Untersuchungen zweier starker Neckarhochwasserereignisse

7 Ein kombiniertes ökotoxikologisches und hydraulisches Untersuchungskonzept für die

7.2 Untersuchungen zweier starker Neckarhochwasserereignisse

Probennahmen

Die Probennahmen von Schwebstoffen erfolgte am Wieblinger Wehr bei Heidelberg (Flusskilometer 22,5, genaue Probennahmestandorte in Hollert & Braunbeck 1997) und am Wehr der Stauhaltung Lauffen (km 125,1, Abb. 7.8). Mit Hilfe von Schwebstofffallen (Abb. 2.6), die in beiden Stauhaltun-gen an Schwimmbrücken vor den Kraftwerkseinläufen exponiert wurden, konnte eine reproduzierbare Sammlung der Schwebstoffe in etwa 10-20 cm Tiefe unter der Wasseroberfläche erfolgen (Hollert &

Braunbeck 1997). Die Probenentnahme in Lauffen erfolgte durch Mitarbeiter des Instituts für Wasser-bau der Universität Stuttgart. Von der Schwimmbrücke am Heidelberger Wehr wurden weiterhin Wasserproben für limnochemische, organische und anorganische Analysen entnommen. Die Proben-aufarbeitung und die untersuchten Parameter sind in den Abschnitten 2.1.3 und 2.3 beschrieben. Im Rahmen des Projektes PWAB PW 96 182 des Instituts für Wasserbau Stuttgart (Herr Dipl. Hyd. Haag, Herr Prof. Dr. Westrich) wurden während des Oktober-Hochwassers 1998 weiterhin Wasserproben für Schwebstoffkonzentrations- und Frachtbestimmungen sowie Schwermetallanalysen an insgesamt 8 Stauhaltung des Neckars zwischen Deizisau und Lauffen aber auch den Neckarnebenflüssen Rems (km 170,5), Murr (km 156,4) und Enz (Neckar: km 136,7, Enz km: 0,22) entnommen (Haag et al.

1999b). Für die hier untersuchte Fragestellung einer möglichen Remobilisierung von Altsedimenten aus der Stauhaltung Lauffen ist eine Kenntnis des partikulär gebundenen Schadstoffeintrages der Enz und des Neckar oberstroms von Lauffen von großer Bedeutung: Abb. 7.8. zeigt die Lage der Proben-nahmestandorten am ober- und unterstromigen Rand der Stauhaltung Lauffen.

Abb. 7.8. Probennahmestandorte für Wasserproben im Bereich der Stauhaltung Lauffen am Neckar.

Aus den Filterrückständen der Wasserproben wurden die Konzen-trationen und Schwermetallgehalte von Schwebstoffen ermittelt. :

Standort der Schwebstofffallen zur Gewinnung großer Schwebstoff-mengen (für Bioassays). Karten-grundlage: modifiziert nach Haag et al. (1999b).

Das Hochwasser im Oktober/November 1998

Im Herbst 1998 war das Wettergeschehen in Mittel- und Westeuropa von Starkniederschlägen geprägt.

Die Niederschlagsrate im September war in Südwestdeutschland im Vergleich zum langfristigen Mittel um 200-300 % erhöht und auch im vergleichsweise eher trockenen Oktober kam es zu heftigen Regenfällen, bei denen stellenweise Extremwerte gemessen wurden (z. B. Freudenstadt am 29.10.1998: 93 mm, Fuchs et al. 1999b). Die Niederschlagssummen, die an der Station Heidelberg im Zeitraum vom 28.-31. Oktober ermittelt wurden, zeigen zum Beispiel, dass hier an nur drei Tagen (28.-30. Oktober) 37 mm Niederschlag fielen. Fast im gesamten Neckareinzugsgebiet konnten bis zum 31. Oktober Niederschlagssummen von 50 – 100 mm verzeichnet werden (Abb. 7.9). Die andauernden Regenfälle führten beim Neckar und seinen Nebenflüssen zu Abflüssen, die auf ein „Jahrhundert-hochwasser“ erwarten ließen (Fuchs et al. 1999b, LfU 2000). Da die Hochwasserwelle des Rheins mit etwas zeitlicher Verzögerung die Neckarmündung erreichte und somit kein Rückstau der Wassermas-sen des Neckars erfolgte, blieb das angekündigte Jahrhunderthochwasser jedoch aus. Mit einem maxi-malen Abfluss von 1955 m³/sec am Pegel Heidelberg/Karlstor (gemessen am 30. Oktober 1998, HVZ 1998) gehörte das Hochwasser dennoch zu den Ereignissen mit einer etwa 20-jährlichen Wiederkehr-wahrscheinlichkeit. In Lauffen am Neckar besaß das untersuchte Hochwasser mit einem Spitzen-abfluss von 1055 m³/sec eine etwa 5-jährliche Wiederkehrwahrscheinlichkeit, für die Enz konnte mit 270 m³/sec eine Wiederkehrwahrscheinlichkeit von 5-7 Jahren ermittelt werden (Haag et al. 1999b).

