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Anteile und zeitliche Verteilung von Oberflächenabfluss, Infiltration und Durchsickerung von Böschungen aus teilgesättigten Erddämmen infolge von Niederschlägen und Straßenabfluss sind bisher nur unzureichend bekannt. Für Straßenbauingenieure reicht das vorhandene Wissen über Wasser im Straßen-Erdbauwerk zur Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit aus. Für die hydrologische Beurteilung der Durchsickerung im Hinblick auf den Boden- und Grundwasserschutz ist der heutige Wissensstand jedoch nicht ausreichend. Ziel des Projektes ist es, einen dringend benötigten Beitrag zur wirtschaftlichen und umweltverträglichen Verwertung von Ersatzbaustoffen im Erdbau zu leisten und bisher fehlende Beurteilungsmaßstäbe für den Boden- und Grundwasserschutz für die straßenbauspezifischen Gegebenheiten zu liefern. Zur Erreichung des Forschungsziels wurden in der Lysimeteranlage in Augsburg, Derchinger Straße, in acht Becken Böschungen eingebaut, die jeweils einen Ausschnitt aus einer Straßenböschung einschließlich eines Bankettstreifens darstellen. Zur Simulation von belastetem Bodenmaterial wurden dem Böschungsmaterial Schadstoffe zu dotiert. Zusätzlich wurden technische Sicherungsmaßnahmen eingebaut. Ergänzend zu den hydraulischen Größen Niederschlag, Menge von Sickerwasser und Oberflächenabfluss der Lysimeter wurden auch Konzentrationen der zu dotierten Schadstoffe (Cadmium, Kupfer und Cyanid} und weitere Parameter im Sickerwasser der Lysimeter und im Straßenabfluss bestimmt. Das dargestellte Projekt wurde gemeinsam durch die Hochschule Augsburg und die BASt von 2010 bis 2013 durchgeführt. Ein Anschlussprojekt ist derzeit in Bearbeitung.
An acht stark verkehrsbelasteten Straßenstandorten mit pufferschwachen Sandböden wurden zwei Jahre lang mögliche Belastungen des Grundwassers durch Schwermetalle untersucht. Die Messergebnisse wurden anhand der Prüfwerte der Bodenschutzverordnung bewertet und die vom Sickerwasser mitgeführten Schwermetallfrachten berechnet. Es zeigte sich, dass in Fahrbahnnähe kaum hohe Schwermetallkonzentrationen in der Bodenlösung auftreten. Bei Entwässerung über das Bankett ist die Grundwasserneubildung unter sandigen Böden deutlich erhöht, auch wenn die versiegelte Fahrbahn einberechnet wird. Dies wird durch die schnelle Infiltration des Straßenabflusses verursacht. Dadurch werden trotz geringer Bodenlösungskonzentrationen an manchen Standorten in unmittelbarer Nähe der Fahrbahn hohe Schwermetallfrachten im Boden transportiert.
Es wird über drei Untersuchungen der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) informiert, die einen Überblick über die Gehalte verkehrsbürtiger Substanzen im Straßenseitenraum geben. Schwere, partikelförmige polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) aus Motoren, Fahrbahndecken und Fahrzeugreifen werden in den oberen Bodenschichten zurückgehalten. Es besteht keine Gefahr für die Gesundheit des Menschen. Dagegen tragen die leichtflüchtigen PAK zur allgemeinen Luftbelastung bei. Seit Anfang der 90er Jahre haben Mineralöl-Kohlenwasserstoffe im Pflanzenaufwuchs neben Straßen um 80 Prozent abgenommen.
Der Reifenabrieb ist eine der mengenmäßig größten Quellen für Staubemissionen des Straßenverkehrs. Das betrifft vor allem sedimentierbaren Staub, aber auch Feinstaub, diesen in sehr viel geringeren Mengen. Menge, Qualität und Herkunft der Stoffeinträge in den Straßenseitenraum sollten genauer bestimmt werden, um Ansätze für Minderungsmaßnahmen zu zeigen. Für die entstehende Menge an Reifenabrieb lagen verschiedene Schätzungen vor, über die Schadstoffgehalte gab es bisher nur wenige Informationen, insbesondere zu anderen Metallen als Zink. Es wurden aufgrund von Markenverteilung, Größen, Einsatzbereich und Zustand 65 Pkw-Reifen der Jahre 1980 bis 2003 ausgewählt. Die Gewinnung der Reifenproben erfolgte mit einer Reifenschälmaschine. In Anlehnung an eine Methode zum Aufschluss von Bitumen wurde von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) eine stark oxidierende rückstandsfreie Aufschlussmethode entwickelt. Die Elemente Al, As, Cr, Cu, Fe, Mo, Na, Ni, Pb, Sb, V und Zn wurden aus der Aufschlusslösung mittels Optischer ICP-Emissionsspektrometrie (ICP-ÖS) quantitativ bestimmt, Cd mit Graphitrohr-Atomabsorptionsspektrometrie (AAS). Die Massenanteile der Hauptkomponenten der Proben wurden mit einer thermogravimetrischen Analyse (TGA) nach DIN 51006 bestimmt. Die Auswertung ergibt, dass wie vermutet Zink in teilweise sehr hohen Konzentrationen eingesetzt wird, aber auch, dass Cadmium und Blei im Vergleich zum verbreiteten Elementverhältnis Cd/Zn und Pb/Zn in Reifenmaterial mit geringeren Anteilen vorkommen. Dementsprechend sind die hier erstmals ermittelten emittierten Cadmiumfrachten aus Reifenabrieb geringer als zu erwarten war. Kupfer- und Bleiemissionen aus Reifenmaterial wurden nach Literatur- und Herstellerangaben als problematisch eingeschätzt. Dies kann anhand der vorliegenden Messungen und Abschätzung der emittierten Mengen nicht bestätigt werden. Ebenso wurden keine bedenklichen Emissionen der anderen untersuchten Elemente gefunden. Der zeitliche Verlauf der Konzentrationen von Zink und Cadmium in den Reifenlaufflächen bildet mit einer seit den 1980er Jahren leicht sinkenden Tendenz die Bemühungen um geringere Zinkemissionen ab. Im Zeitverlauf sinkende Rußanteile und steigende Glührückstände zeichnen den zunehmenden Einsatz neuer Füllermaterialien wie Silica nach. Auf Basis der Gesamtabriebmenge von 111.420 Tonnen pro Jahr in Deutschland kann die Freisetzung von circa 1.530 Tonnen leichtflüchtiger Substanzen und 22.000 Tonnen flüchtiger Substanzen pro Jahr abgeschätzt werden. Den größten Massenanteil machen die Gummi- und Polymeranteile mit etwa 43.000 Tonnen und Ruß mit etwa 38.000 Tonnen aus. Die emittierte Metallmenge von 1.375 Tonnen pro Jahr besteht hauptsächlich aus Zink. Die hier abgeschätzte Zinkemission von 1.205 Tonnen pro Jahr und Cadmiumemission von 180 kg pro Jahr aus sedimentierbaren Stäuben basiert auf der ermittelten Reifenabriebmasse von 111.420 Tonnen pro Jahr. Diese Masse beinhaltet Lkw- und Pkw-Abrieb, dieser beträgt jedoch nur etwa die Hälfte. Die wenigen Angaben zur Zusammensetzung des Reifenabriebs von Lkw-Reifen lassen um 60 - 80 Prozent höhere Konzentrationen an Blei und Zink erwarten, sodass die Abschätzung an der Untergrenze der tatsächlichen Emissionen liegt. Die Rolle der Ruß- und Gummibestandteile der Abriebe als organischer Bestandteil der Straßenrandböden sollte näher untersucht werden. Es sollte vor dem Hintergrund der EU-Wasserrahmenrichtlinie geklärt werden, ob Bankette und straßennahe Böden sowie die im Straßenbauregelwerk vorgesehenen Entwässerungseinrichtungen auch für bisher wenig untersuchte Stoffe eine ausreichende Reinigungsfunktion haben.
