Runoffmodelierung an der Fuhse - NLWKN Juli 2016 Juli 2016 Runoffmodellierung an der Fuhse Im Auftrag des NLWKN 2016 Dr. Dieter Steffen Abschlussbericht Michael Bock - Helge Dietrich - Tobias Kawohl - Lars Landschreiber - Sandra Wendland Prof. Dr. Jürgen Böhner Lehrstuhl (W3) Physische Geographie – Universität Hamburg CEN Center for Earth System Research and Sustainability Institut für Geographie – Abteilung Physische Geographie Bundesstr. 55 20146 Hamburg (Germany) Phone: +49 40 42838 4960 Sekretariat: Marion Dohr Email: [email protected] Phone: +49 40 42838 4959 www.uni-hamburg.de/geographie/ Email: [email protected] 1 Runoffmodelierung an der Fuhse - NLWKN Juli 2016 2 Runoffmodelierung an der Fuhse - NLWKN Juli 2016 1. Fragestellung mitteldaten auf deren Plausibilität im Hin- blick auf mögliche Eintragspfade geprüft Durch Untersuchungen des Niedersächsi- werden. schen Landesbetriebs für Wasserwirt- schaft, Küsten- und Naturschutz (NLWKN) im Jahr 2011 konnte eine erhöhte Belas- Im Jahr 2013 wurden vom NLWKN weitere tung der Fuhse mit Pflanzenschutzmitteln Untersuchungen auf 226 Pflanzenschutz- festgestellt werden. Entsprechend der Eu- mitteluntersuchungen durchgeführt, in die ropäischen Wasserrahmenrichtlinie wur- auch die Fuhse bei Peine einbezogen den daraufhin Maßnahmen eingeleitet, um wurde. Im Ergebnis wurden für 81% der den Zustand der Fuhse zu verbessern. Die untersuchten Stoffe sog. Positivbefunde Maßnahmen werden vom Pflanzenschutz- (Gehalte oberhalb der Bestimmungsgren- amt der Landwirtschaftskammer Nieder- ze) verzeichnet, bei 16% wurden sogar sachsen in Zusammenarbeit mit dem maximale Gehalte von > 1 μg/l gemessen NLWKN durchgeführt. Ein wichtiger Bau- (Steffen 2014). Mit besonderer Besorgnis stein der Maßnahmen ist die folgend vor- werden in erwähntem Bericht die Gehalte gestellte Runoffmodellierung, die vom des Thiacloprids, mit einem Max.-Wert von Institut für Geographie, Abt. Physische 13 µg/l, erwähnt. Thiacloprid gehört zur Geographie, der Universität Hamburg, im Stoffgruppe der Neonikotinoiden, die als Auftrag des NLWKN vorgenommen wurde. bienengefährlich eingestuft wird und für Runoff wird, neben möglichen Einträgen die inzwischen weitere Anwendungsbe- über stationäre Punktquellen, als ein be- schränkungen via Durchführungsverord- deutender Eintragspfad von Pflanzen- nung seitens der EU erlassen wurden. An schutzmitteln in Gewässerökosysteme diesen Untersuchungen des Jahres 2013 angesehen, da er diffus über Regenereig- wird folgend beispielhaft die Runoffmodel- nisse stattfindet. Beeinflussende Faktoren lierung vorgestellt und angewandt. des Runoff sind die jeweiligen Standortei- genschaften wie Schlaggröße, Hangnei- Die Fuhse ist ein rein niedersächsischer gung, Bodenbearbeitung, Bewuchs, Dauer Fluss mit ca. 95 km Lauflänge. Die Fuhse und Intensität von Niederschlägen sowie fließt vom nördlichen Harzrand in etwa in den Eigenschaften des jeweiligen nördlicher Richtung und mündet auf dem Pflanzenschutzmittels. Durch die Runoff- Gebiet der Stadt Celle in die Aller. Ihr Ein- modellierung können nicht nur besonders zugsgebiet ist knapp 1900 km2 groß gefährdete Gewässerrandstreifen ausfin- (Abb1). Die Beprobung durch den