Hydrologische Modellierung der Effekte des Landnutzungswandels auf den Wasserhaushalt im Xiangxi-Einzugsgebiet (Drei-Schluchten-Damm) mit SWAT

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1 Nina Köplin Hydrologische Modellierung der Effekte des Landnutzungswandels auf den Wasserhaushalt im Xiangxi-Einzugsgebiet (Drei-Schluchten-Damm) mit SWAT Diplomarbeit im Fach Geographie

2 Hydrologische Modellierung der Effekte des Landnutzungswandels auf den Wasserhaushalt im Xiangxi-Einzugsgebiet (Drei-Schluchten-Damm) mit SWAT Diplomarbeit zur Diplomprüfung im Fach Geographie dem Prüfungsausschuss für den Diplomstudiengang Geographie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel vorgelegt von Nina Köplin Kiel, Februar 2008 Erstgutachter: Prof. Dr. Ralf Ludwig, Geographisches Institut Zweitgutachterin und Betreuerin: Prof. Dr. Nicola Fohrer, Ökologie-Zentrum

3 II Diplomarbeit - Nina Köplin Kurzfassung In dieser Arbeit wird anhand einer hydrologischen Modellierung mit SWAT (ARNOLD ET AL. 1998) der Einfluss eines Landnutzungswandels auf den Wasserhaushalt in einem gebirgigen Flusseinzugsgebiet untersucht. Das etwa km² große Einzugsgebiet des Xiangxi befindet sich in der chinesischen Provinz Hubei in unmittelbarer Nähe zum Drei-Schluchten-Staudamm. Durch die Aufstauung des Yangtze wird ein großer Teil fruchtbaren Ackerlands überflutet. Um diesen Verlust auszugleichen, müssen neue Flächen erschlossen oder bestehende Nutzungen geändert werden. Ein Landnutzungswandel verändert jedoch den Wasserhaushalt des Untersuchungsgebiets und gegebenenfalls auch die Wasserqualität infolge erhöhter Bodenerosion. Diese Effekte sollen in der Arbeit für die Xiangxi-Region als beispielhaftes Einzugsgebiet im Einflussbereich des Drei-Schluchten-Stausees quantifiziert werden. Niederschlags- und Temperaturdaten liegen für das Gebiet von 8 Klimastationen vor. Die Zeitreihen beginnen am und enden am Für denselben Zeitraum stehen Abflussdaten für einen Pegel innerhalb des Einzugsgebiets zur Verfügung. Durch die Anpassung des Modells konnten verschiedene Defizite aufgedeckt werden. Zum einen kann das gemessene Abflussvolumen durch die vorliegenden Niederschlagsdaten nicht simuliert werden, d.h. die Stationen sind für die Region nicht repräsentativ. Zum anderen gibt es im Xiangxi-Einzugsgebiet einen nicht genauer identifizierten Speicher, der den Fluss während des niederschlagsarmen Winters speist. Dennoch konnte für das kalibrierte Einzugsgebiet ein Nash-Sutcliffe-Index von 0,75 erreicht werden und das Bestimmtheitsmaß beträgt 0,85. Das SWAT-Modell konnte also trotz einer unsicheren Datengrundlage für das Einzugsgebiet des Xiangxi angepasst werden. Abstract In this study the impact of land use change on the water balance of a mountainous catchment is assessed through hydrological modeling with the SWAT model (ARNOLD ET AL. 1998). The catchment of the Xiangxi river, which is about km², is situated in Hubei province in China near the Three Gorges Project damsite. Due to the increasing water level caused by the dam in the Yangtze river, a large part of the fertile agricultural land is inundated. To compensate for this, a part of the formerly unused land was cultivated or the existing land use was changed. However, land use change alters the water balance of a catchment and the water quality might change due to increasing soil erosion. These impacts are estimated in this case study of the Xiangxi catchment, using this region as an example in the immediate vicinity of the Three Gorges Reservoir. The database consists of 8 climate stations (precipitation and temperature) and one gauging station. The time series begin on January 1st 1970 and end on December 31st During the calibration process, different problems emerged. The measured volume of discharge could not be simulated with the available precipitation data. It seems that the climate stations are not representative for the region. Furthermore, there is an unknown reservoir in the Xiangxi catchment, which contributes water to the stream during the low flow season in winter. Nevertheless, the Nash-Sutcliffe efficiency achieves 0.75 and the coefficient of determination reaches 0.85 for the calibrated catchment, which stands for a good simulation with the SWAT model in spite of the scarce database.

4 Kurzfassung, Abstract und Vorwort III Vorwort Diese Arbeit entstand an der Fachabteilung für Hydrologie und Wasserwirtschaft des Ökologie- Zentrums der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Für die Aufgabenstellung und Betreuung sowie die Begutachtung der Arbeit möchte ich mich bei Prof. Dr. Nicola Fohrer herzlich bedanken. Bei Fragen konnte ich mich stets an sie wenden und bekam konstruktive Hilfestellung. Ebenso möchte ich Prof. Dr. Ralf Ludwig für die Begutachtung der Arbeit danken und auch für die nützlichen Anregungen, die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben. Dr. Georg Hörmann danke ich für die Unterstützung bei der Modellierung und für die hilfreichen Korrekturvorschläge. Auch Katrin Bieger danke ich für ihre Korrekturarbeit und mehr noch für ihre moralische Unterstützung. Namentlich erwähnen möchte ich außerdem Dr. Britta Schmalz, Filipa Tavares und Jens Kiesel, die mir bei Problemen mit dem Modell SWAT und auch bei sonstigen Unklarheiten zur Seite standen. Für die Bereitstellung des Höhenmodells möchte ich mich bei Prof. Dr. Thomas Scholten und Dr. Thorsten Behrens von der Universität Tübingen bedanken. Besonderer Dank gilt außerdem Prof. Dr. Tong Jiang vom NIGLAS, der auf unkomplizierte Weise stets bereit war, mir fehlendes Datenmaterial zur Verfügung zu stellen. Ich möchte mich dafür bedanken, dass ich im März 2007 an der CAGEM Summer School in Yichang teilnehmen durfte. Durch den Aufenthalt im Untersuchungsgebiet konnte ich wertvolle Erfahrungen und Eindrücke sammeln, die mir bei der Durchführung der Modellierung eine große Hilfe waren. Meiner Familie danke ich dafür, dass sie mir das Studium ermöglicht hat und Dennis danke ich für sein Verständnis. Kiel, Februar 2008 Nina Köplin

5 IV Diplomarbeit - Nina Köplin Inhalt KURZFASSUNG II ABSTRACT II VORWORT III INHALT IV ABBILDUNGEN VI TABELLEN VII 1 EINLEITUNG 1 2 STAND DER FORSCHUNG Einfluss der Landnutzung auf den Wasserhaushalt Einfluss von Wald im Besonderen Yangtze und Drei-Schluchten-Staudamm Das Xiangxi-Einzugsgebiet Landnutzungswandel und Erosion Wasserqualität Monitoring der Algenblüten und sonstige Untersuchungen im Einzugsgebiet Forschungsdefizit 13 3 UNTERSUCHUNGSGEBIET Allgemeine geographische Einordnung und Hydrologie Geologie, Geomorphologie und Böden Klima Landnutzung und natürliche Vegetation 23 4 MATERIAL UND METHODEN Modellierung Das hydrologische Modell SWAT Sensitivitätsanalyse Automatische Sensitivitätsanalyse Kalibrierung und Validierung Automatische Kalibrierung 30

