Methoden zur Berechnung der Deposition von Schwermetallen im Umfeld der Affi


Kapitelende

Modellierung

Die Abteilung Luftuntersuchungen in der Umweltbehörde misst die Staubdeposition, die sich in einem Glasbecher auf einer Stange in 1.5 m Höhe innerhalb eines Monats sammelt. Welchen Umkreis repräsentiert eine an einem Punkt gesammelte Probe? In der alten "Technischen Anleitung Luft" (TA Luft, Bestandteil des Bundesimmissionsschutzgesetzes) wurde der Mittelwert der vier Eckpunkte eines Planquadrats für die Belastung der Fläche gesetzt. In diesem Sinne würde man die Fracht auf den Untersuchungsraum aus dem Mittel der 25 Messpunkte berechnen. Dies ist in unserm Fall nicht realistisch, weil die Staubkonzentration um eine niedrige Quelle (Erzumschlagplatz, Dachreiter) herum rasch abfällt. Der dreckigste Platz liegt unter der Quelle. Die Emissionen aus hohen Quellen, den Schornsteinen, schlagen sich erst in größerer Entfernung nieder - der sauberste Platz liegt am Fuss des Schornsteins - und werden vom Programm der BUG kaum erfasst. Zwischen den Messwerten an den Punkten 452a und 452b zwischen den Werksteilen und denen an den Rändern des Untersuchungsraumes liegen zwei Größenordnungen. Interpolierte man linear zwischen dem höchsten Messwert von bespielsweise 500 ug/m2*d und einem 2km entfernten Punkt mit 10 ug/m2*d, könnte man in der Mitte den Wert 255 ug/m2*d erwarten, findet jedoch typischerweise nur ca. 50 ug/m2*d. Über dem Untersuchungsgebiet liegt eine Staubglocke mit dem Maximum auf dem Werksgelände, die zu den Rändern flach ausläuft. Um diese "Glocke" realistisch zu berechnen, wurden die Punktwerte in Rasterschritten von 200m interpoliert mit einem Computerprogramm "Idrisi", einem geografischen Informationssystem (Idrisi for Windows, version 2), wobei das "Gewicht" eines Punktes mit der Entfernung mit einem Exponent X abnahm. Punkte ohne Messwert (weil im Messjahr nicht beprobt) wurden nicht einbezogen.

Am Beispiel der Arsen-Deposition 1987 wurden mehrere Varianten durchgespielt mit den Exponenten 1, 2, 3 und 4.
as87_interpol_4exp.gif

Das Programm Idrisi füllt von jedem Punkt die Pixel mit Zwischenwerten zu den nächstgelegenen 6 Punkten und vereint dann diese Resultate zu einer Fläche. Dadurch werden die ursprünglichen Messwerte auf ihrem zugehörigen Pixel durch einen für die Interpolation am besten passenden Wert ersetzt. Legt man Schnitte durch die "Staubglocke" und trägt die Pixelwerte entlang des Schitts auf, erhält man für den Schnitt von Nordwest nach Südost folgende Variationen:

Diagramm Schnitt NW - SO

Ohne flächendeckendesInterpolationsverfahren erhielte man die rosafarbene Verbindungslinie zwischen den Messwerten auf Pixel 1 (Messpunkt Nr. 397), Pixel 6 (Messpunkt Nr. 423), Pixel 11 (Messpunkt Nr. 452b) und Pixel 16 (Messpunkt Nr. 483). Die resultierende Fracht, das Volumen unter der "Staubpyramide", ist bei einem solchen Ansatz am höchsten. Die Interpolation mit Exponent 1, blaue Linie, drückt das Maximum, "verschmiert" die Belastung aber weiträumig. Weiterhin wurde mit den Exponenten 2 (grün), 3 (rot) und 4 (violett) gerechnet. Weil mit dem Exponent 4 die ursprünglichen Messwerte am besten erhalten bleiben und die Form der "Staubglocke" plausibel simuliert wird, wurde er für die weiteren Rechnungen gewählt. Die Fracht ist bei dieser Variante am geringsten.

