Kontaminationsquellen in Sedimenten von Rückhaltebecken und der Einfluss der Niederschlagsart auf die Größe der Schadstofffracht

Dec 11, 2023

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 8884 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Verdichtung von Städten und der städtischen Bevölkerung trägt zu einem Anstieg des Abflusses und der Schwebstoffe sowie zu einer Veränderung des städtischen Wasserkreislaufs bei. Heutzutage wird die Blau-Grüne Infrastruktur gefördert, um die Widerstandsfähigkeit einer Stadt gegenüber Überschwemmungen zu erhöhen. Allerdings sind Regenwasserentwässerungssysteme, unterstützt durch Rückhaltebecken, immer noch wichtig, um städtische Gebiete vor Überschwemmungen zu schützen. Die Ansammlung von Sedimenten in der Regenwasserinfrastruktur hängt mit Schadstoffen wie Schwermetallen, Nährstoffen usw. zusammen. Untersuchungen zum Ursprung der Schadstoffe, die mit der Suspension und letztlich mit den im Abwasser angesammelten Sedimenten in Zusammenhang stehen, können neue Erkenntnisse über Prozesse in städtischen Einzugsgebieten liefern. Dies ist die erste Studie, die sich auf die Analyse stabiler Kohlenstoff- und Stickstoffisotope in Bodensedimenten aus kommunalen Rückhaltebecken konzentriert, um die Herkunft der abgelagerten Schadstoffe unmittelbar nach Regenfluten zu überprüfen. Die Forschung wurde zusätzlich durch Wasserqualitätsanalysen unmittelbar nach drei Wetterarten erweitert: einer Trockenperiode, typischen Niederschlägen (< 30 mm) und sintflutartigen Regenfällen (2 Ereignisse mit täglichen Niederschlägen über 30 mm, die zu pluvialen Überschwemmungen im Stadtgebiet führten). Sedimentanalysen ergaben, dass die Hauptquelle für Kohlenstoff und Stickstoff am Boden der Rückhaltebecken mit Regenwasserabflüssen aus dem Stadtgebiet eingebracht wurde. Organische Stickstoffdünger schienen die Hauptstickstoffquelle zu sein, während die Quellen für organischen Kohlenstoff gemischt waren: C3-Landpflanzen, Holz und Öl. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass sintflutartige Regenfälle im Vergleich zu typischen Niederschlägen zu einem 23-fachen Anstieg der N-NO3-Konzentration, einem siebenfachen Anstieg der P-PO4-Konzentration und einem mehr als fünffachen Anstieg der Konzentration organischer Stoffe führten.

Die Urbanisierung trägt dazu bei, dass die Menge an Schwebstoffen, die in die Gewässer gelangen, zunimmt. Das Ergebnis ist eine zusätzliche Zufuhr von Nährstoffen, organischem Material, Pestiziden und anderen Schadstoffen, die zu einer Verschlechterung der Süßwassersysteme auf der ganzen Welt führt. Der Zufluss von Schwebstoffen trägt außerdem zu einer erhöhten Trübung bei, verringert das Eindringen von Licht in tiefere Schichten von Wasserläufen und Stauseen und beeinflusst die Morphologie der Kanäle und der Wasserinfrastruktur. Laut Walling und Collins1 stellen der Transport von Nährstoffen mit Sedimenten und die Kontamination durch Suspensionen die größte Bedrohung für Süßwasser dar, da es sich um einen Überträger für andere Schadstoffe (Schwermetalle, Mikroplastik, Arzneimittel) handelt. Darüber hinaus prognostizieren die meisten Klimawandelszenarien einen irreversiblen Anstieg der Bodenerosion, begleitet von einer relevanten Änderung der Niederschlagsmuster2.

Lösungen, die städtische Gebiete vor Überschwemmungen schützen, werden in Rückhaltung und Versickerung unterteilt und als Grüne Infrastruktur3 bezeichnet. Heutzutage ist ein mehrstufiger Schutz die effektivste Art der Regenwasserbewirtschaftung und des Stadtschutzes vor pluvialen Überschwemmungen. Die erste Ebene ist eine blaue und grüne Infrastrukturstrategie (wie Regengärten, Gründächer usw.), die zur Begrenzung des Abflusses und einer möglichen Wasseransammlung im Einzugsgebiet beiträgt, um die Versickerung oder Wiederverwendung von Regenwasser am Entstehungsort zu erleichtern. Nach dieser Auffassung stellen Rückhaltebecken die zweite Schutzebene dar. Neben dem Hochwasserschutz bei kurzzeitigen Starkregenfällen ermöglichen sie die Bereitstellung einer alternativen Wasserquelle zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Sicherheit der Wasserversorgung (einschließlich Aufbereitungsprozessen)4,5 und dienen als Erholungsgebiete; Somit können sie je nach Größe, Standort und gesellschaftlichen Bedürfnissen unterschiedliche Ökosystemleistungen erbringen.

Eine wesentliche Einschränkung von Rückhaltebecken im Hinblick auf den Hochwasserschutz besteht darin, dass sie bei längeren Regenfällen nur einen relativ begrenzten Einfluss auf Spitzenabflüsse haben. Diese Begrenzung tritt auf, wenn sich die Tanks während des Regens vollständig füllen und bei weiteren Regenfällen den Zufluss nicht übernehmen. In solchen Fällen sind sie zudem störanfällig, was zu einem unkontrollierten Abfluss von Hochwasser führt. Hydrologische Analysen, deren Hauptziel die Berechnung des Rückhaltevermögens und der Füllkontrolle von Stauseen ist, wurden in der Literatur bereits ausführlich beschrieben. Diese Arbeiten basierten entweder auf dem eindimensionalen SWMM-Modell6,7,8 und dem zweidimensionalen CADDIES9 oder einem umfangreicheren SWAT-Modell10, die bereits zufriedenstellende Ergebnisse bei der Vorhersage von Bedrohungen erzielt haben11,12. Der Großteil der Forschung, die sich auf Stauseen konzentriert, bezieht sich jedoch nur auf die Wasserspeicherung und vernachlässigt die durch Regenwasser transportierten Schadstoffe. Das einströmende Wasser enthält suspendierte Feststoffe, die unter anderem einen Träger für Schwermetalle, Phosphorverbindungen und PAK darstellen, die auf den Boden der Tanks sinken und dort zur Ansammlung von Feststoffen führen13,14. An der Sediment-Wasser-Grenze finden zahlreiche Prozesse statt, darunter Sedimentation, Resuspension und Ablagerung von Bodensedimenten, die ausführlich von Lu et al.15 und Nawrot et al.16 diskutiert wurden. Eine Reihe von Studien bezog sich auf Sediment- und/oder Wasserqualitätsanalysen städtischer Fließgewässer und Rückhaltebecken16,17,18,19. Obwohl der vorherrschende Prozess die Sedimentation ist (bei normalen Strömungsbedingungen), können in Sedimenten abgelagerte Schadstoffe dennoch ein Risiko einer erneuten Kontamination darstellen, wenn eine Resuspension stattfindet, beispielsweise bei Überschwemmungen20,21. Jeder dieser Aspekte wurde separat beschrieben; Es fehlen jedoch umfassende Studien, die alle oben genannten Aspekte abdecken. Amundson et al.22 stellten fest, dass Änderungen der Landnutzung und des Anthropodrucks zu einer Zunahme von Erosionsprozessen und damit zu einer Zunahme der Schwebstofffrachten beitragen. Die Suche nach Methoden zur Überprüfung der Quelle der in Bodensedimenten angesammelten Schadstoffe wurde mithilfe verschiedener Sediment-Fingerprinting-Methoden durchgeführt. Viele Jahre lang waren Methoden im Zusammenhang mit der geochemischen Forschung oder der Erforschung von Fallout-Radionukliden – und sogar einer Kombination aus beiden – weit verbreitet. Allerdings fehlt diesen Methoden der Bezug zum untersuchten Gebiet. Im Gegensatz dazu ist die Isotopenanalyse ein nützliches und präzises Werkzeug, das auf die Herkunft ausgewählter Elemente hinweist. Bei der Isotopenanalyse beziehen sich die Kennwerte auf C3- und C4-Pflanzen (das sind Pflanzengruppen je nach Verlauf der Photosynthese) sowie auf lokale Böden. Die Werte, die diesen charakteristischen Werten nahekommen, geben genau den elementaren Ursprung an.