6 Inhalt V 4.5 Gütemaße Bestimmtheitsmaß (R²) Nash-Sutcliffe-Index (NSI) Percent bias (PBIAS) Sonstige Methoden zur Beurteilung der Modellgüte Datengrundlage Klima- und Pegelstationen Digitales Höhenmodell Herleitung der Bodenkarte Entwicklung der Landnutzungskarten Durchführung der Modellierung Modell-Setup Extreme Landnutzungsszenarien Sensitivitätsanalyse und Kalibrierung 48 5 ERGEBNISSE UND DISKUSSION Ergebnisse Extreme Landnutzungsszenarien Kalibrierung der traditionellen Landnutzung Vergleich von traditioneller Landnutzung und Landnutzungsszenario Niederschlagsregionalisierung mittels Höhenstufen (elevation bands) Diskussion Extreme Landnutzungsszenarien Reservoir Vergleich von traditioneller Landnutzung und Landnutzungsszenario Niederschlagsregionalisierung mittels Höhenstufen (elevation bands) Kritik 71 6 ZUSAMMENFASSUNG 73 LITERATUR 77 ANHANG i EIDESSTATTLICHE VERSICHERUNG xi

7 VI Diplomarbeit - Nina Köplin Abbildungen Abbildung 1: Satellitenbild des Stauseebereichs (1987 und 2006) 2 Abbildung 2: Erosion auf einer Ackerfläche im Xiangxi-Einzugsgebiet 10 Abbildung 3: Hangrutschungen durch anthropogene Tätigkeit 10 Abbildung 4: Die Lage des Xiangxi-Einzugsgebiets in der Volksrepublik China 15 Abbildung 5: Im März 2007 erreichte Staustufe am Mündungsbereich des Xiangxi 16 Abbildung 6: Der Xiangxi nahe der Mündung vor und nach der Aufstauung 16 Abbildung 7: Höhenmodell und Flussnetz des Xiangxi-Einzugsgebiets 17 Abbildung 8: Durch Erzabbau verschmutzter Abschnitt des Gufu 18 Abbildung 9: Verwitterung von Ton- und Sandstein 19 Abbildung 10: Bodenbildung über Tonstein im Xiangxi-Einzugsgebiet 20 Abbildung 11: Klimaklassifikation nach SIEGMUND & FRANKENBERG 22 Abbildung 12: Teeanbau am Hang nahe der Mündung des Xiangxi 24 Abbildung 13: Natürliche Vegetation im Einzugsgebiet, Xiangxi-Oberlauf 24 Abbildung 14: Terrassierte Hänge im Einzugsgebiet I, Xiangxi-Mittellauf 25 Abbildung 15: Terrassierte Hänge im Einzugsgebiet II, Hinterland der Gufu 25 Abbildung 16: Latin Hypercube Stichprobenverteilung 29 Abbildung 17: Niederschlagsmessung, TGP hydrological station 36 Abbildung 18: Verdunstungsmessung, TGP hydrological station 36 Abbildung 19: Lage der Klimastationen im Einzugsgebiet 37 Abbildung 20: Bodenkarte 40 Abbildung 21: Landnutzungskarte (traditionell) 42 Abbildung 22: Landnutzungskarte (Szenario) 45 Abbildung 23: Teileinzugsgebiete des Xiangxi-Einzugsgebiets 46 Abbildung 24: Vergleich der Jahresabflusssummen unterschiedlicher Landnutzungen 51 Abbildung 25: Mittlere monatliche Abflusssumme unterschiedlicher Landnutzungen 52 Abbildung 26: Änderung der mittleren monatlichen Abflusssummen (extreme Szenarien) 53 Abbildung 27: Zusammenhang von Oberflächenabfluss und Steigung (Winterweizen) 54 Abbildung 28: Vergleich von gemessener und simulierter Abflussganglinie (Simulation 8) 55 Abbildung 29: Vergleich von gemessener und simulierter Abflussganglinie (Simulation 17) 57 Abbildung 30: Vergleich gemessenen und simuliert (Simulation 31, 1979) 61 Abbildung 31: Vergleich gemessenen und simuliert (Simulation 31, ) 62

8 Abbildungen und Tabellen VII Abbildung 32: Vergleich des Oberflächenabflusses von traditioneller Landnutzung und Szenario 63 Abbildung 33: Vergleich der Verdunstung von traditioneller Landnutzung und Szenario 63 Abbildung 34: Zusammenhang von Oberflächenabfluss und Anteil der Waldflächen 64 Abbildung 35: Vergleich der Abflussganglinien von Simulation 17 und Abbildung 36: Vergleich der monatlichen Wasserbilanz für die Simulationen 17, 36 und Abbildung 37: Entwicklung der drei Gütemaße bei traditioneller Landnutzung vii Abbildung 38: Entwicklung des Speichervolumens über den Simulationszeitraum vii Abbildung 39: Zusammenhang von Oberflächenabfluss und Steigung (extreme Szenarien) ix Tabellen Tabelle 1: Erwartete Auswirkungen des Drei-Schluchten-Projekts 8 Tabelle 2: Verteilung der Bodentypen im Einzugsgebiet 21 Tabelle 3: Ursprüngliche und veränderte Koordinaten und Höhenlagen der Klimastationen 38 Tabelle 4: Flächenanteile der Bodentypen im Xiangxi-Einzugsgebiet 41 Tabelle 5: Flächenanteile der traditionellen Landnutzungstypen im Xiangxi-Einzugsgebiet 43 Tabelle 6: Flächenanteile der Landnutzungstypen des Landnutzungsszenarios 44 Tabelle 7: Landnutzungsszenarien mit einer Landnutzung 47 Tabelle 8: Zu kalibrierende Parameter, Grenzwerte und Kalibrierungsmethode, Simulation Tabelle 9: Mittlere Steigung der Teileinzugsgebiete 54 Tabelle 10: Ergebnisse der automatischen Kalibrierung von Simulation Tabelle 11: Ergebnis der Sensitivitätsanalysen von Simulation 10 und Tabelle 12: Zu kalibrierende Parameter, Grenzwerte und Kalibrierungsmethode, Simulation Tabelle 13: Ergebnisse der automatischen Kalibrierung von Simulation Tabelle 14: Prozentualer Anteil der Waldfläche an der Gesamtfläche eines Teileinzugsgebiets 64 Tabelle 15: Kombinationen von PLAPS und TLAPS in den jeweiligen Höhenstufen 66 Tabelle 16: Gütemaße der Simulationen 17, 36 und Tabelle 17: Grenzwerte und Beschreibung der Bodenparameter i Tabelle 18: Anfängliche Parametrisierung der Bodentypen ii Tabelle 19: Anfängliche Anpassung der CN2- und USLE-Werte iii Tabelle 20: Beschreibung der durchgeführten Simulationen iv Tabelle 21: Wasserbilanz und Gütemaße der traditionellen Landnutzung vi

