Die vier Griechischen Elemente: - TOBIAS-lib - Universität Tübingen
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NO3 und SO4 festgestellt, sinkende für den DOC. Na, K und Cl hingegen weisen sehr stabile Konzentrationen über die Tiefe auf. Die Ergebnisse sind sehr gut vergleichbar mit entsprechenden Untersuchungen an den identischen Probenahmeorten (Einsele & Hinderer, 1995; Hinderer, 1995b). Lediglich die Daten für die Interflowquelle (SB 2) weichen teilweise stark von den Werten ab, die zwischen 1990 und 1992 erhoben wurden. So ermittelte Hinderer (1995b) an dieser Quelle wesentlich niedrigere Werte für Ca (0,5 mg l -1 ), jedoch deutlich höhere Werte für NO3 (4,9 mg l -1 ), SO4 (6,1 mg l -1 ) und Cl (1,8 mg l -1 ). Die niedrigeren aktuellen Konzentrationen für SO4 und NO3 könnten einen Reflex auf die inzwischen stark zurückgegangenen Depositionsraten dieser Spurenstoffe andeuten (diese rückläufigen Trends sind u.a. in LfU (2003) dokumentiert). Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang jedoch, dass das Gebiet um diesen Quellstandort zwischen den beiden Probenahmekampagnen (1990-1992 und 2000- 2002) durch einen Sturm im Dezember 1999 vollständig entwaldet wurde und es ist davon auszugehen, dass sich die Fließverhältnisse im oberflächennahen Untergrund im Einzugsbereich dieser Quelle durch die Entwurzelung zahlreicher Bäume stark verändert haben. Es ist unsicher, ob die beprobte Quelle mit der „alten“ Probenahmestelle übereinstimmt. Entsprechend vorsichtig sind die Differenzen zwischen den beiden Zeitreihen zu interpretieren. Die niedrigen pH-Werte von SB 2 und SB 1 zeigen, dass die Pufferkapazitäten der Deckschichten bis über den Austauscher-Bereich hinaus erschöpft sind. Im tieferen Aquifer- Bereich hingegen, welcher durch die Basisquelle (SB 8) repräsentiert wird, werden die Säure- Einträge durch die Mineralverwitterung noch abgepuffert. Die vergleichsweise hohen Ca- und Mg-Konzentrationen sind auf Lösung aus Karbonaten und Silikaten (Plagioklas, Biotit) des Unteren Buntsandstein zurückzuführen, welche die starken Säureanionen neutralisieren (Hinderer, 1995b). Ursächlich für den schwach sauren Charakter dieser Quelle ist das Hydro- 4.3 Ergebnisse und Diskussion gencarbonat. Der um ca. 1 pH-Stufe erhöhte Wert des Vorfluters gegenüber dem Grundwasser ist auf die Erniedrigung des CO2-Gleichgewichtspartialdruckes im Vorfluter mit damit einhergehender Entgasung zurückzuführen (Hinderer, 1995b). Gegenüber den anorganischen Schadstoffen NO3 und SO4 zeigt sich also ein anderes Systemverhalten als gegenüber den organischen PAK. Während diese bereits flächenhaft durch die ungesättigte Bodenzone durchbrechen, werden jene fast vollständig zurückgehalten. Zur weiteren Überprüfung dieses Sachverhaltes werden nun die Massenbilanzen für PAK auf Einzugsgebietsebene berechnet, um mit diesem räumlich integrierenden Ansatz der Frage aktueller PAK- Dynamiken im ländlichen Raum nachzugehen. 4.3.3 Massenbilanzierung von PAK auf Einzugsgebietsebene Bei bekannten Abflussverhältnissen können mit Gleichung 4.1 aus den PAK-Konzentrationen die entsprechenden Massenflüsse berechnet werden. Besonders günstige Bedingungen herrschen im Seebach-Einzugsgebiet, in dem das Ausstreichen der sehr flach einfallenden Buntsandstein-Schichten über dem hydraulisch abdichtenden, unterlagernden Forbach-Granit wenige Dezimeter oberhalb des Talbodens im Mündungsbereich zur Schwarzenbachtalsperre die Bedingungen eines Naturlysimeters schaffen. In diesem Gebiet kann mit großer Sicherheit von einer Übereinstimmung des unterirdischen mit dem oberirdischen Einzugsgebiet ausgegangen werden. Auch aufgrund der Detailuntersuchungen der verschiedenen Quellniveaus beziehen sich die Überlegungen zunächst auf das Seebach-Einzugsgebiet und werden dann durch die Untersuchungen im Schönbuch ergänzt. Der Gesamtabfluss wird im Seebach-Einzugsgebiet an einem Pegel an der Mündung in die Schwarzenbachtalsperre ermittelt. Auf der Grundlage mehrjähriger Abflussmessungen (u.a. in Teileinzugsgebieten) wurden die Anteile der verschiedenen Abflusskomponenten (oberer 113
