Überlegungen für ein Stoffspezifisches Bewertungsschema für das Verhalten von wassergefährdenden Stoffen im Untergrund

Ausschuß "Verhalten von wassergefährdenden Stoffen"
des Beirats "Lagerung und Transport wassergefährdender Stoffe" (LTwS)
beim Bundesminister für Umwelt und Reaktorsicherheit

LTwS Nr. 25 Umweltbundesamt 12/1991

Vorwort

Ein anlagenbezogenes Sicherheitskonzept in Abhängigkeit des von Stoffen ausgehenden Gefährdungspotentials ist ein wesentliches Element zur konsequenten Verhinderung des unkontrollierten Stoffüberganges aus technischen Systemen.

Um solche unkontrollierten Stoffübergänge zu verhindern, müssen die Anlagen nach § 19g des Wasserhaushaltsgesetzes dem Besorgnisgrundsatz genügen. Dies wird u.a. in den Anforderungskatalogen der Länderarbeitsgemeinschaft Wasser berücksichtigt. Für die stoffspezifische Bewertung liegt mit der Klassifizierung der Stoffe in Wassergefährdungsklassen (WGK) ein in die Praxis eingeführtes Bewertungssystem vor [1].

Die nachfolgend aufgezeigten Überlegungen zum stoffspezifischen Bewertungsschema für das Verhalten von Stoffen im Untergrund zur Abschätzung des generellen Verhaltensmusters von Stoffen bei ihrer Migration im Untergrund sind ein weiteres Kriterium, das zur Abschätzung des Gefährdungspotentials herangezogen werden kann.

Sie haben keinen "Rechtscharakter" und sollen auch nicht die Vorgehensweise bei der Ermittlung von Wassergefährdungsklassen ersetzen. Sie sind dazu geeignet, weitere Informationen für die Einstufung der Stoffe in die Wassergefährdungsklassen zu liefern und insbesondere für Schadensfälle und Altlasten das Ausbreitungsverhalten von Stoffen im Untergrund im Grundsatz zu bewerten.

1. Zielsetzung

Der Umgang mit wassergefährdenden Stoffen stellt im Hinblick auf den Grundwasserschutz einen bedeutenden Bereich in der Gewässerschutzpolitik dar, auf den konsequent das Vorsorgeprinzip anzuwenden ist. Er befaßt sich nach der 5. Novelle zum Wasserhaushaltsgesetz (§ 19g WHG) von 1986 mit dem Lagern, Abfüllen, Umschlagen, Herstellen, Behandeln und Verwenden von wassergefährdenden Stoffen sowie der Beförderungen in werksinternen Rohrleitungsanlagen. Aus diesem Bereich des anlagenbezogenen Umgangs mit wassergefährdenden Stoffen sind zunehmend erhebliche Kontaminationen des Bodens und des Grundwassers bekannt geworden, so daß gerade dem präventiven Grundwasser- und Bodenschutz besondere Aufmerksamkeit zu widmen ist.

Vor dem Hintergrund des Umgangs mit wassergefährdenden Stoffen bedarf es eines vom Gefährdungspotential der Stoffe ausgehenden adäquaten anlagenbezogenen Sicherheitskonzeptes. Dieses Konzept (Abb. 1) gliedert sich in zwei Komponenten:

• die Einschätzung des vom Stoff ausgehenden Gefährdungspotentials und
• das anlagenbezogene Sicherheitskonzept.

Es trägt dem in § 4 Abs. 2 WHG verankerten Besorgnisgrundsatz Rechnung und berücksichtigt den Grundsatz der Verhältnismäßigkeit [4, 5], denn die Besorgnis einer Boden- oder Gewässerverunreinigung hängt im Einzelfall von der Wahrscheinlichkeit eines Schadens an der Anlage und den möglichen. Folgewirkungen ab. Die aus dem Gefährdungspotential abzuleitende Besorgnis ist um so größer, je wahrscheinlicher der Schadenseintritt und je schwerwiegender die Folge ist. Daraus lassen sich differenzierte anlagenbezogene Anforderungen ableiten.

Die Begründung für eine detaillierte Standortcharakterisierung findet sich in den Anforderungskatalogen der Länder zum Lagern sowie zum Abfüllen und Umschlagen wassergefährdender Stoffe. Die danach vorzunehmende Gefahrenanalyse macht eine Untersuchung der hydrogeologischen Beschaffenheit des Aufstellungsortes und seines Untergrundes erforderlich, um daraus besondere Schutzmaßnahmen und Schutzanforderungen ableiten zu können.

Die nachfolgenden Ausführungen berücksichtigen Situationen, in denen aus punktförmigen Quellen relativ große Frachten an Schadstoffen freigesetzt werden können. Darunter fallen alle Anlagen zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen als auch Altablagerungen und kontaminierte Betriebsflächen. Flächenhafte Kontaminationen z.B. aus der Anwendung von Pflanzenschutzmitteln oder infolge der weiträumigen Luftverfrachtung von Schadstoffen werden hiermit nicht erfaßt.