Bankette dienen im Wesentlichen der Verkehrssicherheit und dem Schadstoffrückhalt. Sie müssen dauerhaft standfest sein, damit abkommende Fahrzeuge, insbesondere schwere Lkw, nicht einsinken und verunfallen. Zum Grundwasserschutz müssen sie aber auch die Schadstoffe aus dem Straßenabfluss, der im Bankett versickert, zurückhalten. Der Schadstoffrückhalt im Bankett erfolgt vorwiegend durch mechanische Filtration. Diese wird vor allem durch die sandigen und schluffigen Kornfraktionen im Bankettmaterial bewirkt. Ist ihr Anteil aber zu hoch, nehmen die Standfestigkeit und die Tragfähigkeit ab. Es gilt, diese gegenläufigen Anforderungen an die Zusammensetzung von Bankettmaterial zu optimieren. Die Untersuchungsansätze und erste Ergebnisse der dazu beauftragten Forschung werden im Beitrag vorgestellt. Mit den Feinpartikeln aus dem Straßenabfluss und der Vegetation "wachsen" Bankette im Laufe der Jahre auf. Damit der Straßenabfluss nicht behindert wird und Aquaplaning auftritt, müssen Bankette regelmäßig geschält werden. Das bei dieser Reprofilierung anfallende Bankettschälgut ist grundsätzlich als Abfall einzustufen. Die dadurch bedingten Einschränkungen bei der Verwendung oder Verwertung sind in der "Richtlinie zum Umgang mit Bankettschälgut" beschrieben. Die dort aufgezeigten Möglichkeiten werden vorgestellt. Wenn das Bankettschälgut nicht innerhalb des Straßenbauwerks verbleiben kann, sollte es im Sinne der Ressourcenschonung verwertet werden. Bankettschälgut besteht zu circa 90 Masse-Prozent aus mineralischen Bestandteilen, die wieder für Bauzwecke genutzt werden können, wenn es durch eine geeignete Aufbereitung gelingt, die überwiegend pflanzlichen Anteile (Mähgutreste und Wurzeln) deutlich zu reduzieren. Aus einer Forschungsarbeit zu Kosten und Nutzen der Aufbereitung von Bankettschälgut werden der derzeitige Stand dargestellt und Perspektiven für eine werterhaltende Nutzung von Bankettschälgut aufgezeigt.
Für acht Standorte an Bundesfernstraßen wurden Sickerwasserkonzentrationsprofile bestimmt, bewertet und die vom Sickerwasser mitgeführten Frachten verkehrsspezifischer Substanzen (Blei, Cadmium, Kupfer, Zink, Nickel, Chrom, 15 PAK (Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe) nach EPA und Naphtalin, MKW (Mineralölkohlenwasserstoffe), MTBE, Benzol) berechnet. Kernpunkt waren die Beprobung der Bodenlösung in vier Entfernungen vom Fahrbahnrand und zwei beziehungsweise drei Tiefen, sowie Messungen und Berechnungen zur Ermittlung des straßennahen Bodenwasserhaushaltes. Es schloss sich ein Vergleich des im Freiland untersuchten Schadstofftransportes im Boden mit Ergebnissen des Stofftransportmodells SISIM an mit folgenden Ergebnissen: Die Bodenfeststoffgehalte der Schwermetalle sind hoch und überschreiten vor allem in direkter Straßennähe häufig die Vorsorgewerte nach dem Bundesbodenschutzgesetz (BBodSchG). Die Maßnahmenwerte des BBodSchG für den Schadstoffübergang Boden-Nutzpflanze auf Grünlandflächen werden jedoch trotz der hohen Verkehrsbelastungen an keinem der Standorte und Bodenprofile erreicht. Die Lösungskonzentrationen der Schwermetalle sind auch auf sauren Sandböden an stark befahrenen Straßen als verhältnismäßig unproblematisch nach dem BBodSchG einzustufen. Die Belastung mit organischen Schadstoffen ist ebenfalls als unproblematisch anzusehen. Die Grundwasserneubildung neben der Straße wird bei sonst gleichen Standortbedingungen durch das über das Bankett abgeleitete Straßenablaufwasser erhöht. Da an allen BAB-Standorten und auch manchen untersuchten Bundesstraßen die Bodenkonzentrationen in 0 bis 10 cm Tiefe die Vorsorgewerte für Pb, Cd, Cu, Ni und Zn in Fahrbahnnähe überschreiten, wären nach der BBodSchV die Frachtgrenzwerte gültig. Laut Begründung zur BBodSchV müssen jedoch zum Beispiel bei Verkehrswegen bestimmte Schadstoffeinträge und -gehalte als unvermeidlich hingenommen werden, ohne dass eine Überschreitung von Vorsorgewerten entsprechende Minderungsmaßnahmen auslösen konnte. Der Vergleich der gemessenen Werte mit den durch SISIM modellierten Konzentrationen und Frachten zeigt keine sehr gute Übereinstimmung. Ursache ist vor allem, dass kontinuierlicher Stoffeintrag im Programm nicht ausreichend vorgegeben werden kann.
An klassifizierten Straßen in Deutschland fallen jährlich ungefähr 2 Millionen Tonnen Bankettschälgut an. Der Umgang mit diesem Material gestaltet sich schwierig, weil bisher anerkannte Maßstäbe zur Bewertung der Umwelteigenschaften fehlen. Die "Richtlinie zum Umgang mit Bankettschälgut" soll hier eine Hilfestellung geben. Der Beitrag stellt die aktuellen Erkenntnisse ueber die Eigenschaften von Bankettmaterial vor, die Grundlage für die Erarbeitung der Richtlinie waren. Außerdem werden die wichtigsten Regelungsinhalte der Richtlinie vorgestellt und erläutert.
Bei Verwendung von Ersatzbaustoffen für die Herstellung von Böschungen haben unter anderem die Sickerwassermengen und deren Verweildauer in den Baustoffen wesentlichen Einfluss auf die Menge der möglichen austragbaren Schadstoffe. Im "Merkblatt über Bauweisen für technische Sicherungsmaßnahmen beim Einsatz von Böden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Erdbau - M TS E" [FGSV 2009] der FGSV sind unterschiedliche Sicherungsmaßnahmen zur Reduzierung der Sickerwassermengen aufgeführt. Zur praxisnahen Bewertung der Prinzipien einiger dieser Maßnahmen wurden großmaßstäbliche Lysimeteruntersuchungen durchgeführt, um daran Sickerwasserraten und -mengen wie auch Schadstoffkonzentrationen zu quantifizieren. Dazu wurden in einer bereits bestehenden Lysimeteranlage in Augsburg (Derchinger Strasse) durch die BASt in acht Lysimeter der Ausschnitt einer Straßenböschung einschließlich eines etwa ein Meter breiten Bankettstreifens eingebaut. Diese werden seit Juli 2010 von der Hochschule Augsburg in Zusammenarbeit mit der BASt untersucht. Auf den Böschungen wurden unterschiedliche technische Sicherungsmaßnahmen eingesetzt. Zusätzlich wurden zum Vergleich auch Varianten ohne technische Sicherungsmaßnahme realisiert. Für den Aufbau der Böschungskerne wurde für vier Lysimeter feinkörniges (schwach durchlässiges) und für die anderen vier grobkörniges (durchlässiges) Bodenmaterial ausgewählt und mit Schadstoffen (Cadmiumacetat, Kaliumferrocyanid und Kupfersulfat) dotiert. Gemessen wurden die Sickerwasser- und Oberflächenabflussmengen, die Menge des Straßenabflusses und der Niederschlag an der Versuchsanlage sowie in jedem Lysimeter die volumetrische Feuchte, Temperatur und Salinität an jeweils zwei Punkten der eingebauten Böschungskörper. Ergänzend zu den hydraulischen Größen (Niederschlag, Menge von Sickerwasser und Oberflächenabfluss der Lysimeter), wurden Konzentrationen der zudotierten Schadstoffe und weiterer Parameter im Sickerwasser der Lysimeter und im Straßenabfluss bestimmt, die für den