2020/2021 BERATUNGS- UND F&E-LEISTUNGEN DER BFG FÜR DAS BMU - BUNDESANSTALT FÜR ...
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Bundesanstalt für
Gewässerkunde
Beratungs- und
F&E-Leistungen
der BfG für das
BMU
2020/2021
Beratungs- und F&E-Leistungen
der BfG für das BMU
2020/2021
Unterstützung des BMU bei dessen Aufgabenwahrneh-
mung im Bereich Wasserwirtschaft einschließlich
grenzüberschreitender und internationaler Zusammen-
arbeit
Berichtsnummer: BfG-2054
Seite 1
Bundesanstalt für
Gewässerkunde
Beratungs- und
F&E-Leistungen
der BfG für das
BMU
2020/2021 Impressum
Herausgeber: Bundesanstalt für Gewässerkunde
Am Mainzer Tor 1
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nukleare Sicherheit
Robert-Schuman Platz 3
53175 Bonn
Tel.: (0228) 99 305-0
Fax: (0228) 99 305-3225
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Internet: http://www.bmu.de
Erstellt im Rahmen der Verwaltungsvereinbarung
zwischen dem
und dem
vom Juli 2017 zur Unterstützung des BMU bei dessen Aufgabenwahrnehmung
im Bereich Wasserwirtschaft einschließlich grenzüberschreitender und internati-
onaler Zusammenarbeit.
Zitiervorschlag:
Bundesanstalt für Gewässerkunde (2020): Beratungs- und F&E-Leistungen der BfG für
das BMU 2020/2021 – Unterstützung des BMU bei dessen Aufgabenwahrnehmung im
Bereich Wasserwirtschaft einschließlich grenzüberschreitender und internationaler Zu-
sammenarbeit. Bericht BfG-2054, Koblenz, 94 S.
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Gewässerkunde
Beratungs- und
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der BfG für das
Inhaltsverzeichnis BMU
2020/2021
Vorwort des BMU ............................................................................................... 9
Vorwort der BfG ............................................................................................... 11
Ziele des Messprogramms Gewässergüte ......................................................... 13
101 Messstationen zur Gewässergüte ................................................................ 15
102 Weitergehende Bewertung von Gewässergütedaten .................................. 18
103 Organische Schadstoffe .............................................................................. 22
104 Biodiversität großer Fließgewässer und Auen............................................ 28
105 Schadstoffe vom Fluss ins Meer................................................................. 32
106 Bioakkumulation und Bioverfügbarkeit ..................................................... 36
107 Gewässerverträglichkeit chemischer Stoffe und technischer Produkte ...... 40
108 Ökologisches Monitoring an Strömen ........................................................ 45
109 Allgemeine und spezielle Ökotoxikologie ................................................. 50
110 Betreuung und Wartung des Alarmmodells Elbe ....................................... 54
111 Flussgebietsspezifische Schadstoffwirkungen ........................................... 57
112 Schadstoffe in Flüssen – Prozesse und Modellierung ................................ 62
113 Grundlagen wasserwirtschaftlicher Planungen .......................................... 66
114 Allgemeiner Wasserhaushalt ...................................................................... 70
201 Berichtsportal WasserBLIcK...................................................................... 74
301 Das Internationale Zentrum für Wasserressourcen und Globalen Wandel
(ICWRGC) – UNESCO Kategorie 2 Zentrum und nationales Sekretariat des IHP
(UNESCO) und HWRP (WMO) ....................................................................... 77
302 Das GEMS/Water Datenzentrum (GWDC) im Internationalen Zentrum für
Wasserressourcen und Globalen Wandel (ICWRGC)....................................... 82
401 Beratungs- und Modellierungsdienst NHWSP/ eNHWSP ......................... 87
501 Umweltprobenbank-Schwebstoffe ............................................................. 91
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Bundesanstalt für Gewässerkunde Beratungs- und F&E-Leistungen der BfG für das BMU 2020/2021 Seite 4
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Beratungs- und
F&E-Leistungen
der BfG für das
Abbildungs- und Tabellenverzeichnis BMU
2020/2021
Abbildung 1: Messponton der BfG am Rhein in Koblenz. ............................................................15
Abbildung 2: Beispiel für Foulingeffekte in durchströmten Bereichen einer Messstation an der
Saar ................................................................................................................................................16
Abbildung 3: Internetauftritt, Zahlentafeln der IKSR. ...................................................................18
Abbildung 4: Internetauftritt, Informationsplattform Undine. .......................................................20
Abbildung 5: Deutsches Eck bei Koblenz. ....................................................................................22
Abbildung 6: PFAS-Konzentrationen in Rheinsedimenten ...........................................................25
Abbildung 7: Juveniler Hecht (Esox lucius) – Von der Vernetzung zwischen Fluss und Aue
abhängige Fischart. ........................................................................................................................28
Abbildung 8: RDA Biplots: Verteilung der Gewässer nach dem Artenwechsel juveniler Fische
(Simpson Turnover nach Baselga, 2012) in Abhängigkeit a) der mittleren Anbindungshäufigkeit
(mf0) der Gewässer (Modellgüte: AIC: - 83,51385, p = 0,001) und b) permanenter (blau) und
temporärer Anbindung (grün) der Gewässer an die Elbe (AIC: - 83,34535, p = 0,001) ................30
Abbildung 9: Elbemündung bei Cuxhaven. ...................................................................................32
Abbildung 10: Räumliche Verteilung des Tetrabutylammonium Kation in Sedimentproben der
Deutschen Bucht und der Ästuarien von Ems, Weser und Elbe. Konzentrationen unter 0,15 µg/kg
Trockensubstanz sind weiß gekennzeichnet. Der Gehalt des gesamtorganischen Kohlenstoffes
(TOC) der Sedimentproben wird durch Punkt (> 1,0% TOC), Sternchen (1,0 - 0,1% TOC) und
Kreis (< 0,1% TOC) dargestellt. ....................................................................................................34
Abbildung 11: Nematoden (Caenorhabditis elegans), beliebte Testorganismen für chronische
Toxizitätstests, die künftig vermehrt für Bioakkumulationsstudien genutzt werden sollen. (Quelle:
S. Hoess, Firma ecossa) .................................................................................................................36
Abbildung 12: a) Konzentrationsverlauf einer hypothetischen Testsubstanz beim passiven
Dosieren im Vergleich zum konventionellen Dosieren, b) Testgefäß für das passive Dosieren mit
Testmedium und einem Reservoir (Silikon O-Ring, rot) für die Testsubstanz(en), c) Schematische
Abbildung des Funktionsprinzip des passiven Dosierens. Mögliche Verluste der Testsubstanz(en)
werden durch das Reservoir ausgeglichen. (Quelle: 1a: Schäfer 2020, 1b und 1c: Fischer
Masterarbeit 2015).........................................................................................................................38
Abbildung 13: Der Massengutfrachter Wakashio kurz nach dem Auseinanderbrechen am 16.
August. Quelle: IMO, CC BY 2.0. ................................................................................................40
Abbildung 14: Wakashio auf dem Riff bei Mauritius mit der verursachten Ölverschmutzung.
Quelle: VesselFinder, www.vesselfinder.com. ..............................................................................42
Abbildung 15: Ölverschmutzung in der Bucht vor Pointe d‘Esny am 10. und 15. August.
