Modellierung der Phosphoreinträge in die Gewässer Methoden und ...
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Mitglied <strong>der</strong> Helmholtz-Geme<strong>in</strong>schaft<br />
<strong>Modellierung</strong> <strong>der</strong> Phosphore<strong>in</strong>träge <strong>in</strong> <strong>die</strong> Gewässer<br />
Mecklenburg-Vorpommerns<br />
<strong>Methoden</strong> <strong>und</strong> Stand<br />
Güstrow, 20.11.2013<br />
Dr. Björn Tetzlaff <strong>und</strong> Dr. Frank Wendland<br />
Forschungszentrum Jülich GmbH, Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3), 52425 Jülich<br />
b.tetzlaff@fz-juelich.de
Ziele des Vorhabens<br />
Kläranlagen<br />
• Quantifizierung <strong>der</strong> mittleren jährlichen<br />
E<strong>in</strong>träge von Gesamt-P <strong>in</strong> <strong>die</strong><br />
Oberflächengewässer über<br />
• Erosion, Abschwemmung, Dränagen,<br />
gr<strong>und</strong>wasserbürtigen Abfluss,<br />
Deposition, Zwischenabfluss<br />
(flächendifferenziert)<br />
• Kläranlagen u. <strong>in</strong>dustrielle<br />
Direkte<strong>in</strong>leiter (anlagenbezogen)<br />
• Trennkanalisation u. Kle<strong>in</strong>kläranlagen<br />
(für Teil-E<strong>in</strong>zugsgebiete)<br />
• Ausweisen von räumlichen Belastungsschwerpunkten<br />
(„hot spots“) <strong>in</strong>nerhalb von<br />
E<strong>in</strong>zugsgebieten<br />
• Plausbilisierung <strong>und</strong> Vali<strong>die</strong>rung mit<br />
Messwerten<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 2
E<strong>in</strong>gangsdaten für <strong>die</strong> <strong>Modellierung</strong><br />
Themengebiet Datengr<strong>und</strong>lage Datentyp Quelle<br />
Klima<br />
Boden<br />
Nie<strong>der</strong>schlags- <strong>und</strong> Verdunstungsdaten 1971-<br />
2000<br />
Bodenparameter Bodentyp, Bodenart, effektive<br />
Durchwurzelungstiefe, nutzbare Feldkapazität,<br />
Gr<strong>und</strong>wasserstufe, Staunässegrad, kapillare<br />
Aufstiegshöhe<br />
Vektor<br />
Vektor<br />
Deutscher<br />
Wetter<strong>die</strong>nst<br />
LUNG<br />
Landnutzung Bodenbedeckungskategorien Vektor LUNG<br />
Gr<strong>und</strong>wasserflurabstände Raster HYDOR GmbH<br />
Hydrogeologie Verweilzeit ungesättigte Zone Raster HYDOR GmbH<br />
Durchlässigkeitsklassen Vektor LUNG<br />
Relief Digitales Geländemodell Raster LUNG<br />
Dränagen Dränierte landwirtschaftliche Flächen Raster Fa. Biota<br />
Hydrogeochemie Gr<strong>und</strong>wassergütedaten Zeitreihen LUNG<br />
Erosion Bodenabtragsgefahr nach ABAG Raster LUNG<br />
Siedlungswasserwirtschaft<br />
Vali<strong>die</strong>rung<br />
P-E<strong>in</strong>träge aus Kläranlagen<br />
P-E<strong>in</strong>träge aus Industrie<br />
Kanalisations<strong>in</strong>formationen<br />
Zeitreihen LUNG<br />
E<strong>in</strong>zugsgebietsgrenzen Vektor FZJ<br />
Tagesmittel <strong>der</strong> Abflüsse<br />
Gütedaten Oberflächengewässer<br />
Zeitreihen LUNG<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 3
Verfahrensgang im Modell MEPhos<br />
Deposition<br />
Kle<strong>in</strong>kläranlagen<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 4
Flächendifferenzierte <strong>Modellierung</strong> von<br />
Wasserhaushalt <strong>und</strong> Abflusskomponenten mit GROWA<br />
Parametersatz für e<strong>in</strong> Flächenelement<br />
Klima<br />
GROWA<br />
Gewässer<br />
Q<br />
Berechnung des Gesamtabflusses<br />
( ) = P − h [ a ⋅ P + b ⋅ P + c ⋅log<br />
( W ) + d ⋅ ET + e ⋅ D f ]<br />
tot y relief wi su <br />
pl pot p<br />
+<br />
<br />
Separation <strong>der</strong> Abflusskomponenten<br />
Bodenbedeckung<br />
Q<br />
tot<br />
= Q<br />
gro<strong>und</strong>water<br />
+ Q<br />
direct<br />
= r ⋅Q<br />
b<br />
tot<br />
+<br />
( 1−<br />
rb<br />
) ⋅Qtot<br />
Boden<br />
Gesamtabfluss, Infiltration<br />
Topografie<br />
Geologie<br />
Direktabfluss<br />
• Dränabfluss<br />
• Zwischenabfluss<br />
• Oberflächenabfluss<br />
Gr<strong>und</strong>wasserneubildung<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 5
Ergebnisse <strong>der</strong> Wasserhaushaltsmodellierung<br />
