Anja Voß Zentrum für Umweltsystemforschung, Universität Kassel

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1 Workshop Optimierung der Landnutzung in Flusseinzugsgebieten zur Verbesserung der Wasserqualität mit Hilfe der Modelle SWIM und Waterwise Erfurt, 27./ Untersuchung und Modellierung von Stoffumsatz- und Transportprozessen mit Hilfe des Modells SWIM im Rahmen des Verbundprojektes Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel Anja Voß Zentrum für Umweltsystemforschung, Universität Kassel 1/ 24

2 Gliederung 1. Einordnung der Arbeit 2. Untersuchungsgebiete 3. Das Modell SWIM und Datenbasis 4. Modellkalibrierung (-validierung) 5. Modellanwendungen und Szenariorechnungen 6. Zusammenfassung: Nutzen zur Bewirtschaftung Fotos: W. Lahmer 2/ 24

3 1 Einordnung der Arbeit Verbundprojekt "Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel Überführung der Oberflächengewässer der Havel in einen "guten ökologischen Zustand" bis zum Jahr 2015 Schaffung von Voraussetzungen zur Analyse und Bewertung von Managementmaßnahmen zur Verbesserung der Wasserqualität Abschätzung der Nährstoffemissionen aus diffusen und punktförmigen Quellen Anwendung verschiedener Landnutzungsszenarien 3/ 24

4 2.1 Lage der Untersuchungsgebiete Nördliche Stepenitz Deutschland Pegel Wolfshagen Havel Pegel Potsdam (Babelsberg) Einzugsgebietsgröße Nuthe: km² Hammerfließ: 211 km² Stepenitz: 571 km² Pegel Woltersdorf II Scharfenbrück Hammerfließ Nuthe km 4/ 24

5 2.2.1 Besonderheiten der Untersuchungsgebiete Natürliche Eigenschaften: geringes Gefälle (Mittel < 1%), zum Teil ausgeprägte Mäandrierung träger Landschaftsabfluss zahlreiche Niederungs- und Feuchtgebiete, Flussseen Senken für Wasser und Nährstoffe Einzugsgebiete Nuthe Hammerfließ Niedrige Grundwasserflurabstände Stepenitz Starke Wechselwirkungen Gley zwischen Oberflächen- Gley und Fahlerde Grundwasser Bodentypen [%] 39 Braunerde 33 Niedermoor 10 andere Niedermoor 19 Braunerde 18 andere Braunerde 33 Gley 15 andere 3 5/ 24

6 2.2.2 Besonderheiten der Untersuchungsgebiete Anthropogene Beeinflussung: Wassermanagement Beeinflussung des natürlichen Durchflussverhaltens landwirtschaftliche Nutzung Hammerfließ Beeinflussung des Stoffeintrages Veränderung des Abflussregimes Obere Nuthe Einzugsgebiete Nuthe Hammerfließ Stepenitz Landwirtschaft Wald Landwirtschaft Landnutzung Wald Landwirtschaft Wald [%] andere andere andere / 24

7 2.3.1 Wasserqualität der Nuthe 1981 bis 2000 Gemessene monatliche Stickstoffkonzentrationen Pegel Potsdam (Babelsberg) Konzentration [mg/l] Anorganischer Stickstoff NO3-N NH4-N NO2-N 7/ 24

8 2.3.2 Wasserqualität der Nuthe 1981 bis 2000 Nährstoffquellen Punktuelle Einträge Großkläranlagen private Hauskläranlagen Direkteinleitungen Rieselfelder Diffuse Einträge atmosphärische Einträge Landwirtschaft natürliche Vegetation verbesserte Kläranlagentechnik Anstieg der Kläranlagenanschlüsse pro Einwohner Rückgang der Konzentration durch veränderte Anwendung von Mineral- und Wirtschaftsdüngern Wegfall unsachgemäßer Direkteinleitung von Wirtschaftsdüngern Verringerung bzw. Einstellung der Abwasserberieselung aus Berlin und Umgebung 8/ 24

9 3.1 Das Modell SWIM Überblick Klima: Temperatur, Niederschlag und Strahlung Stickstoffkreislauf Hydrologischer Kreislauf Vegetation Phosphorkreislauf Kohlenstoffkreislauf Hydrotop = f (Landnutzung - Boden - Topographie - Teilgebiete) 9/ 24

10 3.2.1 Das Modell SWIM Stickstoffkreislauf Erosion organisch N (Bodenhumus) org. Düngung Stickstoffkreislauf SWIM stabil aktiv Zersetzung organisch N (Pflanzenrückstände) Mineralisierung Erosion Versickerung Versickerung Auswaschung Ammonium (NH4-N) (mineralisch N) