III.1.5 Güteparameter
III.1.5.1 Sauerstoff
Die Entwicklung des Sauerstoffgehaltes in der Elbe wird im Planfeststellungsbeschluss unter Ziffer II.3.2.1.5b als "nicht beweissicherungsfähig" eingestuft. Anhand der veröffentlichten Daten der ARGE Elbe soll jedoch die Entwicklung mit den Prognosen der UVU verglichen werden.
Die nachfolgenden Abbildung III.1.5.1-1 bis -8 zeigen die Entwicklung der Sauerstoffverteilung in der Tideelbe vor, während und nach der Ausbaumaßnahme.
Abb. III.1.5.1-1: Längsprofile des Sauerstoffgehaltes in der Tideelbe im Juli bzw. August der Jahre 1996 - 2004 (auf Basis der monatlichen ARGE-Elbe-Hubschrauberbefliegungen)
Die Längsschnitt-Messungen im Juli bzw. August der Jahre 1996 - 2004 zeigen die räumliche Ausdehnung des "Sauerstofftals" in der Tideelbe (Abbildung III.1.5.1-1). Dabei sind Sauerstoffgehalte unter 6 mg O2/l innerhalb eines Bereiches von Elbe-km 620 - 670 zu beobachten. Im Juli 2001 und im August 2004 wurden die niedrigsten Werte aller dargestellten Messkampagnen registriert; dabei traten oberflächennah Sauerstoffgehalte unter 3 mg/l auf.
Das Längsprofil des Sauerstoffs während des Hochwassers im August 2002 (26.08.02) stellte eine extreme Situation dar. Die gesamte Tideelbe ab Wehr Geesthacht bis km 710 wies nur geringe Sauerstoffgehalte von 2,3 - 4,3 mg O2/l auf.
Abbildung III.1.5.1-2 zeigt die zeitliche Entwicklung der Sauerstoffgehalte für sechs Messpunkte entlang der Tideelbe. In diesen oberflächennahen Einzelproben sind die relativ höchsten Sauerstoffgehalte an den von der Mittelelbe geprägten Stationen Geesthacht und Bunthaus zu beobachten. Die im Sommer teilweise sehr hohen Sauerstoffgehalte (> 12 mg O2/l) zeigen eine deutliche Übersättigung des Wassers mit Sauerstoff an. Stromabwärts zu der unterhalb des Hamburger Hafens gelegenen Station Neßsand wurde ein deutlicher Rückgang der Sauerstoffgehalte gemessen. Diese Station und die Station Lühesand wiesen jeweils im Sommer (1996 - 2004) Sauerstoffgehalte unter 6 mg/l auf; seit 1998 die Station Neßsand und seit 2002 die Station Lühesand sogar Werte unter 4 mg/l. Die im Bereich des Trübungsmaximums der Elbe liegende Station Brunsbüttel und die vom Nordseewasser beeinflusste Station Gr. Vogelsand wiesen ganzjährig Sauerstoffgehalte zwischen 6,6 und 13,5 mg/l auf (Ausnahmen waren der durch das Hochwasser verursachte geringe Messwert im August 2002 an Station Brunsbüttel sowie die Messwerte von 6,1 bzw. 5,8 mg O2/l im August 2001 bzw. 2003 an Station Gr. Vogelsand), damit lagen die Gehalte meist im Bereich der temperaturabhängigen Sauerstoffsättigung.
