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Modellierung, Analyse und Bewertung des chemischen Gewässerzustandes in Flussgebieten Der Schwerpunkt der chemischen Belastungen von Oberflächengewässern durch Abwasseremissionen verlagert sich in jüngerer Zeit, durch die Ertüchtigung der Abwasserreinigungsanlagen, von biologisch leicht abbaubaren organischen Substanzen hin zu Mikroverunreinigungen. Die Expositionsanalyse von Gewässersystemen gegen xenobiotische Substanzen mit dem Ziel einer Steuerung der Belastungen rückt immer mehr in den Vordergrund des Interesses (EG 2000, EG 2001). Am Beispiel des nordrhein-westfälischen Rheineinzugsgebiets wird in der vorliegenden Arbeit eine Analyse und Bewertung des chemischen Gewässerzustandes durch georeferenzierte Modellierung von Flussgebieten durchgeführt. Eingesetzt wird das Modellsystem GREAT-ER (Georeferenced Regional Exposure Assessment Tool for European Rivers). Der methodische Teil der Arbeit beschreibt die Kalibrierung des Modellsystems für das Einzugsgebiet des Rheins in Nordrhein-Westfalen. Weiter werden die für die Modellierung notwendigen Eingangsparameter verschiedener beispielhafter Substanzen aus verschiedenen Quellen hergeleitet. In den Anwendungsstudien werden Simulationsergebnisse für die Stoffe Bor, EDTA, HHCB, und Diclofenac sowie Diuron und Ammoniumstickstoff dargestellt und mit Messwerten der Gewässerkonzentrationen verglichen. Die Emissionsmengen für Bor und EDTA aus dem Gebrauch im Haushalt sind gut quantifizierbar. Beide Substanzen verhalten sich in den Gewässern konservativ und konnten deshalb für die Kalibrierung des Modellsystems genutzt werden. HHCB und Diclofenac sind Substanzen, die typischerweise über Haushaltsabwässer in die Gewässer gelangen, aus diesen jedoch gut eliminiert werden. Das Pestizid Diuron gelangt mit dem Oberflächenabfluss von versiegelten Flächen in das Abwasser und die Gewässer. Die Elimination aus den Gewässern ist gering. In der Arbeit wird eine Quantifizierung der Emissionsmengen auf Basis der versiegelten Flächen durchgeführt und damit eine räumliche Zuordnung der Eintragsmengen erreicht. Mit Ammoniumstickstoff wird schließlich die Gewässerexposition einer Substanz berechnet, die auch über diffuse Quellen in die Gewässer gelangt. Grundannahme ist hier, dass die Frachten aus Punktquellen die diffusen Einträge überlagern. In Abhängigkeit von der jeweiligen Substanz und Lage der Messstellen zeigen die Ergebnisse sowohl gute Übereinstimmung als auch stellenweise große Abweichungen zu den gemessenen Substanzkonzentrationen in den Gewässern. Für die auftretenden Abweichungen ergeben sich Erklärungsansätze, aber auch weiterer Untersuchungsbedarf wird deutlich. Die Ergebnisse der Arbeit belegen, dass das mit GREAT-ER entwickelte Werkzeug zur georeferenzierten Modellierung von Substanzkonzentrationen in Gewässern auf dem Gebiet der zeitlichen und räumlichen Analyse von realen Messwerten und im Rahmen eines Immissions- und Belastungsmanagements einsetzbar ist. Es können aus den Umgebungsparametern begründete Hypothesen zu lokalen Substanzkonzentrationen in Gewässern entwickelt werden, deren Informationsgehalt gegenüber Messung und generischer Modellierung höher ist.

