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Impact of Stormwater Management Measures on Pollutant Removal in Urban Environments

Impact of Stormwater Management Measures on Pollutant Removal in Urban Environments

  • Die Notwendigkeit einer ökologischen Aufwertung kleiner urbaner Gewässer und damit einer effektiven Siedlungswasserwirtschaft ist in den Fokus gerückt und wurde zum Bestandteil der Wasserrahmenrichtlinie ( 2000/60/EG). Die Zunahme von Regenwassermanagementsystemen und die Renaturierung kanalisierter Gewässerabschnitte führt zu einer Integration von Flüssen und Bächen in das städtische Umfeld. Diese Arbeit fokussiert die zeitlich hochaufgelöste Analyse des Stofftransports während Abflussereignissen in mesoskaligen Einzugsgebieten. Es wird untersucht, ob die Landnutzung und die Entwässerungs-¬systeme von Siedlungsflächen, die Abflusssdynamik und die Stoffkonzentrationen beeinflussen. Beleuchtet wird, inwieweit naturnahe Regenwassermanagementsysteme in Siedlungsgebieten den natürlichen Wasserhaushalt erhalten und eine Gewässerbelastung reduzieren. Untersucht werden die Schadstoffdynamiken und -frachten dreier verschiedener Einzugsgebiete, ähnlich hinsichtlich Einzugsgebietsgröße, Topographie und klimatischen Bedingungen, aber unterschiedlich in Landnutzung und Entwässerungssystemen. Darüber hinaus wird der Einfluss der Ableitungsart des Regenwassers aus den Siedlungsgebieten auf die Abflussdynamik und die Schadstoffverlagerung auf unterschiedlichen Skalen untersucht. Abflussganglinien und Chemographen aller Gewässer zeigen große Schwankungen während und zwischen Hochwasserereignissen. Kurzfristige Konzentrationen sind sehr hoch und können nur mittels zeitlich hochaufgelöster Beprobung bestimmt werden. Frachten und mittlere Ereigniskonzentrationen weisen eine hohe Variabilität in Abhängigkeit von vorangehenden hydro-klimatischen Bedingungen auf. Erhöhte Schadstoffkonzentrationen treten in einem ländlich geprägten Einzugsgebiet in Verbindung mit Regenfällen durch Remobilisierung von Schadstoffen aus der Kanalisation auf. In einem städtisch geprägten Vorfluter sind Schadstoffbelastungen mit dem Basisabfluss aufgrund sanitärer Fehlanschlüsse und Kläranlageneinleitungen das ganze Jahr über bedeutsam. Ein biologischer Test zur Bestimmung östrogener Aktivität zeigt, dass die Toxizität von der Kläranlagentechnologie und deren Elimination östrogener Wirkstoffe abhängt. Saisonale Effekte, durch steigende östrogene Aktivität im Sommer und abnehmende Aktivität im Winter aufgrund der Verdünnung durch Boden- und Grund-¬wasser, konnten beobachtet werden. Dezentrale Regenrückhalte führen zum Erhalt des quasi-natürlichen Wasserhaushaltes und zur Dämpfung von Abflussspitzen im Vorfluter. Die Beprobung der Zuläufe und des Ablaufes einer Retentionsfläche zeigt die Reduktion der Maximalkonzentrationen sowie der jährlichen Frachten von Xenobiotika. Mit zunehmender Einzugsgebietsgröße nimmt die Anzahl und Diversität der Entwässerungssysteme zu. Die Skalenabhängigkeit der Gewässerbelastung ergibt sich aus dem Vorhandensein und Zusammenwirken von Misch- und Trennkanalisationen, sowie Regenwassermanagementsysteme, und Kläranlageneinläufen. Vor allem Mischwasserkanalüberläufe führen zu einer hydraulischen Belastung sowie zu hohen Momentankonzentrationen der Xenobiotika. Regenwassermanagementsysteme tragen zu einer deutlichen Reduktion der chemischen und hydraulischen Belastung des Gewässers bei. Dies führt zu einer Entlastung der Vorfluter und zu einem besseren ökologischen Zustand, wie durch die Wasserrahmenrichtlinie gefordert.
  • In the past few years, the necessity of an ecological valorisation of small urban waters and an effective urban water management was focused and has become part of the Water Framework Directive (2000/60/EC). The increasing amount of detention basins and renaturation measures of canalized river stretches shows that the integration of streams into the urban environment is of great concern. This investigation focuses on the high temporal resolution of substance and contaminant transport during runoff events in micro- and meso-scale catchments of the lower mountain ranges. It examines how far the spatial distribution of land use and urban areas, and their individual drainage systems, have an impact on the dynamics of the hydrographs as well as the chemographs and the associated environmental pollution of the receiving water. Moreover, an identification of pollution sources is achieved in mesoscale and in small watersheds. It is further illuminated how near-to-nature rainwater management systems in urban areas maintain the natural water balance and reduce water pollution. Xenobiotic fluxes of three different