2. Aufgabenstellung

In dem gesamten Verfahren zur Abschätzung des Gefährdungspotentials ist das Feld "Ermittlung des stoffspezifischen Wirkungspotentials" (Abb. 1) standardisiert und bereits in die Praxis eingeführt. Das stoffspezifische Gefährdungspotential (SG) wird in Form der Wassergefährdungsklassen (WGK) durch die "Kommission Bewertung wassergefährdender Stoffe" (KBwS) des BMU-Beirates LTwS bestimmt [2].

In der vorliegenden Ausarbeitung wird ein Schema zur Klassifizierung des stoffspezifischen Migrationsverhaltens im Untergrund (MV) beschrieben (Abb. 1). Es orientiert sich nur an den physikalisch-chemischen Eigenschaften eines Stoffes, die für das Verhalten im Untergrund maßgeblich sind. Dem hier dargelegten stoffspezifischen Bewertungsschema für das Migrationsverhalten sind folgende Prämissen vorauszuschicken:

• Unfälle beim Umgang mit wassergefährdenden Stoffen haben in der Regel punktförmige Kontaminationen zur Folge. Das Bewertungssystem beschränkt sich daher auf die Ausbreitung im Untergrund, die von solchen Quellen ausgeht. Die Bewertung orientiert sich in erster Linie an der Migrationsfähigkeit von Stoffen.
• Das Migrationsverhalten eines Stoffes im Untergrund ist von einer Vielzahl von Einflußgrößen abhängig. Das Hauptproblem bei der Erstellung eines Bewertungsschemas liegt daher auch in dem Gegensatz zwischen komplexem Verhalten von Stoffen einerseits und der Notwendigkeit eines einfachen, anwendbaren Bewertungsmodells andererseits. Viele Prozesse, die das Verhalten im Untergrund mitbestimmen, aber quantitativ von untergeordneter Bedeutung sind, müssen im Hinblick auf die Anforderungen eines generellen Verhaltensmusters vernachlässigt werden. Die Zielvorstellung eines stoffspezifischen Bewertungsmodells liegt in der Zusammenfassung von Einflußgrößen auf wenige dominante Parameter. Wegen dieser Vereinfachung muß die Möglichkeit offengehalten werden, im begründeten Einzelfall durch einen zusätzlichen Parameter das Ergebnis des Bewertungsschemas zu modifizieren.
• Von punktförmigen Verschmutzungsquellen geht in Abhängigkeit von der Menge eine relativ hohe Fracht aus. Wechselwirkungen der zu bewertenden Stoffe mit der Untergrundmatrix nehmen hier einen anderen Stellenwert ein als bei flächenhaften Kontaminationen. Das Selbstreinigungsvermögen des Untergrundes, insbesondere der biotische und chemische Abbau und die Sorptionswirkungen, werden hier vernachlässigt.
• Die Klassifizierung kann nur einen Rahmen darstellen zur Erfassung des generellen Verhaltensmusters. Deshalb wurde ein pragmatischer Ansatz erarbeitet. Die Ergebnisse stellen eine Informationsquelle unter vielen anderen dar und entheben nicht davon, Ermessensspielräume sowie vertiefte Überlegungen im Einzelfall auszuschöpfen. Im Einzelfall kann deshalb bei Vorliegen konkreter Information durchaus begründet abgewichen werden. Dadurch wird das Bewertungskonzept nicht hinfällig.

Die Darstellung des stoffspezifischen Bewertungsmodells beginnt mit der Betrachtung der möglichen Expositionen, um zu klären, welche Stoffe einer Bewertung unterliegen. Aus der anschließenden generalisierten Migrationsklassifizierung lassen sich wesentliche Ansätze zur Parameterauswahl und Gliederung einer Verhaltensbewertung ableiten und ein aus drei Abschnitten bestehendes Bewertungsmodell entwickeln.

3. Vorbetrachtung zur problemangepaßten Exposition

Die Bestimmung der problemangepaßten Exposition ist die Voraussetzung zur Untersuchung des Migrationsverhaltens eines Stoffes im Untergrund. Wird ein Stoff freigesetzt, so gilt es, zuerst die Frage zu klären, welchen Umweltkompartimenten er sich zuordnen läßt (Abb. 2).

Von besonderer Bedeutung ist der Aggregatzustand eines freigesetzten Stoffes. Gasförmige Stoffe können bei Unfällen unkontrolliert entweichen. Das erste Entscheidungskriterium für die Verhaltensbewertung ist die Dichte des Gases. Stoffe, die leichter als Luft sind, entweichen der Kontaminationsstelle, ohne mit dem Boden in länger anhaltenden Kontakt zu geraten. Gase, die spezifisch schwerer als Luft sind, können insbesondere bei ruhigen Windverhältnissen mit dem Boden in Berührung kommen. Sie breiten sich auf der Bodenoberfläche aus. Dabei können sie durch die Vegetation aufgenommen werden, vom Boden absorbiert werden, aber auch in die lufterfüllten Poren diffundieren und mit dem Bodenwasser eine Lösung bilden [3].

