Schadstoffkarten für Siedlungsbereiche – Untersuchungen zur Validität flächenhafter Aussagen

Projektziele:

• Recherche von Methoden und geostatistischen Verfahren zur Übertragung von Punktinformationen auf die Fläche
• Anwendung dieser Methoden in zwei Testgebieten im Erzgebirge inklusive ergänzender Bodenuntersuchungen und Darstellung der Ergebnisse für verschiedene Elemente
• Ermittlung und Überprüfung der Aussagesicherheit durch geeignete Verfahren
• Testweise Überprüfung der flächenhaften Aussagen durch gezielte Nachbeprobung an besonders verfahrensrelevanten Orten
• Ableitung von Hinweisen und Empfehlungen zur Anwendung sowie des Überarbeitungsbedarfs des Leitfadens des LfULG zur Erstellung von Bodenbelastungskarten von 2007

Projektergebnisse:

• Der Leitfaden des LfULG zur Erstellung von Bodenbelastungskarten von 2007 wies auf mögliche Schwierigkeiten der Erstellung derartiger Karten im Siedlungsbereich hin und gab erste Hilfen zu deren Überwindung. In diesem Vorhaben bestand erstmals die Gelegenheit, diese Hinweise real zu testen und zu konkretisieren, insbesondere im Hinblick auf Siedlungsgebiete im Erzgebirge, wo ein dominanter Einfluss der Bergbau- und Hüttengeschichte zu erwarten ist. Im Ergebnis dieser Untersuchungen zeigte sich, dass Punktinformationen zu Schwermetall- und Arsengehalten sich auch in Siedlungsbereichen des Erzgebirges zumeist flächenhaft darstellen lassen. Dieses erfordert im Vergleich zu Gebieten unter naturnaher Nutzung (Acker, Grünland, Forst) erheblich mehr Aufwand und Expertise bei der Bearbeitung; neben vertiefter Kenntnis der Interpolationsverfahren (Anwendungsvoraussetzungen, Stärken und Schwächen), sind umfangreiche Kenntnisse über den geologischen Untergrund und die historische Entwicklung der Siedlung mit Schwerpunkt schadstoffrelevanter Flächennutzung erforderlich. Die zumeist sehr kleinräumige Strukturierung erfordert auch zumeist höhere Probenzahlen. Es wird in Abwägung des Aufwands mit dem zu erwartenden Ergebnis empfohlen, die gesonderte Betrachtung von Siedlungsgebieten ab einer Größe von ca. 10.000 Einwohnern vorzunehmen.
• Keine der drei bislang bekannten Methoden für die Übertragung von Punktinformationen auf die Fläche (Immissionsansatz, raumanalytischer Ansatz und Substratansatz) erwies sich im Rahmen des Vorhabens als grundsätzlich vorteilhaft; jede Methode zeigte gebietsspezifisch und für einzelne Metalle Stärken und Schwächen. Teilweise ließen sich diese Methoden in einer erweiterten Form auf die beiden Testgebiete Annaberg-Buchholz und Aue anwenden. Für die Blei-Gehalte der Oberböden in Annaberg erwies sich z. B. der der raumanalytische Ansatz als besonders geeignet, der Substratansatz hingegen zeigte bessere Ergebnisse für Arsen; für Cadmium im Testgebiet Aue war der Immissionsansatz die geeignete Übertragungsmethode.
• Für die Fälle, in denen keiner der vorgenannten Ansätze plausibel erscheint bzw. insbesondere in sehr frühen Untersuchungsstadien, in denen regelmäßig nur sehr wenige Informationen vorliegen, wird eine vierte Methode (Homogenansatz) für die flächenhafte Darstellung empfohlen.
• Wesentliches Element im ersten Bearbeitungsschritt zur Erstellung einer Bodenbelastungskarte im Siedlungsbereich ist die möglichst passgenaue Ausweisung von homogenen Raumeinheiten, d. h. Flächen, in denen erwartet wird, dass sich die Stoffkonzentrationen nicht sprunghaft ändern. Der Erkenntnisgewinn späterer Bearbeitungsschritte macht in der Regel eine erneute und ggf. wiederholte Anpassung des Zuschnitts der Raumeinheiten und nachfolgende Abschätzung der Stoffgehalte im Boden erforderlich. Im Laufe dieser wiederholten Bearbeitung verbessert sich die Aussagesicherheit der erzeugten Kartenwerke.
• Aus den Tests verschiedener geostatistischer Verfahren lassen sich folgende Empfehlungen ableiten:
  Bei nur wenigen Daten pro Raumeinheit (mind. 10 bis 20) empfiehlt sich die reine Übertragung statistischer Kennwerte. Interpolationsverfahren wie das Ordinary Kriging oder Universal Kriging erlauben eine differenzierte Vorhersage, benötigen aber mehr Daten (mind. 30 bzw. 70 Punkte). Die Kriging-Verfahren liefern zudem wertvolle Aussagen zum Schätzfehler und erlauben auch eine Kreuzvalidierung.
• Als innovatives Verfahren wurde mit advangeo® erstmals ein Verfahren der künstlichen Intelligenz für die Fragestellung zur flächenhaften Vorhersage von Stoffgehalten aufgrund vorliegender Punktinformationen erfolgreich eingesetzt. Dieses Verfahren nutzt künstliche neuronale Netze und ist damit „lernfähig“. Die Vorteile dieses Verfahrens zeigen sich gerade in den sehr kleinstrukturierten Siedlungsbereichen und der Vielzahl an möglichen Einflussgrößen auf die Stoffgehalte. So ließ sich mit diesem Verfahren der Einfluss der oberflächennahen Erzgänge auf die Arsen-Konzentration im Siedlungsgebiet Annaberg gesichert abbilden.
• Bei Vorliegen einer Vielzahl von Strukturen, welche die Stoffgehalte im Boden beeinflussen, gerade auch von linienhaften Strukturen, geraten Kombinationen aus der unterschiedlichen Bildung von homogenen Raumeinheiten mit Kriging-Verfahren zur Interpolation an ihre Grenzen. Hier können Verfahren der künstlichen Intelligenz eine Alternative darstellen.