Abb. III.1.5.1-2: Zeitliche Entwicklung (1996 - 2004) der oberflächennahen Sauerstoffgehalte an verschiedenen Orten der Elbe
(auf Basis der monatlichen ARGE-Elbe-Hubschrauberbefliegungen)
In Abbildung III.1.5.1-3 sind die täglichen Sauerstoffminima der beiden kontinuierlichen Messstationen Bunthaus und Seemannshöft im Zeitraum 1996 - 2004 dargestellt. Die Daten veranschaulichen die starke Belastung des Sauerstoffhaushaltes in diesem Bereich der Tideelbe. So fallen oberhalb des Hamburger Hafens bei Bunthaus im Sommer die Tagesminima des Sauerstoffgehalts bis auf 2 mg/l (Juni 2000 und Juli 2001) und im Trockenjahr 2003 sogar auf unter 1 mg/l ab. Noch geringere Gehalte waren bei Seemannshöft mit deutlichen Unterschreitungen des 2 mg/l-Wertes in den Sommermonaten der Jahre 1997, 1999 - 2001 sowie 2003 und 2004 zu registrieren. Die langen Aufenthaltszeiten des Wassers und die ungünstigen Bedingungen (große Wassertiefen mit gering durchlichtetem Anteil) für den biogenen Sauerstoffeintrag durch Algen und die physikalische Wiederbelüftung begünstigen die sauerstoffzehrenden Prozesse und führen so zum Rückgang der Sauerstoffgehalte in diesem Bereich. Insbesondere die O2-Tagesminima an der Station Bunthaus zeigen von 1996 - 2003 eine Tendenz zu immer niedrigeren Sauerstoffgehalten. Hierdurch wird eine zunehmende Belastung des Sauerstoffhaushaltes der Unterelbe angezeigt. Diese Tendenz schlägt sich auch in den geringen Sauerstoffgehalten der Sommermonate 1999 - 2004 an der Station Seemannshöft nieder. Die kontinuierlichen Messungen an der Station Grauerort (Elbe-km 660,5) wiesen in den Jahren 1996 - 2004 keine eindeutige Tendenz auf. Die Sauerstoffminima lagen, bis auf die Hochwassersituation im August 2002, immer über 4 mg O2/l (s. Daten auf DVD-1 - Hydrologie).
Abb. III.1.5.1-3: Tagesminima des Sauerstoffgehaltes basierend auf den kontinuierlichen Messungen der ARGE-Elbe bei Bunthaus und Seemannshöft von 1996 - 2004
Die Abbildung III.1.5.1-8 zeigt die langfristige Entwicklung der Sauerstoffverteilung an der Wasseroberfläche. Nach einer Phase der Verbesserung der Sauerstoffgehalte in den Jahren 1991 - 1996 war im Zeitraum 1997 - 1999 eine Umkehr dieses Trends hin zu niedrigeren Sauerstoffgehalten zwischen km 620 und km 670 zu beobachten. Betrachtet man die kontinuierlichen Daten, wie in Abbildung III.1.5.1-3 geschehen, ist diese negative Entwicklung der Sauerstoffgehalte für den Bereich oberhalb des Hamburger Hafens (Station Bunthaus) an den auftretenden Sauerstoffminima für den Zeitraum von 1996 - 2001 zu belegen.
Die Verschlechterung der Sauerstoffverhältnisse in der Tideelbe dürfte wesentlich durch die hohe Primärproduktion in der Mittelelbe beeinflusst sein. Denn der mikrobielle Abbau dieser pflanzlichen Biomasse im Bereich des Hamburger Hafens verbraucht Sauerstoff und hat dadurch die so genannte Sekundärbelastung in der Unterelbe ansteigen lassen. Das sehr abflussarme Jahr 2003 führte dazu, dass bei langen Aufenthaltszeiten und hohen Wassertemperaturen im Bereich des Hamburger Hafens von Anfang Juni - Ende Juli sehr geringe Sauerstoffgehalte auftraten.
Im limnischen Bereich der Tideelbe von Geesthacht - Hamburg weisen die Schwebstoffe einen hohen Anteil an organischem Material auf, der als partikulärer organischer Kohlenstoff (POC) bezeichnet wird. Er kann wie in Abbildung III.1.5.1-4 aus der Differenz von totalem Kohlenstoffgehalt (TOC) zu gelöstem Kohlenstoffgehalt (DOC) einer Wasserprobe abgeleitet werden. Insbesondere der im Sommer hohe Anteil von algenbürtigen Kohlenstoff-Verbindungen führt zu einem hohen Substratangebot für heterotrophe Bakterien. Dieses Substratangebot für Bakterien kann als BSB7-Wert (biologisch-chemischer Sauerstoffbedarf nach 7 Tagen, s. Abbildung III.1.5.1-4) dargestellt werden. Unter Sauerstoffverbrauch werden diese schnell abbaubaren C-Verbindungen mikrobiell abgebaut. Dieser biologische Prozess bewirkt einen starken Rückgang der Sauerstoffgehalte in der Unterelbe im Bereich des Hamburger Hafens bis nach Lühesand.
Abb. III.1.5.1-4: Längsschnitt des BSB7, des TOC sowie DOC in der Unterelbe am 01.07.03
(Längsprofilmessungen der ARGE-Elbe 2003). Zudem sind die Wassertiefen der Tideelbe im Bereich der Fahrrinne dargestellt.