9 VIII Diplomarbeit - Nina Köplin

10 1 1 Einleitung Das Drei-Schluchten-Projekt, das in China als das größte und ehrgeizigste Bauvorhaben seit Errichtung der Großen Mauer gilt (KING ET AL. 2002), erregt große nationale und internationale Aufmerksamkeit. Besonders die möglichen negativen Effekte einer Aufstauung des Yangtze werden auf internationaler Ebene kritisch betrachtet. Das Einzugsgebiet des Yangtze oberhalb des Staudamms ist über 1 Mio. km² groß. Der Yangtze hat bei Yichang, der größten Stadt nahe des Staudamms, einen mittleren jährlichen Abfluss von 451 Mrd. m³. Die mittlere jährliche Sedimentfracht beträgt 526 Mio. t, dies entspricht einer Sedimentkonzentration von 1,2 kg/m³ (CAI & FOHRER 2006A). Das Flusstal ist im Bereich des Staudamms breit und offen, flussaufwärts sind die Täler steiler und der Fluss ist tief in das Gelände eingeschnitten. Daher wird in dieser Region der Ackerbau direkt am Hang oder in Terrassen durchgeführt, denn ca. 25 % der genutzten Flächen haben eine Steigung von über 25 (KING ET AL. 2002). Der Landwirtschaftssektor hat den größten Anteil am BIP, welches in dieser Region jedoch niedriger liegt als das chinesische Mittel. Durch den Aufstau des Yangtze bildet sich - auf Grund der engen Schluchten - ein ca. 600 km langer Stausee aus. Der eher flussähnliche See (Abbildung 1) reicht bis zur Stadt Chongqing. Die Oberfläche des Stausees wird bei Erreichen des Stauziels km² betragen (CAI & FOHRER 2006A). Die mittlere Breite des Yangtze erweitert sich von durchschnittlich 0,39 auf 1,10 km, die Fließgeschwindigkeit wird von 0,85 auf 0,20 m/s verlangsamt. Der Verweildauer des Wassers beträgt nun 77 Tage (ZENG ET AL. 2007). Mit der Umsetzung des Drei-Schluchten-Projekts werden verschiedene Ziele verfolgt. Im Vordergrund steht der Hochwasserschutz für die Regionen am Mittel- und Unterlauf des Yangtze. Durch den Betrieb des Staudamms sollen außerdem große Mengen an Energie erzeugt werden. Gleichzeitig soll die Schiffbarkeit des Yangtze sowohl unter- als auch oberhalb des Staudamms verbessert werden. Im Jahr 1994 begannen die ersten Bauarbeiten. Am 1. Juli 2003 wurden die Wehrfelder der Staumauer geschlossen und es konnte mit der ersten Teilflutung begonnen werden (KING ET AL. 2002). Das normale Stauziel liegt bei 175 m ü. NN, was einer Anhebung des Wasserspiegels um etwa 80 m entspricht (KING 2006). Das maximale Stauziel beträgt 180,40 m, die Kammhöhe des Damms befindet sich auf 185 m ü. NN. Der Abfluss aus dem Staudamm wird durch 23 Grundauslässe geregelt, die sich auf einer Höhe von 90 m ü. NN befinden (CAI & FOHRER 2006A). Bereits im Mai 2006 konnten die Hoch- und Tiefbauarbeiten abgeschlossen werden, wodurch voraussichtlich bereits 2008 alle 26 Turbinen in Betrieb genommen werden können (WALTER 2008), statt wie geplant erst 2009 (KING ET AL. 2002). Vor Baubeginn wurden durch 14 Arbeitsgruppen zahlreiche Untersuchungen über mögliche Folgen des Staudamms durchgeführt. Dabei wurden Themenbereiche wie Hydrologie, Hochwasserschutz, Umsiedlungen, Energiegewinnung, Ökologie, Umweltschutz u.a. erforscht (KING ET AL. 2003). Auch die Ermittlung des aktuellen Erosionsstatus in der Region war Teil der Machbarkeitsstudie zum Drei- Schluchten-Projekt (LU & HIGGITT 2000). Im Jahr 1990 wurden die Ergebnisse vorgelegt. Der Fokus der Studien lag eher auf der Durchführung des Projekts, weniger Beachtung fanden Konzepte für die

11 2 Diplomarbeit - Nina Köplin weitere Entwicklung der Region. Zudem stand das positive Ergebnis der Studien häufig bereits im Vorfeld fest (KING ET AL. 2003). Die Machbarkeitsstudien sagen aus, dass aufgrund der herabgesetzten Fließgeschwindigkeit das wesentliche technische Problem die Sedimentation ist. Zwar haben die Berechnungen ergeben, dass nach einem Jahrhundert Betrieb die Staukapazität noch bei % des ursprünglichen Volumens liegt, und die kumulative Sedimentablagerung hätte nach 30 Jahren Betrieb keinen nennenswerten Effekt auf die normale Leistung des Staudamms. Doch einige Jahrzehnte später könnte die Schiffbarkeit des Yangtze beeinträchtigt werden (CAI & FOHRER 2006A). Zudem könnte der Hochwasserstand bei Chongqing infolge der verstärkten Sedimentation von 194,3 m vor dem Aufstau auf 199 m ü. NN ansteigen, was dem Wert eines 100-jährigen Hochwasserereignisses entspräche. Abbildung 1: Satellitenbild des Yangtze vor (1987) und nach der Aufstauung (2006) durch den Drei- Schluchten-Staudamm, sichtbar ist das flussähnliche Reservoir, das sich auch in das Xiangxi-Tal ausbreitet (KARONEN 2007)

12 Kapitel 1 - Einleitung 3 In den angrenzenden Provinzen sind andere Aspekte als die Sedimentation von Bedeutung. Als Beispiel wird in dieser Arbeit das Einzugsgebiet des Xiangxi betrachtet. Der Xiangxi ist der größte Zufluss zum Stausee in der Provinz Hubei. Er mündet 37 km flussaufwärts des Drei-Schluchten- Staudamms in den Stausee und liegt somit unmittelbar im Einflussbereich des Damms (KING 2006). Die Täler und Flussauen werden in dieser Region traditionell landwirtschaftlich genutzt. Durch den Wasserspiegelanstieg wird ein großer Teil dieser fruchtbaren Flächen überflutet, wodurch eine Umnutzung der verbleibenden Flächen, bzw. die Urbarmachung vormals ungenutzter Flächen notwendig ist. Dies kann z.b. durch Terrassierung oder durch die Nutzung von steileren Hängen geschehen. Landnutzungsänderungen haben sowohl einen Einfluss auf die Hydrologie der entwässerten Flusssysteme [...] als auch auf ihre Stofffrachten (KING ET AL. 2003, S.66). So könnte eine Umnutzung in erhöhtem Oberflächenabfluss resultieren, der wiederum verstärkte Bodenerosion bewirken kann. Der erhöhte Eintrag von Sediment und damit verbunden auch Nährstoffen in den Fluss hat die Verschlechterung der Wasserqualität zur Folge (KING ET AL. 2003). Und seit der Aufstauung wurden im Mündungsbereich des Xiangxi bereits mehrere Algenblüten beobachtet (ZENG ET AL. 2007). Die Handhabung der Flächennutzungsänderung und eine nachhaltige Landwirtschaft sind von immenser Bedeutung, wenn anthropogen verursachte Sedimenteinträge vermieden werden sollen, um die ohnehin vorhandenen Einträge nicht zu erhöhen (KING ET AL. 2002), denn der Verlust fruchtbaren Ackerlands einerseits und die Verschlechterung der Wasserqualität andererseits wirken sich auch negativ auf die Lebensqualität aus, da die Landwirtschaft, wie schon erwähnt, der Haupterwerbszweig der Bevölkerung in der Region ist (KING ET AL. 2003). Mithilfe einer hydrologischen Modellierung mit SWAT (Soil And Water Assessment Tool, ARNOLD ET AL. 1998) soll im Rahmen dieser Diplomarbeit versucht werden, die abflussbildenden Prozesse im Xiangxi-Einzugsgebiet zu erfassen. Dafür sollen zunächst die notwendigen Karten der Bodentypen und Landnutzungen erstellt werden, da diese für das Gebiet nicht vorliegen. Die vorhandene Datengrundlage wird dabei durch Informationen und Erfahrungen ergänzt, die während einer Exkursion in das Untersuchungsgebiet im März 2007 gesammelt werden konnten. Durch den Vergleich des Wasserhaushalts von Landnutzungsszenarien mit dem der tatsächlichen Landnutzung soll untersucht werden, ob eine veränderte Landnutzung höhere Oberflächenabflüsse hervorruft. Abschließend sollen Vorschläge für eine nachhaltige Landwirtschaft in dieser Region gemacht werden. Nach einem Überblick über den derzeitigen Forschungsstand bezüglich des Einflusses der Landnutzung auf den Wasserhaushalt im Allgemeinen und auf die Effekte im Einflussbereich des Drei-Schluchten-Staudamms im Besonderen (Kapitel 2) wird das Untersuchungsgebiet vorgestellt (Kapitel 3). Anschließend erfolgt die Beschreibung der hydrologischen Modellierung mit SWAT, der angewendeten Methoden zur Beurteilung der Modellgüte sowie der für die Modellierung notwendigen Datengrundlage (Kapitel 4). Schließlich werden die Ergebnisse der Modellierung im Einzelnen vorgestellt und diskutiert (Kapitel 5).

