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M. Schirmer - lysimeter.com!

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Herausforderungen in der
urbanen Hydrogeologie
Mario Schirmer1 & Frido Reinstorf2
1EAWAG
- Wasserforschungs-Institut des ETH-Bereichs
2Hochschule Magdeburg-Stendal
Water and the City
(oder: Was hat Fußball mit
dem Wasser in
unserer Stadt zu tun?)
1
Unser Ziel:
Bereitstellung
von sauberem Wasser
zu bezahlbaren Preisen
Künzelmann, UFZ
Das Problem
• Industrielle Aktivitäten, städtische Entwicklung,
Landwirtschaft und Dürreperioden beeinflussen die
Qualität und Quantität der Wasserressourcen
2
Vorsorgender Grundwasserschutz !!!
10 - 20% des städtischen
Abwassers versickert im
Untergrund
Verbrauch von Xenobiotika und Auftreten in Gewässern
Ellis, 2006: „PPCP compounds are ubiquitous and persistent in urban receiving waters reflecting
input from both point and non-point sources“
Frankreich, Italien,
Spanien:
300 t/a Antibiotika1
North London Study: nach
Klärwerk steigende mittlere
Ibuprofenkonz. von 20 ng/l auf
489 ng/l im Salmon Brook4
Europa:
170 t/a PharmazeutikaÜberschuss1
USA: PPCP‘s in 40%
von 139 untersuchten
Flüssen3
1Webb,
Großbritannien:
2000 t/a Paracetamol;
770 t/a Acetylsalicylsäure1
Deutschland:
140000 t/a Schampoo;
600 t/a Antibiotika1
30 Berliner Fließgewässer:
bis zu 1000 ng/l
Clofibrinsäure; bis zu 100
ng/l Diclofenac2
2000; 2Herberer er al., 1998; 3Kolpin et al., 2002; 4Hilton et al., 2003
PPCP … Pharmaceutical and Personal Care Products
3
Strukturen und Flüsse in urbanen Landschaften
Sogenannte „Mikrokontaminanten“:
Hormonell wirksame Substanzen (z.B. Antibabypille)
Pharmaka (z.B. antiepileptische Mittel)
Duftstoffe, wie z.B. in Parfüm und Shampoo
Eintrag aus Abwassersystem in ungesättigte Zone
Grundwasser
4
Eintrag aus Abwassersystem in ungesättigte Zone
Grundwasser
Strukturen und Flüsse in urbanen Landschaften
Was passiert mit den Stoffen im Grundwasser?
Wir finden diese Stoffe in ng/l - bis µg/l –
Konzentrationen
Hat das einen Einfluss auf unsere Lebensqualität?
5
Bilden urbane Mikrokontaminanten ein Risiko?
(Öko)toxikol.
Effekte?
Mikrokontaminanten von
Industrie, aus Haushalten …
abundance
Biotransformationen?
Metaboliten?
Rechtliche
Bewertung
Toxiko
a
b
time [min]
l. Effek
te
l. Ab
Bio
Transport
bau
§?
