Bilanzmodell für Stofftransport in Gewässern

Ergänzend zu unseren Software-Produkten entwickelt Hydrotec spezielle Modelle, die bestimmte Vorgänge in Gewässern mathematisch abbilden. Damit lassen sich Fragen beantworten, die weit über die Berechnung von Abflüssen und Wasserständen hinausgehen.

Iod-131 in Fließgewässern und Meeren

Das OSPAR-Abkommen* verpflichtet die Mitgliedsstaaten, Verschmutzungen von Nordsee und Nordostatlantik vorzubeugen bzw. zu beseitigen und das Meer gegen schädliche Auswirkungen menschlicher Tätigkeiten zu schützen. In diesem Zusammenhang sind auch Einträge infolge nuklearmedizinischer Anwendungen radioaktiver Stoffe zu quantifizieren.

Diese entstehen z. B. durch die Radioiod-Therapien bei Schilddrüsenerkrankungen. Dabei erhalten Patienten mit einer Schilddrüsenerkrankung eine relativ hohe Dosis des kurzlebigen Iod-131 (I-131).Das Isotop mit einer Halbwertszeit von nur acht Tagen reichert sich in der Schilddrüse an und zerstört durch seine Strahlung das erkrankte Gewebe. Nach der Behandlung müssen die Patienten noch einige Tage in der Klinik verbleiben. Trotzdem scheiden sie auch nach der Entlassung noch Reste von I-131 aus.

Durch das Abwassersystem gelangt es in die Fließgewässer. Für die Modellierung wurde auf der Grundlage einer früheren Studie vorerst von einer mittleren jährlichen Fracht von ca. 40 kBq pro Bundesbürger und Jahr ausgegangen.

Interdisziplinäres Projektteam

Probennahme von Algenbesatz an der Weser (Foto: R. Gellermann)

Aufgrund des interdisziplinären Charakters des Projekts arbeitete ein Projektteam bestehend aus der Nuclear Control & Consulting GmbH, Braunschweig (NCC), dem Institut für Umweltphysik der Universität Bremen (IUP) und Hydrotec an den Teil- aufgaben. Das IUP führte u. a. Messungen der Aktivitätskonzentration bzw. der spezifischen Aktivität von I-131 in Wasser-, Algen- und Sedimentproben durch.

Hydrotec erhielt den Auftrag, ein Bilanzmodell weiter zu entwickeln, mit dem sich Messergebnisse von I-131 in Hinblick auf einzelne bilanzrelevante Transportprozesse hin bewerten lassen und eine Gesamtaktivität von I-131 abgeschätzt werden kann.

Bilanzmodell zum Transport von Nukliden in Flusssystemen

Ziel des Bilanzmodells im hier beschriebenen Projekt ist es, die bilanzbezogenen Einflüsse von verschiedenen Prozessen auf die Frachten von I-131 in den Flüssen Rhein, Elbe, Weser und Ems abzuschätzen und im Ergebnis Jahresfrachten in den Nordostatlantik zu ermitteln. Das Modell besteht aus vier Teilen, mit denen sich die wichtigsten Prozesse abbilden lassen:

• Das räumliche Abflussmodell beschreibt das langjährig mittlere Abflussverhalten der Flüsse mit fünf repräsentativen Abflusszuständen unter Berücksichtigung von Zuflüssen aus Nebengewässern und Grundwasser, Retentionseffekten und Fließzeitverzögerungen in Staustufen und Ästuaren.
• Das räumliche Schwebstoffmodell bildet den langjährig mittleren Schwebstofftransport in den Flüssen ab. Schwebstoffeinträge erfolgen durch diffuse Zuflüsse und Seitengewässer. Das Modell berücksichtigt die Sedimentation, die Resuspension und die Quermischung.
• Das räumliche Stoffverteilungsmodell berechnet ausgehend von Abflussmodell und Schwebstoffmodell die Verteilung von I-131. Der Eintrag der Iod-Aktivität findet diffus und punktuell über Kläranlagen und Seitengewässer statt. Iod liegt gebunden oder partikulär vor. Die Sorption wird als Prozess berücksichtigt.
• Das zeitliche Stoffverteilungsmodell integriert den Zerfall von I-131 und die daraus resultierenden Veränderungen von Stofffrachten und -konzentrationen. Die Gewässerprofile sind in fünf Sektoren unterteilt, die sich je nach Abfluss-zustand unterschiedlich verhalten.

Konzeptionelle Struktur des entwickelten Modells (Quelle: NCC)

Eingangsdaten in Längsschnitten zusammenfassen

Um die Eingangsgrößen für jeden Flussabschnitt bereitstellen zu können, erzeugten wir zu jedem Fluss Längsschnitte mit den Parametern:

• Abfluss für fünf Zustände (Niedrigwasser bis Hochwasser)
• Flächen der Pegeleinzugsgebiete
• Einwohner der Pegeleinzugsgebiete
• Überschwemmungsbreite
• Geometrie des Flussschlauchs

Dazu wurden verschiedene Informationen ausgewertet wie Pegeldaten der Fließgewässer, GIS-Datensätze zu Gemeindeflächen, Einwohnerzahlen und ÜSG sowie Daten zur Lage und Größe von Kläranlagen.

Modell flexibel einsetzbar

Das aufgebaute Modell ist grundsätzlich geeignet, Einträge von Stoffen in große Flüsse zu bilanzieren. Durch die Validierung von Modellrechnungen anhand der Messwerte trägt es zu einem vertieften Prozessverständnis bei. Das Modell ist so angelegt, dass auch langlebigere Radionuklide oder chemische Stoffe bilanziert werden können.

Dr.-Ing. Oliver Buchholz

*Oslo-Paris-Konvention, OSPAR vom 25. März 1998; Abkommen zum Schutz der Meeresumwelt des Nordostatlantik