Das Hauptziel unserer Studie bestand darin, die in den Bodensedimenten von Rückhaltebecken abgelagerten stabilen Stickstoff- und Kohlenstoffisotope zu analysieren und den Ursprung des in den Sedimenten gesammelten Stickstoffs und der organischen Substanz zu verfolgen. Ein weiteres Ziel bestand darin, die Auswirkungen sintflutartiger Regenfälle, die zu pluvialen Überschwemmungen führen, als potenzielle Quelle der bedeutendsten Schadstofffrachten, auf die Wasserqualität und die Menge der Schadstoffe (N-NO2, N-NO3, N-NH4, P- PO4, Ptot, COD und TSS) werden ins Meer mitgenommen. Die Studie umfasste zwei Jahre (2016–2017), in denen es in den Sommermonaten (Juli 2016 und Juli 2017) zu zwei sintflutartigen Regenfällen kam.

Die Schadstoffquellen in einem städtischen Einzugsgebiet sind vielerorts ähnlich, Menge und Anteil der Schadstoffe können jedoch variieren. Die Ergebnisse unserer Studie tragen zum Verständnis der Rolle von Rückhaltebecken in der Stadt bei, nicht nur beim Hochwasserschutz, sondern auch beim Einfangen und Entfernen von Schadstoffen. Die Proben wurden am Oliwski-Bach in Danzig, Nordpolen, gesammelt. Der Bach mündet direkt in die Ostsee. Es handelt sich um einen der längsten Bäche der Stadt, an dem sich bis zu 13 Stauseen zum Schutz vor Überschwemmungen befinden.

Im Rahmen dieser Studie wurden zwei Arten von Proben gesammelt: Bodensedimentproben und Wasserproben. Zur Markierung und um Informationen über die Verschmutzungsquellen einer langen Sedimentationsperiode zu erhalten, wurden Sedimentproben aus vier Rückhaltebecken gesammelt. In den Sommersaisonen 2016 und 2017 kam es im analysierten Einzugsgebiet zu zwei heftigen Regenfällen. Derart hohe Niederschlagsereignisse wurden in diesem Gebiet in den letzten 100 Jahren der Meteorbeobachtungen nicht beobachtet. Die Niederschlagsepisode im Jahr 2016 wurde als 600-jähriger Niederschlag klassifiziert. Daher wurden die Daten zur Wasserqualität im Bach in drei Sätze unterteilt: den Zeitraum ohne Niederschlag (trockenes Wetter), nach normalem Niederschlag (nasses Wetter) und nach sintflutartigen Regenfällen. Die Wasserverschmutzung eines städtischen Baches, der ins Meer abfließt, wurde mit diesen beiden Regenflutepisoden verglichen, und zwar sowohl für Situationen bei trockenem Wetter (Niederschlag unter 5 mm) als auch für Niederschlagsmengen zwischen 5 und 30 mm.

Der dritte Datensatz wird durch Informationen zu Niederschlagshöhe, -dauer und -intensität von einer lokalen Beobachtungsstation sowie Daten zum Wasserstand in Rückhaltebecken am Oliwski-Strom unterstützt. Basierend auf den Messungen wurde das HCMS-Modell zur Berechnung der Wasserdurchflussrate erstellt, die zur Bestimmung der vom Oliwski-Strom ins Meer eingeleiteten Schadstofffrachten verwendet wurde.

Danzig ist eine Stadt mit einer Fläche von über 260 km2 und einer Bevölkerung von 464.000 Menschen im Jahr 2017 und 471.000 Menschen im Jahr 2020. Regenwasser aus der Stadt fließt über ein städtisches Entwässerungssystem oder über Bäche in die Ostsee ab. Einer der Wasserläufe, die Regenwasser sammeln und direkt in die Danziger Bucht fließen, ist der Oliwski-Bach, dessen Einzugsgebiet 28,92 km2 (fast 43 % urbanisiert) und seine Länge fast 10 km beträgt. Entlang des Baches wurden 13 Rückhaltebecken errichtet, die eine Fläche von 13,5 Hektar einnehmen und über 70.000 m3 Wasser sammeln (Abb. 1).

Karte mit der Lage der Probenahmestellen entlang des Baches Oliwski. Die roten Zahlen 1–6 kennzeichnen die Wasserentnahmestellen. Die roten Zahlen RT8, RT5, RT3 und RT1 geben die Sedimentprobenahmestellen an (RT – Rückhaltetank). Die Karte wurde in AutoCad auf Basis von Google Maps gezeichnet.

Das Oliwski-Becken ist ein typischer, gut abgegrenzter Kanal, der aus einem Netzwerk verschiedener Steinbrüche besteht, die mehrjährige Bäche bilden. Seit der Mitte des 15. Jahrhunderts wurde die Energie der Bäche als Ressource für zahlreiche Wassermühlen und Stauseen genutzt. Gegenwärtig gelten diese Wasserbauwerke als historische Objekte und Stauseen werden als Hochwasserschutzspeicher genutzt. Im Allgemeinen ist das Austreten von Wasser aus den Stauseen nicht gegen Überschwemmungen geschützt. Daher haben die Stauseen nach einer Überschwemmungssituation nur einen geringen Einfluss auf die Schwalldämpfung und die Verzögerung des Spitzenabflusses. Die Speicherkapazität der Stauseen wurde durch Sedimentablagerung und Vegetationsverteilung verringert.

Abbildung 2 zeigt die Bathymetrie von vier analysierten Rückhaltebecken. Diese vier RTs wurden aufgrund ihrer Lage im urbanisierten Teil des Einzugsgebiets ausgewählt. Die Tiefe der analysierten Tanks überschreitet nicht 2,0 m. RT 8 (genannt Spacerowa) ist der flachste Tank; Auf dem größten Teil seiner Oberfläche beträgt die Tiefe etwa 1,0 m. Es liegt hinter dem Waldeinzugsgebiet, ganz in der Nähe einer belebten Straße. Die Fläche von RT8 beträgt 10.800 m2 und das Volumen 5.040 m3. RT 5 (genannt Grunwaldzka) befindet sich hinter dem Stadtpark an der Hauptstraße in Danzig. Er ist etwas tiefer als der RT8-Tank. Die Fläche von RT5 beträgt 16.900 m2 und das Volumen 8.450 m3. Der RT3 (mit dem Namen Chlopska) liegt zwischen Wohnvierteln, ebenfalls in der Nähe der Straße, aber mit weniger Verkehr. Es ist der tiefste Tank; Der größte Teil der Beckenoberfläche ist tiefer als 1 m. Die Fläche von RT3 beträgt 12.000 m2 und das Volumen 6.000 m3. Der letzte RT1 (genannt Jelitkowska) liegt am nächsten an der Mündung des Baches ins Meer, im touristischen Teil der Stadt, in der Nähe des Strandes, neben einer Straße mit viel weniger Verkehr. Dieses Becken verfügt über eine große Insel mit Vegetation, die den Lebensraum von Vögeln darstellt. Der größte Teil davon ist mehr als 1,0 m tief. Die Fläche von RT1 beträgt 10.100 m2 und das Volumen 5.050 m3.

