Bilanzierung
der Nährstoffeinträge in Gewässer in landwirtschaftlich genutzten
Einzugsgebieten des Saarlandes auf Basis vorhandener Datengrundlagen
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Projektleitung |
Prof.
Dr. Jochen Kubiniok |
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Bearbeitung |
Dr.
Bettina Barth (Erosionsmodellierung, Niederschlag/Abfluss, Landnutzung) |
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Dr.
Barbara Neumann (Bodenwasserhaushalt, Landwirtschaft, Punktquellen) |
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Auftraggeber |
Ministerium
für Umwelt des Saarlandes Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Walter Köppen |
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Projektzeitraum |
2003-2005 |
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Hintergrund
Die EG-Wasserrahmenrichtlinie
– der „gute Zustand“ der Gewässer vor dem Hintergrund anthropogener Belastungen
aus punktuellen und diffusen Quellen
Mit der
EG-Wasserrahmenrichtlinie (EG-WRRL) sind alle Mitgliedstaaten aufgefordert, bis
zum Jahr 2015 in den Ländern der Europäischen Union für alle Gewässer (Grund-
und Oberflächengewässer) einen „guten Zustand“ zu erreichen bzw. sicher zu
stellen. Der „gute Zustand“ wird in der Bundesrepublik Deutschland nach
allgemeinem Konsens in Anlehnung an die Güteklassifikationen der LAWA mit der
Gewässergüte II (mäßig belastet) beschrieben [1, 2, 3]. Viele
Oberflächengewässer in landwirtschaftlich genutzten Einzugsgebieten im
ländlichen Raum des Saarlandes weisen bereits in den Quellbereichen N- und
P-Konzentrationen auf, die um das Doppelte bis Fünffache über der angestrebten
Güteklasse II liegen [4, 5].
Nach einem festgelegten
Zeitplan müssen die Mitgliedsstaaten bis zur Zielerreichung „guter Zustand“
eine Reihe von Arbeitsschritten wie Bestandsaufnahme, Maßnahmenprogramme, Überwachungsprogramme
etc. ableisten. Die geforderte Überprüfung der Auswirkungen menschlicher
Tätigkeiten auf den Zustand der Oberflächengewässer schließt eine
differenzierte Betrachtung von punktuellen Einleitungen (Einleitungen von
Kläranlagen, Hausklärgruben, Industrie) und diffusen Stoffeinträge ein. Als
„diffuse Stoffeinträge“ bezeichnet man Belastungen bzw. Stoffeinträge, die
nicht eindeutig lokalisierbaren Schmutzquellen zuzuordnen sind, d. h. Einträge
über Sickerwasser, Interflow und Grundwasserzustrom, aber auch durch
atmosphärische Deposition. Die Hintergründe, Quellen und Pfade diffuser
Stoffeinträge sind prinzipiell bekannt, für jedes Einzugsgebiet jedoch bedingt
durch Art und Intensität der Landnutzung, Topographie, Klima und Böden und eine
Vielzahl weiterer Faktoren charakteristisch ausgeprägt [6].
Diffuse und
punktuelle Stoffeinträge in Oberflächengewässer im Saarland
Im ländlichen Raum des
Saarlandes stammen lediglich zwischen 9 % und 30 % der Stickstoffbelastung
der Oberflächengewässer aus siedlungswasserwirtschaftlich bedingten
Einleitungen. Den weitaus größeren Anteil der stofflichen Belastung machen
diffuse Stickstoffeinträge aus (70 % bis über 90 % der Gesamtbelastung) [5, 6].
