The Environmental Fate of Cadmium in the Soils of the Waste Water Irrigation Area of Braunschweig - Measurement, Modelling and Assessment -

Ingwersen, Joachim

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung des Umweltverhaltens von Cadmium (Cd) in den Böden des Abwasserverregnungsgebietes Braunschweig (43 km2). In die sorptionsschwachen Böden des Gebiets sind über die Verregnung kommunaler Abwässer in den letzten 40 Jahren Schwermetalle eingetragen worden. Um sowohl den aktuellen Zustand der Cd-Verlagerung im Boden als auch die horizontale und vertikale Variabilität der Sorptionseigenschaften zu untersuchen wurden 161 Bodenmonolithe (0-1.2 m) beprobt. Darüber hinaus wurde die pflanzliche Cd-Aufnahme an 40 Kartoffel-, 40 Zuckerrüben- und 20 Winterweizenstandorten untersucht. Für die Simulation der Verlagerung und der Pflanzenaufnahme wurde das Modell SEFAH eingesetzt. In dem Modell wird der Stofftransport in jeder Säule über die Konvektion-Dispersions-Gleichung und einer erweiterten Freundlich-Isotherme beschrieben. Tiefpflugmaßnahmen wurden über Bodenaustauschraten berücksichtigt. Die Pflanzenaufnahme wurde über einen massenflußbasierten Ansatz berechnet. Die räumliche Variabilität der Bodeneigenschaften wurde über verschiedene „parallel soil column approaches“ in die Modellrechnungen eingebunden. Die Ergebnisse der „Hindcast“ Simulationen stimmten sowohl mit den beobachteten mittleren Verlagerungsprofilen als auch mit den gemessenen Pflanzengehalten gut überein. Nach der Validierung wurde das Modell für verschiedene Prognosesimulationen eingesetzt. Darüber hinaus wurde über konditionierte Simulationen die Unsicherheit von Block-Kriging Schätzern untersucht. Abschließend werden zwei einfache Verfahren zur Bewertung von Cd-Einträgen in Böden vorgestellt: Die Berechnung von tolerierbaren Gesamtgehalten und Durchbruchszeiten.

The study aimed at investigating the environmental fate of Cd in the soils of the waste water irrigation area of Braunschweig. The sandy acidic soils (28 km2) within this region have undergone high loads of heavy metals by irrigation of municipal waste water for up to 40 years. 161 soil monoliths (0-1.2 m) were sampled to study the current status of Cd accumulation as well as the horizontal and vertical variability of sorption characteristics. Moreover, Cd uptake was investigated at 40 potato, 40 sugar beet and 20 winter wheat fields. The model SEFAH was used to predict both the displacement of Cd and its uptake by plants. Spatial variability of soil properties was taken into account by using a parallel soil column approach. Simulations were performed either by deterministic 1D- simulations or by the Monte-Carlo method. Solute leaching in each column was modelled with the convection-dispersion equation. The sorption of Cd was described with an extended Freundlich equation. Deep ploughing was computed by the use of soil exchange rates. The uptake of Cd by plants was modelled using a transpiration- based approach. The results of hindcast simulations agreed well with both the averaged profiles of measured Cd concentrations in soil and observed Cd contents in plants. After validation the model was used to calculate several retrospective and prospective scenarios. Error analysis of block kriging estimates using conditional simulations showed that based on the current sampling density the predictive power of estimates is strongly restricted. Finally, two simple tools to assess the effect of soil Cd on ground water and food quality are presented, the determination of tolerable total Cd contents (TTC) and the calculation of breakthrough times (BTT).

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Ingwersen, Joachim: The Environmental Fate of Cadmium in the Soils of the Waste Water Irrigation Area of Braunschweig - Measurement, Modelling and Assessment -. 2001.

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