Bathymetrische Karten ausgewählter Rückhaltebecken mit Probenahmepunkten (a) RT 8, (b) RT 5, (c) RT 3, (d) RT 123. Die Karte wurde in OpenStreetMap auf Basis von Google Maps erstellt.

Probenahme

Bodensedimente

Sedimentproben wurden an 8 Punkten aus 4 Rückhaltetanks (RTs) gesammelt, eines am Einlass und eines am Auslass jedes Teichs. Acht Probenahmestellen befanden sich an vier Rückhaltetanks (RT1, RT3, RT5 und RT8), zwei Probenahmestellen an jedem RT (Abb. 1).

Im Sommer 2017 wurden Proben von Bodensedimentkernen entnommen. Dabei wurde ein Kernprobenehmer verwendet, der aus einer Sonde aus Acrylglas bestand, die an ausgewählten Stellen in den Boden von Stauseen gehämmert wurde. Vor dem Entfernen der Sonde mit Sedimenten wurde der Luftzugang unterbrochen, um die Sedimentschichten vor Verdrängung zu schützen. Die Sonde wurde dann auf einem speziellen Stativ platziert, das zum Auswerfen von Bodensedimenten verwendet wurde, die durch das allmähliche Absenken und Auswerfen des Inhalts durch einen speziellen internen Stift entstanden waren. Durch diese Probenahmemethode war es möglich, die Probe in 5 cm dicke Schichten aufzuteilen. Die Tiefe des entnommenen Kerns hing von der Menge der abgelagerten Bodensedimente ab. Von beiden Punkten (IN und OUT) wurden Kerne mit einer Tiefe von 0,60 m aus dem RT1 entnommen. Vom RT3 vom IN- und OUT-Punkt 0,55 bzw. 0,70 m, vom RT5 0,50 bzw. 0,45 m, vom RT8 0,60 bzw. 0,65 m. Die Sedimentproben aus den aufeinanderfolgenden Schichten wurden in Einwegbeutel gegeben, eingefroren und bis zur Analyse bei –20 °C gelagert. Insgesamt wurden 93 Sedimentproben analysiert.

Wasserproben aus dem Oliwski-Strom

Wasserproben wurden an 6 Punkten entlang des Oliwski-Stroms gesammelt (rot markiert in Abb. 1). Die Proben wurden im Zeitraum von Juni 2016 bis September 2017 bei drei Wetterbedingungen gesammelt: (a) einer Trockenperiode ohne Niederschlag (< 5 mm), (b) nach „typischen“ Niederschlägen (nasses Wetter) (5– 30 mm) und (c) nach sintflutartigen Regenfällen (> 30 mm). Insgesamt wurden 11 Probenahmeereignisse bei trockenem Wetter und 11 Probenahmeereignisse unmittelbar nach typischen Niederschlägen mit einer Häufigkeit von ca. ein Mal per Monat. Im Untersuchungszeitraum kam es am 16. Juli 2016 und am 27. Juli 2017 zu zwei großflächigen Starkregenfällen; Die Proben wurden an den folgenden Tagen jeweils morgens entnommen.

Wasserproben für die physikalisch-chemische Analyse wurden mit einer Schaufel oder direkt aus dem mittleren Teil des Baches in Flaschen (Kunststoff oder Glas) mit einem Volumen von 1 l gesammelt. In regenfreien Perioden wurden die Proben über einen Zeitraum von 1–2 Jahren gesammelt -h-Periode mit einer Häufigkeit von 10–15 Minuten, wobei die letzte Probe eine zusammengesetzte Probe ist. Die Proben wurden ohne Konservierung in einem tragbaren Kühlschrank zum Labor transportiert, um die Analyse innerhalb von 4 Stunden nach der Entnahme durchzuführen.

Laboranalysen

Bodensedimente

Gefrorene Proben von Bodensedimenten wurden für die Analyse von organischem Kohlenstoff (Corg), Gesamtstickstoff (Ntot), stabilen Kohlenstoffisotopen (δ13C) und Stickstoff (δ15N) vorbereitet. Im ersten Schritt wurden die Proben bei Raumtemperatur aufgetaut, dann in Petrischalen überführt, zuvor gewogen und beschrieben. Die Proben in den Schalen wurden bei einer Temperatur von 60 °C in einen Labortrockner gegeben und bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Anschließend wurden die Proben mit einem Achatmörser homogenisiert, wobei zuvor nicht zermahlbare Bestandteile (z. B. Äste, feste Metallabfälle, Stoff und Kunststofffragmente) entfernt wurden.

Die Corg-, Ntot-, δ13C- und δ15N-Konzentrationen wurden in einem Elementaranalysator der Serie Flash EA 1112 in Kombination mit dem Isotopenverhältnis-Massenspektrometer IRMS Delta V Advantage (Thermo Electron Corp., Deutschland) unter Verwendung einer Hochtemperaturverbrennung (Oxidation bei 1020 °C) gemessen C, gefolgt von Reduktion über Kupfer bei 680 °C). Zur Entfernung von Carbonaten wurden trockene und homogene Sedimentproben in Silberkapseln eingewogen und mit 2 M HCl angesäuert. Die Qualitätskontrolle umfasste Messungen von Rohlingen und zertifizierten Referenzmaterialien (LKSD-1, „Flusssediment“), bereitgestellt von HEKAtech GmbH (Deutschland). Die Analysen lieferten eine zufriedenstellende Genauigkeit und Präzision (durchschnittliche Wiederfindung 97,1 ± 2,0 %, die angegebene Präzision relativ zur Standardabweichung betrug 1,5 %). Die Isotopenverhältnisse δ13C und δ15N wurden unter Verwendung reiner Referenzgase berechnet: CO2 und N2, kalibriert nach IAEA-Standards: CO-8 für δ13C und N-1 für δ15N. Die Ergebnisse von δ13C und δ15N werden in der herkömmlichen Delta-Schreibweise angegeben, d. h. gegen PDB für δ13C und gegen Luft für δ15N gemäß Gl. (1).

wobei R für die Verhältnisse 13C/12C und 15N/14N steht.

Das Verhältnis von Kohlenstoff zu Gesamtstickstoff wurde nach Formel (2) bestimmt.

wobei \(Corg [\mathrm{\%}]\) – der Prozentsatz des organischen Kohlenstoffs in der Sedimentprobe, \(Ntot [\%]\) – der Prozentsatz des Gesamtstickstoffs in der Sedimentprobe.

Wasser

Die Konzentrationen von Stickstoff (N–NO2, N–NO3, N–NH4, Ntot), Phosphor (P–PO4, Ptot) und CSB wurden mit Küvettentests von Hach Lange unmittelbar nach der Lieferung der Proben an das Labor untersucht24,25, 26,27. Für die Messungen wurde das Spektralfotometer Hach VIS DR3900 verwendet. Die Mineralisierung organischer Stoffe zu anorganischen Produkten erfolgte in einem Hochtemperaturthermostat HT200S von Hach. Alle Messungen wurden dreifach durchgeführt und das Ergebnis als arithmetisches Mittel der drei Wiederholungen berechnet.

