. Gewässerschutz Wasser Abwasser
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ISSN 0342-6068 GEWÄSSERSCHUTZ . WASSER . ABWASSER 237 PAUL WERMTER ABLEITUNG VON BEZUGSABFLÜSSEN ZUR BESTIMMUNG VON MIKROSCHADSTOFFKONZENTRATIONEN IN FLIEßGEWÄSSERN HERAUSGEBER Professor Dr.-Ing. J. Pinnekamp INSTITUT FÜR SIEDLUNGSWASSERWIRTSCHAFT DER RHEIN.-WESTF. TECHN. HOCHSCHULE AACHEN AACHEN 2015 VERTRIEB: GESELLSCHAFT ZUR FÖRDERUNG DER SIEDLUNGSWASSERWIRTSCHAFT AN DER RWTH AACHEN E.V., 52056 AACHEN D 82 Diss. RWTH Aachen 2015 ISBN 978-3-938996-43-0 Ableitung von Bezugsabflüssen zur Bestimmung von Mikroschadstoffkonzentrationen in Fließgewässern Von der Fakultät für Bauingenieurwesen der Rheinisch‐Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Paul Wermter Berichter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Johannes Pinnekamp Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. Heribert Nacken Tag der mündlichen Prüfung: 27. April 2015 Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar. Danke für einen väterlichen Schups. für ein offenes Ohr und hilfreiche Diskussionen. für das Verständnis. für die Geduld. für das Dasein. für die Chance. Für Maria und Stefan. Inhalt Inhalt Inhalt ................................................................................................................................... I Verzeichnisse ................................................................................................................... IV 1 Einleitung ............................................................................................................ 1 1.1 Zielsetzung ........................................................................................................... 1 1.2 Vorgehensweise ................................................................................................... 3 1.3 Angestrebte Ergebnisse ....................................................................................... 5 2 Mikroschadstoffe (MSS) und Flussgebietsmanagement ................................ 6 2.1 Mikroschadstoffe (MSS) ....................................................................................... 6 2.1.1 Wirkungsnachweis von Mikroschadstoffen (MSS) in der aquatischen Umwelt ..................................................................................................................... 10 2.1.2 Verbreitung von Mikroschadstoffen (MSS) in der aquatischen Umwelt ....... 13 2.1.3 Fazit Mikroschadstoffe (MSS) ...................................................................... 14 2.2 Flussgebietsmanagement ................................................................................... 14 2.2.1 Siedlungswasserwirtschaftliche Grundsätze ................................................ 16 2.2.2 Immissionsanforderungen für Fließgewässer ............................................... 22 2.2.3 Abbildung des Eintragspfads kommunale Kläranlagen ................................ 23 2.2.4 Frachtbilanzierung ........................................................................................ 25 3 Immissionsbetrachtung von Mikroschadstoffen (MSS) ............................... 28 3.1 Allgemeines/Einleitung ....................................................................................... 28 3.2 Eintragspfade sowie Eliminationsfaktoren .......................................................... 30 3.3 Datengrundlage .................................................................................................. 33 3.4 Berechnungsmethodik ........................................................................................ 40 3.4.1 Frachten ....................................................................................................... 41 3.4.2 Konzentrationen im Fließgewässer .............................................................. 48 I Inhalt 4 Anwendung der Frachtbilanzierung von Mikroschadstoffen (MSS) in NRW .. ........................................................................................................................... 49 4.1 Einleitung/Allgemeines ....................................................................................... 49 4.2 Ermittlung der Fließgewässerbelastungen als Gewässerfrachten und -konzentrationen an ausgesuchten Gewässermessstellen in der Ist-Situation .. 50 4.3 Plausibilitätsprüfung ............................................................................................ 53 4.3.1 Konzentrationen von Diclofenac und Carbamazepin in der Ruhr (Wermter, P. & Remmler, R. 2013) ............................................................................... 53 4.3.2 Frachten von Diclofenac und Carbamazepin in der Ruhr ............................. 55 4.3.3 Modellierte Konzentrationen in Abhängigkeit vom Fließgewässerabfluss .... 56 4.3.4 Vergleich Modellergebnisse und Messungen ............................................... 59 4.3.5 Vergleich von bilanzierten und aus Konzentrationsmessungen abgeleiteten Frachten für NRW ......................................................................................... 61 4.3.6 Fazit Plausibilisierung ................................................................................... 64 4.4 Szenariobasierte Bilanzierung der Gewässerbelastung zur Ableitung der erforderlichen Ertüchtigungsmaßnahmen .......................................................... 66 4.4.1 Szenariobasierte Bilanzierung der Gewässerbelastung zur Ableitung der erforderlichen Ertüchtigungsmaßnahmen .................................................... 67 4.4.1.1 Maßnahmenhauptvariante Gewässerökologie (M1) ..................................... 67 4.4.1.2 Maßnahmenvariante „Priorisierung nach Vorausstattung“ (M2) ................... 70 4.4.1.3 Maßnahmenvariante „Priorisierung nach Trinkwasserrelevanz“ (M3) .......... 73 4.4.1.4 Diskussion der Unterschiede in der Frachtreduktion zwischen Trockenwetter und Regenwetter .......................................................................................... 76 4.4.1.5 Ertüchtigungsmaßnahmen im Ruhreinzugsgebiet und für NRW .................. 78 5 Vergleich ausgewählter Bilanzansätze .......................................................... 81 5.1 Einführung Bilanzansätze für Mikroschadstoffe (MSS) ...................................... 81 5.2 Methoden und Datenbedarf ausgewählter Bilanzansätze .................................. 82 5.2.1 Einwohnerbezogener Ansatz ........................................................................ 82 5.2.2 Konzentrationsbezogener Ansatz ................................................................. 84 5.3 Methodenvergleich ............................................................................................. 85 II Inhalt 6 Vorschlag für bewirtschaftungsregelkonforme Prüfung der Einhaltung der Jahresdurchschnitts-Umweltqualitätsnormen (JD-UQN) ............................................ 88 6.1 Prüfung der Einhaltung von Umweltqualitätsnormen (UQN) .............................. 88 6.1.1 Bewirtschaftungsregeln ................................................................................ 88 6.1.2 Status Quo bei den vorliegenden Bilanzen .................................................. 89 6.1.3 Bedeutung eines realistischen Bezugsabflusses für bilanzbasierte Maßnahmenherleitung .................................................................................. 93 6.2 Anwendungsbereich ........................................................................................... 97 6.3 Methodenvorschlag für eine hydrologisch begründete Bezugsabflussfestlegung für die Jahresmittelwertbildung ........................................................................... 99 6.3.1 Charakteristisches innerjährliches Abflussverhalten von Fließgewässern ... 99 6.3.2 Minimalwert als Ankerzeitpunkt für die Quartalszeitpunkte ........................ 102 6.3.3 Niedrigwasserniveau .................................................................................. 104 7 Anwendung ..................................................................................................... 109 7.1 Vergleichende Berechnung von Konzentrationen und Ableitung des Maßnahmenbedarfs im Ruhreinzugsgebiet sowie Konzentrationsvergleiche im Neckareinzugsgebiet ........................................................................................ 109 7.1.1 Abflussregime im Ruhreinzugsgebiet ......................................................... 109 7.1.2 Konzentrations- und Maßnahmenunterschiede .......................................... 113 7.1.3 Konzentrationsvergleich im Neckareinzugsgebiet ...................................... 119 7.2 Bewertung ......................................................................................................... 121 8 Zusammenfassung ......................................................................................... 123 Literatur ......................................................................................................................... 131 Anhang ........................................................................................................................... 141 III Verzeichnisse Verzeichnisse Verzeichnis der Bilder: Bild 2-1: Populationsdaten für zwei Referenzseen (A) und den Untersuchungssee (B) zur Untersuchung von endokrinen Effekten auf eine Elritzenpopulation durch Applikation von EE2 (A: Kidd et al. 2007; B: Kidd, 2011) ............................. 11 Bild 2-2: Aufgabenfelder des Flussgebietsmanagements (Grambow 2013) .............. 14 Bild 2-3: Geschichtliche Entwicklung des Belebtschlammverfahrens