Modelling and evaluating the aquatic fate of detergents - Abstract Within this thesis an environmental assessment and evaluation method for analysing aquatic ecotoxicological impacts of household laundry is developed. The methodology allows comparative assessments of different product alternatives, washing habits, and wastewater treatment techniques in order to identify their relevance with respect to waterborne discharges. Elements from both analytical tools Life Cycle Assessment (LCA) and Environmental Risk Assessment of chemicals (ERA) are combined in this methodology. The core consists of the Geography-referenced Regional Exposure Assessment Tool for European Rivers (GREAT-ER), which calculates concentrations of `down-the-drain' chemicals in surface waters due to point releases. In order to simulate the aquatic fate of detergents, a new GREAT-ER emission model is developed, called GREAT-ER product mode, which calculates calculates concentration increases of detergent ingredients in surface waters based on product formulations and assumptions concerning washing habits. Two evaluation methods, the Critical Length (CL) and the Product Risk Ratio (PRRx), are defined for evaluating the results. CL is the sum of mean concentration increases, divided by substance-specific no effect concentrations (NECs), over all river stretches and all ingredients weighted by the lengths of the stretches. PRRx is the (percentual) number of river stretches in a region, in which the x-percentiles of the predicted concentration increases of at least one ingredient exceed a substance-specific NEC. The emission model requires input data that can be derived from the functional unit of an LCA, which allows an assessment of other impact categories by using any existing LCA method. The methodology is applied to a case study which is based on scenarios given in the comprehensive product assessment `Washing and washing agents' (`Produktlinienanalyse', PLA). In order to apply the GREAT-ER product mode, the Rur river basin in Western North-Rhine Westphalia is chosen as study area. The catchment integration includes the development of a simple hydrological model that combines a nonlinear regression analysis with a local refinement procedure. The quality of the integration of the Rur catchment data is analysed by a comparison of monitoring data and predicted concentrations of detergent and cleaning agent ingredients using actual consumption data of the two years 1993 and 2000. The product mode results show that use habits have a larger influence on the results than product formulations. However, the largest influence is caused by varying wastewater treatment techniques. Boron and the surfactants are the most relevant detergent ingredients. Furthermore, using different detergents for white and coloured laundry lowers the predicted emissions significantly. Based on this methodology, sustainable development indicators (SDIs) for describing the aquatic aspects of household laundry are defined. CL is proposed as pressure indicator and PRRx as state indicator for describing aquatic aspects of the sustainability of household laundry in a region. Different regions can be compared by normalising the CL by the region's population and expressing the PRRx as a percentage of stretches in a region. Annually evaluating regional CLs and PRRxs allows the assessment whether a region is moving towards a more sustainable state. Concluding, the new method analyses and evaluates the environmental fate of detergents discharged after use via the wastewater pathway. It provides information not obtainable by other existing methods, which has been made possible due to the focussing on a specific application, for which the method is developed. Its application in the context of sustainable development offers a means to evaluate environmental implications of this important human activity.

The Wadden Sea off the coast of the southern North Sea is the largest coherent area of tidal flats worldwide. As a highly productive ecosystem it is of global importance, e.g. as nursery for fish and as a feeding and resting area for 10 – 12 million migratory birds following the East Atlantic Flyway. The outstanding ecological significance of this region corresponds to a high level of protection by EU directives and national law and by inscription as UNESCO World Heritage Site, all of which requires regular monitoring and assessment. Apart from the ecological aspects, the Wadden Sea is also of great importance for coastal protection. To survey the extensive, often inaccessible tidal area, remote sensing is essential and while mainly airborne techniques have been carried out for decades, now high-resolution satellite-borne sensors open up new possibilities relevant for monitoring and long-term ecological