Bewertung des chemischen Grundwasser- zustandes anhand ...

---GRUNDWASSERSCHUTZ
Bewertung des chemischen Grundwasserzustandes
anhand geeigneter statistischer
Auswerteverfahren
Georg Berthold, ArnoldQuadjlieg
Oie in derEU-Wasserrahmenrichtlinie
beschriebene Methodik
zur Interpretation und
Darstellung des chemischen
Zustandes eines Grundwasserkörpers
ist kaum geeignet,
den qualitativen Zustand
der Grundwasserresourcen
zu bewerten. Dies
zeigt eine exemplarische Anwendung
am Fallbeispiel der
hydrogeologischen Einheit
des Hessischen Rieds.
1. Einleitung und
Problemstellung
Die europäische Wasserrahmemichtlinie
[1] bietet den EU-Mitgliedsstaaten
eine rechtliche und planerische
Handhabe, um die wasserwirtschaftliehen
Handlungsspielräume für den
umweltgerechten Umgang mit der
Ressource "Grundwasser" zu erweitern.
Die Leit- und Umweltziele der
EU-Wasserrahmemichtlinie betonen
für den Grundwasserbereich
• die Vermeidung einer Verschlechterung
des qualitativen und quantitativen
Zustandes des Grundwassers
und
• das Erreichen eines zumindest guten
chemischen und mengenmäßigen
Zustandes des Grundwassers.
Um diese Zielezu erreichen, bedarf es
eines Grundwassermonitoring-Programms
mit den Schwerpunkten:
Erfassung, Dokumentation und Bewertung
des Grundwasserhaushaltes
hinsichtlich Grundwasserstand,
Grundwasserflurabstand und
Grundwasserbeschaffenheit
• Beschreibung der Auswirkungen
von Veränderungen des Grundwasserhaushaltes
auf Naturraum und
räumliche Nutzungen
• Früherkennung von negativen Entwicklungen
der Grundwasserbeschaffenheit,
Realisierung präventiver
Schutzmaßnahmen und
Überprüfung ihrer Wirksamkeit
Auf der Grundlage des von der Länderarbeitsgemeinschaft
Wasser (LA­
WAl im Jahre 1983 vorgelegten Rahmenkonzeptes
zur Überwachung der
Grundwasserbeschaffenheit [2] betreiben
die Bundesländer gewässerkundliehe
Messnetze. Je nach Problemstellung
können stoffspezifisch
länderübergreifende Übersichten
über Belastungssituationen des
Grundwassers gegeben und darauf
aufbauend Lösungsvorschläge zur Reduzierung
von Stoffeinträgen konkretisiert
werden [3,4].
Die Grundwasserbeschaffenheit wird
dabei punktuell über repräsentative
Wasserproben an geeigneten Entnahmestellen
erfasst. Mit Hilfe statistischer
und graphischer Verfahren werden
die Beschaffenheitsdaten der einzelnen
Wasserproben (Stichproben)
• so geordnet, zusammengefasst und
dargestellt, dass die wesentlichen
Eigenschaften und Kennwerte der
untersuchten Stichprobe ermittelt
werden (deskriptive Statistik);
• auf die Gesamtheit des betrachteten
Grundwasservorkommens
übertragen (analytische Statistik);
• für die hydrogeochemische Typisierung
von Grundwasserleitern
ausgewertet, um Fragen zur Genese
der Grundwässer zu klären und
einen regionalen Vergleich von
Grundwässern zu ermöglichen;
• so ausgewertet, dass die räumliche
und zeitliche Variabilität von Parametern
erfasst werden kann.
Die EU-Wasserrahmemichtlinie in
Anhang V, Absatz 2.4.5. "Interpretation
und Darstellung des chemischen
Zustandes des Grundwassers" schlägt
ein neues statistisches Auswerteverfahren
zur Darstellung des chemischen
(qualitativen) Grundwasserzustandes
vor. Diese Vorgabe der EU­
Wasserrahmemichtlinie ist jedoch
kaum geeignet, den qualitativen Zustand
von Grundwasserressourcen zu
bewerten und den qualitativen Zustand
von Grundwasserkörpern (Einheiten)
auf europäischer Ebene miteinander
zu vergleichen. Sie steht zudem
nicht in Einklang mit den Anforderungen
der Europäischen Umwelt
agentur (EUA) an ein internationales
Monitoring-Messnetz [5].
Im Folgenden wird das Auswerteverfahren
nach Anhang V, Absatz 2.4.5.
der EU-Wasserrahmemichtlinie vorgestellt
und die daraus resultierenden
Probleme am Fallbeispiel der hydrogeologischen
Einheit des Hessischen
Riedserläutert.
