Endbericht des Forschungsprojektes RuBuS

Der vorliegende Bericht behandelt die Ergebnisse des Forschungsprojektes RUBUS, welches im Zeitraum November 2013 bis November 2015 von der Freien Universität Berlin durchgeführt wurde. Gegenstand des Projektes ist die Untersuchung der aktuellen Belastungssituation und der Dynamik der Sedimente in der Rummelsburger Bucht als Teil der urbanen Spree in Berlin. Das Projekt hat die Klärung der räumlichen Verteilung, Quantifizierung und Bewertung der Schadstoffbelastung in den Sedimenten der Rummelsburger Bucht zum Ziel. Es soll vor diesem Hintergrund die Ausbildung einer unbelasteten Sedimentauflage geprüft werden, um damit auch der Frage nachzugehen, ob es möglicherweise zu einer Remobilisierung von schadstoffbelasteten Sedimenten kommt. Um diese Hypothese zu untersuchen wird ein indirekter Messansatz gewählt, der sowohl die Erfassung der Randbedingungen als auch den qualitativen und quantitativen Nachweis einer Sedimentremobilisierung berücksichtigt. Da die Prozesse als solche nur schwer messbar sind, zielt dieser Ansatz darauf ab, entsprechende Leitindikatoren zu wählen, anhand derer Mobilisierungsmechanismen und Ursachen aufgezeigt werden können. Die Erfassung der Schadstoffe (Schwermetalle, organische Verbindungen) erfolgt systematisch an 5 Schichten der obersten 15 cm des Gewässersedimentes und über die Erfassung von akkumuliertem Material in Sedimentfallen. Die Beprobungen und kontinuierlichen Messungen werden an 15 über den gesamten Wasserkörper rasterförmig ausgelegten Bohr- bzw. Messpunkten durchgeführt. Zur Bemessung des potenziellen Risikos wird für die Feststoffphase der Consensus 2 - Wert der Sedimentqualitätsrichtlinien nach de DECKERE et al. (2011) zugrunde gelegt und durch Elutionsversuche sowie ökotoxikologische Tests ergänzt. Die Laborergebnisse zeigen, dass an allen Standorten und in annähernd allen erfassten Sedimentschichten weitestgehend sämtliche untersuchten Elemente und Verbindungen in zum Teil erheblichen Konzentrationen nachgewiesen werden können. Die Konzentrationen variieren sowohl in der Fläche als auch mit der Tiefe der Sedimentschichten. Die Analysen und statistischen Tests weisen das nordwestliche Untersuchungsgebiet als am stärksten belastet aus. Ungeachtet dieser räumlichen Variationen zeigen die Ergebnisse, dass in der Rummelsburger Bucht eine durchgängige Belastung der oberen 15 cm Sedimentschicht vorliegt. Eine flächendeckende Belastung kann auch für die beprobten Sedimentfallen nachgewiesen werden. Im Vergleich zum Referenzstandort in der Spree zeigt sich, dass die Rummelsburger Bucht sowohl hinsichtlich der Sedimentkerne als auch hinsichtlich der Sedimentfallen eine durchgängig höhere Belastung aufweist. Effektbasierte SQG werden in den meisten Fällen überschritten. Eine Untersuchung aquatischer Makrozoen durch die Bundesanstalt für Gewässerkunde zeigt zudem, dass die Artenvielfalt gering ist und sich das Vorkommen auf tolerante, euryöke Arten mit geringen Ansprüchen an die Gewässer- und Sedimentqualität beschränkt. Für den hohen gemessenen Sedimentumsatz ist vor allem die Remobilisierung von Sedimenten innerhalb der Bucht verantwortlich. Die stark belasteten, sehr schluffhaltigen Sedimente werden über eine permanente Strömung diffus über die gesamte Seefläche verteilt. Als bisherige Ursache für den hohen Sedimentumsatz können u.a. meteorologische Bedingungen und der Bootsverkehr identifiziert werden. Die mechanische Mobilisierbarkeit von feststoffgebundenen Schwermetallen und zinnorganischen Verbindungen ist unter den vorherrschenden Bedingungen in der Rummelsburger Bucht gering. Die chemisch-physikalischen Randbedingungen des Untersuchungsgebiets sind im Jahreszyklus nur geringen Schwankungen unterworfen, was der weiteren Fixierung der Schwermetalle entgegenkommt. MKW und PAK werden hingegen durch die Elution in höheren Konzentrationen freigesetzt, insbesondere aus den Schwebstoffen. Im Fall der PAK werden in den meisten Proben die ZHK-UQN bzw. die JD-UQN der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie für die Wasserphase überschritten. Keiner der biologischen Tests zeigt eine gefährliche Belastung an. Es werden jedoch mit dem Sedimentkontakt- und dem Leuchtbakterientest bei mehreren Proben kritische Belastungen ermittelt. Von den PAK geht offensichtlich