Schutzgebiete sind mit ▲ gekennzeichnet. Quelle: European Union by JRC ...............................44
Abbildung 16: Rhein bei Istein. .....................................................................................................45
Abbildung 17: Historische Entwicklung der Lebensgemeinschaft des Rheins zwischen Basel und
der deutsch-niederländischen Grenze in Beziehung zum durchschnittlichen Sauerstoffgehalt des
Rheins bei Bimmen (ausgewählte Tiergruppen) ............................................................................47
Abbildung 18: Mittlere Artenzahl/Untersuchungsstelle 1968-2018 am Niederrhein .....................47
Abbildung 19: Rhein bei Vallendar, Niedrigwasser ......................................................................48
Abbildung 20: Juveniler Wasserfloh für den akuten Daphnientest. ...............................................50
Abbildung 21: Erfassung androgener, toxischer und anti-androgener Effekte in Kopplung mit
Dünnschichtchromatographie. Die Referenzsubstanzen Bisphenol-A (BPA), Testosteron,
Flutamid und 4-Nitroquinolin-N-oxid (4-NQO) wurden in steigender Konzentration aufgetragen
und mittels des planaren-Yeast Androgen Screen (links), planaren-Yeast Tox Screen (Mitte) und
des planaren- anti Yeast Androgen Screen untersucht. Blaue Fluoreszenzsignale zeigen androgene
Effekte (links), violette Signale zeigen toxische Effekte (Mitte) und die Auslöschungen (rechts)
zeigen spezifische anti-androgene Effekte, wenn keine toxischen Effekte beobachtet wurden. ....52
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der BfG für das
BMU Abbildung 22: Aufbau einer Messeinrichtung Quelle: Zenz, BfG. ...............................................54
2020/2021
Abbildung 23: Linke Seite: Vergleich von Tracerkurven aus Messungen (orange) und durch das
Alarmmodell prognostizierte (blau) bei hohen Abflüssen. Rechte Seite:
Fluoreszenztracermessausrüstung auf Abruf: Die auf das Farbspektrum von Rhodamin G
optimierte Fluoreszenzsonde, Messbox mit Stromversorgung, Gerätesteuerung, Datenspeicherung
und Datenfernabruf (Foto: Zenz, BfG). .........................................................................................55
Abbildung 24: Vereinfachte Darstellung eines vorgeschlagenen AOPs zur Wirkung des
empfängnisverhütenden Stoffes 17α-Ethinyloestradiol auf die Fruchtbarkeit von Fischen. Die
ausgefüllten Pfeile markieren einen belegten kausalen Zusammenhang, der offene Pfeil einen
vermuteten Zusammenhang, der wissenschaftlich noch zu belegen ist. ........................................60
Abbildung 25: Hochwasser im Juni 2013 in Magdeburg mit Anteil der dortigen Schwermetall- /
Arsen-Ereignisfracht der Elbe an der Jahresfracht 2013 Quelle: LHW-Sachsen-Anhalt (Daten),
Havariekommando (Foto). ............................................................................................................62
Abbildung 26: Spannweite und Mittelwert der Arsenkonzentration in Elbe, Mulde, Saale und
Havel an Messstellen des Messprogramms Extremereignisse beim Niedrigwasser (NW) 2018,
2015 und im Jahr 2012 (nach Hübner & Schwandt 2020). ............................................................64
Abbildung 27: Mittlerer täglicher Durchfluss, mittlere Arsenkonzentration und mittlere
Arsentagesfracht der Elbe beim Niedrigwasser 2018 nach Messung (Konzentration: Wochen-
Mischproben, Stichproben der Länder; Durchfluss: Tagesmittelwerte an WSV-Pegeln) und
Modellierung (Gewässergütemodell QSim inklusive Schwermetallmodul, gekoppelt an
hydrodynamisches Modell Hydrax) (nach Hübner & Schwandt in Vorbereitung) ........................64
Abbildung 28: Schneebedeckte Landschaft in Wachtberg bei Bonn (07. März 2010). Foto: Enno
Nilson, BfG ...................................................................................................................................66
Abbildung 29: Beispiel zweier Simulationsrechnungen mit dem großräumigen
Wasserhaushaltsmodell LARSIM-ME-2019 zur Analyse des Einflusses der Bewirtschaftung der
tschechischen Talsperren auf den jährlichen Niedrigwasserabfluss (NQ, kleinster Tageswert des
Abflusses in einem Wasserhaushaltsjahr) am Pegel Dresden/Elbe. Dargestellt sind simulierte NQ-
Zeitreihen 1951 bis 2015, mit (graue Linie) und ohne (rote Linie) den Einfluss der wichtigsten
Talsperren. Zusätzlich ist die Differenz der Niedrigwasserkennwerte zwischen den beiden
Modellvarianten als Balkendiagramm wiedergegeben. Der Grafik ist zu entnehmen, dass der
Niedrigwasserabfluss der Elbe am Pegel Dresden deutlich mit bis zu ~30% durch die Talsperren
gestützt wird. Von den tschechischen Talsperren sind nur die größten berücksichtigt, so dass die
tatsächliche Stützung des NW-Abflusse noch stärker ausfallen dürfte. Die Daten stehen für
weitere Analysen, z.B. zur Einordnung der aktuellen NW-Periode in den historischen Kontext
sowie für Fragen der Attributierung in Hinblick auf den beobachteten Einfluss des Klimawandels
zur Verfügung................................................................................................................................67
Abbildung 30: Niedrigwasser am Mittelrhein (15. September 2018). Foto: Enno Nilson, BfG ....70
Abbildung 31: Beispielkarte aus der hydrologischen Klimafolgenanalyse der BfG. Dargestellt ist
ein Indikator für hydrologische Trockenheit der größeren Flüsse Deutschlands, d.h. die erwarteten
Änderungen des Niedrigwasserkennwertes MNM7Q (mittleres kleinstes 7- Tagesmittel eines
Wasserhaushaltsjahres) für die ferne Zukunft (2071-2100) gegenüber der Bezugsperiode 1971-
2000 bei Annahme eines hohen Emissionsszenarios/-pfades (RCP 8.5, geringer Erfolg von
Klimaschutzmaßnahmen). Ausgewählt wurde hier die ungünstigste Schätzung mit Bezug auf die
Niedrigwasserentwicklung, d.h. das 15% Perzentil des aktuell verfügbaren Klima- und
Abflussprojektionsensembles. .......................................................................................................72
Abbildung 32: Portal WasserBLIcK. .............................................................................................74
Abbildung 33: Startseite der Web-Präsentation „Wasser-DE“. .....................................................75
Abbildung 34: Internationales Zentrum für Wasserressourcen und Globalen Wandel (ICWRGC).
.......................................................................................................................................................77
Abbildung 35: Startseite des GEMStat Portals. .............................................................................82
Abbildung 36: Überflutung des Autobahnkreuzes A3/A92 bei Deggendorf während des
Hochwassers im Juni 2013 an der Donau (Quelle: BfG). ..............................................................87
Abbildung 37: Beispielhafter Auszug der Web-Anwendung „eNHWSP“ (Quelle: BfG) .............89
Abbildung 38: Reinigen des Schwebstoffsammlers in Rehlingen .................................................91
Abbildung 39: Die Schwebstoffprobe in den Fangschalen ............................................................92
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Beratungs- und
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der BfG für das
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2020/2021
Tabelle 1: Konzentrationen weiterer neuartiger Schadstoffe in Sedimenten des Rheins und seiner
Zuflüsse .........................................................................................................................................25
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Bundesanstalt für Gewässerkunde Beratungs- und F&E-Leistungen der BfG für das BMU 2020/2021 Seite 8
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Beratungs- und
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der BfG für das
Vorwort des BMU BMU
2020/2021
Dr. Regina Dube, BMU, Leiterin Abt. Wasserwirtschaft, Ressourcenschutz und Anpassung an den Klimawan-
del
Der Schutz der Gewässer im Sinne der europäischen Wasserrahmenrichtlinie hat
in den beiden letzten Jahrzehnten auch an den Bundeswasserstraßen immer grö-
ßere Bedeutung erlangt. Das hat den Beratungsbedarf der Bundeswasserstraßen-
verwaltung insbesondere hinsichtlich der ökologischen Aspekte deutlich erhöht,
zumal der Bundeswasserstraßenverwaltung unmittelbare, eigene gesetzliche Zu-
ständigkeiten bei der Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie zugewachsen sind.