NLWKN dig gemacht werden, es können darüber erfolgt in der Nähe des Pegels Peine. hinaus auch vorliegende Pflanzenschutz- 3 Runoffmodelierung an der Fuhse - NLWKN Juli 2016 Abbildung 1 Lauf und Einzugsgebiet der Fuhse, Hintergrund Google Earth Die sich, aufgrund der Befunde, aufdrän- Das Verhältnis von Punkt- zu diffusen gende Frage ist die nach der stofflichen Quellen wird zwar immer wieder in be- Quelle der PSM-Gehalte. Grundsätzlich stimmten Anteilen angegeben, dürfte tat- gibt es für das Auftreten von Pflanzen- sächlich aber von Flusseinzugsgebiet zu schutzmitteln in aquatischen Ökosystemen Flusseinzugsgebiet stark variieren. Wie wie Fließgewässer mehrere Möglichkeiten hoch der tatsächliche Anteil diffuser Stoff- der Herkunft. Nach Blarr et al (2009) sind quellen am Eintrag ist, ist durch unsach- dies einerseits diffuse Quellen und hierbei gemäße Handhabung im Umgang mit Spraydrift, Runoff und Erosion, Drainage- PSM (nach Blarr et al (2009) die häufigste abläufe sowie Abschwemmung von befes- Ursache für Punktquellen von PSM) über- tigten Wegen, und andererseits Punktquel- lagert. Bach et al (2005) kommen bei Ver- len und hierbei Einleitungen von Kläranla- gleichen von modellierten diffus eingetra- gen, Regenentlastungen der Kanalisation, genen Frachten mit abgeschätzten Frach- direkte Einleitungen von Landwirtschafts- ten aus Punktquellen für verschiedene betrieben und Einleitung von PSM- PSM in vier deutschen Flusseinzugsgebie- Herstellungs- und Formulierungsbetrieben. ten auf Werte zwischen 0% und 100%. 4 Runoffmodelierung an der Fuhse - NLWKN Juli 2016 Die Abteilung Physische Geographie der ist seit Jahren das sog. „DGM5“ des LGN Universität Hamburg entwickelt seit eini- der Stand der Entwicklung. Die „5“ im Na- gen Jahren ein GIS-Modell, das tagesak- men ist dabei kein Hinweis auf die Kanten- tuell und explizit teilflächenspezifisch diffu- länge der Rasterzellen, sondern rührt vom se Runoffereignisse simuliert. Dabei liegt Zuschnitt der Einzeldateien entsprechen der Fokus auf der räumlich exakten Model- der Deutschen Grundkarte 1:5.000 her. Im lierung des relativen Beitrags einzelner Original besitzt der Datensatz eine Raster- landwirtschaftlicher Flächen innerhalb ei- zellengröße von 12,5*12,5m, was einen nes Einzugsgebiets am gesamten Ge- Kompromiss darstellt. Einigen wenigen biets-Runoff. Mit Ergebnissen aus solchen Gebieten mit Laserscanmessungen, die Modellläufen kann der Frage nach der eine höhere räumliche Auflösung zuließen, Herkunft von PSM in Fließgewässern aus stehen andere Gebiete mit einer Daten- diffusen Quellen – unter Berücksichtigung dichte von stellenweise 25*25m oder so- der räumlichen Genauigkeit der Eingangs- gar 50*50m gegenüber. Die Ursache da- daten – nachgegangen werden. Genaue- für ist der Umstand, dass das DGM5 aus res zur Modellarchitektur ist nachzulesen verschiedenen Datenquellen (Photo- in Wendland et al (2015). grammetrische Luftbildauswertung, Isohypsen der Deutschen Grundkarte, 2. Messwerte ausgewählter PSM an Laserscanmessung) zusammengestellt bestimmten Zeitpunkten 2013 wurde. Der Datensatz wird seit mehreren An acht Terminen im Jahr 2013 wurden im Jahren fortgeführt und wurde zuletzt durch Rahmen