keine Gefährdung für die Testorganismen Vibrio fischeri (Leuchtbakterien) und Lemna minor (Wasserlinsen) aus. Die Wasserlinsen reagieren durchgehend wenig sensitiv auf die Inhaltsstoffe der Eluate. Es ist anzunehmen, dass die signifikant höhere MKW-Freisetzung aus den Schwebstoffen (im Gegensatz zu den Sedimenten) die toxische Wirkung im Leuchtbakterientest verursacht. Der Sedimentkontakttest weist bei einer den Schadstoffgehalten nach relativ unbelasteten Probe einen toxischen Effekt nach. Die hohen Schwermetallgehalte in den Sedimenten haben keine Wirkung auf die Bakterien des Sedimentkontakttests, was darauf hindeutet, dass sie nicht in bioverfügbarer Form vorliegen. Die Schwermetalle scheinen unter stabilen Bedingungen gebunden vorzuliegen. Die PAK und MKW zeigen eine deutlich höhere Dynamik in der Schadstoffmobilität. Die Rummelsburger Bucht stellt selbst im internationalen Kontext eine Besonderheit hinsichtlich der hohen Belastung mit organischen Schadstoffverbindungen und Schwermetallen dar und zeigt, dass die industriellen Fingerabdrücke der Gesellschaft über äußerst lange Zeiträume erhalten bleiben und dies eine Herausforderung für Politik und Planung darstellt. Die Untersuchungsergebnisse zeigen aber auch, dass die Rummelsburger Bucht einer ausreichend großen Dynamik unterliegt, welche zu einer (Re-) Mobilisierung dieser hochbelasteten Sedimente führen kann. Die Sedimente fungieren als langfristige potenzielle Schadstoffquelle für den Wasserkörper und damit auch für die Spree.The present report covers the results of the research project RuBuS, realised by the Freie Universität Berlin between November 2013 and 2015. The investigated water body “Rummelsburger Bucht” is a former anabranch of the Spree River located in the centre of Berlin. Covering an area of more than 45 ha, it is only at the upstream side connected to the main river course. For almost a century, untreated industrial and municipal wastewater was discharged into this river branch. Consequently, the quality of both the water and the sediments decreased dramatically over that period. In order to address this problem, the project “RuBuS” (co-financed by the Berlin State Government and the European Funds for Social and Regional Development) was established for the above mentioned period. To perform any risk assessment, the investigation should provide an improved knowledge and a better understanding about the type and spatio-temporal pattern of sediment contamination and dynamics. To detect the spatial distribution of pollutants in the sediment, over 200 sediment samplings were carried out via drill cores from 16 locations. The upper 15 cm of each drill core was systematically divided into 5 layers (each of 3 cm) for separate examination. The investigation of sedimentation and remobilisation rates was accomplished by installing 18 sediment traps, which collected deposits over more than a year. The presence of selected heavy metals and organic pollutants in the sediments was determined for every position and layer of the drill cores, as well as for all sediment traps. Detection of changes in boundary conditions, influencing the spatial and temporal distribution of sedimentation and resuspension, was accomplished by placing devices within the water body and taking different mobile measurements. At all sampling locations, flow conditions were recorded every week over the whole water column with a vessel-mounted ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler). Water quality parameters like oxygen, turbidity, chlorophyll-(a) and temperature were also measured weekly with a mobile multiparameter sensor at all stations in 50 cm steps. In addition, these parameters were continuously recorded every 10 minutes with stationary sensors at different water depths (1, 2 and 3 m) from the beginning of the monitoring. For mobile measurements the probe YSI 6600 V2 was used, whereas permanent recording was done with Cyclops-7 and MiniDot devices from PME. A weather station was set up on the shore side to determine wind conditions, precipitation, temperature and solar radiation, concerning the external impacts on water currents, turbulences and algae-bloom. The scope of the investigation included the determination of the total content of inorganic (Hg, Cd, Cr, Pb, Ni, Cu, Zn) and