Die Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) als eine der Ressortforschungsein-
richtungen im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Verkehr und digi-
tale Infrastruktur (BMVI) hat sich über Jahre eine unbestrittene Expertise bei der
Bearbeitung wasserwirtschaftlicher Fragestellungen von der Ermittlung und Be-
wertung stofflicher Belastungen über die Entwicklung biologischer Bewertungs-
verfahren für den Gewässerzustand bis zur Prüfung alternativer wasserbaulicher
Lösungen im Hinblick auf ihre ökologischen Auswirkungen erarbeitet.
Diese Ausrichtung der BfG hat sicher auch mit der langjährigen fruchtbaren Zu-
sammenarbeit mit dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukle-
are Sicherheit (BMU) zu tun. Ausgangspunkt und ursprünglicher Anlass für diese
Zusammenarbeit waren Verpflichtungen, die die Bundesrepublik Deutschland im
Rahmen der Überwachungsprogramme der Internationalen Kommissionen zum
Schutz des Rheins sowie zum Schutze von Mosel und Saar, später dann auch für
die entsprechenden Kommissionen für die Elbe und die Oder eingegangen war.
Hier hat die BfG wichtige Aufgaben im Auftrag des Bundesumweltministeriums
bei der Zusammenführung, Auswertung und Bewertung von Messdaten über-
nommen.
Mit Inkrafttreten der Wasserrahmenrichtlinie hat sich das Spektrum der von der
BfG für das BMU wahrgenommenen Aufgaben stetig erweitert. Dies umfasst un-
ter anderem die wichtige Schnittstellenfunktion bei der elektronischen Berichter-
stattung an die Europäische Kommission und die Europäische Umweltagentur,
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Beratungs- und
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der BfG für das
BMU welche auch die elektronische Berichterstattung zur EU-Meeresstrategie-Rah-
2020/2021
menrichtlinie einschließt. Auch neue Aufgaben im internationalen Kontext, etwa
der Betrieb des Datenzentrums für das Global Environmental Monitoring System
Water von UN Environment sind dazugekommen. Eine wichtige Erweiterung
war die aus einem Forschungsprojekt übernommene Aufgabe der Nachweisfüh-
rung der überregionalen Wirksamkeit der Maßnahmen des Nationalen Hochwas-
serschutzprogramms (NHWSP), die nun als Teil des neuen kontinuierlichen Be-
ratungs- und Modellierungsdienstes NHWSP/eNHWSP fortgesetzt wird. Mit
dem Jahr 2020 kommen mit der Beprobung von Schwebstoffen und deren Aus-
wertung für die Umweltprobenbank des Bundes ein weiterer Schwerpunkt hinzu.
Im Jahr 2021 soll mit dem schrittweisen Aufbau einer Berichtsplattform Niedrig-
wasser begonnen werden.
Die BfG ist heute nach dem Umweltbundesamt, mit dem sie eng zusammenar-
beitet, die wichtigste wissenschaftliche Beratungseinrichtung des Bundes für das
BMU im Bereich der Gewässerbewirtschaftung. Es war daher nur konsequent,
die Zusammenarbeit zwischen dem BMU und der BfG auf eine neue zukunftssi-
chere Grundlage zu stellen, was mit der Verwaltungsvereinbarung zwischen dem
BMU und dem BMVI über die Erbringung von Leistungen durch die Bundesan-
stalt für Gewässerkunde (BfG) zur Unterstützung des BMU bei dessen Aufga-
benwahrnehmung im Bereich der Wasserwirtschaft sowie zur grenzüberschrei-
tenden und internationalen Wasserkooperation vom Juni 2017 gelungen ist.
Der vorliegende Bericht für das Jahr 2020 gibt einen Überblick über die vielfach
hochinteressanten Ergebnisse sowie einen Ausblick auf das abgestimmte Maß-
nahmenprogramm der BfG zur Unterstützung des Bundesumweltministeriums
für die beiden kommenden Jahre. Ich wünsche mir, dass diese neue Form der
Darstellung der Leistungen des Maßnahmenprogramms viele interessierte Leser
findet.
Dr. Regina Dube
Dr. Regina Dube (BMU)
Leiterin der Abteilung Wasserwirtschaft, Ressourcenschutz und Anpassung an
den Klimawandel
Tel.: +49 (0)228/99305-2500
Email: regina.dube@bmu.bund.de
Seite 10Bundesanstalt für
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der BfG für das
Vorwort der BfG BMU
2020/2021
Dr. Birgit Esser, Leiterin der BfG und Prof. Dr. Thomas Ternes, Abteilungsleiter G, Forschungsbeauftragter
Die Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) ist eine Bundeseinrichtung mit For-
schungs- und Entwicklungsaufgaben im Geschäftsbereich des Bundesministeri-
ums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) mit ressortübergreifendem
Auftrag. Unsere wissenschaftliche Arbeit und angewandte Forschung leisten wir
in den Bereichen Hydrologie, Gewässernutzung, Gewässerbeschaffenheit, Öko-
logie, Gewässerchemie und Gewässerschutz. Dabei erstreckt sich unser Tätig-
keitsfeld vorrangig auf die schiffbaren Flüsse, Kanäle und Küstengewässer, die
Bundeswasserstraßen sind. Zusätzlich stehen sämtliche Eintragspfade, die zu Ge-
wässerbelastungen führen können, im Fokus unserer Studien für das Bundesmi-
nisterium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMU). Hierzu ge-
hören sowohl die Zuflüsse der Fließgewässer als auch die diffusen Einträge aus
der Landwirtschaft und die punktuellen Einträge aus den Siedlungsbereichen.
Auf europäischer Ebene und global sind wir in grundlegende Forschungs- und
Entwicklungsprojekte und -programme integriert. Zudem übernehmen wir viel-
fach die Vertretung des Bundes in internationalen Gremien auf Flussgebiets-,
EU- und globaler Ebene.
Die interministerielle Ausrichtung der BfG ist bereits seit Jahrzehnten Grundlage
unserer Tätigkeiten. Im Jahr 1973 wurde diese noch mit einer interministeriellen
Vereinbarung verfestigt. Die Unterzeichnung erfolgte damals durch neun Bun-
desressorts, u.a. durch das BMI, als Vorläuferministerium für den Aufgabenbe-
reich des BMU. Das Mandat der BfG, wissenschaftlich fundierte Erkenntnisse
auf breiter Ebene für die Bundesressorts bereitzustellen, hat daher eine sehr lange
Tradition. Neben dem BMVI spielt dabei das BMU die größte Rolle als Auftrag-
geber. Zahlreiche Beschäftigte der BfG setzen sich mit hohem Engagement tag
täglich, sowohl beratend als auch forschend, mit wasserwirtschaftlichen Themen-
stellungen des BMU auseinander.