Das Entscheidungskriterium für feste Stoffe ist deren Wasserlöslichkeit. Bei gering wasserlöslichen Stoffen erfolgt lediglich ein der Schwerkraft folgender vertikaler Transport. Die Teilchengröße in Abhängigkeit vom Porenspektrum des Oberbodens entscheidet über die Tiefe des Eintrags. Sind die Partikel kleiner als der Durchmesser der Leitbahnen, so kann ein abwärts gerichteter Transport durch perkulierendes Wasser bis zur Verengung des Porensystems erfolgen [6]. Beispielsweise konnten Kontaminationen von Dioxinen bis zu einer Bodentiefe von 60 cm nachgewiesen werden [7].

Bei großer Wasserlöslichkeit kann der Feststoff in den Untergrund eingewaschen werden. Da die physikalisch-chemischen Größen der sich bildenden Lösung etwa denen des Wassers entsprechen, erfolgt eine Migration nach den Regeln des Bodenwasserhaushaltes [3].

Bei der Freisetzung flüssiger Stoffe ist in jedem Fall ein Eindringen in den Boden anzunehmen und eine Bewertung des Migrationsverhaltens vorzunehmen. Selbst bei leicht flüchtigen Flüssigkeiten ist neben der Ausbreitung des Gases auch die Migration der Restflüssigkeit im Untergrund zu bewerten.

4. Generalisiertes Flußschema zur Migrationsklassifizierung

Grundlage eines stoffspezifischen Bewertungsschemas ist die Klassifizierung der möglichen Migration im Untergrund. Das Migrationsverhalten ist von einer großen Anzahl von Einzelfaktoren abhängig. Der Transport und der Verbleib von Stoffen läßt sich jedoch anhand von bekannten Stoffkonstanten und Verteilungs- bzw. Wechselwirkungsparametern approximieren [3]. Ein generalisiertes Flußschema, dessen Aufbau die für die Migration wesentliche Zonierung des Untergrundes spiegelt, läßt sich in 12 Stufen untergliedern (Abb. 3):

1. Die Unterscheidung von wassergefährdenden Stoffen bezüglich ihrer Wassermischbarkeit stellt einen den Migrationsvorgang entscheidend bestimmenden Schritt dar.
2. In der ungesättigten Bodenzone ist die Zeitdauer des Versickerungsvorgangs von Bedeutung, die von der Viskosität des Stoffes abhängig ist; im Extremfall kann der Stoff festgesetzt werden. In der ungesättigten Zone tritt beim Sickervorgang neben der nicht mischbaren Flüssigkeit auch die Porenluft als Fluid in Erscheinung. Der theoretisch stattfindende Mehrphasenfluß ist für die Grundwasserpraxis nur von geringer Bedeutung, da das Wasser meist in irreduzibler Verteilung vorhanden ist und einsickernde, nicht mischbare Flüssigkeiten die Luft relativ leicht verdrängen können.
3. Ein zurückgehaltener oder versickernder Stoff kann je nach Flüchtigkeit ein Gasvolumen ausbilden, die je nach Gasdichte zur Bodenoberfläche aufsteigt oder zum Kapillarsaum absinkt.
4. Vor dem Eintritt in die gesättigte Bodenzone müssen Stoffe, die mit Wasser nicht mischbar sind, im Hinblick auf ihre relative Dichte zu Wasser unterschieden werden.
5. Beide Gruppen von Stoffen bewegen sich in der gesättigten Zone nach dem Mechanismus des Zwei- bzw. Mehrphasenflusses. Dabei ist ein gemeinsames Fließen von Wasser und Stoff nur innerhalb bestimmter Sättigungsgrenzen möglich.
6. Der Fluß eines Stoffes, der schwerer als Wasser ist, wird bereits bei Berührung in der Regel mit dem Kapillarsaum gehemmt. In der Sättigungszone beginnt der Stoff erst beim lokalen Überschreiten der Residualsättigung in Phase zu sinken.
7. Auf der Sohle des Grundwasserleiters breitet der Stoff sich in Form von Pfützen und Lachen aus. Da das Relief der Sohle meist unbekannt ist, sind auch über die weitere Ausbreitung keine Angaben möglich. Allerdings kann ein abgesunkener Stoff durch Undichtigkeiten der Sohle in tiefere Grundwasserstockwerke gelangen.
8. Für einen Stoff, der leichter als Wasser und in Wasser schwer bzw. unlöslich ist, bildet die Grundwasseroberfläche eine natürliche Stauschicht.
9. Der weitere horizontale Transport wird vor allem von der Grundwasserströmung und der Durchlässigkeit des Bodens in Höhe des Grundwasserspiegels bestimmt.
10. Eine Lösungszone kann sich schon bei der Auswaschung festgesetzter Stoffe und der Lösung absinkender Dämpfe bilden. Aber insbesondere absinkende, abgesunkene und aufschwimmende Substanzen bilden eine relativ große Kontaktfläche zum umströmenden Wasser aus. Dabei gehen sie je nach Löslichkeitsgrad des in Phase befindlichen Stoffes in Lösung.
11. Die Lösungszone breitet sich ebenso wie die mit Wasser mischbaren Stoffe in der gesättigten Bodenzone nach dem Mechanismus des Einphasenfließens aus.
12. Der horizontale Transport gelöster Stoffe stellt eine Überlagerung der Mechanismen Konvektion, Dispersion, Adsorption und Abbau dar.

