Die Phosphatbelastung Großer Flusseinzugsgebiete Aus Diffusen Und Punktuellen Quellen
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Die Phosphatbelastung großer Flusseinzugsgebiete aus diffusen und punktuellen Quellen Björn Tetzlaff Umwelt Environment Schriften des Forschungszentrums Jülich Reihe Umwelt / Environment Band / Volume 65 Forschungszentrum Jülich GmbH Programmgruppe Systemforschung und Technologische Entwicklung Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre IV: Agrosphäre Die Phosphatbelastung großer Flusseinzugsgebiete aus diffusen und punktuellen Quellen Björn Tetzlaff Das diesem Band zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung im Förderschwerpunkt „Flussgebietsmanagement” (Förderkennzeichen 0330038) gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt liegt beim Autor. Schriften des Forschungszentrums Jülich Reihe Umwelt / Environment Band / Volume 65 ISSN 1433-5530 ISBN 3-89336-447-1 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte Bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar. Herausgeber Forschungszentrum Jülich GmbH und Vertrieb: Zentralbibliothek, Verlag D-52425 Jülich Telefon: 02461 61-5368 · Telefax: 02461 61-6103 e-mail: [email protected] Internet: http://www.fz-juelich.de/zb Umschlaggestaltung: Grafische Betriebe, Forschungszentrum Jülich GmbH Druck: Grafische Betriebe, Forschungszentrum Jülich GmbH Copyright: Forschungszentrum Jülich 2006 Schriften des Forschungszentrums Jülich Reihe Umwelt / Environment Band / Volume 65 D 89 (Diss., Hannover, Univ., 2006) ISSN 1433-5530 ISBN-10: 3-89336-447-1 ISBN-13: 978-3-89336-447-3 Alle Rechte vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form (Druck, Fotokopie oder in einem anderen Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung des Verlages reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Kurzzusammenfassung Die vorliegende Dissertation ist eingebettet in das interdisziplinäre Projekt „REGFLUD“ des BMBF-Förderschwerpunkts „Flussgebietsmanagement“. Ihr Haupt- ziel besteht in der Entwicklung und Anwendung eines GIS-gestützten Phosphatmo- dells zur Ermittlung der Belastung makroskaliger Flusseinzugsgebiete aus diffusen und punktuellen Quellen. Hierzu stehen mit den Flussgebieten von Ems (12.940 km²) und Teilen des Rheins (12.160 km²) zwei naturräumlich sehr unterschiedliche Unter- suchungsräume zur Verfügung. Das neu entwickelte empirische Phosphatmodell MEPhos erlaubt die Quantifizierung des mehrjährigen mittleren P-Eintrags über die acht Pfade Dränung, grundwasser- bürtiger Abfluss, Erosion, Abschwemmung, Trennkanalisation, Mischwasserentlas- tung, kommunale Kläranlagen und industrielle Direkteinleitungen. Außerdem wird die P-Retention in fließenden sowie stehenden Gewässern vom Modell berücksichtigt. Der diffuse P-Eintrag über die Pfade Dränung, grundwasserbürtiger Abfluss, Erosion und Abschwemmung wird auf Basis von Phosphotopen flächendifferenziert model- liert. Phosphotope sind homogene Teilflächentypen mit definierten Eigenschaften und werden zur Diskretisierung des Einzugsgebiets verwendet. Ihre Ableitung erfolgt GIS-gestützt auf Basis von Datengrundlagen der mittleren Maßstabsebene. Dieser Modellansatz ermöglicht es, räumliche Schwerpunkte des P-Eintrags innerhalb von Sub-Einzugsgebieten zu lokalisieren und zielgerichtet effiziente Reduktionsmaßnah- men vorzuschlagen. Die Quantifizierung der P-Emission aus kommunalen Kläranla- gen und Industrie erfolgt anlagenbezogen, P-Einträge über Mischwasserentlastung und Trennkanalisation werden hingegen für Sub-Einzugsgebiete integrativ berech- net. Der modellierte mittlere P-Eintrag (1995-1999) beträgt für das Untersuchungsgebiet Ems 1666 t/a und für das Untersuchungsgebiet Rhein 1574 t/a. Das Verhältnis von diffusen zu punktuellen Quellen liegt im Emsgebiet bei 87:13, im Rheingebiet hinge- gen bei 32:68. Während im flachen Emsgebiet der Dränagepfad den P-Eintrag domi- niert (69 %), verursachen im stärker reliefierten und dichter besiedelten Rheingebiet Einträge aus kommunalen Kläranlagen den größten Teil der P-Emissionen (41 %). Unter den diffusen Einträgen spielt im Einzugsgebiet des Rheins die Erosion die wichtigste Rolle (11 %). Als Phosphotope mit dem höchsten Anteil an der diffusen P- Belastung werden im Einzugsgebiet der Ems gedränte Hochmoorböden unter Grün- landnutzung identifiziert, die bei einem Flächenanteil von 3,5 % ca. 30 % der diffusen Einträge emittieren. Im Teil-Einzugsgebiet des Rheins stammen 24 % der diffusen Einträge aus dem Phosphotop „Ackerflächen mit einem Erosionspotenzial von mehr als 15 t/(ha·a) und Gewässeranschluss“. Diese Flächen nehmen lediglich 0,7 % der Gesamtfläche ein. Wegen des günstigen Verhältnisses von geringem Flächenanteil am Einzugsgebiet einerseits zu hohem Anteil an der diffusen