Interpolation

ug/m2*d

kg/a

arithm. Mittelwert

65,8

600,5

Exponent 1

57,8

527,8

Exponent 2

52,3

476,8

Exponent 3

48,8

445,6

Exponent 4

47,0

428,9

Exponent 4 + Filter

43,8

400,1



In einem einfachen Median-Filter Durchgang wurde das Interpolationsbild geglättet, um die bei einer Modellierung über 25 Messpunkte auftretenden Artefakte zu eliminieren. Das ist zulässig, weil jedes Modell nur eine mehr oder weniger verzerrte Karikatur der Wirklichkeit ist. Erstes Ziel der Berechnungen war, vergleichbare Zeitreihen zu erzeugen, zweitrangig war die Bestimmung der absoluten Frachten.


Aussreisser

Bei der monatlichen Beprobung werden gelegentlich sehr hohe Werte gefunden, die den Jahresdurchschnitt deutlich nach oben treiben. Die Behörde hat hierfür keine plausible Erklärung. Bei unseren Modellen der Staubglocke wurden die Ausreisser nicht berücksichtigt. Nichtsdestoweniger ist es zu fordern, dass Behörde und Affi sich um eine Klärung des Sachverhalts bemühen, denn die Extremwerte sind nicht statistisch auf alle Messpunkte und Parameter gestreut. In der Tabelle sind alle Ausreisser dargestellt. Der Parameter ist mit Farbe unterlegt (As magenta, Cu orange, Cd gelb, Pb grau). Der Zahlenwert gibt das Jahresmittel am Messpunkt unter Berücksichtigung des Ausreissers an, in Klammern ohne diesen. Beim Parameter Arsen findet man im Vergleich zu den anderen häufiger Extremwerte. Das Jahr 1996 fällt durch Ausreisser an mehreren Punkten und mit allen vier Schadstoffen am Punkt 483 (südöstlich vom Werk Ost) auf.

Messpkt

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

373





As 17 (5)









374

As 21 (9)













375





As 22 (4)









376







As 113 (4)







398






As 43 (11)








400







As 107 (5)







401



As 28 (7)











423






As 98 (4)








450







Cu 413 (223)







454







As 33 (6)







480



As 15 (9)











482







As 65 (17)







483







As 84 (11)







483







Pb 482 (64)







483







Cd 4,2 (1,8)






Cd 8,5 (0,9)

483







Cu 1405 (364)







484



As 48 (6)














Frachten

Aus dem Inhalt der „Staubglocke“ lässt sich die Fracht, die auf die 25 km2 Untersuchungsfläche nieder rieselt, einfach berechnen. Zusätzlich wurde der Werksbereich und die ummittelbare Umgebung ausgestanzt. Der Verlauf der werksnahen und werksfernen Deposition gibt Hinweise auf die Quelle der Emission und ihre Höhe.
as
cd
cu
pb

Werksbereich und Wasserflächen im Untersuchunggebiet

Soweit vorhanden wurden Emissionsmessungen der Behörde und der Affi den Tabellen angefügt. Es wurden offenbar nicht für jedes Jahr solche Untersuchungen durchgeführt bzw. veröffentlicht, und bei den Angaben der Affi aus jüngerer Zeit fehlt die Aufschlüsselung nach Quellhöhen. Generell sind die Emissionsfrachten, die an den Quellen gemessen wurden, höher als die durch die Deposition in der Umgebung bestimmten Frachten. Das hat mehrere Ursachen:



Beide Messverfahren sollten abgestimmt aufeinander fortgesetzt werden, um die Wirksamkeit von Emissionsminderungsmaßnahmen der Affi besser beurteilen zu können.