5. Auswahl der Entscheidungsparameter

Anhand des generalisierten Flußschemas (Abb. 3) läßt sich die Dominanz verschiedener stoffspezifischer Entscheidungsparameter für ein Bewertungsschema überprüfen. Nach Fränzle et al. [3] und Schwille [8] läßt sich folgende Liste besonderer physiko-chemischer Eigenschaften von Chemikalien zusammenstellen, von denen das Verhalten im Boden abhängig ist:

• Viskosität
• Dichte
• Molekulargewicht
• Schmelz- und Siedepunkt
• Wasserlöslichkeit/Wassermischbarkeit
• Dissoziation
• Polarität
• Teilchengröße
• Komplexbildung
• Volatilität
• Gasdichte
• Oberflächenspannung

Nach Fränzle et al. [3] erweist sich die Kenntnis der genannten Parameter im wesentlichen als ausreichend, um eine Reihe qualitativer Aussagen abzuleiten.

In Tab. 1 wird der dominante Einfluß der aufgelisteten physikalisch-chemischen Kenngrößen auf die einzelnen Stufen des generalisierten Flußschemas gekennzeichnet.

Die Dichte eines Stoffes übt einen bedeutenden Einfluß auf das Sickerverhalten in der ungesättigten Bodenzone aus, während die relative Dichte zu Wasser das Entscheidungskriterium für das Absinken oder Aufschwimmen einer mit Wasser nicht mischbaren Flüssigkeit in der Sättigungszone darstellt. Das Molekulargewicht wirkt sich zwar auch auf die angeführten Bereiche aus, jedoch ist dieser Einfluß gegenüber dem der Dichte von untergeordneter Bedeutung. Der Siedepunkt eines Stoffes kann für die Ausbildung der Gasphase wichtig sein. Dominiert wird diese Stufe des Flußschemas allerdings von den Kenngrößen Volatilität und Dampfdichte. Die Wasserlöslichkeit bzw. Wassermischbarkeit ist außer für die Gasphase für alle Bereiche der Migration hervorzuheben. Die Dissoziation, Polarität, Teilchengröße und Komplexbildungsfähigkeit eines Stoffes sind zwar in den verschiedensten Phasen der unterirdischen Ausbreitung als stoffspezifische Parameter aufzuführen. Ihre Bedeutung in Relation zu anderen Kenngrößen in den Bereichen des Flußschemas ist jedoch gering. Die Oberflächenspannung eines Stoffes ist sowohl für Kapillareffekte in der ungesättigten Zone als auch für das Spreiten von Flüssigkeiten auf freien Wasseroberflächen verantwortlich. Ihre Wirkung ist in der ersten Phase der Ausbreitung gegenüber der der Schwerkraft von geringer Bedeutung. Die Viskosität stellt dagegen neben der Dichte eine dominante physikalisch-chemische Größe für das Sickerverhalten in der ungesättigten Bodenzone dar.

Tab. 1: Entscheidungsparameter

Nach Tabelle 1 sind damit folgende Parameter für das Migrationsverhalten von Stoffen von besonderer Bedeutung:

• Dichte und relative Dichte
• Wasserlöslichkeit/Wassermischbarkeit
• Volatilität
• relative Gasdichte
• Viskosität

Diese Liste dominanter Parameter reicht zwar nicht aus, das Verhalten von Stoffen im Untergrund quantitativ zu beschreiben; nach Schwille [8] genügen diese physikalisch-chemischen Kennziffern jedoch, um den Migrationsvorgang hinreichend zuverlässig beurteilen zu können: 