Elbe-km
Die Entwicklung der Sauerstoffgehalte in den Nebenelben (NE) der Tideelbe ist von hoher ökologischer Bedeutung, da die randlichen Gewässerbereiche wichtige ökologische Lebensräume für Tiere und das Phytoplankton und -benthos darstellen. Die hohe ökologische Wertigkeit ist gerade auch durch die im Vergleich zum Hauptstrom günstigeren Sauerstoffgehalte begründet. In der Hahnöfer NE z. B. war von 1996 - 1999 eine deutliche Abnahme der sommerlichen Sauerstoffgehalte zu beobachten (Abbildung III.1.5.1-5). Seit 1999 traten in der Hahnöfer NE im Sommer regelmäßig Sauerstoffgehalte nahe 4 mg/l auf. Die bis ca. 1999 deutlich positiven Differenzen der Sommerhöhen-Sauerstoffgehalt von der NE zum Hauptstrom haben damit in den letzten Jahren (2000 - 2004) abgenommen. Trotzdem zeigten die Messungen im Juli und August der Jahre 1999, 2000 und 2004, dass gerade bei sehr geringen Sauerstoffgehalten im Hauptstrom die NE noch immer als "sauerstoffreicheres" Rückzugsgebiet für Tiere zur Verfügung steht.
Eine Erklärung für die zusätzliche Belastung des Sauerstoffhaushalts der Hahnöfer NE kann die seit 1999 zunehmende Menge an verklapptem Baggergut aus dem Hamburger Hafen in die Tideelbe bei Wedel sein. Dieses Material kann zu einer Beeinträchtigung des Sauerstoffhaushaltes der Hahnöfer NE beigetragen haben, indem ein Verdriften feiner Fraktionen des Baggergutes in die NE erfolgte und dort eine verstärkte Schwebstoffkonzentration und ggf. Sedimentation bewirkte. Dieses verdriftete Material würde dann auch eine erhöhte Sauerstoffzehrung im Wasserkörper der NE bewirken und damit dort zu einem Rückgang der Sauerstoffgehalte beitragen.
Abb. III.1.5.1-5: Sauerstoffgehalte in der Hahnöfer Nebenelbe und im Hauptstrom der Tideelbe (km 641) von 1996 - 2004 (auf Basis der monatlichen ARGE-Elbe-Hubschrauberbefliegungen)
Die weiter seewärts liegende Pagensander- und Glückstädter NE zeigten im Vergleich zum Hauptstrom bei km 662,7 bzw. km 675,5 ebenfalls höhere Sauerstoffgehalte. Die Unterschiede betrugen im Zeitraum 1996 - 2004 für die Pagensander NE im Mittel 0,5 mg O2/l und für die Glückstädter NE 0,2 mg O2/l. Dabei waren insbesondere in der Pagensander NE bei den Beprobungen im Sommer und Herbst höhere Differenzen mit Werten bis zu 1,5 mg O2/l feststellbar. Zudem zeigen die Messdaten für die Pagensander NE im Zeitraum 1996 - 2004 einen leichten Trend zu größeren Sauerstoffdifferenzen zwischen NE und Hauptstrom bei km 662,7.
Die seit Mitte der neunziger Jahre vorliegende Tendenz zu geringen Sauerstoffgehalten in der Tideelbe ist im Wesentlichen auf die veränderte Belastungssituation aus der Mittelelbe zurückzuführen. Die im selben Zeitraum angestiegene und seit mehreren Jahren konstant hohe Algenbiomasseproduktion in der Mittelelbe führt zu der hohen Belastung der Tideelbe mit organischem Material.
Die Beweissicherung zum Sauerstoffgehalt der Tideelbe sieht vor, dass die tatsächliche Entwicklung der Sauerstoffgehalte mit den Prognosen aus der Umweltverträglichkeitsuntersuchung verglichen wird. Beim Vergleich der Sommermittelwerte (April - September) des Sauerstoffgehaltes aller Elbabschnitte (Tabelle III.1.5.1-1 und Abbildung III.1.5.1-6) im Zeitraum 1990 - 2004 sind signifikante Änderungen zu beobachten (ANOVA, F = 26, p < 0,001). Dabei konnten mit Hilfe eines post-hoc Tests (Tukey-HSD) die Sommermittel des Sauerstoffgehaltes für folgende Jahre gegeneinander abgrenzt werden. Der signifikant geringste Wert (rote Gruppe) wurde 1990 mit einem Sommermittel von 6,29 mg O2/l bestimmt. Demgegenüber weist die Untergruppe 9 (Tabelle III.1.5.1-1) mit den Jahren 1994-1996 (blaue Gruppe, s. auch Abbildung III.1.5.1-6) die signifikant höchsten Mittelwerte mit über 7,98 mg O2/l auf.