13 4 Diplomarbeit - Nina Köplin

14 5 2 Stand der Forschung 2.1 Einfluss der Landnutzung auf den Wasserhaushalt Der Wasserhaushalt ist zwar ein zentrales Element bei allen umweltrelevanten Fragestellungen, aber fast immer ist die Wechselwirkung zwischen dem Wasser und anderen Bereichen, wie Landwirtschaft, Forstwirtschaft, Ökologie oder Raumplanung zu berücksichtigen (FÜRST 2004, S. 280). Demzufolge ist der Einfluss der Landnutzung auf die Wasserbilanz eines Einzugsgebiets ein wesentliches Thema von Untersuchungen in den letzten Jahren (FOHRER 2002A). Durch die Komponenten Evapotranspiration (FOHRER ET AL. 2001), Blattspeicher und Interzeption (BULTOT ET AL. 1990), also durch den Entzug von Wasser (FOHRER ET AL. 2005), gibt es eine unmittelbare Verbindung zwischen der Pflanze und dem Wasserkreislauf. LEMPERT (2000) betont den großen Einfluss der Landnutzung auf die Verteilung der Wasserhaushaltskomponenten. Der Einfluss des Bodens selbst sei weniger maßgeblich, wichtiger scheint die Beeinflussung des Pflanzenwachstums durch die Bodenparameter zu sein. Der Faktor Landnutzung ist nicht nur entscheidend, weil er die Hydrologie beeinflusst, sondern auch, weil eine Änderung der Landnutzung die Habitatqualität und damit die Biodiversität einer Landschaft betrifft (FOHRER ET AL. 2002B). Außerdem hat eine veränderte Landnutzung auch Auswirkungen auf die ökonomischen Faktoren einer Region, wie z.b. das landwirtschaftliche Einkommen. Bei Studien, die den Einfluss der Landnutzung betreffen, muss bedacht werden, dass dieser Einfluss nicht generalisiert werden kann: Sowohl die Vegetation, als auch die Hydrologie variieren innerhalb des Einzugsgebiets in Raum und Zeit (OTT & UHLENBROOK 2004). Zudem können Reaktionen nicht immer nur am Gesamtabfluss, sondern auch an einzelnen Abflusskomponenten wie Oberflächen-, Zwischen- und Basisabfluss beobachtet werden (KRAUSE 2002). Eine differenzierte Betrachtung ist also sinnvoll. Eine Möglichkeit, den Einfluss der Landbedeckung auf den Wasserkreislauf zu quantifizieren, sind gepaarte Einzugsgebietsexperimente (FOHRER ET AL. 2005). Dementsprechend stammt ein Großteil des Wissens über die Effekte von Landnutzungswandel auf die Wasserqualität und -quantität aus Einzugsgebietsstudien und Langzeitüberwachungen (KLÖCKING & HABERLANDT 2002). Als Alternative zu gepaarten Einzugsgebietsstudien schlagen LØRUP ET AL. (1998) die Kombination einer hydrologischen Modellierung mit statistischen Tests vor Einfluss von Wald im Besonderen Der besondere Einfluss von Waldökosystemen auf die Hydrologie wird in zahlreichen Untersuchungen hervorgehoben. Es wird allgemein anerkannt, dass Entwaldung in einem Flusseinzugsgebiet höhere Jahresabflüsse hervorruft und entsprechend finden sich in der Literatur zahlreiche Belege für diesen Zusammenhang (SHARMA ET AL. 2000, NOTTER ET AL. 2007, LU ET AL. 2003, BRUIJNZEEL 2004). Werden ehemalige Waldflächen durch eine Grünlandnutzung ersetzt, resultiert

15 6 Diplomarbeit - Nina Köplin dies insbesondere in einer Zunahme der schnellen Abflusskomponente (FOHRER ET AL. 2002B), aufgrund von erhöhtem Oberflächenabfluss. Bei einer ackerbaulichen Nutzung ehemaliger Waldflächen kommt es - wenn der Boden zwischen den Wachstumsperioden noch unbedeckt ist - besonders an Hanglagen zu erhöhter Bodenerosion (WEBER ET AL. 2001), weswegen im Zusammenhang mit Entwaldung auch von einer signifikanten Zunahme der Sedimentfracht während der niederschlagsreichen Monate berichtet wird. Gleichzeitig ist eine Abnahme des Abflusses während der trockenen Periode zu verzeichnen, da mehr Wasser zur Bewässerung der neu entstandenen Ackerflächen entnommen wird (LU ET AL. 2003). Durch eine Entwaldung der Flächen entstehen also sowohl längere Perioden mit niedrigem Wasserstand als auch mehr Hochwasserereignisse. Es gibt eine extremere Verteilung der Abflüsse (BRUIJNZEEL 2004), wobei das Niedrigwasserproblem noch weiter untersucht werden muss, ebenso wie die Frage, inwieweit eine Aufforstung das Entstehen und den Verlauf von Hochwasserereignissen positiv beeinflussen kann (HÖRMANN ET AL. 2005). Zwar wird bei GUO & GAN (2002) die regulierende Wirkung von Waldökosystemen auf den Wasserhaushalt durch Speichern und Speisen hervorgehoben und auch FOHRER (2001) beschreibt, dass eine Aufforstung aufgrund erhöhter Interzeption dem Entstehen von Hochwassern entgegenwirken kann, doch diese Effekte seien nur bei kleinen Hochwasserereignissen signifikant. Fest steht hingegen, dass die Abflussreaktion auf Entwaldung oder Aufforstung abhängig ist vom mittleren Jahresniederschlag der Region, am stärksten ist der Einfluss in niederschlagsreichen Regionen (FOHRER ET AL. 2005). Ein entscheidender Faktor scheint zudem in der Topographie zu liegen: Eine Entwaldung steilerer Hänge führt zu einer deutlichen Zunahme des Abflusses (FOHRER ET AL. 2001). Dem nachgewiesenen Einfluss von Abholzung und Aufforstung auf die Hydrologie eines Einzugsgebiets liegen zwei unterschiedliche Theorien zugrunde (BRUIJNZEEL 2004): Die Schwamm- Theorie (1) besagt, dass die Wurzeln der Bäume wie Schwämme wirken, die dem Boden Wasser entziehen und somit Spitzenabflüsse verringern. Bei der Infiltrations-Theorie (2) wird davon ausgegangen, dass die Bodeneigenschaften die abflussbildenden Prozesse maßgeblich beeinflussen. Eine vermittelnde Auffassung ist, dass es z.b. durch den Schutz vor Erosion oder Verschlämmung einen positiven Einfluss der Vegetation auf die Bodeneigenschaften und somit des Abflusses gibt. Kritisiert wird allgemein die Annahme, die Wurzel fungiere als Schwamm. Eine jüngere und allgemein akzeptierte Ansicht ist, dass Baumwurzeln als Pumpen wirken, da sie während der trocken-eren Periode kein Wasser abgeben, was bei der Schwamm-Theorie angenommen wird. Unabhängig von ihrem Einfluss auf die Hydrologie haben Waldökosysteme durch Holz, Früchte und andere Produkte auch einen direkten ökonomischen Nutzen für eine Region. Indirekt dienen sie z.b. der Kohlenstofffixierung, der Sauerstoffproduktion, der klimatischen Regulation, dem Erosionsschutz und der Erholung (GUO ET AL. 2000). Waldökosysteme erhalten biogeochemische Zyklen und tragen insgesamt zum menschlichen Wohlergehen bei (GUO ET AL. 2001), sowohl in unmittelbarer Nähe als auch in entfernteren Regionen. D.h. Waldökosysteme wirken global und extern (GUO ET AL. 2000). Den tatsächlichen Nutzen dieser ecosystem services, also der positiven Wirkungen von Ökosystemen, in einen Geldwert umzurechnen, ist nicht einfach. Die indirekten Werte können ökonomisch sehr viel entscheidender sein als der direkte Nutzen. Somit sollten Waldökosysteme aufgrund ihrer substanziellen Rolle in Bezug auf das menschliche Wohlergehen eine größere Beachtung finden (GUO ET AL. 2001).

