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Kleisinger, Carmen; Burger, Beate; Grope, Norbert; Schubert, Birgit Klimabedingt verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee Ästuaren KLIWAS Schriftenreihe

Verfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/105393

Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation: Kleisinger, Carmen; Burger, Beate; Grope, Norbert; Schubert, Birgit (2014): Klimabedingt verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee Ästuaren. Koblenz: Bundesanstalt für Gewässerkunde (KLIWAS Schriftenreihe, 40/2014). https://doi.org/10.5675/Kliwas_40/2014_3.06.

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KLIWAS Schriftenreihe KLIWAS-40/2014 Schlussbericht KLIWAS-Projekt 3.06

Klimabedingt verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee- Ästuaren Koblenz, im Dezember 2014

KLIWAS Schriftenreihe Autoren:

KLIWAS-40/2014 Carmen Kleisinger Schlussbericht Beate Burger KLIWAS-Projekt 3.06 Norbert Grope Birgit Schubert Klimabedingt verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee- Ästuaren

Zitiervorschlag: KLEISINGER, C., BURGER, B., GROPE, N., SCHUBERT, B. (2014): Klimabedingt verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren. Schlussbericht KLIWAS-Projekt 3.06. KLIWAS-40/2014. BfG, Koblenz. DOI: 10.5675/Kliwas_40/2014_3.06 URL: http://doi.bafg.de/KLIWAS/2014/Kliwas_40_2014_3.06.pdf

Klimabedingt verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren

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Inhaltsverzeichnis

06 TABELLENVERZEICHNIS 06 ABBILDUNGSVERZEICHNIS

09 1 KURZFASSUNG 12 2 ZIELE

13 3S STAND DER FORSCHUNG 18 4 METHODEN 19 4.1 DATENGRUNDLAGE 20 4.2 FESTLEGUNG DES REFERENZZEITRAUMES UND -ZUSTANDS 21 4.3 ABSCHÄTZUNG DER TRANSPORTZEITEN VON FESTSTOFFEN 22 4.4 IDENTIFIZIERUNG KLIMASENSITIVER EINFLUSSGRÖßEN 22 4.4.1 EINFLUSSGRÖßEN IM BINNENBEREICH 23 4.4.2 SEESEITIGE EINFLUSSGRÖßEN 23 4.4.3 EINFLUSSGRÖßEN INNERHALB DER ÄSTUARE 24 4.5 ABSCHÄTZUNG DER ENTWICKLUNG DER SCHADSTOFFGEHALTE INFOLGE DES KLIMAWANDELS

24 4.5.1 MISCHUNGSMODELL ZUR ABSCHÄTZUNG DES VERHÄLTNISSES DER FLUVIALEN UND MARINEN SEDIMENTANTEILE AN AUSGEWÄHLTEN STELLEN IN DEN ÄSTUAREN

26 4.5.2 PROJEKTION KLIMABEDINGT VERÄNDERTER SCHADSTOFFGEHALTE 28 4.6 EINFLUSS EINER REDUZIERUNG DER FLUVIALEN SCHADSTOFFGEHALTE AUF DIE SEDIMENTQUALITÄT IM ÄSTUAR

29 5 DURCHGEFÜHRTE ARBEITEN 29 5.1 ABSCHÄTZUNG DER TRANSPORTZEITEN FESTSTOFFGEBUNDENER SCHADSTOFFE IN DEN ÄSTUAREN

29 5.2 FESTLEGUNG DES REFERENZZEITRAUMES UND -ZUSTANDS Klimabedingt verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren

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29 5.3 IDENTIFIZIERUNG KLIMASENSITIVER EINFLUSSGRÖßEN 29 5.3.1 ERMITTLUNG DER WICHTIGSTEN EINFLUSSGRÖßEN IM BINNENBEREICH 29 5.3.2 UNTERSUCHUNG VON SEITENBEREICHEN AUF IHR POTENZIAL ALS SCHADSTOFFQUELLEN BZW. –SENKEN INNERHALB DER ÄSTUARE 30 5.4 ABSCHÄTZUNG DER ENTWICKLUNG DER SCHADSTOFFGEHALTE INFOLGE DES KLIMAWANDELS 30 5.4.1 MISCHUNGSVERHÄLTNISSE FLUVIALER ZU MARINER SEDIMENTE AN AUSGEWÄHLTEN STATIONEN IN DEN DREI NORDSEEÄSTUAREN 30 5.4.2 KLIMABEDINGTE ÄNDERUNGEN DER SCHADSTOFFGEHALTE DURCH ÄNDERUNGEN DER SCHWEBSTOFFEINTRÄGE AUS DEM BINNENBEREICH 31 5.4.3 KLIMABEDINGTE ÄNDERUNGEN DER SCHADSTOFFGEHALTE DURCH EINEN MEERESSPIEGELANSTIEG 32 6 VERNETZUNG DES PROJEKTES, KOOPERATIONSPARTNER 34 7 ERGEBNISSE 34 7.1 ERREICHTER METHODISCH-WISSENSCHAFTLICHER FORTSCHRITT 35 7.2 FESTLEGUNG DER RANDBEDINGUNGEN UND ERMITTLUNG VON EINFLUSSGRÖßEN 35 7.2.1 ABSCHÄTZUNG DER TRANSPORTZEITEN FESTSTOFFGEBUNDENER SCHADSTOFFE IN DEN ÄSTUAREN 36 7.2.2 FESTLEGUNG DES REFERENZZEITRAUMES UND -ZUSTANDS 38 7.2.3 MISCHUNGSVERHÄLTNISSE FLUVIALER ZU MARINER SEDIMENTE AN AUSGEWÄHLTEN STATIONEN IN DEN DREI NORDSEEÄSTUAREN 39 7.2.4 ERMITTLUNG DER WICHTIGSTEN EINFLUSSGRÖßEN IM BINNENBEREICH 40 7.2.5 DAS POTENZIAL VON SEITENBEREICHEN ALS SCHADSTOFFQUELLEN BZW. –SENKEN INNERHALB DER ÄSTUARE 46 7.3 ABSCHÄTZUNG DER ENTWICKLUNG DER SCHADSTOFFGEHALTE INFOLGE DES KLIMAWANDELS 46 7.3.1 KLIMABEDINGTE ÄNDERUNGEN DER SCHADSTOFFGEHALTE DURCH ÄNDERUNGEN DER SCHWEBSTOFFEINTRÄGE AUS DEM BINNENBEREICH 47 7.3.2 PROJEKTION DER SCHADSTOFFGEHALTE IM ELBEÄSTUAR – NAHE ZUKUNFT 49 7.3.3 SENSITIVITÄTSSTUDIEN ZU ÄNDERUNGEN DER SCHADSTOFFGEHALTE IN DEN ÄSTUAREN VON WESER UND EMS – NAHE ZUKUNFT Klimabedingt verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren

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50 7.3.4 PROJEKTION DER SCHADSTOFFGEHALTE IM ELBEÄSTUAR – FERNE ZUKUNFT 52 7.3.5 SENSITIVITÄTSSTUDIE ZU ÄNDERUNGEN DER SCHADSTOFFGEHALTE IN DEN ÄSTUAREN VON WESER UND EMS – FERNE ZUKUNFT 52 7.3.6 ÄNDERUNGEN DER SCHADSTOFFGEHALTE DURCH KLIMABEDINGTE ÄNDERUNGEN IN DER NAHEN UND FERNEN ZUKUNFT 52 ÄNDERUNGEN DER SCHADSTOFFGEHALTE DURCH KLIMABEDINGTE ÄNDERUNGEN DER SEDIMENTATION UND EROSION IN SEITENBEREICHEN 53 KLIMABEDINGTE ÄNDERUNGEN DER SCHADSTOFFGEHALTE DURCH EINEN MEERESSPIEGELANSTIEG IN DER NAHEN UND FERNEN ZUKUNFT 55 ANTHROPOGENE ÄNDERUNGEN IN DER NAHEN UND FERNEN ZUKUNFT 58 8 KERNAUSSAGEN ZU DEN ERGEBNISSEN 58 8.1 PROJEKTION DER SCHADSTOFFBELASTUNG IM ELBEÄSTUAR IN DER NAHEN ZUKUNFT 58 8.2 PROJEKTION DER SCHADSTOFFBELASTUNG IN DER FERNEN ZUKUNFT 59 8.3 ENTWICKLUNG DER SCHADSTOFFBELASTUNG IN DER NAHEN UND FERNEN ZUKUNFT 60 8.4 EINSCHÄTZUNG ZUM GRAD DER BETROFFENHEIT DES SYSTEMS WASSERSTRAßE UND DES OPERATIVEN GESCHÄFTS DER WSV IM GESCHÄFTSBEREICH DES BMVI 61 8.5 KERNAUSSAGEN ÜBER MÖGLICHE ANPASSUNGSOPTIONEN UND HANDLUNGSEMPFEHLUNGEN 63 9 DISKUSSION UND AUSBLICK 65 10 DANKSAGUNG 66 11 LITERATUR 71 12 ABKÜRZUNGEN Klimabedingt verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren

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Tabellensverzeichnis

14 1 CHARAKTERISTIKA DER ÄSTUARE 32 2 PROJEKT 3.06 - KOOPERATIONEN UND AUFTRÄGE 38 3 REFERENZGEHALT (REF. GEH.) MIT VARIATIONSKOEFFIZIENTEN (VK) DER SCHADSTOFFE AN DEN AUSGEWÄHLTEN DAUERMESSSTELLEN (N.B.: NICHT BERECHNET); N.A.: NICHT ANWENDBAR) 39 4 MITTLERE FLUVIALE ANTEILE AM SEDIMENT AN AUSGEWÄHLTEN STATIONEN DER NORDSEEÄSTUARE FÜR DIE REFERENZPERIODE 2003 BIS 2012 41 5 POTENZIELL REMOBILISIERBARE FRACHTEN AN SCHWERMETALLEN UND AUSGEWÄHLTEN ORGANISCHEN SCHADSTOFFEN IN WATTFLÄCHEN DES ELBEÄSTUARS (2008 – 2012) (MW = MITTELWERT) 45 6 POTENZIELL REMOBILISIERBARE FRACHTEN AN SCHWERMETALLEN UND AUSGEWÄHLTEN ORGANISCHEN SCHADSTOFFEN IN WATTFLÄCHEN DES WESERÄSTUARS (2011) (MW = MITTELWERT) 47 7 PROJIZIERTE UND ANGENOMMENE ÄNDERUNG DES SCHWEBSTOFFEINTRAGS BEI HITZACKER UND DIE RESULTIERENDEN ÄNDERUNGEN DER SCHADSTOFF- GEHALTE IN DEN ÄSTUAREN VON ELBE, WESER UND EMS

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Abbildungsverzeichnis

20 1 DAUERMESSSTELLEN DER BFG UND FGG ELBE IN DEN DREI GROßEN NORDSEE- ÄSTUAREN 37 2 TRENDANALYSE VON TRIBUTYLZINN IM ZEITRAUM 1999-2012 UND VON QUECKSILBER IM ZEITRAUM 1980-2012 AN SCHWEBSTOFFEN DER DAUER- MESSSTATION WEDEL (AP1, ANHANG III). Y-ACHSE: KONZENTRATION IN <20µM IN µG TBT/KG TS FÜR TRIBUTYLZINN UND IN MG/KG FÜR QUECKSILBER, X-ACHSE: ZEITRAUM 42 3 ERFASSTE SCHADSTOFFDEPOTS MIT GESAMTSCHADSTOFFFRACHT ( IN TONNEN (SCHWERMETALLE) BZW. KG (ORGAN. SCHADSTOFFE)) DES ELBEÄSTUARS BIS 1998 Klimabedingt verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren

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Abbildungsverzeichnis

42 4 ERFASSTE SCHADSTOFFDEPOTS MIT POTENZIELL MOBILISIERBAREN SCHADSTOFF- FRACHT (IN TONNEN (SCHWERMETALLE) BZW. KG (ORGAN. SCHADSTOFFE)) DES ELBEÄSTUARS 2008 – 2012 43 5 TIEFENPROFILE VON POSITION „KERN 4“ AUS DEM ELBEÄSTUAR DER JAHRE 1998-2012 AM BEISPIEL DES CADMIUMS 48 6 PROJIZIERTE SCHADSTOFFGEHALTE BEI WEDEL, ELBEÄSTUAR MIT UNSICHERHEITEN AUS FÜNF PROJIZIERTEN UND EINER ANNAHME ZU SCHWEBSTOFFEINTRÄGEN FÜR DIE NAHE ZUKUNFT IM VERGLEICH ZUM REFERENZZUSTAND 49 7 PROJIZIERTE SCHADSTOFFGEHALTE BEI BRUNSBÜTTEL, ELBEÄSTUAR MIT UNSICHERHEITEN AUS FÜNF PROJIZIERTEN UND EINER ANNAHME ZU SCHWEBSTOFFEINTRÄGEN FÜR DIE NAHE ZUKUNFT IM VERGLEICH ZUM REFERENZZUSTAND 50 8 PROJIZIERTE SCHADSTOFFGEHALTE BEI WEDEL, ELBEÄSTUAR MIT UNSICHERHEITEN AUS FÜNF PROJIZIERTEN UND EINER ANNAHME ZU SCHWEBSTOFFEINTRÄGEN FÜR DIE FERNE ZUKUNFT IM VERGLEICH ZUM REFERENZZUSTAND 51 9 PROJIZIERTE SCHADSTOFFGEHALTE BEI BRUNSBÜTTEL, ELBEÄSTUAR MIT UNSICHERHEITEN AUS FÜNF PROJIZIERTEN SCHWEBSTOFFFRACHTEN UND EINER ANNAHME ZU SCHWEBSTOFFEINTRÄGEN FÜR DIE FERNE ZUKUNFT IM VERGLEICH ZUM REFERENZZUSTAND 54 10 ÄNDERUNG DER SCHADSTOFFGEHALTE AN DER DAUERMESSSTATION WEDEL BEI ERHÖHUNG DER MARINEN ANTEILE VON 73% BIS 85% BEI GLEICHBLEIBENDEM SCHADSTOFFGEHALT UND –FRACHT AM ÄSTUAREINGANG IM VERGLEICH ZU RICHTWERT 2 NACH GÜBAK (ANONYMUS, 2009) 56 11 PROJIZIERTE SCHADSTOFFGEHALTE DES P,P`-DDE UND IHRE UNSICHERHEITEN BEI WEDEL, ELBEÄSTUAR AUS FÜNF PROJIZIERTEN SCHWEBSTOFFFRACHTEN MIT REDUKTION DES SCHADSTOFFGEHALTES AM ÄSTUAREINGANG FÜR DIE NAHE ZUKUNFT IM VERGLEICH ZUM REFERENZZUSTAND 57 12 PROJIZIERTE SCHADSTOFFGEHALTE DES P,P`-DDE UND IHRE UNSICHERHEITEN BEI WEDEL, ELBEÄSTUAR AUS FÜNF PROJIZIERTEN SCHWEBSTOFFFRACHTEN MIT REDUKTION DES SCHADSTOFFGEHALTES AM ÄSTUAREINGANG FÜR DIE FERNE ZUKUNFT IM VERGLEICH ZUR REFERENZ Klimabedingt verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren

Anhang

ANHANG I: PRODUKT- / PUBLIKATIONSLISTE (erhältlich auf www.kliwas.de)

ANHANG II: ARBEITSANWEISUNGEN, SKRIPTE, DATENANWEISUNGEN BERECHNUNG DES MISCHUNGSVERHÄLTNISSES MARIN/FLUVIAL AN EINER STATION X IM ÄSTUAR ANHANG III: SONSTIGE ERGEBNISSE/ERKENNTNISSE STATISTISCHE ANALYSEN KORRELATIONSANALYSEN ANHANG IV: ÜBERSICHTSTABELLEN MIT DATEN / MESSERGEBNISSEN ODER LINKS DORTHIN SCHADSTOFFDATEN DER LANGJÄHRIGEN MESSREIHEN LAGEDATEN UND SCHADSTOFFDATEN DER ENTNOMMENEN KERNE 2008-2012

ANHANG V: ENTWÜRFE, EINGEREICHTE SKRIPTE FÜR PUBLIKATIONEN (nicht öffentlich)

Klimabedingt 1 Kurzfa ssung verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren Ziel des Projektes war es, die Abhängigkeit der Schadstoffgehalte in Ästuaren von klimasensitiven Einflussgrößen zu ermitteln und das Ausmaß des Einflusses des Kli- mawandels auf die Schadstoffgehalte in Sedimenten und Schwebstoffen und auf deren Transport in den Nordseemündungsbereichen (Nordseeästuare) der Flüsse Elbe, Ems und Weser abzuschätzen. Bei Baggermaßnahmen ist die Qualität der zu baggernden Sedimente ein wesentliches Kriterium für die Bewertung der Unterbringungsmöglichkeiten. Insbesondere in den Sedimenten des Elbeästuars sind trotz eines deutlichen Rückgangs der Belastungen in den letzten Jahrzehnten auch heute noch erhöhte Schadstoffgehalte anzutreffen, die die Entscheidungen über die Unterbringungsbereiche des Unterhaltungsbaggergutes beeinflussen. Langjährige Monitoringdaten aus den Nordseeästuaren von Elbe, Weser und Ems zeigen für den Feststofftransport und damit auch für feststoffgebundene Schadstoffe mit Hauptquellen im Binnenbereich eine Abhängigkeit vom Oberwasserzufluss. Stei- gende Oberwasserzuflüsse, die in der Regel mit steigenden Feststoff – bzw. Schad- stoffeinträgen aus dem Binnenbereich einhergehen, führen zu einer Zunahme der Schadstoffgehalte in den Ästuaren und umgekehrt nehmen die Schadstoffgehalte bei niedrigen Oberwasserzuflüssen wieder ab. Die als Folge des Klimawandels erwarte- ten Änderungen der Häufigkeit und Intensität hydrologischer Extremereignisse sowie der erwartete Meeresspiegelanstieg, die Einfluss auf den Feststofftransport haben, können daher zu Änderungen der Schadstoffgehalte im Ästuar führen. Das Projekt untersucht den Einfluss des Eintrags schadstoffbelasteter Schwebstoffe aus dem Oberlauf der Ästuare sowie den Einfluss strömungsberuhigter Seitenbereiche innerhalb der Ästuare, die z.T. große Schadstoffspeicher darstellen, auf die Schad- stoffgehalte der Feststoffe in den Ästuaren. Darüber hinaus wird auch der Einfluss des Meeresspiegelanstiegs auf die Schadstoffgehalte betrachtet. Auf der Basis eines Mischungsmodells wurde ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, Veränderun- gen der Schadstoffgehalte bei klimabedingt veränderten Schwebstoffeinträgen aus dem Oberlauf der Ästuare abzuschätzen. Das Mischungsmodell geht vereinfachend davon aus, dass sich die Schadstoffgehalte der Feststoffe in den Ästuaren aus der Vermischung stärker belasteter fluvialer Feststoffe mit geringer belasteten Feststoffen mariner Herkunft ergibt. Für die Abschätzung der Schadstoffgehalte wurden die Frachten der marinen Sedimente im Ästuar sowie die marinen und fluvialen Ein- gangskonzentrationen der Schadstoffe konstant gehalten. Für das Elbeästuar wurden für Projektionen der Schadstoffgehalte Ergebnisse aus fünf Projektionen der Jahresschwebstofffrachten bei Hitzacker (Elbe-km 522,9) ver-

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KLIWAS Forschungs- wendet, wobei diese als Einträge von Schwebstoffen und damit von feststoffgebun- programm denen Schadstoffen ins Ästuar angenommen wurden. Die große Spanne der für die

Schlussbericht nahe und ferne Zukunft von Projekt 5.01 (Sedimenthaushalt Binnen) projizierten Än-

Projekt 3.06 derungen der Schwebstofffrachten führen zu einer großen Bandbreite der projizierten Änderungen der Schadstoffgehalte. Für die nahe Zukunft (2021-2050) ergibt sich eine Änderung der Schadstoffgehalte um +2 % bis +26 % bei Wedel und um -10 % bis +12 % bei Brunsbüttel. Diese projizierten Veränderungen gehen kaum über die natür- liche Variabilität hinaus. Die für die ferne Zukunft projizierten Schadstoffgehalte zeigen dagegen mit -12 % bis +49 % bei Wedel und -23 % bis +34 % bei Brunsbüttel deutlichere Änderungen. Die mit dem höchsten projizierten Schwebstoffeintrag durchgeführte Projektion führt zu Schadstoffgehalten, die die natürliche Variabilität der Referenzbelastung signifikant übersteigen. Bereits heute überschreiten die Gehalte einiger Schadstoffe in Baggergut aus Berei- chen innerhalb und stromauf der Trübungszone (ca. stromauf km 700) im Elbeästuar die oberen Richtwerte der derzeitig gültigen Regelungen für den Umgang mit Bag- gergut in den Küstengewässern seewärts der Süßwassergrenze (Anonymus 2009). Das ungünstigste Ergebnis der Projektionen zeigt für die ferne Zukunft (2071-2100), dass vor allem in diesen Bereichen eine Erhöhung der Schadstoffgehalte und damit eine verstärkte Richtwertüberschreitung nicht auszuschließen ist. Die Ergebnisse der übrigen Projektionen der Schadstoffgehalte lassen dagegen keine Einschränkungen der Baggergutunterbringung erwarten. Unter der Annahme, dass sich der Klimawandel auf Hydrologie und Schwebstoffein- träge an Weser und Ems ähnlich wie an der Elbe auswirken, sind keine signifikanten negativen Auswirkungen auf die Schadstoffgehalte und keine Richtwertüberschrei- tungen in Sedimenten und Baggergut der Ästuare von Weser und Ems zu erwarten. Anpassungsoptionen oder Handlungsempfehlungen werden für diese Bereiche nicht als erforderlich angesehen. Lang anhaltend hohe Oberwasserzuflüsse führen aber zu einem verstärkten Schadstoffeintrag in alle Ästuare und schließlich in die Nordsee. In strömungsberuhigten Bereichen der Ästuare von Weser und Elbe liegen z.T. größe- re Mengen schadstoffbelasteter Altablagerungen vor. In den meisten der untersuchten Bereiche weisen Schadstoffmessungen in Sedimentkernen auf eine bestehende Ten- denz zur Sedimentation hin. Auch der Meeresspiegelanstieg und eine von Projekt 3.03 (Sedimenthaushalt Nordseeästuare) festgestellte Tendenz zu häufiger auftretenden und extremeren Phasen eines anhaltend niedrigen Oberwasserzuflusses lassen eine weitere Sedimentation erwarten. Es ist nicht davon auszugehen, dass eine durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten verstärkte Erosion von Sedimenten aus den schadstoffbelasteten Seitenbereichen zu Auswirkungen auf die Schadstoffgehalte in den Schwebstoffen und frischen Sedimenten des Elbe- und Weserästuars führen wird. In der nahen Zukunft zeigen die Ergebnisse aller Projektionen aufgrund der geringen Änderungen keinen Anpassungsbedarf auf. Da die ungünstigste Projektion für Schad-

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stoffgehalte zeigt, dass vor allem in den Bereichen innerhalb und stromauf der Trü- Klimabedingt verändertes bungszone des Elbeästuars für die ferne Zukunft aufgrund von klimabedingt erhöhten Transportverhalten Schadstoffeinträgen ins Ästuar stärkere Überschreitungen der Richtwerte nach den schadstoffbelasteter Sedimente und Vorgaben der GÜBAK (Anonymus 2009) auftreten können, sollte geprüft werden, ob Unterhaltung von Wasserstraßen in langfristig eine Anpassung der Baggergutunterbringung erforderlich wird. Das bereits Nordsee-Ästuaren laufende Schadstoffmonitoring sollte fortgeführt und ggf. angepasst werden, um auf die Auswirkungen des Klimawandels angemessen reagieren zu können. Für das Elbeästuar wäre auch eine gezielte Entnahme schadstoffbelasteter Sedimente aus dem Binnenbereich der Elbe eine wichtige Möglichkeit, den Schadstoffeintrag ins Ästuar zu minimieren. Solche Maßnahmen, die im Verantwortungsbereich des BMUB und der Länder liegen, sind z.T. bereits im Bewirtschaftungsplan der Elbe zur Umsetzung der EG-WRRL vorgesehen. Bei einer Minimierung der Schadstoffeinträ- ge ins Ästuar ist davon auszugehen, dass sich die Sedimentqualität im Ästuar verbessern wird und die derzeit gültigen Richtwerte zur Bewertung von Baggergut langfristig unterschritten werden. Dies kann zu einer deutlichen Vereinfachung des Bagger- gutmanagements führen. In die Prüfung möglicher baulicher Maßnahmen zur Anpassung an den Klimawandel, wie zum Beispiel der von den Projekten 2.04/3.02 (Betroffenheit wasserbaulicher Anlagen/Wasserbau Küste) modellhaft untersuchten Verengung des Mündungstrich- ters in der Elbe zum Schutz gegen Sturmfluten, sollten auch Fragestellungen zur Qua- lität der Sedimente einbezogen werden. Bei einer weiteren Verfolgung dieses Ansat- zes wäre z.B. die Prüfung einer möglichen Erosion von Seitenbereichen und damit einer Remobilisierung schadstoffbelasteter Sedimente wichtig. Andere anthropogene Änderungen in den betrachteten Flüssen, wie z.B. Sanierungs- maßnahmen, wasserbauliche Maßnahmen oder Maßnahmen des Sedimentmanage- ments, zeigen wahrscheinlich schnellere und u.U. stärkere Auswirkungen auf die Schadstoffgehalte als der Klimawandel. So führten in der Vergangenheit Sanie- rungsmaßnahmen in der Binnenelbe schnell zu einem Rückgang der Schadstoffgehal- te im Elbeästuar. Eine Fahrrinnenanpassung, die einen verstärkten stromaufwärts gerichteten Transport mariner Sedimente zur Folge hatte, trug im Elbeästuar nach 1999/2000 zu einer Verringerung der ästuarinen Schadstoffgehalte bei, nicht aber wie bei Sanierungsmaßnahmen im Binnenbereich zu einer Verringerung der Schadstoffe- inträge in das Ästuar.

