Straßenbankette müssen aus Gründen der Verkehrssicherheit zum einen eine hohe Tragfähigkeit aufweisen und zum anderen ein hohe Schadstoffretention aufweisen, um Schadstoffe aus dem Straßenablaufwasser zurückhalten zu können. Um zu überprüfen wie unterschiedliche Bankettsubstrate die Anforderungen des Umweltschutzes erfüllen können, hat die TU-Berlin, im Auftrag der Bundesanstalt für Straßenwesen, mehrere Forschungsvorhaben an Autobahnen durchgeführt. Das Ziel der Forschungsarbeiten war zu prüfen, ob langjährig genutzte und neu angelegte Bankette die Vorgaben der Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) bezüglich der Schwermetallkonzentrationen im Sickerwasser einhalten können. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass sowohl nicht standfeste als auch neu angelegte standfeste Bankette die Anforderungen an den Schadstoffrückhalt erfüllen können und i.d.R. eine hohe Retentionsleistung aufweisen. Um die Schwermetallkonzentrationen und -frachten unterhalb neu angelegter, standfester Bankette mit einem Größtkorn von 32 mm ausreichend zu reduzieren, sollte der Mindestfeinkornanteil der verwendeten Bankettmaterialien bei Einbau einen Wert von > 5 M.-% aufweisen.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

Die Entwässerung von Außerorts-, und Bundesstraßen sowie Autobahnen erfolgt in Deutschland häufig über das angrenzende Straßenbankett. Das Straßenabflusswasser ist im Vergleich zum Niederschlagswasser mit höheren Schadstoffkonzentrationen belastet (Golwer, 1991; Goebel et al., 2009; Kayhanian et al., 2012).

Die Verkehrsemissionen sind vielfältig und bilden eine komplexe Mischung aus verschiedenen Schadstoffen. Dies sind vor allem Feinstäube, Kohlenmonoxid, Methan, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe, Schwefeloxide und Schwermetalle (vgl. Wessolek et al., 2011). Von hoher Relevanz sind insbesondere die Schwermetalle, da sich diese persistent verhalten. Ein großer Anteil der Schwermetalle im Straßenabfluss ist partikulär gebunden und kann dadurch häufig schon im obersten Bodenhorizont durch physikalische Retardation zurückgehalten werden (Boivin et al., 2008). Als Haupteinflussfaktoren für die Mobilität der Schwermetalle in Straßenrandböden gelten die Bodenart, der pH-Wert, der Anteil und die Stabilität der organischen Bodenbestandteile sowie klimatische und bodenhydrologische Bedingungen (Ramakrishna und Viraraghavan, 2005; Werkenthin et al., 2016). Ein weiterer Aspekt: Der Eintrag von Tausalzen in den Wintermonaten kann eine verstärkte Dispersion von Tonmineralen und eine Mobilisierung organischer Bodensubstanz fördern und die gebundenen Schwermetalle von der Bodenmatrix rücklösen. Die Dispersion gilt unter diesen Bedingungen als einer der Haupteinflussfaktoren für die Mobilität von Schwermetallen (Amrhein et al., 1992; Bäckström et al., 2005). Die Schwermetallgehalte in straßennahen Böden langjährig betriebener Autobahnen und Bundesstraßen sind in den ersten 10 bis 20 cm Tiefe häufig erhöht (Kocher und Wessolek, 2003; Werkenthin et al. 2016; Huber et al. 2016). Zu den Schwermetallkonzentrationen im Sickerwasser im Banketts liegen dagegen nur wenig Untersuchungen vor (Kocher und Wessolek, 2003; Kluge et al., 2014).

Neu angelegte Bankette müssen gemäß den „Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau“ (ZTV E-StB, 2017) über eine ausreichende Tragfähigkeit verfügen. Für die Standfestigkeit müssen daher genau definierte Böden und Baustoffe bzw. Böden-/Baustoffgemische mit einem Größtkorn von 32 mm verwendet werden.

Wie sich diese neue Anforderung auf die Retention von Schwermetallen im Bankett auswirkt, war die Fragestellung, die im Rahmen von zwei F+E-Vorhaben untersucht werden sollte. In diesen wurden drei verschiedene, neu angelegte standfeste Bankette auf ihr Schwermetallrückhaltevermögen an einem Autobahnstandort über einen Zeitraum von insgesamt vier Jahren untersucht. 

2 Material und Methoden

Für die Bearbeitung der Forschungsfrage wurde eine Autobahnlysimeteranlage entworfen und konstruiert. Im Folgenden wird ein kurzer Überblick über den Standort, den Aufbau und die Funktionsweise gegeben.