Meteodaten und Niederschlagsereignisse

Die Niederschlagsmenge wurde an der Wetterstation im Einzugsgebiet des Baches Oliwski (150 m vom Punkt Nr. 3 (Abb. 1)) gemessen. Die Messungen wurden jede Minute mit einer Genauigkeit von 0,1 mm durchgeführt und an ein Fernauslesesystem übermittelt. Die Klassifizierung von drei Niederschlagsarten (in drei Wetterarten) und Daten ist in Tabelle 1 dargestellt.

Das Schlüsselkriterium für typische Niederschläge war eine Höhe von mehr als 5 mm, da solche Niederschläge einen Zufluss in das Abwassernetz und die Auffangbehälter verursachten. Die Niederschlagsrate betrug in der Regel 0,1–0,2 mm/min, nur im Oktober 2016 lag die Niederschlagsintensität über 0,2 mm/min pro 8 Min. und im Oktober 2017 pro 21 Min. Die sintflutartigen Regenfälle, die vielfältiger ausfielen, werden im Detail beschrieben.

Mit Gewässern transportierte Durchflussmengen und Schadstofffrachten

Basierend auf den Ergebnissen zahlreicher Messungen der Niederschlagsmenge, der physikalischen Parameter des Gewässerbetts, der Durchflussrate, des Wasserstands und anderer Parameter wurde ein HEC-HMS-Hydraulikmodell der Bachströmung erstellt28,29. Die Kalibrierung erfolgte anhand der Daten aus den Messungen der Niederschlagsmenge im Einzugsgebiet und der Wasserordinate in den Rückhaltebecken (Daten des örtlichen Wasserversorgers Gdańskie Wody). Die Werte der Fließgeschwindigkeit im Gewässer in einer niederschlagsfreien Zeit ergeben sich aus einer Reihe von Messungen am Bach. Die Eingabedaten für das Modell sind die Niederschlagsmengen. Das Ergebnis der vom Oliwski-Strom in die Danziger Bucht der Ostsee abgeleiteten Ladung wurde auf der Grundlage der Formel (3) in Punkt 6 (Abfluss ins Meer) berechnet. Darüber hinaus stellt Formel (4) die Methode zur Berechnung der jährlichen Belastung der analysierten Parameter in Abhängigkeit von der Durchflussmenge, der Schadstoffkonzentration und der Anzahl der Tage mit und ohne Niederschlag dar.

wobei \({L}_{x}\) – Schadstoffbelastung „x“ [mg/d], \({Q}_{i}\) – Niederschlagsintensität in der i-ten Stunde (\(i\in \ left(1;24\right)\)) [L/h], Daten aus dem hydraulischen Modell, \(\overline{{c }_{x}}\) – durchschnittliche Schadstoffkonzentration „x““ [mg /L],

\({LA}_{x}\)- jährliche Schadstoffbelastung „x" [mg/d], \({Q}_{i}\) – Niederschlagsintensität in der i-ten Stunde (\(i\in \ left(1;24\right)\)) [L/h], Daten aus dem hydraulischen Modell, \(\overline{{c }_{xd}}\) – durchschnittliche Schadstoffkonzentration „x“ an trockenen Tagen [mg/L], \(\overline{{c }_{xr}}\) – durchschnittliche Konzentration des Schadstoffs „x“ an einem Regentag [mg/L], \({n}_{d}\) – Anzahl der trockenen Tage (ohne Niederschlag), in Danzig \({n}_{d}=203\), \({n}_{r}\) – Anzahl der Regentage, in Danzig \({n}_ {r}=162\).

Die für die Berechnung der Schadstofffrachten notwendigen Ergebnisse der Messung der Durchflussmenge im Oliwski-Strom wurden im zuvor beschriebenen HEC-HMS-Hydraulikmodell berechnet.

Statistische Analyse- und Berechnungsmodelle

Statistische Analysen wurden im Programm Statistica 13 durchgeführt. Verteilungsnormalitätstests wurden mit dem χ2-Test durchgeführt. Der Test zur Überprüfung der statistischen Signifikanz war der Mann-Whitney-U-Test.

Darüber hinaus wurde bei der Analyse das „Iso-Source“-Mischungsmodell verwendet30,31,32.

Die Ergebnisse werden zunächst hinsichtlich der Sedimentanalyse und anschließend der Wasseranalyse vorgestellt. Die Analysen der Sedimentqualität dienten der Überprüfung der Kontaminationsquellen. Der Oberflächenabfluss stellte eine wahrscheinliche Kontaminationsquelle dar und seine Qualität wurde daher weiter analysiert. Ziel der Wasserqualitätsanalysen war es zu überprüfen, ob sich das Phänomen des Schadstoffeintrags bei unterschiedlichen Wetterbedingungen ändert und in welchem ​​Ausmaß diese Änderungen auftreten.

Der Ursprung von Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen in Bodensedimenten

Die Analyse stabiler Isotope von Kohlenstoff und Stickstoff33 kann die Frage beantworten, ob organische Stoffe mit Regenwasser in Bodensedimente gelangen oder ob sie aus Prozessen im Rückhaltebecken stammen. Unsere Analysen umfassten den Gehalt an organischem Kohlenstoff und Gesamtstickstoff sowie das Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis34. Die Ergebnisse der Isotopenanalysen sind teilweise in Abb. 3 dargestellt, während detaillierte Ergebnisse in Anhang 1 enthalten sind.

δ13C-, δ15N- und C/N-Messergebnisse in Bezug auf die Tiefe in RT8-, RT5-, RT3- und RT1-Becken.

Das Verhältnis der Kohlenstoff- zur Stickstoffkonzentration kann Aufschluss über die Herkunft der organischen Substanz geben und Informationen über Prozesse liefern, die in der Sedimentschicht ablaufen. Wenn das Verhältnis C/N > 12 ist, deutet dies auf den terrestrischen Ursprung der organischen Substanz hin, wohingegen ein Verhältnis C/N < 8 auf einen autochthonen (planktonischen) Ursprung hinweist35. Zhang et al. berichteten, dass das Verhältnis C/N = 15 die Grenze zwischen indigenem und allochthonem Ursprung darstellt36. Im Mittelpunkt der in China durchgeführten Forschung stand die Beantwortung der Frage, wie sich die Entwicklung des Einzugsgebiets auf das C/N-Verhältnis auswirkt. Es zeigte sich, dass das Verhältnis für den Wald 10,84 ± 0,11, für die Wiesen 10,35 ± 0,13 und für Ackerland 10,00 ± 0,3037 betrug. In unserer Studie betrug das mittlere Verhältnis C/N 24,30, während der Min-Max-Bereich 12,54–45,81 betrug. Dies weist darauf hin, dass die organische Substanz in allen RTs allochthonen Ursprungs war. In den Oberflächenschichten der RTs 1, 3 und 5 trat am Ausfluss ein geringeres Verhältnis auf als am Einlass. Statistisch signifikante Ergebnisse wurden nur für das RT5-Becken bestätigt, was zeigt, dass in diesem Reservoir wahrscheinlich organische Stoffe in der Oberflächenschicht der Sedimente umgewandelt werden.

Aus der Analyse der stabilen Isotope δ13C und δ15N können detailliertere Informationen zu den spezifischen Quellen organischer Substanz in Bodensedimenten abgeleitet werden. Die Ergebnisse dieser Analysen sowie die Gehalte an Gesamtstickstoff und organischem Kohlenstoff sind in den Tabellen 4 und 5 dargestellt. Die erhaltenen Ergebnisse von Isotopenmessungen in Sedimentproben wurden mit den Ergebnissen zuvor gemessener Quellen verglichen, die in der Literatur verfügbar sind34,38, 39. Die Abbildungen 4 und 5 zeigen die Ergebnisbereiche für alle acht Probenahmestellen sowie Daten zu Stickstoffquellen wie Düngemitteln, atmosphärischer Deposition und Abwasser sowie Kohle, Holz und Pflanzen für Kohlenstoff.