Einsatz von Ersatzbaustoffen (z.B. RC-Baustoffe und industrielle Nebenprodukte) und für die Straßenentwässerungsplanung relevant sein können. Dabei handelte es sich um Chlorid, Sulfat, Cyanid (ges.), Arsen, Blei, Cadmium, Chrom (ges.), Kupfer, Nickel, Quecksilber, Zink, Thallium, Molybdän, Antimon und Vanadium sowie pH-Wert, Temperatur und elektrische Leitfähigkeit. Das Sickerwasser und der Straßenabfluss wurden als Mischprobe gesammelt und regelmäßig analysiert. Qualitativ konnte für den Untersuchungszeitraum von September 2010 bis März 2013 festgestellt werden: - Die Auswahl des Dammbaustoffes hat den wesentlichen Einfluss auf den Anteil des Sickerwassers. Dieser betrug, bezogen auf die gesamte erfasste Wassermenge, bei den Becken mit bindigem Boden zwischen 4% und 16%, bei den Becken mit kiesigem Boden zwischen 45 % und 71 %. - Beim kiesigen Boden konnte gezeigt werden, dass ein hoher Anteil des Wassers bereits im Bankett versickert. - Eine Bitumenanspritzung als technische Sicherungsmaßnahme bewirkt bei beiden Bodenarten keine Verminderung des Sickerwasseranteils. - Die Möglichkeit einer gut wasserleitenden Schicht zeigte die größte Reduzierung der Sickerwassermengen. Sie wurde auf den Böschungen mit bindigem Boden im Böschungskern eingesetzt. Hinsichtlich der chemischen Parameter konnte im Untersuchungszeitraum (Juli 2010 bis November 2013) im Ergebnis festgestellt werden: - Die während des Messzeitraumes aus jedem Lysimeter ausgetragenen Stoffmengen sind relativ gering. Dies gilt auch für gut lösbare Stoffe wie Cyanid. - Hohe Chloridkonzentrationen im Sickerwasser haben eine mobilisierende Wirkung auf mehrere Schwermetalle. - Die ungleichmäßige Verteilung der Zuflüsse zu den Lysimetern hat auch auf die im Versuchszeitraum angefallenen Frachten wesentlichen Einfluss. Die Ergebnisse der Frachtermittlung zeigen - wie auch die gemessenen Konzentrationen - deutlicher den Unterschied zwischen den beiden eingebauten Böden als zwischen den realisierten technischen Sicherungsmaßnahmen. - Die mittleren Konzentrationen im Sickerwasser der Lysimeter ähneln sich bei gleichem eingebautem Boden sehr stark. Damit paust sich die Qualität des Zulaufes direkt auf die Frachtberechnung durch und diese erlaubt keine endgültigen Schlüsse auf die Wirkung der technischen Sicherungsmaßnahmen. Die Verringerung der die Böschung durchsickernden Wasseremenge bewirkt jedoch eine entsprechende Verringerung der ausgetragenen Stoffmenge. Es ist seitens der BASt ein Folgeprojekt geplant, um bisher noch offene Fragen mit Bezug zum Wasserhaushalt der Lysimeter zu beantworten.
