Integrierte Nährstofftransportmodellierung als Grundlage ... · Oktober 2006, Cesky Krumlov Berechnete Fracht und Retention für das Jahr 2001 Abschnitte 2: Straßberg – Greiz

UFZ-UmweltforschungszentrumLeipzig-Halle GmbHin der Helmholtz-Gemeinschaft

12. Magdeburger GewässerschutzseminarWasserrahmenrichtlinie (WRRL)

10.-13. Oktober 2006, Cesky Krumlov

Integrierte Nährstofftransportmodellierung als Grundlage für die Implementierung der WRRL:

Die Weißen Elster Fallstudie


10.-13. Oktober 2006Cesky Krumlov

gefördert durch

Michael Rode1, Bernd Klauer2, Daniel Petry2, Martin Volk3, Gerald Wenk1, Dierk Wagenschein1

UFZ Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH1Department Hydrologische Modellierung

2Department Ökonomie3Department angewandte Landschaftsökologie




Ziel des Projektes

Kurzcharakterisierung des Weiße Elster Gebietes

Entwicklung von Maßnahmenprogrammen

Ermittlung von Maßnahmewirkungen und Kosteneffizienz

Zusammenfassung und Ausblick

ÜÜbersichtbersicht



10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovProjektzielProjektziel

Entscheidungsunterstützung bei der Aufstellung von Maßnahmenprogrammen nach WRRLErreichung des guten ökologischen Zustands von Oberflächengewässern in Bezug auf die damit verbundenen Nährstoffkomponenten (N + P)

Ermittlung von Maßnahmeneffekten:- stoffliche Wirkungen (Beitrag zur Zielerreichung)- ökonomische Wirkungen (Kosten der Maßnahme)

Bewertung von Maßnahmen im Hinblick auf - Kosteneffektivität der Zielerreichung- Umsetzbarkeit und Zusatzeffekte

Produkt: Verfahren zur Maßnahmenplanung nach WRRL




MaMaßßnahmenprogrammenahmenprogramme

Bestandsaufnahme + Erstbeschreibung

Festlegung der Maßnahmenkombinationen

Aufstellung und Umsetzung der Maßnahmenprogramme

Ermittlung der Maßnahmeneffekte

Vorauswahl von Maßnahmen

Zielkonkretisierung

Arbeitsschritte bei der Aufstellung von Maßnahmenprogrammen

Ausnahme-regelungen

Monitoring-programme Ö

ffentlichkeitsbeteiligung



10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovCharakterisierung WeiCharakterisierung Weißße Elstere ElsterElbe –Internationale Flussgebietseinheit

Weiße Elster –Bearbeitungsgebiet im Koordinierungsraum Saale

5.154 km² EZG

1.5 Mio. Einwohner

komplexe administrativ-politische Struktur

heterogene Landnutzungs-struktur

vielfältige Wassernutzungen

THÜRINGEN

Leipzig

Gera

Plauen

SACHSEN

SACHSEN-ANHALT

BAYERN

TSCHECHIEN

Halle SACHSEN



10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovCharakterisierung WeiCharakterisierung Weißße Elstere ElsterVorläufige Bewertung der voraussichtlichen Zielerreichung in den Oberflächenwasserkörpern:

wahrscheinlichunklarunwahrscheinlich

Wasserkörper nachBearbeitungs-gebieten

Zielerreichung wahrscheinlich

Zielerreichung unklar

Zielerreichungunwahrschein-

lich

Obere Saale 15 8 12

Untere Saale 0 5 44

Unstrut 9 14 38

Weiße Elster 13 38 86Bode 0 27 49

KOR gesamt 37 92 229



10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovMaßnahmenprogramme






Zielkonkretisierung


Ausnahme-regelungen





10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovRRääumliche Zielkonkretisierungumliche ZielkonkretisierungBilanzraumbezogene Reduktionsziele

#S

#S #S#S

#S

#S

#S

#S

#S#S

#S

#S#S

#S

#S

#S

#S

#S

#S#S#S

#S

#S

#S

#S

Fehlende Bilanzier-barkeit vieler Wasserkörper

ca. 40 Gütemessstellen137 Oberflächen-wasserkörper

#S#S #S#S

#S

#S

#S

#S

#S#S

#S

#S#S

#S

#S

#S

#S

#S#S#S#S

#S

#S

#S

#S

Ausweisung von Bilanzgebieten:

Gruppierung der Oberflächenwasser-körper nach

Lage der GütemessstellenHydrologie

Ableitung zugehöriger Teileinzugsgebiete mittels digitalem Gelände-Modell



10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovMaßnahmenprogramme






Zielkonkretisierung


Ausnahme-regelungen





10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovAusgewählte MaßnahmenEintragsquelle Maßnahme Beschreibung