2. Auswertung der Grundwasser-Nitratwerte
des
Hessischen Rieds nach
Vorgaben der EU­
Wasserrahmenrichtlinie
Für die Interpretation und Darstellung
des chemischen Zustandes des
Grundwassers sieht Anhang V, Absatz
2.4.5. eine Verdichtung der Ausgangsdaten
durch zweifache Mittelung der
Messwerte wie folgt vor:
• Bildung eines statistischen Mittelwertes
über alle Messwerte (z. B.
Nitratwerte) einer Grundwassermessstelle
("erste Mittelung"),
• Mittelung aller punktuell berechneten
Mittelwerte über den gesamten
Grundwasserkörper ("zweite
Mittelung").
Ziel des Verfahrens der "doppelten
Mittelwertbildung" ist die Indizierung
der Grundwasserbeschaffenheit
eines Grundwasserkörpers (hydrogeo-
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WASSER UND ABFALL 1-2·2000

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logische Einheit) mittels einer einzigen
Kennziffer.
Fallbeispiel Hessisches Ried
Einen Überblick über die räumliche
Verteilungsdichte der Grundwasser­
Entnahmestellen im Hessischen Ried
vermittelt Bild 1.
Die Kartendarstellung zeigt, dass
selbst im Hessischen Ried, einem Porengrundwasserleiter,
der zudem
noch über eine außergewöhnliche
Messstellendichte verfügt, von keiner
homogenen Verteilung der Messstellen
über die Fläche ausgegangen werden
kann. Höhere Messstellendichten
werden zwangsläufig in der Nähe
großer Wasserwerke oder im Umfeld
von Belastungsherden angetroffen.
Desweiteren wird ersichtlich, dass es
innerhalb eines Grundwasserkörpers
immer Gebiete mit hohem Belastungspotential
und unbelastete Bereiche
gibt.
In die Auswertung einbezogen wurden
alle Grundwasseraufschlüsse ab
dem Jahr 1989, die in der Grundwasserdatenbank
der Hessischen Landesanstalt
für Umwelt gespeichert sind.
Es handelt sich um 6267 Einzelanalysen
der Nitratkonzentrationen von
Grundwässern aus insgesamt 610
Messstellen (Brunnen, Quellen,Grundwassermessstellen).
Das entspricht einer
Messpunktdichte von 0,51/km 2 .
Tabelle 1 zeigt am Beispiel zweier
Messpunkte - eines Brunnens als repräsentativer
Messpunkt für tiefe
Messstellen und analog einer Emittentenmessstelle
für flache Messstellen
- das Ergebnis der 1. Mittelung
nach Anhang V, Absatz 2.4.5. der EU­
Wasserrahmenrichtlinie. Der Mittelwert
der Nitratbelastung der Emittentenmessstelle
liegt bei 105,7 mgll N0 3 ­
, der des Brunnens bei 1,8 mgll N0 3 -.
Tabelle 1 zeigt darüber hinaus beispielhaft
die heterogene Nitratbelastungssituation
von Grundwässern
innerhalb eines Grundwasserkörpers.
Tabelle 2 beschreibt das Datenkollektiv
mit Hilfe der statistischen Maßzahlen
arithmetischer Mittelwert,
Standardabweichung (STD), Median,
Minimal-, Maximalwert sowie der
rangstatistischen Kennwerte 75. Perzentil
und 90. PerzentiL Da sich in der
Vertikalen unterschiedliche Grundwassertypen
ausbilden können, wurde
das verfügbare Datenmaterial in
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Bild 1: Nitratkonzentrationen (mq/! NO) nach Klassen in den Wässern von Messstellen
im Hessischen Ried
der Tabelle 2 differenziert nach der
Messstellenteufe
• flach (27,5 mg/N0 3),
• mittel (13,2 mg/N0 3) und
• tief (5,9 mg/N0 3)
statistisch ausgewertet. Die letzte Zeile
"AlleMessstellen" gibt das Ergebnis
der doppelten Mit-telung (22,3 mgll
N0 3 -) nach Anhang V, Absatz 2.4.5. der
EU-Wasserrahmenrichtlinie für den
gesamten Grundwasserkörper (entspricht
der hydrogeologischen Einheit)
Hessisches Riedwieder.
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Die Ergebnisse der statistischen Auswertung
(Tabellen 1/2) sind wie folgt
zu beurteilen:
1. Dieerste Mittelung unterdrückt die
Möglichkeit, die zeitliche Entwicklung
der Nitratbelastungssituation
eines Messpunktes zu analysieren.
2. Die alleinige statistische Darstellung
der Grundwasserbeschaffenheit
des Grundwasserkörpers Hessisches
Ried mittels des arithmetischen
Mittels bzw. Medians führt
zu Fehlinterpretationen. Für das
..
