Umweltforschungsplan des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit Forschungskennzahl 3711 21 220 Effizienz von Maßnahmen zur Reduktion von Stoffeinträgen von Stephan Fuchs (Projektleitung), Tatyana Weber, Ramona Wander, Snezhina Toshovski, Steffen Kittlaus, Lucas Reid Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Institut für Wasser und Gewässerentwicklung (IWG) Bereich Siedlungswasserwirtschaft und Wassergütewirtschaft Gotthard-Franz-Str. 3, 76131 Karlsruhe und Martin Bach, Laura Klement Gesellschaft für Boden- und Gewässerschutz e.V. Hainerweg 33 35435 Wettenberg sowie Thomas Hillenbrand, Felix Tettenborn Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI) Breslauer Straße 48, 76139 Karlsruhe IM AUFTRAG DES UMWELTBUNDESAMTES Dezember 2015 Kurzbeschreibung Im Rahmen des Vorhabens wurde das Modellwerkzeug MoRE (Modelling of Regionalized Emissions) zu einem strategischen Planungsinstrument weiterentwickelt, mit dem der Ist-Zustand der Einträge in Gewässer beschrieben sowie strategische Maßnahmen bewertet werden können. Hierzu wurden die auf Ebene der Länder und Flussgebietsgemeinschaften im Rahmen der ersten Bewirtschaftungspläne der Wasserrahmenrichtlinie entwickelten Ansätze zur Eintragsmodellierung und Maßnahmenentwicklung analysiert. Bei Eignung wurden die Ansätze oder Eingangsdaten in das bundeseinheitliche Modell übernommen, teilweise wurden neue Ansätze entwickelt. Strategische Maßnahmen wurden in Zusammenarbeit mit den Ländern ausgewiesen. Zusätzlich wurde eine ökonomische Bewertungskomponente in MoRE implementiert, die eine Priorisierung verschiedener Einzelmaßnahmen oder Maßnahmenkombinationen erlaubt. Zudem wurde MoRE von technischer Seite erweitert, sodass nun die Modellierung mit Varianten von Eingangsdaten und Maßnahmen sowie mit einzelnen Punktquellen möglich ist. Die erzeugten Ergebnisse können auf Ebene von Planungseinheiten aggregiert werden. Zur Validierung der Stoffeinträge können in MoRE zudem beobachtete Gewässerfrachten ermittelt werden und diese den modellierten gegenübergestellt werden. So wurde ein Instrument geschaffen, welches zur Unterstützung der Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie und der Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie insbesondere in Hinblick auf die Erstellung der zweiten Bewirtschaftungspläne beitragen kann. Abstract Within the framework of the project the river basin management system MoRE (Modelling of Regionalized emission) has evolved into a strategic planning tool. Using this system, the actual condition of the emissions into water bodies can be described and strategic measures can be assessed. In order to achieve this goal, the modelling approaches and measure programs which have been developed for the first management plans of Water Framework Directive by the German states and river basin communities have been analysed. If suitable, approaches or input data were incorporated into this homogenized model, some new approaches have been developed. Strategic measures have been identified in cooperation with the German states. In addition, an economic evaluation component was implemented in MoRE. It allows prioritization of various individual measures or combinations of measures. In addition, MoRE was expanded from the technical side, so now the modeling with variants of input data and measures as well as individual point sources is possible. The results generated can be aggregated at the level of planning units. To validate the emissions in MoRE observed river loads can also be calculated and compared to modeled river loads. Thus an instrument was created which can help to support the implementation of the Water Framework Directive and the Marine Strategy Framework Directive, in particular with regard to the creation of the second river basin management plans. 5 Verzeichnisse Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis ............................................................................................. 6 Abbildungsverzeichnis ...................................................................................... 10 Tabellenverzeichnis ......................................................................................... 16 Abkürzungen ................................................................................................. 20 Zusammenfassung ........................................................................................... 24 Summary ...................................................................................................... 31 1 Einführung .............................................................................................. 38 2 Das Modellierungswerkzeug MoRE ................................................................... 41 2.1 Technische Umsetzung von MoRE .............................................................. 