Ergebnisse von δ13C-Messungen in RT-Bodensedimenten, zusammen mit den Literaturdaten zur Quelle des organischen Kohlenstoffs in den Sedimenten46,47,48.

Ergebnisse von δ15N-Messungen in RT-Bodensedimenten, zusammen mit den Literaturdaten zu den Stickstoffquellen in den Sedimenten38,50,51,52.

Früheren Forschungsstudien zufolge weisen die Werte von δ13C im Bereich von −28‰ bis −26‰ auf einen Landursprung (allochthone) hin, während die Werte im Bereich von −22‰ bis −19‰ auf eine aquatische (autochthone) Quelle hinweisen40,41. Unter Bezugnahme auf diese Berichte kann davon ausgegangen werden, dass der größte Teil der organischen Substanz in Bodensedimenten von RTs am Oliwski-Strom landeigenen Ursprungs war, während der Rest aus Süßwasser-Phytoplankton und Landpflanzen vom Typ C3 stammte (die CO2 direkt aus der Atmosphäre binden können). Photosynthese nach dem Calvin-Benson-Weg)34,37.

Um den Ursprung organischer Stoffe auf der Grundlage autochthoner und allochthoner Quellen zu bestätigen, wurde ein Diagramm erstellt, das die Beziehung zwischen C/N und δ13C darstellt (Abb. 6). Die in den vorherigen Forschungsstudien gemeldeten Werte wurden ebenfalls im Diagramm markiert. Die Werte von δ13C und C/N für Süßwasserplankton betragen − 30,0 ± 2 ‰ bzw. 7,342,43, während sie für Böden jeweils – 23,29 ± 1,39 ‰ und 10,92 ± 1,8243 betragen. Für C3-Pflanzen (in der analysierten Region könnten dies beispielsweise Weiden und Kiefern sein) betrug δ13C − 27,12 ± 1,75‰ und das C/N-Verhältnis betrug 39,37 ± 21,7144,45, während für C4-Pflanzen (einschließlich Gräser, Seggen, Zuckerrohr) δ13C betrug −13,00 ± 0,50‰ und das C/N-Verhältnis betrug 25 ± 1036. Die Abbildung zeigt Ergebnisse für jedes Becken, wonach fast alle Ergebnisse auf eine allochthone Quelle organischer Substanz in Sedimenten hinweisen.

Streudiagramme von δ13C gegen C/N für potenzielle Quellen für organischen Kohlenstoff, R-Rückhaltetank, IN-Zufluss, OUT-Abfluss36.

Die Ergebnisse der δ13C-Messungen stimmen mit den vorherigen Forschungsberichten überein, was niedrigere Werte für terrestrische Wasserreservoirs im Vergleich zu den Ergebnissen aus Meeresproben betrifft33,49. Die Isotopenanalyse weist auf gemischte Quellen organischen Kohlenstoffs in den analysierten Sedimenten hin, darunter Rohöl, C3-Landpflanzen, Grundwasser, Kohle, Holz und Süßwasser-Phytoplankton47. Darüber hinaus liegen auch die Ergebnisse unserer Studie in diesem Bereich, was darauf hindeutet, dass Organismen die Kohlenstoffquelle sein könnten46. Quellen wie atmosphärische Deposition, Meeresplankton oder Meereskarbonat wurden ausgeschlossen.

Eine noch detailliertere Analyse kann hinsichtlich der Stickstoffisotopengehalte durchgeführt werden. Wie in Abb. 5 dargestellt, lag der Bereich der δ15N-Gehalte für alle Tanks im Bereich von 0,35–7,13. Die niedrigeren Werte beziehen sich eher auf den RT8, die höheren auf den RT3. Diese Beobachtung bestätigt die von Voss et al.53 festgestellten Abhängigkeiten, dass sich höhere Delta-Werte eher auf städtische Gebiete als auf mit Wald bedeckte Gebiete (wie das RT8-Einzugsgebiet) beziehen. Die Stickstoffquellen scheinen gemischt zu sein und bestehen hauptsächlich aus Düngemitteln, die in die Tanks fließen. Der Stickstoffgehalt in den Sedimenten der Stauseen war vielmehr eine Mischung aus organischen (ca. 83 %) und anorganischen (ca. 17 %) Düngemitteln. Es ist schwierig, mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, welche Arten von Düngemitteln eine höhere Dosis enthielten, aber angesichts der Werte war es wahrscheinlicher, dass es sich um Nitratdünger handelte (im Durchschnitt 68 %).34,49 Nur in RT5 zeigten die Ergebnisse eindeutig 100 % organische Düngemittel. Eine Einleitung von Abwasser oder die Nutzung von Gülle als Stickstoffquelle in den Sedimenten kann ausgeschlossen werden.

Es wurde versucht, die Ergebnisse mit einigen Studien zu vergleichen, die in Polen und anderen Ländern durchgeführt wurden. Da leider noch Daten aus Studien zu städtischen Einzugsgebieten fehlen, gilt der Vergleich für Wald- und landwirtschaftliche Einzugsgebiete. Die RTs der organischen Kohlenstoffkonzentrationen – gemessen im Bach Oliwski – unterscheiden sich nicht wesentlich von denen, die in anderen Teilen Polens und in anderen Ländern gemessen werden. In sechs Stauseen im Südosten Polens (Rzeszów, Maziarnia, Besko, Nielisz, Chańcza und Klimkówka) schwankte der Anteil des organischen Kohlenstoffs an der gesamten organischen Substanz im Bereich von 0,08–5,90 %40, während er in den Stauseen Solina und Myczkowce lag lag zwischen 1,94–2,92 % bzw. 3,95–4,08 %54. In Frankreich, im Einzugsgebiet Kervida-Naizin, überstiegen die erzielten Ergebnisse ebenfalls nicht 5,80 % der gesammelten Bohrkerne55.

Schließlich wurden auch Korrelationen zwischen δ13C und δ15N für alle Reservoirs analysiert (Tabelle 6). Eine signifikante Korrelation mit p < 0,05 trat in zwei Reservoirs auf: RT8 und RT3. Nach der Aufteilung der Ergebnisse in Zufluss und Abfluss kam man zu dem Schluss, dass im RT8-Becken die Korrelation nur für den Zufluss (Wert 0,63) auftrat, während im RT3-Becken nur der Abfluss (Wert 0,59) auftrat (Tabelle 2). Die bestehenden Korrelationen deuten auf eine Dominanz einer gemeinsamen Quelle organischer Substanz in den Sedimenten hin.

Außerdem wurde ein Mischungsdiagramm für zwei Daten für vier Quellen organischer Substanz und Stickstoff in den Sedimenten erstellt: Süßwasser-Zooplankton, Süßwasser-Phytoplankton, terrestrisches OM und Sediment-OM (Abb. 7). Der Grafik zufolge war die Sedimentation nicht die Quelle des Kohlenstoffs und Stickstoffs. Einige der Proben stammten wahrscheinlich aus gemischten Quellen, daher wurde zwischen den drei Quellen ein Dreieck gebildet, in dem sich 24 Proben befanden (3 in RT1, 6 in RT3, 8 in RT5 und 7 in RT8). Abbildung 8 zeigt den Anteil einzelner Quellen (FP, FZ, T) an den Sedimenten von vier Stauseen (RT). In den Becken RT3, RT5 und RT8 wurde der höchste Gehalt an terrestrischen Quellen bestätigt (im Bereich von 47–63 %, 35–78 % bzw. 51–92 %). Der höchste Anteil an terrestrischem OM wurde in Sedimentproben von RT 5 IN und RT 8 IN festgestellt, bis zu 78 % bzw. 92 %. Der höchste Anteil an FZ wurde jedoch in den Proben RT1 OUT und RT5 OUT verzeichnet (54 % und 48 %). Auch in den Proben RT5 OUT (sowie RT3 IN) war der FP-Gehalt hoch, bis zu 48 % bzw. 41 %.