Auch zukünftig werden wir mit unserer Expertise innovative Themen der Was-
serwirtschaft initiieren und mitgestalten. Wir bedanken uns bei den Kolleginnen
Seite 11Bundesanstalt für
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der BfG für das
BMU und Kollegen des BMU für die jahrelange gute Zusammenarbeit und laden Sie
2020/2021
als interessierten Leser ein, sich die 2020 erzielten Untersuchungsergebnisse an-
zuschauen.
Wir sind gespannt auf Ihre Rückmeldungen und auf den fachlichen Austausch.
Dr. Birgit Esser, Prof. Dr. Thomas Ternes
Dr. Birgit Esser (BfG)
Leiterin der Bundesanstalt für Gewässerkunde
Tel.: +49 (0)261 1306 5300
Email: esser@bafg.de
Prof. Dr. Thomas Ternes (BfG)
Leiter Abteilung Qualitative Gewässerkunde, Forschungsbeauftragter
Tel.: +49 (0)261 1306 5560
Email: ternes@bafg.de
Seite 12Bundesanstalt für
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der BfG für das
Ziele des Messprogramms Gewässergüte BMU
2020/2021
Messprogramm zur Ü berwachung der Gewa ssergu te
deutscher und grenzu berschreitender Flussgebiete sowie
von Ku stengewa ssern
Die Erkenntnisse des BMU-Messprogramms dienen der wissenschaftlichen Be-
ratung des BMU zu Fachthemen der deutschen, europäischen und internationalen
Gewässerpolitik. Insbesondere wird das BMU bei seinen Aufgaben auf nationa-
ler/internationaler Flussgebietsebene unterstützt. Den Rahmen bilden hierbei die
europäischen und nationalen Strategien und Vorgaben im Wasser- und Umwelt-
bereich, wie beispielsweise die Wasserrahmenrichtlinie (WRRL), die Mee-
resstrategie-Rahmenrichtlinie (MSRL) oder die Agenda 2030.
Das BMU-Messprogramm der BfG ist primär auf folgende Ziele ausgerichtet:
• Ein besseres Verständnis über den Einfluss des Klimawandels und die
dabei verursachten Extremereignisse auf Wasserhaushalt und Gewässer-
qualität grenzüberschreitender Flussgebiete hilft, angemessene Maßnah-
men zur Linderung der negativen Auswirkungen rechtzeitig zu initiieren.
Beispielsweise wird für Deutschland die Qualität von Abfluss- und Was-
serbilanzen sowie von Wasserstands- und Abflussvorhersagen kontinu-
ierlich verbessert, um Bewohner, Behörden und die Wasserwirtschaft auf
die zu erwartenden Herausforderungen vorzubereiten
• Das Verständnis zu Vorkommen, Verhalten und Wirkung anthropogener
Schadstoffe in grenzüberschreitenden Flüssen, Übergangs- und Küsten-
gewässern wird kontinuierlich und systematisch verbessert. Dies erlaubt
es, effizientere Konzepte zur Reduzierung der Gewässerbelastungen
durch diffuse und Punktquellen aufzustellen, um unsere Gewässer,
Grundwässer und Trinkwässer vor Belastungen durch anthropogene
Stoffe zu schützen
• Das Verständnis der komplexen Wirkungen von Gewässer- und Auen-
strukturen, Abflussregimen und Gewässergüte auf die langfristige Ent-
wicklung der Artenvielfalt und der Biozönosen wird, auch unter Berück-
sichtigung von Extremereignissen und Klimawandel, fortlaufend verbes-
sert und vertieft. Über 90 % der Fließgewässer in Deutschland und ca. 50
% der europäischen Fließgewässer erreichen den guten ökologischen Zu-
stand (das wasserwirtschaftliche Ziel der EU-Wasserrahmenrichtlinie)
Seite 13Bundesanstalt für
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der BfG für das
BMU nicht. Daher ist es zwingend erforderlich, die Gründe für die Beeinträch-
2020/2021
tigung der Biodiversität der Fließgewässer aufzuklären, um angemessene
Maßnahmen einleiten zu können.
Neue Schwerpunkte
• Die Umweltprobenbank des Bundes (Federführung UBA) ist als standar-
disiertes Archiv mit Proben von Schwebstoffen und Biota für die Gewäs-
serüberwachung von unschätzbarem Wert. Hierdurch kann retrospektiv
die Belastung der Gewässer auch für neu identifizierte Schadstoffe der
zurückliegenden Jahre ermittelt und zudem der Erfolg von Maßnahmen
über Jahrzehnte verifiziert werden. Die BfG unterstützt daher das BMU
bei der Beprobung von Schwebstoffen an Rhein, Elbe, Donau und Ne-
benflüssen. Diese Proben können dann im Rahmen des Messprogrammes
auf neuartige Schadstoffe analysiert werden. Hierfür entwickelt die BfG
neuartige Ansätze für routinemäßige und gewässerübergreifende Non-
Target Screening Messungen.
Seite 14Bundesanstalt für
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101 Messstationen zur Gewässergüte BMU
2020/2021
Abbildung 1: Messponton der BfG am Rhein in Koblenz.
Die Erfassung des Gewa sserzustandes mit ada quater zeit-
licher Auflo sung, ist die Voraussetzung fu r die Bestim-
mung von Ürsache-Wirkungs-Zusammenha ngen, um dar-
aus Maßnahmen zur Verbesserung des Gewa sserzustan-
des abzuleiten.
Die analytische Forschung ist die Basis für das gewässerchemische Online-Mo-
nitoring. Gewässeranalytische Fragestellungen und das Monitoring zur Wasser-
beschaffenheit werden im Projekt zusammengeführt. Die Grundlage stellt der Be-
trieb der beiden Messstationen Koblenz/Rhein und Koblenz/Mosel dar. In der
Station Koblenz/Rhein wurde zusätzlich die Forschungsplattform „Messstation
der Zukunft“ errichtet, wo im Parallelbetrieb neue automatisierte Probenahme-
techniken und Sensoren getestet werden können. Darüber hinaus bestehen bun-
desweit Kooperationen mit Landesbehörden für qualitative Fragestellungen.
Veranlassung
Die durchgeführten Arbeiten liefern Beiträge
• Zur Verfügbarkeit und Anwendung neuer messtechnischer Entwicklun-
gen unter realen Bedingungen. Hier liegt ein Fokus auf der Verbesserung
der Vergleichbarkeit der in der Fläche erhobenen Daten. Dies gilt für On-
line- und Laborverfahren.
• Zum Ausbau der eingesetzten Messverfahren (Verringerung der Ausfall-
zeiten, Erweiterung des Spektrums, Verlängerung der Wartungsinter-
valle).
• Zur Etablierung neuer Messstrategien unter Anwendung automatisierter
oder teil-automatisierter Systeme.
Seite 15Bundesanstalt für
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BMU
2020/2021
Abbildung 2: Beispiel für Foulingeffekte in durchströmten Bereichen einer Messstation an der Saar
Mittelfristige strategische Ziele:
• Verbesserung der Repräsentativität der erhobenen Daten
• Verbesserung der Richtigkeit und Präzision der Messwerte
• Nutzung und Entwicklung des vorhandenen Messnetzes
• Erweiterung der Zusammenarbeit mit den Bundesländern auf den Gebie-
ten automatisierter Messstationen und dem Datenaustausch
• Überführen von offline-Konzepten in online-Verfahren
• Forschung und Entwicklung im Bereich Monitoring
Ergebnisse
• Betrieb und Weiterentwicklung der Messstationen Ko/Rh und Ko/Mo für
nationale und internationale Messprogramme sowie für die Überblicks-
überwachung im Rahmen der EU-WRRL
• Unterstützung der Messaktivitäten verschiedener Bundesländer, z.B.
durch das Vervollständigen von Datensätzen.