Kommunale Kläranlagen

Verbesserung AusbaustufeErhöhung Regen-entlastungskapazitäten

Verbesserung der Reinigungs-leistung bei Größenklassen I-III

• Ausbau von Regenrückhaltbauwer-ken(bei Mischwasserkanalisation)

Private Abwas-sereinleitungen

(Aus-)Bau dezentraler Kläranlagen

In ausgewählten Teilen des Einzugsgebietes

Reduzierung der N-Düngung Ökologischer Landbau auf 5%, 10%, 20%,30% deranbauflächeUmstellung von konventionellen auf integrierte Fruchtfolgen

Konservierende Bodenbearbeitung

• flächendeckend

Flächenumwidmung / Dauerbrache

Prozentualer Anteil entsprechend RAUMIS-Szenario; flächenkonkret

Uferrandstreifen 20 m Breite

Wehre Rückbau Alle Wehre

Gewässer-system

Renaturierung z.B. Umsetzung Fließgewässerprogramm Sachsen-AnhaltSzenarien zur Verlängerung derFLießlängen

Gewässer-struktur

Diffuse Quellen

Landwirtschaft-liche Flächen-nutzung

PunktuelleQuellen




Ausnahme-regelungen

Monitoring-programme




Zielkonkretisierung



Arbeitsschritte bei der Aufstellung von MaArbeitsschritte bei der Aufstellung von Maßßnahmenprogrammennahmenprogrammen




Modelle (Nährstoffaustrag):

lateraler P-Transport (Regionalisierungsansatz von Erosion2D/3D)

Wasserhaushalts- und Nährstoffaustragsprozesse (SWAT)

Nährstofftransport und -umsatz in Fliessgewässern (WASP5)

Ermittlung von stofflichen Ermittlung von stofflichen MaMaßßnahmeneffektennahmeneffekten



10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovModellierungssystem SWATModellierungssystem SWAT

Schema Datenflüsse in SWAT (Di Luzio et. al.)



10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovSWAT SWAT KalibrierungKalibrierungDurchflussmessstelleDurchflussmessstelle ZeitzZeitz

11/1/1997 3/1/1998 7/1/1998 11/1/1998 3/1/1999 7/1/1999 11/1/1999 3/1/2000 7/1/20000

102030405060708090

100110120130140150

Discharge Zeitz (obs.) Discharge Zeitz (sim.)

Dis

char

ge [m

³/s]



10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovMaMaßßnahmewirkung Szenariennahmewirkung Szenarien

1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 20000

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000Gera-Langenberg

ÖKO_05 ÖKO_10 ÖKO_20 ÖKO_30 RAUMIS_2010 RAUMIS_TLB NGES Status Quo simuliert

NG

ES [t

/a]




FlieFließßgewgewäässergssergüütemodellierungtemodellierung

EUTRO

QuerprofileWehreZuflüsse

WasserständeFließgeschwindigkeitDYNHYD

seg, t

seg, t

Konzentrationen der ZuflüsseFrachten der EinleitungenGlobalstrahlungBeschattungWassertemperaturLufttemperaturSalinität...

39

2

PhytoplanktonPeriphytonO2CBSB NH4NO3NorgPO4Porg

x Zahl der Parameter

WASP 5.2 (U.S. EPA 2001)



10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovImplementierung des ModellsImplementierung des Modells

Berücksichtigung von:- Wehren > 0,3m- Nebenflüssen > 0,3m3/s- kommunalen Einleitern- industriellen Einleitern

Raumskalen:

A: Straßberg – Großzschochersynthetische QuerprofileSegmentlänge 250m

B: Gera – Großzschochervermessene QuerprofileSegmentlänge 100m




0

20

40

60

Chl

orop

hyll-

a [µ

g/l]

110 100 90 80 70 60 50Fluss [km]

3./4.08.2004

2./3.09.2003

Legende Modellierte Werte90%-VertrauensbereicheMeßwerte HauptstromMeßwerte Zuflüsse

Modellkalibrierung mit Angabe von Modellkalibrierung mit Angabe von VertrauensbereichenVertrauensbereichen




ValidierungValidierung des Modellsdes Modells

Vergleich der Modellergebnisse mit den Meßwerten desbehördlichen Monitorings im Jahr 2001

Problem: fehlende Chlorophyll-a-Daten

Ergebnis: mäßig-schlechte Abbildung von NH4gute Anpassung für NO3leichte Unterschätzung von PO4

Nitrat-N

0

2

4

6

8

0 2 4 6 8Meßwerte [mg/l]

Mod

ellw

erte

[mg/

l]

Phosphat-P

0

0,1

0,2

0,3

0 0,1 0,2 0,3Meßwerte [mg/l]

Mod

ellw

erte

[mg/

l]

Ammonium-N

0

0,1

0,2

0,3

0 0,1 0,2 0,3Meßwerte [mg/l]

Mod

ellw

erte

[mg/

l]