- Für den Stoffe<strong>in</strong>trag relevante Abflusskomponenten -<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 6
Ergebnisse <strong>der</strong> Wasserhaushaltsmodellierung<br />
- Landeswasserbilanz MV -<br />
Nie<strong>der</strong>schlag<br />
mm/a<br />
Reale Verdunstung<br />
mm/a<br />
Gesamtabfluss<br />
mm/a<br />
670 (1971-2000) 494 176<br />
= 64 Qd + 112 Qgw<br />
= 17 Qo + 45 Qdrän<br />
+ 2 Q<strong>in</strong>ter + 112 Qgw<br />
Quelle<br />
FZ Jülich (2013)<br />
670 (1971-2000) 519 151 Mehl et al. (2004)<br />
670 (1971-2000) 508 162<br />
= 59 Qd + 103 Qgw<br />
Henn<strong>in</strong>g u. Hilgert (2007)<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 7
Vali<strong>die</strong>rung <strong>der</strong> Modellergebnisse zum Wasserhaushalt<br />
an Abflussmessdaten<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 8
<strong>Modellierung</strong> von P-E<strong>in</strong>trägen aus diffusen Quellen<br />
- Bsp. Dränagen -<br />
Region<br />
Größe<br />
(km²)<br />
Anteil <strong>der</strong><br />
landwirtschaftlichen<br />
Nutzfläche an <strong>der</strong><br />
Gesamtfläche (%)<br />
Anteil potenziell gedränter Flächen<br />
an <strong>der</strong> landwirtschaftlichen<br />
Nutzfläche (%)<br />
Nie<strong>der</strong>sachsen 48.000 68 49<br />
Nordrhe<strong>in</strong>-Westfalen 34.000 59 39<br />
Hessen 21.115 43 16<br />
Ems-E<strong>in</strong>zugsgebiet 12.950 80 56<br />
Weser-E<strong>in</strong>zugsgebiet 49.000 57 41<br />
Schleswig-Holste<strong>in</strong> 15.800 69 73<br />
Mecklenburg-<br />
Vorpommern<br />
23.180<br />
61 57 / 86<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 9
Ableitung von Phosphotopen zur <strong>Modellierung</strong><br />
des Dränagee<strong>in</strong>trags<br />
Phosphotope<br />
Gedränte Hochmoorböden unter<br />
Grünlandnutzung<br />
Gedränte Nie<strong>der</strong>moorböden<br />
unter Ackernutzung<br />
Gedränte Nie<strong>der</strong>moorböden<br />
unter Grünlandnutzung<br />
Gedränte Lehmböden unter<br />
landwirtschaftlicher Nutzung<br />
Gedränte tonarme Sandböden<br />
unter Ackernutzung<br />
Konzent<br />
ration<br />
Gesamt-<br />
P [mg/l]<br />
2<br />
0,3<br />
0,2<br />
0,04<br />
0,12<br />
Gedränte tonarme Sandböden<br />
unter Grünlandnutzung<br />
0,10<br />
Gedränte lehmige Sandböden<br />
über Geschiebelehm <strong>und</strong> unter<br />
landwirtschaftlicher Nutzung<br />
0,05<br />
Quellen <strong>der</strong> Feldstu<strong>die</strong>n zur Referenz:<br />
Blankenburg 1983; Scheffer 2002; Scheffer u.<br />
Foerster 1991; Foerster 1982, 1988; Foerster et al.<br />
1985; Früchtenicht 1998; Früchtenicht et al. 1996;<br />
Hasenpusch 1995; Lammel 1998; Kuntze 1983,<br />
1988; Lennartz u. Hartwigsen 2001; Munk 1972;<br />
Neuhaus 1991; Gross 1998, Rosche u. Ste<strong>in</strong><strong>in</strong>ger<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) 2009<br />
Folie 10
<strong>Modellierung</strong> von P-E<strong>in</strong>trägen aus diffusen Quellen<br />
- Bsp. Dränagen -<br />
Zur Plausibilisierung <strong>der</strong> Modellparameter <strong>und</strong><br />
zur Kalibrierung wurden Ergebnisse von fünf Spezialuntersuchungen<br />
im Zeitraum 1996-2013 aus MV genutzt.<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 11
<strong>Modellierung</strong> von P-E<strong>in</strong>trägen über Dränagen<br />
- Ergebnisse -<br />
• Summe des E<strong>in</strong>trags über Dränagen:<br />
ca. 90 t/a<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 12
<strong>Modellierung</strong> von P-E<strong>in</strong>trägen aus Punktquellen<br />
- Bsp. Kommunale Kläranlagen -<br />
514 E<strong>in</strong>leitstellen<br />
Summe P-E<strong>in</strong>trag: ca. 88 t/a<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 13
Quantifizierung <strong>der</strong> mittleren P-E<strong>in</strong>träge<br />
über Trennkanäle<br />
• Methodik:<br />
FTK<br />
=<br />
(Q<br />
Dir,<br />
vers<br />
⋅ (A<br />
TK<br />
/100) ⋅ C<br />
Pges<br />
) /100<br />
F TK<br />
= P-E<strong>in</strong>träge über Trennkanalisation [kg/(ha·a)]<br />
Q Dir, vers<br />
= mittlere Abflusshöhe von versiegelten Flächen [mm/a]<br />
berechnet mit GROWA<br />
