1 Einleitung

AFS63 sind die feinen Partikel (Korngrößenbereich Schluff und Ton, < 63 μm) im Straßenabfluss, an die ein Großteil der Schadstoffe gebunden ist (z.B. Xanthopoulos/Hahn 1990). Auch ein großer Anteil des Reifenabriebs ist in dieser Größenfraktion enthalten (Baensch-Baltruschat et al., 2020). Die Notwendigkeit der Regenwasserbehandlung und die Wirksamkeit von Regenwasserbehandlungsanlagen wird nach den neuen Regelwerken REwS (FGSV, 2021) und DWA-A 102-2 (DWA, 2020) anhand des Parameters AFS63 beurteilt.

Als emissionsseitige Anforderung darf nach DWA-A 102-2 maximal eine AFS63-Jahresfracht von 280 kg/ha/a in die Gewässer eingeleitet werden. Für Innerortsstraßen bei hohen Verkehrsstärken (Kategorie III) wird von einer AFS63-Jahresfracht von 760 kg/ha/a ausgegangen. Das führt zu hohen Behandlungsanforderungen (> 63 % AFS63 Rückhalt). Bisher vorliegende Messungen an Außerortsstraßen deuten eher auf niedrigere Werte der AFS63 Belastung hin.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Wirkung von Behandlungsanlagen der Straßenentwässerung im Hinblick auf AFS63“ (FE 5.0193/2016/GRB) wurde die AFS63 Jahresfracht an Bundesfernstraßen für Standorte mit unterschiedlichen Randbedingungen und die Rückhalteleistung von Sedimentations- oder Absetzanlagen (Absetzbecken, Regenklärbecken) in Bezug auf AFS63 untersucht (Grotehusmann et al., 2021). Dieses Forschungsvorhaben wurde gemeinsam von der Ingenieurgesellschaft für Stadthydrologie mbH und der Bioplan Landeskulturgesellschaft (B. Lambert) bearbeitet.

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

1 Einleitung

AFS63 sind die feinen Partikel (Korngrößenbereich Schluff und Ton, < 63 μm) im Straßenabfluss, an die ein Großteil der Schadstoffe gebunden ist (z.B. Xanthopoulos/Hahn 1990). Auch ein großer Anteil des Reifenabriebs ist in dieser Größenfraktion enthalten (Baensch-Baltruschat et al., 2020). Die Notwendigkeit der Regenwasserbehandlung und die Wirksamkeit von Regenwasserbehandlungsanlagen wird nach den neuen Regelwerken REwS (FGSV, 2021) und DWA-A 102-2 (DWA, 2020) anhand des Parameters AFS63 beurteilt.

Als emissionsseitige Anforderung darf nach DWA-A 102-2 maximal eine AFS63-Jahresfracht von 280 kg/ha/a in die Gewässer eingeleitet werden. Für Innerortsstraßen bei hohen Verkehrsstärken (Kategorie III) wird von einer AFS63-Jahresfracht von 760 kg/ha/a ausgegangen. Das führt zu hohen Behandlungsanforderungen (> 63 % AFS63 Rückhalt). Bisher vorliegende Messungen an Außerortsstraßen deuten eher auf niedrigere Werte der AFS63 Belastung hin.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Wirkung von Behandlungsanlagen der Straßenentwässerung im Hinblick auf AFS63“ (FE 5.0193/2016/GRB) wurde die AFS63 Jahresfracht an Bundesfernstraßen für Standorte mit unterschiedlichen Randbedingungen und die Rückhalteleistung von Sedimentations- oder Absetzanlagen (Absetzbecken, Regenklärbecken) in Bezug auf AFS63 untersucht (Grotehusmann et al., 2021). Dieses Forschungsvorhaben wurde gemeinsam von der Ingenieurgesellschaft für Stadthydrologie mbH und der Bioplan Landeskulturgesellschaft (B. Lambert) bearbeitet.