• Die Wasserlöslichkeit/Wassermischbarkeit * sind die den Migrationsvorgang entscheidend bestimmenden Parameter. Mit Wasser mischbare Flüssigkeiten werden in Wasser vollständig gelöst, während nicht mischbare Flüssigkeiten in Residualsättigung im Porenraum zurückgehalten und dann nur noch nach Maßgabe ihrer Löslichkeit durch Wasser weitertransportiert werden können.
• Die relative Dichte ist insofern der nächstrangige Parameter, als der Dichteunterschied zwischen Flüssigkeit und Grundwasser das Niveau bestimmt, in dem die Migration in bezug auf den Grundwasserleiter bevorzugt erfolgt: im Bereich der Grundwasseroberfläche oder im Bereich der Grundwassersohle. Schon geringe Dichteunterschiede von wenigen zehn Gramm je Kilogramm Grundwasser können hierfür entscheidend sein.
• Dichte und Viskosität hingegen bestimmen die Geschwindigkeit des Fließvorganges bei großen Mengen.
• Die Volatilität, insbesondere von vielen organischen Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Lösemittel oder Vergaserkraftstoffe, wurde bisher meist unterschätzt. Die Verdunstungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit ist weitgehend von dem Dampfdruck und der Verdampfungswärme abhängig.
• Die relative Gasdichte bezogen auf Luft entscheidet, ob die Gasphase in der ungesättigten Zone absinkt und sich auf einer undurchlässigen Schicht oder der Kapillarsaumoberfläche ausbreitet oder zur Bodenoberfläche aufsteigt.

Ein weiterer Gesichtspunkt für die Auswahl von einigen wenigen Kenngrößen ist neben der Aussagekraft für die Verhaltensbeurteilung auch der Zugriff auf die entsprechenden Daten. Für viele wassergefährdende Stoffe sind die sechs Parametergrößen bekannt bzw. lassen sich ohne größeren Aufwand ermitteln.

Die stoffspezifischen Parameter sind auch von äußeren Faktoren wie Luftdruck und Temperatur abhängig. Für die exakte Ermittlung der Größen sind die im Anhang festgelegten Bedingungen zu beachten.

6. Bewertungsschema

Für die drei möglichen Aggregatzustände von Stoffen wurden 3 unterschiedliche Bewertungsansätze entwickelt. Ziel der Bewertung ist es, die Stoffe sog. Migrationsklassen wassergefährdender Stoffe MK zuordnen zu können. Diese ermöglichen eine Abschätzung über die Mobilität eines Stoffes. Je höher die Migrationsklasse ist, um so mobiler ist ein Stoff. Er kann somit über den Transportweg Grundwasser in vom Eintragungsstandort entferntere Bereiche gelangen und damit zu Beeinträchtigungen an Schutzgütern wie z.B. Trinkwasser führen. Andererseits ist ein Stoff in der niedrigsten Migrationsklasse quasi "standorttreu".

6.1 Flüssigkeiten

Die Migration eines Stoffes läßt sich in die beiden Bereiche ungesättigte und gesättigte Bodenzone einteilen. Für ein Bewertungsmodell, das sich an dem Postulat des präventiven Gewässerschutzes orientiert, steht das Verhalten in der Sickerwasserzone im Vordergrund. Um eine Kontamination des Grundwassers möglichst auszuschließen, muß der Schwerpunkt der Bewertung auf dem Verhalten des Stoffes vor Erreichen der gesättigten Bodenzone liegen. Anhand des Flußschemas zur Migrationsklassifizierung (Abb. 3) stehen in der ungesättigten Bodenzone die Versickerung und die Volatilität im Vordergrund. Das Verhalten in der gesättigten Zone wird primär durch die in der ersten Phase zu beobachtende Ausbreitung im Grundwasser bestimmt. Danach lassen sich drei Bewertungsabschnitte unterscheiden:

1. Versickerung (ungesättigte Zone)
2. Volatilität (ungesättigte Zone)
3. Ausbreitung (gesättigte Zone)

Zu den drei Bewertungsschritten lassen sich die fünf hervorgehobenen Entscheidungsparameter eindeutig zuordnen (Abb. 4). Die Versickerung wird von der Dichte und der Viskosität, die Verdunstung von der Volatilität und der relativen Gasdichte und die Ausbreitung in der gesättigten Bodenzone von der relativen Stoffdichte und der Wasserlöslichkeit bzw. Wassermischbarkeit bestimmt.

Abb. 4: Zuordnung der dominanten Entscheidungsparameter zu den Bewertungsschritten

Aus diesen drei Schritten setzt sich das Bewertungsschema (Abb. 5) zusammen:

6.1.1 Versickerung (ungesättigte Zone)

Dichteunterschiede beeinflussen die Versickerung infolge verschiedener vertikaler Kräfte. Die Viskosität, genauer die dynamische Viskosität, ist die Eigenschaft einer Flüssigkeit, in gleitenden Flüssigkeitsflächen Schubspannungen zu erzeugen.

Der Quotient aus dynamischer Viskosität und Dichte ergibt die kinematische Viskosität ν einer Flüssigkeit. Sie ist ein Maß für die Fließgeschwindigkeit einer Flüssigkeit in einem porösen Medium und kann somit direkt zur Bewertung der Versickerung eines Stoffes herangezogen werden.