In vielen Fällen ist der diffuse Eintrag von Stickstoff auf eine nicht an
Standort und pflanzlichen Bedarf angepasste Landbewirtschaftung zurückzuführen
[4, 5, 6, 7, 8]. Während Stickstoff überwiegend in Form des Nitrates über
Sickerwasser, Interflow und Grundwasserzustrom verlagert und in die Gewässer
eingetragen wird, gelangt Phosphat vornehmlich durch den Eintragspfad
Erosion/Oberflächenabfluss in die Gewässer. In landwirtschaftlich genutzten
Gebieten, die zudem eine geringe Strukturierung aufweisen, kann bei
einsetzendem Oberflächenabfluss ein Stofftransport bis hin zum Vorfluter
stattfinden. Untersuchungen im Rahmen des Erosionsmessprogramms des Landesamt
für Umweltschutz des Saarlandes haben gezeigt, dass auf einer lehmig-sandigen
Braunerde mittlerer Entwicklungstiefe im nördlichen Saarland, bedingt durch
unterschiedliche Bodenbewirtschaftung, der oberflächliche Abfluss zwischen 2%
und 40% des Effektivniederschlags einer winterlichen Hochwasserphase betragen
kann [9]. Zahlreiche Untersuchungen weisen auf ein stellenweise
besorgniserregendes Ausmaß der Bodenerosion im Saarland hin [9, 10, 11, 12, 13].
Die gemessen bzw. modellierten Erosionsbeträge liegen um ein Vielfaches über
der durch die Verwitterung gesteuerten Bodenneubildungsrate [siehe auch 14, 15,
16, 17].
Einzugsgebietsbezogener
integrierter Gewässerschutz
Vor diesem Hintergrund ist
es dringend erforderlich, einen Schritt von der bisher üblichen
Flussbewirtschaftung zur nutzungsbezogenen und nachhaltigen
Einzugsgebiets-Bewirtschaftung zu vollziehen, wie ihn auch die EU-WRRL
vorsieht. Zur Lösung des Konfliktbereiches
Landwirtschaft-Gewässerschutz/Naturhaushalt ist eine nachhaltige, ökologisch
wie agrarwirtschaftlich ausgerichtete und standortangepasste Bodennutzung
erforderlich, die gleichzeitig einer zukunftsträchtigen, funktionierenden
Landwirtschaft und einem integrierten Gewässer- und Bodenfunktionsschutz dient.
Mittelfristig muss eine dauerhafte Kooperation zwischen Landwirtschaft und
Wasserwirtschaft angestrebt werden, um über eine ökonomisch ausgewogene und
gewässerschonende Landbewirtschaftung die Forderungen der
wasserwirtschaftlichen Rahmenplanungen und Richtlinien zu erfüllen.
Projektansatz - Bilanzierung
der diffusen und punktuellen Stoffausträge mit MOBINEG 3.0
In der Regel sind direkte
Messungen von diffusen Austrägen (Nitrataustrag aus dem Boden),
Oberflächenabfluss, Bodenabtrag (abgetragene Bodenmengen, Phosphatfrachten) mit
hohem zeitlichem und personellem Aufwand sowie erheblichen Kosten verbunden. Um
dennoch Aussagen über das Maß anthropogener Belastungsquellen für
Oberflächengewässer machen zu können, bietet sich der Einsatz von
Bilanzierungsmodelle an. Derartige Modelle zerlegen die komplexen
Wirkungszusammenhänge des Naturhaushaltes in einzelne Teilprozesse, die durch
mathematische Funktionen oder auch deterministisch erfasste Prozessabläufe
beschrieben werden und damit für die Praxis handhabbar gemacht werden. Sind die
räumlichen Daten erhoben und verarbeitet, ist es mit Hilfe von Szenarien
möglich, die Folge von Bewirtschaftungsmaßnahmen im Einzugsgebiet auf die
Stoffeinträge abzuschätzen. Dadurch kann die Effektivität von Maßnahmen zur
Reduktion von Nährstoffeinträgen prognostiziert werden.
Im Rahmen dieses Projektes
sollten für drei Einzugsgebiete zur Unterstützung der WRRL-Umsetzung im
Saarland die Stickstoff- und Phosphateinträge in die jeweiligen
Oberflächengewässer auf Basis vorliegender Datengrundlagen quantifiziert
werden, um daraus einzugsgebietsbezogene Maßnahmen zur Reduzierung unzulässiger
Nährstoffbelastungen der Oberflächenwasserkörper ableiten zu können. Zur
Durchführung der Bilanzierung und Modellierungen der diffusen und punktuellen
Nährstoffeinträge wurde mit dem datenbankgesteuerten Programm MOBINEG 3.1 ein
Ansatz gewählt, der sich an Empfehlungen der LAWA und der EG-WRRL orientiert.