• Probenahme und Datenerhebung für verschiedene Schadstoffe im Rah-
men des Rheinmessprogrammes Chemie der Internationalen Kommis-
sion zum Schutz des Rheins (IKSR)
• Durchführung eines Sondermessprogrammes für neue organische Mikro-
verunreinigungen im Rhein und Abstimmung mit den Expertengruppen
„Analytik“ und „Monitoring“ der IKSR
• Erarbeiten von robusten Verfahren zur Multielementanalytik
• Verbesserung der online Datenkommunikation im Messnetz
• Automatisierte Beprobung der Sediment-/Wasser-Grenzschicht zur Be-
stimmung von Metallen, Metalloiden und Nährstoffen im (Poren-) Was-
ser
• Aufbau einer experimentellen Gewässermonitoringplattform
• Qualitativer Vergleich unterschiedlicher Schwebstoffsammler, Erarbei-
tung eines Vorschlags zur besten Praxis
Seite 16Bundesanstalt für
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Beratungs- und
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der BfG für das
Ausblick auf die nächsten Jahre BMU
2020/2021
• Fortführen laufender Aktivitäten (siehe oben)
• Konkrete Abstimmung zu Datenhaltungs- und Datenweitergabe-Kon-
zepten mit den beteiligten Bundesländern
• Weiterentwicklung von Konzepten zur zeitnahen Gewässercharakterisie-
rung
• Erhebung, Bearbeitung und Bereitstellung der Daten für Koblenz/Mosel
und Koblenz/Rhein
Verwertung der Ergebnisse
Neben dem BMU wird intensiv mit den Internationalen Kommissionen zum
Schutz des Rheins, der Elbe und von Mosel und Saar (IKSR, der IKSE, IKSMS)
sowie mit verschiedenen Bundesländern kooperiert. Eine enge Zusammenarbeit
besteht zusätzlich mit den Projekten „Weitergehende Bewertung von Gewässer-
gütedaten“ und „Organische Schadstoffe“. Zu Prognosezwecken wurde einigen
Behörden der direkte Zugriff auf die aktuellen Daten des Rheins ermöglicht, so
auch an der Station Regensburg, wo G4 am Alarmplan Donau beteiligt ist:
https://www.br.de/mediathek/video/gefahr-niedrigwasser-der-alarmplan-donau-
will-vorsorgen-av:5f0a436d383049001b3a0d60.
Dr. Alexander Zavarsky
Referat G4 Radiologie und Gewässermonitoring
Tel. +49 (0)261 1306 5934
Fax. +49 (0)261 1306-5280
E-Mail: zavarsky@bafg.de
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2020/2021 102 Weitergehende Bewertung von Gewäs-
sergütedaten
Abbildung 3: Internetauftritt, Zahlentafeln der IKSR.
Analyse, Datentransport, Auswertung und Bewertung von
Wasserbeschaffenheitskenngro ßen sind die Vorausset-
zung fu r die erfolgreiche langfristige Ümsetzung von Mo-
nitoringprogrammen und den abzuleitenden Maßnah-
men.
Das Projekt befasst sich, neben Routineleistungen, mit der Weiterentwicklung
gewässerchemischer Auswerte-, Datentransport-, Datenhaltungs- und Bereitstel-
lungsmethoden. Das Projekt ist eng mit „Messstationen, BMU-Maßnahme 101“,
den beteiligten Schutzkommissionen sowie den Fließgewässergemeinschaften
verknüpft.
Veranlassung
Analytik, Darstellung, Bereitstellung und Interpretation stofflicher Gewässerbe-
lastungen sowie die Bewertung der Folgen der wasserwirtschaftlichen Rahmen-
gesetzgebung unterliegen kontinuierlichen technischen und politischen Verände-
rungen. Die Vergleichbarkeit langjähriger Daten zu ermöglichen, ist eine große
Herausforderung. Daher ist es notwendig (u. a. für die Bearbeitung von Messpro-
grammen) fortwährend das wissenschaftlich Machbare mit dem gesetzgeberisch
Notwendigen zu verbinden. Bei Extremereignissen wird der Bedarf an zeitnaher
Beantwortung gesellschaftsrelevanter Fragen besonders deutlich. Als Routine-
leistung wird durch das Projekt unter anderem die Datenbank für das IKSR
Rheinmessprogramm „Chemie“ sowie die Plattform Undine vorgehalten und für
die Berichte ausgewertet.
Ziele
• Erweiterung der Datenbasis Fließgewässerprogramme Chemie
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• Anpassung der Maßnahmenschwerpunkte an aktuelle Fragestellungen BMU
2020/2021
aus BMU, UBA, Flussgebietsgemeinschaften (FGGen), internationalen
Flussgebietskommissionen und der LAWA
• Konsolidierung und Erweiterung der fachlichen Basis durch Bearbeitung
von thematisch verwandten Projekten des UBAs
• Erarbeiten, testen und implementieren von Konzepten zur zeitgemäßen
Verarbeitung und Bereitstellung von Daten
• Erarbeiten von Konzepten zur Aufnahme, Verarbeitung und Bewertung
von Online-/Atline-Daten in annähernder Echtzeit
Ergebnisse
• Vorarbeiten für den Bericht zur Bewertung und Entwicklung der Rhein-
wasserqualität 2017 - 2018: Die Daten für das Jahr 2017 und 2018 wer-
den zusammengestellt.
• Lieferung von Daten der Messstationen Koblenz/Rhein und -Mosel für
Rheinland-Pfalz an das UBA ( 2019 sowie 2020) und die IKSMS sowie
die Koordinierung/Durchführung von Probenahmen und von Laborarbei-
ten.
• Weiterentwicklung der Informationsplattform Undine: Das vorhandene
Informationsangebot wurde 2017 umfassend überarbeitet und präsentiert
sich seither in neuem Layout. 2019/2020 erfolgten folgende Ergänzun-
gen:
o Ausbau der Darstellung des hydrologischen Niedrigwassermonito-
rings der IKSR für den Rhein
o Englischsprachige Internetseiten.für die oberste Navigationsebene
• Messprogramm Extremereignisse (Elbe): Die Wasserbeschaffenheit bei
extremen Hoch- und Niedrigwasserereignissen der Elbe wird im Zusam-
menhang mit dem Abflussgeschehen dokumentiert und analysiert. Im
Rahmen der FGG Elbe erfolgt die Koordination des „Messprogramms
für hydrologische Extremereignisse an der Elbe“. Dieses kam auch bei
den extremen Niedrigwasserereignissen im Sommer/Herbst 2018 sowie
im Sommer/Herbst 2019 zum Einsatz. Ergebnisse des Messprogramms
sind von der Informationsplattform Undine abrufbar.
• Zusammenarbeit mit ICWRGC auf Datenbankebene bezüglich der Ge-
wässergütedaten des Rheins.
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2020/2021
Abbildung 4: Internetauftritt, Informationsplattform Undine.