4 Massenbilanzierung von PAK auf Einzugsgebietsskala Deckschichtenabfluss, unterer Deckschichtenabfluss, Grundwasserabfluss) am Gesamtabfluss berechnet (Tabelle 4-11). Auf der vorhandenen Datengrundlage wurden als flächenhaft verbreitete, kartiertechnisch erfasste Parameter für diese Berechnungen die Hydromorphiemerkmale der Böden sowie die Klüftigkeit des oberflächennahen Untergrundes identifiziert (Bayer, 2002). Deren Gebietsanteile sind in Tabelle 4-10 vermerkt. Tabelle 4-10 Gebietsanteile der abflusswirksamen Parameter im Seebach-Einzugsgebiet (Bayer, 2002). Parameter Gebietsanteil [%] Hydromorphe Böden 37 Terrestrische Böden 63 Geklüfteter Untergrund 46 Dichter Untergrund 64 In Abhängigkeit dieser beiden Parameter (Hydromorphie, Klüftigkeit) wurden nun auf der Grundlage von Teileinzugsgebietsbetrachtungen die Abflussanteile für das Gesamtgebiet berechnet (Tabelle 4-11). Tabelle 4-11 Für das Seebach-Einzugsgebiet berechnete Abflussanteile in % (Bayer, 2002). Parameter AADo a) AADu b) AAG c) Kluft 17 63 Terrestr. 20 Dicht 24 56 Kluft 9 34 Hydrom. 57 Dicht 13 30 a) Anteil des oberen Deckschichtenabflusses b) Anteil des unteren Deckschichtenabflusses c) Anteil des Grundwasserabflusses Aus den Daten in Tabelle 4-10 und Tabelle 4-11 können dann bei bekanntem Gesamtabfluss (Pegeldaten) die verschiedenen Abflusskomponenten berechnet werden (Tabelle 4-12). Daraus geht hervor, dass die Abflussverhältnisse in den beiden Vergleichsjahren eine sehr hohe Übereinstimmung aufweisen, im mehrjährigen Ver- 114 gleich des Gesamtabflusses aber im oberen Wertebereich liegen (Hinderer, 1995b). Tabelle 4-12 Aus dem Gesamtabfluss berechnete Abflusskomponenten für die beiden Vergleichjahre 2001 und 2002 im Seebach-Einzugsgebiet. Abflüsse [m 3 a -1 ] 2001 2002 Qges Pegel 7 559 000 7 975 000 QDo QDu QG Tab. 4.10 u. 4.11 2 546 627 2 686 778 Tab. 4.10 u. 4.11 1 301 705 1 373 343 Tab. 4.10 u. 4.11 3 710 668 3 914 879 Durch die Zuordnung der beprobten Quellen zu den Abflusskomponenten können nun aus den in Tabelle 4-7 angegebenen Konzentrationen mit Gleichung 4.1 die entsprechenden PAK-Frachten berechnet werden. Dabei wurden folgende Zuordnungen getroffen: i) Die PAK-Konzentrationen der Interflowquelle (SB 2) werden auf den oberen Deckschichtenabfluss bezogen; ii) die PAK-Konzentrationen der Deckschichtenquelle (SB 1) werden auf den unteren Deckschichtenabfluss bezogen; iii) die PAK-Konzentrationen der Basisquelle (SB 8) werden auf den Grundwasserabfluss bezogen und iv) die PAK-Konzentrationen des Seebaches (SB 13) werden auf den Gesamtabfluss bezogen. Mit diesen Zuordnungen wurden für die Abflusskomponenten die PAK-Austragsraten und für das Gesamtgebiet durch Normierung auf die Einzugsgebietsgröße (4,32 km 2 ) die ausgetragene Fracht berechnet (Tabelle 4-13). Für diese Berechnungen wurden einerseits zur Beschreibung eines „mittleren“ Zustandes die Mediane der PAK-Konzentrationen und andererseits im Sinne eines „worst-case“-Szenarios die Maxima der PAK-Konzentrationen über den gesamten betrachteten Zeitraum extrapoliert.