catchments, the Mess and the Pétrusse catchments located in the south of Luxembourg and the Olewiger Bach catchment in Trier, Germany, have been investigated. These watersheds are similar regarding to catchment area, topography and climatological conditions, but differ in land use settings and drainage systems. A focus is on the settlement area Trier-Petrisberg and its receiving water Brettenbach, a tributary of the Olewiger Bach. This headwater catchment has a near-to-nature stormwater management system that is expected to change discharge dynamics and pollutant pathways significantly. Chemographs of surface runoff show an intra- and inter-event variability. Short-term concentrations are quite high and can be estimated only by means of a high-resolution sampling. Results show high variabilities of loads, event mean concentrations and maximum concentrations, primarily depending on the antecedent hydro-climatological conditions. An assignment of discharge components based on chemographs of different flood waves to the substance sources is possible. The inputs from wastewater treatment plant (WWTP) outflows, sewage systems, combined sewer overflows (CSO) during storm events and of agricultural used land are reflected in the chemographs. Elevated concentrations of dissolved xenobiotics occur associated with rainfall events due to a flush of remobilized pollutants out of the sewer system in the more rural watershed of the Mess stream. In the urban Pétrusse catchment pollutant loads with baseflow throughout the year are more significant, because of faulty sanitary connections and outflow of WWTP, which lead to higher background concentrations. Measurements with a biological yeast essay for estrogenic activity in both catchments show that toxicity depends on WWTP technology and elimination rates of estrogen active compounds. Seasonal effects are observed regarding to estrogenic activity as it increases in summer and decreases in winter in both streams due to dilution by soil and groundwater. Decentralized retention systems and associated percolation, evaporation and retardation of rainwater runoff provide adequate maintenance of quasi-natural local water balance of the Trier-Petrisberg catchment and attenuation of stormwater peak flows of the receiving water Brettenbach. Sampling of the retention basin inlets and of the outlet show the reduction of xenobiotic maximum concentrations. Percental yearly loads of organic and inorganic compounds and nutrients are significantly reduced within the retention basin depending on their physico-chemical characteristics or plant uptake. Chemographs of flood events of the receiving water Brettenbach are primarily determined by the retention basin overflows of the headwater catchment. With increasing catchment size the number of drainage systems tends to increase. The scale dependence of water pollution caused by drainage systems therefore results from the presence and interaction of combined and separate sewer systems, as well as modified separate sewers, and WWTP outlets. Especially CSOs lead to a hydraulic load and excessive instantaneous concentrations of xenobiotics. Stormwater management systems contribut, to a significant reduction of chemical and hydraulic load of receiving waters. Although the natural rainwater management under investigation does not include explicitly installed retention soil filters or other filter materials, pollutant peak concentrations and loads are significantly reduced. Separation of waste- and rainwater as well as the implementation of decentralized rainwater retention systems can only be realized in new construction areas and not in existing settlements. However, only modified separate sewer systems lead in a long-term view to a reduction of the chemical and hydraulic load of receiving waters and to a better ecological status of waterbodies.

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Metadaten
Author:Sabine Keßler
URN:urn:nbn:de:hbz:385-8555
Title Additional (German):Einfluss von Regenbewirtschaftungsmaßnahmen auf die Mobilität und den Rückhalt von Schadstoffen in urbanen Einzugsgebieten
Advisor:Wolfhard Symader
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of completion:2014/05/06
Publishing institution:Universität Trier
Granting institution:Universität Trier, Fachbereich 6
Date of final exam:2014/02/05
Release Date:2014/05/06
Tag:Chemographen; Hydrographen; Regenwassermanagement; Xenobiotika
chemographs; hydrographs; rainwater management; urban hydrology; xenobiotics
GND Keyword:Siedlungswasserwirtschaft
Institutes:Fachbereich 6 / Geographie und Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften

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