Für die im Vergleich zu Lauffen höhere Jährlichkeit des Hochwassers bei Heidelberg sind in erster Linie die hohen Abflüsse der Nebenflüsse Kocher, Jagst und Elsenz verantwortlich gewesen (LfU 2000). Abb. 7.10 zeigt die Ganglinien für Heidelberg und für Lauffen, die mittleren Abflüsse (MQ) sowie die Zuordnung verschiedener Abflüsse zu Hochwasserereignissen mit einer bestimmten Wieder-kehrwahrscheinlichkeit. In Lauffen wurde der Scheitelpunkt des Hochwassers am 29. Oktober und in Heidelberg am 30. Oktober erreicht.

Gang der limnochemischen Parameter. Abfluss, Spektraler Absorptionskoeffizient bei 254 nm (SAK₂₅₄) als Indikator für gelöste organische Substanzen mit Doppelbindungen und Schwebstoff-konzentrationen korrelierten in Heidelberg sehr gut (Abb. 7.11, Korrelationskoeffizienten nach Spearman von 0,7 bis 0,9). Die Leitfähigkeit nahm durch Verdünnungseffekte umgekehrt propor-tional zum Abfluss ab. Die höhere Erosionskraft des untersuchten Hochwassers manifestierte sich in Schwebstoffkonzentrationen bis zu 1400 mg/L im Vergleich zu 250 mg/L beim Hochwasser 1995/96.

Analog zum Hochwasser 1995/96 wurde das Schwebstoffmaximum kurz vor der Abflussspitze er-reicht (vgl. Barsch et al. 1994a, b, Symader et al. 1991). Aufgrund der hohen Korrelation zwischen Trübung und Schwebstofffracht wurde die Trübungsmessung oftmals für eine automatisierte Schweb-stoffprobennahme, aber auch für die Bestimmung der Schwebstofffracht eingesetzt (Bley & Schmidt 1994, Schulte 1995, Symader 1988, Symader et al. 1991). Während beim Hochwasser 1995/96 die maximale Trübung gut mit dem Abflussmaximum und der Schwebstoffkonzentration korrelierte (Hol-lert & Braunbeck 1997, Hol(Hol-lert et al. 2000a), konnte beim ansteigenden Ast des untersuchten Hoch-wassers 1998 eine gute Übereinstimmung festgestellt werden. Vom Nachmittag des 30. bis zum 31.

Oktober konnte ein weiteres Maximum bei der Trübung verzeichnet werden, das aber bereits mit zurückgehenden Abflussmengen und Schwebstoffkonzentrationen einherging. Dessen gute Korrela-tion mit einem sprunghaften Anstieg des Kaliumpermanganatverbrauches (unfiltrierte Wasserprobe) und dem höchsten TOC-Wert des Hochwassers (1,63 %, Winn 2000) kann als Hinweis auf eine stoß-weise Belastung mit stark an organischem Kohlenstoff angereicherten Schwebstoffen einer anderen Herkunft interpretiert werden. Die Enge der Peaks deutet auf eine Herkunft nur wenig oberhalb Heidelbergs hin (Haag, persönliche Mitteilung). Hohe organische C-Konzentrationen können ein Hinweis auf remobilisierte Klärschlamme, Ablagerungen nach Kläranlagen oder Direkteinleitungen sein (vgl. Hale et al. 2000). Tatsächlich konnte für diesen Schwebstoff auch ein sprunghafter

Bildtafel 7.1. Neckarhochwasser im Oktober 1998 in Heidelberg. Neben einzelnen Wohnhäusern (oben), wurden auch Straßen (Mitte) und Kinderspielplätze (unten) im Bereich der Neckarwiese überflutet. Ein provisorisches Schild des Umweltamtes Heidelberg mit der Aufschrift „Spielplatz wegen Hochwasserverunreinigungen gesperrt“ verdeutlicht den Einfluss von Hochwasserschweb-stoffen nicht nur für aquatische Systeme.