2 Material und Methodik

2.1 Methodik des Vorgehens

Sedimentdepot-Methode

Für die Erfassung der zurückgehaltenen Sedimentmengen in den Regenwasserbehandlungsanlagen wird die „Sedimentdepot-Methode“ verwendet. Auf eine Wassermengenmessung und automatische Beprobung der Wasserphase wird verzichtet. Die Quantifizierung der AFS63-Fracht erfolgt ausschließlich durch die Erfassung und Beprobung der Sedimente in den Sedimentationsanlagen und den nachgeschalteten Versickerungsanlagen oder Bodenfilteranlagen. Dabei wird vorausgesetzt, dass aus den Versickerungs- und Bodenfilteranlagen kein weiterer AFS63 Austrag erfolgt. Die Summe aus AFS63 Facht in der Sedimentationsanlage und der Versickerungs-Bodenfilteranlage entspricht der gesamten AFS63-Zulauffracht im Betriebszeitraum bzw. im Zeitraum nach einer gegebenenfalls erfolgten Sedimenträumung in der Sedimentationsanlage. Je länger dieser Zeitraum ist, desto besser werden jahreszeitliche Frachtänderungen (Vegetations- und Tausalzeinfluss) nivelliert. Gleichzeitig werden die Ungenauigkeiten bei der Sedimentkartierung geringer, da große Sedimentmengen einfacher aufzumessen sind als sehr kleine.

Da diese Art der Beprobung weit weniger aufwendig ist als eine abflussvolumenproportionale Beprobung der Wasserphase, können mehr Anlagen beprobt werden. Zudem werden mit der Sedimentdepot-Methode alle Ereignisse erfasst, während bei der Beprobung der Wasserphase sehr kleine (zu geringer Abfluss) und sehr große (Abflussvolumen sehr groß, Probenflaschen reichen nicht aus) Ereignisse nicht sicher beprobt werden können.

Mit Hilfe der befestigten angeschlossenen Fläche (Ab,a) und der Betriebszeit ohne Sedimenträumung (bei den Sedimentationsanlagen) kann die absolute AFS63-Menge auf Ab,a und Jahr bezogen werden (kg AFS63/(ha Ab,a x a)).

An Standorten, bei denen der Regenabfluss teilweise oder ganz über Mulden zur Regenwasserbehandlungsanlage geführt wird, findet in der Regel bereits im Bankett-, Böschungs- und Muldenbereich eine Vorsedimentation statt. Diese Vorsedimentation wird ebenfalls durch eine Sedimentbeprobung der genannten Bereiche erfasst. Diese AFS63-Fracht aus der Vorsedimentation ist dann für die standortspezifische AFS63-Fracht zu berücksichtigen.

Im Labor werden die Sedimentproben in die Fraktionen T+U (AFS63) und S+G (Grobpartikel) aufgeteilt und im Anschluss separat auf Glühverlust (organische Bestandteile) und auf die königswasserlöslichen Elemente (Schwermetalle) und auf CaCO₃ analysiert. Bei der Beprobung basieren die ermittelten Sedimentmengen (AFS und AFS63-Frachten) auf einer möglichst langen Akkumulationszeit. Bei einer langen Akkumulationszeit (> 2 Jahr) ist ein strikter Zeitschnitt der Jahreszyklen nicht mehr notwendig. Diese langjährige Zeit nivelliert in hinreichendem Umfang jahreszeitliche Frachtänderungen (Vegetations- und Tausalzeinfluss).

Auswahl der Anlagen

In Zusammenarbeit mit der Niedersächsischen Landesbehörde für Straßenbau und Verkehr, dem Landesbetrieb Straßenbau NRW, dem Landesamt für Bau und Verkehr Thüringen, der Autobahndirektion Südbayern, dem Regierungspräsidium Tübingen, Die Autobahn GmbH des Bundes – Niederlassung West und der DEGES wurden Unterlagen von insgesamt 115 Beckenanlagen angefordert und ausgewertet. Aus diesen Anlagen wurden solche  Becken (ASB) ausgewählt,

• deren Ablauf in eine nachgeschaltete Versickerungsanlage (VS) oder Retentionsbodenfilteranlage (RBF) geleitet wird,
• deren Einzugsgebietsflächen und die Art der Zuleitung der Straßenabflüsse zu den Anlagen (Regenwasserkanal, Bankett-Mulde) bekannt oder leicht zu ermitteln waren,
• deren Einzugsgebiet keine nennenswerten Anteile an Rastplatzentwässerung enthält (vorwiegend ruhender Verkehr).

