Hydrosphäre I: Verteilung, Transport und Abbau von Arzneimittelreststoffen in urbanen Oberflächen- und Grundwässern
Stipendiat:
Antragsteller: Nützmann (HU)
Kennwort: Gewässermodellierung
Fragestellung
Kriterien für die Stabilität und Qualität urbaner Wasserressourcen stellen nicht nur die natürlichen Dargebote, sondern auch die aufgrund anthropogener Aktivitäten in das Gewässersystem eingetragenen Stoffe dar (Lerner 1996). Während erstere durch globale Klimaänderungen und Änderungen im Verbrauch (kommunal, industriell) in ihrer Entwicklung ständig neu zu quantifizieren sind, stellen die Stoffeinträge und -zirkulationen qualitative Parameter dar, die auf den Wasserhaushalt zurückwirken (Zaadnoordijk et al. 2004, Zhang et al. 2004). So genannte PhAC's (phamaceutical active compounds) werden in die Oberflächengewässer über Kläranlagenabläufe eingetragen und dann wieder durch Uferfiltration bzw. Grundwasseranreicherung mit dem Rohwasser gefördert. Sie können erst seit einigen Jahren analytisch nachgewiesen werden und ihre Konzentrationen bewegen sich im Piko- bzw. Nanogrammbereich je Liter. Ob und in welcher Weise diese Substanzen gesundheitsrelevant sind oder den menschlichen Organismus beeinflussen, ist Gegenstand vieler Untersuchungen. Die Diversität dieser Stoffe ist noch nicht bekannt und es kommen aufgrund der sich explosionsartig entwickelnden neuen Medikamente und weiterentwickelter Detektionsmethoden ständig neue hinzu. Einige dieser PhAC's werden bei der Filtration in das Grundwasser biologisch abgebaut, andere haben sich bisher als weitgehend persistent erwiesen und werden möglicherweise im Wasserkreislauf angereichert (Heberer et al. 2002). Aus diesem Grunde eignen sich diese Stoffe als Indikatoren zur Abschätzung anthropogener Einflüsse auf das städtische ober- und unterirdische Gewässersystem und dessen Entwicklung.
Methoden
Diese beobachteten Phänomene verstärken sich infolge des prognostizierten Klimawandels (häufigeres Auftreten von trockenen und sehr warmen Sommern) und die damit einhergehenden Veränderungen im regionalen Wasserhaushalt (deutliche Verringerung der Zuflüsse, Abnahme der Grundwasserneubildung, Zunahme von Klarwasseranteilen in den Oberflächengewässern). Die anstehenden Fragen im Rahmen der dritten GRAKO-Phase betreffen deshalb die
- Modellierung der Ausbreitungs- und Verteilungsphänomene von PhAC's im Gewässer
- Modellierung der Wechselwirkungen mit dem ufernahen Grundwassersystem unter Uferfiltratbedingungen
- Abschätzung der Risiken- und Gefahrenpotentiale für die Wasserversorgung
- Ableitung von Szenarien und Handlungsperspektiven (z.B. Schaffung kurzer Wasserkreisläufe innerhalb der Stadt, naturnahe Nachbehandlung der Klarwässer...).
Die Untersuchung und Modellierung der Verbreitung, Anreicherung bzw. des Abbaus der PhAC's ist für das ökologische Verständnis und die sachgerechte Bewertung und Entwicklung urbaner Standorte von großer Bedeutung, da deren Gewässersysteme eine wichtige, multifunktionelle Rolle spielen und integraler Bestandteil des natürlichen und gesellschaftlichen Systems Stadt sind (Evans & Maslia 2005).
Um Mechanismen und Systemzusammenhänge sowie Entwicklungspotenziale aufzuzeigen, werden zwei Ansätze verfolgt, die einerseits die Relationen zwischen Dargebot, Nutzung und Flächeninanspruchnahme unterirdischer Wasserressourcen und andererseits die ökologischen Potenziale und Gefährdungen urbaner Gewässer untersuchen. Ausgehend von bereits erhobenen Messreihen und analytischen Ergebnissen zur Umweltrelevanz verschiedener PhAC's im Oberflächenwasser und im Grundwasser (auf der Basis der Senatsmessprogramme und der Untersuchungen der Berliner Wasserbetriebe) werden Modellsubstanzen ausgewählt, die ein bestimmtes, typisches Verhalten bei der Uferfiltration zeigen: Persistenz bzw. Abbau. Die notwendigen Parameter für die mathematische Modellierung des Transportverhaltens können aus vorausgegangenen Arbeiten des NASRI-Projekts übernommen bzw. abgeleitet werden (Massmann et al. 2005). Des weiteren werden für ausgewählte Stadtbereiche Wasserhaushaltsmodelle entwickelt, die wesentliche Flächen und Einzugsgebiete (ober- und unterirdisch) umfassen. Mit Hilfe dieser Modelle können zunächst Szenarien zum Wasserhaushalt und anschließend Szenarien zur Veränderung der Wasserqualität simuliert werden, mit denen die Auswirkungen natürlicher und anthropogener Einflüsse abgebildet und einer Bewertung unterzogen werden.
Thema der geplanten Dissertation
Modellierung der Ausbreitung, des Transports und des Abbaus von Arzneimittelreststoffen in urbanen Oberflächen- und Grundwässern