Multi-criteria selection of priority trace contaminants for the long-term transnational multi-compartment monitoring in the Danube River Basin

Abstract

Verunreinigung mit Spurenstoffen stellt eine anhaltende Herausforderung für die Wasserwirtschaft im Donaueinzugsgebiet dar. Für das Gebiet gibt es bislang kein einheitliches Emissionsinventar, da sich die rechtlichen Rahmenbedingungen und die Messprogramme der einzelnen Staaten stark unterscheiden. Diese fragmentierte Ausgangssituation schränkt eine effektive Bekämpfung der Spurenstoffbelastung erheblich ein. Zudem verfolgen bestehende Überwachungsprogramme einen immissionsbasierten Ansatz, bei dem ausschließlich Oberflächengewässer beprobt werden. Eine Rückverfolgung der Eintragspfade und Quellen ist so nicht möglich. Gerade die Modellierung von Eintragspfaden könnte jedoch eine solide Grundlage für ein tieferes Verständnis der Emissionssituation sowie für die Planung von Minderungsmaßnahmen bilden. Voraussetzung dafür ist eine Datengrundlage, die nicht nur Oberflächengewässer abdeckt, sondern auch diverseKompartimente, über die Stoffe in die Gewässer gelangen.Aufgrund begrenzter Ressourcen müssen die Stoffe für ein derartiges Überwachungsprogramm gezielt ausgewählt werden. Die vorliegende Arbeit entwickelt einen multikriteriellen, datenbasierten Ansatz zur Priorisierung von Spurenstoffen für ein langfristiges, transnationales und kompartimentübergreifendes Messprogramm im Donaueinzugsgebiet.Aus der relevanten Gesetzgebung der Donauländer, der Fachliteratur sowie bestehenden Messnetzen wurde zunächst eine umfassende Liste potenzieller Kandidatenstoffe zusammengestellt.Diese Stoffe wurden in Kategorien unterteilt und den für sie in Frage kommenden Eintragspfaden zugeordnet. Anschließend wurden die Stoffe bewertet: nach ihrem regulatorischen Status, ihrem intrinsischen Gefahrenpotenzial sowie danach, wie stark und wie großflächig sie ihre Schwellenwerte in Oberflächengewässern überschreiten. Zudem wurde berücksichtigt, wie häufig und in wie vielenLändern sie in Oberflächengewässern sowie in den Eintragspfaden zugeordneten Kompartimenten nachgewiesen wurden. Die Grundlage dieser Bewertung ist eine Datenbank mit rund 6,5 Millionen Messwerten aus sieben Kompartimenten. Das Verfahren liefert je Eintragspfad eine eigene Prioritätenliste. Diese Listen wurden abschließend zu einer Auswahl von 30 Substanzen für das Monitoringprogramm zusammengeführt. Diese finale Liste ist zweistufig aufgebaut: Polyzyklischearomatische Kohlenwasserstoffe (PAK), Metalle und per- und polyfluorierte Alkylverbindungen (PFAS) erweisen sich pfadübergreifend als Prioritäten, während pfadspezifische Stoffe, wie etwa Diclofenac für Abwassereinträge, als Indikatoren für ihre jeweiligen Emissionspfade dienen.Langfristig soll dieses Priorisierungskonzept ein empirisches Fundament für ein transnationales Überwachungsprogramm mehrerer Kompartimente im Donaueinzugsgebiet bilden. Die vorgeschlageneListe würde eine deutliche Ausweitung des bestehenden Messnetzes bedeuten, da derzeit nur sechs dieser 30 Stoffe gemessen werden, und dies ausschließlich in Oberflächengewässern.Die Priorisierung spiegelt die aktuelle Datenlage wider und wird sich mit deren Veränderung weiterentwickeln. Sie ist also als Ausgangspunkt und nicht als abschließende Antwort zu sehen.Das beständigere Ergebnis dieser Arbeit ist der methodische Ansatz selbst, der sich nicht nur bei veränderter Datenlage wiederholen, sondern auch auf andere Einzugsgebiete übertragen lässt.Der in der vorliegenden Ansatz soll dazu beitragen, begrenzte institutionelle Kapazitäten auf die wichtigsten und aussagekräftigsten Substanzen zu konzentrieren. Damit schafft er die Voraussetzung für jene konsistenten, pfadaufgelösten Daten, die ein ganzheitliches Spurenstoffmanagementim Donauraum benötigt.

Pollution with trace contaminants is an ongoing challenge for water management in the Danube River Basin (DRB). The basin currently lacks a harmonised transnational emission inventory, as the regulatory and monitoring landscapes are highly heterogenous throughout the basin. Under these circumstances basin-wide pollution control of trace contaminants is limited. Existing monitoring programmes are not only fragmented but also follow an immission-based assessment that samples surface waters only, an approach that obscures the sources and emission routes of contaminants. Emission pathway modelling, which could underpin basin-wide planning of abatement and mitigation measures, require harmonised monitoring data not only for surface waters but also for the environmental and technical compartments through which substances are transported. Since monitoring resources are limited, the substances to be covered by such a programme must be selected deliberately. This thesis develops a multi-criteria, data-driven framework that prioritises trace contaminants for a long-term, transnational, multi-compartment monitoring programme in the DRB. A list of candidate substances was compiled from relevant legislation across the Danube countries, relevant literature and existing monitoring networks. Substances were grouped by category and thus matched with the emission pathways they are eligible for. They were then evaluated on their regulatory status, their intrinsic hazard properties, the extent to which they exceed their aquatic threshold in surface waters and how widely across the basin that exceedance is spread, as well as how frequently and widely they are detected in surface waters as well as in the specific emission pathways. The basis of this evaluation is a regional database holding approximately 6.5 million measurements across seven environmental and technical compartments. The evaluation yields one ranked priority list per emission pathway, which was then consolidated into a list of 30 substances for the proposed monitoring programme. This final list has a twotier structure: Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH), metals and Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) emerge as consistent priorities across all pathways, while pathway-specific substances, such as Diclofenac for wastewater contamination, are the more reliable indicators of their associated emission pathways.The long term vision is for this prioritisation framework to lay the empirical foundation for a unified, transnational multi-compartment monitoring programme in the DRB. Only six of the thirty proposed substances are currently monitored basin-wide and only in surface waters, so the list implies a substantial extension of the existing monitoring strategies. It should be seen as a starting point rather than a definitive answer, as the prioritisation reflects the monitoring evidence available today and would shift as the underlying databases become more complete. By focusing the limited institutional resources on this targeted list of indicator substances, future monitoring efforts will be able to supply coherent, pathway-resolved data into regionalized emission models, such as the Modelling of Regionalized Emissions (MoRE) framework. The framework itself, which requires only a candidate list, monitoring data and physicochemical properties and is also transferable to other river basins, constitutes the more durable result. Ultimately, this targeted approach is designed to facilitate the creation of comprehensive emission inventories, shifting water governance in the DRB toward holistic, source-directed risk assessment and evidence-based mitigation strategies.