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Assessment of metal contamination and retention capacity of highway embankment soils
Werkenthin, Moritz
Die Entwässerung von Autobahnen erfolgt in Deutschland häufig über das angrenzende Bankett, was zu einem erheblichen Schwermetalleintrag in den Straßenrandbereich führt. Aus Sicht des Grundwasserschutzes müssen Straßenbankette daher über ein ausreichendes Schwermetallretentionsvermögen verfügen. Bankette bestehen in der Regel aus dem in der Umgebung anstehenden Oberboden. Neu angelegte Bankette müssen dagegen aufgrund geänderter rechtlicher Vorgaben aus einer definierten Boden-Schotter-Mischung konstruiert werden, um das Befahren im Notfall zu ermöglichen. In dieser Arbeit habe ich das Schwermetallrückhaltevermögen bestehender und neu angelegter, standfester Bankette untersucht, um eine potentielle Gefährdung des Grundwassers durch die Infiltration des Straßenabflusses abzuschätzen.
Um die Schwermetallbelastung (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb und Zn) von Banketten/ Straßenrandböden verschiedener Standorte in Europa zu bestimmen, wurde eine umfassende Literaturstudie durchgeführt. Das Schwermetallrückhaltevermögen eines langjährig bestehenden Autobahnbankettes an der A115 wurde anhand verschiedener Labor- und Feldversuchen ermittelt. An einem anderen Abschnitt der A115 wurde eine Lysimeterstation mit drei unterschiedlichen Bankettvarianten errichtet, um das Schwermetallrückhalte-vermögen neu gebauter, standfester Bankette zu untersuchen.
Die Literaturstudie ergab, dass die Schwermetallkonzentrationen in der obersten Bodenschicht (0–<5 cm) in den ersten 5 m neben der Straße an allen Standorten stark erhöht sind, im Mittel lagen sie bei 0.7 (Cd), 28 (Cr), 48 (Cu), 25 (Ni), 106 (Pb) und 179 (Zn) mg kg-1. Dies ist der Bereich in dem der Straßenabfluss primär infiltriert. Die Schwermetallkonzentrationen der Bodenmatrix nahmen in der Regel mit zunehmender Tiefe und Entfernung zur Straße ab. Die Studie zeigte weiterhin, dass die Konzentrationen in der Bodenlösung nicht zwangsläufig diesem Muster entsprechen. Die Lösungskonzentrationen in 10 m Entfernung zur Straße waren oftmals höher als am unmittelbare Straßenrand, was auf die geringeren Boden pH-Werte und Sickerwasserraten in dieser Entfernung zurückzuführen ist.
Im bestehenden Bankett der A115 waren die Schwermetallkonzentrationen um bis zu 30-mal höher (Cd und Cu) als die Konzentrationen des Referenzbodens in ca. 800 m Entfernung zur Straße. Die Lösungskonzentrationen im Sickerwasser waren ebenfalls erhöht, sie lagen zum Teil über den Konzentrationen des Straßenabflusses. In Laborversuchen konnte gezeigt werden, dass das Schwermetallretentionsvermögen des bestehenden Banketts 10 bis 20 Mal höher war als das des Referenzbodens. Der Eintrag von Sedimenten und Partikeln führte zu einem Anstieg des pH-Wertes und des Corg Gehaltes im Bankett und somit auch zu einer Erhöhung der Sorptionsfähigkeit.
Die Messungen an der Lysimeterstation haben gezeigt, dass die Schwermetalle im Straßenabfluss größtenteils an Partikel bzw. Sedimente gebunden (78-98%) sind. Zusammen mit dem Straßenablauf wurden große Mengen an Sedimenten (4,7 kg m-² a-1) in das Bankett eingetragen. Im Mittel lagen die Konzentrationen bei 0.6 (Cd), 58 (Cr), 166 (Cu), 21 (Ni), 29 (Pb) und 527 (Zn) µg L-1. Durch die hohen Infiltrationsraten direkt an der Straße war die Grundwasserneubildungsrate im Bereich des Bankettes um bis 22-mal höher (4100 mm a-1) als unter natürlichen Bedingungen. Die Lösungskonzentrationen im Sickerwasser der beiden standfesten Varianten waren nicht signifikant höher als die der nicht standfesten Referenz. Die Gesamtkonzentrationen in der Bodenlösung waren, je nach Element, mehr als doppelt so hoch wie die Lösungskonzentrationen und lagen zwischen 0,4-0,7 (Cd), 14-20 (Cr), 28-114 (Cu), 11-25 (Ni), 16-42 (Pb) und 67-97 (Zn) µg L-1. Der Anteil partikulär gebundener Schwermetalle an der Gesamtkonzentration war in den neu gebauten Banketten deutlich höher als in dem bestehenden Bankett. Dies ist vermutlich auf die relativ kurze Standzeit der Bankettlysimeter zurückzuführen ist.
Das Schwermetallrückhaltevermögen von bestehenden Banketten genügt in der Regel den geltenden rechtlichen Ansprüchen in Bezug auf den Grundwasserschutz. An langjährig betriebenen Autobahnstandorten kann es aber aufgrund von Schwermetalldesorption vereinzelt zu problematischen Lösungskonzentrationen im Bankett kommen. Die Versickerung von Straßenabfluss in standfeste Bankette führt, in Bezug auf die aktuellen Prüfwerte, nicht zu einer erhöhten Grundwassergefährdung. Die hohen Infiltrationsraten im Bereich des Bankettes führen, trotz relativ niedrigen Sickerwasserkonzentrationen, zu einer Verlagerung erheblicher Schwermetallfrachten in tiefere Bodenschichten und damit möglicherweise auch ins Grundwasser. Um die Schwermetallfrachten im Bankettbereich möglichst gering zu halten sollte einen Mindestfeinkornanteil (<0,063 mm) für Bankettmaterialien festgelegt werden. Zukünftige Forschungsvorhaben in diesem Bereich sollten untersuchen inwieweit sich das Schwermetallretentionsvermögens neu gebauter, standfester Bankette im Laufe der Betriebszeit verändert.
The decentralised infiltration of highway runoff into the adjacent embankment is a common stormwater management practice that sustainably changes the quality of the soils and soil solution. Accumulation, retardation and migration of metals plays an important role in terms of soil and groundwater protection. In the past, embankments were usually made of topsoil material from the surrounding area. However recent changes in road construction regulations require the application of accurately defined gravel-soil mixtures in order to ensure drivability in emergency cases. The objective of my doctorate thesis was to assess the metal retention capability of existing and newly constructed stable highway embankments from infiltrating road runoff in order to highlight the risk of groundwater contamination and deduce possible improvements for future embankment constructions.
In a first step a literature review was conducted to determine the metal (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb and Zn) pollution in embankment soils and soil solutions of different study sites across the European highway network. In a second step the metal retention capability of an existing embankment at the A115 highway was investigated using both field and laboratory experiments. In a third step three lysimeters were filled with different embankment materials and installed along the A115 highway in order to asses metal retention capacity of newly constructed stable embankments from diffuse runoff infiltration.
The European data synthesis showed that metal concentrations are strongly increased in the topsoil layer (0–<5 cm) of the first 5 m beside the road, which is the area receiving the majority of infiltrating road runoff. The mean concentrations in this area were 0.7 (Cd), 28 (Cr), 48 (Cu), 25 (Ni), 106 (Pb) and 179 (Zn) mg kg-1. Typically soil contamination decreased with increasing soil depth or distance from the road. The concentration patterns of metals in soil solution were independent from concentrations in the soil matrix. Solute concentrations often increase within a distance up to 10 m which is probably due to a lower soil pH and low percolation rates at this distance.
Metal concentrations in the existing embankment soil at the A115 were strongly increased after long-term operation. They were up to thirty times higher (Cd and Cu) compared to a reference site at 800 m distance to the highway. Dissolved metal concentrations in soil solution were often higher than in the road runoff, indicating that leaching from soil matrix was largely responsible for the elevated metal levels. However, adsorption experiments showed that the metal retardation capacity of the old embankment soil is 10 to 20 times higher compared to reference soil without influence of traffic. The increasing metal retention capacity was caused by the higher soil pH and the higher clay and Corg content of the embankment soil, most likely resulting from highway traffic induced particle and sediment input.
At the lysimeter study site, metals from road runoff were largely associated with particles and sediments (78-98%). Along with the highway runoff, considerable loads of sediments (4.7 kg m-2 a-1). The mean metal concentrations in road runoff were 0.6 (Cd), 58 (Cr), 166 (Cu), 21 (Ni), 29 (Pb) and 527 (Zn) µg L-1. The high infiltration rates lead to increased groundwater recharge which are increased up to 22 times (4100 mm a-1) compared to natural conditions. Dissolved metal concentrations in soil solution of stable highway embankments were not significantly higher compared to the nonstable reference. Total metal concentrations in soil solution were, depending on the metal, more than twice as high as dissolved concentrations ranging from 0.4-0.7 (Cd), 14-20 (Cr), 28-114 (Cu), 11-25 (Ni), 16-42 (Pb) and 67-97 (Zn) µg L-1. The ratio of particle-bound metals was significantly higher than in the existing embankment, which could be a result of the relatively short operating time.
Overall the metal retention capability of existing highway embankments from infiltrating road runoff is adequate from the legislators' point of view. At existing, highly polluted embankment sites, leaching from soil matrix can sporadically lead to problematic metal concentrations in soil solution. The infiltration of runoff in newly constructed, stable embankments do not increase the risk of groundwater contamination with respect to the current trigger values. However, high infiltration rates directly beside the road facilitate the transfer of high metal loads into deeper soil layers and potentially into the groundwater as well. To reduce metal loads in the area of the embankments, it is recommended to specify a minimum share of fine soil (<0.063 mm) for embankment materials. Based on the present findings, future research should address the change of metal retention capacity from newly constructed embankment over time.
