Untersuchungen zur fluvialen Morphodynamik und zur rezenten Schadstoffausbreitung in Flusssystemen - Beispiele aus der Grenzregion Belgien, Niederlande und Deutschland

• Investigations on fluvial morphodynamics and recent pollutant dispersion in river systems - examples from the border region of Belgium, the Netherlands and Germany

Esser, Verena; Lehmkuhl, Frank (Thesis advisor); Schüttrumpf, Holger (Thesis advisor)

Aachen (2020, 2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung rezenter fluvialer Morphodynamik und der damit verbundenen Schadstoffausbreitung in Flusssystemen. Die Thematik wird durch einen Vergleich der drei benachbarten Flusseinzugsgebiete von Geul, Wurm und Inde dargelegt. Diese befinden sich in der Grenzregion von Belgien, den Niederlanden und Deutschland und weisen eine ähnliche Einzugsgebietsgröße von ca. 325 km2 sowie jeweils eine Flusslänge von etwa 55 km auf. Die untersuchten Flusseinzugsgebiete sind repräsentativ für den Übergangsbereich vom Mittelgebirge zum Tiefland. Die Region gehört zu den ältesten industriell geprägten Regionen in Europa. Deshalb sind Schadstoffbelastungen nicht nur auf heutige Schadstoffquellen zurückzuführen, sondern auch auf historischen Bergbau und andere vergangene Industrien. Die Untersuchungen basieren auf einem Vergleich der Einzugsgebiete mittels Sedimentanalysen und der Aufarbeitung geschichtlicher Informationen sowie ergänzenden Detailuntersuchungen zum Indeeinzugsgebiet. Das Untersuchungsgebiet wurde durch anthropogene Umweltverschmutzungen von Boden, Wasser und Luft geprägt. In den Einzugsgebieten der Inde und der Geul führten Bodenschätze zum Abbau von Blei-, Zink- und Eisenerzen, deren Aufbereitung und zur Entstehung von Halden. Erste Anzeichen dieser Aktivitäten deuten auf einen Beginn in vorrömischer Zeit hin. Die Hauptphase lag im frühen Industriezeitalter, der Bergbausektor verschwand bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts. Im Einzugsgebiet der Wurm sorgten Steinkohlevorkommen für entsprechenden Bergbau, der zwischen dem frühen Mittelalter und dem 20. Jahrhundert stattfand. Gleiches trifft auf das Indeeinzugsgebiet zu, mit dem Unterschied, dass der Abbau vom 14. Jahrhundert bis zum frühen 20. Jahrhundert andauerte. Der Bergbau führte im Untersuchungsgebiet zur Etablierung damit verbundener Industriezweige wie der Eisen- und Stahlindustrie oder der Messingindustrie. Weitere bedeutende Sektoren waren Textil-, Glas- und Nadelindustrie. Bis ins späte 18. Jahrhundert stellten Flüsse eine bedeutende Energiequelle dar, sodass sich viele Industrien in ihrer Nähe ansiedelten. Gleichzeitig wurden Flüsse zur Beseitigung von Industrie- und Siedlungsabwässern sowie von Schachtwasser genutzt. Durch verschiedene Industrien entstanden zahlreiche Halden, die teilweise heutzutage noch existieren. Die industrielle Entwicklung brachte zudem Schadstoffausstöße über den Luftweg mit sich, die z.B. in Stolberg und Eschweiler die Umwelt erheblich beeinträchtigten. All diese Faktoren führten zu einer Anreicherung verschiedener Schadstoffe in der Region, die auch die fluvialen Systeme betrafen und dort durch Verlagerungsprozesse verstärkt wurden. Seit dem 20. Jahrhundert sorgen Normen zwar verstärkt für den Schutz der Umwelt, jedoch entstanden aus einer Vielzahl von primären Schadstoffquellen diffuse Sekundärquellen, die das heutige Prozessgeschehen