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KLIWAS Forschungs- programm 2 Zie le

Schlussbericht

Projekt 3.06

Ziel des Projektes war es, die Abhängigkeit der Schadstoffgehalte in Ästuaren von klimasensitiven Einflussgrößen zu ermitteln und das Ausmaß des Einflusses des Kli- mawandels auf die Schadstoffgehalte in Sedimenten und Schwebstoffen und auf deren Transport in den Nordseemündungsbereichen (Nordseeästuare) der Flüsse Elbe, Ems und Weser abzuschätzen. Die z.T. erhöhten Schadstoffgehalte der Sedimente, die insbesondere in den inneren Bereichen der Ästuare der Elbe und in geringerem Maße der Weser auftreten, können bereits heute die Bewirtschaftung der Wasserstra- ßen erschweren und z.T. erhebliche Kosten verursachen. Die Auswirkungen künftiger klimabedingter Änderungen von Schadstoffgehalten in Sedimenten auf die Unterhal- tung und den weiteren Ausbau von Schifffahrtsstraßen, z.B. durch zusätzliche Schad- stoffeinträge aus dem Binnenbereich oder infolge einer verstärkten Resuspendierung schadstoffbelasteter Altablagerungen bei einer Zunahme von Sturm- oder Hochwas- serereignissen sowie durch einen Anstieg des Meeresspiegels und den dadurch evtl. veränderten Transport partikulär gebundener Schadstoffe in den Ästuaren, sollten im Projekt abgeschätzt werden. Hierzu sollte der Einfluss klimarelevanter Faktoren ge- prüft werden, um diese dann in Projektionsberechnungen verwenden zu können. Au- ßerdem sollte das Ausmaß der klimabedingten Änderungen im Verhältnis zu Auswir- kungen, die auf Bau- und Unterhaltungsmaßnahmen zurückzuführen sind, beurteilt werden. Aus den Ergebnissen des Projektes sollen ggf. Vorschläge zur Anpassung des Sedimentmanagements und der Unterhaltung der Wasserstraßen abgeleitet werden. Die Ergebnisse des Projektes werden darüber hinaus zu einem verbesserten Verständ- nis der Transportdynamik schadstoffbelasteter Schwebstoffe und Sedimente in den Ästuarien führen, wobei auch mögliche Erosions- und Depositionsprozesse in den z.T. mit stärker belasteten Altablagerungen gefüllten Seitenbereichen der Ästuarien betrachtet werden.

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Klimabedingt 3 Stand de r Forsc hung verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren Für eine Abschätzung und Bewertung der Auswirkungen des Klimawandels auf den feststoffgebundenen Schadstofftransport und die Entwicklung der Schadstoffgehalte ist ein umfassendes Verständnis der Feststofftransporte eine wichtige Voraussetzung. Für die Untersuchung der möglichen Auswirkungen von Klimaänderungen auf das Transportverhalten schadstoffbelasteter Feststoffe sind vor allem die kohäsiven Fest- stoffe von Interesse, da Schwermetalle und viele feststoffgebundene organische Schadstoffe im Wesentlichen in den Feinkornfraktionen <20 µm und <63 µm des Schwebstoffs bzw. Sediments vorliegen (Ackermann et al. 1983, OSPAR 2002). Zahlreiche Untersuchungen zeigen, dass Sedimente und Schwebstoffe (Feststoffe) in Ästuaren oft um ein Vielfaches höher mit Schadstoffen belastet sind als die Sedimen- te der Deutschen Bucht (Müller et al. 1975, Förstner et al. 1990, Brügmann 1995, Irabien et al. 2008, Graydon et al. 2009, Hatje et al. 2012). Die beobachtete Abnahme der Konzentrationen einiger Schwermetalle und organischer Schadstoffe sowie TBT in Sedimenten und Schwebstoffen des Elbeästuars vom Tidewehr in Richtung Nord- see ist auf die Vermischung von stärker mit Schadstoffen belasteten Feststoffen fluvialer Herkunft mit geringer belasteten Feststoffen überwiegend marinen Ursprungs zurückzuführen (ARGE 1980, Banat et al. 1972, Förstner et al. 1990, Knauth et al. 1993, Prange 1997). Knauth et al. (1993), Salomons et al. (1988) und Förstner et al. (1990) zeigten, dass bei hohen Oberwasserzuflüssen ein deutlicher Transport von stärker belasteten Sedimenten und Schwebstoffen vom oberen Elbeästuar zur Au- ßenelbe erfolgt. Zu Schadstoffgehalten der Feststoffe in den Ästuaren von Weser und Ems liegen deutlich weniger Ergebnisse vor. Untersuchungen von Ackermann et al. (1998) zeigten für das Weserästuar eine ähnliche Verteilung der Schadstoffgehalte wie im Elbeästuar. Die geringen und nahezu im gesamten Ästuar der Ems homogenen Schadstoffgehalte sind auf einen überwiegenden Einfluss mariner Feststoffe zurück- zuführen. Nur an der Station Herbrum (DEK-km 212,8) auf der seewärts gelegenen Seite des Tidewehrs waren erhöhte Schadstoffgehalte nachzuweisen. Auch die aktuellen Ergebnisse des Schadstoffmonitorings der BfG und der FGG Elbe in den Ästuaren bestätigen im Wesentlichen diesen Verlauf der Schadstoffgehalte im Längsverlauf der deutschen Nordseeästuare. Ähnliche Untersuchungen liegen auch von weiteren Nordseeästuaren, z.B. den Hum- ber- und Mersey-Ästuaren vor (Grant und Middleton 1993, Dyer et al. (2001), Vane et al. 2009). Bei den Gehalten in Feststoffen der drei großen deutschen Nordseeästuare fallen au- ßerdem an einigen der Stationen für Schadstoffe mit Hauptquellen in den Binnenbe- reichen der betrachteten Flüsse oder im Fall des TBT mit Hauptquellen in den inneren

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KLIWAS Forschungs- Ästuaren, z.B. dem Hamburger Hafen, große saisonale Variationen auf. Auch diese programm werden durch eine Vermischung der von Oberstrom eingetragenen fluvialen Sedi-

Schlussbericht mente mit den geringer belasteten Sedimenten mariner Herkunft erklärt, deren Antei-

Projekt 3.06 le in Abhängigkeit vom Oberwasserzufluss variieren (Ackermann und Schubert 2007, ICES 2011). Die Höhe der Schadstoffgehalte in den Ästuaren hängt also in hohem Maße von der Höhe der aus den Binnenbereichen der Flüsse eingetragenen Schad- stofffrachten ab. Die wichtigsten Unterschiede der drei deutschen Nordseeästuare hinsichtlich Schad- stoffmuster und Belastungsniveaus sowie der hydrologischen und morphologischen Randbedingungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Tabelle 1: Charakteristika der Ästuare Elbe Weser Ems 695 299 76.5 Mittlerer Abfluss [m³/s] (Neu-Darchau, (Intschede, (Versen, (2003-2012) km 536,4) km 331,3) km 171,5) Häufigste Abflussmengen 400-900 210-400 45-100 [m³/s] 600.000 400.000 65.000 Schwebstoffeintrag [t/a] (Hitzacker, Intschede, (Lathen, (2003-2012) km 522,9) km 331,3) km 253,3) 17 36 bis Tide-grenze Mariner Einfluss (Bunthaus, (Farge, UW2 (Herbrum, [% der Ästuarlänge]1 km 610) km 26) km 213) Hg, Cd, Zn, Cu, Cd, Pb, Zn, Typische Schadstoffe HCB, p,p’- Pb, Cd, Zn, Cu Cu, PCB DDX Höhe der Belastung Hoch Mittel-Hoch Niedrig-Mittel

Hg: Quecksilber, Cd: Cadmium, Zn: Zink, Cu: Kupfer, Pb: Blei, HCB: Hexachlorbenzol, p,p’-DDX: p,p‘-DDT, p,p‘-DDD, p,p‘-DDE, PCB: Polychlorierte Biphenyle 1: Tidewehr = 0 % 2: Unterweser

Sowohl die Ergebnisse aus dem langfristigen Monitoring in Oberflächensedimenten bzw. schwebstoffbürtigen Sedimenten (Ästuarmonitoring der BfG und der FGG Elbe- siehe Kapitel 7.2.2(www.elbe-datenportal.de)) als auch aus Sedimentkernen lassen innerhalb der letzten Jahrzehnte eine Abnahme der Schadstoffgehalte mit der Zeit erkennen. In Sedimentkernen des Elbe- und Weserästuars (z.B. BfG 2008, BfG 2014a), aber auch in Tiefenprofilen aus anderen europäischen Nordseeästuaren, z.B. den Ästuaren des Mersey, des Humber, des Severn und der Schelde (Ridgway und Shimmield 2002, Grant und Middleton 1990, Allen und Rae 1986, Zwolsman et al. 1993) wurden Schadstoffgehalte gefunden, die in größeren Tiefen > 1 m oft erhöht waren und zur Oberfläche des Tiefenprofils hin abnahmen.

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Heise et al. (2005) zeigten für die Elbe, dass Schadstoffquellen im Ästuar von unter- Klimabedingt verändertes geordneter Bedeutung sind. Hinweise auf das Risiko eines erhöhten Schadstoffein- Transportverhalten trags aus dem Binnenbereich der Elbe in das Ästuar liefern zwei Studien von Heise et schadstoffbelasteter Sedimente und al. (2005, 2007), die unter anderem eine Bestandsaufnahme der Schadstoffgehalte der Unterhaltung von Wasserstraßen in Sedimente und Schwebstoffe der Elbe von Tschechien bis Geesthacht beinhalten. Es Nordsee-Ästuaren wurden Gebiete ausgewiesen, die aufgrund der Höhe der Schadstoffgehalte und der Schadstofffrachten ein Risiko für flussabwärts liegende Gebiete und letztendlich das Elbeästuar und das Meer darstellen können (areas of risk), da aus diesen Gebieten je nach Abflusssituation, z.B. bei extremen Hochwasserereignissen, schadstoffbelastete Feststoffe mobilisiert werden können. Diese können schließlich ins Ästuar bzw. in die Nordsee gelangen und dort die Sedimentqualität verschlechtern. Für Aussagen zum Transport feststoffgebundener Schadstoffe sowie bei der Prüfung möglicher Auswirkungen des Klimawandels auf diesen Transport sind neben Kennt- nissen zur Verteilung der Schadstoffbelastungen auch Kenntnisse zur Feststoffdyna- mik in Ästuaren zu berücksichtigen. Zur Charakterisierung und zur Dynamik von Sedimenten und Schwebstoffen in Ästuaren wurden in den letzten Jahrzehnten zahlreiche Untersuchungen und numerische Modellierungen (BAW 2006, BAW 2012, BAW 2014, smileconsult 2012) durchgeführt. Für die Untersuchung der Dynamik kohäsiver Feststoffe wurden u.a. Tracer eingesetzt. Dabei wurden sowohl künstlich dem Gewässer zugefügte Tracer (z.B. radioaktive und inaktive Isotope/Elemente, fluoreszierende Stoffe), als auch (quasi)natürliche, im Gewässer vorhandene Tracer (z.B. diverse Tonmineralien, Seltene Erden, natürliche radioaktive Stoffe sowie Fall- out-Produkte, Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenverhältnisse) untersucht (Coakly et al. 1990, Ernst 1998, Olley et al. 2001, Pache et al. 2008, Saari et al. 2010). Salomons et al. (1988), Irion et al. (1987) und Ernst (1998) wiesen im Elbeästuar mit unter- schiedlichen natürlichen Tracern nach, dass feinkörnige Feststoffe marinen Ursprungs durch die Tidedynamik flussaufwärts bis weit in den Süßwasserbereich transportiert werden können. Auch Substanzen aus Abwassereinleitungen (z.B. Schwermetalle) wurden als Tracer herangezogen. Im BMBF-Verbundprojekt „Feinsedimentdynamik und Schadstoffmobilität in Fließgewässern“ (SEDYMO) beschreibt das Teilprojekt 18b (Ackermann et al. 2007) die Verwendung von Schwermetallgehalten in Feststof- fen als Tracer für den Feststofftransport kohäsiver Feststoffe im Elbeästuar. Kappenberg et al. (2007) sowie Habermann (BfG 2008) fassten den aktuellen Kennt- nisstand zu den relevanten Prozessen und die Größenordnung des Feststofftransports im Elbeästuar aus Naturmessungen und numerischen Modellierungen zusammen. Der Bericht von Kappenberg et al. (2007) beinhaltet u.a. die Auswertung von Fachgesprä- chen mit Experten. Im Gutachten zur Anpassung der Unter- und Außenweser an die Entwicklungen im Schiffsverkehr wurden u.a. die Feststofftransportprozesse und Morphodynamik des Weserästuars (BAW 2006) ausführlich beschrieben. Auch im Sedimentmanagementkonzept Tideweser wurde u.a. der feststoffgebundene Schad- stofftransport behandelt (BfG 2014a). Für das Emsästuar stellten Talke et al. (2006)

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KLIWAS Forschungs- Aussagen aus Messungen und numerischen Modellen zur Hydrodynamik und Mor- programm phologie sowie zu Auswirkungen veränderter Randbedingungen zusammen.

Schlussbericht Während Sedimentablagerungen in strömungsberuhigten Seitenbereichen der Ästuare Projekt 3.06 von Elbe und Weser zunächst als Schadstoffspeicher dienen können und Schadstoffe

dem weiteren Transport mittel- oder langfristig entziehen, können schadstoffbelastete

Sedimentablagerungen bei geänderten Abflussverhältnissen, wie sie bei einem Kli-

mawandel erwartet werden, u.U. resuspendiert werden (Ackermann et al. 1998, BfG 2014, BfG 2014a). Auch für Seitenbereiche anderer Nordseeästuare wurde eine Spei- cherfunktion für Feststoffe nachgewiesen (Kowalewska et al. 2011). Im Rahmen eines vom BMBF geförderten Ad-hoc-Verbundprojekts zeigten Schwartz et al. (2004), dass die Sedimentationsbereiche der Mittel- und Oberelbe, wie z.B. Buhnenfelder, ein erhebliches Remobilisierungspotenzial für schadstoffbelastete Sedimente aufweisen. Untersuchungen zur Sedimentstabilität im Binnenbereich der Elbe führten Gerbersdorf et al. (2007) und Köster et al. (2007) in Teilprojekten des BMBF- Verbundprojekts SEDYMO durch. Dabei wurde der Einfluss verschiedener physika- lisch-chemischer und biologischer Sedimenteigenschaften bzw. der mikrobiellen Be- siedlung auf die Sedimentstabilität geprüft. Insbesondere bei Hochwasserereignissen ist das Remobilisierungspotenzial groß. Untersuchungsergebnisse zum Hochwasser im August 2002 stellte die ARGE Elbe im Jahr 2003 in einem Bericht (ARGE 2003) und die BfG im Jahr 2002 in einem Poster (Ackermann et al. 2002) zusammen. Das Fazit der beiden Dokumentationen zeigt, dass durch die Deichbrüche und die darauf folgenden großflächigen Überflutungen in der Mittelelbe der Schwebstoffeintrag und somit der feststoffgebundene Schadstoffeintrag in die Tideelbe beim Hochwasser 2002 trotz der Remobilisierung großer Mengen schadstoffbelasteter Sedimente relativ gering war. Bestimmte Pestizide und ein paar organische Schadstoffe, die durch das Hochwasser mobilisiert wurden, konnten trotzdem im Bereich der Elbmündung sowie in der Nordsee nachgewiesen werden. Für das Elbeästuar wurden die in ausgewählten Seitenräumen lagernden, potenziell remobilisierbaren Schadstofffrachten abgeschätzt (Ackermann 1998, Ackermann et al. 1998, Schubert et al. 2008). Die Details der sehr komplexen Mechanismen des Transports, der Vermischung, De- position und Erosion feinkörniger Feststoffe und der daran adsorbierten Schadstoffe in Ästuaren sind bisher nicht vollständig aufgeklärt (z.B. BfG 2008). Die Austrags- fracht der Schwebstoffe aus den Ästuaren in die Deutsche Bucht und somit eine Bi- lanzierung des Schwebstoffhaushaltes im Ästuar ist weiterhin nicht geklärt (BfG 2014, Winterscheid et al. 2014a). Damit können auch keine quantitativen Aussagen zum Schadstoffeintrag in die Nordsee gemacht werden. Andere Autoren berichteten, dass der Austrag von Feststoffen überwiegend bei Hochwasserereignissen erfolgt (Ackermann 2004, Ridgway et al. 2002). Insgesamt kann aber davon ausgegangen werden, dass durch das Strömungs- und Abflussgeschehen im langjährigen Mittel ein Nettotransport von Feinmaterial marinen Ursprungs in die Tideelbe hinein stattfindet (BfG 2014).

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Während es zur Höhe des klimabedingten Meeresspiegelanstiegs verschiedene Hin- Klimabedingt verändertes weise gibt (siehe Seiffert et al. 2014), liegen zum Einfluss des sich ändernden Mee- Transportverhalten resspiegelanstiegs auf das Ausmaß der Änderung der von See in die deutschen Nord- schadstoffbelasteter Sedimente und seeästuare eingetragenen Feststofffracht nur qualitative Angaben vor. Auch zu dem Unterhaltung von Wasserstraßen in mit dem bereits erfolgten Anstieg des Meeresspiegels in der Vergangenheit verbun- Nordsee-Ästuaren dene Anstieg des Stromauftransports mariner Sedimente liegen keine Daten vor (Winterscheid 2014b). Im Rahmen von KLIWAS durchgeführte numerische Simula- tionen der Projekte 2.04/3.02 (Betroffenheit Wasserbaulicher Anlagen/Anpassungs- optionen) zeigten, dass ein Meeresspiegelanstieg eine Verstärkung des Stromauf- transports von gering mit Schadstoffen belasteter mariner Sedimente hervorruft und damit zu einem leichten Rückgang der Schadstoffgehalte führen kann (Seiffert et al. 2014) (siehe Kapitel 7.3.6).

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KLIWAS Forschungs- programm 4 Methoden

Schlussbericht

Projekt 3.06

Die Abschätzung der Auswirkungen des Klimawandels auf die Gehalte überwiegend feststoffgebundener Schadstoffe in den Ästuaren baut auf dem derzeitigen Verständ- nis der komplexen Vorgänge der Transporte feinkörniger Feststoffe und der Fest- stoffhaushalte in den drei großen deutschen Nordseeästuaren auf (Ackermann et al. 2007, Kowalewska et al. 2011, Winterscheid et al. 2014a). Die betrachteten Schad- stoffe sind vor allem in den Feinkornfraktionen <63 µm bzw. <20 µm angereichert. Zunächst wurde der Referenzzustand der Schadstoffbelastung der Feststoffe und des- sen Variabilität in den betrachteten Ästuaren und im marinen Bereich ermittelt. In einem weiteren Schritt wurden der Oberwasserzufluss und die Schwebstoffeinträge aus dem Binnenbereich in das Ästuar als wichtige klimasensitive Einflussgrößen für die Schadstoffgehalte identifiziert. Da sich im Ästuar die Gehalte von Schadstoffen, die ihre Hauptquellen im Binnenbereich der Flüsse haben, in erster Näherung aus einer Vermischung fluvialer Sedimente mit i.a. erhöhten Schadstoffgehalten und gering belasteter Sedimente überwiegend marinen Ursprungs ergeben, führt eine klimabedingte Änderung dieser beiden Anteile zu veränderten Schadstoffgehalten. Zur Ab- leitung dieser Änderungen wurde ein binäres Mischungsmodell (Ackermann et al. 2007, Martínes-Carreras et al. 2008, Walling 2005) eingesetzt. In einem ersten Schritt wurde das Verhältnis der fluvialen und marinen Anteile des Sedimentes an ausge- wählten Stellen im Ästuar im Referenzzustand abgeschätzt. Dabei wurden die im Ästuarmonitoring der BfG ermittelten Schadstoffgehalte als Randdaten für die Mo- dellierung verwendet. Für das Elbeästuar wurden anschließend Projektionen für klimabedingt geänderte Schadstoffgehalte abgeleitet, indem die fluviale Feststoffmenge als einer der Eingangsparameter des Mischungsmodells, gemäß der im KLIWAS- Projekt 5.01 (Kohäsive Sedimente Binnen) für die Elbe projizierten Schwebstoffein- träge ins Ästuar, verändert wurde. Mit dem Mischungsmodell wurde außerdem die Sensitivität der Schadstoffgehalte auf angenommene seeseitige Änderungen der marinen Feststoffeinträge abgeschätzt. Da verlässliche Angaben zur Menge der stromauf transportierten marinen Sedimente und deren klimabedingten Veränderung durch den Meeresspiegelanstieg fehlen, kann das Mischungsmodell nur Hinweise zur Größenordnung dieses seeseitigen Einflusses auf die Entwicklung der Schadstoffgehalte liefern. Der Einfluss des Meeresspiegelan- stiegs auf die Schadstoffgehalte im Elbeästuar wurde von den Projekten 2.04/3.02 (Wasserbau Küste/Betroffenheit wasserbaulicher Anlagen) in einer Sensitivitätsstudie durch numerische Simulation des feststoffgebundenen Schadstofftransportes geprüft (Seiffert et al. 2014).

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Da für die Weser und die Ems keine Projektionen für Schwebstoffeinträge verfügbar Klimabedingt verändertes waren, wurden Sensitivitätsstudien zur Abschätzung klimabedingter Änderungen der Transportverhalten Schadstoffgehalte in den Ästuaren durchgeführt. Als Schwebstoffeintrag wird dabei schadstoffbelasteter Sedimente und u.a. die größte für die Elbe projizierte relative Änderung der Schwebstoffeinträge ins Unterhaltung von Wasserstraßen in Ästuar angenommen. Nordsee-Ästuaren Weiterhin wurde die Wirkung strömungsberuhigter Seitenbereiche mit z.T. deutlich schadstoffbelasteten Sedimentablagerungen als lokale Schadstoffquellen oder – senken, die Einfluss auf die Schadstoffgehalte der Feststoffe im Fließgewässer haben können, geprüft. Dabei wurden zeitliche Veränderungen der Schadstoffgehalte in den Oberflächenschichten von Sedimentkernen aus diesen Bereichen untersucht und bewertet. Zur Abschätzung des Ausmaßes dieser potenziellen Schadstoffquellen wurden außerdem die Schadstofffrachten, die sich in den Sedimenten der Seitenbereiche der Ästuare von Elbe und Weser befinden, abgeschätzt.

4.1 Datengrundlage

Daten zur Schwermetallbelastung liegen an wenigen Stationen des Ästuarmonitorings der BfG bereits ab 1979/1980, z.T. erst ab 1999 und für organische Schadstoffe in der Regel erst ab 1999 vor (Abbildung 1). Zur Beschreibung der fluvialen Schadstoffge- halte wurden Schadstoffdaten der Stationen auf der Binnenseite der Tidewehre (Geesthacht/Elbe, Hemelingen/Weser und Bollingerfähr/Ems) herangezogen. In der Regel werden monatlich Proben entnommen; im Elbeästuar wird bei ausgewählten Hochwasserereignissen wöchentlich oder zweiwöchentlich beprobt. Zu Schadstoffbe- lastung in Ästuaren liegen aus dem Monitoringprogramm der BfG an je vier Stationen im Elbe- und Weserästuar und drei Stationen im Emsästuar Daten vor (BfG 2014c). Außerdem wurden im Elbeästuar entsprechende Informationen von drei weiteren Sta- tionen der Flussgebietsgemeinschaft Elbe (FGG Elbe1, www.elbe-datenportal.de) (Abbildung 1) verwendet. Zur Beschreibung der marinen Schadstoffgehalte kann auf Daten aus einem Monitoringprogramm, das seit 2005 in der Deutschen Bucht betrie- ben wird, zurückgegriffen werden (BfG 2005, 2013). Aufgrund technischer Schwie- rigkeiten kam es an den Dauermessstationen des Ästuarmonitorings gelegentlich zu Ausfällen der Probenahmen und damit zu Lücken in den Datenreihen.

1 Seit 2010 FGG Elbe, vor 2010 ARGE Elbe

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KLIWAS Forschungs- programm

Schlussbericht

Projekt 3.06

Abbildung 1: Dauermessstellen der BfG und FGG Elbe in den drei großen Nordseeästuaren

Zur Entwicklung der Schadstoffgehalte in Seitenbereichen der Ästuare und zur Unter- suchung des Remobilisierungspotenzials dieser Sedimente werden z.T. seit 1994 (El- be) Beprobungen mittels Sedimentkernsondierungen in ausgewählten Bereichen durchgeführt. In der Elbe wurden im Zuge eines Monitoringprogramms Seitenberei- che seit 2008 insgesamt sechsmal beprobt. Informationen zu den berücksichtigten Probenahmen und ausgewählte Ergebnisse sind in Anhang IV zusammengestellt. Da die untersuchten Schadstoffe überwiegend an die Feinkornfraktion gebunden vorliegen, werden die Schwermetalle in der Fraktion < 20 µm untersucht und die organischen Schadstoffe in der Gesamtfraktion < 2000 µm untersucht und anschließend auf die Fraktion < 63 µm normiert (Ackermann et al. 1983, Kersten et al. 2002, OSPAR 2002), sofern der Korngrößenanteil < 63 µm nicht < 10 % beträgt. Daten zu Oberwasserzuflüssen sowie zu Schwebstoffgehalten und –frachten stehen aus dem Monitoring der BfG zur Verfügung (Projekt 4.01, Hydrologie und Binnen- schifffahr und Projekt 5.01, Kohäsive Sedimente Binnen).

4.2 Festlegung des Referenzzeitraumes und -zustands

Zur Ermittlung des Referenzzustandes der Schadstoffbelastung der Nordseeästuare und geeigneter Referenzzeiträume wurden Daten des Schadstoffmonitorings zusammengestellt und ausgewertet. Da in den vergangenen Jahren eine z.T. deutliche Abnahme der Schadstoffgehalte in Feststoffen zu beobachten war, wurde für die Ästuare eine Trendanalyse der langjäh- rigen Messreihen durchgeführt, um einen geeigneten Referenzzeitraum, d.h. einen Zeitraum ohne signifikanten Trend, zu ermitteln.

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Trends wurden mit dem nichtparametrischen Mann-Kendall-Test (Gilbert 1987) ge- Klimabedingt verändertes prüft. Um mit den Referenzgehalten und der Trendprüfung die allgemeine Belas- Transportverhalten tungssituation ohne Extremwerte bei extremen Hochwasserereignissen oder sehr lan- schadstoffbelasteter Sedimente und gen Perioden mit niedrigen Oberwasserzuflüssen zu erfassen, wurden nur Daten aus Unterhaltung von Wasserstraßen in einem Bereich häufiger und damit mittlerer Oberwasserzuflüsse verwendet (siehe Nordsee-Ästuaren Tabelle 1, Kapitel 3). Bei der zeitlichen Zuordnung von Schadstoffdaten an Stationen im Ästuar zu Oberwasserzuflüssen wurden näherungsweise die Transportzeiten der Feststoffe mit den daran gebundenen Schadstoffen zwischen dem Bezugspegel oberhalb der Tidegrenze und der Messstation im Ästuar berücksichtigt. Für das Elbeästuar wurde außerdem von der Gesellschaft für Qualitätsmanagement und Statistik mbH, Dresden (QuoData) eine weitergehende Trendanalyse unter Ver- wendung eines LOESS-Smoothers durchgeführt (Locally Estimated Scatterplot Smoothing) (Uhlig 2001a 2002a). Die Trendanalyse wurde zunächst auf Basis der robusten Jahresmittelwerte (Ermittlung mittels Q/Hampel Methode, DIN 38402 A 45 (2003)) durchgeführt und in einem zweiten Schritt auf Basis der Einzelmesswerte und unter Berücksichtigung saisonaler Effekte (Uhlig 2001b) wiederholt. Darüber hinaus wurden die Daten auf Trendumkehr oder Trendbrüche geprüft (Uhlig 2002b, 2003). Für die weiteren, im Folgenden beschriebenen statistischen Auswertungen der Daten aus dem Elbeästuar wurden nur Zeiträume mit stationären Bedingungen, d.h. nur Zeiträume ohne Trendumkehr oder Trendbruch verwendet. Ermittelte Trends wurden bei der weiteren Verwendung der Daten aus den Messrei- hen berücksichtigt.