research. Especially satellite synthetic aperture radar (SAR) sensors offer a high availability of acquisitions as they operate largely independently of daylight and weather. The aim of the studies presented here was to explore the use of data from the TerraSAR-X satellite to record geomorphological structures and habitats for Wadden Sea Monitoring. More than 100 TerraSAR-X acquisitions from 2009 to 2016 were analyzed to distinguish various and variable surface types continuously influenced by tidal dynamics in the main study area, the tidal flats near the island of Norderney. Visual image interpretation supported by extensive in-situ verification proved to be a suitable and unsophisticated approach which is unspecific enough to identify mussel beds, fields of shell-detritus, gully structures, mud fields, and intertidal bedforms in the upper flats of the East Frisian Islands. The method proved to be robust against changes in geometry of acquisition and environmental influences. Several time series of TerraSAR-X data enabled to follow inter-annual and seasonal dynamics as well as event effects (Adolph et al. 2018). The high-frequency TerraSAR-X data revealed novel evidence of an intertidal bedform shift in an easterly direction during the study period. To this aim, an unsupervised ISODATA classification of textural parameters was developed to vectorize and compare the bedforms positions in a GIS (Adolph et al. 2017a). The same intertidal bedform area was chosen as test-site for comparison of different remote sensing methods, namely airborne lidar, satellite-based radar (TerraSAR-X) and electro-optical sensors (RapidEye) (Adolph et al. 2017b). High-resolution SAR data offer a relevant component for Wadden Sea Monitoring and Research, as they provide reliable, regular data with a high repetition rate. In particular, habitats with noticeable surface roughness, specific structures and textures are well reflected. Geomorphic Structures and their dynamics can be observed indirectly via detection of residual water trapped within. A comprehensive concept for Wadden Sea Monitoring however, requires automatized classifications and an integrative, multi-sensor approach (SAR, LIDAR, multi-spectral data, drones) in which different and complementary information, coverage and resolutions (spatial and temporal) contribute to an overall picture. The studies were carried out as part of the joint research project “Scientific monitoring concepts for the German Bight” (WIMO), jointly funded by the Ministry of Environment, Energy and Climate Protection (NMU) and the Ministry of Science and Culture (NMWK) of the Federal State of Lower Saxony. The findings have been published in Geo-Marine Letters 37/2 (2017) and in Remote Sensing 10/7 (2018).

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, welche Aspekte auf die Infrastrukturentwicklung im Abwasserbereich und insbesondere die Verbreitung alternativer Technologien auf Haushaltsebene Einfluss nehmen. Dabei werden technische, ökologische, ökonomische und soziale Wechselwirkungen zwischen der dezentralen und der zentralen Entsorgung berücksichtigt. Der Fokus liegt dabei auf dem ländlichen Raum der neuen Bundesländer. Es wird ein Simulationsmodell entwickelt, das das Verständnis über die Relevanz von Unsicherheiten in der Abwasserbeseitigung verbessern und eine Bewertung möglicher Maßnahmen hinsichtlich der Wirkung auf Gewässerschutz und Wirtschaftlichkeit erlauben soll. Zu diesem Zweck werden verschiedene Szenarien analysiert. Es zeigt sich zum einen, dass eine Verringerung der Ablauffrachten aus dezentralen Anlagen durch eine Reihe von Maßnahmen möglich ist, die in Abhängigkeit von den Rahmenbedingungen (Einsparpotenziale, Eigenkapitalausstattung, Umweltbewusstsein etc.) unterschiedlich wirken und daher auch situationsabhängig einzusetzen sind. Dazu gehören etwa die Entwicklung von Förderinstrumenten und Finanzierungsmodellen, ökologische Kampagnen, die Bekanntmachung von Investitionstätigkeiten, die frühzeitige Information über rechtliche Veränderungen und der gezielte Einsatz von Sanierungsanordnungen. Zum anderen können bei der zentralen Entsorgung gerade im ländlichen Raum Auslastungs- und Finanzierungsprobleme entstehen, die den weiteren Ausbau der zentralen Infrastruktur gefährden. Die Szenarien zeigen, dass daher bei der Infrastrukturplanung Unsicherheiten der Bevölkerungsentwicklung und insbesondere des spezifischen Abwasseranfalls berücksichtigt werden müssen. Eine zentrale Entsorgung ist im ländlichen Raum zu sozialverträglichen Gebühren nur unter erheblichem Fördermitteleinsatz möglich. Wichtigste Maßnahme zur Abschwächung der positiven Rückkopplung aus steigenden Gebühren und sinkendem Abwasseranfall ist die Erhebung von Grundgebühren.

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