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tenmessstelle etc.)und die Probeentnahmetiefe
(flache Grundwassermessstelle,
Tiefbrunnen etc.) sind
nicht zu vernachlässigende Faktoren
bei der Beschreibung und Interpretation
des qualitativen Zustandes
des Grundwassers.
3. Vorschläge für ein
alternatives Verfahren
zur Darstellung der
Analysenergebnisse
Um die anthropogenen Einflüsse auf
die Beschaffenheit von Grundwässern
zu erkennen, sind die Analysenergebnisse
nach der Probeentnahmetiefe
(Vorschlag: bis 25 m, 25 bis 50
m, größer 50 m) statistisch auszuwerten
und darzustellen.
3.1. Alternatiworschlag 1
"Säulenintervalldarstellung der Ergebnisse"
Die Nitratgehalte aller Messstellen eines
Grundwasserkörpers sind in einem
Säulendiagramm jahresweise
nach Konzentrationsbereichen auszuwerten.
Die anteilige Verschiebung
der Balkenhöhe eines Konzentrationsbereiches
innerhalb eines gewählten
Zeitraumes gibt Aufschluss über die
Verbesserung oder Verschlechterung
des qualitativen Zustandes des
Grundwasserkörpers. Das Säulendiagramm
ist besonders geeignet für die
Darstellung unerwünschter hoher
Konzentrationen (z.B. Nitratwerte
größer als 50 mgll N° 3 -).
Bild2 zeigt ein Beispielfür die Darstellung
der Nitratsituation im oberflächennahen
Grundwasserstockwerk
des Hessischen Rieds nach der Säulenintervall-Auswertemethode.
Vorteile
dieser Methode sind die Beschreibung
der Grundwasserbeschaffenheit durch
Klassifikation der Ist-Situation sowie
die Darstellung der zeitlichen Entwicklung.
Beschränkt man sich - wie in Bild
2 - auf Messstellen, die flach verfiltert
sind und das oberflächennahe Grundwasser
charakterisieren, erreicht man
einen Überblick über die relevante
Nitrat -Belastungssituation des Grundwasserkörpers.
Im oberflächennahen
Grundwasser werden Stoffeinträge ins
Grundwasser und Veränderungen
(Trends) von Stoffkonzentrationen
früher und ausgeprägter als in tieferen
Bild 2: Entwicklung der Nitratkonzentrationen, unterteilt in einzelne Konzentrationshereichefürflach
verjilterteMessstellen im Hessischen Ried.
Kompartimenten erkannt, sodass
rechtzeitig Lösungsstrategien zur Reduzierung
der Stoffeinträge umgesetzt
werden können.
3.2. Alternativvorschlag 2
"Säulenintervalldarstellung in
Verbindung mit einem
rangstatistischen Verfahren"
Zur Auswertung kommen alle Analysenergebnisse
von Messstellen eines
Grundwasserkörpers. Die Messergebnisse
werden nach Jahren aufgeschlüsselt
und in N0 3-Intervallklassen
eingeteilt. In Bild 3wurden die In-
tervalle 0 bis c 25 mgll N0 3 -, 25 - 50 mg/l N0 3 - gewählt.
Etwa 70 % der Grundwässer liegen ­
mit Ausnahme des Jahres 1998 - innerhalb
des Konzentrationsbereichs
zwischen 0 und 25 mgll N0 3 -. Etwa
15 % der Grundwässer befinden sich
in der Klasse zwischen 25 und 50 mgll
N0 3 und damit in einem Bereich, dessen
Entwicklung besonders beobachtet
werden sollte. Weitere 15 % der
Grundwässer überschreiten den
Grenzwert von 50 mg/l N0 3 .
Bild 3: Entwicklung der Nitratkonzentrationen. unterteilt in einzelne Konzentrationshereiche
für Messstellen im Hessischen Ried.
. I.
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Die gestrichelte Linie (beispielhaft auf
der 90 %-Linie positioniert) wäre das
Entscheidungskriterium für den "guten"
bzw. "schlechten" chemischen
Zustand des Grundwasserkörpers. Liegen
die Nitratkonzentrationen in 90
% aller Grundwässer unter dem 50
mg/l-Nöy-Grenzwert, würde dem
Grundwasserkörper hinsichtlich seiner
Nitratbelastung ein guter chemischer
Zustand zugewiesen. Vorteil
dieser Auswertemethode ist die Identifizierung
besonderer Belastungsspitzen
und deren Verhältnis zur Gesamtheit
der vorliegenden Analysenergebnisse.
Des Weiteren gibt die
zeitliche Varianz innerhalb der einzelnen
Nitratklassen einen Überblick
über die Entwicklung der Nitratbelastung
(Trend).
Analog zur Vorgehensweise bei Nitrat
ist die Darstellung und Interpretation
der Grundwassersituation hinsichtlieh
der Pflanzenschutzmitteleinträge
(Grenzwert: