Weiterentwicklung Des Bewertungsverfahrens "Hydrologische Güte" Als Expertensystem Zum Operationellen Einsatz Im Flussgebietsmanagement
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Programm Lebensgrundlage Umwelt und ihre Sicherung (BWPLUS) Weiterentwicklung des Bewertungsverfahrens "Hydrologische Güte" als Expertensystem zum operationellen Einsatz im Flussgebietsmanagement Ch. Leibundgut, M. Eisele Institut für Hydrologie Universität Freiburg Förderkennzeichen: BWC 21013 Die Arbeiten des Programms Lebensgrundlage Umwelt und ihre Sicherung werden mit Mitteln des Landes Baden-Württemberg gefördert April 2005 Inhalt Zusammenfassung.........................................................................................1 Summary .......................................................................................................1 1 Einführung..................................................................................................2 2 Methodik ....................................................................................................3 3 Softwareentwicklung..................................................................................7 4 Anwendung in Baden-Württemberg ..........................................................9 5 Diskussion und Schlussfolgerungen ........................................................10 Literatur.......................................................................................................13 Anhang 1: Ergänzung zur Methodik.......................................................... A1 Anhang 2: Ergebnisse in Baden-Württemberg - Abbildungen.................. A3 Anhang 3: Ergebnisse in Baden-Württemberg – Tabellen ........................ A6 Zusammenfassung Das Verfahren „Hydrologische Güte“ ermöglicht die Bewertung der anthropogenen Beein- flussung des hydrologischen Zustands von Flusseinzugsgebieten. Ziel des Projektes war die Weiterentwicklung dieses Verfahrens zu einem operationell, auf regionaler Ebene ein- setzbaren Expertensystem. Das Bewertungsverfahren ist in drei Bewertungsteile aufgeteilt. Im Rahmen der Bewertung der „Beschaffenheit des Einzugsgebiets“ werden allgemein verfügbare Flächendaten hin- sichtlich potentieller Belastungen des Wasserkreislaufs und der Gewässer zusammenge- führt und bewertet. Als Gesamtergebnis dieses Bewertungsteils wird der „Index der anthropogenen Belastung“ für die untersuchten Gebiete ausgewiesen. Im Bewertungsteil „Abflussdynamik“ werden anthropogene Veränderungen ausgesuchter Abflusskenngrößen (Indicators of Hydrological Alteration, IHA) quantifiziert und bewertet. Zur Bewertung können sowohl Zeitreihen von Abflusspegeln als auch Simulationsergebnisse von Wasser- haushaltsmodellen herangezogen werden. Als Maß für die festgestellte Veränderung wird der RVA-Index (Range of Variability Approach) berechnet. Dieser zeigt sowohl Verände- rungen in der Größe als auch in der Variabilität der Abflussvariablen an. Im Bewertungs- teil „Stoffhaushalt und Wasserqualität“ werden für die untersuchten Gebiete die Höhe der Nährstoffemissionen (Stickstoff- und Phosphor) sowie die Wasserqualität der Fließgewäs- ser (Gesamtstickstoff und Phosphat) bewertet. Im Rahmen des Projekts wurde das Softwaresystem AHQ-IHF zur operationellen Bear- beitung eines großen Teils der im Verfahren enthaltenen Berechnungen entwickelt. Das Verfahren wurde weitgehend flächendeckend für das Gesamtgebiet von Baden- Württemberg angewendet. Durch diese Anwendung und deren Ergebnisse kann die opera- tionelle Anwendbarkeit demonstriert werden. Summary The assessment procedure Hydrological quality enables the assessment of human impacts on the hydrological system of river basins. The aim of the project was the development of a procedure, which is operationally applicable at regional scales. After test applications of the methodology in 2003, a software system for operational application (AHQ-IHF) was developed in 2004. In the assessment part “catchment properties” the potential human impact on the hydro- logical system is quantified based on commonly available spatial data. As an aggregation of the different assessment parameters the “index of human impact” is calculated. In the part “stream flow dynamics” anthropogenic alterations of the inter-annual variations of different stream flow variables are identified and assessed. To describe the temporal vari- ability of stream flow the Indicators of Hydrological Alteration (IHA) are chosen. They describe different aspects of the hydrological regime and can be linked to specific ecologi- cal functions. The human impact can be investigated using measured or modeled time se- ries of daily stream flow. Alterations in the annual time series of the different stream flow variables are quantified using the Range of Variability Approach (RVA). Nutrient emis- sions (nitrogen and phosphorus) in the river basins and the