Die kinematische Viskosität wird in mm²/s angegeben. Der Quotient beträgt für Wasser = 1. Stoffe mit ν < 1 bewegen sich im gleichen porösen Medium schneller als. Wasser. Wenn ν > 1 ist, sind sie langsamer als Wasser. Für das Abschätzen des Gefährdungspotentials gelten die Grenzen 2 mm²/s und 30 mm²/s (Abb. 5). Flüssigkeiten mit ν <2 mm²/s werden als schnell fließend (A₃), mit 2 mm²/s < ν <30 mm²/s als mäßig fließend (A₂) und mit ν > 30 mm²/s als zähfließend bis stockend (A₁) eingestuft. Für die Abstufung ergibt sich daher die Reihenfolge A₁ bis A₃.

Hervorzuheben ist, daß die kinematische Viskosität kein Maß für die absolute Versickerungsgeschwindigkeit ist. Sie ist eine rein stoffspezifische Größe. Aussagen sind daher nur In gleichen porösen Medien über die relative Sickergeschwindigkeit von Flüssigkeiten untereinander möglich. Das heißt, Stoffe können im Hinblick auf ihr stoffspezifisches Verhalten in der ungesättigten Zone in Relation gesetzt und damit unterschiedlichen Gefährdungspotentialen zugeordnet werden.

6.1.2 Volatilität (ungesättigte Zone)

Bei Bodenkontaminationen wird je nach vorliegendem Dampfdruck der Substanz mehr oder minder auch der lufterfüllte Porenraum belastet [9]. Das entstehende Gas kann den Boden verlassen oder aber zum Kapillarsaum absinken.

Nach Fränzle et al. [3] ist eine quantitative Erfassung der Verdampfung einer Substanz im Boden unter Umweltbedingungen schwierig. Die Verdunstungsgeschwindigkeit ist weitgehend vom Dampfdruck und der Verdampfungswärme eines Stoffes abhängig.

Der Dampfdruck ist ein relatives Maß für die Flüchtigkeit von Flüssigkeiten. Leicht verdampfende Stoffe haben einen hohen und schwer verdampfende Stoffe einen niederen Dampfdruck.

Der Dampfdruck ist damit ebenso wie die im Bewertungsschritt Versickerung herangezogene kinematische Viskosität kein Maß, die exakten Gegebenheiten im Untergrund wiederzugeben; beide Größen sind allerdings dazu geeignet, Stoffe in bezug auf das von ihnen ausgehende Gefährdungspotential im Sinne der Prämissen des Bewertungsmodells untereinander abzustufen.

Eine Bewertung der Volatilität über den Dampfdruck ist nur unter Hinzuziehen der relativen Dampfdichte möglich. Die Dampfdichte entscheidet, ob das entstehende Gas aufsteigt und dem Boden entweichen kann oder zum Kappillarsaum absinkt. Die relative Gasdichte ist eine dimensionslose Vergleichszahl bezogen auf die Dichte von Luft = 1,000 [10]. Für die Bewertung von Chemikalien im Untergrund ist nur von Bedeutung, ob die relative Gasdichte kleiner oder größer eins ist.

Da die relative Gasdichte proportional dem Molekulargewicht eines Stoffes ist, braucht sie nicht gemessen, sondern kann berechnet werden. Das Molekulargewicht dividiert durch 29 ergibt direkt die relative Gasdichte [11].

In Abb. 5 wird u. a. das sich aus Dampfdruck und relativer Gasdichte ergebende Bewertungsschema dargestellt. In einem Diagramm sind beide stoffspezifischen Größen gegeneinander aufgetragen. Bei der relativen Gasdichte wird zwischen größer oder kleiner eins unterschieden. Der Dampfdruck wird in die Bereiche kleiner oder größer 10 mm Hg unterteilt. Diese Bereichsuntergliederung unterscheidet leicht- bis mittelflüchtige Stoffe von mittel- bis schwerflüchtigen [10].

Aus dem Diagramm ergeben sich drei unterschiedliche Volatilitätsklassen:

B₁) Stoffe, deren entstehendes Gas leichter als Luft ist
B₂) mittel- bis schwerflüchtige Stoffe, deren entstehendes Gas schwerer als Luft ist
B₃) leicht- bis mittelflüchtige Stoffe, deren entstehendes Gas schwerer als Luft ist

Während Stoffe der Gruppe B₁, den Boden zu einem bestimmten Anteil in unterschiedlichen Geschwindigkeiten verlassen können, sinken die Gase der Stoffe der Gruppen B₂ und B₃ ab. Von letzteren muß im Sinne der konservativen Abschätzung angenommen werden, daß sie den Kapillarsaum erreichen.

6.1.3 Ausbreitung (gesättigte Zone)

In der gesättigten Zone ist für die Bewertung eines Stoffes vor allem sein Verhalten in der ersten Phase von Bedeutung. Dieses wird durch die beiden Parameter Wasserlöslichkeit/Wassermischbarkeit und relative Stoffdichte bestimmt.