Nach Auswertung der Daten wurden im Zeitraum Mai 2020 und April 2021 insgesamt 37 Anlagen bereist und 20 Anlagen vollständig beprobt (Bild 1).

Bild 1: Lage der beprobten Anlagen

Die Spannbreite der Anlagenkenndaten ist in der Tabelle 1 aufgeführt. Hierbei ist die Betriebszeit zur Berechnung für die ermittelten spezifischen Jahresfrachten aufgeführt. Sollte es seit Inbetriebnahme zu einer Reinigung der Anlage gekommen sein, wird dieser Zeitpunkt mit in die Ermittlung der spezifischen Jahresfrachten aufgenommen.

Es zeigt sich, dass die untersuchten Anlagen sowohl in ihrer Größe als auch in ihrer Betriebszeit und der DTV eine sehr große Spannbreite abdecken. Herausstechend ist die Anlage Halensee (1) mit einer Einzugsgebietsgröße von 22,8 ha, da diese Anlage nicht ausschließlich Abflüsse von BAB behandelt, sondern auch Abflüsse aus einem Siedlungsgebiet. Der DTV liegt hier mit 140.429 Kfz/d besonders hoch. Der höchste DTV mit 174.024 Kfz/d liegt an der Anlage Köln Mülheim und der geringste DTV mit 6.503 Kfz/d liegt an der Bundesstraße B 477 mit der Anlage Mechernich (42). Das kleinste spezifische Volumen der ASB weist die Anlage Bliesheim (111) mit 12 m³/ha auf.

Tabelle 1: Kenndaten der untersuchten Anlagen

2.2 Beschreibung der Beprobung

Sedimentermittlung Sedimentationsanlage

Zur Erfassung der Sedimente in den Sedimentationsanlagen (Depot Sedimenationsanlage) erfolgt eine Sedimentkartierung und -beprobung im laufenden Dauerstaubetrieb. Hierbei werden die Sedimenthöhen mittels Peilstange aufgemessen. Die Entnahme der Sedimentproben erfolgt mit einem Ekman-Birge Sedimentgreifer als Mischprobe über die Höhe der Sedimentschicht.

Die Schritte zur Frachtbestimmung in der Sedimentationsanlage lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Vermessung Sedimentvolumen über eine Sedimentkartierung,
• Bestimmung der Lagerungsdichte des Sedimentes aus der Frischmasse über Gewicht und Volumen der Probe,
• Bestimmung Trockensubstanzgehalt des Sedimentes,
• Bestimmung der Trockenmasse,
• Bestimmung der T+U-Gehalte in der Mischprobe,
• Bestimmung der AFS63 Masse,
• Bestimmung der spezifischen AFS63-Fracht (Bezug auf Zeit und Ab,a -Fläche).

Sedimentermittlung Filtrationsanlage

Die Filteroberflächen werden in die Bereiche zulaufnah und zulauffern aufgeteilt und separat beprobt. Die Beprobung selbst erfolgt mit einem Stechzylinder. Von dem gemessenen AFS63-Gehalt wird der Ausgangs-AFS63-Gehalt des Bodenfiltermaterials bzw. des anstehenden Bodens der Versickerungsanlage subtrahiert, um das sich gebildete Depot ermitteln zu können.