der Flusssysteme prägen. Über eine Remobilisierung von kontaminierten Auen- oder Flussbettsedimenten wirken so die Spätfolgen und Hinterlassenschaften der Industriegeschichte. Zusätzlich wirken Erosion von Haldenmaterial, teilweise noch aktive Grubenentwässerungen, geogene Quellen und die aktuellen Einleitungen durch Industrien und Siedlungen. Unter Berücksichtigung dieser Einflussfaktoren, welche die Flusseinzugsgebiete als Schadstoffquellen prägen und geprägt haben, werden die Spurenelemente Chrom (Cr), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Arsen (As), Cadmium (Cd), Zinn (Sn) und Blei (Pb) als Marker gewählt. Zusätzlich werden Korngrößenanalysen, pH-Wert-Messungen und Farbanalysen genutzt. Diese Marker werden verwendet, um den rezenten Schadstofftransport und die Schadstoffausbreitung im Zusammenhang mit der fluvialen Morphodynamik und der Industriegeschichte der Region zu untersuchen. Verschiedene Probenahmekampagnen wurden zwischen 2016 und 2020 durchgeführt. Diese bestanden aus der Sedimentbeprobung von Auen, Flussbett und Flutwasser. Die Methoden beruhten auf der Entnahme von Oberflächenproben, Tiefenproben und Wasserproben. Die Kampagnen wurden insbesondere bei Hochwasserereignissen und Trockenphasen durchgeführt. Die wichtigsten Erkenntnisse der Untersuchungen zur Schadstoffausbreitung im Zusammenhang mit fluvialen Prozessen können wie folgt zusammengefasst werden: Jeder Fluss weist seinen eigenen geochemischen "Fingerabdruck" auf, der durch unterschiedliche Schadstoffhotspots charakterisiert wird. Vergleiche davon geben wertvolle Erkenntnisse zu Schadstoffquellen und zum geogenen Hintergrund. Während die Geul besonders starke geochemische Signale zeigt, die auf Pb- sowie Zn-Erzabbau und Verhüttung zurückzuführen sind, ist das Einzugsgebiet der Inde von starken Schadstoffanreicherungen geprägt, die zusätzlich zu Erzabbau und Verhüttung durch Quellen verschiedener Industriesektoren bedingt sind. Deutlich heterogener und schwächer wirken sich v.a. urbane Quellen sowie verschiedene Industriesektoren auf die Wurm aus. Das Prozessgeschehen wird durch sekundäre Schadstoffquellen und Hochwasserereignisse gesteuert. Hochwassersedimente unterscheiden sich durch unterschiedlich starke Anreicherungen von Spurenelementen. Bestimmt wird dies durch räumliche Variationen der Remobilisierung von Sedimenten aus Flussabschnitten mit anthropogen verursachten Quellen und aus solchen, die geogen geprägten sind. Renaturierungen können das Prozessgeschehen auf unterschiedliche Weise beeinflussen. Die Aktivierung von Schadstoffquellen muss vermieden werden. Die neu angelegte 12 km lange Verlegung der Inde zeigt nach 15 Jahren nachweisbare Anreicherungen verschiedener Spurenelemente auf, die dort als Marker zur Evaluierung natürlicher morphodynamischer Prozesse und der Sedimentkonnektivität verwendet werden können. Die sekundären Schadstoffquellen, die u.a. auf vergangene Bergbau- und Industriestandorte zurückzuführen sind, werden auch in Zukunft Regionen, wie die des Untersuchungsgebietes beeinflussen, da eine "Altlastensanierung" der betroffenen fluvialen Systeme nicht realistisch ist. Zukünftige Veränderungen von Frequenz und Amplitude der Hochwasserereignisse, als Folge des Klimawandels, werden je nach Einzugsgebiet eine verstärkte Mobilisierung von kontaminiertem oder nicht kontaminiertem Sediment zur Folge haben.