Hydrochemische Untersuchungen

Wasserinhaltsstoffe

Die Probennahmen für die Laboranalysen erfolgte mittels horizontierter Schöpfproben. Zur Überführung der Probenwässer in das Labor wurden 1000 ml-Braunglasflaschen mit Schliffstopfen bzw. 250 ml-Karlsruher Flaschen verwendet. Im Labor wurden die Wasserproben titrimetrisch und kolorimetrisch untersucht sowie BSB5- und CSB-Bestimmungen durchgeführt.

Die Analysen umfaßten Bestimmungen von

Die Ermittlung der Spuren- und SE-Elemente der Bachwässer (Barium-, Chrom-, Kupfer-, Blei-, Strontium-, Thorium-, Uran- und Zirkoniumgehalte) erfolgte mittels ICP-MS.

Ammonium, Nitrit und Nitrat

Die Stickstoffverbindungen Ammonium, Nitrit und Nitrat gelten als Maß für die Stickstoffbelastung eines Wassers.

Der Nachweis von Ammonium-Ionen deutet i.a. auf hygienisch bedenkliche Verunreinigungen hin.

Nitrit gilt als Verschmutzungsindikator im Wasser: Von den in Wässern durch den Abbau lebender Materie anzutreffenden Stickstoffverbindungen stellt es eine metastabile und vergleichsweise toxische Zwischenstufe in der bakteriellen Oxidation Proteine - Ammonium - Nitrit - Nitrat dar. Hierdurch wird Nitrit zu einem wichtigen Verschmutzungsindikator, durch den eine noch nicht abgeschlossene Nitrifikation angezeigt wird. Die im normalen Nitrifikationsablauf nur kurze Verweilzeit des Stickstoffs als Nitrit führt meist zu geringen Nachweiskonzentrationen.

Der Nitrat-Gehalt ist ein Maß für die Stickstoffbelastung eines Grundwassers, wobei in Franken Nitrat-Gehalte <10 mg/l i.a. durch geogenen Ursprung bedingt sind, während Gehalte von 15-50 mg/l bereits auf anthropogene Beeinflussung hindeuten. Als Nitrat-Haupteinträge gelten organische und anorganische Stickstoffdünger (Gülle, Ammoniumnitrat), Deponiesickerwässer sowie die Abwasserversickerung. Ein weiterer Teil des Stickstoffgehaltes im Boden stammt aus dem Abbau pflanzlicher Eiweiße: So entsteht zunächst Ammonium, welches kurzfristig zu Nitrat oxidiert wird.

Messwerte von Nitrat, Nitrit und Ammonium im Hembachgebiet

Im Hembach wurde Ammonium an fast allen Meßpunkten mit einer durchschnittlichen Konzentration von 0,1 mg/l beobachtet. Der Einfluß der landwirtschaftlichen Düngung mittel Ammoniumnitrat selbst der kleineren Agrarflächen (um Sperberslohe und Furth) auf ein Fließgewässer wird somit gut verdeutlicht. Im Gegensatz hierzu steht der ausschließlich durch Wald fließende Höllenbach, in welchem überhaupt kein Ammonium beobachtet werden konnte.

Das metastabile und relativ toxische Nitrit wurde nur im Hembach unmittelbar im Abstrom der Kläranlage von Sperberslohe aufgefunden: Der hier sehr hohe Nitritgehalt von 1,4 mg/l im Hembach reduzierte sich im 1,5 km bachabwärts bereits auf 0,05 mg/l und verdeutlicht die durch Oxidation bedingte kurze Verweildauer dieses Fischgiftes in einem naturnahen Fließgewässer.

Auch die Nitrat-Gehalte zeigen die Unterschiede zwischen einem reinen Waldbach und einem zwar naturnahen, jedoch durch Landwirtschaft beeinflußten Fließgewässer deutlich auf: Wenn auch die beobachteten Nitratwerte in beiden Bächen weit unter der Trinkwassergrenze liegen, weist doch der Höllenbach mit seinen verschwindend geringen, nur durch Stickstoffabbau in den Waldböden bedingten Werten einen deutlichen Gegensatz zu dem über die gesamte Fließstrecke deutlich mit Nitrat belasteten Hembach auf.