Mischungsdiagramm für δ15N und δ13C aus drei potenziellen Quellen für alle Proben. Dreiecke geben Werte für 4 Quellen an, während Rechtecke typische Bereiche von Isotopenwerten angeben2,43,56,57.

Anteil gemischter Quellen in aufeinanderfolgenden Rückhaltebecken (RT) am Zufluss (IN) bzw. Abfluss (OUT). Es wurden drei Quellen unterschieden: FP – Süßwasser-Phytoplankton, ZP – Süßwasser-Zooplankton, T – terrestrisches OM. Die Analyse wurde für 24 Punkte durchgeführt, die mithilfe eines Mehrquellen-Mischmodells („Iso-Source“) geschätzt wurden. Der Mittelpunkt ist der Durchschnitt und die Whiskers geben den Min-Max-Bereich an.

Bei den obigen Überlegungen wurde nachgewiesen, dass die in den Sedimenten gesammelten Schadstoffe teilweise aus dem Oberflächenabfluss des Einzugsgebiets stammen. Daher wurde im folgenden Teil das Wetter überprüft, bei dem die Schadstoffmengen am höchsten waren. Besonders interessant waren die Ergebnisse aus den Hochwasserperioden, da es sich um relativ seltene Phänomene handelt und diese im untersuchten Zeitraum dennoch zweimal auftraten und einen völlig anderen Verlauf hatten. Der zweite Teil der Ergebnisse betrifft Wasserqualitätsanalysen, nutzt hydrologische Messungen und zielt darauf ab, verschiedene Wetterphänomene in Bezug auf die Wasserbelastung des Gewässers zu bewerten.

Niederschlagseigenschaften

Die Regenfälle im Juli 2016 begannen am Donnerstag, dem 14., um 1:00 Uhr, erreichten jedoch vor 5:00 Uhr eine Tiefe von 5 mm, während die Intensität gegen 12:00 Uhr zuzunehmen begann. Die maximale Intensität wurde bei 0,8 mm innerhalb einer Minute, bei 16,1 mm in 30 Minuten und bei 27,3 mm in einer Stunde zwischen 18 und 19 Uhr aufgezeichnet (wobei die Menge 89,1 mm betrug). Der Niederschlag hörte am 15. Juli vor 3:00 Uhr morgens auf. Die Gesamtniederschlagshöhe wurde mit 178,1 mm ermittelt (Abb. 9). Im Jahr 2017 war das Niederschlagsszenario ein anderes. Der Regen begann am 26. Juli gegen 6:00 Uhr mit einer durchschnittlichen Intensität von 7,5 mm in 30 Minuten. Die maximale Niederschlagsintensität betrug ebenfalls 0,8 mm innerhalb von 1 Minute und 14,9 mm in 30 Minuten, allerdings war diese maximale Intensität deutlich kürzer als im Juli 2016. Der Niederschlag endete am 27. Juli gegen 17:30 Uhr. Die Gesamtniederschlagshöhe betrug 114,3 mm (Abb. 10).

Gesamtniederschlagskurve, gemessen in Danzig Oliwa am 14.–15. Juli 2016.

Gesamtniederschlagskurve, gemessen in Danzig Oliwa am 26.–27. Juli 2017.

Die Regenfälle in Danzig vom 14. bis 15. Juli 2016 und vom 26. bis 27. Juli 2017 verursachten zahlreiche Überschwemmungen, die im Einzugsgebiet des Oliwski-Stroms äußerst schwerwiegend waren. Die Merkmale beider Niederschlagsereignisse sind in Tabelle 3 dargestellt. Der Niederschlag im Juli 2016 wurde als stark eingestuft, obwohl er zeitweise sintflutartigen Charakter aufwies58. Die Niederschlagsmenge, die am 14. und 15. Juli 2016 fiel, lag nahe an der Zweimonatsniederschlagsnorm für das analysierte Gebiet. Durch diese Regenfälle kam es im Stadtgebiet zu erheblichen Schäden, darunter Wohn- und Bildungsgebäude, Straßen und Gehwege. Die Tunnel, Straßenbahngleise und Straßenbahnen wurden überflutet. Außerdem wurden zwei Rückhaltebecken beschädigt (darunter eines am Oliwski-Bach). Die Verluste nach Niederschlägen im Jahr 2016 wurden auf 10,5 Millionen PLN (2,65 Mio. USD) geschätzt. Das Hochwasser im Jahr 2017 verursachte aufgrund der geringeren Niederschlagsintensität und der Erfahrungen aus dem Vorjahr (größere Kapazität der Rückhaltebecken, Sandsäcke für Gebäude, Bau von Hochwasserdämmen) keine so großen Schäden. Die einzigen Folgen der sintflutartigen Regenfälle waren Überschwemmungen von Straßen und Gehwegen.

Da die Isotopenanalysen zweifellos auf allochtone Quellen von Stickstoff und organischem Kohlenstoff in Sedimenten schließen ließen, schien Regenwasserabfluss die wahrscheinlichste Quelle für C- und N-Verbindungen zu sein. Daher analysierten wir die Veränderungen der Wasserqualität bei trockenem und nassem Wetter, mit besonderem Augenmerk auf zwei Starkregenereignisse, die während des Untersuchungszeitraums auftraten. Im Bachbett fließendes Regenwasser (mit Abfluss angeliefert) transportiert gelöste und suspendierte Schadstoffe. Der größte Zufluss zu den Tanks erfolgt während oder nach den Regenfällen. Auch die Niederschlagsmenge spielt eine Rolle, wobei intensivere Niederschläge wahrscheinlich die Ursache für die höhere Schadstoffbelastung sind (sowohl wegen der höheren Konzentration, aber vor allem wegen der höheren Abflussgeschwindigkeit). Die Analyse der Wasserqualität im Bach Oliwski ist in Tabelle 4 dargestellt. Aus den vorgelegten Ergebnissen lässt sich schließen, dass die meisten spezifischen Konzentrationen nach sintflutartigen Regenfällen deutlich höher waren (bis zu achtmal) als nach „typischen“ Niederschlägen. Der Einfluss der Niederschlagsmenge war in Bezug auf Stickstoffverbindungen weitaus stärker ausgeprägt, insbesondere im Juli 2016, als die Menge und Intensität des Regengusses höher war, was zu der Beobachtung führte, dass die Auswaschung von Stickstoffverbindungen bei intensiveren Niederschlägen größer ist. Statistische Analysen bestätigten, dass mit Ausnahme von N-NH4 im Jahr 2016 und P-PO4 im Jahr 2017 die Konzentrationen der getesteten Verbindungen nach sintflutartigen Regenfällen anstiegen (p < 0,05).