4.3 Abschätzung der Transportzeiten von Feststoffen

Transportzeiten der feststoffgebundenen Schadstoffe zwischen den Bezugspegeln Neu-Darchau (Elbe-km 536,4), Intschede (Weser-331,3) und Versen (Ems-km 171,5) und den betrachteten Stationen im Ästuar wurden näherungsweise aus der beobachteten zeitlichen Verzögerung zwischen dem Auftreten von Schadstoffmaxima an einer Station im Ästuar und von Abflussmaxima am Bezugspegel abgeschätzt (s. Anhang III). Dazu wurden nur Datenpaare mit deutlich erkennbaren Maxima verwendet. Zeiträume mit kurz aufeinander folgenden Spitzenwerten des Oberwasserzu- flusses blieben unberücksichtigt. Das zeitliche Auftreten der Maxima lässt sich aufgrund der zum Teil mehrere Wochen umfassenden Probenahmezeiträume der für die Schadstoffanalysen verwendeten Mischproben nur mit einer großen Unsicherheit bestimmen. Zur Festlegung dieser Zeitpunkte entwickelte QuoData für das Elbeästuar einen Algorithmus. Da die zeitlichen Differenzen für die verschiedenen betrachteten Extremereignisse unterschiedlich ausfallen, wurden die Transportzeiten der feststoffgebundenen Schadstoffe entlang des Elbeästuars zu einem robusten Mittelwert zusammengefasst und unter Verwendung einer robusten Regressionsmethode in Abhän- gigkeit der Abflussmenge modelliert. Detaillierte Informationen zur Ermittlung der

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KLIWAS Forschungs- Transportzeiten von Schadstoffen im Elbeästuar sind im Bericht von QuoData enthal- programm ten (AP 3, Anhang III).

Schlussbericht

Projekt 3.06 4.4 Identifizierung klimasensitiver Einflussgrößen

4.4.1 Einflussgrößen im Binnenbereich

Korrelationsanalysen Zur Ermittlung der wichtigsten Einflussgrößen auf die Schadstoffgehalte in den Ästu- aren der Elbe und Weser wurden zunächst für ausgewählte Stationen und ausgewählte Schadstoffe lineare Korrelationsanalysen durchgeführt, wobei Schadstoffdaten bei allen Abflussverhältnissen berücksichtigt wurden. Bei dieser Analyse wurde auch die beobachtete zeitliche Verschiebung zwischen den Maxima der Oberwasserzuflüsse an den Bezugspegeln Neu-Darchau (Elbe-km 536,4) und Intschede (Weser-km 331,3) und den Maxima der Schadstoffgehalte an den betrachteten Stationen in den Ästuaren (siehe unten) berücksichtigt. Nachdem diese Analyse keine signifikanten Korrelatio- nen zwischen den Schadstoffgehalten der Mischproben und den über die jeweiligen Probenahmezeiträume gemittelten Oberwasserzuflüssen bzw. die entsprechenden Schwebstofffrachten ergab, wurden Korrelationen mit über den gesamten Zeitraum des Monitorings zu Monatsmittelwerten (Mediane) zusammengefassten Gehalten einzelner Schadstoffe und Oberwasserzuflüssen unter Berücksichtigung des zeitlichen Trends durchgeführt (siehe Anhang III). Multivariate Auswertungen Für das Elbeästuar führte QuoData eine weitergehende Datenanalyse durch. Mittels „Regressionsbäumen“ (z.B. Loh 2011) wurde zunächst die Wichtigkeit verschiedener Faktoren, die Einfluss auf die Schadstoffgehalte haben, geprüft. Das Verfahren hat den Vorteil, dass keine weiteren Annahmen über die tatsächlichen Zusammenhänge zwischen Einflussfaktor und Konzentration gemacht werden müssen. Näheres ist dem Bericht von QuoData zu entnehmen (AP 2, Anhang III). Anschließend führte QuoData mit den als relevant erkannten Einflussgrößen eine Modellierung der Schadstoffgehalte mittels einem „Generalisierten Additiven Modell “GAM“(Hastie und Tibshirani 1990), das sowohl lineare als auch nichtlineare Bezie- hungen zwischen Einflussgrößen und Schadstoffgehalten erlaubt, durch. Dazu ist keine direkte Angabe einer mathematischen Beziehung zwischen Einflussgröße und Konzentration erforderlich und es lassen sich auch Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Größen erfassen. Eine detaillierte Beschreibung des Vorgehens wird im Bericht von QuoData (AP 2, Anhang III) gegeben. Das GAM erwies sich als ein sehr flexibles und aussagekräftiges Modell und bestätigte die Wichtigkeit der bereits mit dem Verfahren der Regressionsbäume identifizierten Einflussgrößen. Das wurde u.a. auch eingesetzt, um fehlende Daten in Messreihen zu ergänzen, die für weitere Be- rechnungen benötigt wurden. In das GAM gingen auch Transportzeiten der feststoff-

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gebundenen Schadstoffe zwischen dem Bezugspegel Neu-Darchau und der betrachte- Klimabedingt verändertes ten Station, die aus der beobachteten zeitlichen Verzögerung zwischen dem Auftreten Transportverhalten von Schadstoffmaxima an einer Station im Ästuar und von Abflussmaxima am Be- schadstoffbelasteter Sedimente und zugspegel abgeschätzt wurden, als Einflussgröße ein. Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren 4.4.2 Seeseitige Einflussgrößen Eine weitere Einflussgröße auf die Höhe der Schadstoffgehalte in Ästuaren stellt der Meeresspiegelanstieg, der zu einer Verstärkung des stromaufgerichteten Sediment- transports und damit zu einer Veränderung des Mischungsverhältnisses mariner zu fluvialer Sedimente im Ästuar führt, dar. Dieser Einfluss wurde von der BAW (Seif- fert et al. 2014) untersucht.

4.4.3 Einflussgrößen innerhalb der Ästuare Die feststoffgebundenen Schadstoffgehalte im Ästuar ergeben sich u.U. nicht nur durch Vermischung fluvialer und mariner Sedimente, sondern sie können auch durch lokale Quellen und Senken beeinflusst werden. Neben direkten Quellen können auch strömungsberuhigte Seitenbereiche, in denen oft hoch mit Schadstoffen belastete Alt- ablagerungen vorliegen, bei Änderung der Randbedingungen als sekundäre Quellen wirken und Schadstoffe in das Gewässer abgeben. Die Seitenbereiche können u.U. aber auch Schadstoffsenken darstellen. Durch einen Vergleich mit den aktuellen Schadstoffgehalten, die an Dauermessstellen erfasst werden, kann das Niveau der Schadstoffgehalte in Sedimentkernen aus Sei- tenbereichen Aussagen zu Sedimentations- sowie Erosionstendenzen liefern und Hinweise auf das Potenzial zur Freisetzung schadstoffbelasteter Sedimente geben. Aktuelle Sedimentationsgebiete mit frisch abgelagerten Sedimenten zeigen eine Be- lastung, die den aktuellen Werten an der nächstgelegenen Dauermessstation ent- spricht. Werden höher belastete Sedimente an der Oberfläche vorgefunden, könnte es sich um ein Erosionsgebiet, in dem ältere und höher belastete Sedimente freigelegt wurden, handeln. Zur Erfassung der Schadstofffrachten in Seitenbereichen und deren Potenzial als Schadstoffquellen bzw. –senken wurden z.T. wiederholt Schadstoffuntersuchungen in verschiedenen Schichten von Sedimentkernen aus Seitenbereichen des Weser- und des Elbeästuars durchgeführt. Aus dem Emsästuar liegen Ergebnisse von Untersu- chungen an Sedimentkernen aus dem Dollart als größtem Wattgebiet dieses Ästuars vor (BfG 2011). Potenziell mobilisierbare Schichten in den Seitenbereichen des Weserästuars wurden anhand ihrer Konsistenz festgelegt. Konsistenzen zwischen breiig und weich oder bei fehlender bodenkundlicher Beschreibung überwiegend schluffiges Material wurden als mobilisierungsfähig bzw. erosionsgefährdet betrachtet. Aufgrund dieser Eigen- schaften wurden im untersuchten Gebiet Schichtdicken von mindestens 9 cm und maximal 75 cm als erosionsgefährdet identifiziert. Wenn mehrere Sedimentkerne einem Seitenbereich zugeordnet waren, wurden je nach der als erosionsgefährdet ein-

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KLIWAS Forschungs- geschätzten Schichttiefen Minimal- und Maximalabschätzungen von Schadstofffrach- programm ten durchgeführt. Die Längen der untersuchten Tiefenabschnitte eines Sedimentker-

Schlussbericht nes sind unterschiedlich und erfordern eine Gewichtung für die Berechnung der mitt-

Projekt 3.06 leren Konzentrationen eines Schadstoffes im Kern. Für die Minimalschätzung wurden die geringsten potenziell mobilisierbaren Schichtdicken für den gesamten betrachteten Seitenbereich eingesetzt und die über diese Tiefenabschnitte gewichteten mittleren Konzentrationen berechnet. Für die Maximalschätzung wurden entsprechend die gesamten als potenziell mobilisierbaren Schichtdicken betrachtet. Mit den Konzentra- tionen der Minimal- bzw. Maximalschätzung und der größten bzw. kleinsten Mäch- tigkeit einer Fläche wurde eine Schadstofffracht pro Wattkörper berechnet. Anschlie- ßend wurden die für die verschiedenen Seitenbereiche berechneten Schätzungen ad- diert. Die betrachtete Fläche erstreckt sich über ca. 30 km² und umfasst neben den Wattbereichen im Hauptstrom auch die Nebenarme. Die Abschätzung der freisetzba- ren Schadstofffrachten wurde für die Fraktion <2000 µm vorgenommen. Da die Ana- lyse der Schwermetalle in der Fraktion <20 µm erfolgte, wurden die Gehalte der Schwermetalle und des Arsens rechnerisch auf die Gesamtfraktion bezogen. Auch für das Elbeästuar wurden mit der zuvor beschriebenen Methode Abschätzun- gen zu den Schadstoffdepots in den Seitenbereichen vorgenommen. Aufgrund fehlender Angaben zur Konsistenz für die betrachteten Bereiche wurde eine grundsätzlich mobilisierbare Schichtdicke von 50 cm angenommen, so dass keine Minimal– bzw. Maximalschätzung vorliegt. Die gesamte Wattfläche der Elbe im Ästuar wird auf ca. 56 km² geschätzt. Da der aus dem Emsästuar untersuchte Wattbereich keine erhöhten Belastungen aufweist, wurde hier auf eine Berechnung verzichtet.

4.5 Abschätzung der Entwicklung der Schadstoffgehalte infolge des Klimawandels

4.5.1 Mischungsmodell zur Abschätzung des Verhältnisses der fluvialen und marinen Sedimentanteile an ausgewählten Stellen in den Ästuaren Zur Projektion veränderter Schadstoffgehalte in den Ästuaren bei klimabedingt ver- änderten Schwebstoffeinträgen aus den Binnenflüssen wurde ein binäres, lineares Mischungsmodell (Ackermann et al. 2007, Martínes-Carreras et al. 2008, Walling 2005) eingesetzt. Es setzt vereinfachend voraus, dass die Feststoffe im Ästuar aus einer binären Mischung gering belasteter Sedimente marinen Ursprungs und höher belasteter fluvialer Sedimente bestehen. Schadstoffe, die zur Ermittlung der Mi- schungsverhältnisse herangezogen werden, sollten daher keine lokalen Quellen im Ästuar aufweisen und ihre Gehalte in marinen und fluvialen Sedimenten müssen sich signifikant unterscheiden. Für die im Folgenden betrachteten Schadstoffe wurde angenommen, dass sie für eine Verwendung als Indikatoren für marine und fluviale

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Sedimente ausreichend chemisch und biologisch stabil sind und ihre Wasserlöslich- Klimabedingt verändertes keit vernachlässigbar ist. Transportverhalten schadstoffbelasteter Um geeignete Schadstoffe als Indikatoren für fluviale und marine Sedimente zu Sedimente und Unterhaltung von ermitteln, d.h. Schadstoffe mit einem signifikanten Konzentrationsunterschied zwi- Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren schen der Tidegrenze und dem marinen Bereich, wurde für alle drei Ästuare der Welch-Test (Welch 1947) angewendet. Dabei wurden über den Referenzzeitraum gemittelte Schadstoffgehalte an den Stationen Geesthacht/Elbe, Hemelingen/Weser und Bollingerfähr/Weser, die kurz oberhalb der Ästuareingänge liegen sowie marine Daten aus einem Monitoringprogramm der BfG, verwendet. Mit den Gehalten dieser ausgewählten Schadstoffe wurden die Mischungsverhältnisse im Referenzzustand für ausgewählte Stationen in den Ästuaren ermittelt. Die für verschiedene Einzelschad- stoffe errechneten Mischungsverhältnisse fluvialer und mariner Sedimente sollten für eine vorgegebene Station ähnliche Werte liefern. Für die Stationen im Weserästuar (Farge und Bremerhaven) sowie im Emsästuar (Herbrum und Knock) unterschieden sich die für die verschiedenen Schadstoffe berechneten Mischungsverhältnisse nur wenig, so dass für die Ableitung klimabedingt veränderter Schadstoffgehalte der arithmetische Mittelwert der schadstoffspezifischen Mischungsverhältnisse verwendet werden konnte. Für das Elbeästuar unterschieden sich die für eine Station ermittelten Mischungsverhältnisse jedoch für einzelne Stoffe deutlich. Als Grund hierfür kommen Störungen, wie z.B. lokale Quellen, unzureichende Stabilität der Schadstoffe oder Remobilisierung in die Wasserphase infrage. Schadstoffe, für die es Hinweise auf lokale Quellen gibt, werden nicht als Indikator verwendet. Eine detaillierte Be- schreibung der Ermittlung der Mischungsverhältnisse findet sich in Kleisinger et. al. (in Vorbereitung). Der Berechnungsansatz ist außerdem in Anhang II aufgezeigt.

Um die Unsicherheiten durch lokale Quellen möglichst gering zu halten, wurden von QuoData für ausgewählte Stationen im Elbeästuar robuste fluviale Anteile über alle Abflussverhältnisse ermittelt (AP 4, Anhang III). Dazu wurden zunächst geeignete Indikatoren, die eine ausreichende Unterscheidung zwischen marinen und fluvialen Feststoffen erlauben, anhand der S/N (Signal to Noise)-Verhältnisse (Differenz der logarithmierten Einzelwerte geteilt durch die Standardabweichung der Differenz der logarithmierten Einzelwerte) ermittelt. Die S/N Verhältnisse als mittlere standardi- sierte Differenzen zwischen den Konzentrationen an der Tidegrenze und an der Mün- dung ins Meer (hier: Cuxhaven) ermöglichen eine Unterscheidung tatsächlicher Kon- zentrationsunterschiede und zufälligen Schwankungen. Neben einzelnen Schadstoffen wurden zusätzlich die relativen Konzentrationsverhältnisse zwischen jeweils zwei Schadstoffen auf ihre Eignung zur Abschätzung des Anteils mariner und fluvialer Feststoffe geprüft. Die S/N-Verhältnisse wurden auf der Basis von Einzelmesswerten berechnet. Je größer das S/N-Verhältnis eines Schadstoffes ist, desto besser kann mit diesem Schadstoff zwischen marinen und fluvialem Feststoffanteil unterschieden werden.

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KLIWAS Forschungs- Die Konzentrationen der über die Berechnung der S/N-Verhältnisse als geeignete programm Indikatoren für fluviale und marine Sedimente identifizierten Schadstoffe wurden im

Schlussbericht Mischungsmodell verwendet. QuoData etablierte ein multivariates Mischungsmodell,

Projekt 3.06 mit dem zunächst für den Referenzzustand an ausgewählten Stationen im Elbeästuar robuste fluviale Anteile errechnet wurden. In dieses Modell wurden als marine Schadstoffgehalte mittlere Gehalte aus den Daten der Deutschen Bucht (BfG 2005, 2013) abgeleitet. Für die Ästuarstationen wurden Einzelmesswerte der Schadstoffe bzw. der Verhältnisse der Gehalte zweier Schadstoffe eingesetzt. Die fluvialen Ein- gangskonzentrationen an der Station Geesthacht wurden mit Hilfe des GAM ge- schätzt, da nicht zu jedem der Datensätze an den Ästuarstationen die erforderlichen Messwerte vorlagen. Zunächst wurden je Schadstoff nach der Q/Hampel-Methode (DIN38402 A 45 2003; Schadstoffe/Schadstoffverhältnisse mit stark vom Gesamtmit- telwert abweichenden fluvialen Anteilen werden gekappt) über die Zeit gemittelte robuste fluviale Anteile und die zugehörigen 95%-Konfidenzintervalle berechnet. Schließlich wurde aus den schadstoffspezifischen fluvialen Anteilen je betrachteter Station im Elbeästuar wiederum mit dem Q/Hampel-Verfahren ein robuster fluvialer Anteil ermittelt. Die fluvialen Anteile für Schadstoffe, deren Gehalte im Ästuar z.B. durch lokale Quellen beeinflusst werden, erhalten ein nur geringes Gewicht. Eine detaillierte Beschreibung dieser Methoden findet sich im Bericht von QuoData (AP 4, Anhang III). Die Verwendung von Einzelmesswerten lässt die Berechnung der S/N- Verhältnisse sowie der fluvialen Anteile auch zu, wenn die Daten Trends aufweisen.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die Anwendung des Modells zwar einige vereinfachende Annahmen erfordert, aber auf mittleren gemessenen Schadstoffgehal- ten basiert. In einem ersten Schritt wurden die Mischungsverhältnisse mariner und fluvialer Feststoffe an einem ausgewählten Ort x für den Referenzzeitraum mit aus Monitoringprogrammen bekannten marinen, fluvialen und ästuarinen Schadstoffge- halten abgeschätzt. Bei der anschließenden Ermittlung der sich bei z.B. klimabedingten Änderungen der fluvialen Feststoffeinträge neu einstellenden Mischungsverhält- nisse wird vereinfachend angenommen, dass die Schadstoffgehalte der marinen und fluvialen Sedimente sowie die absoluten Mengen der Feststoffe mariner Herkunft in dem ästuarinen Feststoffgemisch im Betrachtungszeitraum konstant bleiben.

4.5.2 Projektion klimabedingt veränderter Schadstoffgehalte Ausgehend von den Mischungsverhältnissen fluvialer und mariner Sedimente im Referenzzustand wurden die Mischungsverhältnisse für klimabedingt veränderte Schwebstoffeinträge abgeleitet (siehe Gleichung II-1 in Anhang II). Dabei wurde vereinfachend angenommen, dass die Schadstoffgehalte in den Schwebstoffen an der Tidegrenze, die Menge des marinen Materials im Ästuar sowie die marinen Schadstoffgehalte konstant sind. In die Berechnung gingen die mittleren Mischungsverhältnisse der fluvialen und marinen Feststoffe (arithmetischer Mittelwert für die ausgewählten Indikatoren in den

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Ästuaren von Weser und Ems, robustes Mischungsverhältnis für das Elbeästuar) so- Klimabedingt verändertes wie klimabedingt veränderte Schwebstoffeinträge ein. Transportverhalten schadstoffbelasteter Als geänderte Schwebstoffeinträge wurden für das Elbeästuar die Ergebnisse aus fünf Sedimente und Unterhaltung von Projektionen von Schwebstofffrachten bei Hitzacker für die nahe und ferne Zukunft Wasserstraßen in verwendet (Projekt 5.01, Kohäsive Sedimente Binnen“, Hillebrand et al. 2014). Dabei Nordsee-Ästuaren wurden die Schwebstofffrachten bei Hitzacker als Einträge von Schwebstoffen und damit von feststoffgebundenen Schadstoffen ins Ästuar angenommen. Ergebnisse aus folgenden Modellketten, die u.a. auf verschiedenen Abflussbedingungen basieren, wurden verwendet:

1 C20-A1B_EH5r3_RE-ENS_ls_wendling_ LARSIM

2 C20-A1B_BCM_UIB_RCA3_SMHI_dd_ls_HBV

3 C20-A1B_ECHAM5r3_MPI-MET_REMO_MPI-M_dd_ls_HBV

4 C20-A1B_HadCM3Q3_METO-HC_HadRM3Q3_METO-HC_ dd_ls_HBV

5 C20-A1B_MIC_RACMO_ls_HBV

Die Auswahl der fünf Projektionen für Schwebstoffeinträge schließen die größte projizierte Zunahme der Schwebstoffeinträge um +56 % (ferne Zukunft) ein und ermög- licht damit eine worst-case-Projektion für die Schadstoffgehalte. Für die Ästuare von Weser und Ems stehen keine Projektionen zu klimabedingten Änderungen der Schwebstofffrachten zur Verfügung und es wurde eine Sensitivitäts- analyse durchgeführt, bei der eine Erhöhung des Schwebstoffeintrags entsprechend ausgewählter für die Elbe projizierter Zunahmen bzw. Abnahmen der Schwebstoffe- inträge angenommen wurde. Um Hinweise auf Änderungen der Schadstoffgehalte auch bei Extremereignissen wie Hochwasser oder lang andauernde niedrige Oberwasserzuflüsse zu erhalten, wurde für alle drei Ästuare zusätzlich der Schwebstoffeintrag um 100% erhöht bzw. um 50% erniedrigt. Für eine Projektion der Schadstoffgehalte durch einen klimabedingten Meeresspie- gelanstieg stehen keine Informationen zu den damit verbundenen Änderungen der Menge der stromauf in die Ästuare transportierten Feststoffe zur Verfügung. Um Hinweise auf die Größenordnung einer möglichen Änderung der Schadstoffgehalte durch einen zunehmenden marinen Einfluss aufgrund eines Meeresspiegelanstiegs zu erhalten, wurde in einer Sensitivitätsstudie für das Elbeästuar daher der marine Sedi- mentanteil in dem in diesem Projekt verwendeten Mischungsmodell um bis zu 12 % erhöht.

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KLIWAS Forschungs- 4.6 Einfluss einer Reduzierung der fluvialen programm Schadstoffgehalte auf die Sedimentqualität im Ästuar

Schlussbericht Um die Auswirkungen eines Rückgangs der Schadstoffgehalte an Feststoffen zu er- Projekt 3.06 fassen, wurden in einer weiteren Sensitivitätsstudie zusätzlich die Schadstoffgehalte in den über das Wehr ins Ästuar eingetragenen Feststoffen geändert. Damit lässt sich einschätzen, wie sich Maßnahmen zur Reduzierung der Schadstoffgehalte, wie sie für die Umsetzung der EG-Wasserrahmenrichtlinie vorgesehen sind, auf die Schadstoff- gehalte im Ästuar auswirken und die eventuell ungünstigen Auswirkungen des Kli- mawandels abmildern könnten.

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Klimabedingt 5 Durc hge führte Arbe ite n verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren 5.1 Abschätzung der Transportzeiten feststoffgebundener Schadstoffe in den Ästuaren

Die Transportzeiten der Schwebstoffe mit daran gebundenen Schadstoffen zwischen dem Bezugspegel und den betrachteten Stationen im Ästuar wurden aus der beobachteten zeitlichen Verschiebung zwischen den Maxima der Oberwasserzuflüsse am Binnenpegel und den Maxima der Schadstoffgehalte abgeschätzt.

5.2 Festlegung des Referenzzeitraumes und -zustands

Zur Festlegung eines geeigneten Referenzzeitraumes und zur Bestimmung des Refe- renzzustandes wurden die langjährigen Messreihen der Dauermessstationen in den Ästuaren einschließlich der an der Tidegrenze liegenden Stationen auf zeitliche Trends untersucht und die Variabilitäten der Schadstoffgehalte in Schwebstoffen und schwebstoffbürtigen Sedimenten statistisch geprüft und bewertet. Weiterhin wurde für die marinen Sedimente die mittleren Schadstoffgehalte und deren Variabilität im Referenzzeitraum aus Daten eines Monitorings in der Deutschen Bucht berechnet.

5.3 Identifizierung klimasensitiver Einflussgrößen

5.3.1 Ermittlung der wichtigsten Einflussgrößen im Binnenbereich Um die wichtigsten klimasensitiven Einflussgrößen auf die Schadstoffgehalte in den Sedimenten bzw. Schwebstoffen der Nordseeästuare Elbe, Weser und Ems zu identi- fizieren, wurden in einem ersten Schritt lineare Zusammenhänge zwischen Schad- stoffdaten und verschiedenen Parametern, wie z.B. Oberwasserzuflüsse, Abflussfülle und die Menge und Qualität der Schwebstoffeinträge aus dem Binnenbereich ins Ästuar geprüft. Für das Elbeästuar wurde außerdem die QuoData GmbH mit weitergehenden multivariaten statistischen Analysen zur Ermittlung der wichtigsten Ein- flussgrößen auf die Schadstoffgehalte in Feststoffen beauftragt.

5.3.2 Untersuchung von Seitenbereichen auf ihr Potenzial als Schadstoffquellen bzw. –senken innerhalb der Ästuare In strömungsberuhigten Seiten- und Wattbereichen wurden in allen drei Ästuaren Sedimentkerne zur Bestimmung der Sedimentationsgeschichte und des aktuellen Se- dimentations- bzw. Erosionsgeschehens gezogen. Informationen lassen sich aus dem Vergleich der Untersuchungsergebnisse zur Schadstoffbelastung von zu verschiede-

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KLIWAS Forschungs- nen Zeitpunkten entnommenen Sedimentkernen, aber auch aus dem Vergleich mit der programm Schadstoffbelastung schwebstoffbürtiger Sedimente ziehen.

Schlussbericht Zu diesem Zweck wurden an der Elbe in Seitenbereichen vier Kampagnen durchge- Projekt 3.06 führt, in denen Sedimentkerne, soweit möglich, an stets denselben Positionen ent-

nommen wurden (März 2009 (21 Positionen), Oktober 2009 (21 Positionen), Juni

2010 (20 Positionen) und August 2012 (22 Positionen)). Im Weserästuar wurden im September 2011 in Seitenbereichen und Nebenarmen Sedimentkerne gezogen. Die Ergebnisse der Tiefenprofiluntersuchungen wurden z.B. auch in der Systemstudie Tideelbe (BfG 2014b) und dem Sedimentmanagementkonzept Tideweser (BfG 2014a) verwendet. Für das Emsästuar standen Ergebnisse zu Schadstoffgehalten von überwiegend sandi- gen Sedimentkernen nur aus dem Dollart aus dem Jahr 2011 (BfG 2011) zur Verfü- gung. Die Sedimentschichten der Tiefenprofile wurden größtenteils in einem Auftragslabor auf Korngrößenverteilungen und Schadstoffgehalte (Schwermetalle und ausgewählte organische Schadstoffe) untersucht. Einige der Proben wurden im Labor der BfG ana- lysiert. Die Auswertung der Daten wurde von den Projektbearbeitern an der BfG vorgenommen.

5.4 Abschätzung der Entwicklung der Schadstoffgehalte infolge des Klimawandels

5.4.1 Mischungsverhältnisse fluvialer zu mariner Sedimente an ausgewählten Stationen in den drei Nordseeästuaren Die Mischungsverhältnisse mariner zu fluvialen Sedimenten an den Stationen Wedel und Brunsbüttel (Elbeästuar), Farge und Nordenham (Weserästuar) und Herbrum (Emsästuar) wurden für die als Indikatoren für fluviale und marine Sedimente ausge- wählten Schadstoffe aus den Referenzgehalten berechnet, wobei nur Zeiträume mit häufigen und damit mittleren Werten des Oberwasserzuflusses berücksichtigt wurden (Kap. 4.5.1).

5.4.2 Klimabedingte Änderungen der Schadstoffgehalte durch Änderungen der Schwebstoffeinträge aus dem Binnenbereich Für das Elbeästuar wurden die in der nahen und fernen Zukunft zu erwartenden Än- derungen der Schadstoffgehalte mit den aus den statistischen Analysen erhaltenen robusten Mischungsverhältnissen und den Projektionen zu Schwebstoffeinträgen ins Elbeästuar aus dem Projekt 5.01 (Hillebrand et al. 2014) berechnet. Zur Abschätzung der Entwicklung der Schadstoffgehalte in den Ästuaren von Weser und Ems, für die keine Projektionen zu Schwebstoffeinträgen zur Verfügung standen, wurden Sensiti- vitätsanalysen durchgeführt, bei denen die für das Elbeästuar projizierten Zu- bzw. Abnahmen der Schwebstoffeinträge jeweils für die nahe und ferne Zukunft (Hille-

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brand et al. 2014) angenommen wurde. Zusätzlich wurde der Schwebstoffeintrag zum Klimabedingt verändertes einen um 100% erhöht und zum anderen um 50% erniedrigt, um Hinweise auf die Transportverhalten Auswirkungen von extremen hydrologischen Situationen zu erhalten. schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von 5.4.3 Klimabedingte Änderungen der Schadstoffgehalte durch einen Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren Meeresspiegelanstieg Zur Abschätzung der Größenordnung einer möglichen Änderung der Schadstoffge- halte infolge eines klimabedingten Meeresspiegelanstiegs und des damit einherge- henden stärkeren marinen Eintrags gering belasteter mariner Sedimente wurde für das Elbeästuar eine Sensitivitätsstudie durchgeführt, bei der der marine Sedimentanteil in dem in diesem Projekt verwendeten Mischungsmodell um bis zu 12 % erhöht wurde. Außerdem wurden den Projekten 2.04/3.02 (Wasserbau Küste/Betroffenheit wasserbaulicher Anlagen) für das Referenzjahr 2006 Schadstoffdaten für numerische Simu- lationen des partikelgebundenen Schadstofftransportes und zur Prüfung des Einflus- ses des Meeresspiegelanstiegs auf die Schadstoffgehalte im Elbeästuar bereitgestellt und es wurden die Randbedingungen für die Simulationen diskutiert.

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KLIWAS Forschungs- programm 6 Ve rne tzung d e s Pro je kte s,

Schlussbericht Koo p e ratio nsp a rtne r

Projekt 3.06

Tabelle 2: Projekt 3.06 - Kooperationen und Aufträge Kooperationspartner/ Kurztitel Ansprech- Auftragnehmer partner GBA, Gesellschaft für Schadstoffanalysen Frau Zehle Bioanalytik, Pinneberg (GBA) Limnologisches Institut Schadstoffanalysen Herr Dr. Ebert Dr. Nowak, Ottersberg (Nowak) ARGE Elbe Bereitstellung von Monitoringdaten und Schadstoffein- Herr Bergemann trägen ins Ästuar Bundesamt für See- Bereitstellung von Monitoringdaten aus der Marinen schifffahrt und Hydro- Umweltdatenbank (MUDAB) graphie (BSH) TU Freiberg Altersbestimmung von Sedimenttiefenprofilen aus dem Hr. Dr. Krbet- Elbeästuar zur Prüfung einer künftigen Kooperation schek Wasser- und Schiff- Planung und Probenahme Dollart/Ems Herr Hirsch, fahrtsamt Emden/BfG, Herr Krebs/ Hr. Referat G2 Dr. Löffler Wasser- und Schiff- Sedimententnahmen Elbeästuar, Probenahme Dauer- Herr Dr. Entel- fahrtsämter Hamburg messstellen mann, Herr und Cuxhaven Vaessen Forschungs- und Tech- Sedimentkernentnahme Weserästuar Herr Dr. Rick- nologiezentrum (FTZ) lefs (FTZ) Büsum Tauber DeDeComp Kampfmittelsondierung zur Sedimentkernentnahme im Herr Ahrens GmbH Weserästuar (Geräteführer) QuoData GmbH Statistische Auswertungen langjähriger Untersuchungen Herr Dr. Uhlig von Schadstoffgehalten in Feststoffen des Elbeästuars

Um Aussagen über die Auswirkungen des Klimawandels auf den Schadstofftransport treffen zu können, war die Vernetzung der einzelnen Projekte innerhalb des KLI- WAS-Programmes unerlässlich. So waren die Projekte 2.04/3.02 (Wasserbau Küs- te/Betroffenheit wasserbaulicher Anlagen (Seiffert et al. 2014)) sowie 3.03 (Sedi- menthaushalt Nordseeästuare (Winterscheid et al. 2014b)) im Hinblick auf den feststoffgebundenen Schadstofftransport bzw. auf den Sedimenttransport und den Schwebstoffhaushalt die wichtigsten Partner von Projekt 3.06 innerhalb des KLI- WAS-Verbundes. Für die angestrebten Aussagen zur zukünftigen Entwicklung der Schadstoffgehalte der Sedimente und Schwebstoffe war ein intensiver Austausch mit

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Experten zum Transportverhalten von Partikeln notwendig. Beide Projekte stellten Klimabedingt verändertes Daten sowie Informationen zu dem für Projekt 3.06 wichtigen Feststofftransport be- Transportverhalten reit. Numerische Simulationen sollten die Ergebnisse des Projektes zum partikelge- schadstoffbelasteter Sedimente und bundenen Schadstofftransport und zu klimabedingten Änderungen ergänzen. Dazu Unterhaltung von Wasserstraßen in lieferte Projekt 3.06 den Projekten 2.04/3.02 Schwermetalldaten als Tracer für den Nordsee-Ästuaren Transport von feinkörnigen, kohäsiven Sedimenten. Rahmenbedingungen und Ergeb- nisse der numerischen Simulationen wurde mit den Projekten 2.04/3.02 diskutiert.

Projektionen zu klimabedingt veränderten Einträgen kontaminierter Sedimente und Schwebstoffe aus dem Binnenbereich der Elbe hat das Projekt 5.01 (Hillebrand et al. 2014) geliefert. Daten zu aktuellen und für die Zukunft projizierten Oberwasserzu- flüssen aus dem Binnenbereich der Elbe wurden von dem Projekt 4.01 (Nilson et al. 2014) erhalten.

Um das Sedimentationsgeschehen und das Alter bzw. die Geschichte der Sedimente zu bestimmen, wurden im Juni 2010 zwei Sedimentkerne an der Elbe von der Technischen Universität Bergakademie Freiberg, Fakultät für Chemie und Physik, Institut für Angewandte Physik, Arbeitsstelle Geochronologie Quartär (TU Freiberg) für Testuntersuchungen entnommen. Die Untersuchungen konnten nicht weiter ver- folgt werden und somit liegen hierzu keine Ergebnisse vor. Zum Sedimentationsge- schehen in Seitenbereichen der Ästuare konnten daher lediglich Schätzungen anhand der Schadstoffkonzentrationen vorgenommen werden.

Unter der Federführung von Projekt 3.09 wurden 2009 im Weserästuar zur Erfassung eventuell vorliegender Schadstoffspeicher und zur Abschätzung einer evtl. Resuspendierung von schadstoffbelasteten Sedimenten Schadstoffuntersuchungen im Vorland durchgeführt. Weiterführende Analysen der Ergebnisse vorliegender langjähriger Untersuchungen von Schadstoffgehalten an verschiedenen Stationen im Elbeästuar zur Ermittlung des Einflusses verschiedener Faktoren auf die Schadstoffgehalte und der Mischungsver- hältnisse mariner und fluvialer Sedimente, u.a. mit multivariaten statistischen Metho- den, wurden im Rahmen einer Auftragsvergabe von der Quo Data GmbH (Dresden) bearbeitet.

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KLIWAS Forschungs- programm 7 Erge b nisse

Schlussbericht

Projekt 3.06

7.1 Erreichter methodisch-wissenschaftlicher Fortschritt

Ausgehend vom aktuellen Verständnis der Feststofftransporte in den Nordseeästuaren lässt sich das Ausmaß der Änderung von Schadstoffgehalten an ausgewählten Stellen im Ästuar unter geänderten Randbedingungen auf der Basis eines binären, linearen Mischungsmodells abschätzen. Da sich die Feststoffe an einer vorgegebenen Stelle im Ästuar im Wesentlichen aus einer Mischung von Sedimenten marinen und fluvialen Ursprungs zusammensetzen, führen klimabedingte Änderungen der Randbedin- gungen, wie z.B. der fluvialen Feststoffeinträge, die mit Schadstoffeinträgen einhergehen, zu Änderungen der Mischungsverhältnisse mariner zu fluvialer Sedimente und damit zu Änderungen der Schadstoffgehalte im Ästuar. Als Indikatoren für Sedimente mariner und fluvialer Herkunft lassen sich Schadstoffe verwenden, die keine oder vernachlässigbare Quellen im Ästuar haben, statistisch signifikant unterschiedliche Gehalte in den marinen und fluvialen Sedimenten aufweisen, weitgehend stabil sind und deren Remobilisierung in die Wasserphase vernachlässigbar ist. Die Anwendung des Modells erfordert zwar einige vereinfachende Annahmen (siehe Kapitel 4.5.1), basiert aber auf mittleren gemessenen Schadstoffgehalten. In einem ersten Schritt wurden die Mischungsverhältnisse mariner und fluvialer Feststoffe an einem ausgewählten Ort x für den Referenzzeitraum mit aus Monitoringprogrammen bekannten marinen, fluvialen und ästuarinen Schadstoffgehalten abgeschätzt. Bei der anschließenden Ermittlung der sich bei z.B. klimabedingten Änderungen der fluvialen Feststoffeinträge neu einstellenden Mischungsverhältnisse wird vereinfachend angenommen, dass die Schadstoffgehalte der marinen und fluvialen Sedimente sowie die absoluten Mengen der Feststoffe mariner Herkunft in dem ästuarinen Feststoffge- misch im Betrachtungszeitraum konstant bleiben. Die für verschiedene Einzelschadstoffe errechneten Mischungsverhältnisse fluvialer und mariner Sedimente sollten für eine vorgegebene Station ähnliche Werte liefern. Zum Teil unterschieden sich die für eine Station ermittelten Mischungsverhältnisse jedoch für einzelne Stoffe deutlich. Als Grund hierfür kommen Störungen, wie z.B. lokale Quellen, unzureichende Stabilität der Schadstoffe oder Remobilisierung in die Wasserphase infrage. Für ausgewählte Stationen im Elbeästuar wurde daher die QuoData GmbH mit der Ableitung schadstoffübergreifender und robuster Mischungs- verhältnisse beauftragt (AP 4, Anhang III). Diese robusten Mischungsverhältnisse sowie die von Projekt 5.01 entwickelten Projektionen des Schwebstoffeintrags wurden für zwei der Stationen zur Projektion der Schadstoffgehalte in das Mischungsmo- dell eingesetzt. Da für das Weser- und Emsästuar keine Projektionen zu Schwebstof- feinträgen vorlagen, wurden hier Sensitivitätsstudien mit ausgewählten Änderungen

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der Feststoffeinträge, die für das Elbeästuar projiziert wurden und mit einer ange- Klimabedingt verändertes nommenen Verringerung bzw. einer Erhöhung der Feststoffeinträge um -50 % bzw. Transportverhalten +100 % durchgeführt. Dabei wurde je Station der arithmetische Mittelwert aus den schadstoffbelasteter Sedimente und schadstoffspezifischen Mischungsverhältnissen verwendet, wobei für die Mittelwert- Unterhaltung von Wasserstraßen in bildung nur die Ergebnisse der als geeignet identifizierten Indikatoren für marine und Nordsee-Ästuaren fluviale Sedimente berücksichtigt wurden. Das Mischungsmodell erlaubt auch eine Abschätzung des Einflusses einer Verringe- rung fluvialer Schadstoffgehalte auf die Schadstoffbelastungen im Ästuar, z.B. als eine Folge der Sanierung von Schadstoffquellen. Die Ergebnisse sind in Vorbereitung zur Veröffentlichung.

7.2 Festlegung der Randbedingungen und Ermittlung von Einflussgrößen

7.2.1 Abschätzung der Transportzeiten feststoffgebundener Schadstoffe in den Ästuaren An der Ems wurde eine zeitliche Verschiebung von zwei Wochen zwischen dem Oberwasserzufluss am Bezugspegel Versen (Ems-km 171,5) und den Schadstoffge- halten an der Messstation Herbrum (Ems-km 213) im Unterwasser des Tidewehrs berücksichtigt (Anhang III). Für die Weser wurden mittlere zeitliche Differenzen von 3 Wochen zwischen dem Bezugspegel Intschede (Weser-km 331) und der Station Farge (Weser-km 26) bzw. von 4 Wochen zwischen Intschede und der Station Bre- merhaven (Weser-km 70) bestimmt (Anhang III). Für die Elbe lagen die mittleren zeitlichen Differenzen zwischen dem Oberwasserzufluss am Bezugspegel Neu- Darchau (Elbe-km 536,4) und den Schadstoffgehalten an der Station Wedel (Elbe-km 642) bzw. an der Station Brunsbüttel (Elbe-km 696,3) bei 4 bzw. 8 Wochen (Anhang III). Diese Zeitverschiebungen wurden bei den weiteren Berechnungen der BfG, z.B. den Korrelationsanalysen und der Ermittlung der Mischungsverhältnisse fluvialer und mariner Feststoffe, berücksichtigt. Die für die Elbe von der QuoData GmbH ebenfalls ermittelten Transportzeiten sind bei mittleren Oberwasserzuflüssen von 700 m³/s mit 2 Wochen für Wedel und 4,5 Wochen für Brunsbüttel kürzer. QuoData modellierte außerdem die Abhängigkeit der Transportzeiten vom Oberwasserzufluss, die allerdings bei Wedel vernachlässigbar war. Im Weiteren berücksichtigte QuoData die Transportzeiten mit deren Oberwasserabhängigkeit bei den Modellierungen Da die Schwebstoffproben zur Messung der Schadstoffgehalte in der Regel über einen Zeitraum von mehreren Wochen genommen werden und die Sedimentproben ebenfalls die in den vorausgegangenen Wochen abgelagerten Sedimente erfassen, ist die Bestimmung der Maxima unsicher. Außerdem zeigen die zeitlichen Differenzen eine Abhängigkeit vom Oberwasserzufluss. Damit sind die mittleren zeitlichen Diffe- renzen mit großen Unsicherheiten behaftet.

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KLIWAS Forschungs- 7.2.2 Festlegung des Referenzzeitraumes und -zustands programm Das Monitoring der Schadstoffgehalte an Sedimenten und Schwebstoffen zeigt für Schlussbericht alle drei Ästuare eine Abnahme der Schadstoffgehalte mit der Zeit. Für Schwerme- Projekt 3.06 tallgehalte wurden mit dem Mann-Kendall-Test für Zeitreihen ab 1990 signifikant

abnehmende Trends festgestellt. Bei einer Einschränkung des Zeitraums auf die Jahre

2003 – 2012 wurden dagegen nur noch für wenige Stoffe signifikante Trends ermit-

telt. Für organische Schadstoffe wurden in diesem Zeitfenster keine Trends beobachtet. Schadstoffe mit signifikanten Trends wurden später bei der Ermittlung der Mi- schungsverhältnisse nicht als Indikatoren für fluviale und marine Sedimente berück- sichtigt. Die für die Daten aus dem Elbeästuar nach dem empfindlicheren LOESS-Verfahren durchgeführten Trendanalysen zeigten dagegen für viele Datensätze über den gesamten Messzeitraum sowie für den Zeitraum 2000-2012 deutliche Trends. Abbildung 2 zeigt den meist abnehmenden Trend am Beispiel der Station Wedel im Elbeästuar für die Gehalte des Quecksilbers (Hg) und des Tributylzinns (TBT). In den oberen Grafi- ken von Abbildung 2 sind Trendkurven auf der Basis der robusten Jahresmittelwerte (Punkte), die mittels der Q/Hampel Methode berechnet wurden und das 95 % Progno- seintervall (rote Linien) dargestellt. In den unteren Grafiken sind die aus den Einzel- messwerten der Schadstoffgehalte ermittelten Trendkurven mit dem 95 %- Prognoseintervall (grüne Linien) unter Einbeziehung der Saisonalität gezeigt. Bei dieser Darstellung spiegeln die Trendkurven die regelmäßigen Variationen, die auch gemessen werden, wider. Die abnehmenden Trends der Gehalte der in Abbildung 2 gezeigten Schadstoffe sind für den betrachteten Zeitraum statistisch signifikant. Generell zeigen die Trendanaly- sen nach dem LOESS-Verfahren für die meisten untersuchten Schadstoffe an den verschiedenen Stationen im Elbeästuar eine Abnahme der Gehalte (AP 1, Anhang III). Ein zunehmender Trend wurde vor allem für organische Schadstoffe an der Sta- tion Geesthacht gefunden. Für diese Station gibt es insbesondere für organische Schadstoffe zahlreiche Datenlücken und zum Zeitpunkt der Datenauswertung lagen nur Daten bis zum Jahr 2011 vor. Eventuell verfälschen die überdurchschnittlich hohen mittleren Abflüsse der Jahre 2010 und 2011 das Ergebnis der Trendanalyse. Für die Mehrzahl der untersuchten Messreihen (76%) konnte eine nichtlineare Trend- komponente und für 65 % der Messreihen außerdem eine lineare Trendkomponente nachgewiesen werden. Eine Trendumkehr wurde in keinem Fall festgestellt. Für die im Folgenden betrachteten Stationen Wedel und Brunsbüttel wurden für sechs bzw. einen Schadstoff Trendbrüche nachgewiesen. In diesen Fällen wurden nur Daten nach dem Jahr des Trendbruchs für die weiteren Berechnungen verwendet.

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Klimabedingt verändertes Tributylzinn Quecksilber Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren

Abbildung 2: Trendanalyse von Tributylzinn im Zeitraum 1999-2012 und von Quecksilber im Zeitraum 1980-2012 an Schwebstoffen der Dauermessstation Wedel (AP1, Anhang III). Y-Achse: Konzentration in <20µm in µg TBT/kg TS für Tributylzinn und in mg/kg für Quecksilber, X- Achse: Zeitraum

Für die Bewertung der aus Projektionen bzw. Sensitivitätsstudien erhaltenen Ergeb- nissen zu den klimabedingt veränderten Schadstoffgehalten wurde der Referenzzeit- raum für alle drei Ästuare auf die Jahre 2003-2012 festgelegt, in denen der Mann- Kendall-Test für die meisten Schadstoffe keine signifikanten Trends lieferte. Statis- tisch signifikant abnehmende Trends wurden nur für Hg und Ni (Nickel) bei Geest- hacht, Hg bei Wedel, Pb bei Brunsbüttel, Hemelingen und Farge sowie für Cd bei Bollingerfähr gefunden. Gehalte dieser Schwermetalle blieben bei den weiteren Be- rechnungen für die jeweiligen Ästuare unberücksichtigt. Ebenfalls nicht als Indikator für marine und fluviale Sedimente berücksichtigt wurden Schadstoffe, wenn ihre Konzentrationen für das betrachtete Ästuar nahe den Bestimmungsgrenzen lagen (z.B. Hg im Weserästuar, einige chlororganische Verbindungen) oder die Variabilität der Belastung sehr groß war. Der Referenzzustand der einzelnen Ästuare ist in Tabel- le 3 aufgezeigt. Hier sind die Referenzgehalte ausgewählter bzw. geeigneter Schad- stoffe aus dem Referenzzeitraum, deren Variationskoeffizienten und das aus den Schadstoffgehalten abgeleitete jeweilige Mischungsverhältnis fluvialer und mariner Sedimente gezeigt (siehe auch Kapitel 7.2.3).

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KLIWAS Tabelle 3: Referenzgehalt (Ref. Geh.) mit Variationskoeffizienten (VK) der Schadstoffe an den ausge- Forschungs- programm wählten Dauermessstellen (n.b.: nicht berechnet); n.a.: nicht anwendbar) Ref. Geh. Mischungs- Ref. Geh. Mischungsver- VK VK Schlussbericht [mg/kg verhältnis [mg/kg hältnis [%] [%] /µg/kg]1 (marin/fluvial) /µg/kg]1 (marin/fluvial) Projekt 3.06 Cd 7.3 18 n.a. Cd 4.7 23 n.a. Hg 2.5 30 n.a. Hg 0.4 23 n.a. Zn 1131 13 n.a. Zn 854 18 n.a. Cu 98 27 n.a. Cu 68 21 n.a. p,p- p,p- DDD 39 41 n.a. DDD 1.8 30 n.a. Geesthacht p,p- Hemelingen p,p- DDE 14 29 n.a. DDE 2.4 34 n.a. HCB 38 45 n.a. HCB 1.8 44 n.a. Cd 2.1 24 2.9 Cd 3.3 18 0.5 Hg 1.4 22 0.9 Hg 0.4 21 n.b. Zn 784 34 0.6 Zn 652 13 0.4 Cu 88 27 0.2 Cu 60 11 0.2 p,p- p,p- Farge ELBE Wedel DDD 11 24 2.8 Weser DDD 1.2 37 0.8 p,p- p,p- DDE 3.9 26 2.9 DDE 1.5 42 n.b. HCB 8.5 28 3.6 HCB 1.0 55 0.4 Cd 1.1 27 8.2 Cd 0.9 14 7.0 Hg 1.1 21 1.5 Hg 0.3 30 n.b. Zn 366 14 3.6 Zn 298 12 3.8 Cu 47 16 2.2 Cu 35 21 3.0 p,p- p,p- DDD 7.4 34 4.6 DDD 0.9 32 2.1

Brunsbüttel p,p- Nordenham p,p- DDE 2.6 31 5.5 DDE 0.6 28 n.b. HCB 3.8 37 9.9 HCB 0.5 58 20

Cd 3.5 13 n.a. Cd 0.4 25 n.a. Hg 0.5 28 n.a. Hg 0.3 9 n.a. Zn 845 8 n.a. Zn 153 15 n.a. Cu 133 15 n.a. Cu 23 23 n.a. p,p- p,p- DDD 1.6 77 n.a. DDD 0.4 63 n.a.

Bollingerfähr p,p- p,p- DDE 2.1 50 n.a. Deutsche Bucht DDE 0.3 68 n.a. HCB 1.6 76 n.a. HCB 0.4 89 n.a. Ems Cd 1.0 36 3.9 marin Hg 0.4 29 n.b. Zn 241 17 6.9 Cu 35 30 8.1 p,p- DDD 0.5 38 9.6 Herbrum p,p- DDE 0.6 26 5.7 HCB 1.6 137 0.03 1: Schwermetalle in mg/kg, organische Schadstoffe in µg/kg Die als geeignete Indikatoren für fluviale und marine Sedimente identifizierten Schadstoffe sind in Tabelle 3 durch schwarze Schrift hervorgehoben. In grauer Schrift sind die geprüften Schadstoffe, die sich aber nicht als Indikatoren geeignet erwiesen, dargestellt.

7.2.3 Mischungsverhältnisse fluvialer zu mariner Sedimente an ausgewählten Stationen in den drei Nordseeästuaren Die Ergebnisse der berechneten Mischungsverhältnisse der marinen und fluvialen Sedimente sind in Tabelle 4.Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. zusammengefasst. In der Regel unterscheiden sich die Mischungsverhältnisse (s. Ka-

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pitel 4.5.1 und 7.2.2) von fluvialen zu marinen Sedimenten, die auf Basis verschiede- Klimabedingt verändertes ner ausgewählter Indikatorsubstanzen abgeleitet wurden, nur wenig. Die aus den Transportverhalten Zink- und Kupfergehalten bei Wedel berechneten Mischungsverhältnisse mariner und schadstoffbelasteter Sedimente und fluvialer Sedimente, die deutlich niedriger als die für die übrigen Indikatorsubstanzen Unterhaltung von Wasserstraßen in berechneten Werte lagen, bestätigen den Verdacht einer lokalen Quelle bisher unbe- Nordsee-Ästuaren kannter Herkunft (BfG 2014b). Auch für Quecksilber wurde an der Station Wedel im inneren Elbeästuar ein deutlich unter dem Mittelwert liegendes Mischungsverhältnis gefunden, das evtl. auf den stark abnehmenden Trend der Gehalte zurückzuführen ist (siehe Abbildung 2). Die aus den schadstoffspezifischen Mischungsverhältnissen (siehe Tabelle 3) der ausgewählten Schadstoffe gebildeten arithmetischen Mittelwerte der fluvialen Anteile sind für verschiedene Messstationen in Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. zusammengefasst. Die für die Stationen Wedel und Brunsbüttel von der QuoData GmbH ermittelten schadstoffübergreifenden robusten mittleren fluvialen Anteile am Sediment unterscheiden sich nur wenig von den arithmetischen Mittelwerten. Die für die weiteren Berechnungen verwendeten fluvialen Anteile bzw. Mischungsverhältnisse fluvialer und mariner Anteile sind in Tabelle 4 durch Fettdruck hervorgehoben. Tabelle 4: Mittlere fluviale Anteile am Sediment an ausgewählten Stationen der Nordseeästuare für die Referenzperiode 2003 bis 2012 Fluvialer Fluvialer Anteil (%) Anteil (%) Elbeästuar Wedel (25) 27 Brunsbüttel (13) 11 Weserästuar Farge 68 Nordenham 20 Emsästuar Herbrum 14

Werte in Klammern sind die aus schadstoffspezifischen Mischungsverhältnissen gebildeten arithmetischen Mittelwerte.

7.2.4 Ermittlung der wichtigsten Einflussgrößen im Binnenbereich Auch bei Berücksichtigung der zeitlichen Verschiebung zwischen den Maxima des Oberwasserzuflusses und der Schadstoffgehalte wurden keine signifikanten Korrela- tionen zwischen den geprüften Größen gefunden. Eine Korrelationsanalyse mit über den gesamten Zeitraum des Monitorings zu Monatsmittelwerten (Mediane) zusammengefassten Gehalten von Schwermetallen und Oberwasserzuflüssen ergab z.B. für die Stationen Wedel und Brunsbüttel im Elbeästuar sowie Farge und Nordenham im Weserästuar, die im Mischungsbereich mariner und fluvialer Sedimente liegen, einen statistisch signifikanten linearen Zusammenhang (z.B. Korrelationskoeffizient r2 = 0,95 (Cadmium bei Wedel), r2=0,95 (Zink bei Farge), siehe Anhang III). Weitere Einzelheiten sind in Anhang III beschrieben. Für organische Schadstoffe wurden we- gen der deutlich schlechteren Datenlage keine entsprechenden Analysen durchge-

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KLIWAS Forschungs- führt. An der Station Herbrum im Emsästuar lagen weniger Daten für diese Analyse programm vor, da erst seit 2004 monatliche Probenahmen durchgeführt werden. Die Korrelation

Schlussbericht zwischen Schwermetallgehalten und dem Oberwasserzufluss ist weniger deutlich 2 Projekt 3.06 (z.B. r =0,76 für Cd, siehe Anhang III), weist aber auch im Emsästuar auf den Ein- fluss des Oberwasserzuflusses auf die Schadstoffgehalte hin.

Für das Elbeästuar wurde die QuoData GmbH mit weitergehenden multivariaten statistischen Analysen zur Ermittlung der wichtigsten Einflussgrößen auf die Schad- stoffgehalte in Feststoffen beauftragt. Mit Regressionsbäumen wurde der Einfluss verschiedener Parameter (Höhe des Oberwasserzuflusses Q am Pegel Neu-Darchau, Schwebstoffgehalte und Schwebstofffrachten bei Hitzacker, Dauer von Phasen mit niedrigen/hohen Oberwasserzuflüssen und zugehörige Abflussfüllen) auf die Schad- stoffgehalte geprüft (siehe Kapitel 4.4). Der Oberwasserzufluss sowie die Schweb- stoffgehalte und –frachten bei Hitzacker wurden als wichtigste Einflussgrößen ermittelt. Auch die erweiterten statistischen Analysen mit einem „Generalisierten Additi- ven Modell“ (GAM) bestätigten den Oberwasserzufluss und die Schwebstoffgehalte bei Hitzacker sowie die Kopplung dieser Parameter als wichtigste Einflussgrößen auf die Schadstoffgehalte (AP 2, Anhang III).

7.2.5 Das Potenzial von Seitenbereichen als Schadstoffquellen bzw. –senken innerhalb der Ästuare Die Seitenbereiche bzw. Wattbereiche der Flüsse stellen ein Archiv der Sedimentbe- lastungen dar und spiegeln unter anderem die Entwicklung der Schadstoffgehalte in der Vergangenheit wider. Aufgrund der vielen Unsicherheiten, insbesondere bei der Annahme der tatsächlich mobilisierbaren Sedimentmengen und der Ableitung der Schadstofffrachten, stellen die Ergebnisse nur eine grobe Schätzung dar. Für die Berechnung der Schad- stofffrachten in den Wattbereichen standen nur wenig Proben, deren Belastung als repräsentativ angenommen wurde, zur Verfügung.

Elbeästuar Für das Elbeästuar wurden Schätzungen der Schadstofffrachten in eventuell remobilisierbaren Ablagerungen ausgewählter Seitenbereiche vorgenommen. Diese wurden den Gesamtfrachten an Schadstoffen, die in den bis zu 4 m Tiefe erfassten Sediment- ablagerungen gespeichert sind (BfG 2008, Schubert et al. 2008), gegenübergestellt. Die Schadstoffdepots waren aus den Schadstoffgehalten der einzelnen Sediment- schichten über die gesamte Tiefe bis zu 4 m und den Flächen der von 1994 bis 1998 untersuchten Seitenbereiche (~26 km²) abgeschätzt worden. Die für diese Bereiche abgeschätzten Gesamtschadstofffrachten der verschiedenen Stoffe übersteigen die jährlich in das Elbeästuar gelangenden Schadstofffrachten (ARGE 2009) um das 10- Fache bis um mehr als das 100-Fache (Schubert et al. 2008). Als besonders hoch belastete Bereiche wurden das Mühlenberger Loch (km 635), das Fährmannsander Watt

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(ca. km 645) und das Nordkehdinger Watt (ca. km 695-705) identifiziert (Abbildung Klimabedingt verändertes 3). Transportverhalten schadstoffbelasteter Berechnungen mit den Ergebnissen zu Schadstoffgehalten aus den aktuell untersuch- Sedimente und Unterhaltung von ten Sedimentkernen (2008-2012) zeigen, dass bereits in den oberen 50 cm der Abla- Wasserstraßen in gerungen in den Seitenbereichen und Nebenbereichen des Elbeästuars, die eventuell Nordsee-Ästuaren remobilisierbar sind, mindestens das 4-Fache (p,p´-DDT) an Schadstofffracht gegen- über der jährlichen Eingangsfracht (Mittelwert bei Schnackenburg von 2007-2009, ARGE Elbe 2009) liegt. Im Fall des p,p´-DDD lagert das 25-Fache der aktuellen jähr- lichen Eingangsfracht in der oberen 50 cm tiefen Schicht der Watten. Gegenüber der Gesamtschadstofffracht (1994-1998), die in den Seitenbereichen bis zu 4 m Tiefe liegen, ist die oberflächennahe, potenziell mobilisierbare Schad- stofffracht relativ gering (Abbildung 4). Hohe Schadstoffgehalte und –frachten liegen in Tiefen vor, die von einer natürlichen Mobilisierung, auch bei klimabedingten Ver- änderungen der hydrologischen Verhältnisse weitgehend ausgeschlossen werden können (BfG 2008, BfG 2013). In den meisten Fällen ist in den oberen Sediment- schichten die 5-11-fache Schadstofffracht im Vergleich zu den jährlichen Eingangs- frachten zu beobachten (Tabelle 5). Tabelle 5: Potenziell remobilisierbare Frachten an Schwermetallen und ausgewählten organischen Schadstoffen in Wattflächen des Elbeästuars (2008 – 2012) (MW = Mittelwert) Schadstofffracht Jährliche Fracht bei in oberen 50 Schnackenburg Elbe cm (MW 2007‐2009) Fläche km² 56 Arsen t 291 60 Cadmium t 15 3 Kupfer t 455 90 Blei t 646 50 Zink t 3856 800 Quecksilber t 10 1 pp‐DDE t 0,04 0,002 pp‐DDD t 0,10 0,004 pp‐DDT t 0,03 0,008 Tributylzinn‐ Kation t 0,95 k.A. PAK16 t 26 k.A. PCB7 t 0,22 k.A.

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KLIWAS Forschungs- programm

Schlussbericht

Projekt 3.06

Abbildung 3: Erfasste Schadstoffdepots mit Gesamtschadstofffracht ( in Tonnen (Schwermetal- le) bzw. kg (organ. Schadstoffe)) des Elbeästuars bis 1998

Abbildung 4: Erfasste Schadstoffdepots mit potenziell mobilisierbaren Schadstofffracht (in Tonnen (Schwermetalle) bzw. kg (organ. Schadstoffe)) des Elbeästuars 2008 – 2012

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In den oberen Schichten fast aller Sedimentkerne aus dem Elbeästuar (2008 – 2012) Klimabedingt verändertes wurden Schadstoffgehalte nachgewiesen, die Hinweise auf eine aktuell erfolgende Transportverhalten Deposition von Schwebstoffen aus dem Elbeästuar geben. Entsprechend dem Rück- schadstoffbelasteter Sedimente und gang der Schadstoffgehalte in Schwebstoffen und schwebstoffbürtigen Sedimenten Unterhaltung von Wasserstraßen in des Elbeästuars seit Ende der 1980er Jahre (siehe Kapitel 7.2.2) nehmen auch die Nordsee-Ästuaren Schadstoffgehalte in den Sedimentkernen zur Oberfläche hin ab (Abbildung 5). Die Schadstoffgehalte in den oberen Sedimentschichten nehmen in der Regel außerdem vom Tidewehr in Richtung See ab (Schubert et al.2008, BfG 2008). Bis auf die Er- gebnisse von einer Probenahmestation bei Elbe-km 681, an der zeitweise wiederholt erhöhte Schadstoffgehalte in Oberflächenschichten gefunden wurden, weisen die Un- tersuchungsergebnisse darauf hin, dass unter den derzeitigen Abflussbedingungen und aktuellen Strömungsverhältnissen auch weiterhin Sedimentation in diesen Berei- chen erfolgen wird und im Ästuar derzeit kein erhöhtes Risiko für die Freisetzung von schadstoffbelasteten Sedimenten besteht (Anhang IV).

Kern 4 - Cadmium

Konzentration [mg/kg TS] 01234 0

06/1998 60 10/2008 03/2009 80 10/2009

Tiefe [cm] 06/2010 08/2012 100

120

140

Abbildung 5: Tiefenprofile von Position „Kern 4“ aus dem Elbeästuar der Jahre 1998-2012 am Beispiel des Cadmiums.

Selbst wenn die aufgrund des Meeresspiegelanstiegs zu erwartenden größeren Strö- mungsgeschwindigkeiten überwiegen und zur Erosion in Wattbereichen führen wür- den, ist zu erwarten, dass die dann erfolgende Freisetzung von Sedimenten aus den oberen Schichten mit ähnlichen Schadstoffgehalten wie in den Feststoffen des Haupt- stroms einen nur geringen Einfluss auf die Schadstoffgehalte der Sedimente des Hauptstroms haben würde. Wenn aber, wie in Projekt 2.04/3.02 (Betroffenheit wasserbaulicher Anlagen/Wasserbau Küste) im Modell untersucht, z. B. Einengungs- maßnahmen zum besseren Schutz vor Sturmfluten durchgeführt würden, könnte sich

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KLIWAS Forschungs- die Dynamik deutlich ändern und auch zur Freisetzung tieferer Sedimentschichten mit programm stärker erhöhten Schadstoffgehalten führen (siehe Seiffert et al. 2014).

Schlussbericht Weserästuar Projekt 3.06 Anhand der Schadstoffgehalte in den als potenziell mobilisierbar identifizierten Se- dimentschichten (von 9 bis 75 cm Schichtdicke) der Sedimentkerne aus den Seitenbe-

reichen bzw. Wattbereichen des Weserästuars wurden die eventuell klimabedingt remobilisierbaren Altablagerungen abgeschätzt (siehe Kap. 4.4.3). Die Berechnungen zeigen, dass in den Seitenbereichen und Nebenarmen des We- serästuars mindestens das 3-fache (Cadmium) an Schadstofffracht gegenüber der jährlichen Eingangsfracht liegt. Im Fall des p,p’-DDD lagert bei der Maximalschät- zung sogar die 40-fache Schadstofffracht in den Seitenbereichen gegenüber der ge- schätzten aktuellen jährlichen Eingangsfracht (Mittelwert Hemelingen von 2010 bis 2012). In den meisten Fällen ist eine 7-8-fache Schadstofffracht gegenüber den jährli- chen Eingangsfrachten zu beobachten (Tabelle 6). Insgesamt sind die in den Seitenbe- reichen und Nebenarmen des Weserästuars abgelagerten Schadstofffrachten im Ver- gleich zum Eintrag aus dem Binnenbereich als hoch zu beurteilen. Dies resultiert wie im Elbeästuar aus den oft höheren Schadstoffgehalten in den Sedimenten und Schwebstoffen in früheren Jahren sowie der langanhaltenden Sedimentation in den Seitenbereichen und den Nebenarmen, die somit als Senke für belastete Sedimente dienen und den Transport in die Nordsee verzögern oder verhindern. Da die Auswer- tung der Schadstoffgehalte in den oberen Schichten der Sedimentkerne von 1999 und 2011 (siehe Anhang IV) keine Hinweise auf Erosionsgebiete lieferte, ist unter den derzeitigen Abflussbedingungen und Strömungsverhältnissen wie auch im Elbeästuar kein erhöhtes Risiko für die Freisetzung schadstoffbelasteter Sedimente anzunehmen. Im Vergleich ist die Fläche der Watten des Weserästuars ca. 1,9-mal kleiner als die Fläche der Watten des Elbeästuars. Auch die potenziell mobilisierbaren Sediment- frachten sind um das 2,5 – 2,9-Fache geringer als im Elbeästuar. Da sowohl die Ein- gangsfrachten ins Weserästuar als auch die Wattflächen geringer als im Elbeästuar sind, wurden im Weserästuar geringere Schadstofffrachten abgelagert (Schwermetalle um das 2-5-Fache, organische Schadstoffe um das 5-10-Fache geringer als im Elbe- ästuar).

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Tabelle 6: Potenziell remobilisierbare Frachten an Schwermetallen und ausgewählten Klimabedingt organischen Schadstoffen in Wattflächen des Weserästuars (2011) (MW = Mittelwert) verändertes Transportverhalten Jährliche Eingangs‐ schadstoffbelasteter fracht Ästuar Sedimente und Weser Minimalschätzung Maximalschätzung (MW 2010‐2012) Unterhaltung von Wasserstraßen in <2000 µm Nordsee-Ästuaren Flächengröße km² 30 Arsen t 106 128 5,5 Cadmium t 4,8 6,8 1,4 Kupfer t 153 192 23 Blei t 407 497 45 Zink t 1450 1829 236 Quecksilber t 2,1 2,6 0,13 pp‐DDE t 0,007 0,008 0,001 pp‐DDD t 0,01 0,02 0,0005 pp‐DDT t 0,003 0,004 0,0003 Tributylzinn‐ Kation t 0,10 0,19 0,003 PAK16 t 7,8 9,8 0,9 PCB7 t 0,10 0,13 0,009

Im Weserästuar wurden 2009 außerdem Vorlanduntersuchungen im Hinblick auf eventuelle Schadstoffspeicher durchgeführt. Dabei wurden von Unterweser-km 33,9 bis Unterweser-km 65,25 jeweils drei Sediment- bzw. Bodenproben in unterschiedli- chen Tiefen (z.T. mit Rammkernsondierung bis in 2 m Tiefe) und in insgesamt sechs Transekten entnommen und auf Schadstoffgehalte (Schwermetalle und ausgewählte organische Schadstoffe) und Korngrößenverteilung untersucht. Die Transekte umfass- ten Watt, Röhricht und Grünland. Die Ergebnisse befinden sich in der KLIWAS Schriftenreihe (Heuner et al. 2012). In den meisten untersuchten Bereichen nahmen die Schadstoffgehalte vom Watt zum Grünland zu und waren in den tieferen Schich- ten höher als in den Oberflächenschichten. Die Schadstoffgehalte in der Watt- und der Röhrichtzone lagen überwiegend im Bereich der Belastung der aktuellen Schweb- stoffe. Auch die höchsten gemessenen Schadstoffgehalte im Grünland erreichen die Schadstoffgehalte der in den unteren Schichten der 2011 im Weserästuar gezogenen Sedimentkerne nicht. Es ist weder von einer Beeinflussung der Schadstoffgehalte der Schwebstoffe und der schwebstoffbürtigen Sedimente im Strombereich des Weserästuars durch die strö- mungsberuhigten Watt- und Seitenbereiche noch durch den Grünlandbereich auszugehen.

Emsästuar In den Sedimentkernen des Dollart wurden nur geringe Schadstoffgehalte festgestellt und so ist davon auszugehen, dass im Fall von Resuspensionen der Sedimente infolge von Sturmfluten oder extremen Hochwasserereignissen keine großen Frachten an Schadstoffen mobilisiert werden. Somit besteht kein Risiko der Erhöhung der Schad-

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KLIWAS Forschungs- stoffbelastung der Schwebstoffe und Sedimente in diesem Gebiet der Ems. Da die programm Schwebstoffe im Emsästuar bis kurz unterhalb des Tidewehrs bei Herbrum überwie-

Schlussbericht gend von gering belasteten Sedimenten aus dem Küstenbereich dominiert werden

Projekt 3.06 (Ackermann 1998), sind auch in den weiteren Wattgebieten des Emsästuars keine Ablagerungen von Sedimenten mit hohen Schadstoffgehalten zu erwarten. Auf eine Abschätzung der mobilisierbaren Schadstofffrachten aus dem Emsästuar wurde daher verzichtet.

7.3 Abschätzung der Entwicklung der Schadstoffgehalte infolge des Klimawandels

7.3.1 Klimabedingte Änderungen der Schadstoffgehalte durch Änderungen der Schwebstoffeinträge aus dem Binnenbereich Die aus dem Mischungsmodell (Kapitel 4.5.1) abgeschätzten Veränderungen der Schadstoffgehalte sind in Tabelle 7 als prozentuale Änderung gegenüber der Refe- renzbelastung zusammengefasst. Während die für die Schadstoffgehalte im Elbeästu- ar für die nahe Zukunft projizierten Änderungen mit bis zu +26 % bei Wedel (Elbe- km 642) im Bereich der natürlichen Variabilität bleiben, ergibt die Projektion mit dem höchsten Schwebstoffeintrag für die ferne Zukunft eine Änderung der Schad- stoffgehalte um 49 %, die damit deutlich über die natürlichen Schwankungen der Schadstoffbelastung im Referenzzustand (siehe Tabelle 7) hinausgehen. Die Projekti- onen für die weiter seewärts gelegene Station Brunsbüttel zeigen sowohl für die nahe als auch für die ferne Zukunft geringere Erhöhungen der Schadstoffgehalte als bei der Station Wedel im inneren Ästuar. Sie liegen noch im Bereich der üblichen Variatio- nen. Die in den Ästuaren der Weser und Ems in den Sensitivitätsstudien zu erwartenden Änderungen fallen deutlich geringer als an der Elbe aus. Eine Verdoppelung der Schwebstoffeinträge würde dagegen in allen Bereichen mit Ausnahme des inneren Weserästuars (Station Farge) zu einer nachweisbaren Erhöhung der Schadstoffgehalte führen.

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Tabelle 7: Projizierte und angenommene Änderung des Schwebstoffeintrags bei Hitzacker und Klimabedingt die resultierenden Änderungen der Schadstoffgehalte in den Ästuaren von Elbe, Weser1 und verändertes 1 Transportverhalten Ems schadstoffbelasteter Sedimente und Wedel Brunsbüttel Farge Nordenham Herbrum Unterhaltung von (Elbe) (Elbe) (Weser) (Weser) (Ems) Wasserstraßen in Projekti- ∆ SE ∆ Geh.. ∆ Geh. ∆ Geh. Nordsee-Ästuaren on (%) (%) ∆ Geh. (%) (%) ∆ Geh. (%) (%) 1 17 24 11 n.b. n.b. n.b. 2 18 26 12 4.2 0.5 12 3 -12 4 -9 n.b. n.b. n.b. 4 -13 2,3 -10 -3 -9.4 1.1 Nahe Zukunft 5 6 16 6,6 n.b. n.b. n.b.

1 56 49 34 9.4 15 22 2 20 27 12 n.b. n.b. n.b. 3 -12 4 -9 n.b. n.b. n.b. 4 -31 -12 -23 -9 -21 -5.5 Ferne Zukunft 5 -8 6 -3,7 n.b. n.b. n.b.

angenommen -50 -32 -36 -17 -27 -12 angenommen 100 71 40 15 43 36

1 Sensitivitätsstudien für die Ästuare von Weser und Ems auf der Grundlage der Projektionen für Schwebstoffein- trag ins Elbeästuar ∆ SE: projizierter Schwebstoffeintrag ins Elbeästuar ∆ Geh.: resultierende Änderung des Schadstoffgehaltes n.b.: nicht berechnet

7.3.2 Projektion der Schadstoffgehalte im Elbeästuar – Nahe Zukunft Die mit den fünf ausgewählten Modellläufen projizierten Änderungen der Schweb- stoffeinträge ins Elbeästuar um -13 bis +18 % (Kapitel 4.5.2) lassen für die nahe Zu- kunft eine Änderung der Schadstoffgehalte um +2,3 % bis +26 % bei der im inneren Bereich des Ästuars gelegenen Station Wedel und um -10 % bis +12 % bei der weiter seewärts gelegenen Station Brunsbüttel erwarten (Tabelle 7). Abbildung 6 zeigt für die Dauermessstation (DMS) Wedel die projizierten Änderun- gen der Schadstoffgehalte am Beispiel von Cadmium (Cd), Hexachlorbenzol (HCB) und p,p´-DDE im Vergleich zu den gemessenen Referenzgehalten. Zur Veranschauli- chung der Relevanz für die WSV ist für jeden Schadstoff der obere Richtwert (RW2) der Gemeinsamen Übergangsbestimmungen für den Umgang mit Baggergut im Küs- tenbereich (GÜBAK Anonymus 2009) eingetragen. Bei Erreichen oder Überschrei- tung dieses Wertes sind einige Untersuchungen und Prüfungen vor der Unterbringung des Baggergutes durchzuführen. Unter anderem muss eine vergleichende Bewertung der Unterbringungsmöglichkeit im Gewässer und an Land durchgeführt werden. Bei einer Unterbringung im Gewässer ist eine Auswirkungsprognose mit ggf. einem Überwachungsprogramm nötig.

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KLIWAS Forschungs- Die in der Abbildung 6 zu sehende Verringerung bzw. Erhöhung der Schadstoffgehal- programm te geht nur leicht über die natürliche Variabilität der Gehalte im Referenzzustand hin-

Schlussbericht aus, so dass für die nahe Zukunft keine signifikanten Auswirkungen des Klimawan-

Projekt 3.06 dels auf Schadstoffgehalte im Elbeästuar zu erwarten sind. Die Fehlerbalken in dieser und den folgenden Abbildungen beinhalten die Unsicherheiten aus der Variabilität der Referenzgehalte und den Unsicherheiten aus der Berechnung der Mischungsver- hältnisse bzw. der fluvialen Anteile.

Wedel, nahe Zukunft 25 Cadmium [mg/kg] HCB p,p`DDE

10 Konzentration in in µg/kg Konzentration RW 2 RW 2 5 Referenz *0,5

RW 2 Referenz *0,5 Referenz 0 *0,5 Projektionen

Abbildung 6: Projizierte Schadstoffgehalte bei Wedel, Elbeästuar mit Unsicherheiten aus fünf projizierten und einer Annahme zu Schwebstoffeinträgen für die nahe Zukunft im Vergleich zum Referenzzustand hier: RW2 = Richtwert 2 nach GÜBAK (Anonymus 2009); *0,5: angenommene Verringerung des Schwebstoffeintrags auf die Hälfte

Im Falle der elbetypischen chlororganischen Schadstoffe der DDX-Gruppe, in Abbil- dung 6 gezeigt am Beispiel des p,p`-DDE, und des HCB, erreichen bzw. überschrei- ten die Gehalte schon heute fast im gesamten Ästuar den oberen Richtwert RW2. In der nahen Zukunft können diese Überschreitungen etwas stärker ausfallen. In Wedel wird der Richtwert auch nicht bei der größten projizierten Abnahme des Schwebstof- feintrags mit der Modellkette 4 (C20-A1B_HadCM3Q3_METO- HC_HadRM3Q3_METO-HC_dd_ls_HBVs, Kap. 4.5.2) um -13 % unterschritten, so dass keine Vereinfachungen beim Baggergutmanagement zu erwarten sind. Die Ge- halte von Cadmium sind im Referenzzustand unterhalb des RW2 und es ist zu erwarten, dass sie auch in der nahen Zukunft RW2 nicht überschreiten. Da die Gehalte der restlichen Schwermetalle an der DMS Wedel sowie an weiteren Messstellen im Ästu-

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ar wie im Fall des Cadmiums meist deutlich unterhalb des RW2 liegen, sind auch für Klimabedingt verändertes diese Stoffe keine Überschreitungen in der nahen Zukunft zu erwarten. Transportverhalten schadstoffbelasteter An weiter seewärts gelegenen Stationen, wie z.B. in Brunsbüttel, überschreiten nur Sedimente und Unterhaltung von selten Schadstoffe den RW2. Auch in der nahen Zukunft sind mit dem Anstieg des Wasserstraßen in Schwebstoffeintrags keine Überschreitungen des RW2 bei den untersuchten Schad- Nordsee-Ästuaren stoffen in Brunsbüttel (Abbildung 7) zu erwarten, zumal die projizierten Änderungen in der Regel geringer als an der DMS Wedel ausfallen (siehe Tabelle 7).

Brunsbüttel, nahe Zukunft 25

Cadmium [mg/kg] HCB p,p`DDE

RW 2 Konzentration in µg/kg RW 2 5 RW 2

*0,5 *0,5 Referenz *0,5 Referenz 0 Referenz Projektionen

Abbildung 7: Projizierte Schadstoffgehalte bei Brunsbüttel, Elbeästuar mit Unsicherheiten aus fünf projizierten und einer Annahme zu Schwebstoffeinträgen für die nahe Zukunft im Vergleich zum Referenzzustand RW2 = Richtwert 2 nach GÜBAK (Anonymus 2009); *0,5: angenommene Verringerung des Schweb- stoffeintrags auf die Hälfte

7.3.3 Sensitivitätsstudien zu Änderungen der Schadstoffgehalte in den Ästuaren von Weser und Ems – Nahe Zukunft Die Gehalte vieler Schadstoffe in den Ästuaren von Weser und Ems sind in der Regel geringer als in der Elbe. Die aus den Sensitivitätsstudien erhaltenen Änderungen der Schadstoffgehalte in der nahen Zukunft führen in diesen beiden Ästuaren zu keinen Richtwertüberschreitungen.

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KLIWAS Forschungs- 7.3.4 Projektion der Schadstoffgehalte im Elbeästuar – Ferne Zukunft programm Die für die Elbe (Station Hitzacker, km-522) projiziertenVeränderungen der

Schlussbericht Schwebstofffrachten um -31 % bis +56 % für die ferne Zukunft mit den fünf in

Projekt 3.06 Kapitel 4.5.2 genannten Modellläufen lassen eine große Spanne an möglichen Änderungen der Schadstoffgehalte um -12 % bis +49 % bei Wedel im inneren Ästuar und um -23 % bis +34 % bei der weiter seewärts gelegenen Station Brunsbüttel erwarten. Diese Veränderungen sind deutlicher als in der nahen Zukunft. Bei der größten projizierten Zunahme der Schwebstoffeinträge (+56 %) sowie bei einer angenommenen Verdoppelung der Schwebstoffeinträge ist die für die DMS Wedel projizierte Erhöhung der Schadstoffgehalte deutlich höher als die natürliche Variabilität der Schadstoffgehalte im Referenzzeitraum. Für Verbindungen der DDX- Gruppe, hier gezeigt am Beispiel des p,p´-DDE und für HCB ergaben die Projektionen für die Station Wedel, dass der RW2 in der fernen Zukunft in noch höherem Maß als in der nahen Zukunft überschritten werden kann (Abbildung 8). Nur bei der mit der Modellkette 1 (C20-A1B_EH5r3_RE-ENS_ls_wendling_ LARSIM) projizierten Verringerung der Schwebstoffeinträge um -31 % ist eine Verringerung der Schadstoffgehalte projiziert, die evtl. für einzelne Schadstoffe, wie in Abbildung 8 am Beispiel des p,p‘-DDE gezeigt, unter den RW2 fallen können.

Wed el, ferne Zuku nf t 25

Cadmium [mg/kg] HCB p,p`DDE *2 20

10 *2 Konzentrationµg/kg in *2 RW 2 5 RW 2 Referenz

RW 2

0 Referenz Projektionen Referenz

Abbildung 8: Projizierte Schadstoffgehalte bei Wedel, Elbeästuar mit Unsicherheiten aus fünf projizierten und einer Annahme zu Schwebstoffeinträgen für die ferne Zukunft im Vergleich zum Referenzzustand hier: RW2 = Richtwert 2 nach GÜBAK (Anonymus 2009);*2: angenommene Verdoppelung des Schwebstoffeintrags

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Die Auswertung der von Projekt 4.01 gelieferten Projektionen der Oberwasserzuflüs- Klimabedingt verändertes se durch Projekt 3.03 (Sedimenthaushalt Nordseeästuare) ergab für die ferne Zukunft Transportverhalten Hinweise auf einen Trend zu häufiger auftretenden und extremeren Phasen eines an- schadstoffbelasteter Sedimente und haltend niedrigen Oberwasserzuflusses (Winterscheid et al. 2014b). Bei niedrigen Unterhaltung von Wasserstraßen in Oberwasserzuflüssen sind die Schwebstoffeinträge und somit die Schadstoffeinträge Nordsee-Ästuaren geringer. Außerdem wird gering belastetes marines Material verstärkt stromauf in das Ästuar transportiert. Die Sedimentqualität würde sich demnach in Zeiten lang anhaltend niedriger Oberwasserzuflüsse etwas verbessern. Durch geringere Schwebstoffe- inträge werden die Schadstofffrachten verringert, während durch den verstärkten Stromauftransport nur eine Verdünnung der belasteten Sedimente mit geringer belas- tetem Material zu geringeren Schadstoffgehalten führt.

Brunsbüttel, ferne Zukunft 25

Cadmium [mg/kg] HCB p,p`DDE

RW 2 *2

10 RW 2 *2

Konzentrationµg/kg in RW 2 *2 5

Referenz 0 Referenz Projektionen Referenz

Abbildung 9: Projizierte Schadstoffgehalte bei Brunsbüttel, Elbeästuar mit Unsicherheiten aus fünf projizierten Schwebstofffrachten und einer Annahme zu Schwebstoffeinträgen für die ferne Zukunft im Vergleich zum Referenzzustand hier: RW2 = Richtwert 2 nach GÜBAK (Anonymus 2009);*2: angenommene Verdoppelung des Schwebstoffeintrags

Die Projektionen der Schadstoffgehalte zeigen für die weiter seewärts gelegene Stati- on Brunsbüttel auch in der fernen Zukunft bei einer Zunahme der Schwebstoffeinträ- ge eine geringere Erhöhung als bei Wedel an (Abbildung 9). Bei der größten projizierten Erhöhung der Schwebstoffeinträge um +56 % sowie bei der angenommenen Erhöhung um +100 % sind bei den chlororganischen Schadstoffen HCB und p,p´- DDE geringfügige Überschreitungen des RW2 nicht ausgeschlossen, die übrigen projizierten Schadstoffgehalte unterschreiten den RW 2.

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KLIWAS Forschungs- 7.3.5 Sensitivitätsstudie zu Änderungen der Schadstoffgehalte in den Ästuaren programm von Weser und Ems – Ferne Zukunft

Schlussbericht Die aus den Sensitivitätsstudien erhaltenen Änderungen der Schadstoffgehalte in der

Projekt 3.06 fernen Zukunft führen in diesen beiden Ästuaren zu keinen Richtwertüberschreitun- gen. Die Änderungen, die der erhöhte Schwebstoffeintrag in den beiden Ästuaren im ungünstigsten Fall erwarten lässt, sind deutlich geringer als im Elbeästuar und es sind keine Richtwertüberschreitungen zu erwarten. Selbst eine Erhöhung des Schwebstof- feintrags um 100 % im Mischungsmodell führt nicht zur Richtwertüberschreitung.

7.3.6 Änderungen der Schadstoffgehalte durch klimabedingte Änderungen in der nahen und fernen Zukunft

Andere Untersuchungen, wie z.B. die Auswirkungen auf Schadstoffgehalte im Ästuar infolge von Altlastensanierungen im Binnenbereich oder Änderungen im Sediment- management infolge des Klimawandels und die Folgen eines Meeresspiegelanstiegs, erlauben keine differenzierten Aussagen zum Geschehen in der nahen und fernen Zukunft und sind im Folgenden beschrieben.

Änderungen der Schadstoffgehalte durch klimabedingte Änderungen der Sedimentation und Erosion in Seitenbereichen Die Ergebnisse der Projekte 3.01 (Schifffahrt, Küsten, Meeresnutzung), 3.03 (Sedi- menthaushalt Nordseeästuare) und 2.04/3.02 (Wasserbau Küste/Betroffenheit wasserbaulicher Anlagen) lassen erwarten, dass auch künftig Sedimentation in den Seitenbe- reichen des Elbe- und Weserästuars erfolgen wird. Da das Projekt 3.01 keine signifikante Änderung der Sturmfluthäufigkeiten annimmt (Bülow et al. 2014), ist durch diese Größe kein veränderter Einfluss auf das Sedimen- tations- und Erosionsverhalten zu erwarten. Eine von den Projekten 2.04/3.02 durchgeführte Sensitivitätsanalyse zeigte, dass bei einem Anstieg des Meeresspiegels als Folge des Klimawandels mit einer Verstärkung des stromauf gerichteten Sedimenttransportes zu rechnen ist (Seiffert et al 2014). Frühere Modellrechnungen der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) zeigten, dass dieser Stromauftransport besonders im Bereich von Glückstadt bis Hamburg, in dem die höchsten Schadstoffgehalte angetroffen wurden, groß ist (in: BfG 2014b). In die- selbe Richtung wirken niedrige Oberwasserzuflüsse. Die Auswertung der von Projekt 4.01 gelieferten Projektionen des Oberwasserzuflusses für das Elbeästuar durch das Projekt 3.03 gab für die ferne Zukunft Hinweise auf einen Trend zu häufiger auftretenden und extremeren Phasen eines anhaltend niedrigen Oberwasserzuflusses, so dass sich künftig der stromaufgerichtete Feinsedimenttransport weiter zusätzlich ver- stärken kann (Winterscheid et al. 2014). Die damit verbundenen größeren Mengen an Feinsedimenten, insbesondere im inneren Bereich des Elbeästuars, könnten die Sedi- mentation in den strömungsberuhigten Seitenbereichen verstärken.

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Die Projekte 2.04/3.02 weisen aber auch darauf hin, dass die durch den Meeresspie- Klimabedingt verändertes gelanstieg erhöhten Strömungsgeschwindigkeiten zu verstärkter Erosion u.a. an den Transportverhalten Ufern und Vorländern führen können (Seiffert et al 2014). Der Einfluss einer eventu- schadstoffbelasteter Sedimente und ellen Erosion der Seitenbereiche auf die Schadstoffgehalte in den Schwebstoffen und Unterhaltung von Wasserstraßen in schwebstoffbürtigen Sedimenten der Ästuare wird als gering eingeschätzt, da von Nordsee-Ästuaren einer möglichen Erosion in erster Linie die oberen Schichten der Seitenbereiche mit ähnlichen Schadstoffgehalten wie sie in der aktuellen Belastung der Schwebstoffe und schwebstoffbürtigen Sedimente in den Ästuaren vorzufinden ist, betroffen sein werden. Vor allem im Mündungstrichter der Ästuare sind aufgrund der geringen Be- lastung der Seitenbereiche auch bei Erosion nur geringe Auswirkungen auf die Schadstoffgehalte der Sedimente und Schwebstoffe im Strombereich der Ästuare zu erwarten. Die im Ästuar transportierten und in die Nordsee gelangenden Schad- stofffrachten würden dagegen durch eine Erosion der Seitenbereiche erhöht werden. Da aber davon auszugehen ist, dass Erosionsprozesse lokal auftreten werden, würde es sich um die Freisetzung geringer Anteile des gesamten mobilisierbaren Schadstoff- inventars der Seitenbereiche handeln.

Klimabedingte Änderungen der Schadstoffgehalte durch einen Meeresspiegelanstieg in der nahen und fernen Zukunft Abbildung 10 zeigt das Ergebnis der Sensitivitätsstudie. Dargestellt sind die Verände- rungen der Schadstoffgehalte an der Dauermessstation Wedel im Elbeästuar bei Er- höhung der marinen Anteile von 73 % (Ist-Zustand) bis auf 85 % unter mittleren Ab- flussbedingungen und unter der Annahme konstanter Schadstoffgehalte und –frachten an der Tidegrenze. Bereits bei einer Zunahme der gering mit Schadstoffen belasteten marinen Anteile der Sedimente bei Wedel um 2 % zeigt sich eine Abnahme der Schadstoffgehalte um 7 %. Im Fall des p,p`-DDE würde bei gleichbleibenden fluvialen Einträgen der Richtwert 2 nach GÜBAK bei einem marinen Anteil von 85 % unterschritten, im Fall des HCB würde der marine Anteil von 85 % allerdings nicht aus- reichen, um Richtwert 2 einzuhalten bzw. zu unterschreiten.

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KLIWAS Forschungs- 12 programm Ist-Zustand Schlussbericht 10 Projekt 3.06

73 % 6 RW2 75 % RW2 Ist-Zustand 85 % Konzentration 4 RW2 Ist-Zustand 2

0 MW Cd (mg/kg) MW HCB (µg/kg) MW p,p-DDE (µg/kg)

Abbildung 10: Änderung der Schadstoffgehalte an der Dauermessstation Wedel bei Erhöhung der marinen Anteile von 73% bis 85% bei gleichbleibendem Schadstoffgehalt und –Fracht am Ästuareingang im Vergleich zu Richtwert 2 nach GÜBAK (Anonymus 2009)

Im Abschlussbericht der Projekte 2.04/3.02 (Wasserbau Küste/Betroffenheit wasserbaulicher Anlagen; Seiffert et al 2014) wird die modellierte Veränderung der Schwebstoffgehalte sowie die Veränderung der Schadstoffgehalte bei einem Meeres- spiegelanstieg von 80 cm unter sehr niedrigen Oberwasserzuflüssen (300-400 m³/s) und sehr hohen Oberwasserzuflüssen (3600 m³/s) beschrieben. Die Studie zeigt bei niedrigen Oberwasserzuflüssen einen Rückgang der Schadstoffgehalte um wenige Prozent im Wesentlichen im Bereich des Hamburger Hafens, also im steilsten Teil des Schadstoffgradienten. Bei hohen Oberwasserzuflüssen sinken die Schadstoffge- halte ebenfalls um wenige Prozent, allerdings vor allem im Bereich von ~km-640 bis ~km-715. Da der modellierte Rückgang der Schadstoffgehalte aus der Zunahme des Anteils mariner Sedimente resultiert, ist er nicht mit einem Rückgang der im Ästuar vorliegenden Schadstofffrachten verbunden.

Nicht nur bei einem Meeresspiegelanstieg sind sinkende Schadstoffgehalte im Ästuar zu erwarten, sondern auch bei langanhaltend niedrigen Oberwasserzuflüssen. In diesem Fall sinken die Schwebstofffrachten aus dem Oberlauf der Elbe und somit auch die Schadstofffrachten. Da auch in diesem Fall der Stromauftransport mariner Sedi- mente zunimmt, erfolgt ebenfalls eine Verdünnung der Schadstoffgehalte im Ästuar, doch die Schadstofffrachten im Ästuar nehmen außerdem durch sinkende Einträge aus dem Binnenbereich der Elbe ab. Wirken diese zwei klimatisch bedingten Verän- derungen zusammen, so ist damit zu rechnen, dass die Schadstoffgehalte noch weiter als in Abbildung 10 gezeigt, sinken können.

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Anthropogene Änderungen in der nahen und fernen Zukunft Klimabedingt verändertes Altlastensanierung Transportverhalten schadstoffbelasteter Unabhängig von der durch den Klimawandel hervorgerufenen Entwicklung der Sedimente und Unterhaltung von Schadstoffgehalte in der nahen und fernen Zukunft zeigen andere anthropogene Än- Wasserstraßen in derungen in den betrachteten Flüssen in der Regel schnellere und u.U. stärkere Aus- Nordsee-Ästuaren wirkungen auf die Schadstoffgehalte als der Klimawandel, so dass es eventuell mög- lich sein wird, die Auswirkungen des Klimawandels von anthropogenen Änderungen zu unterscheiden. Wie die Abnahme der Schadstoffgehalte im Laufe der letzten Jahr- zehnte zeigte (Kapitel 7.2.2), trugen Altlastensanierungen und Betriebsschließungen im Oberlauf der Flüsse deutlich zu einer Verbesserung der Sedimentqualität in den Ästuaren bei. Sie lassen eine dauerhafte Verringerung der Schadstoffgehalte und - frachten in den Sedimenten bzw. Schwebstoffen der Ästuare erwarten So wurde im Projekt 3.06 mit Hilfe des Mischungsmodells neben der Änderung des Schwebstoffeintrags auch eine Reduzierung der Schadstoffgehalte an der Tidegrenze um 50 % simuliert und damit den Schadstoffgehalt im Ästuar neu berechnet. Abbil- dung 11 zeigt für zwei der projizierten Schwebstoffeinträge die berechnete Konzent- ration des p,p'-DDE in Wedel bei gleichzeitiger Halbierung des Schadstoffgehaltes dieses Stoffes am Ästuareingang am Wehr Geesthacht in der nahen Zukunft. Die Ge- halte dieses Schadstoffs überschreiten den oberen Richtwert der GÜBAK in den Se- dimenten des inneren Ästuars und eine Reduzierung der Eingangskonzentration wäre wünschenswert. Es zeigt sich, dass bei einer Verringerung der Schadstoffgehalte des p,p`-DDE im Oberlauf der Elbe um 50 % trotz eines möglichen klimabedingten An- stiegs der Schwebstoffeinträge (+18%) und damit der Schadstofffrachten ein deutlicher Rückgang der Schadstoffgehalte im Elbeästuar zu erwarten ist (35 % niedriger als der Referenzwert von Wedel). Die Projektionen für die nahe Zukunft ergeben, dass bei allen projizierten Schwebstoffeinträgen plus einer Reduzierung der Einträge des p,p`-DDE um 50 % der Richtwert 2 der GÜBAK eingehalten wird. Eine Reduzie- rung der Gehalte der anderen Schadstoffe bewegt sich unter diesen Annahmen in der gleichen Größenordnung.

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KLIWAS p,p-DDE Nahe Zukunft Forschungs- 6 programm

Schlussbericht 5 Projekt 3.06

4 +17 % Schwebstoffeintrag und aktuelle RW2 3 Eingangskonzentration -12 % Schwebstoffeintrag und +6 % aktuelle Schwebstoffeintrag und Referenz Eingangskonzentration aktuelle 2 Eingangskonzentration

Konzentration [µg/kg] Konzentration -13 % Schwebstoffeintrag und +18% Schwebstoffeintrag und -50% Eingangskonzentration -50% Eingangskonzentration 1

0 Input*0,87 + Conc. *0,5 Input*0,88 Input * 1,06 Input * 1,17 Input * 1,18 + Conc.*0,5 Wedel MV 2000-2010

Abbildung 11: Projizierte Schadstoffgehalte des p,p`-DDE und ihre Unsicherheiten bei Wedel, Elbeästuar aus fünf projizierten Schwebstofffrachten mit Reduktion des Schadstoffgehaltes am Ästuareingang für die nahe Zukunft im Vergleich zum Referenzzustand hier: RW2 = Richtwert 2 nach GÜBAK (Anonymus 2009); Reduzierung der Schadstoffgehalte um 50 % bei minimaler und maximaler projizierten Änderung des Schwebstoffeintrags

Wie schon für die nahe Zukunft wurde auch für die ferne Zukunft der Effekt einer Reduzierung der binnenseitig eingetragenen Schadstoffgehalte am Sediment um den Faktor 2 für zwei der Projektionen für Schwebstoffeinträge am Wehr Geesthacht überprüft. Abbildung 12 zeigt für Wedel, dass auch in der fernen Zukunft eine Ver- besserung der Schadstoffgehalte um ca. 25 % gegenüber dem Referenzwert möglich ist. Dennoch wird der Richtwert 2 nach GÜBAK bei der extremen Annahme eines Schwebstoffeintrags von +56 % trotz der Schadstoffreduzierung um 50 % knapp überschritten. Insgesamt würde die Reduzierung der Schadstoffgehalte im Oberlauf der Elbe aber zu einer deutlichen Verbesserung der Sedimentqualität im Ästuar füh- ren. In Brunsbüttel, bei deutlich geringeren Ausgangsgehalten, würde Richtwert 2 bei einer Reduzierung der Schadstoffgehalte am Ästuareingang von p,p`-DDE unterschritten werden.

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p,p-DDE Ferne Zukunft Klimabedingt 6 verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und 5 Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren 4

RW2 3 +20 % -12 % -8 % Schwebstoffeintrag und Schwebstoffeintrag aktuelle Schwebstoffeintrag und und aktuelle Referenz Eingangskonzentration aktuelle Eingangskonzentration 2 Eingangskonzentration Konzentration [µg/kg] Konzentration -31 % Schwebstoffeintrag und +56% Schwebstoffeintrag und -50% Eingangskonzentration -50% Eingangskonzentration 1

0 Input*0,69 + Conc. *0,5 Input*0,88 Input*0,92 Input * 1,2 Input * 1,56 + Conc.*0,5 Wedel MV 2000-2010

Abbildung 12: Projizierte Schadstoffgehalte des p,p`-DDE und ihre Unsicherheiten bei Wedel, Elbeästuar aus fünf projizierten Schwebstofffrachten mit Reduktion des Schadstoffgehaltes am Ästuareingang für die ferne Zukunft im Vergleich zur Referenz hier: RW2 = Richtwert 2 nach GÜBAK (Anonymus 2009); Reduzierung der Schadstoffgehalte um 50 % bei minimaler und maximaler projizierten Änderungen des Schwebstoffeintrags

Sedimentmanagement Auch das Sedimentmanagement selbst hat Auswirkungen auf die Schadstoffvertei- lung im Ästuar. Aufgrund der Komplexität des Systems Ästuar lassen sich für anthropogene Änderungen, wie z. B. Strombaumaßnahmen, nur qualitative und keine quantitativen Aussagen treffen. Die nach dem Elbeausbau 1999/2000 beobachtete Abnahme der Schadstoffgehalte an den Stationen Seemannshöft und Wedel, z.T. auch Bunthaus, lässt sich u.a. durch eine ausbaubedingte Verstärkung des Stromauftrans- ports gering belasteter mariner Feinsedimente erklären (Ackermann und Schubert 2007, BfG 2013). Aber auch bei der Baggergutunterbringung im Rahmen von Unter- haltungsmaßnahmen ist eine langfristige Veränderung der Schadstoffgehalte im Be- reich der Unterbringungsbereiche nicht auszuschließen, wenn sich die Belastung des Baggergutes und der Sedimente im Unterbringungsbereich deutlich unterscheiden (BfG 2014b).

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KLIWAS Forschungs- programm 8 Kernaussage n zu de n Erge bnisse n

Schlussbericht

Projekt 3.06

8.1 Projektion der Schadstoffbelastung im Elbeästuar in der nahen Zukunft

Für das Elbeästuar wurden für Projektionen der Schadstoffgehalte Ergebnisse aus fünf Projektionen der Jahresschwebstofffrachten bei Hitzacker (Elbe-km 522,9) verwendet, wobei diese als Einträge von Schwebstoffen und damit von feststoffgebundenen Schadstoffen ins Ästuar angenommen wurden. Die große Spanne der für die nahe und ferne Zukunft von Projekt 5.01 (Sedimenthaushalt Binnen) projizierten Än- derungen der Schwebstofffrachten führen zu einer großen Bandbreite der projizierten Änderungen der Schadstoffgehalte. Für die nahe Zukunft (2021-2050) ergibt sich eine Änderung der Schadstoffgehalte um +2 % bis +26 % bei Wedel und um -10 % bis +12 % bei Brunsbüttel. Die Verringerung bzw. Erhöhung der Schadstoffgehalte geht nur leicht über die natürliche Variabilität der Gehalte im Referenzzustand hinaus, so dass für die nahe Zukunft keine signifikanten Auswirkungen des Klimawandels auf Schadstoffgehalte im Elbeästuar zu erwarten sind.

8.2 Projektion der Schadstoffbelastung in der fernen Zukunft

Die für die ferne Zukunft projizierten Schadstoffgehalte zeigen dagegen mit -12 % bis +49 % bei Wedel und -23 % bis +34 % bei Brunsbüttel deutlichere Änderungen. Die mit dem höchsten projizierten Schwebstoffeintrag durchgeführte Projektion führt zu Schadstoffgehalten, die die natürliche Variabilität der Referenzbelastung übersteigen. Bereits heute überschreiten die Gehalte einiger Schadstoffe in Baggergut aus Berei- chen innerhalb und stromauf der Trübungszone (ca. stromauf km 700) im Elbeästuar die oberen Richtwerte der derzeitig gültigen Regelungen für den Umgang mit Bag- gergut in den Küstengewässern seewärts der Süßwassergrenze (Anonymus 2009). Das ungünstigste Ergebnis der Projektionen zeigt für die ferne Zukunft (2071-2100), dass vor allem in diesen Bereichen eine Erhöhung der Schadstoffgehalte und damit eine verstärkte Richtwertüberschreitung nicht auszuschließen ist. Die Ergebnisse der übrigen Projektionen der Schadstoffgehalte lassen dagegen keine Einschränkungen der Baggergutunterbringung erwarten. Die in der fernen Zukunft zu erwartende Tendenz zu häufiger auftretenden und extremeren Phasen lang anhaltend niedriger Oberwasserzuflüsse und der Meeresspiegel- anstieg bewirken in der Tideelbe verstärkte Sedimentablagerungen überwiegend marinen Ursprungs. Die Schadstoffgehalte in den zu baggernden Sedimenten werden demnach in Zeiten lang anhaltend niedriger Oberwasserzuflüsse leicht abnehmen, wobei die Abnahme durch einen gleichzeitigen Meeresspiegelanstieg verstärkt wird.

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Die nach einigen Projektionen vor allem in der fernen Zukunft zu erwartende Zunah- Klimabedingt verändertes me hoher Oberwasserzuflüsse kann dagegen steigende Schwebstoff- und Schadstoffe- Transportverhalten inträge in die Ästuare von Elbe, Weser und Ems sowie in die Nordsee bewirken. Vor schadstoffbelasteter Sedimente und allem an der Elbe ist unter diesen Bedingungen ein erhöhter Eintrag von Schadstoffen Unterhaltung von Wasserstraßen in in die Nordsee möglich, der aber durch einen gleichzeitigen Meeresspiegelanstieg um Nordsee-Ästuaren wenige Prozent abgeschwächt werden kann.

8.3 Entwicklung der Schadstoffbelastung in der nahen und fernen Zukunft

Unter der Annahme, dass sich der Klimawandel auf Hydrologie und Schwebstoffein- träge an Weser und Ems ähnlich wie an der Elbe auswirken, sind keine signifikanten negativen Auswirkungen auf die Schadstoffgehalte in Sedimenten und Baggergut und keine Richtwertüberschreitungen in den Sedimenten der Ästuare von Weser und Ems zu erwarten. In strömungsberuhigten Bereichen der Ästuare von Weser und Elbe liegen z.T. größe- re Frachten schadstoffbelasteter Altablagerungen vor. In den meisten der untersuchten Bereiche weisen Schadstoffmessungen in Sedimentkernen auf eine bestehende Ten- denz zur Sedimentation hin. Auch der Meeresspiegelanstieg und eine von Projekt 3.03 (Sedimenthaushalt Nordseeästuare) festgestellte Tendenz zu häufiger auftretenden und extremeren Phasen eines anhaltend niedrigen Oberwasserzuflusses lassen eine weitere Sedimentation erwarten. Es ist nicht davon auszugehen, dass eine durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten verstärkte Erosion von Sedimenten aus den schadstoffbelasteten Seitenbereichen zu Auswirkungen auf die Schadstoffgehalte in den Schwebstoffen und frischen Sedimenten des Elbe- und Weserästuars führen wird. Andere anthropogene Änderungen in den betrachteten Flüssen, wie z.B. Sanierungs- maßnahmen, wasserbauliche Maßnahmen oder Maßnahmen des Sedimentmanage- ments, zeigen wahrscheinlich schnellere und u.U. stärkere Auswirkungen auf die Schadstoffgehalte als der Klimawandel.

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KLIWAS Forschungs- programm 8.4 Einschätzung zum Grad der Betroffenheit des Systems Wasserstraße und des operativen Geschäfts der WSV im Schlussbericht Geschäftsbereich des BMVI Projekt 3.06

Bereits heute überschreiten die Gehalte einiger chlororganischer Schadstoffe in Bag- gergut aus Bereichen innerhalb und stromauf der Trübungszone (ca. stromauf km 700) des Elbeästuars die oberen Richtwerte der derzeitig gültigen Regelungen für den Umgang mit Baggergut in den Küstengewässern seewärts der Süßwassergrenze (GÜBAK Anonymus 2009). Die Projektion mit dem höchsten Schwebstoffeintrag sowie die angenommene Verdoppelung der Schwebstoffeinträge zeigen für die ferne Zukunft, dass vor allem in diesen Bereichen erhöhte Schadstoffgehalte und damit verstärkte Richtwertüberschreitungen nicht auszuschließen sind. In diesem Fall sind für Baggergut aus diesen Bereichen Einschränkungen bei der Auswahl der Unterbrin- gungsbereiche nicht auszuschließen und es können begleitende Untersuchungspro- gramme erforderlich werden. Die Ergebnisse der weiteren Modellläufe mit projizierten Zunahmen der Schwebstoffeinträge führen bei den Schadstoffgehalten in der nahen und fernen Zukunft zwar ebenfalls zu höheren Werten, die sich aber statistisch nicht signifikant vom Referenzzustand unterscheiden werden und damit keine Ein- schränkungen auf die Unterbringung von Baggergut erwarten lassen. Für die Ästuare der Weser und der Ems sind auch bei Erhöhung der Schwebstoffein- träge aus den Oberläufen um 56 % und um 100 % keine Richtwertüberschreitungen zu erwarten. Lang anhaltend hohe Oberwasserzuflüsse führen aber in allen Ästuaren zu einem verstärkten Schadstoffeintrag in die Nordsee. Die positiven Auswirkungen eines Meeresspiegelanstiegs oder lang anhaltend niedriger Oberwasserzuflüsse auf die Schadstoffgehalte der Sedimente des Elbeästuars in Bereichen stromauf von km 700 führen wahrscheinlich nicht zu einer Unterschreitung der Gehalte chlororganischer Schadstoffe unter die oberen Richtwerte RW2 der GÜBAK, so dass die Schadstoffgehalte bei der Unterbringung des Baggergutes auch weiterhin eine Rolle spielen werden. Eine durch den Klimawandel hervorgerufene Mobilisierung der z.T. deutlich mit Schadstoffen belasteten Altablagerungen in den Seiten – und Nebenbereichen der Ästuare und damit eine Erhöhung der Belastung der Schwebstoffe im fließenden Ge- wässer ist nicht zu erwarten. Ergebnisse anderer KLIWAS-Projekte zeigen auch Ten- denzen zu Sedimentation in der nahen und fernen Zukunft. Allerdings wird darauf hingewiesen, dass bei einem Meeresspiegelanstieg Erosion in Seitenbereichen der Ästuare auftreten kann. Hierbei werden aber auch nur die oberen, geringer belasteten Sedimentschichten betroffen sein, so dass im Falle einer Erosion nur geringe Mengen an Schadstoffen mobilisiert werden.

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Weitere anthropogene Änderungen in den betrachteten Flüssen zeigen in der Regel Klimabedingt verändertes schnellere und unter Umständen stärkere Auswirkungen auf die Schadstoffgehalte als Transportverhalten der Klimawandel. So führten in der Vergangenheit Sanierungsmaßnahmen in der schadstoffbelasteter Sedimente und Binnenelbe schnell zu einem Rückgang der Schadstoffgehalte im Elbeästuar. Da bei Unterhaltung von Wasserstraßen in den ersten Sanierungsmaßnahmen nach der Wiedervereinigung direkte Einleitungen Nordsee-Ästuaren von Schadstoffen durch die Industrie gestoppt wurden, machte sich der Rückgang der ins Ästuar eingetragenen Schadstoffe schnell und stark bemerkbar. Auch eine Fahr- rinnenanpassung, die einen verstärkten stromaufwärts gerichteten Transport mariner Sedimente zur Folge hatte, trug im Elbeästuar nach 1999/2000 zu einer Verringerung der ästuarinen Schadstoffgehalte in Sedimenten bei.

8.5 Kernaussagen über mögliche Anpassungsoptionen und Handlungsempfehlungen

Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass die Auswirkungen des Klimawandels auf die Schadstoffgehalte in den Ästuaren überwiegend gering sind. Die ungünstigste Projek- tion für Schadstoffgehalte im Elbeästuar zeigt aber, dass hier in der fernen Zukunft stärkere Überschreitungen der Richtwerte nach den Vorgaben der Handlungsanwei- sung zum Umgang mit Baggergut Küste (GÜBAK Anonymus 2009) aufgrund von klimabedingt erhöhten Schadstoffeinträgen ins Ästuar auftreten können. Damit kön- nen die Anforderungen an Untersuchungen im Unterbringungsbereich zur Abschät- zung negativer Auswirkungen auf die Umwelt größer werden. Außerdem wird hier eventuell eine Anpassung der Unterbringungs- bzw. Sedimentmanagementstrategie erforderlich. Hierzu zählt vor allem die Auswahl der Unterbringungsstellen. In einer Studie der BfG zur Bewertung des Sedimentmanagements im Elbeästuar (BfG 2014) wird schon heute u.a. Fragen zum Einfluss des Oberwasserzuflusses, der sich im Zu- ge des Klimawandels ändern kann, auf die Baggermengen und die ökologischen Auswirkungen der Baggergutunterbringung diskutiert. Hierbei wird deutlich, dass der Oberwasserzufluss eine wichtige Managementgröße darstellt. Diese z.T. bereits laufenden Arbeiten sowie die Fortführung und ggf. Anpassung des für Schadstoffe bereits seit Jahren laufenden Monitorings, die zum Prozess- bzw. Systemverständnis in Ästuaren beitragen sollen, sind ein wichtiger Schritt, um auch auf die Auswirkungen des Klimawandels angemessen reagieren zu können. Für das Elbeästuar wäre eine gezielte Entnahme schadstoffbelasteter Sedimente aus dem Binnenbereich der Elbe eine wichtige und sinnvolle Möglichkeit, den Hauptein- tragsweg der Schadstoffe ins Ästuar zu minimieren. Solche Maßnahmen, die im Ver- antwortungsbereich des BMUB und der Länder liegen, sind z.T. bereits im Bewirt- schaftungsplan der Elbe zur Umsetzung der EG-WRRL vorgesehen. Bei einer Mini- mierung der Schadstoffeinträge ins Ästuar ist davon auszugehen, dass sich die Sedi- mentqualität im Ästuar deutlich verbessern wird und die derzeit gültigen Richtwerte zur Bewertung von Baggergut langfristig unterschritten werden. Dies kann zu einer deutlichen Vereinfachung des Baggergutmanagements führen. Allerdings ist durch

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KLIWAS Forschungs- die sehr breit und diffus verteilten Schadstoffablagerungen in der Binnenelbe bei Sa- programm nierungsmaßnahmen nicht zu erwarten, dass der Rückgang des Schadstoffeintrages

Schlussbericht ins Ästuar im gleichen Ausmaß stattfinden wird wie zu Zeiten der ersten Sanierungs-

Projekt 3.06 phase.

Unter der Annahme, dass sich der Klimawandel auf Hydrologie und Schwebstoffein-

träge an Weser und Ems ähnlich wie an der Elbe auswirken, sind keine signifikanten

negativen Auswirkungen auf die Schadstoffgehalte in Sedimenten und Baggergut zu erwarten. Anpassungsoptionen oder Handlungsempfehlungen werden für diese Berei- che nicht als erforderlich angesehen. In die Prüfung baulicher Maßnahmen zur Anpassung an den Klimawandel, wie zum Beispiel der von den Projekten 2.04/3.02 (Betroffenheit wasserbaulicher Anla- gen/Wasserbau Küste) modellhaft untersuchten Verengung des Mündungstrichters in der Elbe zum Schutz gegen Sturmfluten, sollten auch ökologische Fragestellungen einbezogen werden. Wichtig wäre hier z.B. die Prüfung einer möglichen Erosion von Seitenbereichen und damit einer Remobilisierung schadstoffbelasteter Sedimente.

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Klimabedingt 9 Diskussio n und Ausb lic k verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren Die zur Abschätzung der Auswirkungen des Klimawandels auf die Schadstoffgehalte in den Feststoffen der Ästuaren entwickelte Anwendung des Mischungsmodells lässt sich für andere Fragestellungen im Zusammenhang mit Schadstoffeinträgen und -transporten nutzen. So wurde das Mischungsmodell im Rahmen von KLIWAS bereits verwendet, um den Einfluss der Sanierung von Schadstoffquellen abzuschätzen. Zur Verringerung der Unsicherheiten sollte die Ermittlung robuster Mischungsver- hältnisse mariner und fluvialer Sedimente verbessert und der Beitrag weiterer Quellen berücksichtigt werden. Die im Rahmen dieses Projektes eingesetzte Modellierung von Schadstoffgehalten in Abhängigkeit verschiedener Einflussfaktoren mit einem Gene- ralisierten Additiven Modell (GAM), die zur Ermittlung der wichtigsten Einflussgrö- ßen auf die Schadstoffgehalte und zur Füllung von Datenlücken genutzt wurde, sollte künftig auch zur Vorhersage von Schadstoffgehalten unter geänderten Randbedin- gungen weiterentwickelt werden. Die Möglichkeit der Auswertung der langjährigen Monitoringdaten aus den Ästuaren von Weser und Ems mit den für das Elbeästuar angepassten Methoden sollte geprüft werden. Zum besseren System- und Prozessverständnis sollten weitergehende Untersuchun- gen durchgeführt werden. Dabei ist eine fachübergreifende Bearbeitung hydrologischer, morphologischer und chemischer Themen wichtig. Vor allem bedarf es der Weiterentwicklung von Instrumenten und Methoden zur Ermittlung von Feinsedi- mentbilanzen und Schadstofffrachten. Auch bestehen Wissensdefizite zu Variabilitä- ten der Ein- und Austräge von Feststoffen in den Ästuaren und damit zu den mittleren jährlichen „Netto“-Schadstofffrachten in die Nordsee. U.a. sollen numerische Simula- tionen zur Ermittlung von Belastungszuständen und Transporten feststoffgebundener Schadstoffe fortgesetzt werden. Zukünftig werden diese zur Unterstützung des WSV- Handelns aufgrund gestiegener Anforderungen (EG-Wasserrahmenrichtlinie, Mee- resstrategierahmenrichtlinie, Bewirtschaftungspläne, etc.) unerlässlich sein. Wichtige Einflussgrößen auf die Dynamik und den Transport sind zwar bekannt, doch die Kenntnisse zum Ausmaß der Auswirkungen von Veränderungen dieser Einfluss- größen auf die Schadstoffgehalte sowie die Remobilisierung von Schadstoffen sind noch unzureichend. Darüber hinaus sind umfassendere Informationen zu den Schad- stoffvorkommen in den Ästuaren und angrenzenden Nebenbereichen einschließlich der Vorländer sowie deren Rolle als Senken und Quellen für schadstoffbelastete Fest- stoffe erforderlich. Die Ergebnisse der verschiedenen Untersuchungen und Modellierungen stellen die methodischen Grundlagen für ein systembezogenes Monitoring dar, mit dem Bilan-

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KLIWAS Forschungs- zen der seewärts gerichteten Transporte schadstoffbelasteter Feststoffe abgeschätzt programm und künftige Entwicklungen, die nicht nur durch den Klimawandel, sondern durch

Schlussbericht Änderung weiterer Randbedingungen zu erwarten sind, bewertet werden können.

Projekt 3.06

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Klimabedingt 10 Danksagung verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren

Unser Dank geht als Erstes an das BMVI für die Finanzierung des Projektes.

Ganz besonders möchten wir den Kollegen der Wasser- und Schifffahrtsämter für die Unterstützung bei den vielen Probenahmen und für die Betreuung der Dauermesssta- tionen in den Ästuaren danken. Ohne diese Hilfe wäre eine gute Datenlage in Bezug auf Schadstoffe in Sedimenten und Schwebstoffen nicht möglich gewesen.

Außerdem danken wir unseren Auftragslaboren GBA und Nowak für die vielen Schadstoffanalysen an den Sedimenten und Schwebstoffen. Für die statistischen Ana- lysen und die interessanten Diskussionen, bei denen wir viel gelernt haben, danken wir ganz herzlich der Firma QuoData GmbH, Dresden.

Nicht zu vergessen sind die Kollegen der BfG, die uns immer freundlich und hilfsbe- reit zur Seite standen, sei es bei Datenlieferungen oder bei der Diskussion fachlicher Fragen.

Schließlich danken wir auch dem BSH und der FGG Elbe für die Bereitstellung von Daten.

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KLIWAS Forschungs- programm 11 Lite ratur

Schlussbericht

Projekt 3.06

Ackermann, F. (1998): "Dynamik der Schwermetallbelastung in feinkörnigen Sedimenten und Schwebstoffen im Tidebereich von Ems, Weser und Elbe." BfG - 1188, 102.

Ackermann, F. (2004): "Schwermetalle als Tracer für den Feinpartikeltransport in den Nordsee-Ästuaren. ." Auswirkungen des Ausbaus deutscher Nordsee-Ästuare auf die Gewässergüte und das Baggergutmanagement. 2/2004,02/2004.

Ackermann, F., Bergmann, H. and Schleichert, U. (1983): "Monitoring of heavy metals in coastal and estuarine sediments - a question of grain-size: < 20 µm versus < 60 µm." Environ. Technol. Lett. 4, 317-328.

Ackermann, F., Claus, E., Heininger, P., Pelzer, J. and Schubert, B. (2002). August- Hochwasser 2002: Muldeschadstoffe non-stop Richtung Nordsee?? Magdeburger Gewässerschutzseminar. Spindlermühle - Tschechische Republik, 21.-26.10.2002.

Ackermann, F. and Schubert, B. (1998): "Zur Problematik der Bestimmung von Frachten partikulär gebundener Schadstoffe in der Nordsee." BfG-1177, 5.

Ackermann, F. and Schubert, B. (2007): Trace metals as indicators for the dynamics of (suspended) particulate matter in the tidal reach of the River Elbe. Sediment Dynamics and Pollutant Mobility in Rivers. U. Förstner and B. Westrich. Heidelberg, Springer Verlag, 296- 304.

Anonymus (2009). Gemeinsame Übergangsbestimmungen zum Umgang mit Baggergut in den Küstengewässern (GÜBAK) zwischen der Bundesrepublik Deutschland und den fünf Küstenländern., 39.

ARGE, E. (1980): "Schwermetalldaten der Elbe. Bericht über die Ergebnisse der Schwermetalluntersuchungen im Elbabschnitt von Schnackenburg bis zur Nordsee 1979/1980.".

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KLIWAS Forschungs- programm Winterscheid, A., Gehres, N., Hein, B., Schöl, A. and Hein, H. (2014a): "Schwebstoffdynamik im Längsverlauf der Tideelbe." im Entwurf. Schlussbericht

Projekt 3.06 Zwolsman J. J.G., Berger G.W., Van Eck G.T.M. (1993): Sediment accumulation rates, historical input, post depositional mobility and retention of major elements and trace metals in saltmarsh sediments of the Scheldt estuary, SW Netherlands. Marine

Chemistry, 44,73-94

www.elbe-datenportal.de

Seite 70

Klimabedingt 12 Abkürzunge n verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren ARGE Elbe Arbeitsgemeinschaft zur Reinhaltung der Elbe BAW Bundesanstalt für Wasserbau BfG Bundesanstalt für Gewässerkunde BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung BMUB Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicher- heit BMVI Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur BSH Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie Cd Cadmium Cu Kupfer DMS Dauermessstation EG-WRRL Europäische Wasserrahmenrichtlinie FGG Elbe Flussgebietsgemeinschaft Elbe FTZ Forschungs- und Technologiezentrum GAM Generalized Additive Model GÜBAK Gemeinsame Übergangsbestimmungen Baggergut Küste HCB Hexachlorbenzol Hg Quecksilber LOESS Locally Estimated Scatterplot Smoothing MW Mittelwert Ni Nickel PAK Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe Pb Blei PCB Polychlorierte Biphenyle p,p´-DDD para.para-Dichlordiphenyldichlorethan p,p´-DDE para,para-Dichlordiphenyldichlorethen p,p´-DDT para,para-Dichlordiphenyltrichlorethan RW2 Richtwert 2 nach GÜBAK

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KLIWAS Forschungs- SEDYMO Feinsedimentdynamik und Schadstoffmobilität in Fließgewässern programm S/N Verhältnis Signal to Noise Verhältnis Schlussbericht TBT Tributylzinn Projekt 3.06 WSA Wasser- und Schifffahrtsamt

Zn Zink

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Klimabedingt Anhang verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Anha ng I: Produkt- / Publika tionsliste (e rhä ltlic h auf www.kliwas.de) Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren Anha ng II: Arbe itsa nwe isung e n, Skripte Da te na nwe isungen

Anha ng III: Sonstige Erge bnisse / Erke nntnisse

Anhang IV: Übersic htstabellen mit Daten / Messergebnisse n

Anha ng V: Entwürfe , e ing e reic hte Skripte für Publika tione n (nic ht ö ffe ntlic h)

Anhang VI: Zie le rreic hung (nic ht öffe ntlic h)

KLIWAS Forschungs- Anhang II: Arbe itsanwe isung e n, Skripte Date n- programm

Schlussbericht anweisungen

Projekt 3.06

Anhang IV Berechnung des Mischungsverhältnisses Marin/Fluvial an einer Station x im Ästuar Schema:

Berechnung:

C fluvial − C Ästuar MVref = (II.1) C Ästuar − Cmarin

S E int ragref MVneu = MVref (II.2) S E int ragneu

Gleichung II.3 erhalten aus Gleichung II.1

MVneu *cmarin + c fluvial C Ästuarneu = (II.3) 1+ MVneu

MVref, MV neu: Mischungsverhältnisse von marinen zu fluvialen Schwebstoffen für die Refe- renzperiode und für einen modifizierten fluvialen Schwebstoffeintrag ins Ästuar

Klimabedingt Cmarin, Cfluvial, CÄstuar: Konzentration der Schadstoffe in marinen, fluvialen und ästuarinen Se- verändertes dimenten an einer Station x [mg/kg; µg/kg] Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und SEintragref: mittlerer jährlicher fluviale Schwebstoffeintrag ins Ästuar [t/a] für die Referenzperi- Unterhaltung von ode Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren SEintragneu: modifizierter Schwebstoffeintrag ins Ästuar [t/a]

KLIWAS Forschungs- Anha ng III: So nstig e Erge b nisse / Erke nntnisse programm

Schlussbericht

Projekt 3.06 Statistische Analysen

Anhang IV Ein Großteil der statistischen Analysen wurde von der QuoData GmbH durchgeführt und die Ergebnisse wurden in 4 Berichten zusammengefasst: Arbeitspaket 1: Trendanalysen Arbeitspaket 2: Ermittlung relevanter Einflussfaktoren Arbeitspaket 3: Abschätzung der Transportzeiten feststoffgebundener Schadstoffe Arbeitspaket 4: Quellen der Feststoffe

Auf Anfrage können diese bei den Projektbearbeitern angefordert werden.

Korrelationsanalysen Elbe Wie langjährige Messreihen qualitativ zeigen, werden Schadstoffgehalte in feinkörnigen Feststoffen in den Ästuaren von Elbe und Weser deutlich von den durch den Oberwasserab- fluss aus dem Binnenbereich eingetragenen schadstoffbelasteten Schwebstoffen der Flüsse sowie dem Eintrag mariner Sedimente beeinflusst (Ackermann und Schubert, 2007). Die im KLIWAS-Projekt 3.06 betrachteten feststoffgebundenen Schadstoffe liegen bevorzugt an die feinkörnigen Partikel gebunden vor und die Untersuchungen bzw. Auswertungen beschrän- ken sich auf Aussagen über die Entwicklung der Schadstoffgehalte in den Feinkornfraktio- nen. Die zeitliche Verschiebung zwischen den Maxima des Oberwasserzuflusses an den nächstgelegenen Binnenpegeln (Elbe: Neu-Darchau, Elbe-km 536,4; Weser: Intschede, We- ser-km 331,3) und den Maxima der Schadstoffkonzentrationen an einer bestimmten Messsta- tion im Ästuar hängt von der Stärke des Abflusses ab und ist nicht konstant. Die Höhe der Schadstoffmaxima wird u.a. durch die Schwebstofffracht, die das Ästuar erreicht und die Herkunft der eingetragenen Schwebstoffe beeinflusst. Durch Hochwasserereignisse können im Binnenland u.U. hochbelastete Altablagerungen mobilisiert werden.

Für das Elbeästuar wurde die Abhängigkeit der vorliegenden Datenreihen für die Schadstoff- belastung am Beispiel des Cadmiums an den Messstationen der BfG ermittelt. Die Datenrei- hen gehen z.T. bis 1980 zurück (Geesthacht, Wedel).

Die Darstellung der Zeitreihen erfolgt für die Abflussdaten und Cadmiumkonzentrationen in schwebstoffbürtigen Sedimenten an der Station Geesthacht (km 586) oberhalb der Staustufe und an 3 Stationen der Tideelbe (Wedel, km 643, Brunsbüttel, km 696,3 sowie Cuxhaven, km 627) für den Zeitraum 1980-2010 als Box-and-Whisker Diagramme (Abbildung III 1) nach Tukey (1977). Da für die Schadstoffe in der Regel nur monatliche Daten vorliegen, wurden

die jeweils für die verschiedenen Monate über den gesamten Zeitraum gemittelten Werte Klimabedingt verändertes (hier: Medianwerte) dargestellt. Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren

Monat Jan Feb Mar Apr Mai

Abfluss m³/s Jun Jul 15 Aug Monat Sep Jan Okt Nov Feb Dez Mar Apr

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Mai

Cd mg/kg TS <20µm TS mg/kg Cd Jun 10 Jul Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Aug Pegel Neu Darchau 1980-2010 Sep Okt Nov Dez

1:Cuxhaven 2:Brunsbüttel 3:Wedel 4:Geesthacht Station

Abbildung III 1: Mittlerer Jahresgang des Oberwasserabflusses bei Neu-Darchau und der Schadstoffkonzentrationen an ausgewählten Stationen der Tideelbe (1980-2010) Box: Q25 und Q75 Quantile, Länge der Whisker: das 1,5-fache des Interquartilsabstands (Q75 - Q25); Werte außerhalb dieses Bereiches: Ausreißerwerte

Während für die Cd-Belastung an der Messstation Geesthacht keine saisonalen Schwankun- gen zu erkennen sind, zeigen das Abflussverhalten sowie die Cd-Gehalte bei Wedel und Brunsbüttel einen ausgeprägten Jahresgang. Die Schadstoffgehalte zeigen einen Phasenver- satz von 4 Wochen bei Wedel und 8 Wochen bei Brunsbüttel. Aufgrund der zunehmenden Vermischung mit marinen Sedimenten werden die Cd-Konzentrationen in Richtung See zunehmend geringer (z.B. Förstner et al., 1990). An der Station Cuxhaven ist das saisonale Signal für Cadmium stark gedämpft.

Zusätzlich zu dem saisonalen Signal ist der Zeitreihe der Cadmiumgehalte in den schweb- stoffbürtigen Sedimenten ein langfristiger abnehmender Trend überlagert (s. Kapitel 5.2). In Abbildung III 2 sind die Messwerte der Cadmiumgehalte als Punkte, verbunden mit der roten Line, dargestellt und die Trendlinie als blau gestrichelte Kurve. Zur Interpolation und Ergän- zung der Zeitreihe wird ein kubisches Polynom verwendet. Zur Prüfung der Abhängigkeit der Cadmiumbelastung der schwebstoffbürtigen Sedimente an der Station Wedel vom Ab- flussgeschehen wurden trendbereinigte Cadmiumwerte verwendet.

KLIWAS Forschungs- Station Wedel programm

Schlussbericht 12 Projekt 3.06

Anhang IV 10

8 Cd /mg/kg TS

1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Year

Abbildung III 2: Zeitreihe der Cadmiumgehalte in den Schwebstoffen an der Messstation Wedel zwischen 1980 und 2010

Regression Zusammenf. für abh. Variable: Cd R= ,94867329 R²= ,89998101 Korr. R²= ,88997912 F(1,10)=89,981 p<,00000 Stdf. der Schätzung: ,26742 Abfluß = 683,9748+310,4821*x; 0,95 Konf.Int. 1200 4 3 1100

1000 2

900 1

800 5 Abfluß 700 12

600 11 6

500 1087 9 400

300 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Cd Abbildung III 3: Korrelation der arithmetisch gemittelten monatlichen Abflussraten der Elbe und der trendbereinigten Cd-Konzentrationen im Schwebstoff an der Station Wedel, km 642 (1980-2010) mit linearer Regressionsgeraden (rot) und 95%-Konfidenzbändern (blau gestrichelt). Die Datenbeschriftungen markieren numerisch die Monate

Abbildung III 3 zeigt einen signifikanten, linearen Zusammenhang (R²=0,95). Der negative Skalenbereich entsteht durch das eingesetzte Differenzverfahren zur Trendbereinigung. Die lineare Beziehung zwischen Abfluss und Cd-Gehalten unterstützt die Annahme, dass die Cd-

Gehalte im Elbeästuar weitgehend von dem durch den Abfluss gesteuerten Cd-Eintrag ins Klimabedingt verändertes Ästuar bestimmt wird und sich keine wesentlichen Quellen im Ästuar befinden. Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Weser Unterhaltung von An dem Pegel Intschede (Weser-km 331,3) zeigen die Oberwasserzuflüsse einen Jahresgang Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren und die maximalen Werte werden im langjährigen Mittel im Februar/März beobachtet. An der auf der Binnenseite des Tidewehrs gelegenen Messstation Hemelingen ist kein Zusam- menhang zwischen den Schadstoffbelastungen und dem Oberwasserzufluss zu erkennen, wie in Abbildung III 4 am Beispiel der Zinkgehalte gezeigt ist. Während die Schadstoffgehalte an der Station Bremen noch auf einem vergleichbaren Niveau wie die bei Hemelingen ermittelten Werte liegen, sind sie an der weiter seewärts gelegenen Station Farge z.T. deutlich geringer als bei Hemelingen. Dieser Konzentrationsrückgang bei Farge lässt sich durch eine Ver- dünnung mit marinen feinkörnigen Sedimenten, die eine

Abfluss Intschede 2000

Month Jan 1500 Feb Mar Apr May

Abfluss [m³/s] Jun 1200 1000 Jul Aug Sep Oct Nov Dec 500 Month 1000 Jan Feb Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug SepOct Nov Dec Mar Apr 800 May

Zn mg/kg TS mg/kg Zn Jun Jul 600 Aug Sep Oct Nov 400 Dec

1-Bremerhaven 2-Farge 3-Bremen-Insel 4-Hemelingen Station

Abbildung III 4: Mittlerer Jahresgang des Oberwasserabflusses bei Intschede (Weser-km 331,3) (1990-2010) und der Schadstoffgehalten des Zinks an ausgewählten Stationen der Tideweser (Hemelingen (Weser-km 360,95) 1989-2010; Bremen Insel (Unterweser-km 7,25) 1987-2010; Farge (Unterweser-km 26,25) 1990-2010 und Bremerhaven Nordschleuse (Unterweser-km 69,79) 1987-2010) deutlich geringere Belastung als die Feststoffe im Binnenbereich tragen, erklären. So sind die Schadstoffgehalte bei niedrigem Oberwasserzufluss an der Station Farge bis zu ca. 50 % geringer und bei hohem Oberwasserzufluss nur um ca. 10 % geringer. Bedingt durch den mit dem Oberwasserzufluss wechselnden Einfluss der marinen Sedimente zeigen die Schadstoff-

KLIWAS gehalte bei Farge außerdem einen ähnlichen saisonalen Verlauf wie der Oberwasserzufluss. Forschungs- programm Sowohl die Höhe der Schadstoffbelastung als auch der nicht zu beobachtende Zusammen-

Schlussbericht hang der Schadstoffbelastung bei Bremen mit dem Oberwasserzufluss weisen darauf hin, dass feinkörnige marine Sedimente nicht bis Bremen transportiert werden. Projekt 3.06

Anhang IV Die Maxima der Schadstoffgehalte bei Farge zeigen eine mittlere Zeitverschiebung gegen- über den Abflussmaxima von ca. 3 Wochen. Aufgrund der zunehmenden Vermischung mit marinen Sedimenten werden die Schadstoffkonzentrationen, wie in Abbildung III 4 gezeigt für Zink, in Richtung See zunehmend geringer (z.B. Förstner et al., 1990), und an der Station Bremerhaven Nordschleuse ist kein saisonales Signal mehr zu erkennen.

Wie schon für die Elbe gezeigt werden konnte, wurde auch an der Station Farge im We- serästuar zwischen Zinkgehalten und Oberwasserabfluss ein signifikanter, linearer Zusam- menhang (R²=0,94) bei Berücksichtigung eines Zeitversatzes von 3 Wochen festgestellt (Tabelle III 1). Die lineare Beziehung zwischen Abfluss und Zink-Gehalten unterstützt auch hier die Annahme, dass die Zink-Gehalte im Weserästuar weitgehend von dem durch den Abfluss gesteuerten Zn-Eintrag ins Ästuar bestimmt werden.