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NO3 und SO4 festgestellt, sinkende für den<br />
DOC. Na, K und Cl hingegen weisen sehr<br />
stabile Konzentrationen über die Tiefe auf.<br />
<strong>Die</strong> Ergebnisse sind sehr gut vergleichbar mit<br />
entsprechenden Untersuchungen an den identischen<br />
Probenahmeorten (Einsele & Hinderer,<br />
1995; Hinderer, 1995b). Lediglich die Daten für<br />
die Interflowquelle (SB 2) weichen teilweise<br />
stark von den Werten ab, die zwischen 1990 und<br />
1992 erhoben wurden. So ermittelte Hinderer<br />
(1995b) an dieser Quelle wesentlich niedrigere<br />
Werte für Ca (0,5 mg l -1 ), jedoch deutlich höhere<br />
Werte für NO3 (4,9 mg l -1 ), SO4 (6,1 mg l -1 ) und<br />
Cl (1,8 mg l -1 ). <strong>Die</strong> niedrigeren aktuellen Konzentrationen<br />
für SO4 und NO3 könnten einen Reflex<br />
auf die inzwischen stark zurückgegangenen<br />
Depositionsraten dieser Spurenstoffe andeuten<br />
(diese rückläufigen Trends sind u.a. in LfU<br />
(2003) dokumentiert). Erwähnenswert ist in diesem<br />
Zusammenhang jedoch, dass das Gebiet um<br />
diesen Quellstandort zwischen den beiden Probenahmekampagnen<br />
(1990-1992 und 2000-<br />
2002) durch einen Sturm im Dezember 1999<br />
vollständig entwaldet wurde und es ist davon<br />
auszugehen, dass sich die Fließverhältnisse im<br />
oberflächennahen Untergrund im Einzugsbereich<br />
dieser Quelle durch die Entwurzelung<br />
zahlreicher Bäume stark verändert haben. Es ist<br />
unsicher, ob die beprobte Quelle mit der „alten“<br />
Probenahmestelle übereinstimmt. Entsprechend<br />
vorsichtig sind die Differenzen zwischen den<br />
beiden Zeitreihen zu interpretieren.<br />
<strong>Die</strong> niedrigen pH-Werte von SB 2 und SB 1<br />
zeigen, dass die Pufferkapazitäten der Deckschichten<br />
bis über den Austauscher-Bereich<br />
hinaus erschöpft sind. Im tieferen Aquifer-<br />
Bereich hingegen, welcher durch die Basisquelle<br />
(SB 8) repräsentiert wird, werden die Säure-<br />
Einträge durch die Mineralverwitterung noch<br />
abgepuffert. <strong>Die</strong> vergleichsweise hohen Ca- und<br />
Mg-Konzentrationen sind auf Lösung aus<br />
Karbonaten und Silikaten (Plagioklas, Biotit)<br />
des Unteren Buntsandstein zurückzuführen,<br />
welche die starken Säureanionen neutralisieren<br />
(Hinderer, 1995b). Ursächlich für den schwach<br />
sauren Charakter dieser Quelle ist das Hydro-<br />
4.3 Ergebnisse und Diskussion<br />
gencarbonat. Der um ca. 1 pH-Stufe erhöhte<br />
Wert des Vorfluters gegenüber dem Grundwasser<br />
ist auf die Erniedrigung des CO2-Gleichgewichtspartialdruckes<br />
im Vorfluter mit damit<br />
einhergehender Entgasung zurückzuführen<br />
(Hinderer, 1995b).<br />
Gegenüber den anorganischen Schadstoffen<br />
NO3 und SO4 zeigt sich also ein anderes Systemverhalten<br />
als gegenüber den organischen PAK.<br />
Während diese bereits flächenhaft durch die ungesättigte<br />
Bodenzone durchbrechen, werden<br />
jene fast vollständig zurückgehalten. Zur weiteren<br />
Überprüfung dieses Sachverhaltes werden<br />
nun die Massenbilanzen für PAK auf Einzugsgebietsebene<br />
berechnet, um mit diesem räumlich<br />
integrierenden Ansatz der Frage aktueller PAK-<br />
Dynamiken im ländlichen Raum nachzugehen.<br />
4.3.3 Massenbilanzierung von PAK<br />
auf Einzugsgebietsebene<br />
Bei bekannten Abflussverhältnissen können mit<br />
Gleichung 4.1 aus den PAK-Konzentrationen<br />
die entsprechenden Massenflüsse berechnet werden.<br />
Besonders günstige Bedingungen herrschen<br />
im Seebach-Einzugsgebiet, in dem das Ausstreichen<br />
der sehr flach einfallenden Buntsandstein-Schichten<br />
über dem hydraulisch abdichtenden,<br />
unterlagernden Forbach-Granit wenige<br />
Dezimeter oberhalb des Talbodens im Mündungsbereich<br />
zur Schwarzenbachtalsperre die<br />
Bedingungen eines Naturlysimeters schaffen. In<br />
diesem Gebiet kann mit großer Sicherheit von<br />
einer Übereinstimmung des unterirdischen mit<br />
dem oberirdischen Einzugsgebiet ausgegangen<br />
werden. Auch aufgrund der Detailuntersuchungen<br />
der verschiedenen Quellniveaus beziehen<br />
sich die Überlegungen zunächst auf das<br />
Seebach-Einzugsgebiet und werden dann durch<br />
die Untersuchungen im Schönbuch ergänzt.<br />
Der Gesamtabfluss wird im Seebach-Einzugsgebiet<br />
an einem Pegel an der Mündung in die<br />
Schwarzenbachtalsperre ermittelt. Auf der<br />
Grundlage mehrjähriger Abflussmessungen (u.a.<br />
in Teileinzugsgebieten) wurden die Anteile der<br />
verschiedenen Abflusskomponenten (oberer<br />
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