In den folgenden Diagrammen (Abb. 11 und 12) werden Veränderungen der Wasserqualität nach sintflutartigen Regenfällen in den Jahren 2016 und 2017 dargestellt, bezogen auf die „typischen“ Niederschlagsereignisse, die in einem ähnlichen Zeitraum (Juni 2016, Juni 2017) auftraten. Die Niederschlagsmenge, nach der im Juni 2016 Proben entnommen wurden, betrug 30,0 mm, während die typische Niederschlagsmenge im Juni 2017 23,5 mm betrug, was 17 % bzw. 21 % der Summe der sintflutartigen Regenfälle in den Jahren 2016 und 2017 entspricht. Starke Regenfälle führten zu einem Anstieg der Konzentrationen aller gemessenen Parameter, vom dreifachen Anstieg von P-PO4 im Juli 2017 bis zu einem über 124-fachen Anstieg von TSS im Juli 2016 in Bezug auf nasses Wetter. Der höchste Anstieg betrug im Durchschnitt das Fünffache für N-NO3 und fast das Fünffache für N-NO2 und der geringste (im Durchschnitt das Zweifache) für N-NH4. In Punkt 5 war ein deutlicher Anstieg der Konzentration von N-NO3 und TSS nach sintflutartigen Regenfällen im Jahr 2016 zu beobachten, der jedoch auf Schäden am vor der Probenahmestelle liegenden Tank zurückzuführen war. Dadurch wurde ein Teil der Sedimente in Form einer Suspension mit dem fließenden Wasser abtransportiert. Die Abbildungen 11 und 12 zeigen, dass nach den Regenfällen im Jahr 2016 die Schadstoffkonzentrationen höher waren als im Jahr 2017. Die Analyse wurde für N–NO3, N–NH4, P–PO4, CSB und TSS statistisch bestätigt (p < 0,05). Dies hängt wahrscheinlich mit einer größeren Niederschlagsmenge zusammen, die zu einem schnelleren Abfluss und in der Folge zu einer Beschädigung des Rückhaltebeckens führte, was zu einer unkontrollierten Verschüttung führte.

Konzentrationen von Stickstoffformen (N–NO2, N–NO3, N–NH4), Phosphor (P–PO4, Ptot) und CSB im Oliwski-Strom während städtischer Überschwemmungen im Juli 2016 und Juli 2017. Die blauen/grünen Balken stellen die Ergebnisse danach dar typischer Niederschlag (Juni 2016 und 2017), und die gesamten Balken (die Summe aus Blau und Orange oder Grün und Grau) beziehen sich auf die Ergebnisse während sintflutartiger Regenfälle im Juni 2016 und Juni 2017.

Konzentrationen von TSS im Bach Oliwski während städtischer Überschwemmungen im Juli 2016 und Juli 2017. Der blau/grüne Balken stellt das Ergebnis nach typischen Regenfällen (Juni 2016 und 2017) dar, und der gesamte Balken (die Summe aus Blau und Orange oder Grün und Grau) ist das Juli-Ergebnis.

Die Ergebnisse der Spearman-Korrelation für die sintflutartigen Regenfälle im Juli 2016 und 2017 zeigten, dass die TSS-Konzentration mit der Konzentration von N-NO2 und N-NO3 korreliert, mit Korrelationskoeffizientenwerten von 0,75 bzw. 0,61 (Tabelle 5). Betrachtet man nur die Punkte 1–4 (vor dem Versagen des Rückhaltebeckens), waren die Werte der Koeffizienten für Stickstoffverbindungen höher. In früheren Studien wurde eine Korrelation zwischen P-PO4 und TSS-Konzentration nachgewiesen (Koeffizientenwert 0,75)59,60,61. Es wurde beobachtet, dass bei typischen Regenfällen (wie im Juni 2016 und 2017) die Konzentrationen der Schadstoffe mit der Fließrichtung abnahmen, nachdem sie durch aufeinanderfolgende Rückhaltebecken geflossen waren, was auf eine größere Menge der Entfernung durch Sedimentation in den Becken hinweisen könnte. Dies wird auch durch die Analyse des Korrelationskoeffizienten bestätigt, wonach die Konzentration von TSS nicht nur mit der Konzentration von N-NO2 und N-NO3 zusammenhängt, sondern auch mit Ptot und CSB, den Korrelationskoeffizienten bei nassem Wetter höher (Werte 0,84, 0,78, 0,96 bzw. 0,73) (Tabelle 5).

Die Schadstoffbelastung

Die Bestimmung der Schadstoffmengen, die durch das Wasser des Baches Oliwski in die Ostsee gelangen, wurde für die Probenahmestelle Nr. 6, direkt an der Mündung des Wasserlaufs in die Danziger Bucht gelegen. Die Schadstofffrachten nach Normal- und Starkregen sowie in der niederschlagsfreien Zeit wurden nach Formel (2) berechnet. Die Abflussmenge an der Verschlussstelle des Gewässers war wetterabhängig. Bei trockenem Wetter betrug sie etwa 0,22 m3/s, bei nassem Wetter (abhängig von der momentanen Niederschlags- und Abflussintensität) lag sie im Bereich von 0,23–6,17 m3/s, im Durchschnitt bei 1,95 m3/s Der Median lag bei 1,55 m3/s. Während der sintflutartigen Regenfälle im Juli 2016 schwankte die Durchflussintensität im Bach zwischen 0,52 und 112,91 m3/s, mit einem Durchschnitt von 30,12 m3/s und einem Median von 9,25 m3/s. Während während der Starkregenfälle im Juli 2017 die Volatilität geringer war, schwankte die Strömungsintensität im Bach zwischen 0,74 und 22,75 m3/s (Durchschnitt 13,19 m3/s, Median 13,61 m3/s).

Darüber hinaus zeigt ein Vergleich der Abflussgeschwindigkeit im Gewässer nach zwei Starkregenereignissen (Abb. 13), dass an allen Probenahmestellen die maximalen Abflusswerte nach den Starkniederschlägen im Jahr 2016 mehr als fünfmal höher waren als innerhalb der Niederschlagsepisode im Jahr 2017 Die Mittelwerte waren während der Starkregenfälle im Jahr 2016 um das 2,3- bis 3,0-fache höher als im Folgejahr. Diese Unterschiede sind hauptsächlich auf die höhere Niederschlagsintensität und längere Niederschlagsdauer im Jahr 2016 als im Jahr 2017 zurückzuführen.

Die Fließgeschwindigkeit an den Punkten 1–6 des Baches Oliwa nach sintflutartigen Regenfällen im Juli 2016 und Juli 2017. (a) Maximale Fließgeschwindigkeit, (b) durchschnittliche Fließgeschwindigkeit.

Die Menge der nach sintflutartigen Regenfällen eingeleiteten Schadstoffe im Vergleich zur Menge bei trockenem und nassem Wetter ist in Abb. 14 dargestellt. Darüber hinaus sind in Tabelle 6 die Ergebnisse der Berechnungen der jährlichen Schadstofffrachten, die in die Ostsee strömen, dargestellt. Die jährliche Durchschnittszahl der Regentage in Danzig beträgt 162, davon 203 regenlose Tage. Diese Zahlen ermöglichen zusammen mit den zuvor berechneten täglichen Schadstofffrachten eine Schätzung der ungefähren jährlichen Fracht, die aus dem Bach Oliwski abgeleitet wird (Tabelle 6). Die Menge der nach den Regenfällen im Juli 2016 freigesetzten Schadstoffe machte 67 % der jährlichen TSS-Fracht, 31 % N-NO2 und 10–20 % der anderen analysierten Parameter aus. Nach den Regenfällen im Juli 2017 war die Abflussmenge deutlich geringer; dennoch machte es 2–9 % der jährlichen Einleitung der analysierten Schadstofffrachten aus. Durch die Überschwemmung im Juli 2016 wurde eine zusätzliche Menge von über 3,5 Tonnen N-NO3, über 57 Tonnen organischer Substanz (ausgedrückt als CSB) und über 1100 Tonnen TSS in die Ostsee eingeleitet. Dieses einzige Überschwemmungsereignis war für 2,4 % der jährlichen N-NO3-Fracht verantwortlich, die laut HELCOMs Ostsee-Aktionsplan (BSAP)62 aus polnischem Gebiet zulässig ist. Solch hohe Belastungen müssen für die Umwelt von Bedeutung sein. Die Überschwemmungen verursachen nicht nur materielle Verluste in städtischen Gebieten, die mit geeigneten finanziellen Maßnahmen gelöst werden können, sondern auch, was noch wichtiger ist, Schäden für die Umwelt, die insbesondere im Zusammenhang mit der Eutrophierung und Hypoxie der Ostsee irreversibel sein können , was zur Bildung einer toten Zone führt.