In erster Näherung muß unterschieden werden, ob ein Stoff mit Wasser mischbar ist oder nicht. Nicht mischbare Stoffe werden je nach ihrer relativen Dichte zu Wasser auf dem Grundwasser aufschwimmen oder absinken. Mischbare, das heißt gut lösliche Substanzen werden sich nahezu vollständig mit dem Grundwasser mischen und abtransportiert werden.

In Abb. 5 werden die angeführten Entscheidungsparameter relative Stoffdichte und Wasserlöslichkeit gegeneinander aufgetragen. Bei der relativen Stoffdichte wird nur unterschieden zwischen < und > 1 g/cm³. Die Wasserlöslichkeit wird unterteilt in die Bereiche unlöslich (0 bis 10² mg/l), partiell löslich (10² bis 10⁴ mg/l) und gut löslich (> 10⁴ mg/l).

Aus diesem Bewertungsschritt gehen fünf Stoffklassen unterschiedlichen Migrationspotentials hervor:

6.1.4 Verknüpfung

Die Verknüpfung der drei Bewertungsabschnitte erfolgt analog ihrer Gewichtung durch Addition der Indices der Einzelbewertungen (A₁-A₃; B₁-B₃;C₁-C₅). Die Skala für die Verhaltensbewertung reicht daher von der minimalen Punktzahl 3 (A₁ + B₁ + C₁) bis zur maximalen Punktzahl 11 (A₃ + B₃ + C₅). Die Gesamtbewertung des Migrationspotentials erfolgt durch folgende Zuordnung der jeweiligen Punktzahlen:

Tab. 2: Punktzahl und Migrationsklasse

In Tabelle 3 sind Stoffbeispiele zur Anwendung des Bewertungsschemas aufgelistet. Aus den fünf Stoffdaten kinematische Viskosität, Dampfdichte, relative Gasdichte, Stoffdichte und Wasserlöslichkeit ergeben sich analog Abbildung 5 die Punktzahlen für die Bewertung des Migrationsverhaltens. Daraus ergibt sich, daß

Trichlorethylen einem hohen, Isopentan einem mittleren und zähflüssiges Rohöl einem geringen Migrationspotential zugeordnet wird. Die so bewerteten Stoffe zeigen deutlich, daß ihre unterschiedlichen Eigenschaften hinsichtlich ihres Migrationsverhaltens in der relativen Bewertung zueinander sich wiederfinden.

Tab. 3: Bewertungsbeispiele

6.2 Gase und Feststoffe

Bei Gasen und Feststoffen hat eine Anwendung des Bewertungsschemas an einem größeren Kollektiv ergeben, daß für ihre Zuordnung zu den vier Migrationspotentialen ein vereinfachtes Verfahren ausreicht (Abb. 6). Danach besitzen Gase mit einer relativen Gasdichte kleiner 1 ein geringes Migrationspotential. Bei Gasen mit einer relativen Gasdichte größer 1 muß dagegen weiter unterschieden werden, ob ihre Wasserlöslichkeit größer oder kleiner 10⁴ mg/l beträgt. Gase mit einer Wasserlöslichkeit kleiner 10⁴ mg/l werden den Stoffen mit einem mittleren Migrationspotential zugeordnet, während Gase mit einer Wasserlöslichkeit größer 10⁴ mg/l ein hohes Migrationspotential besitzen. Bei Feststoffen wird die Einstufung lediglich anhand der Wasserlöslichkeit entschieden. Feststoffe mit einer Wasserlöslichkeit kleiner 10² mg/l besitzen ein geringes Migrationspotential, mit einer Wasserlöslichikeit größer 10² mg/l ein mittleres Migrationspotential.

7. Literatur

[1] Kommission "Bewertung wassergefährdender Stoffe" des Beirats "Lagerung und Transport wassergefährdender Stoffe (LTwS)" beim Bundesminister des Innern: Entwurf des Katalogs wassergefährdender Stoffe zur Veröffentlichung in den Ministerialblättern des Bundes und der Länder, Stand 1984.

[2] UBA, Umweltbundesamt (Hrsg.): Bewertung wassergefährdender Stoffe. Beirat beim Bundesminister des Innern, Lagerung und Transport wassergefährdender Stoffe (LTwS), LTwS-Nr. 10/1979

[3] Fränzle, O., Allnoch, G., Brillat, M., Hoffmann, D., Kuhnt, G., Müller, F. und Rassai, G.: Erfassung von Ökosystemparametern zur Vorhersage der Verteilung von neuen Chemikalien in der Umwelt.
Forschungsbericht 10602015 im Auftrage des Umweltbundesamtes, Geographisches Institut der Universität Kiel, 1981

[4] Lühr, H.-P.: Vorbeugender Grundwasserschutz beim Umgang mit wassergefährdenden Stoffen. Kongreßband Wasser 85, Berlin, 1985

[5] Lühr, H.-P., Staupe, J.: Der Besorgnisgrundsatz beim Grundwasserschutz Wasser und Boden, 12, 1986