16 Kapitel 2 - Stand der Forschung Yangtze und Drei-Schluchten-Staudamm Die Yangtze-Hochwasser haben in den letzten Jahren einen anderen Charakter bekommen: Der Peak ist niedriger, aber der Verlauf ist folgenschwerer (CAI & FOHRER 2006B). Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass Eindämmungen und Abflussregulation am mittleren und unteren Yangtze den Wasserspiegel während der Hochwassersaison generell erhöhen. Die Kultivierung von Feuchtgebieten am mittleren und unteren Yangtze verringert die Speicherkapazität von Seen und durch den fortschreitenden Landnutzungswandel, insbesondere hin zu städtischen Siedlungen, wird der Anteil an versiegelten Flächen allgemein erhöht, was einen zusätzlichen Verlust an Bodenspeichern bedeutet. Entlang des Drei-Schluchten-Stausees existieren ca diffuse und punktuelle Verschmutzungsquellen. Die gesamte Menge des eingeleiteten industriellen und städtischen Abwassers in den Stausee beträgt 10 8 t/a (FU ET AL. 2006). Da alle Provinzen, die an den Yangtze angrenzen, durch den Fluss miteinander verbunden sind, d.h. die Einträge in den Oberlauf eines Gewässers haben immer auch Auswirkungen auf den Unterlauf, ist es wichtig, dass es einen Austausch zwischen den Provinzen gibt. Das Yangtze-Einzugsgebiet ist jedoch durch starke interprovinzielle Disparitäten mit abweichenden ökonomischen und umweltpolitischen Zielsetzungen gekennzeichnet, was die Kommunikation und Einigung der Provinzen untereinander erschwert (ZENG 2001). Der Westen ist eher unterentwickelt und dementsprechend haben Umweltziele dort einen geringeren Stellenwert. Damit hier ein nachhaltigeres Einzugsgebietsmanagement durchgeführt werden kann, bedarf es einer Unterstützung dieser Regionen durch die besser entwickelten Provinzen des Mittel- und Unterlaufs, was etwa durch Ausgleichszahlungen geleistet werden kann. Die Hauptaufgaben bzw. Ziele, die durch das Drei-Schluchten-Projekt verfolgt werden, sind nach KING ET AL. (2004): 1. Hochwasserschutz: Der Drei-Schluchten-Staudamm ermöglicht es, den Mittellauf des Yangtze vor einem hundertjährigen Hochwasser zu schützen. Das Flutkontrollvolumen beträgt 22,15 km³. 2. Erzeugung von Hydroenergie: Mit einer Generatorleistung von maximal MW kann eine jährliche Energiemenge von 85 GWh produziert werden. Zum Vergleich: Ein Kernkraftwerk erzeugt im Durchschnitt MW. 3. Verbesserung der Schiffbarkeit: Nach dem Aufstau wird der Yangtze bis Chongqing für Schiffe bis t passierbar, vorher war es nur Frachtern bis t möglich. 4. Kontinuität des Abflusses: Durch die Erhöhung des bisherigen Niedrigwasserabflusses unterhalb des Staudamms von m³/s auf bis zu m³/s, wird während der Niedrigwasserperiode die Schiffbarkeit des Mittelaufs verbessert, und es steht dort mehr Bewässerungswasser zur Verfügung. Die möglichen Auswirkungen des Drei-Schluchten-Staudamms auf die Hydrologie, Geologie, Ökologie und andere Bereiche wurden im Vorfeld untersucht, aber aufgrund der Ausmaße des Projektes sind diese sehr komplex und schwer vorherzusagen. Zudem sind die Voruntersuchungen häufig unkritisch gewesen (vgl. Kapitel 1). Tabelle 1 listet eine Auswahl der erwarteten Auswirkungen des Drei-Schluchten-Projektes auf.

17 8 Diplomarbeit - Nina Köplin Tabelle 1: Erwartete Auswirkungen des Drei-Schluchten-Projektes (HARTMANN & BECKER 2003, KING ET AL. 2004) Auswirkungen der Aufstauung des Yangtze Aufgrund herabgesetzter Fließgeschwindigkeit Sedimentation im gesamten Stausee, noch unklar ob das gesamte abgelagerte Material ausgespült werden kann Niedrigere Sedimentfrachten unterhalb des Staudamms, bis ca. Wuhan Flussbetterosion statt Akkumulation Tiefer gelegtes Flussbett durch Erosion = niedrigerer Pegel bei gleich bleibendem Abfluss Gefahr von Unterspülung der Deiche Geringere Sedimentfracht = längere Lebensdauer des verlandenden Dongtingsees (abflussregulierender Wasserspeicher) Generelles Risiko von Hangrutschungen (vgl. Kapitel 2.3.1) durch Grundwasserspiegelanstieg Durch Flächenverlust fruchtbaren Ackerlands am Talboden müssen größere Flächen (da weniger fruchtbar) am Hang intensiv genutzt werden verstärkte Erosion (Abbildung 2) Verstärkte Erosion auch aufgrund von Erschließungsmaßnahmen wie etwa Straßenbau (Abbildung 3) Verschlechterung der Wasserqualität im Stausee durch geringe Fließgeschwindigkeit und daraus resultierender schlechter Belüftung Positiver Effekt auf Wasserqualität am Mittel- und Unterlauf während der Trockenzeit durch Verdünnungseffekte und verminderte Intrusion in das Delta Stark eingeschränkter Hochwasser-Schutz (großer Teil der hochwassergenerierenden Niederschläge unterhalb des Staudamms) Bewertung Umsiedlungen +/- Unklare Auswirkungen auf Ökologie - Energiegewinnung aus Wasserkraft + Wirtschaftswachstum auch in den westlichen Provinzen des Yangtze- Einzugsgebiets + Verbesserte Schiffbarkeit unter- und oberhalb des Staudamms + Das übergeordnete Ziel des Hochwasserschutzes wird besonders stark kritisiert (KING ET AL. 2004). Die Kritik wird dadurch begründet, dass einerseits die Regenzeit zuerst, d.h. Mitte bis Ende Juni, im südöstlichen Teil des Einzugsgebiets, im Bereich des Dongting- und Poyangsees, einsetzt: Die ersten Überschwemmungen treten dort schon bereits vor der Hochwasserwelle aus dem Oberlauf auf. Wenn der Abfluss aus dem Stausee ab Mitte Juni gering gehalten wird, könnte man diese Hochwasserstände am Mittel- und Unterlauf kompensieren. Andererseits kommt es ab Juli auch am Oberlauf zu Starkregenereignissen. Um diese Wassermengen auffangen zu können, müsste wiederum ein