Tab. III.1.5.1-1: Signifikanztest für Sommermittelwerte (April - September) des Sauerstoffs der Jahre 1990 - 2004 (Tukey-HSD)
| n | Untergruppen | |||||||||
| Jahr | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
| 1990 | 169 | 6,292 | ||||||||
| 2003 | 108 | 6,784 | ||||||||
| 2002 | 106 | 6,846 | 6,846 | |||||||
| 1991 | 136 | 7,055 | 7,055 | 7,055 | ||||||
| 1999 | 108 | 7,238 | 7,238 | 7,238 | ||||||
| 2000 | 108 | 7,447 | 7,447 | 7,447 | ||||||
| 2004 | 108 | 7,529 | 7,529 | 7,529 | ||||||
| 1998 | 117 | 7,570 | 7,570 | 7,570 | 7,570 | |||||
| 1992 | 162 | 7,577 | 7,577 | 7,577 | 7,577 | |||||
| 2001 | 108 | 7,577 | 7,577 | 7,577 | 7,577 | |||||
| 1997 | 108 | 7,613 | 7,613 | 7,613 | 7,613 | |||||
| 1993 | 162 | 7,748 | 7,748 | 7,748 | ||||||
| 1995 | 135 | 7,979 | 7,979 | 7,979 | ||||||
| 1994 | 79 | 8,019 | 8,019 | |||||||
| 1996 | 108 | 8,385 |
Bei einem Signifikanzniveau, Alpha = ,05
Weiterhin können die in 3 Untergruppen (2 - 4) auftretenden Mittelwerte kleiner als 7,5 mg O2/l der Jahre 1991, 1999, 2000, 2002 und 2003 (orange Gruppe, Abbildung III.1.5.1-6) zusammengefasst werden und gegen die übrigen 4 signifikanten Untergruppen (5 bis 8) mit Mittelwerten über 7,5 mg O2/l, (Jahre 1992, 1993, 1997, 1998, 2001 und 2004, grüne Gruppe, Abbildung III.1.5.1-6) abgegrenzt werden.
Die sommerlichen Sauerstoffgehalte der Jahre 1990 - 1993 weisen stark ansteigende Mittelwerte auf (Abbildung III.1.5.1-6). Diese Tendenz setzt sich in den folgenden Jahren 1994 - 1996 fort und führt zu den höchsten Mittelwerten des betrachteten Zeitraums (1990 - 2004). Die Jahre ab 1997 zeigen gegenüber diesem Zeitraum geringere sommerliche Mittelwerte, wobei statistisch gesehen sommerliche Mittelwerte wie in den Jahren 1992 und 1993 zu beobachten sind.
Abb. III.1.5.1-6: Sommermittelwerte (April - September) des Sauerstoffgehaltes im Hauptstrom der Tideelbe (km 586 - 757) in den Jahren 1990 - 2004
(auf Basis der monatlichen ARGE-Elbe-Hubschrauber-Befliegungen). Boxplots mit arithmetrischen Mittelwert. Der obere und untere Rand der Boxen markieren das 75 und 25 Perzentil, die Balken die Minimum- und Maximumwerte. Die Kreise weisen Ausreißer, die mehr als 1,5 Boxengrößen vom Rand der Box entfernt sind, aus.