Tabelle 1: Übersetzer

Feldnamen

Klartext

mittel_depo

mittlere Deposition im Untersuchungsraum ug/m2*a

fracht_kg_a

Gesamtfracht der Deposition im Untersuchungsraum kg/a

dep_higru

geschätzte Hintergrund-Deposition im Untersuchungsraum ug/m2*a

minushigru

Gesamtfracht minus Hintergrundfracht der Deposition im Untersuchungsraum kg/a

depo_nah

mittlere Deposition im Nahbereich der Affi ug/m2*a

fra_nah

Fracht auf den Nahbereich der Affi kg/a

fra_fern

Gesamtfracht minus Nahbereich-Fracht kg/a

Emission

an den Quellen von Affi und Behörde bestimmte Emissionen, Veröffentlichungen BUG und Affi

gesamt

Gesamtemission kg/a

hoehe0-9

davon Quellhöhe 0 - 9 m

hoehe10-19

davon Quellhöhe10 - 19 m

hoehe20-29

davon Quellhöhe 20 - 29 m

hoehe30-39

davon Quellhöhe 30 - 39 m

hoehe40-79

davon Quellhöhe 40 - 79 m

hoehe100-159

davon Quellhöhe 100 - 159 m



Tabelle 2: Arsen

Jahr

mittel_depo

fracht_kg_a

dep_higru

minushigru

depo_nah

fra_nah

fra_fern

Emission

gesamt

hoehe0-9

hoehe10-19

hoehe20-29

hoehe30-39

hoehe40-79

hoehe100-159

1983








Angaben








1984








Affi / Behörde








1985









6020

120

181

602

1987

783

2348

1986
















1987

43,85

400,1

2,0

381,9

294,2

154,6

245,5









1988

30,78

280,9

2,0

262,6

174,3

91,6

189,3









1989

29,48

269,0

2,0

250,7

141,6

74,4

194,5









1990

25,48

232,5

2,0

214,2

153,9

80,9

151,6


2578

52

155

516

928

180

748

1991

23,66

215,9

2,0

197,6

135,4

71,2

144,7









1992

23,88

217,9

2,0

199,6

130,1

68,4

149,5









1993

28,28

258,1

2,0

239,8

188,9

99,3

158,8









1994

26,78

244,4

2,0

226,2

190,6

100,2

144,2


1681

50

134

303

958

118

118

1995

20,40

186,2

2,0

167,9

133,7

70,3

115,9









1996

19,25

175,6

2,0

157,4

117,7

61,9

113,8


994

30

99

258

477

80

50

1997

19,08

174,1

2,0

155,9

144,2

75,8

98,4









1998

15,48

141,3

2,0

123,0

107,9

56,7

84,6









1999

17,70

161,5

2,0

143,3

133,5

70,2

91,4









2000

16,33

149,0

2,0

130,7

112,3

59,0

90,0


700







2001

14,66

133,8

2,0

115,5

92,8

48,8

85,0


600







2002

14,81

135,1

2,0

116,9

93,4

49,1

86,0


600








 