Sulfat, Sulfit und Sulfid

Ähnlich wie das Ammonium und das Nitrat stehen die Schwefelverbindungen Sulfid, Sulfit und Sulfat entlang eines Sauerstoffgradienten in charakteristischen Verhältnissen zueinander, wobei unter aeroben Bedingungen das Sulfid meist völlig fehlt. Geogen bedingte Sulfat-Erhöhung können z.B. durch Gipslinsen in den Schichten verursacht sein. In Franken sind Sulfat-Gehalte um 20 mg/l meist geogenen Ursprungs. Höhere Gehalte (um 70 mg/l) deuten auf anthropogene Beeinflussung hin, vor allem, wenn in den Wässern auch erhöhte Chlorid, Nitrat und Phosphatgehalte beobachtet werden; ein weiterer Eintrag kann aus sulfathaltigen Düngern und Spritzmitteln erfolgen. Weiterhin hat Sulfat seine Bedeutung als Leitparameter für eingelagerten Bauschutt, wobei z.B. das im Putz oder Gips enthaltene Calciumsulfat als Quelle gilt. In sauerstoffarmen Grundwässern erfolgt die Sulfat-Reduktion durch anaerobe Bakterien, die ihre Stoffwechsel-Energie aus der Zerlegung des Sulfat-Ions gewinnen, wobei über das metastabile Sulfit letztlich Sulfid (Schwefelwasserstoff) und ein basisches Wassermilieu entsteht.

Messwerte von Sulfat, Sulfit und Sulfid im Hembachgebiet

Sowohl in den Grundwässern der beiden Bohrungen als auch in den Wässern des Hembachs und Höllenbachs konnten relativ hohe Sulfatgehalte von 40 mg/l bis 65 mg/l festgestellt werden: Sie sind wenigstens teilweise geogen bedingt; auch weisen die in den Grund- und Bachwässern beobachteten, geringen Sulfitkonzentrationen auf einen Aufstieg aus tieferen, anaeroben Grundwasserschichten hin. Vor allem das Liegende der Burgsandsteine enthält in einzelnen Schichtgliedern auch Calciumsulfat-Linsen. Das giftige, jedoch schnell oxidierbare Sulfid konnte hingegen an keinem der 15 Meßpunkte beobachtet werden.

Chlorid

Chloride zeigen hohe Salzbelastungen u.a. durch landwirtschaftliche Düngung und der winterlichen Salzstreuung von Straßen an. Generell ist zu berücksichtigen, daß hohe Chloridkonzentrationen im Grundwasser auch geogen verursacht sein können wie bei einigen natürlichen Mineralwässern. Generell sind Chloridgehalte <10 mg/l in Franken meist durch "geogenen Background" bedingt. Gehalte von 15-50 mg/l deuten auf anthropogene Beeinflussung hin. Die Trinkwassergrenze für Chlorid liegt bei 250 mg/l.

Chlorid-Messwerte im Hembachgebiet

Die Chlorid-Gehalte in den Grund- und Oberflächenwässern des Hembachgebiets zeigen einen geogenen Background um 20 mg/l. Die um das zwei- bis dreifache überhöhten Gehalte im Hembach und im Höllenbach weisen auf anthropoge Beeinflussungen durch landwirtschaftliche Düngung und durch den winterlichen Streusalzaustrag hin: Dies wird besonders deutlich im Quellwasser des Höllenbachs, welches -- aufgrund der unmittelbaren Nähe zur Autobahn Nürnberg-München -- einen Cl-Gehalt von 62 mg/l aufwies.