P-Belastung anderer- seits werden für die beiden Phosphotope Managementoptionen vorgeschlagen, mit 3 denen sich aus geowissenschaftlich-hydrologischer Sicht die diffuse P-Belastung effizient reduzieren ließe. Wie die Validitätsüberprüfung der Modellergebnisse mit Hilfe von gemessenen Ge- wässergütedaten für 58 Sub-Einzugsgebiete zeigt, ergeben sich hohe Übereinstim- mungen zwischen gemessenen und modellierten Einträgen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten des Modells MEPhos werden in der Erarbeitung von Entscheidungsgrundlagen gesehen, wie sie für einen nachhaltigen Gewässer- schutz benötigt werden, z.B. bei der Erstellung von Flussgebietsplänen und Maß- nahmenprogrammen im Zuge der Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie. Schlagworte: Phosphat, Modellierung, Eutrophierung 4 Summary This dissertation is embedded in the inter-disciplinary project named ”REGFLUD“ which is funded by the German Federal Ministry for Education and Research. The overall aim of the thesis is to develop and apply a GIS-based model for the analysis of P-fluxes from point and diffuse sources in macroscale river basins. For this pur- pose two stuy basins with varying natural conditions are chosen, i.e. the River Ems catchment (12,940 km²) and parts of the River Rhine catchment (12,160 km²). The new empirical phosphate model MEPhos allows the quantification of mean long- term P-inputs via drainage, groundwater-borne runoff, erosion, wash-off, rainwater sewers, combined sewers overflows, municipal sewage treatment plants and indus- trial effluents. Additionally the model takes into account P-retention in both running and standing waters. Diffuse P-entries to surface waters via drainage, groundwater-borne runoff, erosion and wash-off are modelled area-differentiated based on a phosphotope-approach. Phosphotopes are homogeneous sub-area types with defined properties and are used to discretize the river basin. To derive phosphotopes highly-resolved data sets are clipped in GIS. This approach enables the localization of “hot spots”, i.e. sub- areas with high potential for P-output. Because natural and agricultural conditions of these sub-areas are known, efficient reduction measures can be proposed. P- emissions from municipal waste water treatment plants and industrial effluents are quantified for every plant, inputs via rainwater sewers and combined sewers over- flows are modelled integratively for river sub-basins. The modelled mean annual P-entries to surface waters (1995-1999) sum up to 1666 t/a for the Ems study basin and to 1574 t/a for the Rhine study basin. The relations between diffuse and point sources are 87:13 for Ems and 32:68 for Rhine. In the low- land catchment of the River Ems P-entries via the drainage pathway dominate the diffuse load (69 %). The contrasting natural conditions in the sub-catchment of the River Rhine as well as the far higher population density lead to a totally different rele- vance of sources. P-entries from municipal waste water treatment plants make up 41 % of the total load. Among diffuse sources erosion plays the most important role (11 %). The highest contribution to the diffuse P-load in the River Ems basin is made by the phosphotope “drained raised bogs under grassland use”. This sub-area type emits about 30 % of all diffuse entries, while it makes up only 3.5 % of the basin area. In the River Rhine sub-basin about 24 % of all diffuse P-entries originate from the phosphotope “hydraulically connected arable land with erosion potential of more than 15 t/(ha·a)“, which has an area share of only 0.7 %. Due to the combination of small area share and high share of the overall diffuse P-load efficient reduction measures should concentrate on these two phosphotopes. 5 The validation of MEPhos modelling results against loads, estimated from measured water quality and runoff data, is performed for 58 sub-catchments. It shows good cor- relations between measured and modelled mean annual P-loads (1995-1999). Sustainable use of water resources creates the demand for data as a basis for deci- sion making. The implementation of the EU-water framework directive requires river basin district management programmes. In this context MEPhos modelling results can be of use. Keywords: Phosphate, Modelling, Eutrophication 6 Danksagung Bedanken möchte ich mich bei Prof. Dr. Gerald Kuhnt für die Betreuung und seine Bereitschaft, dieses externe Promotionsthema zu fördern. Prof. Dr. Thomas Mosi- mann danke ich für die bereitwillige Übernahme des Korreferats. Dem Leiter der Programmgruppe Systemforschung und Technologische Entwicklung am Forschungszentrum Jülich, Herrn Dipl.-Math. Jürgen-Friedrich Hake, danke ich für die Gelegenheit zur Promotion und die Möglichkeit, die hervorragende Infrastruk-