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Eintrags- und Wirkungspfade von Schwermetallen und Arsen in Flußaue-Systemen am Beispiel der Mulde zwischen Bitterfeld/Wolfen und Dessau, Sachsen-Anhalt
Brandt, Oliver
Im Rahmen des EU-Projekts PROTOWET* wurde, als Teil einer Feuchtgebiets-Ökosystemanalyse, von Juli 1996 bis Juni 1999 die Verteilung, Mobilität und Dynamik von Schwermetallen und Arsen in Böden und im Oberflächen-, Boden- und Grundwasser der Muldeaue bei Bitterfeld/Wolfen untersucht. Nach der Fertigstellung des Muldestaudamms 1979 und infolge des Rückbaus der Altindustrien im Ostteil Deutschlands nach 1989/90 hat sich die Schadstoffbilanz durch den Rückgang der Mulde-Schadstoffbelastung verändert. Demnach ist meist ein höheres Potential an mobilen Schwermetallen und Arsen in Bodenlösungen und Grundwasser als im Fließgewässer anzutreffen. Entsprechend berücksichtigten die Untersuchungen die saisonal stark variierende Hydrodynamik und Hydrochemie in lithofaziell, pedologisch und hydrogeomorphologisch unterschiedlichen Auebereichen sowie das Schadstoffverhalten während der Hochwasserphasen im März 1998, November 1998 und März 1999. Untersuchungen der Elementverteilung in humosen Oberbodenhorizonten der Muldeaue belegen die Existenz zweier Elementverteilungsmuster. Die Oberböden sind vorrangig durch die chemisch-metallurgische Industrie Bitterfeld/Wolfens mit Ag, Cr, Sn, W, V (Cu, Pb) und über den Muldeoberlauf aus dem Erzgebirge (Bergbau, Industrie) mit As, Cd, Cu, Ni, Pb, U und Zn belastet. Ältere Verteilungsmuster der Unterböden dokumentieren dagegen Einträge von Ag, Cr aus Bitterfeld/Wolfen und As, Cd, Cu, Ni, Pb, Sn und Zn aus dem Erzgebirgsraum. Hohe Bodengehalte in der Muldeaue waren insbesondere für die Elemente Cd (10 - 20 mg/kg), As (100 - 300 mg/kg), Cr (200 - 2000 mg/kg) und Zn (250 - 2500 mg/kg) nachweisbar, die bis in die Grundwasser-gesättigte Zone hinabreichen können. Die Gewässersedimente des Spittelwassers bei Bitterfeld/Wolfen sind extrem hoch mit Zn und die Uferbereiche mit Cr kontaminiert (Maximalwerte: Zn 10.044 mg/kg und Cr 10.117 mg/kg). Nach Überschwemmungen im März 1998 bestätigten hohe Cr-Konzentrationen von 0,44 - 0,17 mg/l in den Bodenlösungen die hohe Belastung der sandig-humosen und versauerten Bodenhorizonte (pH-Werte: 4 - 5). Hohe As-Konzentrationen von durchschnittlich 1,5 mg/l (max. 29 mg/l) sind die Folge mikrobiologisch gesteuerter Reduktionsprozesse im Boden- und Grundwasser stark anoxischer, Grundwasser-gesättigter Bereiche der Muldeaue. Elutions- und Extraktionsuntersuchungen an Bodenmaterial aus stark anoxischen Bereichen bestätigen zum Teil die hohe Arsenmobilität. Im Verlauf von Hochwasserphasen bewirken Sickerwasserzuflüsse vermutlich eine partielle Aufoxidation und einen Grundwassertransport von reduziertem As(III) in Richtung Mulde. Die As-Konzentrationen in der Mulde, benachbarter Grundwasserbereiche und Altarmgewässer korrelieren während der Hochwasserperioden signifikant miteinander. In schwach anoxisch bis oxischen Auebereichen verursachen Überschwemmungen einen Transport von Cd mit dem Sickerwasser. Das Schwermetall weist in den schwach gepufferten Oberböden der karbonatfreien Muldeaue bei pH-Werten zwischen 4,0 - 6,5 erhöhte Konzentrationen von 3 - 21 µg/l (Median) auf. Überschwemmungen und die Versickerung von sauerstoffreichem Oberflächenwasser haben in stark anoxischen Auebereichen eine Senkung des pH-Werts und Erhöhungen der Cd-Konzentration im Boden- und Grundwasser zur Folge. Höhere Cd-Konzentrationen im Grundwasser des Uferbereichs können auf Austauschprozesse zwischen der Infiltrationszone des Muldeufers und den hochbelasteten Gewässersedimenten zurückgeführt werden. Überschwemmungen in Auebereichen mit hoher Schadstoffmobilität führen zu höheren Austrägen von Schwermetallen und Arsen. Eingriffe in den Wasserhaushalt einer Flußaue durch Deiche/Wehre und unterschiedliche Nutzungen (Landwirtschaft, Kies-/Sandgewinnung) beeinflussen die Schadstoffmobilität und Wasserqualität. Die Folgen und mögliche Schutzmaßnahmen für Flußaue-Ökosysteme lassen sich durch eine detaillierte Gefährdungsanalyse zur Schadstoffdynamik ermitteln. *PROTOWET: Procedures for the Operationalisation of Techniques for the Functional Analysis of European Wetland Ecosystems (Kontakt-Nr.: ENV4-CT95-0060)