Bei trockenem Wetter, typischen Niederschlägen und sintflutartigen Regenfällen werden große Mengen an N-NO2, N-NO3, N-NH4, P-PO4, Ptot, CSB und TSS in die Ostsee eingeleitet.

Abbildung 15 zeigt die Ergebnisse der Berechnungen – jeweils die Anzahl der Tage ohne Niederschlag bzw. mit Regenwetter, die zu der gleichen Belastung führen würden wie nach einem Starkniederschlag. Im Falle von N-NO2 würde es beispielsweise 17 Monate trockenes Wetter dauern, um die gleiche Ladung abzuleiten, die während eines sintflutartigen Regenereignisses im Juli 2016 täglich ausgestoßen wurde. Für P-PO4 und TSS wären es 16 Monate. bzw. fast 3 Jahre. Nach den Starkregenfällen im Jahr 2017 waren die Zeiträume kürzer: 4,5 Monate bezogen auf N–NO2, mehr als 6 Monate bezogen auf CSB, mehr als 3 Monate bezogen auf N–NO3 und N–NH4. Zum Vergleich: Der Zeitraum mit „typischem“ Niederschlag war in Bezug auf Stickstoffverbindungen und CSB etwa 10-mal kürzer, in Bezug auf P–PO4 und Ptot 17 bzw. 7-mal kürzer. Dies verdeutlicht die Bedeutung des Regenwasserabflusses aus städtischen Gebieten für die Qualität von Oberflächengewässern und unterstreicht insbesondere die große Auswirkung katastrophaler Regenfälle und städtischer Überschwemmungen, die häufig verkleinert oder vernachlässigt wird.

Die Anzahl der Tage ohne Niederschlag und mit Niederschlägen bis zu 30 mm, die zum Austritt der gleichen Schadstofffracht führen, die nach den sintflutartigen Regenfällen im Juli 2016 und Juli 2017 abgeflossen ist. Zeichnerische Analyse: Wie viele Tage ohne Niederschlag (oben). der Zeichnung) oder bei nassem Wetter (unten in der Zeichnung) sind erforderlich, um die gleiche Menge an Schadstoffen zu entfernen wie nach den Starkregenfällen im Jahr 2016 (links) und nach den Starkregenfällen im Jahr 2017 (rechts).

Unsere Forschung trägt dazu bei, die Wege der nichtpunktuellen Schadstoffmigration aufzuklären und trägt zur Bewertung komplexer Phänomene der Schadstoffablagerung, -resuspension und -transports in städtischen Regenwasserbehältern und Rückhaltebecken bei, insbesondere bei Regenfluten.

Aufgrund der dynamisch wachsenden Bevölkerung und städtischen Dichte besteht die Gefahr dramatischer Zunahmen von Regenüberschwemmungen. Überschwemmungen in Städten können schwerwiegende Folgen haben, nicht nur in Form von Materialverlusten, sondern auch zu erheblichen Schadstoffausträgen, die eine erhebliche Gefahr für die Umwelt darstellen. Daher ist es wichtig, die Reaktion städtischer Gebiete auf die bei Regenwetter freigesetzten Schadstoffe zu verstehen.

Mittels einer Analyse stabiler Kohlenstoff- und Stickstoffisotope identifizierten wir den allochthonen (terrestrischen) Ursprung der in den Sedimenten abgelagerten Schadstoffe, was darauf hindeutete, dass die Schadstoffe mit dem Regenwasserabfluss in die Rückhaltebecken gelangten. Die allochthone Quelle wurde nicht nur durch direkte Analysen bestätigt, sondern auch durch Analysen von Proben, die auf einen gemischten Ursprung von Schadstoffen unter Verwendung eines Multiquellen-Mischungsmodells hindeuteten. Organische Stickstoffdünger erwiesen sich als die Hauptstickstoffquelle in Bodensedimenten. Im Gegensatz dazu waren die Quellen für organischen Kohlenstoff gemischt, darunter Land-C3-Pflanzen, Holz und Öl. Darüber hinaus wurde ein geringer Beitrag von Süßwasser-Phytoplankton nachgewiesen.

Ein Vergleich der Konzentrationen von N-NO2, N-NO3, N-NH4, P-PO4, Ptot, CSB und TSS nach sintflutartigen und „typischen“ Regenfällen (mit einer Niederschlagstiefe von bis zu 30 mm) ergab einen signifikanten Anstieg Alle Konzentrationen wurden nach sintflutartigen Regenfällen gemessen. Wir beobachteten die folgenden Anstiege: N-NO3 1,2-fach, N-NH4 1,8-fach, P-PO4 etwa 2,0-fach, Ptot etwa 2,0-fach, COD etwa 2,0-fach und TSS 8,0-fach. Dies gilt für Nitrat und Nitratstickstoff, deren Konzentration nach Starkregen im Vergleich zu nassem Wetter um das 3,7-Fache anstieg. Die Rückhaltebecken waren bei der Reduzierung der einströmenden Schadstoffmenge bei Starkregen weniger wirksam als bei typischen Regenfällen. Dies ist auf die begrenzte Sedimentation bei größerer Strömungsdynamik zurückzuführen, die auch zu einer Resuspension bereits abgelagerter Schadstoffe führen kann. Die Mengen an Stickstoff- und Phosphorverbindungen, die der Bach Oliwski nach einem Tag sintflutartiger Regenfälle ableitete, entsprachen bei trockenem Wetter den Mengen, die bei Stickstoff innerhalb eines Jahres und bei Phosphor innerhalb von drei bis vier Monaten abgegeben wurden. Bezogen auf „typische“ Niederschläge könnte die gleiche Fracht wie bei sintflutartigen Regenfällen während der Zeiträume von 18 bis 56 Tagen typischer Niederschläge für Stickstoffverbindungen, Phosphor und organische Stoffe und bis zu 24 Tage für TSS abgeführt werden. Starke Regenfälle trugen zu einem raschen Anstieg der Schadstoffkonzentration im Bach bei, in den das Regenwasser abfließt.

Rückhaltebecken spielen eine sehr wichtige Rolle beim Hochwasserschutz in städtischen Gebieten. Sie halten auch Schadstoffe, die mit Regenwasserabflüssen transportiert werden, wirksam zurück, obwohl sie bei sintflutartigen Regenfällen und Überschwemmungen weniger wirksam sind. Darüber hinaus können in städtischen Rückhaltebecken abgelagerte Sedimente eine Quelle für eine erneute Wasserverschmutzung sein. Zukünftige Forschungen sollten sich auf Möglichkeiten zur Reduzierung des Abflusses in Wasserläufe konzentrieren, beispielsweise eine Analyse der Auswirkungen von Pufferzonen entlang von Wasserläufen, die den Abfluss reduzieren sollen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 17. November 2022

Angenommen: 20. Mai 2023

Veröffentlicht: 01. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35568-9

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