0 500 1000 1500 2000 2500

29.Oct 30.Oct 31.Oct 1.Nov 2.Nov 3.Nov m3/sec

Heidelberg

Discharge

Lauffen flood 1995/96

all 10 years all 20 years

all 5 years

annual flood

Recurrence intervals Heidelberg

Mean discharges (MQ):

Heidelberg: 147 m³/sec Lauffen: 88 m³/sec

Abb. 7.10. Abflüsse während des Neckarhochwassers im Oktober/November 1998 in Heidelberg und Lauffen. Recurrence intervals: Statistische Wiederkehrwahrscheinlichkeiten für Heidelberg.

Das untersuchte Hochwasser besaß mit fast 2000 m³/sec einen mehr als dreimal höheren Scheitelabfluss als das 1995/96 untersuchte Winterhochwasser, für das ein deutliches Schä-digungspotenzial festgestellt werden konnte (Hollert & Braunbeck 1997, Hollert et al. 1999). Das untersuchte Hochwasser entsprach in Heidelberg in etwa einem 20-jährlichen Hochwasser und in Lauffen einem 5-jährlichen. MQ: Mittlerer Abfluss. Datengrundlage: Hochwasservorhersagezen-trale (HVZ, 1998) und Bundesanstalt für Gewässerkunde, unpublizierte Daten.

Abb. 7.9. Tagessummen der baden-württembergischen Niederschlagmessstationen vom 27. bis zum 31. Oktober 1998 (von links nach rechts); aus: HVZ (1998).

Conductivity

29.Oct 30.Oct 31.Oct 1.Nov 2.Nov 3.Nov µS/cm

29.Oct 30.Oct 31.Oct 1.Nov 2.Nov 3.Nov Adsorbable organic halogen (AOX)

w/o filtration

29.Oct 30.Oct 31.Oct 1.Nov 2.Nov 3.Nov mg/L

29.Oct 30.Oct 31.Oct 1.Nov 2.Nov 3.Nov TE/F

Discharge

Abb. 7.11. Gang verschiedener limnochemischer Parameter und Keimzahlen in Wasserproben während des Neckarhochwassers im Oktober/November 1999 bei Heidelberg. Bei der Trübung (Turbidity) ist zum Vergleich die Abflussganglinie am Pegel Heidelberg Karlstor ohne Skalierung dargestellt (für Werte siehe Abb. 7.10). Es sind weiterhin abgebildet: Leitfähigkeit (Conductivity), Kaliumpermanganat-Verbrauch (KMnO4-consumption) in filtrierten (w) und unfiltrierten (w/o) Wasserproben, adsorbierbare organische Halogenverbindungen (AOX), Schwebstoffkonzentrationen (Suspended particulate matter) spektrale Ab-sorptionskoeffizienten bei 254 nm (SAC254) aus zentrifugierten Wasserproben sowie Faekalcoli, Coliforme

29.Oct 30.Oct 31.Oct 1.Nov 2.Nov 3.Nov on Leifson plates black,

but no salmonells Kamamycin plates (Enterococcus)

Microorganisms in water samples II

29.Oct 30.Oct 31.Oct 1.Nov 2.Nov 3.Nov Microorganisms in water samples I

red colonies on MC plates (= fecalcoli und coliformes)

Extinction at 254 nm (SAC₂₅₄)

0,0

29.Oct 30.Oct 31.Oct 1.Nov 2.Nov 3.Nov Absorption

Anstieg der Octyl- und Nonylphenolkonzentrationen, aber auch der Phtalate um einen Faktor 10 bis 100 nachgewiesen werden (Abschnitt endokrine Wirksamkeit, Abb. 7.20). Die Konzentration organischer Halogenverbindungen wurde mit dem Summenparameter AOX in den filtrierten und un-filtrierten Wasserproben bestimmt. Die AOX-Zunahme während des Hochwasserpeaks (bis Güte-klasse III-IV, LAWA 1998) konnte zum größten Teil durch die Zunahme der Schwebstoffkonzentra-tionen in den Wasserproben erklärt werden (r nach Spearman von 0,8). Andererseits konnte das An-steigen des AOX in der unfiltrierten Probe vom 31.10. um 22 Uhr nicht alleine durch Schwebstoffkon-zentrationseffekte erklärt werden. Vielmehr war für den Schwebstoff dieser Probe von stark erhöhten Konzentrationen an organischen Halogenverbindungen auszugehen, so dass bei der Analyse der Bio-assay-Befunde diese Probe auf ein erhöhtes mutagenes und cytotoxisches Potenzial überprüft werden sollte. Bei den mikrobiologischen Untersuchungen (durchgeführt und freundlicherweise zur Verfü-gung gestellt von Herrn Dürr und Herrn Kaiser, Hygiene-Institute, Halle & Heidelberg) konnten stark erhöhte Anzahlen an Fäkalindikatoren während des Hochwasserpeaks (Enterococcus) und über das gesamte Hochwasser (Faekalcoli und Coliforme) nachgewiesen werden. Dies weist darauf hin, dass ungeklärtes Abwasser über Entlastungen der Kläranlagen während des gesamten Hochwassers einge-leitet wurde.

Schwermetallbelastung. Es wurden insgesamt 35 filtrierte Wasserproben, die am Wieblinger Wehr bei Heidelberg entnommen wurden, auf die Schwermetalle Kupfer, Blei, Chrom und Cadmium unter-sucht. Die ermittelten Konzentrationen lagen bei den Elementen Pb, Cr und Cd jeweils unter den Ziel-vorgaben für den gestauten Neckar (5 µg/L Pb, 10 µg/L Cr und 0,3 mg/L Cd, LAWA 1998). Für Kupfer wurde die Zielvorgabe von 10 µg/L bei den Proben 29.10. 10 Uhr und 31.10. 10 Uhr jeweils mehr als zweifach überschritten. Somit konnte insgesamt nur eine geringe bis mäßige Schwermetall-belastung für die gelösten Wasserinhaltsstoffe ermittelt werden. Diese Befunde sind in Übereinstim-mung mit den Ergebnissen einer Untersuchung eines Neckarhochwassers mit einem Abfluss von 1100 m³/s im Januar1995 (LfU 1996) und dem mittleren Hochwasser im Dezember 1995/95 (Hollert

& Braunbeck 1997).

Die Schwermetallkonzentrationen der durch Filtration gewonnenen Schwebstoffe des Hochwassers im Oktober 1998 sind in Abb. 7.12 dargestellt. Die Gänge für die Elemente Cr, Cu, Zn und Ni korrelieren mit Korrelationskoeffizienten bis 0,65 relativ gut. Die größte Belastung war jeweils im Bereich des aufsteigenden Astes des Hochwassers kurz vor dem Scheitelpunkt nachzuweisen und ging einher mit dem Maximum der Schwebstofffracht. Auch die Konzentrationsprofile für Cd und Pb zeigten eine gute Übereinstimmung (r nach Spearman von 0,5), insbesondere bezüglich der Maximalwerte. Die Maxima für Pb und Cd konnten für den abfallenden Ast des Hochwassers nachgewiesen werden; die Cu-Konzentrationen erreichten in diesem Abschnitt ein zweites Maximum. Im Vergleich zum mitt-leren Hochwasser 1995/96 konnte für das Hochwasser im Oktober 1998 eine deutliche Erhöhung der Cr-, Cd- und Zn-Konzentrationen festgestellt werden (Tab. 7.1). Insbesondere bei Cadmium fällt eine Erhöhung des Mittelwertes von 1,1 mg/kg (1995/96) auf 3,2 mg/kg (1998) auf. Abb. 7.12 zeigt, dass stoßweise Konzentrationssprünge in der Cadmiumbelastung bis auf 28 mg/kg nachgewiesen werden konnten. In Abschnitt 7.1 konnte gezeigt werden, dass in der Stauhaltung Lauffen der Cadmium-Grenzwert zwischen Jung- und Altsedimenten bei 10,8 mg/kg liegt. Dieser Wert wurde von insgesamt vier Hochwasserschwebstoffproben überschritten. Da die Emissionen von Cd in den letzten Jahren deutlich zurück gegangen sind (Jensen & Bro-Rasmussen 1992), kann das stoßweise Auftreten von Cadmiumkonzentrationen über 10 mg/kg als deutlicher Hinweis auf eine Remobilisation von Altsedi-menten angesehen werden. Die Cadmiumbelastung der Hochwasserschwebstoffe wurde mit Hilfe des Klassifikationssystems der LAWA (1998) für Schwebstoffe bewertet. Dabei ergab sich eine mittlere Güteklasse von III für die Schwebstoffe. Vier Proben überschritten den Grenzwert für die Einordnung in die schlechteste Güteklasse IV. Bei allen anderen untersuchten Elementen wurden die höchsten Konzentrationen in die Güteklassen II-III oder III eingeordnet.

0 100 200 300