organic compounds (polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), total petroleum hydrocarbons (TPH), selected nitro-compounds, selected organotin compounds and polychlorinated biphenyls (PCB, AOX and EOX) in the sediment and suspended matter. The relevant particle size for the investigation of samples for heavy metals was < 63 μm and for the organic components < 2 mm. The compounds were detected by ICP-OES, ICP-MS and AAS analyses. Grain size distributions weredetermined using laser diffractometry and sieving. An elemental analyser was used to determine the presence of carbon and nitrogen in the samples. The release of soluble components upon contact with water is considered one of the main mechanisms leading to a potential hazard to the environment. The research into soluble and easily mobile sediment-bounded pollutants is based upon a 24 hour batch test. In addition, certain toxic effects of the sediments were determined by ecotoxicological test methods. Three species were chosen as relevant test organisms: Vibrio fischeri for the luminescent bacteria test, Lemna minor for the Duckweed growth inhibition test and Arthrobacter globiformis for the sediment contact test. In addition, the thresholds of the sediment quality guidelines, published by de Deckere et al. (2011), were used to assess the solid contents. The study demonstrated that so far the concentration of organic and inorganic pollutants in the sediments has remained very high. The total contents of the PAHs and all heavy metals exceeded the effect-based threshold values according to de Deckere et al. (2011). The results were compared to the “consensus 2” thresholds to identify the measured concentrations, which have surpassed the limits and now giving rise to concern regarding toxicity. The only exception among the heavy metals was mercury. With respect to organic pollution the reference point in the Spree River, which is not very far away from the sheet pile wall, showed concentrations below the threshold value. In contrast, the reference point disclosed pollution by heavy metals except for cadmium and mercury concentrations, which were below the threshold. However, the load of heavy metals at the reference point was lower than the one found in the bay. A different spatial distribution of the organic contamination was observed for the sediments of the “Rummelsburger Bucht”. In terms of contamination with PAHs, Cd and Pb, areas with different loads could be defined, this was statistically proven with a significant difference greater than 99%. The less contaminated area was situated between the sheet pile wall and the centre of the bay. Higher loads (sampling sites 10-15) were found from the centre of the water body to the north-western shore. However, the sediments in the traps showed a homogeneous distribution of the measured pollutants. It was also found, that the level of contamination commonly increased with sediment depth, except at the sampling sites right in the centre of the bay, which revealed no clear tendency to increase or decrease depending on the depth. With regard to the level of the European Environmental Quality Standards (EQS), the results of the 24 hour batch test indicated a low mobility of the heavy metals, organotin compounds and Benzo(a)pyrene. By contrast, other PAH compounds exceeded in several eluates the annual average maximum concentration permitted by the EQS. The results of the Luminescent bacteria test demonstrated for the eluates of sediment cores, that all samples are not or harmless polluted (non- or low toxic effect). However, with the exception of two samples, all of the eluates of suspended particles were critically polluted, they showed a moderate or increased toxic effect. The recorded high turnover rates of sediments were most likely caused by a remobilisation of local sources within the “Rummelsburger Bucht”. These highly contaminated and silty sediments can be evenly distributed over the whole area of the water body due to very slow but constant currents with changing directions. Up to now, specific meteorological boundary conditions and motorboat-traffic have been identified as some of the main reasons for the remobilisation and local transport of the sediments, as well as external sediment sources could be neglected. The research