Vergleicht man vor diesem Hintergrund die Sommermittelwerte der einzelnen UG, so ist zu erkennen, dass in den Jahren 1990 - 1993 vor Ausbau (Ist-Zustand der UVU) Unterschiede zu den Jahren 2000 - 2003 nach Ausbau bestehen (Tabelle III.1.5.1-2). Die stärkste Änderung mit einer Erhöhung der Sauerstoffgehalte um 1,7 mg/l ist im UG1, also an dem durch die Mittelelbe am stärksten beeinflussten Bereich der Tideelbe, festzustellen. Hierfür dürfte die im Vergleich zum Zeitraum 1990 - 1993 deutlich angestiegene Primärproduktion bzw. Bildung von Algenbiomasse in der Mittelelbe und der damit verbundene biogenene Sauerstoffeintrag ursächlich sein. Besonders deutlich wird diese Entwicklung auch an den sehr hohen Sauerstoffgehalten bei Elbe-km 585,5 - der zur Mittelelbe am nächsten gelegenen Messstelle (Abbildung III.1.5.1-7). Dieser verstärkte biogene Sauerstoffeintrag bewirkt auch noch im Vergleich zum Zustand 1990 - 1993 im UG2 mit 0,9 mg/l deutlich und im UG3 mit 0,1 mg/l gering erhöhte mittlere Sauerstoffgehalte.
Tab. III.1.5.1-2: Vergleich der Sommer-Mittelwerte (April - September) des Sauerstoffgehalts in den einzelnen Elbabschnitten UG1 bis UG7
Die Werte basieren auf den Messungen im Hauptstrom der Tideelbe während der Längsprofilbeprobungen der ARGE-Elbe 1990 - 2003
| UG | km |
Sommerwerte 1990 - 1993 mg O2/l |
Sommerwerte 2000 - 2003 mg O2/l |
| 1 | 586 - 610 | 9,1 | 10,8 |
| 2 | 610 - 632 | 6,3 | 7,2 |
| 3 | 632 - 650 | 5,2 | 5,3 |
| 4 | 650 - 677 | 6,1 | 6,1 |
| 5 | 677 - 704 | 7,8 | 7,5 |
| 6 | 704 - 727 | 8,3 | 7,7 |
| 7 | 727 - 758 | 8,8 | 8,2 |
Der UG3, mit den geringsten mittleren Sauerstoffgehalten aller Abschnitte, zeigt auf den Sommermittelwert zwischen den Betrachtungszeiträumen bezogen keine Unterschiede. Wobei in UG3 und UG4 in den Jahren von 1990 - 2003 zwischenzeitlich eine Veränderung stattgefunden hatte, wie die obigen Ausführungen belegen und auch in Abbildung III.1.5.1-7 für den Elbe-km 630 dargestellt ist. In den UG5 bis UG7 treten im Sommer Abnahmen des mittleren Sauerstoffgehaltes um 0,3 - 0,6 mg/l auf. Dieser Rückgang dürfte ebenfalls teilweise durch die erhöhte Sauerstoffzehrung als Folge der zugenommenen Sekundärbelastung der Tideelbe mit organisch abbaubarer Algenfracht der Mittelelbe zurückzuführen sein. Hinzu kommen die Auswirkungen des August-Hochwassers des Jahres 2002, das zu extrem geringen Sauerstoffgehalten in den UG4 bis UG6 führte (s. auch Abbildung III.1.5.1-1).
Abb. III.1.5.1-7: Sommerliche Sauerstoffgehalte (April - September) im Hauptstrom der Tideelbe bei km 585,5 und km 630 in den Jahren 1990 - 2004
(auf Basis der monatlichen ARGE-Elbe-Hubschrauberbefliegungen)
Inwieweit auch ausbaubedingte Wirkungen seit 1997 mit Beginn der Durchführung der vorgezogenen Teilmaßnahmen diese Entwicklung der Sauerstoffgehalte beeinflusst haben, ist aus den vorliegenden Daten nicht quantitativ abzuleiten.
Abb. III.1.5.1-8: Zeitliche Entwicklung der Sauerstoffverteilungen an der Wasseroberfläche 1953 - 1999
(Quelle: Homepage der ARGE-Elbe -www.arge-elbe.de-)
III.1.5.2 Schwebstoff
Es wurden im Rahmen von einmaligen Messkampagnen beim Kernkraftwerk Stade sowie im Rahmen von Bagger- und Verklappungsvorgängen Schwebstoffmessungen durchgeführt (s. dazu Kapitel A.1.12 des Anlagebandes). Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen, dass hinsichtlich der dort behandelten Fragestellungen keine negativen Auswirkungen durch die Ausbaumaßnahme auftraten.
Darüber hinaus wurden im Rahmen der Beweissicherung keine weiteren Schwebstoffmessungen vorgenommen.