Die Lysimeteranlage befindet sich an der BAB A 115 im Land Brandenburg an der Grenze zum Land Berlin, welche vom Dreieck Nuthetal (südlichen Berliner Ring, BAB A 10) in nördliche Richtung nach Berlin, zum Autobahndreieck Funkturm (BAB A 100) führt. Das durchschnittliche Verkehrsaufkommen liegt zwischen 63.000 und 80.000 Fahrzeugen pro Tag, mit einem Lkw-Anteil von ca. 6 – 7 % (Fitschen und Nordmann, 2012). Die BAB A 115 ist an diesem Abschnitt 36 m breit (inklusive Bankett und Mittelstreifen). Die Fahrbahn besteht aus Beton und besitzt drei Fahr- und einem Randstreifen je Richtung mit Breite von 14,5 m je Richtung. In dem ausgewählten Abschnitt gibt es keine Stahlschutzplanken. Es wurden sechs speziell für den Freilandversuch angefertigte Lysimeterwannen eingesetzt. Diese bestehen aus PE und wurden der Neigung des vorhandenen Bankettes entsprechend (ca. 7 %) in den Straßenrand eingebaut (Bild 1). Drei der Lysimeter wurden mit unterschiedlichen Bankettmaterialien befüllt und hinsichtlich ihres Schwermetallrückhaltevermögens über einen Zeitraum von insgesamt vier Jahren untersucht (Tabelle 1). Drei weitere Lysimeter (Leerlysimeter; LL) erfassen das Straßenabflusswasser, sie sind jeweils zwischen den Bankettlysimetern angeordnet.

Während die zwei Bankettmaterialien mit dem Namen OB15 später BKSI10 und BS eine ausreichende Tragfähigkeit nach ZTV E-StB 17 (2017) aufweisen, wurde OB als eine „nicht“ tragfähige Referenzvariante in die Lysimeter eingebaut (Details siehe Tabelle1).

In den Lysimetern wird der durch das Bankett infiltrierte Straßenabfluss in drei Tiefen gesammelt (Oberfläche; 15 cm; 30 cm) und in Kippwaagen geleitet. Die Kippwaagen erfassen die Sickerwassermengen der Lysimeter und leiteten einen Teil des Abflusses in Probengefäße weiter. Der Oberflächenabfluss wird nach demselben Messprinzip erfasst.

Bild 1: Blick auf die Lysimeteranlage im Juli 2017 aus südlicher Richtung. Die hellen Leerlysimeter (mit Kies gefüllt) dienen der Erfassung des Straßenabflusses, dazwischen liegen die begrünten Bankettlysimeter.

Tabelle 1: Bankettmaterialien in den Lysimetern und Messzeitraum (*= im Tausch mit Variante 2 des 1. Untersuchungszeitraumes)

Die Beprobung der Sickerwasser-, Straßen- und Oberflächenabflüsse an der Lysimeteranlage erfolgte i. d. R. monatlich. Die Proben wurden nach der Entnahme im Labor auf partikuläre und gelöste Schwermetalle (Cu, Pb, Zn, Cd, Ni, Cr) analysiert.

Weitere Details zur Anlage sind unter folgender Adresse zu finden: https://bast.opus.hbz-nrw.de/opus45-bast/frontdoor/deliver/index/docId/1880/file/V300_barrierefreies_E BAt_PDF.pdf) 

3 Ergebnisse

3.1 Schwermetallkonzentrationen im Straßenabfluss

Die Schwermetallgehalte der Sedimente und die mittleren gelösten, partikulären und gesamten Metallkonzentrationen der Autobahnabflüsse sind in der Tabelle 2 aufgeführt. Die ermittelten gelösten und Gesamtablaufkonzentrationen sind mit den Literaturdaten anderer Autoren vergleichbar und liegen in einem ähnlichen Konzentrationsbereich.

Tabelle 2: Schwermetallgehalte der Sedimentfraktion sowie mittlere gelöste und gesamte Metallkonzentrationen im Straßenabfluss der A115 im Vergleich mit anderen Autoren (10.2015-10.2017)

Die Lösungskonzentrationen der Metalle im Abfluss liegen insgesamt auf einem sehr niedrigen Niveau. Die Mittelwerte der Konzentrationen liegen unterhalb der Geringfügigkeitsschwellenwerte nach LAWA (2004), mit Ausnahme von Cu (es sei darauf hingewiesen, dass die GFS nach LAWA (2004) nur für die Bewertung des Grundwassers gelten, nicht jedoch für das Sickerwasser in der ungesättigten Bodenzone).

Unter Berücksichtigung der eingetragenen Sedimentmengen wird deutlich, dass es in den Leerlysimetern zu einer hohen Retardation partikulär gebundener Schwermetalle gekommen ist. Dies zeigen die Analysen der entnommenen Sedimente in den Leerlysimetern (Entnahme 1x im Jahr). Unter Einbeziehung der partikulären Metallkonzentrationen (Mediane) und der Sedimentkonzentrationen (= Median der Gesamtkonzentrationen über den Beprobungszeitraum) lässt sich eine deutliche Reduzierung der partikulären Metallkonzentrationen des Abflusses feststellen.