Ausblick auf die nächsten Jahre
• Weiterentwicklung der Zahlentafeln
• Weitere Vorschläge zur konzeptionellen Anpassung des Rheinmesspro-
grammes
• Einführung des neuen Datenbankkonzeptes zum besseren (inter-)natio-
nalen Datenaustausch
• Untersuchungen zum langjährigen Trend von Schadstoffkonzentrationen
• Technische und inhaltliche Aktualisierung der Internetpräsentation "In-
formationsplattform Undine"
• Erhebung, Bearbeitung und Bereitstellung der Monitoringdaten
Verwertung der Ergebnisse
BMU, UBA, internationale Flussgebietskommissionen, Flussgebietsgemein-
schaften sowie die Landesumweltämter sind Nutzer der Leistungen. Die online
Zahlentafeln der IKSR werden von der (Fach)Öffentlichkeit genutzt. Undine gibt
allen Interessierten einen Überblick über qualitative und quantitative hydrologi-
sche Aspekte zu Extremereignissen in den Flussgebieten Elbe, Oder, Rhein, We-
ser, Donau und Ems und setzt diese in den historischen Kontext.
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Dr. Lars Düster
Referat G4 Radiologie und Gewässermonitoring
Tel. +49 (0)261 1306 5275
Fax. +49 (0)261 1306-5280
E-Mail: duester@bafg.de
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2020/2021 103 Organische Schadstoffe
Abbildung 5: Deutsches Eck bei Koblenz.
Aktuelle Üntersuchungen zur Belastung von Schwebstof-
fen und Sedimenten mit organischen Schadstoffen in
grenzu berschreitenden Gewa ssern
Das Projekt „Organische Schadstoffe“ erarbeitet die Grundlagen zur Bewertung
des Verhaltens und des Vorkommens von Schadstoffen in Gewässern. Schwer-
punktmäßig wird das Verhalten der Schadstoffe in Bezug auf Sorption und Abbau
in Wasser-Sediment-Systemen aufgeklärt. Mit Hilfe eines derartigen Prozessver-
ständnisses kann der Verbleib ausgewählter Stoffe (Abbau, Sorption, Transport
etc.) abgeschätzt werden. Zudem werden seit einigen Jahren mit Hilfe von soge-
nannten Nontarget-Verfahren auch verstärkt bisher als Gewässerkontaminanten
unbekannte Stoffe identifiziert und hinsichtlich ihres Vorkommens und Umwelt-
verhaltens untersucht.
Veranlassung
Die Belastung oberirdischer Gewässer mit verschiedensten Umweltchemikalien
wird jetzt und in Zukunft weitgehend nach den Vorgaben der Wasserrahmen-
richtlinie (WRRL) beurteilt. Neben diesen Schadstoffen werden zunehmend neue
Schadstoffe wie Pharmaka oder perfluorierte Verbindungen in Fließgewässern,
Grundwasser und Trinkwasser detektiert. In der Europäischen Union sind mehr
als 100 000 verschiedene Chemikalien registriert, von denen 30 000 bis 70 000
im täglichen Gebrauch sind (EINECS). Die überwiegende Anzahl der in Fließge-
wässern nachweisbaren organischen Schadstoffe wird über den Ablauf kommu-
naler Kläranlagen eingetragen. Aufgrund der Vielzahl an Stoffen befinden sich
darunter auch viele Substanzen, deren Quelle und Umweltverhalten bisher noch
weitgehend unbekannt sind.
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Ziele BMU
2020/2021
• Bedeutung der Kläranlagen für den Eintrag prioritärer Stoffe in deutsche
Fließgewässer (Untersuchung von wässriger Phase und Schwebstoff)
• Optimierung/Entwicklung biologischer Kläranlagenverfahren zum Ab-
bau organischer Schadstoffe
• Identifizierung, Nachweis und Verhalten „neuartiger Schadstoffe“ in
deutschen Fließgewässern
• Erarbeitung von Konzepten zur Minimierung der Fließgewässerbelastun-
gen
• Untersuchung der Relevanz von Transformationsprodukten und deren
Beitrag zur Gesamtstoffbelastung in deutschen Fließgewässern
Ergebnisse
Vorkommen von neuartigen Schadstoffen in Sedimenten aus dem Längsver-
lauf des Rheins
Per- und polyfluorierte Alkylverbindungen (PFAS) werden in einem weiten An-
wendungsbereich wegen ihrer wasser- und gleichzeitig fettabweisenden Eigen-
schaften eingesetzt und zählen zu den neuartigen Schadstoffen. Erste positive Be-
funde in der Umwelt, die primär auf Untersuchungen in Nordamerika basierten
führten bereits 2003 dazu, dass sie in die OSPAR Liste der Chemikalien für Pri-
ority Action aufgenommen wurden [4, 5]. Natürlichen Quellen existieren für
PFAS praktisch nicht. Das Vorkommen dieser Stoffe in der Umwelt kann daher
auf anthropogene Einträge zurückgeführt werden.
PFAS gelangen, wie zahlreiche andere neuartige Schadstoffe (z. B. Arzneimittel,
Biozide und Industriechemikalien) u. a. über kommunale und industrielle Abwäs-
ser in die Gewässer.
Jedoch liegen kaum übergreifende Daten zur Belastung der Sedimente über den
Rheinverlauf und in seinen Zuflüssen mit diesen Stoffen vor. Die Konzentratio-
nen in den Sedimenten sind hierbei insbesondere von Relevanz, da die Sedimente
einerseits zwar als Senke fungieren, jedoch in der Folge Sekundärquellen darstel-
len, u.a. von bereits verbotenen Substanzen (z. B. PFOS).
Sedimentgebundene Schadstoffe unterliegen in Fließgewässern Transport- und
Freisetzungsprozessen und beeinflussen so die Einhaltung von Umweltqualitäts-
normen regulierter Stoffe in der Gesamtwasserphase und in Biota.
In einer Studie wurden daher Sedimente aus dem Rheinverlauf und einiger Zu-
flüsse auf PFAS und andere neuartige Schadstoffe, wie Arzneimittel, Biozide und
Industriechemikalien, untersucht.
Die PFAS-Messungen umfassten die Bestimmung der 39 Einzelverbindungen
ohne und mit einer oxidativen Probenbehandlung mit dem TOP-Assay. Damit
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BMU wurden einerseits die Konzentrationen der 39 Einzelsubstanzen im Sediment be-
2020/2021
stimmt und andererseits die Gesamtmenge der zu linearen Perfluoralkansäuren
oxidierbaren PFAS bestimmt.
PFOS war von allen PFAS die Verbindung, die in den Sedimenten in den höchs-
ten Konzentrationen gefunden wurde (Abbildung 6). Dessen Maximal- bzw. Me-
diankonzentration lag bei 4,3 bzw. 0,7 µg/kg TS (jeweils ohne TOP-Assay). Da
PFOS in der EU bereits seit 2010 einem Anwendungsverbot unterliegt und PFOS
kaum durch oxidative Prozesse aus anderen PFAS gebildet wird, verdeutlicht dies
die ausgeprägte Persistenz dieses Stoffes.
Dagegen lagen die Konzentrationen der perfluorierten Carbonsäuren in den Se-
dimenten erheblich niedriger im Bereich der Bestimmungsgrenze von 0,1 µg/kg
Trockensubstanz (TS). Andere Verbindungen wie 6:2 FtS, 8:2 FtS, FOSA, N-Et-
FOSAA oder 6:2-diPAP wurden nur in einzelnen Proben oberhalb der Bestim-
mungsgrenze detektiert. Für die Summenkonzentration der einzelnen PFAS ober-
halb der Bestimmungsgrenze wurde ein Maximum von 9,1 µg/kg TS und ein Me-
dianwert von 1,0 µg/kg TS bestimmt.