41 2.1.1 Struktur des MoRE-Systems ................................................................. 41 2.1.2 Komponenten des MoRE-Systems ........................................................... 42 2.2 Technische Weiterentwicklungen von MoRE ................................................. 45 2.2.1 Modul „Dokumentation“ ..................................................................... 45 2.2.2 Modul „Modellierung“ ........................................................................ 47 2.2.3 Modul „Validierung“.......................................................................... 53 2.3 Vorteile des MoRE-Systems ..................................................................... 56 3 Anpassung der Eingangsdaten und Modellierungsansätze und Darstellung der Ergebnisse ............................................................................................. 58 3.1 Eingangsdatum Landnutzung ................................................................... 59 3.2 Eingangsdatum Atmosphärische Depositionsrate ............................................ 60 3.3 Eingangsdatum N-Überschüsse ................................................................. 61 3.3.1 Bisherige Übertragung der N-Überschüsse auf die Analysegebiete .................... 61 3.3.2 Neues methodisches Vorgehen ............................................................. 62 3.3.3 Ergebnisse ..................................................................................... 62 3.3.4 Empfehlungen zur bundeseinheitlichen Modellierung ................................... 63 3.4 Eintragspfad kommunale Kläranlagen ......................................................... 64 3.4.1 Bisherige Modellierung der Einträge über kommunale Kläranlagen ................... 64 3.4.2 Neues methodisches Vorgehen ............................................................. 70 3.4.3 Ergebnisse und Empfehlungen zur bundeseinheitlichen Modellierung ................ 72 3.5 Eintragspfad Kanalisationssysteme ............................................................ 76 3.5.1 Bisherige Modellierung der Einträge über Kanalisationssysteme ...................... 77 3.5.2 Neues methodisches Vorgehen ............................................................. 80 6 3.5.3 Ergebnisse und Empfehlungen zur bundeseinheitlichen Modellierung ................ 92 3.6 Erosion ............................................................................................ 107 3.6.1 Ermittlung des Bodenabtrags anhand unterschiedlicher Geländemodelle .......... 107 3.6.2 Vergleich des Bodenabtrags und Sedimenteintrags mit den Ergebnissen des Modells STOFFBILANZ ...................................................................... 109 3.6.3 Bisherige und neue Eingangsdaten zu Schwermetallgehalten in Oberböden und Gestein .................................................................................. 115 3.6.4 Empfehlungen zur bundeseinheitlichen Modellierung .................................. 118 3.7 Eintragspfad Dränagen ......................................................................... 119 3.7.1 Dränierte Flächen ........................................................................... 119 3.7.2 Bisherige Modellierung der Einträge über Dränagen.................................... 119 3.7.3 Neues methodisches Vorgehen ............................................................ 120 3.7.4 Ergebnisse .................................................................................... 121 3.7.5 Empfehlungen zur bundeseinheitlichen Modellierung .................................. 126 3.8 Eintragspfad Grundwasser ..................................................................... 126 3.8.1 Ergebnisse der Stickstoff-Einträge über Grundwasser.................................. 126 3.8.2 Bisherige Modellierung der PAK16-Einträge und neue Methodik ....................... 129 3.8.3 Empfehlungen zur bundeseinheitlichen Modellierung .................................. 129 3.9 Zusammenfassung und Fazit zu den Anpassungen der Eingangsdaten und Modellansätze ................................................................................... 129 4 Umsetzung der überregionalen Maßnahmen in MoRE ........................................... 132 4.1 Ableitung der überregionalen Maßnahmen und Maßnahmenwirkungen ................. 132 4.1.1 Erstellung von Maßnahmenlisten .......................................................... 132 4.1.2 Raumbezug der Maßnahmen ............................................................... 135 4.1.3 Relevanz der Maßnahmen .................................................................. 135 4.1.4 Strategische überregionale Maßnahmen zur Umsetzung in MoRE .................... 135 4.2 Beschreibung der Maßnahmen ................................................................