water quality of rivers (con- cerning nitrogen and phosphate) are the subject of the third assessment part. For quantifi- cation of the emissions nutrient balance models (e.g. MONERIS) are used. The assessment of water quality is based mainly on time series of water quality samples. Within the project framework the software system AHQ-IHF (Assessment of Hydrological Quality), which enables an operational use of most of the calculations involved in the methodology, was developed. The procedure was applied for almost the entire state of 1 Baden-Württemberg. It could be shown by the application and its results that the procedure is operationally applicable. The software developed within the project (AHQ-IHF-Program and some tools for pre- and post-processing) will be made accessible to the public. 1 Einführung Bei der Bewertung der Qualität von Fließgewässerökosystemen wird bisher dem Einzugs- gebiet als übergeordnete funktionelle Raumeinheit nicht adäquat Rechnung getragen. Auf- grund der der Vorgaben der europäischen Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRR) ist eine in- tegrierte Betrachtung von Fließgewässer und Einzugsgebiet sowie der zeitlichen Dynamik der auf die Biozönose wirkenden abiotischen Faktoren gefordert (bspw. Barth 1997, EU 2000, Fuhrmann 2001). Aufgrund der EU-WRR muss bspw. der anthropogenen Beeinflus- sung der Abflussverhältnisse in Zukunft mehr Beachtung geschenkt werden. Für den bis 2015 als verbindliches Ziel vorgeschriebenen „guten ökologischen Zustand“ der Fließge- wässer werden neben anderen abiotischen Parametern (Gewässerstruktur, Chemismus) auch Abfluss und Abflussdynamik zu berücksichtigen sein. Für den Zustand des Grund- wassers ist aufgrund der EU-WRR ein guter mengenmäßiger und chemischer Zustand ein- zuhalten (EU 2000). Aus diesen Anforderungen leitet sich die Notwendigkeit ab, die anthropogenen Einflüsse auf den Wasser- und Stoffhaushalt von Einzugsgebieten, sowie deren Auswirkungen in Oberflächengewässern und Grundwasser zu quantifizieren und zu bewerten. Die durch Prozesse im Einzugsgebiet gesteuerte Abflussdynamik ist in Fließgewässern primäre Quelle der Variabilität der herrschenden Umweltfaktoren (z.B. Wasserverfügbar- keit und -qualität, Strömungsverhältnisse) und damit entscheidend für deren ökologische Funktionen (z. B. Poff & Ward 1989, Schmedtje 1995). Laut Richter et al. (1997) und Poff et al. (1997) ist die Erhaltung der natürlichen zwischenjährlichen und innerjährlichen Vari- abilität des Abflusses eine Vorraussetzung für die Integrität von Fließgewässerökosyste- men. Bei der Betrachtung des Gütezustands der Fließgewässer wurde der Abflussdynamik jedoch bisher nur wenig Beachtung geschenkt. Ökologisch begründete Einschränkungen von Wassernutzungen erschöpften sich in den meisten Fällen in Regelungen zur Sicherung von konstanten Mindestabflüssen. Wie die Abflussdynamik, so ist auch die chemische Be- schaffenheit der Gewässer und deren Dynamik durch das jeweilige Einzugsgebiet (Wasser- und Stoffhaushalt und deren anthropogene Veränderung) geprägt. Eine Verbesserung der Wasserqualität der Oberflächengewässer und des Grundwassers kann daher nur unter Be- rücksichtigung der Prozesse im Einzugsgebiet erreicht werden (Heathcote 1998, Behrendt et al. 1999). Das Verfahren „Hydrologische Güte“ ermöglicht die Bewertung der anthropogenen Beein- flussung des hydrologischen Zustands von Flusseinzugsgebieten. Dabei werden sowohl die potentielle anthropogene Belastung der Gewässer als auch die Auswirkungen im Gewässer berücksichtigt. Optional können im Rahmen des Verfahrens auch die potentielle Belastung durch Nährstoffemissionen sowie die aktuelle Wasserqualität bezogen auf Stickstoff und Phosphor bewertet werden. Ziel des BW-PLUS Projekts 21013 war die Weiterentwicklung dieses Verfahrens zu einem operationell für mesoskalige Flusseinzugsgebiete (bis max. 5000 km²) oder größere Regi- onen (bspw. Bundesländer) einsetzbaren Expertensystem. Die Methodik ist in drei Bewer- tungsteile gegliedert, welche unabhängig voneinander bearbeitet werden können. Im Zent- rum der Betrachtung stehen die sich ergänzenden Bewertungsteile „Beschaffenheit des Einzugsgebiets“ und „Abflussdynamik“. Als optional ist der Bewertungsteil „Stoffhaushalt 2 und Wasserqualität“ anzusehen. Im vorliegenden Abschlussbericht wird eine Übersicht über die Methodik, das entwickelte Softwareprogramm sowie die Ergebnisse der Anwen- dung in Baden-Württemberg gegeben. Tab. 1 gibt einen Gesamtüberblick über die im Pro- jekt durchgeführten Arbeiten. Weitere detaillierte Informationen über wissenschaftlichen Hintergrund, Methodik und Anwendungen des Verfahrens geben Leibundgut et al. (2001), Eisele (2003), Eisele et al. (2003) sowie Leibundgut & Eisele (2004). Tab. 1: Im Projektzeitraum durchgeführte Arbeitsschritte Arbeitsschritt Durchführung im Jahr Zusammenstellung einer erweiterten Datengrundlage (Beschaffen- 2002