18 Kapitel 2 - Stand der Forschung 9 genügend großes Volumen im Stausee frei gehalten werden. Diese beiden Strategien, mit denen den Hochwasserwellen am Mittel- und Unterlauf vorgebeugt soll, widersprechen einander, wodurch die Erfüllung der vorrangigen Aufgabe des Hochwasserschutzes angezweifelt werden muss. HARTMANN & BECKER (2003) stellen fest, dass das Argument der Energiegewinnung schwerer wiegt als das Argument des Hochwasserschutzes. In jedem Fall sei es unseriös, eine einseitige Position zu beziehen. Durch den Einfluss vielfältiger Faktoren sind die Auswirkungen komplex und zwar sowohl positiv als auch negativ. So kann durch Hydroenergie ein positiver Effekt auf Kohlenstoffdioxid-, Kohlenmonoxid- und andere Emissionen, die bei der Erzeugung von Strom durch Kohlekraftwerke entstehen, erzielt werden (CAI & FOHRER 2006A). Die soziale Komponente der Auswirkungen des Drei-Schluchten-Projekts erfährt in der Literatur zwar große Beachtung, soll hier jedoch nur kurz angesprochen werden. Eine Umsiedlung der Landbevölkerung in die Städte führt häufig zu Arbeitslosigkeit und zum Verlust ökonomischer Ressourcen wie etwa Tee- und Obstbäumen. Laut offiziellen Angaben wurden insgesamt rund 1,13 Millionen Menschen umgesiedelt, KEIL (2002) gibt dagegen eine Schätzung von inoffiziell mehr als 2 Millionen Betroffenen an. Bei einer Umsiedlung aufgrund infrastruktureller Maßnahmen, wie z.b. der Bau des Drei-Schluchten-Staudamms, spricht man von unfreiwilliger oder gezwungener Migration (HEMING ET AL. 2001). Die unfreiwillige Migration unterscheidet sich von der freiwilligen dadurch, dass diese Gruppe der Migranten keinesfalls zu ihrem Heimatort zurückkehren kann. Grundsätzlich folgt die Hauptstrategie bei Umsiedlungen der Devise land for land. Tatsächlich entsteht aber der Eindruck, dass fruchtbares Ackerland verloren geht und nicht durch gleichwertige Flächen ersetzt werden kann. Das neue Land ist meist kleiner und von schlechterer Qualität, sagen 66 % der befragten Umsiedler, da ihnen häufig steileres und somit schwerer zu kultivierendes Land als bisher zugewiesen wird. Nur 12 % sprechen von einer gleichwertigen Ausgleichsfläche. Dennoch zeige ein großer Teil der Betroffenen eine bemerkenswerte Akzeptanz dafür, dass sie für das große nationale Ziel umgesiedelt werden (HEMING ET AL. 2001). 2.3 Das Xiangxi-Einzugsgebiet Landnutzungswandel und Erosion In den Kreisen Zigui und Xingshan, durch die der Xiangxi fließt (vgl. Kapitel 3.1) geht fruchtbares Land aufgrund von Bodendegradation mit zunehmender Geschwindigkeit verloren, was eine Intensivierung der verbliebenen Flächen nach sich zieht (HE ET AL. 2003), da die Land- und Bodenressourcen in der Region limitiert sind. Entsprechend nimmt das Interesse an den potenziellen Auswirkungen von Landschaftsdegradation in gebirgigen Regionen auf die hydrologischen Prozesse und Extremereignisse wie etwa Hochwasser und Dürren zu (LU ET AL. 2003). Der größte Teil der Flächen im Xiangxi-Einzugsgebiet befindet sich in Hanglagen (HE ET AL. 2003): 50 % der Flächen haben eine Steigung von über 25 (KING ET AL. 2002), was infolge einer hohen Reliefenergie auch eine hohe Erosionsgefährdung mit sich bringt (SCHOLTEN ET AL. 2001). Mit der Aufstauung wird noch mehr nutzbares Land verloren gehen. Durch die damit verbundene zunehmende Intensivierung peripherer Bereiche werden die Effekte verstärkt (HE ET AL. 2003). Abbildung 2 zeigt ein Beispiel von linienhafter Erosion im Hinterland des Xiangxi-Oberlaufs.

19 10 Diplomarbeit - Nina Köplin Abbildung 2: Erosion auf einer Ackerfläche im Hinterland des Xiangxi-Oberlaufs (März 2007) Zusätzlich zur Erosion, die durch die Kultivierung steilerer Lagen entsteht, wird auch die frühere Erosionsbasis mit Erreichen des Stauziels von 175 m ü. NN um etwa 80 m erhöht, was bei den betroffenen Uferbereichen zu Änderungen im Spannungszustand des Bodens führen wird (KING 2006). Massive Umsiedlungen in höhere Regionen und städtische Entwicklung können z.b. durch Straßenbau (Abbildung 3) alte Hangrutschungen reaktivieren oder neue entstehen lassen. Wasserspiegelschwankungen können zusätzlich zur Destabilisierung der Hänge führen, was die am weitesten verbreitete natürliche Ursache für Hangrutschungen ist (FOURNIADIS ET AL. 2007). KING (2006, S. 9) stellt fest, dass aufgrund der Verlagerung der Erosionsbasis und [der] landwirtschaftlichen Nutzung höher gelegener Hangbereiche, mit einer stark erhöhten Erosionsgefährdung gerechnet werden muss. Diese veränderte Situation schaffe auch für landschaftsbürtige Problemstoffe neue Eintragspfade in das aquatische System. Abbildung 3: Hangrutschungen durch anthropogene Tätigkeit am Yangtze nahe der Mündung des Xiangxi (September 2005)

