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Eigenschaften urbaner Böden Berlins - statistische Auswertung von Gutachtendaten und Fallbeispiele
Mekiffer, Beate
Im Rahmen der Dissertation „Eigenschaften urbaner Böden Berlins“ werden erstens Ergebnisse eigener Eigenschaften urbaner Böden in Berlin vorgestellt (Teil I/ Fallbeispiele). Zweitens wurden ca. 90.000 Datensätze zu Kontaminationen und Bodeneigenschaften innerstädtischer Böden, die aus Gutachten der Berliner Bezirksämter stammen, statistisch ausgewertet (Teil II/ Datenbank). Die Arbeit greift dabei folgende Aspekte auf. - In welchen Spannweiten sind urbane Böden Berlins durch Schadstoffe belastet und mit welchen Verteilungsfunktionen (Normalverteilung, Lognormalverteilung, Exponentialverteilung usw.) lassen sich die Kontaminationen beschreiben? - Liegen signifikante Unterschiede zwischen den einzelnen Substraten bezüglich ihrer Schadstoffgehalte und Bodeneigenschaften vor? - Wie lassen sich real vorhandene Beziehungen zwischen Schadstoffen in den Substraten nachweisen und sind einzelne Substrate durch typische Schadstoffmuster gekennzeichnet? Die Laboruntersuchungen an Trümmerschutt zeigten sehr schwach sauere (s1) bis schwach alkalische (a2) Bodenreaktionen und weite C/N-Verhältnissen von 18 bis 80. Die Trümmerschuttproben erwiesen sich als durch PAK sowie Schwermetalle hoch belastet. Überschreitungen der Vorsorgewerte nach BBodSchG traten in nahezu 80% aller Proben auf. Eine Korngrößen- oder Komponentenabhängigkeit der PAK-Belastung konnte anhand dieser Proben nicht festgestellt werden. Die Industrieaufschüttungen aus Schlacken und Aschen waren ebenfalls gekennzeichnet durch teilweise erhebliche Überschreitung der Vorsorgewerte nach BBodSchG. Die Kationenaustauschkapazitäten der Industrieaufschüttungen variierten stark und lagen in den Aschen noch über den Werten tonreicher Böden. Untersuchungen zur Schwermetallverfügbarkeit an diesen Proben (nach Zeien & Brümmer, 1989) zeigten, dass zwischen der Höhe der mobilen und leicht nachlieferbaren Fraktion einerseits sowie der Ausgangskonzentration andrerseits kein Zusammenhang bestand. Ebenso wenig bestand ein Zusammenhang zwischen der Schwermetallverfügbarkeit und der Art des Ausgangssubstrats. Die Untersuchungen an der Aufschüttung aus Industrieabfällen, Hausmüll und Trümmerschutt ergaben hohe PAK- und Schwermetallbelastungen in den Bodenproben und in den Proben aus dem oberflächennahen Grundwasser. An den Bodenproben wurden Desorptionsversuche mit Regenwasser, pH-8-Lösung sowie Rindenmulchlösung durchgeführt. Auf Basis der Desorptionsraten für Kupfer wurden zwei Frachtszenarien mit unterschiedlichen Annahmen zum Wasserhaushalt berechnet. Für die statistische Analyse von ca. 90.000 Datensätzen aus Bodengutachten wurde eine hierarchische Datenbank entwickelt. Die Analyse der Verteilungsfunktionen von Bodeneigenschaften und Schadstoffen erfolgte für die Grundgesamtheit sowie substratbezogen. Der pH-Wert und die elektrische Leitfähigkeit können in der Grundgesamtheit mit einer Gaußfunktion beschrieben werden, die Schadstoffe liegen linksschief lognormal verteilt vor. Das Gleiche trifft auf die Verteilung der Bodeneigenschaften und Schadstoffe in den einzelnen Substraten zu. Die Signifikanz der Merkmalsunterschiede zwischen den Substraten wurde mit nicht parametrischen statistischen Verfahren untersucht. Im letzten Teil der Arbeit wird auf Beziehungen zwischen Parametern innerhalb der Substrate eingegangen. Es wurden mittlere Verteilungen für PAK errechnet, um Substrat-spezifische PAK-Muster zu erkennen und versucht, anhand von PAK-Quotienten Kontaminationsquellen zu identifizieren („Parent Compound Analyse“). Korrelationen zwischen den Schwermetallen wurden mit nicht parametrischen Verfahren untersucht, um spezifische Schwermetallparagenesen zu erkennen. Die nachgewiesenen Zusammenhänge sind signifikant, aber nicht eng. Die Auswertung der Gutachtendaten erlaubt einen Überblick über die Belastungssituation urbaner Böden in Berlin. Die Bodenart-abhängigen Vorsorgewerte nach BBodSchG für Schwermetalle werden jeweils durch einen hohen Prozentsatz der Proben überschritten. Das in den Gutachten am häufigsten benannte Substrat „Bauschutt“ weist die höchsten Spannweiten für Schadstoffe und Bodeneigenschaften auf, was auf die Heterogenität dieses Substrates zurückgeführt werden muss. Die Ergebnisse eigener Laboruntersuchungen zu Schadstoffgehalten von Trümmerschutt, Schlacken sowie Aschen unterscheiden sich partiell von den Aussagen der statistischen Datenauswertung: die Ursache hierfür ist zum Einen in der Heterogenität der Substrate zu sehen, zum Anderen kann aber unkorrekte Substratzuordnungen nicht ausgeschlossen werden. Durch die eigenen Laboruntersuchungen und die Datenauswertung werden in erster Linie stoffliche Aspekte urbaner Böden behandelt – zukünftige Arbeiten sollten verstärkt physikalische Eigenschaften in den Mittelpunkt rücken, so dass großräumige Massenbilanzen und Stoffausträge für urbane Böden berechenbar werden.