Eisen und Phosphat

Eisen-Gehalte über 0,1 mg/l treten oft in Grundwässern mit niedrigen Sauerstoffgehalten und reduzierenden Milieu auf. Im Fränkischen Keuper erfolgt bereits bei der Passage der Sickerwässer durch die eisenhaltigen Burgsandsteine eine Eisen-Aufnahme. Nach Beobachtungen von BERGER (1979) haben die Grundwässer aus den unbedeckten Burgsandsteinen oftmals sehr geringe Sauerstoffgehalte und weisen vielerorts hohe Eisen- und Mangangehalte auf (Fe bis 17 mg/l).

Das im sauerstoffarmen Grundwasser enthaltene zweiwertige Eisen ist besonders empfindlich gegen Luftzutritt, wobei es in dreiwertige Eisenverbindungen umgewandelt wird und aufgrund deren geringer Löslichkeit als bräunlichflockiges Fe3+-Oxyd-Hydrat ausfällt. Hierbei können auch in Spuren enthaltene Schwermetalle infolge Komplexbildung mit ausgefällt werden. Die Trinkwassergrenze für Fe liegt bei 0,2 mg/l.

Messwerte von Eisen und Phosphat im Hembachgebiet

Im Hembachgebiet konnte im Wasser gelöstes Eisen v.a. in den Fließgewässern nachgewiesen werden, wobei sich die Konzentrationen von 0,18 mg/l bis 0,75 mg/l erstreckten. Diese Eisengehalte waren im Höllenbach generell geringer als im Hembach; die Ursache hierfür ist sicherlich im längeren Verlauf des Hembachs durch die eisenreichen Burgsandsteine begründet.

Phosphat-Gehalte von <0,05 mg/l sind in Franken meist geogenen Ursprungs. Höhere Werte deuten i.a. auf anthropogene Beeinflussungen hin. Die Ursachen hierfür können z.B. in landwirtschaftlichem Gülle- sowie Kunstdüngeraustrag begründet sein. Die Trinkwassergrenze für Phosphat lag bis 2003 bei 6,7 mg/l; in der EG-TwR erscheint dieser Wasserparameter nicht mehr.

Im Höllenbach wurde an keiner Meßstelle Phosphat im Bachwasser nachgewiesen; ein geogener Eintrag aus den Grundwässern kann somit ausgeschlossen werden. Die an den beiden Meßstellen M 06 und M 08 im Hembach beobachteten, relativ hohen Phosphatgehalte von 0,6 mg/l müssen somit landwirtschaftlichen Eintrag zugeordnet werden.

Gesamthärte und Carbonathärte

Die Gesamthärte ist definiert als die Summe aller Erdalkali-Ionen; dies sind v.a. Calcium und Magnesium. In Lösung sind diese "gepaart" mit Chloriden, Sulfaten, Carbonaten und anderen Anionen. Hingegen umfaßt die Carbonathärte nur die Carbonate dieser Ionen, in der Regel ist sie also niedriger als die Gesamthärte.

Messwerte der Carbonat- und Gesamthärten im Hembachgebiet

Im Großraum Feucht-Sperberslohe zeichnen sich die Grundwässer aus den unbedeckten Burgsandsteinen durch geringe Karbonathärten (0,5°dH bis 4,8°dH) und geringe Gesamthärten (1,9°dH bis 5,7°dH) aus (BERGER 1979). Während im Grundwasser der beiden Bohrungen die Wasserhärten von 1°dH bis 3°dh betrugen, konnten im Hembach Gesamthärten von 3°dH bis 6°dH und Carbonathärten von 2°dH bis 4°dH beobachtet werden; im Höllenbach liegen die beiden Wasserhärten insgesamt etwas niedriger.

Die geringen Wasserhärten in beiden Fließgewässern sind hauptsächlich geogen bedingt, wobei der Calciumhydrogen-Eintrag aus den Basisletten eine gewisse Rolle spielen mag. Insgesamt gesehen herrschen im Hembachgebiet "sehr weiche" bis "weiche" Wässer vor.

karbonataggressive Kohlensäure

Die karbonataggressive Kohlensäure ist definiert als der Anteil des Gesamt-CO2-Lösungsinhalts einer Wasserprobe, der über den für die Erhaltung der Carbonatlösung erforderlichen Kohlendioxid-Bedarf hinausgeht und somit -- chemisch nicht neutralisiert -- als Säure wirkt.

