Organische Schadstoffe im Fließgewässernetz Rhein
Modellierung, Simulation, Visualisierung
von chemischen Zwischenprodukten

Intermediates (Zwischenprodukte) werden in großen Mengen von am Rhein ansässigen Chemiefirmen produziert. Die Produktionsvolumen von 50 Zwischenprodukten und jährliche geschätzte Freisetzungsraten, Standorte und Kapazitäten von deutschen Firmen sind aus ECETOC (Environmental Exposure Assessment, Technical Report No. 61, 1994) entnommen worden. Aufgrund der großen Produktionsvolumina und dem Charakter der im Werk weiterverarbeiteten Zwischenprodukte werden kontinuierliche punktuelle Freisetzungen angenommen.

Der Rhein und die Hauptnebenflüsse wurden in einzelne Abschnitte mit jeweils einer Pegelmeßstelle unterteilt. Die Grenzen der Abschnitte wurden anhand der Mündungen von Nebenflüssen oder Stauwehren gewählt, so daß einheitliche hydrologische Verhältnisse innerhalb eines Abschnitts angenommen werden können. Jeder Abschnitt wurde weiter unterteilt in Segmente mit jeweils einem Einleiter. Der mittlere Abfluß und Wasserstand für das Sommer- und Winterhalbjahr sind den hydrologischen Jahrbüchern von 1989 entnommen. Auf der Basis langjähriger Statistiken können Abflüße aus einer log-normal-Verteilung gewählt werden. Die Fließgeschwindigkeiten werden für die Abschnitte des Rheins aus Regressionsgleichungen berechnet, für die Nebenflüsse wird ein rechteckiger Flußquerschnitt angenommen.

Zur Berechnung der Konzentrationsverläufe wurde ein deterministisches Ausbreitungsmodell (WATER [2]) mit Advektion, Verdünnung, Volatilisation, Sedimentation und Abbau benutzt. Das Modell wurde als stand-alone Programm mit einer spezifizierten Datenschnittstelle implementiert. Auf der Basis eines tree-walking Algorithmus werden die Konzentrationen in den einzelnen Segmenten des Flußnetzes, dessen Topologie durch eine definierte Datenstruktur repräsentiert wird, berechnet. Alle Inputparameter und intern berechnete Werte werden zur Qualitätssicherung in einem log-file gespeichert. Die Modellergebnisse werden zur weiteren Bearbeitung durch Analysetools und zur Visualisierung in Dateien geschrieben.

Alle räumlichen und stoffbezogenen Daten werden in einer Datenbank gehalten, die mit dem GIS ARCView gekoppelt ist. Es wurde eine Benutzerschnittstelle in Avenue implementiert um volle Kontrolle des Modells und der Daten zur beiten: durch die einzelnen Dialoge wird der Benutzer bei der Auswahl und Bearbeitung aller notwendigen Daten unterstützt. Durch Skripte werden die Daten aus der Datenbank extrahiert und das Modell gestartet. Die Ergebnisse der Simulation können für das gesamte Flußnetz durch Einfärbung der Flußsegmente unter Verwendung Dynamic Segmentation Methodologie von ARCInfo/ARCView visualisiert werden. Daneben können Konzentrationsverläufe für die einzelnen Flüße und Informationen über die Einleiter dargestellt werden. Stochastische Berechnungen stellen Häufigkeitsverteilungen von berechneten Konzentrationen zur Verfügung, die in Risikoabschätzungen benutzt werden können.

Die Ausgasung, die von der Fließ- und der Windgeschwindigkeit abhängt, ist nach ersten Ergebnissen für viele Intermediates der wichtigste Eliminationsprozeß. Berechnete Konzentrationen liegen in der gleichen Größenordnung wie gemessene Werte. Außerdem wurde deutlich, daß sich Einleitungen eines Stoffes von mehreren Quellen flußabwärts akkumulieren. Dies führt zu höheren Konzentrationen als die einzeln betrachteten Einleitungen.