NS = 0,14 NS = 0,56 NS = 0,28




0

1

2

3

406080100120140160180200

Fluss [km]

Den

itrifi

katio

nsra

te [m

g/(l·

d)]

Mittlere Denitrifikationsrate [mg/(l·d)]im Jahr 2001

Denitrifikation im GewDenitrifikation im Gewäässerverlaufsserverlauf




Berechnete Fracht und Retention für das Jahr 2001

Abschnitte2: Straßberg – Greiz4: Greiz bis Wünschendorf6: Wünschendorf – Krossen7: Krossen – Zeitz8: Zeitz – Kleindalzig9: Kleindalzig – Großzschocher

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

2 4 6 7 8 9Bilanzgebiet

Frac

ht [t

/a]

RetentionFracht

Stickstoff: Fracht und RetentionStickstoff: Fracht und Retention

19 % Retention



10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovStarke morphologische Starke morphologische ÜÜberprberpräägung gung der Gewder Gewäässersser




Effekte von RenaturierungsmaEffekte von Renaturierungsmaßßnahmennahmen

Maßnahme-1: Gewässerunterhaltung (Fließgewässerprogramm Sachsen-Anhalt,Gutachten zur Bewirtschaftung der Weißen Elster)

Maßnahme-2: Renaturierung von Auenbereichen entsprechenddes Leitbildes

Restriktionen: Siedlungen, Straßen, Schienenohne Berücksichtigung von Kosten

Maßnahme-3: Hypothetische Annahme: Der gesamte Gewässerabschnittentspricht dem Leitbild




Effekte von RenaturierungsmaEffekte von Renaturierungsmaßßnahmennahmen

-9,0

3,2

-5,4 -3,9-1,5

-49,7-30

-20

-10

0

10

20

30

v *) O2 NO3 TN PO4 TP

Abw

eich

ung

[%]

Prozentuale Konzentrationsänderungam Ende des Abschnittes Gera -Großzschocher

v O2 Nanorg TN Panorg TP




Ausnahme-regelungen

Monitoring-programme




Zielkonkretisierung



Arbeitsschritte bei der Aufstellung von MaArbeitsschritte bei der Aufstellung von Maßßnahmenprogrammennahmenprogrammen



10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovKosteneffizienz von Nährstoffreduktionsmaßnahmen

Landwirtschaftliche 1

MaßnahmenKläranlagenausbau

Nähr-stoff

Reduk-tionsziel2

Reduktion Kosten-effizienz

Reduktion Kosten-effizienz

t/a (t/a) €/kg t/a €/kg

Stickstoff 2818 1295 2.52 519 0.429

Phosphor 77 38.5 139 6.1 12.7

1 Stickstoff: Integrierter oder ökologischer AnbauPhosphor: Konservierende Bodenbearbeitung

2 Gewässergüteklasse 2




2

5

6

8

1

104

3

12

15

7

16

9 13

11

14

Reduktionsziel:Gewässergüteklasse 2-3

(Gesamt-N < 6 mg/l, Gesamt-P < 0.3 mg/l)

•Gesamtkosten: 5,702 Mio €/a

•Reduktionsziele werden für Phosphor und Stickstoff jeweils in fünf Teilgebieten nicht erreicht

Erreichung der Reduktionsziel



10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovSchlussfolgerungen

Reduktionsziele für Stickstoff sind nur durch einschneidende Umstellungen der Landbewirtschaftung zu erzielen

Reduktionsziele für Phosphor sind dagegen durch Maßnahmenkombinationen leichter zu erreichen

Renaturierungsmaßnahmen bieten nur begrenzte Möglichkeiten zur Verminderung der Nährstofffrachten

Zukünftige landwirtschaftliche Entwicklung wird im WE-Gebiet wahrscheinlich zu einer Verminderung der Einträge führen

Bilanzgebietsbezogenes Konzept ermöglicht die Entkopplung der Entscheidungsprobleme




Konkretisierung der Methodik zusammen mit Bundesländern

• Kooperationspartner: FGG Elbe, Bundesländer Sachsen, Sachsen-Anhalt und Thüringen

• Umsetzung in drei Pilotgebieten, Aufstellung von konkreten Maßnahmenprogrammen

AusblickAusblick




Vielen Dank fVielen Dank füür Ihre Aufmerksamkeitr Ihre Aufmerksamkeit

Für die Unterstützung bei diesem Vortrag danken wir uns:

Kristin Neubert, Kirsten Hennrich, Ingo Bräuer, Fred Hesser, Sven Kralisch, Uwe Franko,

Sylvia Morgenstern, Haytham Shbaita, Martin Volk, Ulrike Hirt,

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Integrierte Nährstofftransportmodellierung als Grundlage ... · Oktober 2006, Cesky Krumlov Berechnete Fracht und Retention für das Jahr 2001 Abschnitte 2: Straßberg – Greiz