project “RuBuS” provides a detailed insight into this water body. It gives a better understanding how changes in boundary conditions affect the spatial and temporal distribution of sedimentation and the resuspension of sediments. The study demonstrates, that so far the concentration of organic and inorganic pollutants in the sediments has remained on an exceptionally high level. The “Rummelsburger Bucht” can be considered as a case study about spatio-temporal pattern of sediment contamination and dynamics of the Spree River and about areas of conflict presented by highly stressed urban water bodies. A high pressure on demands of local residents for recreational and commercial use of the “Rummelsburger Bucht” needs to improve the environmental situation by a targeted and affordable management plan

Long-term flow field monitoring at the Upper Rhine floodplains

River hydrodynamicsOverbank flows and vegetatio

Analysis of decentralised flood retention capabilities in the catchment of the Natzschung River / Načetínský Potok (Central Ore Mountains) using the rainfall-runoff model NASIM

In weiten Teilen des Einzugsgebietes der Elbe traten im Zuge einer Vb- Wetterlage zwischen dem 10.-13. August 2002 extreme Regenfälle auf. Dem war Anfang des Monats eine intensive Vorregenphase vorausgegangen und führte zu einer starken Aufsättigung der Böden. Die Starkniederschläge verursachten schwere Überschwemmungen und Schäden, sowohl an den großen Flussläufen wie Moldau, Elbe und Mulde als auch in den obersten Einzugsgebieten im Erzgebirge wie an der Flöha und Müglitz. Das Gebiet um Zinnwald-Georgenfeld im Osterzgebirge erhielt in der Zeit zwischen dem 12.08.2002 (4:00 MEZ) und dem 13.08.2002 (4:00 MEZ) über 350 mm Niederschlag (LFULG, 2009). Ähnlich war die Situation in der Stadt Olbernhau im Mittleren Erzgebirge (LFULG, 2009). Oberhalb und in der Stadt Olbernhau traten Flöha, Natzschung und Schweinitz über die Ufer und führten zu schwersten Schäden im deutschen und tschechischen Teil des Mittleren Erzgebirges (Schulte et al., 2007). Annähernd 3 Stunden nach dem ersten Niederschlagsmaximum an der Waldklimastation Olbernhau wurde am Pegel Rothenthal (Natzschung) der Maximalabfluss mit einem Hochwasserscheitel von 89 m³/s registriert. Dieser Abfluss war dreiundsechzigmal höher als der mittlere Abfluss über das Jahr und doppelt so hoch wie das bisherige HHQ vom 24.Juni 1975 (LFULG, 2011c). Die Natzschung trug an der Mündung zur Flöha mit fast 100 m³/s zum Gesamtabfluss von 315 m³/s in Olbernhau bei. Ein grundsätzliches Problem für die Einzugsgebiete im Erzgebirge ist deren morphologische und topographische Situation. Die Auslässe solcher Gebiete sind oft durch Kerbtäler geprägt, die sowohl eine starke Hangneigunge als auch ein starkes Sohlgefälle aufweisen. Diese Situation birgt in Kombination mit Starkniederschlägen oder Schneeschmelzen die Gefahr hoher Abflüsse und des schnellen Anstiegs von Hochwasserwellen. Gleichzeitig ist bedingt durch die Topographie dieser Täler kein ausreichendes Stauvolumen vorhanden, um Hochwasserschutz zu betreiben. Ortschaften wie Olbernhau liegen unterhalb der Mündung solcher Kerbtalbereiche. Sie sind daher einem besonderen Hochwasserrisiko ausgesetzt. Vor diesem Hintergrund sollte untersucht werden, ob es geeignete Möglichkeiten zur dezentralen Hochwasserretention im Einzugsgebiet der Natzschung gibt und welche Wirkung implementierte Maßnahmen in Bezug auf das Bemessungshochwasser eines HQ100 am Pegel Rothenthal haben. Mögliche Maßnahmen sollten im Sinne von Assmann (1999) dezentraler Natur sein, einen lokalen Retentionseffekt für Orte in den obersten Einzugsgebieten aufweisen und darüber hinaus auch eine überörtliche Wirkung auf Einzugsgebietsebene zeigen. Aufbauend auf der Problemstellung, Fragestellung und Zielsetzung der Untersuchung wird zunächst die Entwicklung des Hochwasserschutzgedankens im Zuge der letzten zwei Jahrzehnte in der Bundesrepublik Deutschland skizziert und der Stand der Forschung zum dezentralen Hochwasserschutz aufbereitet. Es schließt sich eine Beschreibung des Untersuchungsgebietes an, um die Randbedingungen der Modellierung aufzuzeigen. Im Kapitel Methodik werden Prinzipien und Strukturen des verwendeten Niederschlag-Abfluss-Modells behandelt und es wird erläutert, welche Datengrundlagen in welcher Form im Modell Verwendung gefunden haben. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass für die Natzschung ein belastbares hydrologisches Modell aufgebaut werden konnte, welches sich für eine zeitlich hochaufgelöste Langzeit-Hochwassersimulation eines reaktionsschnellen Mittelgebirgsraumes eignet. Weiterhin verdeutlichen die Ergebnisse, dass schon in den obersten Lagen des Untersuchungsgebietes eine genügend große Anzahl an Standorten für dezentrale Hochwasserrückhaltebecken vorhanden ist. Damit kann der Hochwasserschutz schon in den Quellgebieten ansetzen, insbesondere wenn sich flussabwärts nur noch eingeschränkte Hochwasserschutzpotenziale bieten. Der abschließende Teil der Ergebnisse belegt, dass diese Standorte ein genügend großes Retentionspotenzial beherbergen, um die Hochwasserscheitel eines HQ100 lokal sehr deutlich zu senken. Darüber hinaus wirken diese Potenziale auch noch auf Einzugsgebietsebene der Natzschung so eindeutig, dass im Unterlauf des Gewässers der Hochwasserscheitel eines HQ100 unterhalb des Niveaus eines HQ50 abgesenkt werden kann. Die Untersuchungen zeigen, dass durch die Maßnahmenkombination noch genügend Potenzial vorhanden ist, um auch die Scheitel größerer Hochwasserereignisse herabzusetzen. Ein HQ150 bzw. ein HQ200 würden ohne Änderung der Drosseleinstellungen auf das Niveau eines HQ50 bzw. eines HQ100 gesenkt werden können. Damit könnte in Kombination mit einer bereits vorhandenen Hochwasserschutzanlage in Rothenthal auch für Extremereignisse das Schutzziel eines HQ100 erreicht werden. Eine Kombination einer geringeren Anzahl an Standorten würde für ein HQ100 im Durchschnitt noch eine Scheitelreduktion von knapp über 13 % erbringen. Damit könnte nicht nur der Hochwasserscheitel, sondern auch das Versagensrisiko neu gebauter Hochwasserschutzanlagen reduziert werden. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass die Wirksamkeitsbetrachtung dezentraler Hochwasserschutzmaßnahmen immer im Kontext des räumlichen Schutzziels und vor dem Hintergrund möglicher Alternativen und der Einzugsgebietseigenschaften gesehen werden sollte.The concept of decentralised flood protection (or water retention) is based on localising and using the natural capability of a catchment to retard run off as early as possible, and at several places at the same time, by means of a combination of different small-scale technical and non-technical measures (Assmann, 1999; DWA, 2006; DWA, 2013a; Schulte et al., 2007). Intense rainfall and heavy floods in August 2002, which caused extraordinarily high levels of inundation and damage, affected the Ore Mountains, a low range mountain region in eastern Germany. Against this background, the objective of this investigation has been developed to analyse the capability of headwater areas to mitigate floods for downstream locations at different spatial scales. Based on this idea, the hydrological effect of selected small, well-placed retention facilities was analysed for the Natzschung catchment. The above-mentioned concept is well established in German literature and recent studies have been reviewed, but it is also well known in the international context (Liaw et al., 2006; Mendel & Liebscher, 2010; Poulard et al., 2010; Scholz & Yang, 2010). Over recent years, several approaches and investigations have analysed the performance of these measures in terms of retention or detention ponds and other techniques (Reinhardt et al., 2011; Rieger, 2012). The discussion of pros and cons is still in progress, but the lack of data clearly remains an issue, especially concerning the capability and the effect of retention facilities at different spatial scales and for varying flood return periods (McMinn et al., 2010; Mendel & Liebscher, 2010). The analysis of the Natzschung catchment offered the potential for uncontrolled retention facilities at 19 locations, in the upper and middle basin. They include already existing small retention and detention ponds, and areas with valley- crossing street embankments with an ambiguous purpose. These facilities were implemented in a distributed hydrological model (NASIM) to simulate local and regional flood retarding effects with regard to a 100-year flood recurrence interval. The total storage capacity is over 500.000 m³ at a mean storage level of 3.6 m, and