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Urbane Beeinflussung des Grundwassers: Stoffemissionen und -immissionen am Beispiel Darmstadts

Beier, Meike :
Urbane Beeinflussung des Grundwassers: Stoffemissionen und -immissionen am Beispiel Darmstadts.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Titelblatt, Kurzfassung/Abstract, Danksagung, Inhalt, Abkuerzungen, Kapitel 1-5 - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Urbane Beeinflussung des Grundwassers: Stoffemissionen und -immissionen am Beispiel Darmstadts
Language: German
Abstract:

Die quantitative und qualitative Beeinflussung des Grundwassers durch Städte ist weltweit ein Problem. Die komplexen Prozesse und insbesondere die Frage der Quantifizierung des urbanen Einflusses sind bislang nicht ausreichend erforscht. In einer Fallstudie über das Stadtgebiet Darmstadt (138.000 Einwohner, 37 km² Siedlungsfläche, Poren- und Kluftgrundwasserleiter) wurden daher die Auswirkungen urbaner Nutzung auf das Grundwasser umfassend betrachtet und integrativ quantifiziert. Anthropogene Einflüsse wirken sich sowohl auf den langfristigen Trend als auch den Jahresgang der Grundwasserstandsganglinien in Darmstadt aus. Entnahmen, künstliche Infiltration und vermutlich Versiegelung bewirken ein langfristiges Absinken oder Ansteigen des Grundwasserstandes. Der jahreszeitliche Zyklus wird durch Oberflächenversiegelung gedämpft und um mehrere Monate verschoben. Aus den Ganglinien wurde die direkte Grundwasserneubildung ermittelt. In hochgradig versiegelten Bereichen ist die natürliche Grundwasserneubildungshöhe von 170 mm/a auf unter 50 mm/a verringert. Auf das gesamte Siedlungsgebiet bezogen ist die direkte Grundwasserneubildung um 41 % oder 70 mm/a reduziert. Die künstlichen Komponenten des urbanen Grundwasserhaushaltes wurden abgeschätzt und betragen +13 mm/a durch Trinkwasserverluste, +38 mm/a durch Abwasserexfiltration, -48 mm/a durch Drainage durch Kanäle und -26 mm/a durch Entnahmen. Im Vergleich zur natürlichen Situation fehlen im Grundwasserhaushalt des Stadtgebietes Darmstadt 93 mm/a oder 55 % des Wassers. Auf Basis dieser Abschätzung wurden die Stoffemissionen durch Niederschlag, Streusalzeintrag sowie Abwasser- und Trinkwasserexfiltrationen in Darmstadt quantifiziert. Abwasser hat insgesamt den größten Anteil an den urbanen Emissionen, Trinkwasser den geringsten. Durch Abwasserexfiltrationen werden insbesondere CSB, Cl-, HCO3-, SO42-, NH4+, Nges, PO43-, Na+, Ca2+ und K+ eingetragen. Streusalz trägt hauptsächlich Cl- und Na+, untergeordnet Mg2+, bei. Der Niederschlagseintrag wird von H+, CSB, HCO3-, SO42-, NO3-, NO2-, Nges, Ca2+ und Na+ dominiert. Bei den Emissionen durch Trinkwasserverluste spielen HCO3-, SO42-, NO3-, Ca2+ und Mg2+ die größte Rolle. Die größten Beträge bei den urbanen Gesamtemissionen erreichen HCO3- mit 17 t/(a*km²), Cl- und CSB mit etwa 6 t/(a*km²) sowie Ca2+, Na+ und SO42- mit etwa 4 t/(a*km²). Relevant sind aufgrund der niedrigen natürlichen Grundwasserkonzentrationen außerdem K+ und NO3- mit 0,6 bzw. 0,5 t/(a*km²) sowie NH4+ und PO43- mit 1042 bzw. 452 kg/(a*km²). Die Grundwasserkonzentrationen in Darmstadt sind aufgrund natürlicher Unterschiede in den verschiedenen Grundwasserleitern und der Belastung durch die unterschiedlichen Nutzungsarten räumlich sehr heterogen, aber zeitlich insgesamt stabil. Ausgeprägte und vielfältige Kontaminationen liegen insbesondere im Industrie-/Gewerbegebiet vor. Die Stadtkerne von Darmstadt und eines Vorortes sind von Abwasserexfiltrationen betroffen, mit erhöhten Konzentrationen von Stickstoff, Cl-, K+, B, PO43-, EDTA und D-Limonen. Durch den Streusalzeinfluss verschiebt sich der hydrochemische Wassertyp in der Stadt von Ca-HCO3- zu Na/K- und Cl-Dominanz. Unter Grünflächen bzw. aufgelockerter Besiedlung sinken Leitfähigkeit, Temperatur