Der Einfluss der Probennahme auf die Erfassung von Spurenstoffkonzentrationen und -frachten in Fließgewässern

Abstract

This study examines whether distinct monitoring strategies result in notable differences when estimating annual average and peak concentrations of micropollutants in rivers (adherence to environmental standards) and annual riverine loads. Three different sampling techniques were employed over the course of a year at two locations within the Wulka River basin. The primary monitoring site on the Wulka River is characterized by a catchment heavily affected by farming activities and significant discharges from municipal wastewater treatment plants. The catchment of the second sampling location on the tributary Nodbach is also dominated by agricultural land use but it does not receive discharges from wastewater treatment plants. Grab samples were collected manually every two weeks, while continuous sampling was performed using two automated, refrigerated samplers operated simultaneously to gather time- and volume-proportional composite samples over 14-day periods. Four categories of micropollutants were selected to reflect different emission and transport patterns in river catchments: trace metals (total and dissolved), pharmaceuticals, per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS), and pesticides.

For substances that are introduced continuously, such as commonly used pharmaceuticals or dissolved metals, preliminary evaluations of annual average concentrations can be carried out using 12 grab samples without significant systematic deviations. Composite samples offer advantages when emissions and river concentrations fluctuate over time. Substances with seasonal application, such as most pesticides, require special consideration through composite sampling over extended periods. Measuring the concentrations, and especially the loads, of contaminants released during specific events (e.g., certain pesticides, certain PFAS, total metals) poses challenges when using grab samples. In the context of discharge-driven pollution events, composite samples, particularly volume-proportional composites, have shown to be highly beneficial. Another approach is to collect grab samples specifically during such events using targeted sampling. If substances are emitted in brief pulses (in the study’s catchment, this likely applies to the insecticide lindane), they may be undetected by grab sampling. In such cases, composite samples are essential to ensure detection.

Diese Arbeit untersucht, ob unterschiedliche Beprobungsmethoden zu signifikanten Unterschieden bei der Abschätzung der durchschnittlichen und maximalen Jahreskonzentrationen von Spurenstoffen in Flüssen führen und wie sich diese auf die Einhaltung von Umweltqualitätsnormen sowie die Erhebung jährlicher Frachten auswirken. An zwei Standorten im Einzugsgebiet der Wulka wurden in einem einjährigen Programm drei Beprobungsmethoden miteinander verglichen. Das Einzugsgebiet der Messstelle am Hauptfluss Wulka ist stark von Landwirtschaft geprägt und weist erhebliche Einleitungen aus kommunalen Kläranlagen auf. Das Einzugsgebiet der zweiten Messstelle am Zubringer Nodbach ist ebenfalls landwirtschaftlich geprägt, allerdings erfolgen keine Einleitungen von/aus Kläranlagen. In 14-tägigen Abständen wurden Stichproben entnommen, während sowohl zeit- als auch volumenproportionale Mischproben über 14 Tage mit zwei parallellaufenden automatischen, gekühlten Probenehmern gesammelt wurden. Untersucht wurden vier Stoffgruppen, die für unterschiedliche Emissions- und Transportdynamiken repräsentativ sind, nämlich Schwermetalle (gelöst und gesamt), Arzneimittel, Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) sowie Pestizide.

Bei weitgehend kontinuierlich eingetragenen Stoffen, wie weit verbreiteten Arzneimitteln oder gelösten Metallen, kann eine erste Bewertung der Durchschnittskonzentrationen mithilfe von zwölf Stichproben mit geringer systematischer Abweichung erfolgen. Die Verwendung von Mischproben bietet jedoch den Vorteil, die zeitliche Variabilität der Emissionen und der Exposition in Flüssen besser zu erfassen. Stoffe mit saisonalem Einsatz, wie die meisten betrachteten Pestizide, erfordern eine besondere Beachtung, die durch integrierte Mischproben über einen längeren Zeitraum gewährleistet werden kann. Die Erfassung der Konzentrationen und insbesondere der Frachten von Stoffen, die bei bestimmten Ereignissen emittiert oder transportiert werden (z. B. einige Pestizide, einige PFAS oder Gesamtmetalle), ist mit Stichproben nur eingeschränkt möglich. In solchen Fällen erweist sich die Verwendung von integrierenden Proben, insbesondere volumenproportionalen Mischproben, als vorteilhaft. Alternativ kann auch die gezielte Entnahme von Stichproben bei solchen Ereignissen durch eine stratifizierte Probenahme in Erwägung gezogen werden. Für die Erfassung von Stoffen, die kurzzeitige, impulsartige Emissionen aufweisen, wie das Insektizid Lindan im Untersuchungsgebiet, ist die Verwendung von Mischproben unerlässlich.