Die Schritte zur Frachtbestimmung in der nachgeschalteten Versickerungsanlage/RBF lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Bestimmung des Sedimentvolumens über das Volumen (Vol. Stechzylinder x Anzahl Einstiche) und das Gewicht der Mischprobe,
• Bestimmung der Lagerungsdichte über Sedimentvolumen und Gewicht der Mischprobe, Bestimmung Trockensubstanzgehalt der Mischproben,
• Bestimmung der T+U-Gehalte in den Mischproben und im Ausgangsmaterial,
• Bestimmung der Trockenmasse auf der Versickerungsfläche,
• Bestimmung der AFS63-Fracht,
• Bestimmung der spezifischen AFS63-Fracht (Bezug auf Zeit und Ab,a -Fläche).
• Sedimentermittlung Bankett-Böschung-Muldebereich

An einem Standort, bei dem die gesamten Abflüsse über Bankett, Böschung und Mulden in eine zentrale Behandlungsanlage fließen, wurde zusätzlich zur Anlage die auf Bankett, Böschung und Mulde zurückgehaltene Sedimentfracht beprobt. Die Beprobung erfolgt ebenfalls nach der Depot-Methode. Hierbei wird ein Profil von der Straßenkante bis zum Muldentiefpunkt (Muldensohle) gestochen, um die Sedimenthöhen zu messen und zu beproben.

3 Ergebnisse

3.1 AFS63-Frachten

Die Ergebnisse aller gemessenen AFS63-Zulauffrachten der 20 vollständig beprobten Anlagen sind im Bild 2 sortiert nach ihrer spezifischen Zulauffracht dargestellt. Bei 9 der 20 Anlagen werden die Straßenabflüsse nicht nur über Straßenabläufe und Kanalrohre den Behandlungsanlagen zugeleitet, sondern ebenfalls nach Ablauf über Bankett und Böschung über straßenbegleitenden Mulden (rot dargestellt) in die Anlagen geleitet. Am Standort Mühlhausen konnte aufgrund zu geringer Frachteinträge keine Beprobung stattfinden. Die AFS63 Zulauffracht für diesen Standort wurde somit gleich null gesetzt.

Der Median der AFS63 Zulauffracht der untersuchten Anlagen liegt bei 437 kg/ha/a, das obere Quartil bei 536 kg/ha/a.

Bild 2: AFS63 – Zulauffrachten aller untersuchten Standorte in kg/ha/a (rote Säulen: Straßenentwässerung teilweise über Mulden)

Die ermittelten Zulauffrachten wurden mit Einzugsgebietsparametern in Beziehung gesetzt, um Abhängigkeiten abzuleiten:

• DTV,
• Lage außerorts/innerorts,
• Betonschutzwände bzw. Lärmschutzwände,
• Dammlagen, Einschnittlagen bzw. Lage in Waldschneisen,
• Art der Entwässerung (reine Entwässerung in Kanälen/teilweise Muldenentwässerung).

Betonschutzwände führen tendenziell zu einer Erhöhung der AFS63 Frachten, da weniger in den Straßenseitenraum verdriftet wird. Bei allen anderen potenziellen Einflussgrößen konnte kein deutlicher Zusammenhang hergestellt. Als ein Beispiel dafür ist im Bild 3 die AFS63 Fracht in Abhängigkeit von der durchschnittlichen täglichen Verkehrsstärke (DTV) dargestellt. Hier kein Zusammenhang zwischen DTV und der AFS63 Fracht zu sehen, bzw. überwiegen andere Einflüsse deutlich und überdecken einen möglichen Zusammenhang vollständig.