Ges
etze
Verteilung und
Transport
Modellierung
Verteilung und Transport
Modellierung
Massenflussberechnungen
Differenzen im Massen-Eintrag/Austrag der
Stadt
Untersuchungsgebiet Halle/Saale
Transport
6
Untersuchungsgebiet Halle/Saale
Ziel: Bilanzierung eines urbanen
Raumes bzgl. wassergetragener
Mikroverunreinigungen
Halle
STP
S12
Mikrokontaminanten:
GW3
Bisphenol A
GW4
GW2
S6A
Industriechemikalie,
Endokrin wirksame
Substanz, abbaubar
GW1
Carbamazepin
Saale
Antiepileptikum,
kaum abbaubar
WE9
4-Nonylphenol
Endokrin wirksame
Substanz, abbaubar
Weisse
Elster
N
Galaxolid
Duftstoff,
abbaubar
¾ Quellen und Transportwege
¾ Massenbilanz und räumliche Verteilung
¾ Integrierte Transportmodellierung
Tonalid
Duftstoff,
abbaubar
Konzentrationen von Mikrokontaminanten: Fließgewässer
Halle
STP
S12
0.1
outflow
Saale,STP,
town
centre
Weisse
Elster
S6A
08.09.03
0.01
0.001
Bisphenole
A
Bisphenole A
GW4
GW2
GW1
Saale
WE9
N
16.07.02
16.07.02
Concentration (µg/l)
(µg/l)
1
25.03.03
14.02.02
08.09.03
06.05.04
25.03.03
15.07.04
08.09.03
25.08.04
25.03.03
06.05.04 8.2.05
22.02.05
15.07.04
08.03.05
22.02.05
22.03.05
GW3
10
Weisse
Elster
< 0.002
Carbamazepine
Carbamazepine
Galaxolide
Galaxolide
7
Konzentrationen von Mikrokontaminanten: Grundwasser
Halle
STP
S12
22.02.05
22.2.05
S6A
08.03.05
22.03.05
08.03.05
08.02.05
GW 2, town
Saale
channel
GWcentre
4, town
centre
/ uphill
GW
1, /river
woodland
GW4
GW2
GW1
Saale
WE9
08.03.05
01.02.05
16.12.04
0.1
28.10.04
28.10.04
24.03.04
08.02.05
28.10.04
16.12.04
Concentration (µg/l)
1
22.02.05
08.02.05
GW3
10
N
Weisse
Elster
0.01
< 0.002
0.002
<<0.002
0.001
Bisphenole A
Carbamazepine
Galaxolide
Schlussfolgerungen aus Konzentrationsmessungen
Mikrokontaminanten kommen ubiquitär in den
Gewässern der Stadt Halle/Saale vor.
Jedoch:
Ein urbaner Einfluss ist anhand der Konzentrationsmessung nicht eindeutig feststellbar!
Ermittlung der Stoffflüsse (Frachten)!
8
Ableitung des Bilanzierungsschemas
Bilanzierungs
gebiet
IN (KA)
Pegel Halle-Trotha
OUT (Saale)
Allgemeine Bilanzgleichung:
IN(Saale) + IN(Weiße Elster) + IN(KA) + IN(diffus)
IN (diffus)
= OUT(Saale)
IN (Weiße Elster)
IN (Saale)
Abflussbildungsberechnung
9
Ergebnisse der Abflussbildungsberechnung
Bilanzierung der Wasserflüsse in der Stadt Halle/Saale
MQOUT(Saale) = MQIN(Saale) + MQIN(Weiße Elster) + MQIN(KA) + MQIN(Diffus)
Fluss Saale (out):
MQout(Saale) = 98.6 m3/s
Bach Hechtgraben: MQin(UHH002)
= 0.004 m3/s
Kläranlage:
MQin(KA) = 0.34 m3/s
Pegel:
Halle-Trotha
Diffuser
Grundwasser
zustrom
zur Saale:
MQ in(diffus) =
0.86 m3/s
Fluss Weiße Elster (in):
MQin(W.Elster) = 24.8 m3/s
Fluss Saale (in):
MQin(Saale) = 72.6 m3/s
10
Bilanzierung der mittleren
Frachten der Jahre
Verteilung und Transport
2002 – 2006.
Modellierung
Erwartete
Differenzen im MassenKonz. im diffusen
Eintrag/Austrag der Stadt Grundwasser (µg/l)
Galaxolid
183%
10,0
Tonalid
364%
4,5
Carbamacepin
21%
3,7
t-Nonylphenol
26%
4,0
2%
0,4
Bisphenol A
Zur Zeit können die diffusen Grundwasserkonzentrationen nicht erklärt werden
Transport
Hochwasserereignis in der Stadt Halle, 1.3. – 26.4.2006
Abfluss der Saale (Station Halle-Trotha),
Durchfluss Saale (Pegel Trotha) 01.03.06 - 26.04.06
01.03.06 – 26.04.06
600
Halle
STP
500
S12
GW3
GW4
S6A GW2
GW1
Q [m³/s]
400
300
200
Modelling area
„Rabeninsel“
Saale
100
WE9
28.04.2006
