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Bestimmung von Hintergrundwerten, Regionalisierung von Beschaffenheitsdaten und Ableitung von Schwellenwerten für das Grundwasser Sachsen-Anhalts gemäß der Grundwasserrichtlinie der EU Dr. Stephan Hannappel 1, Dipl. Ing. Angela Scheibner 2, Dipl. Ing. (FH) Eike Barthel 2 & Dr. Rolf Kater 3 1 HYDOR Consult GmbH, Am Borsigturm 40, 13507 Berlin, [email protected] 2 Landesbetrieb für Hochwasserschutz und Wasserwirtschaft (LHW) Sachsen-Anhalt, Willi-Brundert-Str. 14, 06132 Halle (Saale), [email protected], [email protected] 3 Landesamt für Geologie und Bergwesen Sachsen-Anhalt, Köthener Straße 38, 06118 Halle (Saale), [email protected] ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ Zielstellung Ziel der europäischen Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) ist es, nach einheitlichen Kriterien für das Grundwasser einen guten chemischen Zustand zu erreichen bzw. zu bewahren. Die „Richtlinie des europäischen Parlamentes und des Rates zum Schutz des Grundwassers vor Verschmutzung und Verschlechterung“ (GWTR) präzisiert diese Zielstellung durch konkrete Kriterien, anhand derer der „gute chemische Zustand“ zu erreichen ist. Zur Erfüllung der Aufgaben, sind detaillierte fachspezifische Bewertungen erforderlich. Hierzu zählen u. a. die Ermittlung der aktuellen und flächenhaften chemischen Konzentrationen im Grundwasser im Verhältnis zu den im Anhang I der GWTR aufgeführten Grundwasserqualitätsnormen und Schwellenwerten. Diese orientieren sich an dem Schutz des Grundwasserkörpers unter besonderer Berücksichtigung seiner Auswirkungen auf verbundene Oberflächengewässer und davon unmittelbar abhängende terrestrische Ökosysteme und Feuchtgebiete. Eine bedeutende Grundlage bilden die Hintergrundwerte, die in Abhängigkeit von den hydrogeologischen Verhältnissen das weitestgehend natürliche und anthropogen unbeeinflusste Grundwasser charakterisieren. Die festzulegenden Hintergrundwerte stellen ein wichtiges Kriterium bei der Aufstellung von Monitoring- und Maßnahmeplänen dar. Sie bilden darüber hinaus die Grundlage für die Festlegung von grundwasserkörperbezogenen Schwellenwerten zur Beurteilung von Grundwasserschäden (LAWA 2007, BMU 2008). Die für das Grundwasser in Sachsen-Anhalt ermittelten natürlichen Hintergrundwerte wurden über rangstatistische Methoden erarbeitet (HYDOR 2008). Des Weiteren wurde für typische Parameter der diffusen Belastung eine Regionalisierung durchgeführt. Anschließend wurden für jeden Grundwasserkörper die Schwellenwerte berechnet, anhand derer anschließend der „gute chemische Zustand“ des Grundwasserköpers ermittelt werden konnte. Datenbasis Hintergrundgehalte Die Bearbeitung geschah mit digital verfügbaren punktbezogenen Daten aus Beständen des LHW und des Landesamtes für Geologie und Bergbau (LAGB). Sie basierten einerseits auf punktbezogenen Daten zu Grundwasseraufschlüssen (s. Abb. 1) und andererseits auf flächenbezogenen Daten zur Verbreitung hydrogeochemisch relevanter und wasserwirtschaftlich genutzter Einheiten bzw. Grundwasserleiter in Sachsen-Anhalt. Diese wurden vor der statistischen Auswertung der punktbezogenen Daten flächenhaft