und Cl- ab, NO3-, K+, PO43- und PBSM steigen dagegen an. Weitere Einflüsse auf die Grundwasserbeschaffenheit umfassen Auslaugung von Bauschutt, Altlasten, Verkehrswege, Regenüberläufe und Deponien. Die Konzentrationen in vielen innerstädtischen Messstellen überschreiten die Trinkwassergrenzwerte; problematisch ist insbesondere NO3-. Durch Auswertung der Korrelationskoeffizienten und eine Faktorenanalyse konnten Gruppen von Parametern ermittelt werden, die aus gemeinsamen Quellen stammen. Die carbonatischen Parameter werden aus dem Grundwasserleiter mobilisiert, aber zusätzlich von anthropogenen Faktoren beeinflusst (Bauschutt, Redoxprozesse). Salzeintrag (Cl-, Na+, Mg2+) kann isoliert über Streusalz oder in Kombination mit Abwasserexfiltrationen erfolgen. Die durch Abwassereinfluss erhöhten Parameter T, PO43-, B und K+ sind mit den Indikatoren für reduzierende Bedingungen Mn und NO2- verknüpft. NO3- tritt separat davon im Zusammenhang mit oxidierten Bedingungen auf. Die beprobten Messstellen wurden zu drei N-S verlaufenden Messstreifen zusammengefasst, die Anstrom, Stadtmitte und Abstrom integral erfassen. Die Zahlenwerte der meisten Parameter steigen vom Anstrom zur Stadt an und bleiben im Abstrom konstant oder sinken wieder ab. Durch statistische Auswertung der nach Nutzungsattributen und geologischer Formation gruppierten Proben konnten die Parameter den Einflussfaktoren zugeordnet werden. Kruskal-Wallis-Tests ergaben, dass der anthropogene Einfluss auf die Grundwasserbeschaffenheit in Darmstadt stärker ist bzw. mehr Parameter betrifft als die geogenen Faktoren. Die höchsten Messwerte werden in der Regel bei urbaner Nutzung und im quartären Grundwasserleiter erreicht, die niedrigsten bei Forstwirtschaft und im Kristallin. Mittels Clusteranalysen wurden verschiedene urbane Belastungstypen ermittelt, die in unterschiedlichen Ausprägungen auftreten, sowie nach geologischer Formation untergliederte Hintergrundtypen. Die Stoffflussbilanzierung und Ermittlung der urbanen Immissionen erfolgte basierend auf einem Grundwasserströmungsmodell und einem Kontrollebenenkonzept pauschal für das gesamte Stadtgebiet und räumlich differenzierend in einzelnen Bilanzzonen. Die Immissionen sind räumlich sehr heterogen. Negative Bilanzen im Abstrom der Stadt werden auf ein Abtauchen der Schadstofffahne zurückgeführt. Die meisten Parameter werden vorwiegend in der Stadt eingetragen, Carbonat, NO3- und PO43- jedoch stärker über die Landwirtschaft. Innerstädtisch erfolgen die Immissionen der meisten Parameter überwiegend bei industrieller Nutzung. Bei PO43-, K+, CSB, NO3- und Nges ist der Eintrag durch Siedlungsgebiete jedoch gleichbedeutend oder dominant. Die größten Beträge bei den Gesamtimmissionen erreichen HCO3- mit 32 und SO42- mit 22 t/(a*km²). Im Bereich von 8-12 t/(a*km²) liegen die Immissionen von CO2, Cl-, Na+ und Ca2+. NO3- und K+ werden in einer Menge von etwa 3 t/(a*km²) eingetragen. Weitere bedeutende urbane Stoffe sind CSB mit 1 t/(a*km²) sowie NH4+ mit 172, PO43- mit 81, EDTA mit 2,2 und PAK mit 11 kg/(a*km²). Aus der Gegenüberstellung von urbanen Gesamtimmissionen und Emissionen ging hervor, dass die meisten Parameter zusätzlich aus bei der Emissionsabschätzung nicht berücksichtigten Quellen eingetragen werden (Industrie, Düngung, Altlasten, Bauschutt, Redoxprozesse, Verkehr, Ionenaustausch, zusätzlicher atmosphärischer Eintrag). Rückhalt bzw. Abbau erfolgt bei H+, CSB, NO2-, NH4+, PO43- und F-. Die neu entwickelte Methode zur Stoffbilanzierung und Ermittlung der urbanen Immissionen aus den Grundwasserkonzentrationen ist ein geeignetes Werkzeug, um Emissionsabschätzungen zu verifizieren. Somit ermöglicht sie Rückschlüsse auf zusätzliche Stoffquellen und -senken und kann zu einem besseren Verständnis der hydrogeologischen und hydrochemischen Prozesse in urbanen Räumen