Ems

Auch an der Ems weisen die bei Versen (Ems-km 234,8) gemessenen Oberwasserzuflüsse einen Jahresgang mit maximalen Abflüssen im Februar/März auf. An der binnenwärts des Tidewehrs gelegenen Messstation Bollingerfähr (Ems-km 205,6) sind keine saisonalen Schwankungen der Schadstoffgehalte zu erkennen, wie Abbildung III 5 für Cadmium gezeigt. Die auch bei hohen Oberwasserzuflüssen gemessene starke Abnahme der Schadstoffgehalte an der Messstation Herbrum (Ems-km 212,75) weisen auf einen hohen Anteil mariner Sedi- mente im inneren Bereich des Ästuars hin. Die Maxima der Schadstoffgehalte bei Herbrum zeigen gegenüber den Maxima des Oberwasserzuflusses eine Zeitverschiebung von 2 bis 4 Wochen. An den Stationen Terborg und Knock liegen die Schadstoffgehalte auf Grund der starken marinen Beeinflussung noch geringer und es ist kein saisonales Signal mehr für Cad- mium zu erkennen.

Monatlich Klimabedingt verändertes Transportverhalten 600 Abflussdaten Versen schadstoffbelasteter Sedimente und 500 Unterhaltung von 4 Month Jan Wasserstraßen in Feb Nordsee-Ästuaren 400 Mar Apr Month May

Abfluss [m³/s] Jun Jan 300 Jul Feb 3 Aug Sep Mar 200 Oct Nov Apr Dec May 100 Cd [mg/kg TS] [mg/kg Cd Jun 2 Jul Aug Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Sep Oct Nov 1 Dec

1-Knock 2-Terborg 3-Herbrum 4-Bollingerfähr Station

Abbildung III 5: Mittlerer Jahresgang des Oberwasserabflusses bei Versen (1990-2010) und der Schadstoffkonzentrationen des Cadmiums an ausgewählten Stationen der Tideems (Bollingerfähr (DEK-km 205,6) 2002-2010; Herbrum (DEK-km 212,75) 1993-2010; Terborg (Ems-km 24,6) 1980-2010 und Knock (Ems-km 50,75) 1989-2010)

An der Dauermessstation Herbrum wurde ein schwächerer linearer Zusammenhang (R² 0,76) bei einem Zeitversatz von 2 Wochen zwischen der Cadmiumbelastung und dem Oberwasser- zufluss festgestellt. Die lineare Beziehung zwischen Abfluss und Cd-Gehalten zeigt aber, dass auch an der Ems die Variationen der Schadstoffgehalte von dem durch den Abfluss gesteuerten Cd-Eintrag ins Ästuar bestimmt werden, wobei der Stromauftransport das Niveau der Schadstoffbelastungen bis zur Tidegrenze dominiert.

In Tabelle III 1 sind für ausgewählte Schadstoffe an ausgewählten Ästuarstationen Korrelati- onseffizienten dargestellt. Sie zeigen, dass in allen 3 Ästuaren der Oberwasserzufluss einen Einfluss auf die Schadstoffe in den Ästuaren hat. Besonders ist dieser Einfluss an der Elbe in Wedel und an der Weser in Farge zu erkennen. In Bützfleth und Brunsbüttel, zum Teil an der Weser und an der Ems zeigen die Analysen zwar eine Korrelation zwischen Schadstoffgehalt und Oberwasserzufluss, aber weniger deutlich.

KLIWAS Forschungs- programm Tabelle III 1: Korrelationskoeffizienten R² zwischen ausgewählten Schadstoffen an Dauermessstatio- nen der 3 Nordsee Ästuare und dem Oberwasserzufluss Schlussbericht

Projekt 3.06 Elbe Anhang IV Cd Hg Pb Zn

Wedel 0,95 0,93 0,92 0,9

(mit 4 Wo- chen Zeitver- satz) Bützfleth 0,93 0,88 0,89 (mit 4 Wo- chen Zeitver- satz) Brunsbüttel 0,85 0,75 0,84 (mit 8 Wo- chen Zeitver- satz)

Weser Cd Pb Zn Hemelingen 0,57 0,86 Farge 0,87 0,94 0,89 0,94 (mit 3 Wo- chen Zeitver- satz) Bremerhaven 0,5 (mit 4 Wo- chen Zeitver- satz)

Ems Cd Pb Zn Herbrum 0,76 0,66 0,61

Klimabedingt Anhang IV: Übe rsic htstabe lle n mit Date n / Me s- verändertes Transportverhalten schadstoffbelaste- se rge b nisse n o d e r Links d o rthin ter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren Schadstoffdaten der langjährigen Messreihen Für das Projekt verwendete Schadstoffgehalte in Sedimenten und Schwebstoffen in den Ästuaren wurden an Dauermessstationen der BfG erfasst. Für die Elbe sind dies die Stationen: Geesthacht Insel und Geesthacht Wehr Wedel Bützfleth Brunsbüttel Cuxhaven Für die Weser sind dies die Stationen: Hemelingen Bremen Insel Farge Nordenham Bremerhaven Nordschleuse Für die Ems sind dies die Stationen: Herbrum Terborg Knock Daten ab 2009 der monatlich beprobten Stationen sind erhältlich unter: SedKat-WSV Service: http://sedkat.bafg.de (WSV intern) Der gesamte Datensatz wird in der BfG in einer Datenbank vorgehalten und kann auf Anfrage geliefert werden.

Außerdem wurde für das Elbeästuar auf Daten von Schadstoffgehalten in Sedimenten und Schwebstoffe, die von der FGG-Elbe erfasst werden, zurückgegriffen. Dies umfasst die Stationen: Bunthaus Seemannshöft Grauerort Die Daten der FGG-Elbe sind erhältlich unter: http://176.28.42.206/FisFggElbe/content/start/BesucherUnbekannt.action

KLIWAS Lagedaten und Schadstoffdaten der entnommen Kerne 2008-2012 Forschungs- programm Elbe Schlussbericht Tabelle IV 1: Lagedaten der entnommen Kerne 2008-2012 Projekt 3.06 ETRS '89 GeoBreite GeoLänge

Anhang IV GeoLänge GeoBreite oder oder 2008 DezGrad DezGrad Hochwert Rechtswert Kern 13, 10-2008 9,4040109 53,79146111 5962343 3526695 Kern 14, 10-2008 9,3967131 53,80439642 5963780 3526206 Kern 15, 10-2008 9,36930922 53,83123117 5966757 3524385 Kern 17, 10-2008 9,33306047 53,82808498 5966395 3522000 Kern 16, 10-2008 9,31486028 53,84142234 5967874 3520795 Kern 4, 10-2008 9,16806012 53,87125028 5971161 3511124 Kern 2, 10-2008 9,06840761 53,86222055 5970145 3504570 Kern 1a, 10-2008 9,04058677 53,85594414 5969445 3502740 Kern 20, 10-2008 9,09380766 53,86988502 5971000 3506240 Kern 21, 10-2008 9,20809757 53,88834773 5973071 3513752 Kern 22, 10-2008 9,21802965 53,87390102 5971465 3514410 Kern 23, 10-2008 9,33511185 53,85293053 5969161 3522122

ETRS '89 GeoBreite GeoLänge GeoLänge GeoBreite oder oder Mrz 09 DezGrad DezGrad Hochwert Rechtswert Kern 1b, 03-2009 9,04789611 53,85755009 5969624,05 3503220,85 Kern 2, 03-2009 9,06968333 53,86160887 5970077 3504654 Kern 4, 03-2009 9,16804485 53,87123233 5971159 3511123 Kern 13, 03-2009 9,40359924 53,79125585 5962320 3526668 Kern 14, 03-2009 9,39453563 53,80365789 5963697 3526063 Kern 15, 03-2009 9,3671406 53,82987217 5966605 3524243 Kern 16, 03-2009 9,31002053 53,84024002 5967741 3520477 Kern 17, 03-2009 9,33364078 53,82848767 5966440 3522038 Kern 20, 03-2009 9,09383808 53,86989398 5971001 3506242 Kern 21, 03-2009 9,20891799 53,8881756 5973052 3513806 Kern 22, 03-2009 9,2190014 53,87365667 5971438 3514474 Kern 23, 03-2009 9,33520187 53,85278653 5969145 3522128 Kern 31, 03-2009 9,09333927 53,88639872 5972837,99 3506206,76 Kern 32, 03-2009 9,08887196 53,88649718 5972848,57 3505913

ETRS '89 GeoBreite GeoLänge Klimabedingt GeoLänge GeoBreite oder oder verändertes Transportverhalten Okt 09 DezGrad DezGrad Hochwert Rechtswert schadstoffbelaste- Kern 1a, 10-2009 9,03876354 53,85638499 5969494 3502620 ter Sedimente und Kern 1b, 10-2009 9,04586238 53,8579817 5969672 3503087 Unterhaltung von Wasserstraßen in Kern 2, 10-2009 9,06609853 53,86298553 5970230 3504418 Nordsee-Ästuaren Kern 4, 10-2009 9,16695195 53,87165613 5971206 3511051 Kern 13, 10-2009 9,40382822 53,79139884 5962336 3526683 Kern 14, 10-2009 9,39511429 53,80224539 5963540 3526102 Kern 15, 10-2009 9,36698354 53,82927967 5966539 3524233 Kern 16, 10-2009 9,31079847 53,84066926 5967789 3520528 Kern 17, 10-2009 9,33389731 53,82828031 5966417 3522055 Kern 20, 10-2009 9,0925906 53,86948167 5970955 3506160 Kern 21, 10-2009 9,20903979 53,88820234 5973055 3513814 Kern 23, 10-2009 9,33544544 53,85283975 5969151 3522144 Kern 31, 10-2009 9,09346446 53,88634481 5972832 3506215 Kern 32, 10-2009 9,08951045 53,88638377 5972836 3505955 Kern 36, 10-2009 9,33593485 53,83048482 5966663 3522188 Kern 37, 10-2009 9,34091504 53,82657145 5966229 3522518 Kern 22, 10-2009 9,21901665 53,87366563 5971439 3514475

ETRS '89 GeoBreite GeoLänge GeoLänge GeoBreite oder oder Jun 10 DezGrad DezGrad Hochwert Rechtswert Kern 13, 06-2010 9,40359193 53,7912783 3526668,00 5962320,00 Kern 14, 06-2010 9,3948 53,80361667 Kern 16, 06-2010 9,310266667 53,84066667 Kern 15, 06-2010 9,367033333 53,82996667 Kern 17, 06-2010 9,333966667 53,82856667 Kern 4, 06-2010 9,166655947 53,87194218 3511032,00 5971235,00 Kern 2, 06-2010 9,06949193 53,86194921 3504642,00 5970112,00 Kern 1a, 06-2010 9,040166252 53,85580851 3502713,00 5969427,00 Kern 1b, 06-2010 9,047781374 53,85696465 3503214,00 5969556,00 Kern 20, 06-2010 9,093569803 53,86956045 3506225,00 5970961,00 Kern 21, 06-2010 9,20860761 53,88838061 3513786,00 5973072,00 Kern 22, 06-2010 9,219249959 53,87321366 3514491,00 5971386,00 Kern 23, 06-2010 9,335071106 53,852478 3522120,00 5969108,00 Kern 31, 06-2010 9,093653041 53,88609185 3506228,00 5972801,00 Kern 32, 06-2010 9,088901786 53,88668301 3505915,50 5972866,39

KLIWAS ETRS '89 Forschungs- programm GeoLänge GeoBreite Aug 12 DezGrad DezGrad Schlussbericht Kern 17, 08-2012 9,333733333 53,82873333

Projekt 3.06 Greifer 17a 08-2012 9,3324 53,82906667 Greifer 17b 08-2012 9,33355 53,83055 Anhang IV Greifer 17c 08-2012 9,3315 53,83013333 Kern 16, 08-2012 9,30715 53,84263333 Kern 13, 08-2012 9,403366667 53,79133333 Kern 14, 08-2012 9,394433333 53,80386667 Kern 15, 08-2012 9,36725 53,83006667 Kern 23, 08-2012 9,3351 53,8525 Kern 20, 08-2012 9,0941 53,87021667 Kern 2, 08-2012 9,069033333 53,8625 Kern 1b, 08-2012 9,048166667 53,85741667 Kern 1a, 08-2012 9,040183333 53,85583333 Kern 21, 08-2012 9,208933333 53,88818333 Kern 22, 08-2012 9,217766667 53,87416667 Kern 4, 08-2012 9,168533333 53,87181667 Kern 31, 08-2012 9,093016667 53,88688333 Kern 32, 08-2012 9,0887 53,88643333

Klimabedingt verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren

Abbildung IV 1: Stationen der Kernentnahmen an der Elbe 2008-2012

KLIWAS Ausgewählte Tiefenprofile der Elbekerne Forschungs- programm

Schlussbericht

Projekt 3.06 Kern 13 - Cadmium Kern 13 - Zink

Anhang IV Konzentration [mg/kg TS] Konzentration [mg/kg TS] 0 1 2 3 4 0 200 400 600 800 1000 0 0

20 20

40 40

06/1998 06/1998 60 60 10/2008 10/2008 03/2009 03/2009 80 10/2009 80 10/2009 Tiefe [cm] Tiefe [cm] 06/2010 06/2010 08/2012 08/2012 100 100

120 120

140 140

Klimabedingt Kern 17 - Cadmium Kern 17 - Zink verändertes Transportverhalten schadstoffbelaste- Konzentration [mg/kg TS] Konzentration [mg/kg TS] ter Sedimente und 0 2 4 6 8 0 200 400 600 800 1000 Unterhaltung von 0 0 Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren

10 10

20 20 10/2008 10/2008 03/2009 03/2009 30 10/2009 30 10/2009 06/2010 06/2010 Tiefe [cm] 08/2012 Tiefe [cm] 08/2012 40 40

50 50

60 60

KLIWAS Forschungs- Kern 23 - Cadmium Kern 23 - Zink programm

Schlussbericht Konzentration [mg/kg TS] Konzentration [mg/kg TS] 0 0,5 1 1,5 2 0 200 400 600 800 Projekt 3.06 0 0

Anhang IV 20 20

40 40 10/2008 10/2008 03/2009 03/2009 60 10/2009 60 10/2009 06/2010 06/2010 Tiefe [cm] 08/2012 Tiefe [cm] 08/2012 80 80

100 100

120 120

Klimabedingt Kern 4 - Cadmium Kern 4 - Zink verändertes Transportverhalten schadstoffbelaste- Konzentration [mg/kg TS] Konzentration [mg/kg TS] ter Sedimente und 0 1 2 3 4 0 200 400 600 800 Unterhaltung von 0 0 Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren 20 20

40 40

06/1998 06/1998 60 10/2008 60 10/2008 03/2009 03/2009 80 10/2009 80 10/2009 Tiefe [cm] 06/2010 Tiefe [cm] 06/2010 08/2012 08/2012 100 100

120 120

140 140

KLIWAS Forschungs- Kern 1 - Cadmium Kern 1 - Zink programm

Schlussbericht Konzentration [mg/kg TS] Konzentration [mg/kg TS] 0 2 4 6 0 200 400 600 800 Projekt 3.06 0 0

Anhang IV 10 10

20 20

06/1998 06/1998 30 30 10/2008 (1a) 10/2008 (1a)

40 03/2009 (1b) 40 ti 03/2009 (1b) 10/2009 (1a) 10/2009 (1a) 50 10/2009 (1b) 50 10/2009 (1b) 06/2010 (1a) 06/2010 (1a) Tiefe [cm] 60 06/2010 (1b) Tiefe [cm] 60 06/2010 (1b) 08/2012 (1a) 08/2012 (1a) 70 70 08/2012 (1b) 08/2012 (1b)

80 80

90 90

100 100

Klimabedingt verändertes Transportverhalten schadstoffbelasteter Sedimente und Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren

Kern 32 - Cadmium Kern 32 - Zink

Konzentration [mg/kg TS] Konzentration [mg/kg TS] 0 1 2 3 0 200 400 600 800 0 0

5 5

10 10

15 15

03/2009 03/2009 20 20 10/2009 10/2009 06/2010 06/2010 25 25

Tiefe [cm] 08/2012 Tiefe [cm] 08/2012

30 30

35 35

40 40

45 45

KLIWAS Forschungs- programm

Schlussbericht

Projekt 3.06

Anhang IV

Weser Tabelle IV 2: Lagedaten der entnommenen Kerne in der Tideweser in 1999

ETRS '89 Geo- 1999 LängeDezGrad GeoBreiteDezGrad Blexer Plate K1 8,5346167 53,542717 Wurster Watt K2 8,5026667 53,615567 Tettense Plate K3 8,4937833 53,557183 Hohe Plate K4 8,52365 53,56505 Schweiburg K5 8,47375 53,398733 Rechter Nebenarm 53,346367 K6 8,5136333 Rechter Nebenarm 53,306617 K7 8,5122667 Rechter Nebenarm 53,262717 K8 8,4919333 Westergate K10 8,4745667 53,22235

Tabelle IV 3: Lagedaten der entnommenen Proben aus dem Vorland der Tideweser in 2009

ETRS '89 Geo- Oktober 2009 LängeDezGrad GeoBreiteDezGrad Luneplate, Watt 8,5131 53,4944 Luneplate, Schilf 8,5134 53,4943

Klimabedingt Wilhelmsplate, verändertes Watt 8,5131 53,3487 Transportverhalten schadstoffbelaste- Wilhelmsplate, ter Sedimente und Unterhaltung von Rohrkolben 8,5128 53,3487 Wasserstraßen in Wilhelmsplate, Nordsee-Ästuaren Grünland 8,5101 53,3483 Kleiner Pater, Grünland 8,4919 53,2677 Schweiburg_S (Schmalenfleth), Watt 8,4804 53,3747 Schweiburg_S (Schmalenfleth), Schilf 8,4801 53,3746 Schweiburg_S (Schmalenfleth), Rohr-Glanzgras 8,4793 53,3743 Schweiburg_N (Strohausen), Watt 8,4802 53,4171 Schweiburg_N (Strohausen), Schilf 8,4801 53,4171 Schweiburg_N (Strohausen), Grünland 8,4790 53,4173 Blexen, Watt 8,5559 53,5318 Blexen, Strandsimse 8,5545 53,5317 Blexen, Schilf 8,5538 53,5317 Blexen, Gruen- land_Deich 8,5520 53,5317 Luneplate, Kern 8,5142 53,4940 Schweiburg_S, Schmalenfleth, Kern 8,4777 53,3740

KLIWAS Tabelle IV 4: Lagedaten der entnommenen Kerne und Stechrohrproben in 2011 Forschungs- programm

Schlussbericht ETRS '89 Geo- Projekt 3.06 September 2011 LängeDezGrad GeoBreiteDezGrad

Anhang IV Franzius Plate K4 8,52374 53,56523 Tettenser Plate K3 8,49388 53,55719 Blexer Plate K1 8,53461 53,54288 Luneplate1 8,54975 53,51067 Luneplate2 8,51329 53,49603 Nordenham, km 55,5-Li 8,48456 53,46211 Kleinensiel, KKW, km 52-Re 8,49994 53,43196 Schweiburg K5 8,473755 53,398743 Schweiburg_Süd, Schmalenfleth 8,480153 53,375231 UWe, Rechter Nebenarm K6 8,513467 53,346783 UWe, Rechter Nebenarm K7 8,512271 53,306626 UWe, Rechter Nebenarm K8 8,492717 53,262633 Rechtenfleth, km 47-Li 8,490033 53,386917 Rechtenfleth, km 47-Re 8,50395 53,387183 Farge, Bunker 8,497617 53,218083 UWe, Westerga- te K10 8,47443 53,22237 UWe, Westerga- te, km 2 8,483617 53,212967 Woltjenloch 8,500456 53,201819 Warflether Arm, Eingang 8,519583 53,1923 Hunte, Westerga- te, km 0,2 8,46815 53,22623

Karte der Probenahmepositionen an Klimabedingt verändertes der Weser Transportverhalten Legende: schadstoffbelasteter Sedimente und K2 Wurster Watt Unterhaltung von K4 Franzius Plate Wasserstraßen in K3 Tettenser Plate Nordsee-Ästuaren K1 Blexer Plate 01 Blexen, Watt Blexen, Strandsimse Blexen, Gruenland_Deich Blexen, Schilf 02 Luneplate1 03 Luneplate2 Luneplate, Watt Luneplate, Schilf Luneplate, Kern 04 Nordenham, km 55,5-Li 05 Kleinensiel, KKW, km 52-Re 06 Schweiburg_N (Strohausen), Grünland Schweiburg_N (Strohausen), Schilf Schweiburg_N (Strohausen), Watt K5 Schweiburg 07 Rechtenfleth, km 47-Re Rechtenfleth, km 47-Li 08 Schweiburg_Süd, Schmalenfleth Schweiburg_S (Schmalenfleth), Watt Schweiburg_S (Schmalenfleth), Schilf Schweiburg_S (Schmalenfleth), Rohr- Glanzgras Schweiburg_S, Schmalenfleth, Kern 09 Wilhelmsplate, Rohrkolben Wilhelmsplate, Watt Wilhelmsplate, Grünland K6 UWe, Rechter Nebenarm K7 UWe, Rechter Nebenarm 10 Kleiner Pater, Grünland K8 UWe, Rechter Nebenarm 11 Hunte, Westergate, km 0,2 K10 UWe, Westergate 12 Farge, Bunker 13 UWe, Westergate, km 2 14 Woltjenloch 15 Warflether Arm, Eingang

Abbildung IV 2: Karte der Probenahmesta- tionen an der Weser

KLIWAS Forschungs- programm Ausgewählte Tiefenprofile der Weserkerne Schlussbericht

Projekt 3.06

Anhang IV Tettenser Plate K3, Cadmium Tettenser Plate K3, Blei Konzentration (mg/kg TS) Konzentration (mg/kg TS) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0 50 100 150 200 0 0

50 50

100 100

150 150

200 200

Tiefe (cm) 250 Tiefe (cm) 250

300 Cd 1999 300 Pb 1999 350 Cd 2011 350 Pb 2011 400 400

Blexer Plate K1, Cadmium Blexer Plate K1, Blei Konzentration (mg/kg TS) Konzentration (mg/kgTS) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0 50 100 150 200 0 0 50 50 100 100 150 150 200 200 250 250 Pb 1999 Tiefe (cm) Tiefe (cm) 300 Cd 1999 300 Pb 2011 350 Cd 2011 350 400 400 450 450

Schweiburg K5, Cadmium Schweiburg K5, Blei Konzentration (mg/kg TS) Konzentration (mg/kg TS) 0 1 2 3 4 5 6 0 50 100 150 200 250 300 0 0 50 50 100 100 150 150 200 200 250 250 Tiefe (cm) Tiefe (cm) 300 300 350 Cd 1999 350 Pb 1999 400 Cd 2011 400 Pb 2011 450 450

Klimabedingt Rechter Nebenarm K6, Cadmium Rechter Nebenarm K6, Blei verändertes Konzentration (mg/kg TS) Konzentration (mg/kg TS) Transportverhalten 0 50 100 150 200 250 300 schadstoffbelaste- 0 2 4 6 8 0 ter Sedimente und 0 Unterhaltung von 50 50 Wasserstraßen in 100 100 Nordsee-Ästuaren

150 150

200 200

Tiefe (cm) 250

300 300 Cd 1999 Pb 1999 350 350 Cd 2011 Pb 2011 400 400

Uwe Rechter Nebenarm K8, Cadmium Uwe Rechter Nebenarm K8, Blei Konzentration (mg/kg TS) Konzentration (mg/kg TS) 0 1 2 3 4 5 6 0 50 100 150 200 250 300 0 0

50 50

100 100

150 150

200 ti 200

250 250 Tiefe (cm) Tiefe (cm) 300 300

350 350 Cd 1999 Pb 1999 400 400 Cd 2011 Pb 2011 450 450

Uwe Westergate K10, Cadmium Uwe Westergate K10, Blei

Konzentration (mg/kg TS) Konzentration (mg/kg TS) 0 2 4 6 8 10 12 14 0 50 100 150 200 250 300 0 0

50 50

100 100

150 150 Tiefe (cm) Tiefe (cm)

200 200

250 250 Cd 1999 Pb 1999 Cd 2011 Pb 2011 300 300

KLIWAS Forschungs- programm Ems-Dollart Schlussbericht

Projekt 3.06 Tabelle IV 5: Lagedaten der Kerne aus dem Ems-Dollart 2011 Anhang IV

ETRS '89 Geo- August 2011 LängeDezGrad GeoBreiteDezGrad Doll-208 7,18955 53,23878 Doll-167 7,17173 53,24731 Doll-141 7,12848 53,25761 Doll-130 7,12038 53,28288 Doll-73 7,21715 53,27469 Doll-44 7,22550 53,30468 Doll-9 7,16603 53,31091

Abbildung IV 3: Probenahmepositionen der Kerne im Ems-Dollart in 2011

Die Schadstoffdaten und Korngrößenanalysen der untersuchten Kerne werden in der Klimabedingt verändertes BfG in einer Datenbank vorgehalten und können auf Anfrage geliefert werden. Im Transportverhalten schadstoffbelaste- Folgenden sind ausgewählte Tiefenprofile von Kernen der Elbe, Weser und Ems dar- ter Sedimente und gestellt. Unterhaltung von Wasserstraßen in Nordsee-Ästuaren Kerne aus dem Ems-Dollart

Kern 9 Kern 44 Konzentration (mg/ kg) Konzentration (mg/ kg) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 0 10 10 20 20 30 30 40 40 50 50 60 60 Tiefe (cm) Tiefe (cm) 70 70 80 80 90 90 100 100 Cd * 10 Cu Pb Zn / 10 Hg * 10 Cd * 10 Cu Pb Zn / 10 Hg * 10

Kern 73 Kern 130 Konzentration (mg/ kg) Konzentration (mg/ kg) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 0 10 10 20 20 30 30 40 40 50 50 60 Tiefe (cm) 60 Tiefe (cm) 70 70 80 80 90 90 100 100 Cd * 10 Cu Pb Zn / 10 Hg * 10 Cd * 10 Cu Pb Zn / 10 Hg * 10

Kern 141 Kern 167 Konzentration (mg/ kg) Konzentration (mg/ kg) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 0 10 10 20 20 30 30 40 40 50 50 60

Tiefe (cm) 60 Tiefe (cm) 70 70 80 80 90 90 100 100 Cd * 10 Cu Pb Zn / 10 Hg * 10 Cd * 10 Cu Pb Zn / 10 Hg * 10

KLIWAS Kern 208 Forschungs- programm Konzentration (mg/ kg) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Schlussbericht 0

10 Projekt 3.06 20 Anhang IV 30 40 50 60 Tiefe (cm) 70 80 90 100 Cd * 10 Cu Pb Zn / 10 Hg * 10

Bundesanstalt für Wasserbau Bundesamt für Seeschifffahrt (BAW) und Hydrographie (BSH)

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Deutscher Wetterdienst (DWD) Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG)

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