03.05.2006
23.04.2006
28.04.06
18.04.2006
23.04.06
13.04.2006
08.04.2006
03.04.2006
29.03.2006
24.03.2006
19.03.2006
14.03.2006
09.03.2006
04.03.2006
27.02.2006
22.02.2006
0
Konzentration von Carbamacepin in der Saale,
01.03.06 – 26.04.06
Gauge
HalleTrotha
N
Weisse
Elster
250
150
100
50
03.05.06
18.04.06
13.04.06
08.04.06
03.04.06
29.03.06
24.03.06
19.03.06
14.03.06
09.03.06
04.03.06
27.02.06
0
22.02.06
Concentration [ng/L]
200
11
Flutsimulation für den Bereich Rabeninsel (Halle)
(HEC-RAS)
Pulverweidenwehr
[m üNN] 78
75
71
-40
0
40
[m]
[m üNN]
78
Schnitt HaNeu1
76
74
72
-60
0
60
[m]
Strukturmodel „Rabeninsel“ mit DEM-Oberfläche (TIN‘s)
Durchfluss Saale (Pegel Trotha) 01.03.06 - 26.04.06
600
500
Q [m³/s]
400
300
200
100
03.05.2006
28.04.2006
13.04.2006
23.04.2006
08.04.2006
18.04.2006
03.04.2006
13.04.06
29.03.2006
08.04.06
24.03.2006
03.04.06
19.03.2006
14.03.2006
09.03.2006
04.03.2006
27.02.2006
22.02.2006
0
250
150
100
50
03.05.06
28.04.06
23.04.06
18.04.06
29.03.06
24.03.06
19.03.06
14.03.06
09.03.06
04.03.06
0
27.02.06
Concentration [ng/L]
200
22.02.06
Transiente RB:
• Wasserspiegel
• Konzentration
12
Ergebnis der konservativen Transportmodellierung,
Tag 1-365 nach dem Flutereignis
Day 365
38
42
51
115
188
289
Klärwerk – Aufbereitung des
Abwassers und Abgabe in die Flüsse
13
Wasserwerk /
Wasserversorgung
• Analytik / Aufbereitung / Bereitstellung
• Einige Stoffe nicht analysiert und
nicht entfernt
• Einige Mikrokontaminanten gelangen
zum Verbraucher
Strukturen und Flüsse in urbanen Landschaften
Der Kreislauf des Wassers hat sich
geschlossen !
14
Der Frosch im
Glas
Frosch im
Wasserglas, dass
schnell erhitzt wird
Walter, UFZ
Der Frosch im Glas
Frosch im
Wasserglas, dass
langsam angewärmt
wird
Walter, UFZ
15
Schlussfolgerungen
ƒ Mikrokontaminanten werden in den Flüssen und im
Grundwasser der Stadt Halle/S. überall gemessen.
ƒ Mit der Ausnahme von Bisphenol A wurden signifikante
Erhöhungen der Massenflüsse der Mikrokontaminanten
beim Wasserfluss durch die Stadt Halle/S. gefunden.
ƒ Mit einen integrierten Modellansatz konnte der Effekt
eines Flutereignisses auf den konservativen Transport
(Fliesswege, Fliesszeiten) berechnet werden
ƒ Interdisziplinäre Forschungsansätze zum Thema
„Risiken urbaner Mikrokontaminanten“ müssen
ausgeweitet werden
Ausblick
ƒ Experimentalplattform „WASSER Leipzig“ [Water- and
Sewershed Study of Environmental Risk in Leipzig]
ƒ Arbeit an Vergleichsstandorten – urbane
Grundwasserleiter
ƒ Verwendung des integrierten Modells
„HYDROGEOSHPERE“ von Ed Sudicky (University of
Waterloo, Ontario, Kanada), Rene Therrien (Laval
University, Quebec, Kanada) et al.
16
Danksagung
Frido Reinstorf
Dietmar Schlosser
Karsten Osenbrück
Sascha Oswald
Walter Gläßer
Detlef Lazik
Elke Bozau
Wolf von Tümpling
Ronald Krieg
Rainer Wennrich
Susan Walter
Peter Dietrich
Till Luckenbach
Kristin Schirmer
Gerhard Strauch
Monika Möder
Henry Gläser
Wolfgang Köck
Christian Schmidt
Edda Kalbus
Marti Bayer-Raich
Andreas Musolff
Sebastian Leschik
Doris Böhme
Carsten Leven
Dagmar Haase
Beate Tammer
Viele andere …
Unser Ziel:
Bereitstellung
von sauberem Wasser
zu bezahlbaren Preisen
Künzelmann, UFZ
17
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
E-mail: mario.schirmer@eawag.ch
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