Folgende Einzugsgebiete
wurden im Rahmen des Forschungsprojektes betrachtet (vgl.
Untersuchungsgebiete):
- Leuk (bis einschließlich Mündung Gliederbach,
vgl. Abgrenzung nach Projekt WUNEF [6])
- Theel mit Ill
- Bliesabschnitt Blieskastel-Rheinheim
Für diese drei Untersuchungsgebiete
wurden mit Hilfe von MOBINEG 3.1 die punktuellen und diffusen N- und P-Einträge
in Oberflächengewässer differenziert nach Eintragspfaden erfasst und
quantifiziert. Neben der Bilanzierung der diffusen und punktuellen Einträge
konnten auch Szenarien zur Veränderung der stofflichen Belastung unter
Nutzungsänderungen in der Landwirtschaft gerechnet und nötige Handlungsansätze
formuliert werden.
MOBINEG 3.1 arbeitet sowohl mit vorhandenen,
statistischen Daten, die über statistische Landesämter, Landesämter und
Ministerien erhältlich sind, als auch mit empirisch ermittelten Daten, die der
aktuellen Literatur zum Stand der Forschung zu entnehmen sind. Basierend auf
modellhaften Annahmen zu Wasser- und Nährstoffflüssen werden zum Teil auch
pauschale bzw. empirisch bestätigte Annahmen getroffen. Räumliche Daten werden
über eine ArcView-Anbindung aggregiert und erfasst, so dass neben
Datenbankabfragen und –berechnungen die Ergebnisdarstellung in Grafiken und
Karten erfolgen kann. Bei der Datenaufbereitung und Datenbereitstellung wurden
verschiedene Anpassungen der in MOBINEG 3.0 vorgesehenen prozessabbildenden
Ansätze vorgenommen. Beispielsweise wurde die Bodenerosionsgefährdung
nutzungsangepasst bestimmt wird und nicht nur pauschal für das Szenario
„Schwarzbrache“. Ebenso wurde statt der vorgeschlagenen CORINE Land Cover Daten
auf detailliertere Nutzungsdaten des ATKIS Basis-DLM zurückgegriffen [18].
Die mit MOBINEG 3.1 durchgeführte
Nährstoffbilanzierung ergab für die Untersuchungsgebieten eine deutliche
Belastung aus diffusen Quellen. So stammen im Einzugsgebiet Leuk 85 %, im
Einzugsgebiet Theel-Ill immer noch 66 % des eingetragenen Gesamtstickstoffs aus
diffusen Quellen. Lediglich im Untersuchungsgebiet Blies spielen punktuelle
Nährstoffbelastungen aus Kläranlagen eine bedeutendere Rolle. Die Analyse der
Eintragspfade zeigt, dass insbesondere Stickstoff, aber auch Phosphor, zum
großen Teil aus dem Bereich Landwirtschaft in die Gewässer gelangen. Bei den
Phosphoreinträgen spielen neben dem Eintrag durch Bodenerosion vor allem die
Einträge aus Kläranlagen und Kanalisation eine herausragende Rolle. So stammen
im Einzugsgebiet Blies 62 % und im Einzugsgebiet Theel-Ill 55 % der
Gesamtphosphormenge aus punktuellen Quellen. Dabei ist in diesem
Untersuchungsgebiet Bedeutung der Kläranlagen für die Belastung der Gewässer
ist durch Ausbaumaßnahmen der vergangenen Jahre deutlich zurückgegangen.
Die Bilanzierungsergebnisse
wurden über chemische Messwerte (Nges, Pges) des Landesamtes für Umweltschutz
des Saarlandes aus den Jahren 2001-2003 und langjährige Pegeldaten (LfU) bzw.
Abflussmessungen (BRUCH 2002) verifiziert. Die Verifikationen haben bestätigt,
dass der gewählte Bilanzierungsansatz für die saarländischen Fliegewässer und
deren Einzugsgebiete verlässliche und realistische Aussagen zum Stoffeintrag
ermöglicht und das Modell auf den Raum unter Beachtung der zur Verfügung
stehenden Datengrundlagen anwendbar ist. Der umgesetzte Bilanzierungsansatz
kann somit auf andere Einzugsgebiete des Saar-Lor-Lux-Raumes übertragen werden.