beitragen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The influence of cities on the quantity and quality of the groundwater is a world-wide problem. The complex processes below cities and the quantification of the urban impact have not yet been exhaustively researched. Thus, in a case study of the city of Darmstadt (138.000 inhabitants, 37 km² of settlement area, porous and fractured aquifers), a comprehensive analysis and an integrative quantification of the effects of urban land use on the groundwater were carried out. Anthropogenic influences affect both the long-term trend and the seasonal variation of the hydrographs in Darmstadt. Groundwater abstraction, artificial infiltration and presumably surface sealing cause a long-term decline or increase of the groundwater level. The seasonal variation is damped and delayed by several months due to surface sealing. From the hydrographs, direct recharge from precipitation was determined. In intensely sealed areas, the recharge is reduced from 170 mm/a to 50 mm/a. Applied to the whole settlement area, direct recharge is reduced by 41 % or 70 mm/a. The artificial components of the urban groundwater balance were estimated. They amount to +13 mm/a by leaking water mains, +38 mm/a by exfiltration of sewage, -48 mm/a by infiltration into sewers and -26 mm/a by groundwater abstraction. Compared to the natural situation, the groundwater balance of the city of Darmstadt is reduced by 93 mm/a or 55 %. Based on this estimation, the urban input into the groundwater via precipitation, road salting, and exfiltration of sewage and drinking water was quantified. Sewage provides the biggest portion of these urban emissions, drinking water the smallest. Leaking sewers emit COD, Cl-, HCO3-, SO42-, NH4+, Ntot, PO43-, Na+, Ca2+ and K+ into the groundwater. Road salt contributes mainly Cl- and Na+, secondarily Mg2+. Input via precipitation is dominated by H+, COD, HCO3-, SO42-, NO3-, NO2-, Ntot, Ca2+ and Na+. HCO3-, SO42-, NO3-, Ca2+ and Mg2+ are the most important constituents of the emissions from water mains. The biggest amounts of the total urban emissions are contributed by HCO3- with 17 t/(a*km²), Cl- and COD with ca. 6 t/(a*km²) and Ca2+, Na+ and SO42- with ca. 4 t/(a*km²). Due to the low natural concentrations in groundwater, K+ and NO3- with 0,6 and 0,5 t/(a*km²) and NH4+ and PO43- with 1042 and 452 kg/(a*km²), respectively, are relevant as well. The groundwater concentrations in Darmstadt are temporally stable, but spatially heterogeneous due to natural differences between the aquifers and the pollution caused by different land use types. The contaminations in industrial/commercial areas are the most pronounced and very varied. The centres of Darmstadt and a suburb are impacted by sewage exfiltration, with increased concentrations of nitrogen, Cl-, K+, B, PO43-, EDTA and D-Limonene. The hydrochemical water type is shifted from Ca-HCO3- to Na/K- and Cl-dominance by the influence of road salt. Under green spaces and dispersed settlement areas, electrical conductivity, temperature and Cl- decrease, but NO3-, K+, PO43- and pesticides increase. Additional influences on groundwater quality include leaching of construction wastes, contaminated sites, transportation routes, stormwater overflows and land fills. Concentrations in many monitoring wells within the city exceed drinking water standards, with the biggest problem being NO3-. By analysis of the correlation coefficients and a factor analysis, groups of parameters which originate from common sources were derived. The carbonatic parameters are mobilised from the aquifer matrix, but also influenced by anthropogenic factors (construction wastes, redox processes). Input of salt (Cl-, Na+, Mg2+) can occur isolated as road salt or in combination with sewer exfiltration. Parameters