ausgewiesen. Sie dienten dann als raumbezogene Grundlage für die Ermittlung der Hintergrundgehalte. Der hydrochemische Bezug wurde bei der Ausweisung beachtet. Grundwasserleiter, deren geochemische Eigenschaften einen relevanten Einfluss auf die Beschaffenheitsentwicklung des Grundwassers erwarten lassen, wurden dementsprechend besonders beachtet. Für die Ausweisung wurden bisher vorhandene und räumlich in Sachsen-Anhalt ausgewiesene Einheiten (z. B. hydrogeologische Räume, Einheiten der HK 50) verwendet. Die Ausweisung der 14 Bezugseinheiten wurde seitens des LAGB vorgenommen (s. Abb. 1): 4_2104 4_2105 4_2106 4_2107 4_2108 5_0307 5_0310 5_0311 5_0312 EL 3-1 EL 3-3 EL 3-4 EN 1 EN 2 EN 3 HAV_DJ_1 HAV_UH_4 HAV_UH_5 HAV_UH_6 HAV_UH_7 HAV_UH_8 MBA 1 MBA 2 MBA 3 MBA 4 NI10_03 NI10_04 OT 1 OT 2 OT 3 OT 4 OT 5 SAL GW 008 SAL GW 012 SAL GW 014 SAL GW 014a SAL GW 015 SAL GW 016 SAL GW 017 SAL GW 018 SAL GW 019 SAL GW 020 SAL GW 021 SAL GW 022 SAL GW 023 SAL GW 034 SAL GW 038 SAL GW 039 SAL GW 041 SAL GW 042 SAL GW 048 SAL GW 051 SAL GW 063 SAL GW 064 SAL GW 065 SAL GW 066 SAL GW 067 SE 4-2 SE 5 VM 2-1 VM 2-2 VM 2-3 VM 2-4 Niederterrasse Aufschüttung ebenfalls bereits in einer Reihe weiterer Bundesländer eingesetzt worden ist (Mecklenburg-Vorpommern, Brandenburg, Sachsen), ermittelt wurden. Abb. 6 zeigt exemplarisch das Ergebnis für Nitrat: bas. Magmatite saure Magm. GB karb. GB silikatisch karbonat. WF silikat. WF Buntsandstein Muschelkalk Tertiär glazifl. S. & K. bedeckte GWL Nord unbedeckte GWL Nord fluviatile GWL Nord 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Flächenanteil des GWK (in %) Abb. 3: Relative Flächenanteile der 14 hydrogeologischen Bezugseinheiten innerhalb der 77 Grundwasserkörper des Landes „… aus anthropogen nicht wesentlich veränderten Böden und Gesteinen aufgenommen wurde“. Als solche gelten Böden und Gesteine, „…die der normalen, für eine Jahrhunderte alte Kulturlandschaft typischen Überprägung unterliegen“. Diese Definition unterscheidet sich vom bisher gebräuchlichen Verständnis durch die Einbeziehung einer anthropogenen Überprägungskomponente. Sie be-sagt allerdings auch, dass der betreffende Stoffgehalt aus nicht „wesentlich veränderten Böden und Gesteinen“ stammen muss. Die Frage ist also z. B., ob hohe Nitratgehalte vor allem aus dem natürlichen Stoffinhalt der Böden und Gesteine stammen oder von außen zugeführt wurden. Für diesen Stoff ist davon auszugehen, dass der Stickstoff nicht aus den Böden und Gesteinen selbst stammt, sondern aus anthropogen zugeführten Komponenten. Deswegen können also aktuell hohe Nitratgehalte eindeutig als anthropogene Belastungen interpretiert werden. Als rein „natürlich“ wären diese Werte nur dann zu interpretieren, wenn sie aus den Böden und Gesteinen selbst stammen und durch Aktivitäten des Menschen lediglich verstärkt mobilisiert worden sind. Zur Ableitung konzentrations- und parameterbezogener Spannweiten der Hintergrundwerte wurde ein rangstatistisches Verfahren (s. Abb. 4) entwickelt und eingesetzt, das in einem iterativen Ablauf (s. Abb. 5) jeweils charakteristische „Beeinflussungstypen“ postuliert und Analysen aus der Datenbasis aussondert, die oberhalb