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

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