Hydrothemen Nr. 16 / Mai 2009
01.05.2009
Hydrothemen Nr. 17 / Oktober 2009
01.10.2009
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Forschungsvorhaben für den Morsbach

Das BWK-Merkblatt 7 „Detaillierte Nachweisführung immissionsorientierter Anforderungen an Misch- und Niederschlagswassereinleitungen gemäß BWK-Merkblatt 3“ ist seit November 2008 veröffentlicht.  Im Vorfeld dazu hat der Wupperverband ein Forschungsvorhaben zur Erprobung der Anwendbarkeit des BWK-Merkblatts M7 initiiert, in dem Aufwand und Nutzen der detaillierten
Nachweise nach M7 den vereinfachten Ansätzen nach M3 und den „Bemessungssicherheiten“ gegenübergestellt wurden.
Titel
 FuE-Vorhaben „Vergleich detaillierter Nachweisverfahren nach BWK M3 (hydrologisch – hydraulisch – biologisch) für das Morsbacheinzugsgebiet“
Federführung
 Wupperverband (WV)
Mitwirkende
  • Universität Duisburg-Essen
  • Bezirksregierung Düsseldorf
  • umweltbüro essen (ube)
  • Wupperverbandsgesellschaft für integrale Wasserwirtschaft (WiW)
  • Hydrotec, Ingenieurgesellschaft für Wasser und Umwelt mbH, Aachen
Förderung durch
 Förderung durch Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein- Westfalen (MUNLV)
Informationen
 „Niederschlagswassermanagement im Rahmen der Umsetzung der WRRL“, Schriftenreihe Gewässerschutz – Wasser – Abwasser, Nr. 216, Hrsg.: J. Pinnekamp, Ges. z. Förderung d. Siedlungswasserwirtschaft an der RWTH Aachen e.V. (2009)

Im Rahmen des Projekts wurden für das 47 km² große Einzugsgebiet des Morsbachs und der dazugehörigen Klärwerke folgende Untersuchungen durchgeführt:

  • Vereinfachter hydrologischer und stofflicher Nachweis nach BWK M3 (WV,WiW)
  • Detaillierter hydrologischer und hydraulischer Nachweis nach BWK M7 (Hydrotec)
  • Biologische Untersuchungen des Makrozoobenthos sowie Elektrobefischungen (ube)
  • Nachweis der Entlastungsrate und der entlasteten Schmutzfracht nach DWA-A 128 (Hydrotec) Weiterhin wurde eine Verknüpfung zwischen Immissions- und Emissionsbetrachtungen hergestellt und untersucht.

Detaillierter hydrologischer Nachweis nach BWK M7

Abb1_Morsbach

Das Einzugsgebiet des Morsbachs mit Angabe zur Überschreitung des HQ2, pnat im Ist-Zustand. Für blaue Abschnitte gilt der Nachweis nach M7 als erfüllt.

Auf der Grundlage aktueller Daten wurde ein detailliertes N-A-Modell mit NASIM erstellt und kalibriert. Demzufolge überschreitet das HQ1  im Ist-Zustand auf 46 % der untersuchten Gewässerlänge das HQ2,pnat (Abb. rechts). Auf Basis der biologischen Befunde definierten WV und ube das „Ausuferungspotenzial“ als ein neues Kriterium, mit dem sich die örtlichen morphologischen und hydraulischen Verhältnisse im Gewässer besser berücksichtigen lassen. Es wurde gezeigt, dass die Biozönose im Ist-Zustand trotz Überschreitung der M3-/M7- Anforderung überwiegend keinen hydraulischen Stress an den Probenahmestellen indiziert.

Folgende Nachweisregel wurde durch die Synthese hydrologischer und biologischer Kriterien entwickelt:

  • Bachabschnitte mit geringem Ausuferungspotenzial: HQ1< HQ2,pnat
  • Abschnitte mit mittlerem bis hohem Ausuferungspotenzial: HQ1< 1,4*HQ2,pnat

Unter Berücksichtigung dieses Kriteriums beträgt die Überlastung der Gewässerabschnitte im Ist-Zustand noch 31 %.

Detaillierter hydraulischer Nachweis nach BWK M7

Der hydraulische Nachweis nach BWK M7 wird durch den Vergleich zwischen vorhandener Sohlschubspannung und der kritischen Sohlschubspannung für das vorkommende Sohlsubstrat geführt. Ziel ist u. a., dass die Sohlschubspannung den kritischen Wert auf maximal 30 % der Fließlänge des Nachweisraumes nicht überschreitet.

Anordnung Morsbach

Ein naturnaher Abschnitt und die dort berechneten Sohlschubspannungen

Laut Merkblatt M7 ist für die Nachweisführung im Morsbacheinzugsgebiet das HQ2 als maßgeblich für die hydraulische Belastung anzusehen. Die im Merkblatt Nr. 16 des LUA für den Gewässertyp angegebenen kritischen Sohlschubspannungsgrößen weisen eine große Spanne (30 bis 150 N/m²) auf und sind somit nur bedingt nutzbar. Zur Ableitung repräsentativer Werte für die untersuchten Gewässer wurden die hydraulischen Berechnungsergebnisse des Ist-Zustands für sieben morphologisch naturnahe Abschnitte im Einzugsgebiet herangezogen (Abb. rechts). Daraus ließ sich ein Wert von ca. 55 N/m² als maßgebliche kritische Sohlschubspannung im Morsbacheinzugsgebiet ableiten. Die hydraulische Berechnung mit dem 1-D-Programm Jabron führte bei einem HQ2 zu einer Überschreitung dieses Wertes auf 33 % der Gesamtlänge.

Fazit

Die rechnerischen Nachweise nach M3/M7 wurden durch die biologischen Untersuchungen validiert. Auf der Grundlage der ganzheitlichen Untersuchungen kann festgehalten werden:

  • Beziehungen zwischen biologischen Befunden und hydrologischen Ergebnissen ließen sich nachweisen.
  • Defizite im Gewässer sind mit den rechnerischen hydrologischen Nachweisen sehr gut aufzuzeigen.
  • Das detaillierte hydrologische Nachweisverfahren liefert vor allem bei komplexen Situationen und in Gewässerunterläufen plausiblere Ergebnisse als das vereinfachte Nachweisverfahren.
  • Wenn der detaillierte hydrologische Nachweis an den Nachweisorten eingehalten wird, liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit keine signifikante Gewässerbelastung durch Niederschlags- bzw. Mischwassereinleitungen vor. Auch wenn der Zielwert nach M3/M7 überschritten wird, muss die Gewässerbiozönose nicht unbedingt beeinträchtigt sein. Dies zeigen ergänzende biologische Untersuchungen, mit denen der vorhandene Gewässerzustand beurteilt wurde.
  • Mit dem detaillierten hydraulischen Nachweis der kritischen Sohlschubspannungen durch eindimensionale Wasserspiegellagenberechnungen konnten nur Tendenzen aufzeigt werden. Hier spielt die große Variabilität der hydraulischen Einflüsse bei Mittelgebirgsbächen sowie die Definition einer belastbaren kritischen Sohlschubspannung eine maßgebliche Rolle.

Dipl.-Ing. Dirk Sobolewski, Dipl.-Ing. Robert Mittelstädt