Bereits BERGER (1979) wies darauf hin, daß die Grundwässer der Burgsandstein-Aquifere oft aggressive Kohlensäure in beträchtlicher Menge enthalten. Im Hembachgebiet sinken die pH-Werte demzufolge bis 5,1 ab. Wegen des hohen Gehaltes an freiem Kohlendioxid gelten diese Grundwässer als stark betonaggressiv.

Die Bestimmung der kalklösenden Kohlensäure in den Grund- und Oberflächenwässern des Hembachgebiets erfolgte nach dem Verfahren zur "Beurteilung betonangreifender Wässer, Böden und Gase" nach DIN 4030: Hierbei wird in den Probewässern die Konzentration an kalklösender Kohlensäure in mg/l CO2 empirisch bestimmt.

Messwerte der karbonatagressiven Kohlensäure im Hembachgebiet

In den Grundwässern der beiden Bohrungen betragen die Gehalte an aggressiver Kohlensäure von 63 mg/l bis 74 mg/l. Im Hembach bewegen sich diese Gehalte i.a. von 14 mg/l bis 41 mg/l, steigen jedoch kurz vor der Einmündung des Höllenbachtales bis 181 mg/l an. Im Höllenbach sind in seinem Quellbereich CO2-Gehalte von 12 mg/l bis 37 mg/l zu beobachten, welche aber mit Annäherung an die Mündung in den Hembach abrupt bis zu einem Spitzenwert von 291 mg/l ansteigen.

Diese hohen Kohlendioxidgehalte lassen sich nur mit dem Zustrom CO2-reicher Oberflächenwässer (z.B. aus trockengefallenen Moorgebieten) nicht schlüssig erklären. Denkbar wäre in diesem -- tektonisch vorgeprägten -- Kreuzungsgebiet des Hembach- und des Höllenbachtales ein lokaler Aufstieg kohlendioxidreicher Tiefenwässer am Kreuzungspunkt tiefreichender Störungs- und Kluftbahnen.

Biologischer und chemischer Sauerstoffbedarf

Der BSB5 (Biologischer Sauerstoff-Bedarf nach 5 Tagen) ist ein Anhaltspunkt für den Grad der Belastung des Wassers mit organisch abbaubaren Substanzen. Von diesen Substanzen ernähren sich die im Gewässer lebenden Mikroorganismen, wobei diese Kleinstlebewesen das Wasser reinigen. Die Menge der Mikroorganismen hängt i.w. vom Nährstoffangebot, also von der Wasserverschmutzung ab. Jedes dieser Kleinstlebewesen benötigt Sauerstoff: Bei der Reinigung von einem Liter eines häuslichen Abwassers verbrauchen diese Mikroorganismen mehrere hundert Milligramm Sauerstoff, bei Abwässern aus dem industriellen Bereich können es sogar Zehntausende Milligramm Sauerstoff sein.

Die Grundwässer im Hembachgebiet weisen BSB5-Werte von 6,3 mg/l O2 bis 8,9 mg/l O2 auf und gelten somit bereits als "kritisch belastet". Im Hembach bewegen sich die BSB5-Werte i.a. um 6 mg/l O2 bis 7 mg/l O2, steigen im landwirtschaftlich genutzten Gebiet um Furth bis 7,5 mg/l O2 an und sinken dann wieder auf 5 mg/l O2 ab. Der Höllenbach weist relativ gleichmäßige BSB5-Werte um 6 mg/l O2 auf.

Messwerte des chemischen und des biologischen Sauerstoffbedarfes im Hembachgebiet

Der CSBKMnO4 liefert Informationen über den chemischen Sauerstoffbedarf und somit über die Gesamtbelastung eines Grund- oder Oberflächenwassers durch organische Substanzen. Allerdings sind mit dieser Methode nur 20-25% der oxidierbaren organischen Stoffe nachweisbar: Weitgehend oxidiert werden Huminstoffe, Phenole und Kohlenhydrate, während z.B. Chlorkohlenwasserstoffe, Waschmittel und Alkohole hierbei nicht ermittelt werden (gegenüber der genaueren CSB-Bestimmung mittels Kaliumdichromat hat die Ermittlung des Kaliumpermanganat-Verbrauchs neben der wesentlich geringeren Toxizität den Vorteil der geringeren Nachweisgrenze).