3.2 Rückhalt von Metallen über die Passage der Bankettoberfläche

Um den oberflächlichen Rückhalt von Schwermetallen aus dem Straßenabfluss durch das bewachsene Bankett zu quantifizieren, wurden Abflussproben direkt nach der Passage über das bewachsene Bankett entnommen und analysiert. Das Bild 2 zeigt die Schwermetallkonzentrationen im Straßenabfluss am Beispiel der Bankettvariante BS.

Bild 2: Mediane der Leerlysimeter- und Oberflächenabflusskonzentrationen des BS Lysimeters (BSOA) für verschiedene Metalle über den gesamten Beprobungszeitraum (12.2012 bis 10.2017).

Durch die Fließwege, Oberflächenrauhigkeit und Vegetation kommt es zu einer deutlichen Schadstoffentfrachtung des Straßenabflusses bei oberflächlicher Passage über das Bankett. Vor allem Partikel und Sedimente werden an der Bodenoberfläche und der Vegetation zurückgehalten. Zusätzlich zum partikulären Rückhalt, wurde auch bei den gelösten Konzentrationen von Zn und Cd eine deutliche Reduzierung der Konzentrationen nach Oberbodenpassage gegenüber den Straßenabflusskonzentrationen festgestellt.

Untersuchungen anderer Autoren an Straßenmulden bestätigen, dass eine starke Reduktion der Abflusskonzentrationen durch die Passage über die sogenannten begrünten „Schultern“ innerhalb des ersten Meters stattfindet (Legret, Pagotto, 1999; Bäckström, 2003; Jones, Davis, 2013).

3.3 Schwermetallkonzentrationen im Sickerwasser der Bankettlysimeter

Die Mediane der partikulären und gelösten Schwermetallkonzentrationen im Sickerwasser der drei Bankettlysimeter sowie die mittleren Konzentrationen der beprobten Metalle des Straßenabflusses (LL) zeigt das Bild 3. Die Mediankonzentrationen der gelösten Metalle liegen bei allen Varianten unterhalb der Prüfwerte der BBodSchV (1999). Für partikuläre Schwermetalle im Sickerwasser sind in der BBodSchV keine Prüf- oder Grenzwerte festgelegt.

Die gelösten wie die gesamten Sickerwasserkonzentrationen sind bei der OB Variante bei Cu, Pb und Zn am höchsten. Diese liegen aber immer noch deutlich unterhalb der Prüfwerte der BBodSchV (1999).

Der Eintrag von Metallen aus dem Straßenablaufwasser in Form von Sedimenten (Partikel, Bodensubstrate) macht 40-50 % der Gesamtkonzentration aus. Die Sedimente erhöhen die Festphasenkonzentrationen der Metalle, was im Laufe der Zeit zu höheren Gleichgewichtskonzentrationen in der Bodenlösung führen kann.

Bild 3: Mediane der gelösten und partikulären Schwermetallkonzentrationen im Sickerwasser der Bankettlysimeter OB, BKSI10, BS und Straßenablauf LL (10.2015 bis 10.2017; Sedimententnahme 2016). Die Strichpunktlinie zeigt den Prüfwert der BBodSchV (1999), die gestrichelte Linie zeigt den Geringfügigkeitsschwellenwert nach LAWA (2004). 

4 Zusammenfassung und Fazit

Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass alle Bankettvarianten über ein gutes Schwermetallrückhaltevermögen verfügen. Die mittleren Lösungskonzentrationen der beiden standfesten Bankettvarianten BS, OB15 und BKSI10 liegen unterhalb der Prüfwerte der BBodSchV (1999) für den Wirkungspfad Boden – Grundwasser, der Prüfwert für Cu wird beim OB überschritten. Dies wurde auch schon innerhalb des ersten Prüfzeitraumes festgestellt.

Die Konzentrationen sind allerdings gegenüber dem ersten Prüfzeitraum leicht zurückgegangen, liegen aber bei Pb, Cu, Cr und Cd immer über den Sickerwasserkonzentrationen der beiden standfesten Varianten.

Dies liegt bei Pb, Cu und Cr vermutlich an der bevorzugten Verlagerung durch DOC im Frühjahr und Sommer und ist bei Cd und Zn durch den Einsatz von Tausalz bedingt.

Gegenüber dem ersten Untersuchungszeitraum sind die gemessenen Sickerwasserkonzentrationen vor allem beim BS im Mittel bei allen Metallen noch weiter zurückgegangen.

Dieser Rückgang wird auf die Erhöhung der Retention und Auffüllung (= Zusetzung) der Grobporen durch den Eintrag von Sedimenten und verkehrsbedingten Stoffen zurückgeführt. Dies bedeutet, dass im Laufe der Zeit eine hohe Retardation wie Akkumulation von Partikeln und Sedimenten (u. a. organische Bestandteile) in den obersten Zentimetern stattfindet.

Letzteres bestätigt auch der gemessene Rückhalt von Schwermetallen aus dem Straßenabfluss auf der Oberfläche von Bankett und Böschung. Unter der Einbeziehung der Gesamtkonzentrationen (Gesamt + Sedimente) lässt sich bei allen Bankettvarianten eine signifikant hohe Reduzierung der partikulären Metallkonzentrationen feststellen.

Die Frage, ob und unter welchen Bedingungen es mit längeren Betriebszeiten eine erhöhte Remobilisierung der festgelegten Metalle in den abgelagerten Sedimenten z.B. durch verstärkte Streusalzeinträge, stattfinden kann, lies sich innerhalb des bisherigen Versuchszeitraumes noch nicht vollständig klären. 

Literaturverzeichnis

Amrhein C.; Strong J.E.; Mosher, PA. (1992): Effect of deicing salts on metaland organic-matter mobilization in roadside soils. Environ Sci. Technol 26:703-709

Boivin P.; Saade M.; Pfeiffer, HR.; Hammecker, C.; Degoumois, Y. (2008): Depuration of high-way runoff water into grass-covered embankments. Environ Technol 29:709-720

Fitschen, A.; Nordmann, H. (2012): Verkehrsentwicklung auf Bundesfernstrassen 2010. Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen. Unterreihe Verkehrstechnik, H. 230

Golwer, A. (1991): Belastung von Böden und Grundwasser durch Verkehrswege. Forum Städte-Hygiene 42 (5), 266-275

Göbel, P.; Dierkes, C.; Coldewey, WC. (2007): Storm water runoff concentration matrix for urban areas. J Contam Hydrol 91:26-42

Helmreich, B.; Hilliges, R.; Schriewer, A.; Horn, H. (2010): Runoff pollutants of a highly trafficked urban road-Correlation analysis and seasonal influences. Chemosphere 80, 991-997

Huber, M.; Welker, A.; Helmreich, B. (2016): Critical review of heavy metal pollution of traffic area runoff: Occurrence, influencing factors, and partitioning. Science of the Total Environment, 541, 895-919

Kayhanian, M.; Suverkropp, C.; Ruby, A.; Tsay, K. (2007): Characterization and prediction of highway runoff constituent event mean concentration. Journal of Environmental Management, 85(2), 279-295

Kluge, B.; Wessolek, G. (2012): Heavy metal pattern and solute concentration in soils along the oldest highway of the world-the AVUS Autobahn. Environ Monit and Assess 184:6469-6481

Kluge, B.; Werkenthin, M.; Wessolek, G. (2014): Metal leaching in a highwayembankment on field and laboratory scale. Sci Total Environ 493:495-504

Kocher, B.; Wessolek, G. (2002): Verlagerung straßenverkehrsbedingter Stoffe mit dem Sickerwasser. Bericht zum Forschungs- und Entwicklungsvorhaben FE 05.118/197/GRB des BMVBW, 99 S., Ausgabe 2003

LAWA (2004) Länderarbeitsgemeinschaft Wasser: Ableitung von Geringfügigkeitsschwellenwerten für das Grundwasser – Bericht Grund- und Trinkwasser. Kulturbuch-Verlag, Berlin. 895-919

Werkenthin, M.; Kluge, B.; Wessolek, G. (2018): Untersuchungen zur Optimierung von Schadstoffrückhalt und Standfestigkeit von Banketten. 83 S., H. V 300, Forschungsbericht zu FE 05.0160/2010/MGB, Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen

Ramakrishna, D. M.; Viraraghavan, T. (2005): Environmental impact of chemical deicers-a review. Water, Air, and Soil Pollution, 166(1-4), 49-63

Wessolek, G.; Klug e, B.; Tolan d, A.; Nehl s, T.; Klingelmann, E.; Rim, YN.; Mekif fer, B.; Trinks, S. (2011): Urban soils in the vadose zone. In: Endlicher W (ed) Perspectives in urban ecology. Springer, Berlin – Heidelberg, pp. 89-133

FGSV (2017): Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau (ZTV E-StB 17), Köln

BBodSchV (1999): Bundes-Bodenschutz- und Altlastenverordnung vom 12. Juli 1999 (BGBI. I S. 1554), zuletzt geändert durch Artikel 3 der Verordnung vom 27. September 2017 (BGBI. I S. 3465). s. www.gesetze-im-internet.de, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU), Berlin