Tabelle 3: Cadmium

Jahr

mittel_depo

fracht_kg_a

higru

minushigru

depo_nah

fra_nah

fra_fern

Emission

gesamt

hoehe0-9

hoehe10-19

hoehe20-29

hoehe30-39

hoehe40-79

hoehe100-159

1983

Angaben

1984

Affi / Behörde

1985

744

45

37

112

476

0

74

1986

1987

3,33

30,4

0,5

25,8

14,1

7,4

23,0

1988

3,53

32,2

0,5

27,6

16,3

8,6

23,6

1989

3,49

31,8

0,5

27,3

15,3

8,0

23,8

1990

2,76

25,2

0,5

20,6

14,4

7,6

17,6

361

25

4

134

69

7

123

1991

2,89

26,4

0,5

21,8

14,0

7,4

19,0

1992

3,66

33,4

0,5

28,8

15,2

8,0

25,4

1993

3,33

30,4

0,5

25,8

15,9

8,4

22,0

1994

3,53

32,2

0,5

27,6

19,5

10,2

22,0

269

30

3

78

126

16

16

1995

3,29

30,0

0,5

25,5

20,3

10,7

19,4

1996

2,95

26,9

0,5

22,4

16,2

8,5

18,4

81

11

0

12

50

2

6

1997

3,21

29,3

0,5

24,7

19,8

10,4

18,9

1998

2,51

22,9

0,5

18,3

14,6

7,7

15,2

1999

3,15

28,7

0,5

24,2

21,3

11,2

17,5

2000

4,22

38,5

0,5

33,9

33,9

17,8

20,7

58

2001

2,93

26,7

0,5

22,2

18,6

9,8

17,0

121

2002

2,64

24,1

0,5

19,5

17,2

9,0

15,0

111

Tabelle 4: Kupfer

Jahr

mittel_depo

fracht_kg_a

higru

minushigru

depo_nah

fra_nah

fra_fern

Emission

gesamt

hoehe0-9

hoehe10-19

hoehe20-29

hoehe30-39

hoehe40-79

hoehe100-159

1983

Angaben

1984

Affi / Behörde

1985

20144

2619

2417

4432

7050

3626

0

1986

1987

1988

1989

1990

17851

2499

1964

3392

8390

1607

0

1991

971

8862

70

8223

7335

3855,3

5006,5

1992

1062

9690

70

9051

8375

4401,9

5287,7

1993

1042

9505

70

8867

8370

4399,3

5106,2

1994

1211

11049

70

10410

9065

4764,6

6284,3

14684

1762

734

881

10572

587

147

1995

1241

11322

70

10683

8911

4683,6

6638,6

1996

1270

11585

70

10946

9578

5034,2

6550,9

11616

3485

581

929

5111

1394

116

1997

1606

14655

70

14016

11970

6291,4

8363,3

1998

1241

11324

70

10685

9586

5038,4

6285,7

1999

1164

10622

70

9983

8860

4656,8

5964,7

2000

1108

10111

70

9472

7624

4007,2

6103,3

8800

2001

859

7838

70

7200

6592

3464,8

4373,6

10200

2002

725

6616

70

5977

5397

2836,7

3779,0

9900

Tabelle 5: Blei

Jahr

mittel_depo

fracht_kg_a

higru

minushigru

depo_nah

fra_nah

fra_fern

Emission

gesamt

hoehe0-9

hoehe10-19

hoehe20-29

hoehe30-39

hoehe40-79

hoehe100-159

1983

Angaben

1984

Affi / Behörde

1985

16777

1174

1510

4194

6879

336

2684

1986

1987

274

2500

60

1953

1274

670

1831

1988

291

2655

60

2108

1428

751

1905

1989

264

2409

60

1862

1297

682

1727

1990

241

2199

60

1652

1298

682

1517

9441

850

944

4154

2549

189

755

1991

252

2300

40

1935

1216

639

1660

1992

283

2582

40

2217

1294

680

1902

1993

261

2382

40

2017

1381

726

1656

1994

275

2509

40

2144

1460

767

1742

8247

825

660

2804

3051

247

660

1995

218

1989

40

1624

1186

623

1366

1996

204

1862

20

1679

1099

578

1284

2801

476

308

1232

504

196

84

1997

208

1898

20

1716

1261

663

1235

1998

188

1716

20

1533

1069

562

1154

1999

185

1688

20

1506

974

512

1176

2000

174

1588

10

1497

910

478

1109

2800

2001

179

1633

10

1542

960

505

1129

3100

2002

158

1442

10

1351

848

446

996

2600


Als „Nebeneffekt“ dieser Arbeit wurde berechnet, wieviel Schadstoffe aus der Affi direkt in Gewässerflächen eingetragen werden, um der BUG bei der Wasserrahmenrichtlinie auf die Sprünge zu helfen. Die BUG nämlich hielt es nicht der Mühe wert, sich Gedanken über diffuse Einträge in Gewässer zu machen. Allein der direkte Aufschlag auf Wasserflächen übertrifft die wie auch immer „gemessenen“ Einleitungsfrachten der BUG, die sie als „signifikant“ deklariert. Man muss jedoch noch hinzu rechnen, welche Mengen auf befestigte Flächen sich ablagern und mit dem nächsten Regen in Gewässer gespült werden (wobei auf dem Affi-Werksgelände das Regenwasser erst durch eine Reinigungsanlage läuft).

Schwermetallbelastung 2001 durch direkte Einleitung in (Angaben BUG, Zwischenberichte WRRL) und Deposition auf Gewässer (Berechnung RdE)

stoff

Einleitungsfracht lt. BUG kg/a

Eintrag durch Deposition auf Wasserflächen kg/a

as

28

27

cd

19

5

cu

531

1359

pb

47

371



Lesestoff:


Kapitel oben
erstellt März 2004