Chemische Analysedaten des Landesamtes für Umweltschutz belegen die ermittelte
Nährstoffbelastung der Oberflächengewässer in den ausgewählten Untersuchungsgebieten.
Der nach EG-WRRL geforderte
gute Gewässerzustand wird derzeit ein keinem der drei Untersuchungsgebiete
erreicht. Mit Hilfe des Bilanzierungsmodells können jetzt die Nährstoffeinträge
in die Gewässer quantifiziert und die Eintragspfade identifiziert werden, so
dass der erkennbare Handlungsbedarf genauer eingegrenzt und definiert werden
kann. Durch die Berücksichtigung flächendeckender Nutzungsparameter
(Bodentypen, Landnutzungstypen, Wasserhaushalt, ...) und punktueller
Einleitungen (Kläranlagen, Kleineinleiter) sowie die Berechnung von Szenarien
bietet der Modellierungsansatz Möglichkeiten zur Formulierung von effektiven
Maßnahmen zur Reduktion der Stoffeinträge. Im Gegensatz zu reinen
Mess-Programmen könnten so alle saarländischen Oberflächenwasserkörper
hinsichtlich der Quantifizierung der Eintragspfade betrachtet und analysiert
werden – unter vertretbarem finanziellem, technischen und personellen Aufwand.
Der Abschlussbericht des Projektes wird vom Ministerium für Umwelt auf folgender Seite zum Download zur Verfügung gestellt: http://www.umwelt.saarland.de/1800_12727.htm
[1] LAWA.
Länderarbeitsgemeinschaft Wasser [Hrsg.] (1998): Beurteilung der Wasserbeschaffenheit
von Fließgewässern in der Bundesrepublik Deutschland. Chemische
Gewässergüteklassifikation. - Berlin.
[2] Keitz, S. von (2001):
Anforderungen an die Wasserrahmenrichtlinie für oberirdische Gewässer und
aktueller Stand der fachlichen Umsetzung. – In: Wasser und Abfall 9: 16-19.
[3] IKSMS – Internationale Kommissionen zum Schutze der Mosel und der Saar [Hrsg.] (2005): Richtlinie 2000/60/EG. Internationale Flussgebietseinheit RHEIN. Internationales Bearbeitungsgebiet „Mosel-Saar“. Bestandsaufnahme (Teil B). – Sekretariatr der IKSMS, Trier, http://www.iksms-cipms.org.
[4] Kubiniok,
J., W. Feltes, B. Neumann, & I. Bruch (2004): Diffuse und punktuelle
Stickstoffeinträge in Quellen und Oberläufe kleiner saarländischer
Fließgewässer. - In: VDLUFA-Schriftenreihe 59 (2004), Kongressband 2003
Saarbrücken: 685-692.
Posterbeitrag
Nr. P-059.
[5] Bruch, I., J. Kubiniok,
B. Neumann, A. Siegl (2001): Wasser- und Nährstoffhaushalt im Einzugsgebiet
kleiner Fließgewässer auf repräsentativen Flächen im ländlichen Raum des
Saarlandes als Grundlage für angepasste kommunale Abwasser- und
Regenwasserbehandlungskonzepte – WUNEF. – Abschlussbericht im Auftrag des
Ministerium für Umwelt des Saarlandes, Saarbrücken. URL:
http://scidok.sulb.uni-saarland.de/volltexte/2003/85/.
[6] Neumann, B. (2002): Erfassung
des nutzungsbedingten Nitrataustrages landwirtschaftlich genutzter Böden und
GIS-gestützte Modellierung des standörtlichen Nitratverlagerungsrisikos - Ein
Beitrag zum integrierten Gewässerschutz. – Dissertation, Universität des
Saarlandes, Fachrichtung Geographie, Saarbrücken. URN:
urn:nbn:de:bsz:291-scidok-849.