Bild 3: AFS63 – Zulauffrachten in Abhängigkeit des DTV

Die Art der Entwässerung (Bordrinnen-Abläufe-Rohre bzw. Bankett-Böschung-Mulde) übt hingegen einen wesentlichen Einfluss auf die an einer zentralen Regenwasserbehandlungsanlage ankommenden AFS63 Frachten aus. Werden größere Teile der Straßenflächen über Bankett-Böschung und Mulden entwässert, sinkt die an der zentralen Behandlungsanlage ankommende AFS63 Fracht deutlich. Auf dem Fließweg über Bankett und Böschung versickert ein Teil der Wassermenge und Feinpartikel werden zurückgehalten. Auf dem Fließweg findet somit eine Verringerung der Wassermenge sowie eine deutliche Entfrachtung statt. Die Wirksamkeit des Stoffrückhaltes bei dieser Art der Entwässerung wurde am Standort des RRB Köln – Mühlhausen mit 100 % Entwässerung über Bankett und Mulden untersucht. Im Regenrückhaltebecken war keine Sedimentauflage festzustellen. Die Untersuchung der Entwässerungsmulden nach der Sedimentdepot-Methode ergab hingegen eine AFS63-Fracht von 383 kg/ha/a, die auf dem Fließweg zum Becken zurückgehalten wurde.

Unter Berücksichtigung der auf dem Fließweg auf Bankett und in den Mulden zurückgehaltenen AFS63-Frachten erhält man die von den Straßenflächen abgetragenen Frachten nach Bild 4. Der blau dargestellte Anteil zeigt die spezifische AFS63 Fracht, die in den Anlagen gemessen wurde. Der grün dargestellte Bereich zeigt den AFS63 Anteil, der rechnerisch bei einem vollständigen Rückhalt der partikulären Fracht auf dem Fließweg (über die Mulden-Bankett-Entwässerung) zurückgehalten wurde.

Bild 4: AFS63 – Abtragsfrachten in kg/ha/a von den Straßenflächen

Unter Berücksichtigung der auf dem Fließweg zur Behandlungsanlage zurückgehaltenen AFS63-Fracht (Bankett-Mulden-Entwässerung) ergeben sich spezifische AFS63 Frachten von 558 kg/ha/a (Median) bzw. 821 kg/ha/a (oberes Quartil).

Verglichen mit der Kategorisierung nach DWA-A102 liegt der Median mit 558 kg/ha/a eher in Kategorie II (530 kg/ha/a) als in Kategorie III (760 kg/ha/a). Im Entwurf der REwS wird eine spezifische Zulauffracht von 550 kg/ha/a für Straßenabflüsse von BAB herangezogen, der aus mehreren Untersuchungen abgeleitet wurde. Dieser Wert kommt dem hier ermitteltem Median sehr nahe.

3.2 AFS63-Rückhalt in den Sedimentationsanlagen

Im Median sind in den Sedimentationsanlagen 142 kg/ha/a AFS63 zurückgehalten worden. Die prozentuale Rückhalteleistung bezogen auf die gesamte gemessene AFS63-Fracht im Anlagenzulauf beträgt im Median 65 %. Wie erwartet zeigt sich eine recht deutliche Abhängigkeit zum spezifischen Volumen (Bild 5). Absetzanlagen mit einem spezifischen Volumen von > 200 m³/ha können AFS63-Rückhaltegrade von bis zu > 90 % erzielen. Bei spezifischen Volumen ≤ 40 m³/ha liegt der AFS63-Wirkungsgrad hingegen größtenteils bei ≤ 40 %.

Bild 5: Rückhalteleistung der Sedimentationsanlagen in Abhängigkeit des Dauerstauvolumens

Im Rahmen von weiteren Untersuchungen an 20 Beckenanlagen (Grotehusmann et al., 2020) wurden sehr ähnliche Ergebnisse erzielt. Hierbei wurden jedoch aufgrund der unterschiedlichen Fragestellung keine Wirkungsgrade bestimmt. Sowohl das Spektrum der spezifischen Volumina der Absetzanlagen als auch das Spektrum der Rückhaltefrachten aus den beiden Untersuchungen gleichen sich. Der Median der Rückhaltefrachten beider Untersuchungen ist praktisch gleich.

