Hydrotoxikologie - Entwicklung einer experimentellen Methodik zur Charakterisierung und Bewertung kohäsiver schadstoffbehafteter fluvialer Sedimente

Cofalla, Catrina; Hollert, Henner; Schüttrumpf, Holger; Lehmann, Boris

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-024243

Hydrotoxikologie - Entwicklung einer experimentellen Methodik zur Charakterisierung und Bewertung kohäsiver schadstoffbehafteter fluvialer Sedimente

Cofalla, Catrina

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Catrin Cofalla

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangXXII, 185 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Prüfungsjahr: 2014. - Publikationsjahr: 2015

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Schüttrumpf, Holger (Thesis advisor) ; Hollert, Henner (Thesis advisor) ; Lehmann, Boris (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-12-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-024243
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/477481/files/477481.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/477481/files/477481.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft (314410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurbau, Umwelttechnik (frei) ; Hydrotoxikologie (frei) ; kohäsives Sediment (frei) ; Schadstoffe (frei) ; Ökotoxikologie (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Bei Hochwasserereignissen und Unterhaltungsmaßnahmen ist mit Erosion und Resuspension abgelagerter Sedimente im Gewässer und auf Vorländern zu rechnen. Weisen diese in die Was-sersäule transportierten Sedimente eine Schadstoffbelastung auf, kann es zu einer signifikanten Schädigung der aquatischen Umwelt kommen. Hier ist die Erosion und die Resuspension von kohäsiven Sedimenten zu nennen, da sie die Eigenschaft besitzen können Schadstoffe zu binden. Dabei entscheidet besonders die Sedimentzusammensetzung welche Schadstoffklasse (z. B. Schwermetalle, organische Schadstoffe) hauptsächlich gebunden wird. Bei der Beschreibung und Bewertung von Gewässerabschnitten mit den genannten Eigenschaften (nachfolgend: Betrachtungsraum) werden Aspekte der Hydrodynamik, Rheologie und Ökotoxikologie berücksichtigt, die den beiden Fachgebieten Ingenieurwissenschaften (Wasserbau und Wasserwirtschaft) und Biologie (Ökotoxikologie) zugeordnet sind. Es wird deutlich, dass es sich um eine interdisziplinäre Fragestellung handelt, die mit herkömmlichen Methoden nicht beantwortet werden kann. Daher wird in dieser Arbeit die interdisziplinäre Methodik der Hydrotoxikologie vorgestellt, die durch die experimentelle Verknüpfung der Fachgebiete etablierte Methoden anpasst und neu zusammenfügt, um eine ganzheitliche Betrachtungsweise zu ermöglichen.Bioverfügbarkeit und Biozugänglichkeit der Schadstoffe durch aquatische Organismen (z. B. Fische) hängen von einer Vielzahl unterschiedlicher Parameter ab. Deren Relevanz sowie resultierende Prozesse und Wechselwirkungen sind derzeit nicht vollständig bekannt und verstanden, so dass eine analytische Beschreibung nicht möglich ist. Beteiligte Parameter sind beispielsweise der Sedimenttyp, die Schadstoffkonzentration, das aquatische Ökosystem und die variablen Umweltbedingungen. Um die Relevanz der beteiligten Parameter zu identifizieren, ist es unabdingbar, einen abgegrenzten Betrachtungsraum zu definieren und zu untersuchen. Die identifizierten Parameter werden zur allgemeinen Vergleichbarkeit festen Parametergruppen zugeteilt. Die fünf definierten Parametergruppen lauten: Sedimenttypen, Organismen, Hydrodynamik, Schadstoffgruppen und Umweltbedingungen.Die hydrotoxikologische Methodik beginnt mit einer theoretischen Beschreibung des ausgesuchten Betrachtungsraums, um die beteiligten Parameter für eine anschließende Bewertung zu definieren. Für eine Identifikation der Prozesse und Wechselwirkungen während der Erosion/Resuspension ist eine experimentelle Realisierung notwendig. Die Hydrotoxikologie konzentriert sich dabei auf die Berücksichtigung der relevanten Parameter sowie deren messtechnische Erfassung zur anschließenden quantitativen Beschreibung der resultierenden Prozesse und Wechselwirkungen im Betrachtungsraum. Die Umsetzung erfolgt dabei in einem Kreisgerinne, das einen speziellen Versuchsstand zur Untersuchung kohäsiver Sedimente darstellt und hier mit einer messtechnischen Anpassung an die hydrotoxikologischen Randbedingungen betrieben wurde. Dazu gehört unter anderem die permanente Luftzufuhr für exponierte aquatische Organismen, eine Anlage zur pH-Wert-Regulierung sowie eine Messzelle zur Erfassung aquatischer Umweltbedingungen.Um die Relevanz der Parameter sowie die damit verbundenen Prozesse und Wechselwirkungen bewerten zu können, muss eine Auswertung der erfassten Daten unter monodisziplinären (aufgeteilt nach den beiden Fachgebieten) und interdisziplinären (Kopplung der Fachgebiete) erfolgen. Die Umsetzung der Hydrotoxikologie zeigte mit der Durchführung erfolgreicher Experimente, dass eine Charakterisierung und Bewertung kohäsiver, schadstoffbelasteter und fluvialer Sedimente möglich ist.

Erosion and resuspension can be induced by flood and maintaining events in rivers and on flood-plains. Contaminated sediments that are transported in the water column can pose a risk for aquatic organisms. Especially the erosion and resuspension of cohesive sediments can bond contami-nants.The sediment composition decides which contaminants (e.g. organic compounds, heavy metal) is bond. When describing and evaluating river sections aspects like hydro dynamic, rheology and ecotoxicology need to be considered. These aspects can be assigned to the research fields civil engineering (hydraulic and water resources engineering) and biology (ecotoxicology). It is clear that an interdisciplinary problem is to be addressed that cannot be answered by established methods. Hence, the newly developed hydrotoxicological methodology is introduced in this work. In the methodology, the two named research fields are experimentally linked. This allows a holistic and integrated evaluation of interested areas.Bioavailability and bioaccessibility of contaminants depends on a variety of different parameters. Their relevance as well as resulting processes and interactions are currently not known and understood; hence a description is not possible. Involved parameters are for instance sediment type, concentration of contamination, aquatic ecosystems and variable environmental conditions. In order to identify the relevance of the parameters, it is indispensable to define and evaluate a differentiated are of interest. The identified parameters are assigned to parameter groups to allow comparability. The five parameter groups are: sediments, organism, hydrodynamics, contaminants and environmental conditions.The hydrotoxicological methodology starts with a theoretical description of the area of interest in order to identify involved parameters for a following evaluation. An experimental approach is sued to identify processes and interaction of parameters during erosion. Hydrotoxicology concentrates on considering relevant parameters and their detailed data logging. This is necessary for a quantitative description of resulting processes and interactions. The implementation of Hydrotoxicology takes place in an annular flume which is a specific test facility to investigate transport and erosion of cohesive sediments. The instrumentation of the annular flume was improved to meet the conditions of interdisciplinary conduced experiment. Within this optimization an air supply for exposed fish and a pH-control-system were installed.In order to define the relevance of considered parameters as well as resulting processes and interac-tions, collected data needs to be analyzed. First, the data is analyzed under monodisciplinary aspects and in a second step under interdisciplinary aspects. The realization of Hydrotoxicology was success-fully proved with the first experiments. The methodology is suitable to characterize and to evaluate cohesive, contaminated and fluvial sediments.

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