einer größeren Probenahme- Böschungskanten und andere markante kampagne am Pegel Peine Gewässerpro- Geländeformen verdichtet. Im Zuge dieser ben aus der Fuhse entnommen, die zum Bearbeitung wurde auch eine Interpolation Teil stark erhöhte Gehalte ausgewählter auf das vorliegende 5*5m-Raster durchge- Pflanzenschutzmittel enthielten. Die Pro- führt, die unserer Meinung nach in der benahmetermine waren 04.02., 07.03., Fläche nicht durch die Informationsdichte 02.04., 02.05., 11.06., 01.07., 06.08., des Datensatzes gerechtfertigt ist. Trotz 04.09. dieser Weiterentwicklung kann das DGM5 Die genauen Messergebnisse sind nach- im bundesweiten Vergleich nicht mithalten, zulesen bei Steffen (2014). da alle anderen Flächenstaaten inzwi- schen laserscanbasierte Datensätze für 3. Eingangsdaten zur Modellierung: ihre Landesfläche besitzen. Diese Laser- Vorbehandlung und Prozessierung DGM sind dem DGM5 bezüglich der tat- sächlichen räumlichen Auflösung weit Das verwendete Runoffmodell ist in erster überlegen, da ihre Originalauflösung zwi- Linie ein GIS-Modell, d.h. es modelliert schen 0,5 und wenigen Metern liegt. Da Oberflächenprozesse in der Fläche und das laserscanbasierte DGM für das Bun- räumlich hochauflösend. Dafür werden desland Niedersachsen allerdings nicht folgende Eingangsdaten benötigt. vor 2018 fertiggestellt sein wird, musste für DGM diese Modellierung auf das DGM5 zurück- Zur Abbildung der Geländeoberfläche im gegriffen werden. Aus Abb. 2 geht die Runoffmodell wird ein Digitales Gelände- kleinräumige Differenzierung eines lokalen modell (DGM) benötigt. Ein DGM ist ein Reliefparameters (abgeleitet aus dem regelmäßiges Raster aus Höhenwerten, DGM5) für das Fuhsegebiet hervor. Sie die zusammen in digitaler Form gespei- lässt sich auf die verwendeten Datenquel- chert sind. Im Bundesland Niedersachsen len (Laser, photogrammetrische Luftbild- auswertung/ Isohypsen) zurückführen: 5 Runoffmodelierung an der Fuhse - NLWKN Juli 2016 Abbildung 2 Räumliche Differenzierung des lokalen Reliefparameters Wölbung, abgeleitet aus dem DGM5 für das oberirdische Einzugsgebiet der Fuhse (pinke Grenze). Dieser Reliefparameter spielt für die Modellierung keine Rolle, zeigt aber gut, wie Gebiete mit hoher Datendichte (Lasergebiete Stadt Braunschweig, westlich Salzgitter, östlich Celle) vereinzelt in Gebieten geringerer Datendichte vorkommen. Neben der geringen räumlichen Auflösung bietes dargestellt, wie sich die Artefakte des DGM spielen auch Interpolationsarte- von photogrammetrischer Luftbildmessung fakte eine gewisse Rolle. In Abbildung 3 bzw. Isohypseninterpolation lokal auswir- ist in einem kleineren Ausschnitt des Ge- ken. 6 Runoffmodelierung an der Fuhse - NLWKN Juli 2016 Abbildung 3 Ausschnittsvergrößerung des lokalen Reliefparameters Wölbung. Zur Verdeutlichung sind noch Grenzen von Feldblöcken sichtbar. Deutlich zu sehen sind die bei sehr flachen Hangneigungswerten immer mehr zu Tage tretenden Artefakte der photogrammetrischen Luftbildmessung (rote und blau Punkte). Diese bilden kleine Trichter bzw. Aufwölbungen in der Oberfläche des DGM. Sie gehen vollständig auf das Verfahren der Da- tengewinnung zurück und haben keine Entsprechung im natürlichen