Methoden zur Berechnung der Deposition von Schwermetallen im Umfeld der Affi
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.
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:
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.
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Messpkt |
1990 |
1991 |
1992 |
1993 |
1994 |
1995 |
1996 |
1997 |
1998 |
1999 |
2000 |
2001 |
2002 |
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373 |
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As 17 (5) |
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374 |
As 21 (9) |
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375 |
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As 22 (4) |
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376 |
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As 113 (4) |
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398 |
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As 43 (11) |
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400 |
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As 107 (5) |
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401 |
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As 28 (7) |
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423 |
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As 98 (4) |
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450 |
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Cu 413 (223) |
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454 |
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As 33 (6) |
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480 |
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As 15 (9) |
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482 |
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As 65 (17) |
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483 |
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As 84 (11) |
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483 |
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Pb 482 (64) |
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483 |
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Cd 4,2 (1,8) |
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Cd 8,5 (0,9) |
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483 |
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Cu 1405 (364) |
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484 |
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As 48 (6) |
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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:
die Messmethoden sind sehr verschieden
das Abluftvolumen an den beprobten Quellen, wie Dachreitern, ist schwer zu bestimmen und wird wahrscheinlich überschätzt
an den Quellen werden auch grobe Staubkörner erfasst, die noch auf dem Werksgelände niedergehen, und nicht mehr zu den (Fein)Staubsammlern der BUG gelangen. Stünden mitten in den beiden Werksteilen noch jeweils Staubsammler, würde auch das Depositionsmessprogramm der BUG höhere Frachten ergeben.
die Frachten aus hohen Quellen (100 – 159 m) schlagen ausserhalb des Untersuchungsraumes der BUG sich nieder.
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 |
|
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Angaben |
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1984 |
|
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Affi / Behörde |
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1985 |
|
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6020 |
120 |
181 |
602 |
1987 |
783 |
2348 |
|
1986 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
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:
Freie und Hansestadt Hamburg, Umweltbehörde: Ergebnisse der Staubniederschlags- und Schwebstaubmessungen mit anschließender Bestimmung von Staubinhaltsstoffen im Zeitraum 1993 bis 1997 in Hamburg; Hamburger Umweltberichte 54/97
Freie und Hansestadt Hamburg, Umweltbehörde: Bericht über die Emissionen der Norddeutschen Affinerie und die Immissionen in ihrem Umfeld; Hamburg, Sept. 1999
Norddeutsche Affinerie AG: Menschen und Umwelt; Hamburg, Jan. 2004
EPER (European Pollutant Emission Register)
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erstellt März 2004
rettet-die-elbe.de