bestimmter Schwellenwerte von Leitparametern liegen, die als typisch für die Beeinflussung angesehen werden. Analysebezogene Datenbasis: rangstatistische Bewertung Abb. 6: Flächenhafte Konzentrationen von Nitrat im Ergebnis der geostatistischen Regionalisierung mit SIMIK+ Die Ergebnisse der Regionalisierung dienten anschließend als Grundlage zur Ermittlung des chemischen Zustandes der 77 Grundwasserkörper des Landes. Hierbei wurde dem seitens der LAWA und des BMU empfohlenen Ansatz gefolgt, indem die Flächengrößen pro Körper ermittelt wurden, innerhalb derer die Konzentrationen der Stoffe, für die nach der Grundwasserrichtlinie Schwellenwerte festzulegen sind, oberhalb dieser Werte liegen. Lagen die vorher ermittelten Hintergrundwerte in den hydrogeologischen Bezugseinheiten über den Schwellenwerten, wurden letztere bei dieser Analyse entsprechend angehoben, so dass den hydrogeologischen Besonderheiten in einigen Landesteilen Rechnung getragen werden konnte. Analyse pro hydrogeologischer Bezugseinheit von GFS-Werte > Hintergrundwerte nein ja NO3 Qualitätsnorm 50mg/l Messstellen bezogene Datenbasis: Benutzung mit KONTA SO4 NH4 Cl GFS-Wert = Schwellenwert Hintergrundwert pro BZE = SW Hydrochemische Beeinflussung ja Prüfung anthropogener Einflüsse nein nein Unbeeinflusste Analyse ja 10% Kriterium ja Prüfung geogener Einflüsse nein Flächengröße mit überschrittenem SW pro GWK > 25 km² pro Stoff Selektierung Aussortierung Regionalisierung ja ja GWK im schlechten Zustand nein Vergleich Spannweiten unbeeinflusster Analysen Messstellenbezogene Spannweite GWK im guten Zustand Abb. 7: Schema zur Bewertung der Grundwasserkörper Spannweite Hintergrundgehalte Im Anschluss an dieses für vier Parameter durchgeführte Verfahren wurde eine parameterübergreifende Aggregierung der Zustandsbewertung vorgenommen. Dabei zeigte sich, dass nach dieser Methode 36 der 77 Körper im “schlechten” Zustand (s. Abb. 8) sind, so dass hier jeweils Maßnahmen ergriffen werden müssten. Für weitere in der Richtlinie aufgeführte Stoffe (Pflanzenschutzmittel, Chlorkohlenwasserstoffe und Spurenelemente) konnte diese Analyse bisher mangels einer ausreichenden Datengrundlage nicht durchgeführt werden. Abb. 4: Schema der Methodik zur Ausweisung der Hintergrundgehalte 7958 Analysen Weitere Verwertung Ausschluss nein nein Ionenbilanz > 10% Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Ammonium, Nitrat, Carbonat, Chlor, Sulfat ja 692 7266 nein Schwermetalle Messwert >90-Perzentil von Arsen, Cadmium, Chrom, Kupfer, Quecksilber, Nickel, Bor, Blei pH-Wert nach TWVO ja 881 6385 nein Versauerung Messwert >10-Perzentil von pH-Wert, Aluminium gelöst nach LAWA ja 557 5828 nein Nährstoffe Messwert >90-Perzentil von Stickstoffdioxid, Ammonium, Phosphat Messwert >75-Perzentil von Nitrat ja 1928 3900 Abb. 1: Vierzehn hydrogeologische Bezugseinheiten in Sachsen-Anhalt nein Die Ausweisung lehnt sich methodisch an die Bezugseinheiten der bundesweiten Bestimmung der „natürlichen, ubiquitär überprägten Grundwasserbeschaffenheit“ (KUNKEL et al. 2004) an, berücksichtigte aber auch die landesspezifschen Gegebenheiten und nicht zuletzt die tatsächlich vorhandene Datenbasis. 