Soils in the inner city of Berlin have been changed strongly in the course of settlement. Natural soils have been replaced by filling material to a large extent. This often entails contamination with heavy metals and organic pollutants as well as changed soil reaction, nutrients and sorption conditions. Firstly, this work shows the results of own investigations of properties of urban soils as well as the pollutant concentration in their leachate (part I; case studies). Secondly about 90.000 data sets from soil expertises of six district exchanges of Berlin were evaluated statistically (part II; data base). The research objective was to answer the following questions: - What are the contamination ranges of urban soils in Berlin and what are the most suitable distribution functions (Gaussian distribution, lognormal distribution, exponential distribution) for describing the contaminations? - Do significant differences exist between several substrates because of their contaminations? - What are the appropriate mathematic methods for verifying relationships between pollutants in substrates? - Do several substrates show characterizing patterns of pollutants? Laboratory investigations of building rubble distinguish this substrate as very low acidic to alkalescent (s1 – a2/ KA5) with a wide C/N-ratio of 18 – 80. The rubble was highly contaminated with PAH and heavy metals. We did not find any dependence of contamination height on the grain size or kind of technogenic compounds in the rubble samples. The slag- and ash-rich industrial waste was also characterized by partially considerable exceedance of prevention values of the Bundesbodenschutzgesetz. The kation exchange capacity of this material was heavily varying. Investigation of heavy metal availability in the industrial waste (method of Zeien & Brümmer 1989) showed no connection between height of contamination and amount of mobile fraction, nor was there any relation to the kind of substrate. Investigation of mixed substrates (industrial and residential waste, building rubble) revealed high PAH- and heavy metal contaminations in the substrates, as well as in the leachate of the investigated area. Desorption experiments with rainwater, ph 8-solution and bark-mulch-solution showed different behaviour of copper and lead. Based on the Desorption rates two case scenarios were calculated for copper dislocation to groundwater. For statistic analysis of ca. 90.000 data from soil expertises was developed a hierarchic data base. The distribution function of pollutants and soil properties were analyzed for the whole entity and also depending on type of substrate. The pH-value and electrical conductivity of the whole entity can be described by a Gaussian function. On the other hand pollutants are subjected to a left skewed lognormal distribution function. The same can be said about distribution functions in various substrates. The significance of differences between substrates were investigated with non parametric statistical methods. The last part of this work contains an correlation analyze between parameters inside of substrates, investigation of substrate dependent PAH-patterns and a try to identify PAH-sources on the hand of PAH-ratios (Parent Compound Analyse). For identifying specific heavy metal paragenesis within substrates (debris, building rubble, sand, blended sands and humic top soils) correlations between heavy metals were analyzed . Because of the lognormal distribution of the parameters non-parametric Spearmans rank correlation coefficient was utilized. The verified coherences were significant, but not close. The statistical analysis of data from soil expertises gives an overview of the contamination in urban soils of Berlin. A high percentage of measured values of heavy metals exceed the prevention values of the Bodenschutzgesetz. The most frequently mentioned substrate in expertises – building rubble – shows the widest ranges of pollutants and soil properties because of its heterogenicy. Results of own investigations of debris, slag and ashes differ partially from conclusions of statistic analysis. This can either be caused by the heterogenicy of substrates or by incorrect substrate declaration. Own laboratory investigations and data from soil expertises primarily discuss chemical aspects of urban soils. Future research should attract notice to physical properties of urban soils, so that spacious mass balances and leaching of pollutants can be predicted.