Zur Ermittlung und Beurteilung der Schadstoffeinträge in Bankett, Straßenböschungen, Böden und Entwässerungseinrichtungen werden an drei Autobahnstandorten Staubniederschlag und Straßenabflusswasser untersucht. Die Messungen wurden 2005 begonnen. Die bisherigen Messergebnisse sind in der Schriftenreihe der BASt erschienen (KOCHER 2006, 2007). Im vorliegenden Bericht werden die Messergebnisse aus dem Zeitraum 2008-2009 vorgestellt und eine Übersicht über den gesamten bisherigen Messzeitraum gegeben. An Staubniederschlägen und Konzentrationen im Straßenabfluss scheint für den aktuellen Messzeitraum, aber vor allem auch bei Betrachtung aller bisher genommenen Proben zwischen Februar 2005 und Dezember 2009 eine sinkende Tendenz der Metalleinträge feststellbar. Mögliche Einflussfaktoren außer einer straßenverkehrsbedingten Änderung der Einträge sind beim Staubniederschlag der zweimalige Wechsel des Gefäßtyps (09/2008 von 1.5L-Glasgefäßen zu 1.5L-PE-Gefäßen, 04/2009 zu 2.5L-Glasgfäßen), das regelmäßige Mähen der Aufstellflächen mit einem benzinbetriebenen Freischneider ab 05/2008 (siehe auch Methodenkapitel) sowie niedrigere Bestimmungsgrenzen für viele Parameter ab 02/2009. Diese Faktoren zusammengenommen lassen Änderungen der mittleren Fracht im Staubniederschlag, die nicht straßenverkehrsbedingt sind, wenn, dann nur in den bodennahen Gefäßen erwarten. Diese Erwartung lässt sich bei Betrachtung der Zeitreihen der Messergebnisse nicht bestätigen. Sowohl in den bodennahen Sammlern als auch in den Sammlern in 1.5 m Höhe ist an allen Standorten für Blei eine sehr deutliche und für Cadmium eine deutliche Abnahme zu erkennen. Die Änderungen der mittleren Fracht scheinen also nicht methodenbedingt, sondern durch den Straßenverkehr bzw. durch veränderte Emissionen bedingt zu sein. Bei Cobalt, Eisen, teilweise auch Kupfer, Molybdän, Nickel, Vanadium und Zink ist bei den meisten Messtellen sowohl bodennah als auch in 1.5 m Höhe ebenfalls eine, wenn auch schwächere Abnahme der Frachten über den bisher untersuchten Zeitraum zu erkennen. Das betrifft alle untersuchten Entfernungen, auch die Hintergrundmesspunkte in bis zu 130 m Entfernung vom Fahrbahnrand. Keines der untersuchten Elemente zeigt eine Zunahme. Der an den untersuchten BAB zu beobachtende Trend zu niedrigeren Metalleinträgen geht parallel zur Entwicklung in urbanen Räumen. Die in der vorliegenden Untersuchung in 1.5 m Höhe gemessenen Werte liegen nicht immer unterhalb der Immissionswerte der TA Luft. Überschreitungen treten für Staubniederschlag an den fahrbahnnächsten Messpunkten bis in 2.5 oder maximal 5 m Entfernung vom Fahrbahnrand und an einem im Wald gelegenen Referenzmesspunkt in 50 m Entfernung auf. Die Immissionswerte für Cadmium und Blei werden an keinem Messpunkt überschritten. Der Immissionswert für Nickel wird im Bereich bis 10 m Entfernung von der Fahrbahn häufig überschritten. In den Proben von Straßenabflusswasser an der A 555 und A 61 überschreiten nur die Mittelwerte der gelösten Gehalte von Kupfer und Zink die Geringfügigkeitsschwellenwerte für das Grundwasser der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA 2004). Die Umweltqualitätsnormen der Wasserrahmenrichtlinie der EU für Blei, Cadmium und Nickel werden nicht überschritten, ebenso werden die Prüfwerte für Sickerwasser der BBodSchV (BMU 1999) nicht erreicht. Die meisten Metalle liegen weit überwiegend als Feststoff im Straßenabfluss vor. Eine Ausnahme hiervon stellt Cadmium dar, von dem mehr als 30 % des Anteils in gelöster Form vorliegt. Daher ist der Reinigungsleistung von Absetzbecken bezüglich Cadmium eine Grenze gesetzt, wenn nur die Absetzwirkung alleine berücksichtigt wird. Auch bei Molybdän und Zink liegen größre Anteile in löslicher Form vor (ca. 26 % bzw. 16 %). Anhand des vollständigen bisher vorliegenden Datensatzes wurden Umrechnungsfaktoren bestimmt, mit denen der Eintrag aus Staubniederschlag in 1.5 m Höhe multipliziert werden kann, um den bodennahen Eintrag abzuschätzen. Sie betragen für 1 m Entfernung 7.5, für > 2 m bei freier Ausbreitung 2.5 und bei Lage der Straße nahe Lärmschutzwänden und Wald 1.5, und gelten sowohl für den Staubniederschlag als auch für die untersuchten Metalle. Es ist vorgesehen, die Messungen sowohl bodennah als auch in 1.5 m Höhe fortzusetzen und die Umrechnungsfaktoren anhand der Ergebnisse des nächsten Messzeitraumes zu validieren.