20 Kapitel 2 - Stand der Forschung 11 Terrassierte Hänge bieten eine Möglichkeit, den Sedimenttransport in den Fluss zu beeinflussen (LU & HIGGIT 2000). Durch eine veränderte Steigung entlang von Terrassen könnten Bodenverluste gering gehalten werden. Zusätzlich kann eine intakte Uferzone die Massenbewegung vom Hang in den Fluss kontrollieren bzw. ihr entgegenwirken (JIANG ET AL. 2005). Die Uferzone ist entscheidend für die Wasserqualität und Biodiversität eines Ökosystems. Allerdings sind besonders in niedrigen Höhenlagen des Xiangxi-Gebiets die Uferrandstreifen häufig in landwirtschaftliche Fläche oder Siedlungsgebiet umgewandelt worden Wasserqualität Der Yangtze und seine Zuflüsse sind gekennzeichnet durch hohe Sediment- und Nährstofffrachten, hauptsächlich belasten dabei Stickstoff- und Phosphorverbindungen die Wasserqualität (KING ET AL.2003). Der Eintrag von Phosphor in den Xiangxi erfolgt in erster Linie durch industrielles und städtisches Abwasser (FU ET AL. 2006). Das industrielle Abwasser stammt vorrangig aus der Erschließung von Phosphorreserven in der Provinz Hubei, welche langfristig zum größten Produzenten von Phosphatdüngemitteln in China ausgebaut werden soll (KEIL 2002). Diese Produktionssteigerung ist notwendig, da es in der chinesischen Landwirtschaft eine steigende Nachfrage nach Düngemitteln gibt. Phosphor ist ein essentieller und gleichzeitig limitierender Nährstoff für Pflanzen und wird immer in Betracht gezogen, wenn das Entstehen und die Dynamik einer Eutrophierung beeinflusst werden soll (FU ET AL. 2006). Zusätzlich zum Eintrag aus industriellen und städtischen Abwässern stellen auch landwirtschaftlich genutzte Flächen einen möglichen Eintragspfad dar. Phosphor kann sich im Boden akkumulieren, wenn die Düngegabe bezogen auf den Phosphor nicht bedarfsgerecht ist (GREEN ET AL. 2007). Eine erhöhte Konzentration des partikulär gebundenen Phosphors erhöht auch den potenziellen Transfer von Phosphor zur Bodenlösung und zum Oberflächenabfluss (MCDOWELL ET AL. 2001). Der Anteil gelösten Phosphors, der mit dem Oberflächenabfluss in den Xiangxi eingetragen wird, ist zwar gering, doch er muss berücksichtigt werden, da er unmittelbar pflanzenverfügbar ist. Hauptsächlich erfolgt der Eintrag in den Fluss jedoch partikulär gebunden. Somit stellen mit Phosphor angereicherte Böden eine potenzielle diffuse Nährstoffquelle für ein Flusssystem dar (GREEN ET AL. 2007). Ein weiterer Grund für die verstärkte Eutrophierung des Xiangxi-Reservoirs könnte das Vorkommen von Siliziumdioxid-Verbindungen (SiO 2 ) sein, die als Teil von Silikaten wie z.b. Feldspat und Tonmineralen die häufigste Silizium-Verbindung darstellen. Bezüglich der Eutrophierung von Süßwasserökosystemen haben sie einen sehr viel entscheidenderen Einfluss, als bislang angenommen (YE ET AL. 2007). Die Gründe dafür werden im Kapitel dargelegt. Der Eintrag von Silizium in den Fluss geschieht zum einen durch erhöhte Bodenerosion. Andererseits besitzen auch die 39 hydroelektrischen Dämme (WANG 2006) entlang des Xiangxi und seiner Zuflüsse das Potenzial, eine kulturelle Eutrophierung (HA ET AL. 2003) hervorzurufen: Das hydrologische Regime und die Kontrolle des Abflusses bestimmen ebenfalls die Dynamik von Siliziumdioxid. Bei KING ET AL. (2003) wird Stickstoff als Hauptbelastungsparameter des Yangtze und seiner Zuflüsse genannt. In die Untersuchungen zur Wasserqualität sind immer auch Stickstoff-Verbindungen integriert, da Stickstoff allgemein ein wichtiger Faktor bei der Eutrophierung aquatischer Ökosysteme ist. In verschiedenen Untersuchungen der Wasserqualität des Xiangxi (FU ET AL. 2005, TANG ET AL. 2006) wird jedoch berichtet, dass die Konzentration des Gesamtstickstoffs verhältnismäßig gering sei

21 12 Diplomarbeit - Nina Köplin (FU ET AL. 2005) und die Eutrophierung maßgeblich durch Phosphor und Silizium bestimmt wird (YE ET AL. 2007). In diesem Fall sind die Silizium-Verbindungen entscheidend, da sie den limitierenden Faktor darstellen (vgl. Kapitel 2.3.3). Auch abiotische Faktoren sind für die Wasserqualität von Bedeutung. Werden flusstypische Bedingungen mit denen eines Sees ausgetauscht, wie es bei einer Aufstauung geschieht, werden nicht nur die Hydrologie, sondern auch immer physikalische, chemische und biologische Charakteristika beeinflusst (ZENG ET AL. 2007). Typische Veränderungen sind die Zunahme der Verweildauer des Wassers und damit die Zunahme der Einstrahlung auf die Wassersäule, was in einer Erhöhung der Temperatur und einer damit verbundenen Zunahme der Primärproduktion resultieren kann (ZENG ET AL. 2007). Auch die größere Wassertiefe hat einen Einfluss: So nimmt die Akkumulation und Resuspension von Phosphor aus dem Flussbett proportional zur Wassertiefe zu (FU ET AL. 2006). Da in erster Linie landwirtschaftlich intensiv genutzte Böden überstaut werden, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass das Sediment in diesem Fall eher als Phosphorquelle denn als -senke wirkt Monitoring der Algenblüten und sonstige Untersuchungen im Einzugsgebiet Vor der Fertigstellung des Damms waren Algenblüten im gesamten Reservoir-Bereich unbekannt oder wurden nicht dokumentiert (ZENG ET AL. 2007). Seit März 2004 wurden im Frühjahr in mehreren Buchten des Drei-Schluchten-Stausees Algenblüten beobachtet. Seit 2005 wird die Frühjahrs- Algenblüte in der Xiangxi Bucht überwacht, um die Kontrollmechanismen aufzudecken und idealerweise die Entstehung verhindern zu können (FOHRER & CAI 2007). Das Phytoplankton (ZENG ET AL. 2007) und die Makroinvertebraten (QU ET AL. 2005) eines Ökosystems können als Indikatororganismen der Wasserqualität genutzt werden. Anhand von Artenvielfalt und -abundanz lässt sich indirekt die Wasserqualität bestimmen (ZENG ET AL. 2007), denn die räumliche Verteilung der Arten korreliert mit den ökologischen Bedingungen (QU ET AL. 2005). Seit 1999 werden im Xiangxi-Gebiet bzw. in der Drei-Schluchten-Region verschiedene Untersuchungen durchgeführt (CAI & FOHRER 2006A). Zwischen Juni und Oktober werden an 50 bis 100 Probenahmepunkten biotische und abiotische Parameter erhoben. Zu den biotischen zählen die Ufervegetation, epilithische Algen, benthische Makroinvertebraten und die Zusammensetzung der Fischpopulation. Als abiotische Faktoren werden die Temperatur, der Gewässerquerschnitt, die Tiefe und Fließgeschwindigkeit, die Härte, der ph-wert, die Leitfähigkeit und Nährstoffe untersucht. Für eine Langzeitüberwachung werden 15 Punkte, die auf alle Zuflüsse des Xiangxi verteilt sind, monatlich beprobt. Es werden die eben erwähnten biotischen und abiotischen Parameter ermittelt. An 5 der 39 kleinen Wasserkraftwerke wird der Einfluss eines Damms auf das Ökosystem untersucht. Je Kraftwerk gibt es 4 Probenahmestellen ober- und unterhalb der Staustufe. Bei allen Untersuchungen sollen immer auch die Wechselwirkungen von Landnutzung und Wasserqualität, die Dynamik gelösten Materials und das Vorhandensein und die Art von ecosystem services einbezogen werden. Im Juli 2004 wurde an 81 Probestellen die Wasserqualität nach den Kriterien der chinesischen Umwelt-Qualitätsstandards für Oberflächengewässer untersucht (YE ET AL. 2006), um die Wasserqualität des Xiangxi und deren räumliche Verteilung mit bestimmten Landschaftscharakteristika wie etwa der Landnutzung, industrieller Nutzung oder Siedlungsgebieten in Verbindung zu bringen. Die