The distribution, mobility and dynamics of heavy metals and arsenic in soils/sediments and the aquatic environment in wetlands of the River Mulde were investigated during the period June 1996 - July 1999, under the scope of the European wetland ecosystem research project PROTOWET* . The relationships of element input/output changed due to the decrease of River Mulde pollution resulting from the completion of the River Mulde Dam (1979) and the shutdown of old industrial facilities in Eastern Germany after 1989/90. Therefore the potential of mobile phases of investigated pollutants is particularly higher in soil solutions and groundwater of wetland areas than in river water. The field investigations in differing wetland areas (lithofacies, soils, morphology) consider the seasonal variable hydrodynamics and hydrochemistry as well as the element behaviour during inundations in March 1998, November 1998 and March 1999, respectively. The element distribution in humose topsoils represents different element patterns. On the one hand, the River Mulde is affected by pollution from the chemical and metal industry in Bitterfeld/Wolfen (Ag, Cr, Sn, W, V) and secondly by the input from mining and metal industry in the Ore Mountains of Saxony (As, Cd, Cu, Ni, Pb, U, Zn). Subsoil layers represent an older historical impact from Bitterfeld/Wolfen (Ag, Cr) and from upstream tributaries in the Ore Mountains (As, Cd, Cu, Ni, Pb, Sn, Zn). High concentrations of Cd (10 - 20 mg/kg), As (100 - 300 mg/kg), Cr (200 - 2000 mg/kg) and Zn (250 - 2500 mg/kg) were measured in topsoils and partially in waterlogged subsoils. River sediments of Spittelwasser (Bitterfeld/Wolfen) represent high concentrations of Zn up to 10044 mg/kg. Topsoils of natural levees contain Cr up to 10117 mg/kg. After the inundation in March 1998 Cr-concentrations in solutions of sandy and acid topsoils (pH 4 - 5) range from 0.17 to 0.44 mg/l. High As-concentrations of 1.5 mg/l (max. 29 mg/l) in soil solution and groundwater result from microbially controlled reduction processes in waterlogged and anoxic subsoils of River Mulde wetlands. Investigations of the element mobility in anoxic soils represent a comparable behaviour of As. Floods control the groundwater infiltration, which partially effects oxidation and movement of As(III)-species. During inundations the As-Concentration in River Mulde correlate with concentrations in adjacent groundwater zones and ox-bow lakes. The floodwater infiltration in weak anoxic-oxic wetland soils controls the Cd-transport. Weakly buffered, acid topsoils (pH 4.0 - 6.5) represent Cd-concentrations of 3 - 21 µg/l (Median). Cd-concentrations in the aquatic environment of strongly anoxic wetland soils increase during the infiltration of oxygen-rich seepage water. Higher Cd-concentrations in the groundwater area of the River Mulde bank result most likely from interactions between infiltration zones and contaminated river sediments. Inundations increase the removal of heavy metals and arsenic in wetland areas forming a high potential of mobile pollutants. Additionally, floodwater regulation by dams/weirs and land use (agriculture, gravel extraction) influences the mobility of pollutants and also the water quality. A risk assessment for a better understanding of heavy metal and arsenic dynamics represents a decision-making tool for the protection of river marginal wetland ecosystems. *PROTOWET: Procedures for the Operationalisation of Techniques for the Functional Analysis of European Wetland Ecosystems (Contract-nr. ENV4-CT95-0060)
