Sedimente, die unter naturnahen Bedingungen in Hafenbecken und deren Einfahrten stattfanden. Ein weiteres Teilprojekt untersuchte die Vermischung feinkörniger Partikel in der Elbe. In der zweiten Phase untersuchten die Wissenschaftler schwerpunktmäßig den Transport von Nähr- und Schadstoffen. Die in der Natur auftretenden Wechselwirkungen zwischen Aggregaten, Schadstoffen, Wasser und Boden wurden quantifiziert, als Steuergrößen der biologischen, sedimentologischen und chemischen Prozesse eingeordnet und in Modellen zusammengeführt. In weiteren sechs Teilprojekten gewannen die Wissenschaftler grundlegende Kenntnisse über die physikalisch-chemischen und biologischen Eigenschaften von Gewässerfeststoffen.

Breites Anwendungsspektrum

Die Untersuchungen zeigten, dass die Geschwindigkeit, in der organische Schadstoffe an das Sediment sorbiert (gebunden) und wieder desorbiert (freigesetzt) werden, stark von hydrodynamischen Bedingungen abhängt. Dagegen haben Veränderungen der hydrochemischen Zusammensetzung des Fließgewässers, zum Beispiel infolge von Hochwasserereignissen, einen geringeren Einfluss auf das Schadstoffbindungsverhalten als bisher angenommen.

Die im Rahmen des Verbundprojekts entwickelten Geräte und Modelle zur Charakterisierung und Prognose der Erosionsstabilität von Sedimenten kamen bereits in der Praxis zum Einsatz. Beispielsweise wurden Überflutungsflächen nach dem Extremhochwasser an der Elbe im August 2002 untersucht. Außerdem beteiligten sich Wissenschaftler des Forschungsverbundes an der Risikobewertung im Fall „Staustufe Iffezheim“. Die Umlagerung von 300.000 Kubikmetern stark belasteter Rheinsedimente hatte hier eine internationale Kontroverse ausgelöst.

Die Ergebnisse von SEDYMO gehen außerdem unmittelbar ein in die Arbeit des Fachausschusses „Bewirtschaftung kontaminierter Sedimente“ der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (DWA) und in die BMBF-Förderaktivität „Risikomanagement extremer Hochwasserereignisse“ (RIMAX). Sie werden besondere Aktualität erhalten, wenn gemäß WRRL weitere Maßnahmen gegen Schadstoffquellen in die Wege geleitet werden. Dabei wird die Verringerung der Schadstoffemissionen aus den historisch kontaminierten Sedimenten eine zentrale Aufgabe sein.

Die Buchpublikation „Sediment Dynamics and Pollutant Mobility in Rivers – An Interdisciplinary Approach“ ist das Referenzwerk für ingenieurtechnische und naturwissenschaftliche Wechselbeziehungen von kontaminierten Sedimenten in Fließgewässern und wurde im Rahmen des SEDYMO-Projekts aus den Beiträgen zum „International Symposium on Sediment Dynamics and Pollutant Mobility in River Basins“ zusammengestellt.

Technische Universität Hamburg-Harburg (TUHH)
Institut für Umwelttechnik und Energiewirtschaft
(IUE)

Prof. (i. R.) Dr. Ulrich Förstner
Eissendorfer Straße 40
21071 Hamburg
E-Mail: u.foerstner@tu-harburg.de
privat:
Stöversweg 6 a
21244 Buchholz
Tel.: 0 41 81/3 67 90
Internet: www.tu-harburg.de/iue/sedymo

Universität Stuttgart
Institut für Wasserbau (IWS)

Prof. Dr.-Ing. habil. Bernhard Westrich
Pfaffenwaldring 61
70569 Stuttgart
Tel.: 07 11/68 56 37 76
E-Mail: bernhard.westrich@iws.uni-stuttgart.de
Förderkennzeichen: 02WF0315 – 0318, 02WF0320 -0322, 02WF0467 - 02WF0470
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