Hohe Werte des CSBKMnO4 können zunächst (bei einer mächtigen Bodenzone oder bei Torfablagerungen) durch Huminsäuren bedingt sein. Weitere organische Verunreinigungen des Grundwassers können aus Haus- und Stall- Abwasserversickerungen, aus organischen Düngemitteln, aus Ablagerungen organischer Stoffe, aus Farb- und Lackresten, aus Öl- und Plastikrückständen sowie von Tierkadavern stammen. Die Trinkwassergrenze des CSBKMnO4 liegt bei 5 mg/l O2.

Beim CSB ist in beiden Fließgewässern eine nahezu kontinuierliche Zunahme der Werte mit der Fließstrecke zu verzeichnen: So steigt im Höllenbach der CSB von 33,6 mg/l O2 auf 43,5 mg/l O2 an, während im Hembach eine Zunahme von 43,3 mg/l O2 auf 46,8 mg/l O2 zu verzeichnen ist.

Beide Fließgewässer sind im Beobachtungsgebiet relativ stark mit Organik belastet, wobei neben Einträgen aus der Landwirtschaft sicherlich der Einfluß der anmoorigen Böden eine große Rolle spielt. Aufgrund des beobachteten biologischen und chemischen Sauerstoffbedarfs müssen beide Bäche in die Güteklasse II/III "kritisch belastet" eingestuft werden.

adsorbierbare organische Halogenverbindungen

Der AOX-Wert (adsorbierbare organische Halogenverbindungen) gilt als ein Summenparameter, der die meisten Halogen-Kohlenwasserstoffe erfaßt: Er stellt einen wichtigen Leitparameter für industrielle Abfälle dar und weist als Folge der heutigen breiten Anwendung von chlororganischen Verbindungen eine allgemeine Hintergrundbelastung von ca. 10 µg/l auf.

Zur Bestimmung der AOX-Gehalte in den Grund- und Oberflächenwässern des Hembachgebietes wurde das coulometrische Verfahren gemäß DIN 38409 H 14 angewandt. Hier erfolgt die Bestimmung der organisch gebundenen Halogene über die Bindung der AOX an Aktivkohle, gefolgt von Verbrennung und anschließender elektrochemischer Titration.

Messwerte des Gehaltes an absorbierbaren organischen Halogenverbindungen im Hembachgebiet

In den Grundwässern der beiden Bohrungen waren relativ geringe AOX-Gehalte von 16,6 µg/l bis 20,6 µg/l zu verzeichnen.

Auch im Hembach bewegen sich diese Werte von 15 µg/l bis 20 µg/l, sinken nach der Passage des anmoorigen Gebiets auf 12 µg/l und steigen erst südwestlich Furth wieder bis 25 µg/l an: die Kontamination des Grund- und Oberflächenwassers durch einen mit Hochofenschlacke aufgeschütteten Fahrweg bei Furth könnte hierfür ausschlaggebend sein.

Im Höllenbach ist ein geringer Anstieg von 18 µg/l bis 20 µg/l ab der Quelle bis zu den Karpfenteichen bei M 10 zu verzeichnen; erst kurz vor der Mündung in den Hembach erfolgt ein rapider Anstieg auf 35 µg/l, welcher den Einfluß des dortigen Aufschüttungen nahelegt.

Insgesamt ergibt sich im Hembachgebiet mit AOX-Gehalte zwischen 12 bis 35 µg/l das Bild einer schwachen Kontamination der Grund- und Bachwässer, wobei sich punktuelle Kontaminationsherde durchaus bemerkbar machen.

* Dr. A. Baier; last update: Mittwoch, 04. März 2009 23:59