URL:
http://scidok.sulb.uni-saarland.de/volltexte/2003/84
[7] Neumann, B. (2004):
N-Bilanzen und Stickstoffausträge unterschiedlich intensiv genutzter Acker- und
Grünlandflächen. - In: VDLUFA-Schriftenreihe 59 (2004), Kongressband 2003
Saarbrücken: 678-684.
Posterbeitrag
Nr. P-058
[8] Kubiniok, J. & B.
Neumann (1998): Stickstoffdynamik landwirtschaftlicher Kulturböden: Vergleich
verschiedener Anbaumethoden und Möglichkeiten zur Ausweisung von Flächen
unterschiedlichen Nitratauswaschungspotentials. - In: Saar-Lor-Lux,
Umweltprobleme. Saarbrücker Geographische Arbeiten Bd. 44: 81-97, Fachrichtung
Geographie, Universität des Saarlandes, Saarbrücken.
[9] Kubiniok, J. (1998):
Ausmaß und Abschätzung der aktuellen Bodenerosion im Saarland. - In: Mosella,
Eau et Morphologies, Nr. 3-4, S. 61-74. Metz.
[10] Kubiniok, J.&
H.-M. Weicken (1989): Anthropogene Relief- und Bodenveränderungen im Saarland -
dargestellt an Beispielen aus dem östlichen Bliesgau und dem
Prims-Blies-Hügelland. - Arbeiten aus dem Geographischen Institut der
Universität des Saarlandes, Bd. 36: 293-308; Saarbrücken. (3 Abbildungen).
[11] Kubiniok, J. (1999):
Bodenerosion im Saarland – Historische Entwicklung und Aktuelles Ausmaß. - In:
Saar-Lor-Lux Bodenschutz, Saarbrücker Geographische Arbeiten Band 46, S. 65-75,
Saarbrücken
[12] Kubiniok, J. & B.
Barth (1996): Anthropogene Bodenveränderungen im ländlichen Raum des
Saarlandes. - In: Magazin Forschung (Univ. d. Saarlandes), Nr. 1 (1996): 8 –
19, Saarbrücken.
[13] Kastenholz, U., J. Kubiniok
& R. Kunkel (1999): Geoökologische Verteilungsmuster von Cäsium-137 nach
dem Reaktorunfall von Tschernobyl – Ein Beitrag zum Bodenschutz im Saarland. -
In: Magazin Forschung der Universität des Saarlandes, S.22 – 33, Saarbrücken.
[14] Barth, B. (1997):
Bodenerosionssimulation mit GIS. - Arbeiten aus dem Geographischen Institut der
Universität des Saarlandes 43.
[15] Barth, B. (1997):
GIS-gestützte Bodenerosionsprognose - Ein Beitrag zum Bodenschutz. - In: ESRI
(Hrsg.) Tagungsband der Deutschen Anwenderkonferenz 10.-12. März
1997. Kranzberg.
[16] Barth, B. & J. Kubiniok (1998): Soil degradation and GIS-based
soil erosion prediction in South-Western-Germany (Saarland). - In: Proceedings
of the 16th World Congress of Soil Science, 1998, Montpellier.
[17] B. Barth & J.
Kubiniok (2004):Bodenerosion in ackerbaulich genutzten Gebieten des Saarlandes.
- Chronologie, Ausmaß und GIS-gestützte Prognose. - In: VDLUFA-Schriftenreihe
59 (2004), Kongressband 2003 Saarbrücken: 693-704.
Posterbeitrag
Nr. P-060.
[18] Kubiniok, J., B. Barth & B. Neumann (2004): Établissement du bilan
des entrées d'éléments nutritifs dans les eaux des bassins versants agricoles
du Saarland sur la base de données existantes. - Posterbeitrag, Colloque
Spatialisation et Cartographie en Hydrologie, CEGUM, Université de Metz, Metz,
8.-10.09.2004, Actes du Colloques. (Im Druck)
[22] Kubiniok, J., W. Feltes
und B. Neumann (2002): Erfassung und Bewertung der Nitratkonzentrationen in
ausgewählten saarländischen Quellwässern und Quellgerinnen. – URL:
http://www.uni-saarland.de/fak5/physgeo/Quellen.html
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