1400 14 1200 12 11 602 Unspezifisch beeinflusst Messwert >90-Perzentil von gelöstem organisch gebundenem Kohlenstoff, Leitfähigkeit, Chlor, Sulfat Messwert >84,1-Perzentil von Kalium ja 864 2434 Analysen zur Bestimmung der Hintergrundwerte Die Aufbereitung der punktbezogenen Datenbasis umfasste u. a. messwertbezogene Plausibilitätsprüfungen, die Ermittlung von Ionenbilanzabweichungen und die Eliminierung von Analysen mit einer Abweichung > 10 % Ionenbilanzfehler. Außerdem wurden parameterbezogen die hydrochemischen Unterschiede zwischen den Bezugseinheiten analysiert (s. Abb. 2) und die Vielfalt der Bezugs13 ja 3298 Aufbereitung der Datenbasis 15 Versalzung Messwert >90-Perzentil von Sulfat, Chlor, Leitfähigkeit 1000 10 Abb. 5: Ablauf des iterativen rangstatistischern Verfahrens der Beeinflussungstypen Das Verfahren wurde bereits in einer Reihe von Ländern für überregionale Fragestellungen eingesetzt (LUA 1996, Lückstädt et al. 2004, HYDOR 2006, KUHN et al. 2007). Mit den 2434 Grundwasseranalysen wurden anschließend die Spannweiten der Hintergrundwerte für etwa 30 Parameter festgelegt. Tab. 1 zeigt diese differenziert nach den hydrogeologischen Bezugseinheiten. Abb. 8: Parameterübergreifende Aggregierung der Bewertung des chemischen Zustandes 9 800 8 Tab. 1: Spannweiten der natürlichen Grundwasserbeschaffenheit 7 6 Hydrogeologische Bezugseinheit Ammonium Nitrat Chlorid Sulfat mg/l mg/l mg/l mg/l Quartär Nordraum < 10 m 0,03 - 0,50 0,2 - 3,7 3 - 73 55 - 197 Quartär Nordraum 10 - 25 m 0,39 - 0,30 0,1 - 1,8 9 - 60 189 - 122 Quartär Nordraum > 25 m 0,07 - 0,20 0,1 - 0,7 1 - 53 8 - 100 Niederterrasse 0,02 - 0,90 0,1 - 13,0 40 - 427 246 - 625 glazifluviatile Sande & Kiese 0,02 - 0,40 0,1 - 14,0 18 - 166 167 - 506 Tertiär 0,09 - 1,40 0,1 - 1,0 19 - 178 38 - 512 Muschelkalk 0,02 - 0,06 0,1 - 10,9 28 - 144 154 - 543 Buntsandstein (su & sm) 0,02 - 0,08 0,1 - 8,4 12 - 83 30 - 229 silikatische Wechselfolgen 0,02 - 0,35 0,1 - 7,6 11 - 105 82 - 520 Abb. 2: Parameterbezogene Konzentrationsunterschiede zwischen den 14 ausgewählten karbonatische Wechselfolgen 0,02 - 0,05 13,9 - 7,7 20 - 87 112 - 700 hydrogeologischen Bezugseinheiten Grundgebirge silikatisch 0,02 - 0,03 2,0 - 14,0 5 - 22 27 - 121 Grundgebirge karbonatisch 0,01 - 0,02 2,3 - 8,7 19 - 58 9 - 123 saure Magmatite 0,01 - 0,03 - 8,0 - 37 8 - 16 - 0,1 - 2,7 0,3 - 7,4 48 - 65 5 Einheit 400 4 2 200 0 F Wte e ati chm tisag aM te one itne rbch ate m ksais dmi G aeg e ba . S nt tM rea ime oun srba ed n ka . S t ei st ika ika sil nd sil sa u. k nd ne kal Bu tei hel Kie s c nd us e &L rau Sa M ndGWord u Sare Nsenra ifl. tiä Las ord u az er Wrr N ra gl tre Grte L ord tä d e W N ar ie e G L qu Nrtär GW a e qu rtär a qu 1 0 Sulfat mg/l 3 F Wtite he a iscgm at a on M titeeb. rb h e a kaisc m. G d s g e a ba . MS e t. eb unr a G srbao d. Se ka in t. te ds ika F sil san kW nd kta.l Bu liekla ie K cshi us. e &L t. M d Ss an GW n S re e ifl. tiä ss az er ra m gl t rter 25 > e ed m 5m Ni rau <2 rd um 10m No ra < rd um No dra r No Sauerstoff mg/l der Grundwasserkörper 600 einheiten innerhalb der 77 ausgewiesenen „Grundwasserkörper“ des Landes Sachsen-Anhalt ermittelt (s. Abb. 3). Letztere stellen das