Ein Vergleich der PFAS Konzentrationen oberhalb der Bestimmungsgrenze ohne
TOP-Assay (pre-TA) und mit TOP Assay (post-TA) zeigte, dass die Konzentra-
tionssumme aller bestimmten PFAS nach dem TOP-Assay, bis zu Faktor 15 hö-
her war, als im unbehandelten Sediment. So wurde für die Summenkonzentration
der einzelnen PFAS oberhalb der Bestimmungsgrenze nach dem TOP-Assay ein
Maximum von 22 µg/kg TS und ein Medianwert von 3,9 µg/kg TS bestimmt. Es
ist somit davon auszugehen, dass in den Sedimenten noch eine Vielzahl bisher
unbekannter fluorierter Substanzen aus der Gruppe der PFAS partikelgebunden
vorliegen. Damit wird deutlich, dass eine PFAS-Einzelkomponentenanalytik
zwar wichtige Informationen liefert, jedoch für die Bewertung der PFAS Gesamt-
belastung des Sediments durch andere Verfahren, wie den TOP-Assay ergänzt
werden muss.
Von den darüber hinaus untersuchten 115 neuartigen Schadstoffen wurden für 17
Substanzen Konzentrationen > 20 µg/kg TS gefunden, wobei die höchsten Kon-
zentrationen für das Bakterizid Triclocarban sowie die Arzneistoffe Telmisartan,
Sitagliptin und Diphenhydramin > 100 µg/kg TS lagen (Tabelle 1). Mit Aus-
nahme der relativ unpolaren Substanzen Triclosan und Triclocarban ist die hohe
Sorptionsaffinität der anderen vergleichsweise polaren Substanzen in Tabelle 1
auf ihre positive Ladung und ionische Wechselwirkungen mit der Sedimentmat-
rix zurückzuführen.
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2020/2021
Abbildung 6: PFAS-Konzentrationen in Rheinsedimenten
Substanz Konzentration Maxi- Stoffgruppe
mum/Median in
µg/kg TS
Triclocarban > 500 / 4,5 Biozid
Telmisartan 190 / 10 Arzneimittel
Sitagliptin 160 / 14 Arzneimittel
Diphenhydramin 140 / 13 Arzneimittel
Citalopram 97 / 7,4 Arzneimittel
(Methoxymethyl)triphenylphosphonium 81 / 2,5 Industriechemikalie
Ethyltriphenylphosphonium 51 / 5,9 Industriechemikalie
Methyltriphenylphosphonium 49 / 3,3 Industriechemikalie
Climbazol 40 / 4,4 Arzneimittel
Desmethyl-Citalopram 37 / 3,5 Arzneimittelmetabolit
Amisulprid 34 / 3,7 Arzneimittel
Cetirizin 32 / 12 Arzneimittel
Metoprolol 30 / 5,0 Arzneimittel
Denatonium 29 / 4,5 Bitterstoff
Fexofenadin 27 / 1,2 Arzneimittel
Triclosan 22 / 5,7 Biozid
O-Desmethyl-Venlafaxin 22 / 3,0 Arzneimittelmetabolit
Tabelle 1: Konzentrationen weiterer neuartiger Schadstoffe in Sedimenten des Rheins und seiner Zuflüsse
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BMU Fazit
2020/2021
Die Ergebnisse dokumentieren die ubiquitäre Belastung der Rheinsedimente mit
neuartigen Schadstoffen, die hauptsächlich über kommunale und/oder industri-
elle Kläranlagen eingetragen werden. Auch polare neuartige Schadstoffe können
im Falle einer positiven Ladung vergleichsweise hohe Konzentrationen im Sedi-
ment erreichen und sollten zukünftig auch verstärkt hinsichtlich ihrer Mobilisier-
barkeit, Bioverfügbarkeit und Bioakkumulation betrachtet werden.
Weitere Ergebnisse
Im Bereich der Nontarget-Analytik wurden neue Workflows zur Priorisierung
von örtlich oder zeitlich spezifisch auftretenden unbekannten Substanzen entwi-
ckelt. Dadurch können u. a. diskontinuierliche industrielle Einleitungen aus der
Industrie erkannt und die Quellen identifiziert werden.
Des Weiteren wurden Abbaustudien durchgeführt, um den Abbaupfad von DDT
besser zu verstehen und die Transformationsprodukte in der Umwelt quantifizie-
ren zu können. Ergänzend fanden Arbeiten zur Entwicklung analytischer Metho-
den für die Bestimmung von chlorierten und bromierten Flammschutzmitteln in
Sedimenten und Schwebstoffen statt.
Ausblick auf die nächsten Jahre
• Untersuchung der Quellen, des Vorkommens und des Umweltverhaltens
neuartiger partikel-gebundener Spurenstoffe wie z. B. neuer Flamm-
schutzmittel im Flussverlauf großer deutscher Ströme wie Elbe und
Rhein
• Identifizierung neuer Schadstoffe im Rhein, die durch industrielle Einlei-
ter diskontinuierlich emittiert werden
• Besseres Verständnis des aeroben und anaeroben Abbauverhaltens von
Schadstoffen
• Identifizierung neuer Schadstoffe im Rhein, die durch industrielle Einlei-
ter diskontinuierlich emittiert werden
• Aufbau einer „Non-Target-Datenbank“ zur Gewässerüberwachung des
Rheins
• Optimierung/Entwicklung biologischer Kläranlagenverfahren zum Ab-
bau organischer Schadstoffe
• Kombinierung biologischer und oxidativer Verfahren zum Abbau orga-
nischer Schadstoffe in der kommunalen Kläranlage
• Weiterentwicklung des Bewertungsverfahrens für die vierte Reinigungs-
stufe
• Bewertung der Reinigungsleistung von Kläranlagen mittels NonTarget-
Analytik
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Verwertung der Ergebnisse BMU
2020/2021
Neben dem BMU waren in 2020 die Hauptnutzer dieses Projektes das UBA, aus-
gewählte Länder wie Hessen, Nordrhein-Westfalen und Rheinland-Pfalz sowie
die EU, die DWA und die Wasserchemische Gesellschaft.
Dr. Arne Wick
Referat G2 Gewässerchemie
Tel. +49 (0)261 1306 5408
Fax. +49 (0)261 1306-5280
E-Mail: wick@bafg.de
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2020/2021 104 Biodiversität großer Fließgewässer und
Auen
Abbildung 7: Juveniler Hecht (Esox lucius) – Von der Vernetzung zwischen Fluss und Aue abhängige Fischart.
In Flu ssen und Auen lebende Arten sind an zeitlich und
ra umlich unterschiedlich starke Storungen angepasst.
Doch wie wirkt sich der heutige Zustand des Habitatmo-
saiks der Auengewa sser auf die Ausbildung unterschied-
licher Lebensgemeinschaften aus?
Im Projekt Biodiversität großer Fließgewässer und Auen werden Auswirkungen
struktureller und insbesondere hydrologischer Einflüsse auf die Fischgemein-
schaft der Elbauengewässer untersucht. Den Schwerpunkt bilden die laterale Ver-
netzung der Elbe mit ihren Auengewässern sowie die davon abhängigen Gewäs-
serstrukturen.