[6] Fränzle, O.: Ökosystemforschung als Beitrag zur Beurteilung der; Umweltwirksamkeit von Chemikalien.
In: DFG (Hrsg.): Ökosystemforschung - Allgemeine Grundlagen und Definition, trophische Strukturen, biozönotische Gesetze und Thermodynamik. 1983, S. 21 -29

[7] Stief, K und Franzius, V.: Gewässergefährdung durch kontaminierte Standorte - Beispiele aus den USA. Wasser und Boden 11, 503 - 505 (1983)

[8] Schwille, F.: Migration of Organic Fluids Immiscible with Water in the Unsaturated Zone.
In: Yaron, B., Dagan, G. and Goldshmid, J. (Eds.): Pollutants in Porous Media. The Unsaturated Zone between Soil Surface and Groundwater. Ecological Studies, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, Vol. 47/1984

[9] Neumayr, V.: Möglichkeiten und Grenzen der Erfassung von Untergrundverunreinigungen durch halogenierten Kohlenwasserstoffe. Kolloquium "Vermeidung und Sanierung von Grundwasserverunreinigungen" am 7. April 1983 in Karlsruhe. DVGW-Schriftenreihe Wasser Nr. 36/1983, S.35 -63

[10] Dembeck, H.: Chemie-ABC für Feuerwehr- und Sicherheitskräfte. Verlag W. Kohlhammer, Stuttgart, 1981

[11] Römpp: Römpps Chemie Lexikon. Franck'sche Verlagsbuchhandlung, W. Keller & Co., Stuttgart, 1977, Band 6

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1 Dichte/relative Dichte

Die Dichte eines einheitlichen Stoffes ist definiert als die Masse der Volumeneinheit bei Normaltemperatur (20 °C), also die in 1 cm³ (bzw. 1 l) enthaltene Masse in g (bzw. kg) ausgedrückt. Mithin hat die Dichte die Dimension Masse/Volumen. Demgegenüber definiert man die relative Dichte oder das spezifische Gewicht eines Stoffes durch Vergleich mit einem Standard, wodurch die relative Dichte zu einer dimensionslosen Zahl wird. Zum Vergleich dient Wasser von 4 °C, dessen Dichte gleich eins gesetzt wird. Wenn also z.B. für Quecksilber die relative Dichte mit 13,6 angegeben wird, bedeutet dies, daß Quecksilber 13,6 mal so schwer ist wie Wasser von 4 °C.

2 Wasserlöslichkeit/Mischbarkeit

Wasserlöslichkeit

Hierunter versteht man die maximale Menge eines Stoffes, die das Lösungsmittel bei einer bestimmten Temperatur aufnehmen kann (g/l), d.h. den Anteil des gelösten Stoffes in einer bei der betreffenden Temperatur gesättigten Lösung. In qualitativer Weise wird diese gelegentlich auch als konzentrierte Lösung bezeichnet. Die Wasserlöslichkeit wird hier als Löslichkeit eines Stoffes bei 20 °C definiert.

Mischbarkeit

Unter Mischbarkeit wird hier die Mischbarkeit mit Wasser bei 20 °C verstanden.

3 Volatilität

Eine Bewertung der Volatilität erfolgt hier unter Einbeziehung des Dampfdrucks und der relativen Gasdichte.

Dampfdruck

Dampfdruck ist derjenige Druck der - in einem abgeschlossenen Behälter - ein mit seinem Bodenkörper (flüssige oder feste Phase) im Gleichgewicht befindlicher Dampf auf die ihn umschließenden Wände ausübt; er ist allein von der Temperatur abhängig und steigt mit dieser an. Leicht vergasende Flüssigkeiten mit niederem Siedepunkt und kleiner Verdampfungswärme (z.B. Ether, Schwefelkohlenstoff) haben einen hohen, schwer vergasende, hochsiedende Flüssigkeiten (z.B. Quecksilber, Öle) dagegen einen niederen Dampfdruck. Der Dampfdruck wird hier für Stoffe bei 20 °C in bar ermittelt.

Relative Gasdichte

Die relative Gasdichte ist eine dimensionslose Vergleichszahl bezogen auf die Dichte von Luft. Für die relative Gasdichte gelten hier Normalbedingungen von 0 °C und 1013 bar.

4 Kinematische Viskosität

Die kinernatische Viskosität ist der Quozient aus dynamischer Viskosität und Dichte eines Stoffes. Unter dynamischer Viskosität versteht man die Eigenschaft einer Flüssigkeit der gegenseitigen laminaren Verschiebung zweier benachbarter Schichten, einen Widerstand entgegenzusetzen.

Die kinematische Viskosität hat die Einheit mm²/s und wird für Normaltemperatur (20 °C) angegeben.

* Wasserlöslichkeit betrifft Feststoffe; Wasserrmischbarkeit betrifft Flüssigkeiten

Mitglieder des Ausschusses "Verhalten von wassergefährdenden Stoffen"

Obmann: Prof. Dr. H.-P. Lühr