encompasses an area of more than 50 km². At all retention facilities, the discharge at the outlets is curbed and reduced by between 6 % and 75 %, with a mean of 40 %. More than 390.000 m³ of the retention capacity is used (72 %). This scenario induced a decrease in peak discharge from a level of 63.4 m³/s to a value of 45.2 m³/s (-28.7 %) at the gauging station Rothenthal (total area of 75 km²). At the catchment outlet 5 km downstream, the peak discharge remains lowered, at a level of 53.7 m³/s (-25.4 %). At both locations, the peak arrived forty-five minutes later. For all analysed locations in the catchment, a distinct effect concerning the peak reduction and the temporal shift of the peak could be observed. At the gauging station the HQ100 could be attenuated to a discharge comparable to a return period under a 50 year flood event (<HQ50). This is not only important for the main objective of flood protection, as a reduction in discharge also means a decrease in stream power, erosion and the sediment transport capacity of fluvial systems (Borga et al., 2011). After the August flood in 2002, several streams along the Ore Mountains were affected by sediment deposition dominated by boulders and cobbles. The sediments reduced the hydraulic cross section of the rivers and caused severe damage along the banks (IKSE, 2004; LFULG, 2009; LTV, 2004; RMD, 2005). The results have also shown that the total storage capacity is sufficient, but a redesign or a flexible control system of the outlets and the storage level of the basins could lower the costs and also improve the performance for larger flood events. However, the detection, survey and implementation of these kinds of retention facilities are labour and cost-intensive and need to be improved. This flood retention concept considers regional and local flood protection targets and the specific hydrological conditions and capabilities of a catchment. The implementation of these kind of measures in stream headwaters could be a feasible way to establish an effective and additional flood protection for the local and downstream settlements of the Ore Mountains, and for other low range mountain systems

guidelines for end-users ; 32 Tabellen

PREFACE: The problem of prevention with regard to floodplains is related to two extremes: Prevention of floods and prevention of droughts, both urgent socioeconomic issues during the last years. „Retard the flow of water in the stream corridor“ is the message to cope with both kind of problems. An amphibian landscape will help to maintain water supply during periods of droughts and by its retention area to reduce peaks of high floods. Flood retention areas will function sustainably only if there is an intact ecological system and equilibrium between erosion and accumulation of sediments which in turn both depend from the evolution of the hydraulic conditions and from the succession of the riparian forest. The RipFor — project laid emphasis on the hydraulic processes and their erosion / accumulation effects in retention areas with the aim to get insight into the interaction between riparian vegetation, sediment transport, hydraulics and ecology. Interdisciplinary and intereurOpean work was carried out in the field, the laboratory and by modelling. Results of the RipFor — project as presented in the scientific report and the attached „guidelines for End-Users “ in this way are a contribution to the international discussion on river restoration and to the implementation of the European Water Framework Directives. The scientific report was compiled by Ingo Schnauder and Jens Bölscher (Karlsruhe and Berlin) from contributions of all partners, whereas the bulk of work on the „Guidelines“ was done by Ingo Schnauder (Karlsruhe), Jens Bölscher (Berlin) and Harald Meixner (Vienna), who also cared for the layout. Reporting of the Romanian NAS partner was directed by Virgil Iordache. Assistance of subcontractors and endusers is highly appreciated, especially by Othmar Huppmann (Regierungspräsidium Freiburg / former Gewässerdirektion Oberrhein). Funding within „Quality of Live and Management of Living Resources“ in the RP5 framework of the European Union was essential for this project and is highly acknowledged. Prof. Dr. Peter-Jürgen ErgenzingerresearchDFG, SUB Göttingen, FU Berli