zentrale räumliche Gliederungselement zur Umsetzung der Aufgaben der wasserrahmen- und Grundwasserrichtlinie für die nächsten Jahre dar. Ermittlung der Hintergrundwerte Für die Bestimmung der Hintergrundwerte war es notwendig, ein landesspezifisches Verfahren zu entwickeln, da hierzu länderübergreifend in Deutschland keine Methoden existieren. Unter dem Begriff „Hintergrundwerte“ i. S. von „natürlicher Grundwasserbeschaffenheit“ wurde auf die Begriffsdefinition des ATVDVWK/DVGW-Projektkreises „Natürliche Grundwasserbeschaffenheit“ zurück gegriffen, die in SCHENK (2003) veröffentlicht ist. Danach weist ein Grundwasser eine natürliche Beschaffenheit auf, wenn sein Stoffgehalt: basische Magmatite Regionalisierung ausgewählter Parameter Anschließend wurde für fünf typische Inhaltsstoffe des diffus wirksamen Eintrages (Nitrat, Ammonium, Chlorid, Sulfat und Kalium) eine geostatistisch basierte Regionalisierung der Beschaffenheitsdaten auf Grundlage einer - mit Daten vom LAGB - erweiterten Datenbasis vorgenommen. Im Ergebnis stehen flächenbezogene Angaben zu den Konzentrationen der Stoffe, die mittels des in Baden-Württemberg entwickelten Programms SIMIK+ (Bardossy et al 1997), das Literatur BÁRDOSSY, A., U. HABERLANDT UND J. GRIMM-STRELE (1997): Interpolation of Groundwater Quality Parameters Using Additional Information, geoENV I - Geostatistics for Environmental Applications, Kluver Academic Publishers. BMU (2008): Verordnung zur Umsetzung der Richtlinie zum Schutz des Grundwassers vor Verschmutzung und Verschlechterung.- Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Entwurf, Stand: 18.01.2008 (unveröff.) HYDOR (2006): Methodik zur chemischen Charakterisierung von Grundwasserkörpern nach den Vorgaben der Wasserrahmenrichtlinie durch Grundwassermessstellen.- FuE-Bericht im Auftrag des Sächsischen Landesamtes für Umwelt und Geologie, Radebeul (unveröff.) HYDOR (2008): Bestimmung von Hintergrundwerten für das Grundwasser Sachsen-Anhalts einschließlich Regionalisierung und Ableitung von Schwellenwerten.- Bericht an den Landesbetrieb für Hochwasserschutz und Wasserwirtschaft, Halle (unveröff.) KUHN, K., LANKAU, R., HANNAPPEL, S. & B. GABRIEL (2007): Grundwassermonitoring gemäß WRRL in Sachsen unter Nutzung von Beschaffenheitsmustern.- Wasser & Abfall, Heft 1/07, Wiesbaden. KUNKEL, R., VOIGT, H.-J., WENDLAND, F. & S. HANNAPPEL (2004): Die natürliche, ubiquitär überprägte Grundwasserbeschaffenheit in Deutschland.- Schriftenreihe des Forschungszentrums Jülich, Reihe Umwelt, Band 47, ISBN 3-89336-353-X, Jülich. LAWA (2007): Fachliche Umsetzung der Grundwasser-Tochterrichtlinie Sachstandsbericht LAWA – Unterausschuss, Stand: 15.03.2007 (GWTR), LUA (1996): Basisbericht zur Grundwassergüte von Brandenburg.- Hrsg.: Landesumweltamt Brandenburg, Fachbeiträge, Titelreihe Nr. 15, Potsdam. LÜCKSTÄDT, M., BUSSE, W. & S. HANNAPPEL (2004): Grundwasser.- In: Geologie von Mecklenburg-Vorpommern (Hrsg.: G. Katzung, 580 S., ISBN 3-510-65210-X), E. Schweizerbart’sche Verlagsbuch-handlung, Stuttgart. SCHENK, V. (2003): Natürliche Grundwasserbeschaffenheit. Definition und Abgrenzung gegen verwandte Begriffe. Grundwasser, 8 (2), 122-124, Hannover.