22 Kapitel 2 - Stand der Forschung 13 Oberflächengewässer werden dabei anhand der Funktion, die sie aufgrund ihrer Eigenschaften erfüllen können, also z.b. Trinkwasserschutzgebiet oder Habitat für seltene Arten, in fünf Güteklassen eingeteilt. Ähnlich den deutschen Richtlinien werden physikalische und chemische Parameter ermittelt. Nicht erhoben werden biologische Faktoren, wie Flora- und Fauna-Gesellschaften oder morphologische Charakteristika. Zur Untersuchung der Reaktion aquatischer Ökosysteme auf den Aufstau des Yangtze durch den Drei- Schluchten-Staudamm wurden im Xiangxi-Gebiet an 5 Querschnitten insgesamt 19 Probenahmepunkte und in der Drei-Schluchten-Region in der Provinz Hubei an ebenfalls 5 Querschnitten 14 Messpunkte mit monatlicher Beprobung eingerichtet (FOHRER & CAI 2007). Untersucht wurden hydro-biologische Faktoren und Phytoplankton-, Zooplankton- und benthische Makroinvertebraten- Gemeinschaften. Zwischen dem 23. Februar und 28. April 2005 wurde zur Erfassung der Frühjahrsalgenblüte die räumliche und zeitliche Dynamik von physikalischen Parametern, anorganischen Nährstoffen und Chlorophyll a in der Xiangxi Bucht im Abstand von sechs Tagen ermittelt. Außerdem wurden eine täglich und eine zweitäglich beprobte Stelle in die Untersuchung eingeschlossen (YE ET AL. 2007). Dieses Monitoring wurde in den Folgejahren 2006 und 2007 weitergeführt (FOHRER & CAI 2007). Das Ergebnis zeigte zwei Maxima der Frühlingsalgenblüte (YE ET AL. 2007). Silizium-Verbindungen haben sich hierbei als der limitierende Faktor erwiesen. Im Gegensatz zu der früheren Annahme, der Phosphor bestimme den Verlauf einer Algenblüte, zeigte sich im Xiangxi, dass die Dynamik von Chlorophyll a durch Silizium bestimmt wird, da die dominante Art bei der Algenblüte Kieselalgen (Diatomeen) sind, deren Schale aus Silizium besteht. Außerdem spielt die Wassertemperatur eine entscheidende Rolle bei der Entstehung der Algenblüte, sie wirkt sowohl begünstigend wie auch limitierend (YE ET AL. 2007), d.h. erst ab einem Schwellenwert der Temperatur von in diesem Fall 13 C können sich die Algen entwickeln. Insgesamt sind die Umweltbedingungen im Xiangxi- Reservoir vergleichbar mit ästuaren Bedingungen. 2.4 Forschungsdefizit Generell gibt es weltweit wenige Untersuchungen der Wechselwirkungen zwischen Landnutzung und Hydrologie in makroskaligen Einzugsgebieten (KLÖCKING & HABERLANDT 2002). Zudem kann der Einfluss nicht generalisiert werden (OTT & UHLENBROOK 2004), bzw. die Ergebnisse einer Fallstudie nicht uneingeschränkt auf andere Einzugsgebiete übertragen werden, ohne vorher die Gültigkeit bestimmter Gesetzmäßigkeiten zu überprüfen. Anders gesagt: Jedes Einzugsgebiet reagiert aufgrund der spezifischen natürlichen Gegebenheiten unterschiedlich und es bedarf im Idealfall einer genauen Untersuchung der Interaktionen für Aussagen oder Managementempfehlungen. LØRUP ET AL. (1998) stellen fest, dass es einen Bedarf an einer quantitativen Dokumentation der Einflüsse veränderter Landnuztung und des Managements auf Land- und Wasserressourcen gibt. Die Quantifizierung des Einflusses, bzw. ein Beleg des Zusammenhanges zwischen dem Landnutzungswandel, der in der gesamten Stauseeregion stattgefunden hat, und der Wasserqualität gibt es derzeit nicht (YE ET AL. 2007). Ein Indiz für den Zusammenhang sind jedoch die vorher nicht beobachteten Algenblüten und eine sichtbar verstärkte Erosion. Der Verlauf der Frühjahrs-Algenblüten wurde bisher

23 14 Diplomarbeit - Nina Köplin nur überwacht und die begünstigenden und limitierenden Faktoren wurden ermittelt. Dass diese Stoffe als Folge des Aufstaus und der damit verbundenen geänderten Umweltbedingungen in das aquatische System gelangen, ist noch nicht eindeutig erwiesen. Wenn dieser Zusammenhang belegt ist, kann der Eintrag von Nährstoffen in den Fluss durch eine erneute Änderung oder Anpassung der Landnutzung, kontrolliert werden. TANG ET AL. (2002) beschreiben, dass die räumliche Verteilung von Siliziumdioxid-Verbindungen und ph-werten im aquatischen System die Geologie und Landnutzung reflektiert. Daher sei eine Untersuchung des gesamten Einzugsgebiets notwendig, um die Entstehung der Algenblüten kontrollieren zu können. Schließlich ist die Untersuchung der Interaktionen im Einzugsgebiet auch für den Drei-Schluchten- Stausee von Bedeutung, denn der Xiangxi - als größter Zufluss zum Stausee in der Provinz Hubei - beeinflusst die Wasserqualität des Drei-Schluchten-Reservoirs stark (TANG ET AL. 2006). Außerdem kann die Xiangxi-Region mit Einschränkung exemplarisch für andere Zuflüsse zum Yangtze- Reservoir stehen. Die Ergebnisse der Studie können innerhalb dieses Großraums übertragen werden, denn letztlich ist die Kontrolle der Wasserqualität und Sedimentführung entscheidend für die Nutzungsdauer des Drei-Schluchten-Staudamms.

24 15 3 Untersuchungsgebiet 3.1 Allgemeine geographische Einordnung und Hydrologie Das Untersuchungsgebiet liegt in der chinesischen Provinz Hubei (Abbildung 4). Es erstreckt sich zwischen 110,47 und 111,13 Ost und 30,96 und 31,67 Nord, was einer maximalen Ausdehnung von 78,67 km in Nord-Süd-Richtung und 62,90 km in West-Ost-Richtung entspricht. Abbildung 4: Die Lage des Xiangxi-Einzugsgebiets in der Volksrepublik China (HARTMANN, in: KING 2006) Nach LEMPERT (2000) werden Flusseinzugsgebiete anhand ihrer Größe in Gruppen eingeteilt: Das Einzugsgebiet des Xiangxi ist mit einer Fläche von 2.938,35 km² (eigene Berechnung) dem unteren erweiterten Makroskalenbereich zuzuordnen, der Einzugsgebiete zwischen und km² abgrenzt. Die Länge der Flüsse dieser Größenordnung wird im Mittel zwischen 30 und 100 km angegeben, was auf den Xiangxi mit einer Länge von 94 km ebenfalls zutrifft. Der Xiangxi entspringt im Kreis Shennongjia und durchfließt von Nord nach Süd die Kreise Xingshan und Zigui (KING ET AL. 2002). Die Mündung in den Stausee befindet sich rund 37 km westlich des Drei-Schluchten-Staudamms (KING 2006) auf ca. 154 m ü. NN (Abbildung 5).