A TK<br />
= Anteil des Trennkanalsystems am gesamten Entwässerungssystem [%]<br />
= mittlere Konzentration P-gesamt [mg/l]<br />
C Pges<br />
Ziel: Berücksichtigung räumlich unterschiedlicher Belastungspotenziale für<br />
E<strong>in</strong>träge aus Trennsystemen<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 14
Unterteilung des urbanen Raums <strong>in</strong> Herkunftsgebiete<br />
mit unterschiedlichem Belastungspotenzial für<br />
Nährstoffe<strong>in</strong>träge aus Regenwasserkanälen<br />
Kategorie Objektarten ATKIS DLM25 Konzentration<br />
Pges (mg/l)<br />
Wenig belastet<br />
Mittel belastet<br />
Stark belastet<br />
2111 Wohnbaufläche<br />
2113 Mischnutzung <strong>in</strong> Gebieten mit<br />
E<strong>in</strong>wohnerdichte 100 <strong>und</strong> 500 Ew. / km²<br />
Konzentration<br />
Nges (mg/l)<br />
0,25 3<br />
0,35 3,5<br />
0,5 4<br />
Konzentrationsmessungen LLUR SH 2003 <strong>und</strong> FH Köln<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 15
Bevölkerungsdichte auf Geme<strong>in</strong>deebene 2010<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 16
Ergebnis: P-E<strong>in</strong>träge <strong>in</strong> Oberflächengewässer über<br />
Trennkanalisation<br />
Summe des E<strong>in</strong>trags: ca. 110 t/a<br />
Daten zur Trennkanalisation werden z. Zt. nochmal<br />
auf Plausibilität geprüft<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 17
P-E<strong>in</strong>träge über weitere E<strong>in</strong>tragspfade<br />
Industrie u. Gewerbe Kle<strong>in</strong>kläranlagen Zwischenabfluss<br />
Gr<strong>und</strong>wasser Abschwemmung Wassererosion<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 18
Gesamte<strong>in</strong>träge Pges absolut nach Pfaden<br />
Gesamt: 534 t/a<br />
( )<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 19
Gesamte<strong>in</strong>träge Pges prozentual nach Pfaden<br />
( )<br />
Gesamt: 534 t/a, davon 58 % diffus, 42 % punktuell (ger<strong>und</strong>et)<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 20
Gesamte<strong>in</strong>träge Pges absolut nach Pfaden für<br />
ausgewählte E<strong>in</strong>zugsgebiete<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 21
Flussbürtige P-E<strong>in</strong>träge <strong>in</strong> <strong>die</strong> Ostsee<br />
• Summe 2000-2010 nach LUNG: ca. 200 t/a<br />
• Summe 2000-2010 nach Immissionsfrachten FZJ: 210 t/a<br />
• Summe MEPhos-Modell: 207 t/a<br />
Ergebnisse FZJ <strong>und</strong> Bachor (2005)<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 22
Vali<strong>die</strong>rung an Güte-Messstellen<br />
Zeitraum 2000-2010, n >= 50:<br />
87 Messstellen zur Ermittlung von P-<br />
Frachten<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 23
Vali<strong>die</strong>rung an Gütemessdaten<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 24
Zusammenfassung<br />
• Modellergebnisse zur Quantifizierung <strong>der</strong> P-E<strong>in</strong>träge aus diffusen <strong>und</strong><br />
punktuellen Quellen über 11 E<strong>in</strong>tragspfade<br />
• Beson<strong>der</strong>er Wert wurde auf <strong>die</strong> umfangreiche E<strong>in</strong>beziehung von Messdaten<br />
aus Mecklenburg-Vorpommern <strong>in</strong> <strong>die</strong> <strong>Modellierung</strong> gelegt<br />
• Von den ca. 530 t/a P (Gesamt-Emission) stammen ca. 60% aus diffusen<br />
<strong>und</strong> 40 % aus punktuellen Quellen<br />
• Unter den diffusen Quellen, <strong>die</strong> durch Managementmaßnahmen reduziert<br />
werden können, s<strong>in</strong>d E<strong>in</strong>träge über Dränagen von wesentlicher Bedeutung<br />
• Unter den Punktquellen s<strong>in</strong>d kommunale Kläranlagen <strong>und</strong> Trennkanalisationse<strong>in</strong>träge<br />
signifikante P-Quellen<br />
• Daten zur Trennkanalisation werden z. Zt. auf Plausibilität geprüft<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 25
Vielen Dank für Ihre<br />
Aufmerksamkeit !<br />
12. Dezember 2013 Institut für Bio- <strong>und</strong> Geowissenschaften – Agrosphäre (IBG-3) Folie 26
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