which are increased due to the influence of sewage, such as T, PO43-, B and K+, are linked with the indicators for reducing conditions Mn and NO2-. NO3- occurs separately in combination with oxidised conditions. The groundwater monitoring wells were assigned to three control planes running N-S and representing the areas upstream, centre and downstream of the city. The values of most parameters increase from upstream to the city and remain constant or decrease again downstream. Statistical analysis of the samples grouped by land use and geological formation allowed assignment of the parameters to distinct influences. Kruskal-Wallis tests showed that the anthropogenic impact on groundwater quality is stronger, i.e. affects more parameters than background geological processes. The concentrations are usually highest for urban land use and the Quaternary aquifer and lowest for forestry and the Crystalline aquifer. From cluster analyses, different urban pollution types were derived, which occur in distinct degrees, as well as background types subdivided by geological formation. Based on a groundwater model and a control plane concept, the mass fluxes were balanced and the urban pollution within the groundwater (urban immissions) was calculated globally for the whole city area as well as spatially differentiating for distinct balance zones. The immissions are spatially heterogeneous. Negative balances downstream of the city are explained by diving contaminant plumes. Most of the parameters are predominantly introduced within the city, only carbonate, NO3- and PO43- are dominated by agriculture. Within the city, the input of most parameters occurs predominantly in industrial areas. For PO43-, K+, COD, NO3- and Ntot, input through residential areas is equivalent to industrial immissions or dominant. The total input is largest for HCO3- with 32 and SO42- with 22 t/(a*km²). CO2, Cl-, Na+ and Ca2+ are introduced with 8-12 t/(a*km²) and NO3- and K+ with 3 t/(a*km²). Additional urban input occurs for COD with 1 t/(a*km²) and NH4+ with 172, PO43- with 81, EDTA with 2,2 and PAH with 11 kg/(a*km²). By comparing the total urban emissions and immissions, it was concluded that most parameters are additionally introduced via sources which are not included in the estimated emissions (e.g. industry, fertiliser, contaminated sites, leaching of construction wastes, redox processes, traffic, ion exchange, additional atmospheric input). Attenuation occurs for H+, CSB, NO2-, NH4+, PO43- and F-. The newly developed method to balance fluxes and calculate urban immissions is a strong tool to verify the estimation of urban emissions. Thus, it allows conclusions about additional sources of and sinks for pollutants and can contribute to a better understanding of the hydrogeological and hydrochemical processes in urban areas.English
Uncontrolled Keywords: Darmstadt, Stadt, Grundwasser, Hydrochemie, Grundwasserhaushalt, Stoffbilanz, Immission, Emission, Landnutzung, Schadstoffbelastung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Darmstadt, Stadt, Grundwasser, Hydrochemie, Grundwasserhaushalt, Stoffbilanz, Immission, Emission, Landnutzung, SchadstoffbelastungGerman
urban hydrogeology, anthropogenic impact, groundwater model, integrative quantification method, mass fluxes, leaking sewers, leaking water mains, industrial influence, surface sealing, statisticsEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000963
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-9638
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Ebhardt, Prof. Dr. Götz and Toussaint, Prof. Dr. Benedikt and Schüth, Prof. Dr. Christoph
Advisors: Ebhardt, Prof. Dr. Götz
Refereed: 13 February 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/963
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