Zusätzlich wurde in Grotehusmann et al. (2020) der Einfluss der Zu- und Ablaufbauwerke sowie der Tauchwand auf die Sedimentation und die potenzielle Remobilisierung von Sedimenten aufgezeigt. Neben einer guten Zulaufverteilung ist gegenüber einem punktuellen Ablaufrohr ein Ablaufbauwerk entsprechend den Vorgaben der RiStWag (Wehrschwelle über die gesamte Beckenbreite) hinsichtlich des Sedimentrückhaltes deutlich zu bevorzugen, da so ungünstige Walzenströmungen vermieden werden. Zum Leichtstoffrückhalt sollten Tauchwände und keine getauchten Ablaufrohre verwendet werden, da letztere die Abflüsse punktuell aus einer größeren Tiefe (dichter über der Sedimentschicht) abziehen, als Wehrschwellen mit Tauchwand.

4 Schlussfolgerungen

Anhand von Einzugsgebietsparametern lässt sich die AFS63-Fracht der Straßen nicht einigermaßen sicher prognostizieren. Einen wesentlichen Einfluss auf die AFS-63 Fracht hat jedoch die Art der Entwässerung bzw. der Zuleitung der Straßenabflüsse zur Behandlungsanlage. Erfolgt die Straßenentwässerung über Bankett, Böschung und Mulden, wird auf dem Fließweg zu den Behandlungsanlagen bereits ein hoher AFS63 Rückhalt erzielt. Bei der Dimensionierung von Regenwasserbehandlungsanlagen sollte diese Vorentfrachtung berücksichtigt werden.

Die ermittelten AFS63-Abtragsfrachten von den Straßen lagen zwischen 63 und 1.174 kg/ha/a. Als Median der Abtragsfrachten wurde 558 kg/ha/a berechnet. Damit wird der in der REwS genannte Wert von 550 kg/ha/a für stark  befahrene Straßen (Kategorie III nach DWA-A102-2, DTV > 15.000 Kfz/d) bestätigt. Der hohe Wert im DWA-A 102-2 von 760 kg/ha/a liegt nach den Untersuchungen eher im Bereich des oberen Quartils der AFS63-Frachten in Höhe von 821 kg/ha/a.

Sedimentationsanlagen mit einem spezifischen Volumen von > 200 m³/ha können AFS63-Rückhaltegrade von > 90 % erzielen. Bei spezifischen Volumen ≤ 40 m³/ha liegt der AFS63-Wirkungsgrad hingegen größtenteils bei ≤ 40. Damit liegen die in den REwS 2021 (FGSV, 2021) für Sedimentationsanlagen angegebenen Wirkungsgrade auf der sicheren Seite.

Literaturverzeichnis

Baensch-Baltruschat, B.; Kocher, B.; Stock, F.; Reifferscheid, G. (2020): „Tyre and road wear particles (TRWP) – A review of generation, properties,emissions, human health risk, ecotoxicity, and fate in the environment,“ Science of the Total Environment, Elsevier, Amsterdam, 2020

DWA (2020): Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V., Arbeitsblatt DWA-A 102-2/BWK-A 3-2, Grundsätze zur Bewirtschaftung und Behandlung von Regenwetterabflüssen zur Einleitung in Oberflächengewässer – Teil 2: Emissionsbezogene Bewertungen und Regelungen, Hennef 2020

Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen: Richtlinien für die Entwässerung von Straßen (REwS), Ausgabe 2021, Köln (FGSV 539)

Grotehusmann, D.; Rüter, J.; Lambert, B. (2021): Wirkung von Behandlungsanlagen der Straßenentwässerung im Hinblick auf AFS63, Schlussbericht zum BASt Forschungsprojekt FE 5.0193/2016/GRB, 2021

Grotehusmann, D.; Rüter, J.; Hunze, M.; Müllerm, K. (2020): Bemessung von Sedimentationsräumen, Schlussbericht zum BASt Forschungsprojekt FE 5.0191/2015/NGB, 2020

Xanthopoulos, C.; Hahn, H. (1990): „Pollutans Attached to Particles from Drainage Areas,“ The Science of the Total Environment 93, pp 441-448, Elsevier, Amsterdam