Veranlassung
Große Flüsse wurden in Europa und weltweit u.a. zum Schutz vor Hochwasser
und für die Sicherstellung der Schifffahrt stark verändert. So wurden Fließgewäs-
ser großräumig begradigt und flusstypische Strukturen weitestgehend beseitigt.
Zahlreiche in Fluss und Aue lebende Arten sind jedoch im Laufe ihres Lebens
auf eine Vielzahl gewässertypischer Strukturen angewiesen, die sie als Nahrungs-
, Reproduktions- oder Aufwuchshabitat nutzen. Fische sind phasenweise auf strö-
mungsberuhigte und flache Gewässerzonen angewiesen. Solche Strukturen sind
heute teilweise nur noch in Auen und ihren Gewässern vorhanden. Durch
menschliche Eingriffe werden Auen vielfach erst bei deutlich höheren Wasser-
ständen als ursprünglich überflutet bzw. an den Fluss angeschlossen. Die zeitlich
versetzte und stark begrenzte hydrologische Vernetzung zwischen dem Fluss und
seinen Auengewässern kann die Migration der Fische in und aus den Auenge-
wässern einschränken und sich dadurch auf die Zusammensetzung der Artenge-
meinschaft (Biodiversität) auswirken.
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Ziele BMU
2020/2021
• Analyse der Auswirkungen unterschiedlich stark ausgeprägter lateraler
Anbindung von Auengewässern auf ihre Artenzusammensetzung, Arten-
diversität, die biologischen Artmerkmale (Traits) und Lebensstrategien
der Fischgemeinschaften
• Abschätzung und Bewertung möglicher Auswirkungen unterschiedlicher
hydrologischer Vernetzung zwischen Elbe und Auengewässern auf die
Entwicklung der Jungfischgemeinschaften
• Abschätzung und Bewertung damit in Verbindung stehender möglicher
Veränderungen der Fischgemeinschaften der Auengewässer und der Elbe
durch Gewässerrenaturierung
Ergebnisse
Hydromorphologische Prozesse haben entlang der Mittelebe eine Terrassenstruk-
tur in der Elbaue ausgebildet. Die dort liegenden Gewässer werden aufgrund der
verschiedenen topographischen Höhen bei unterschiedlichen Pegelständen lateral
an die Elbe angeschlossen. Anthropogene Strukturen wie Sommerdeiche oder
Dämme innerhalb der Gewässer mit und ohne Rohrdurchlässen, wirken sich
ebenfalls auf die Dauer und Häufigkeit der lateralen Anbindung an die Elbe aus.
Dadurch unterscheiden sich die Gewässer sowohl in Bezug auf die Zeiträume und
Dauer der möglichen Fischmigration, als auch auf die Ausprägung diverser Ge-
wässerstrukturen als Folge hydromorphologischer Prozesse oder anthropogener
Eingriffe wie z.B. der Uferbefestigung.
Die Habitatwahl der Fische erfolgt insbesondere auf Basis ihrer Anpassung an
biotische und abiotische Verhältnisse wie Nahrungsverfügbarkeit, Substrat, Strö-
mung oder Wassertemperatur. Diese Präferenzen können sowohl art- als auch al-
tersspezifisch sein und spielen bei der Wahl der Gewässer und der dort aufge-
suchten Strukturen eine entscheidende Rolle.
Im Rahmen der Maßnahme wurde der Jungfischbestand in Auengewässern Sach-
sen-Anhalts in den Jahren 2017 und 2018 mittels Elektrobefischung erhoben. Die
Anbindungsdauer und-häufigkeit wurde in R (R Core Team, 2020) basierend auf
der Überschreitung von Schwellenwerten zur Sicherstellung der Fischmigration
berechnet (in FLYS, https://geoportal.bafg.de/portal/Start.do). Zusätzlich wurden
die Gewässer nach permanenter und temporärer Anbindung eingeteilt.
Die Änderung der Artenzusammensetzung juveniler Fische zwischen den 22 Ge-
wässern (β-Diversität, Sörensen-Index nach Baselga, 2012) setzt sich zu 59,7%
aus dem Artenwechsel (Turnover) und zu 40,3% aus der Nestedness (das Arten-
spektrum des artenärmeren Gewässers als Teilmenge des Artenspektrums des ar-
tenreicheren Gewässers) zusammen (R package adespatial; Dray et al., 2020).
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BMU
2020/2021
Artenwechsel juveniler Fische in Abhängigkeit Artenwechsel juveniler Fische in Abhängigkeit
der mittleren Anbindungshäufigkeit der temporären und permanenten Anbindung
1.0
zunehmende Anbindungshäufigkeit temporär permanent
1.0
AESc AESc
0.5
0.5
Raeb Nbit
Hoh Raeb Hoh
Ber Ble Haem
Ber
AESa JU AESa AF
Haem
Nbit Muehl
Nbuch
JU
0.0
Ble AF Loep Muehl
Loep SH
0.0
SHNrog
Dab
Nbuch mf0 AED AEP
MDS1
MDS1
Dab
Nrog AEP Roem Roem
AED
WS
-0.5
-0.5
AEJ
WS
AEJ
-1.0
-1.0
KlR KlR
-1.5
-1.5
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5
dbRDA1 dbRDA1
Abbildung 8: RDA Biplots: Verteilung der Gewässer nach dem Artenwechsel juveniler Fische (Simpson Tur-
nover nach Baselga, 2012) in Abhängigkeit a) der mittleren Anbindungshäufigkeit (mf0) der Gewässer (Mo-
dellgüte: AIC: - 83,51385, p = 0,001) und b) permanenter (blau) und temporärer Anbindung (grün) der Gewässer
an die Elbe (AIC: - 83,34535, p = 0,001)
Der Einfluss von Umweltvariablen auf den Artenwechsel (Turnover nach Simp-
son) wurde mittels einzelner RDAs berechnet (R package vegan; Oksanen et al.,
2020). Demnach wird der Artenwechsel juveniler Fische mit 43,64% am besten
von der mittleren Anbindungshäufigkeit der Gewässer bis zur Befischungskam-
pagne erklärt (Modellgüte AIC: - 83,51385, p = 0,001). Die Einteilung der Ge-
wässer nach permanenter und temporärer Anbindung an die Elbe erklärt mit
43,21% einen fast gleichgroßen Anteil der Varianz (AIC: - 83,34535, p = 0,001).
Zusätzliche Umweltvariablen bezüglich der Landnutzung, der Migrationsdistanz
oder des Verbaus von Wasserbausteinen an den Befischungsstrecken zeigen
keine signifikanten Einflüsse auf den Artenwechsel an. Lediglich der Anteil von
Grünlandflächen pro Einzugsgebiet erklärt 15,21% des Artenwechsels juveniler
Fische (AIC: - 74,52952, p = 0,039). Modelle mit Berücksichtigung der Ufer-
länge und Durchlässe (Brücken und Rohrverbindungen) liegen mit ihren Ergeb-
nissen etwas über dem Signifikanzniveau von p = 0,05. So erklären die Durch-
lässe 23,41% (AIC: - 80,09038, p = 0,087) und die Uferlängen der Gewässer
12,27% (AIC: - 79,10201, p = 0,085) des Artenwechsels juveniler Fische. Diese
Parameter könnten ebenfalls relevant sein und bei einem größeren Datensatz
möglicherweise ein höheres Signifikanzniveau erzielen.
Zwischenbericht ist derzeit in Arbeit.
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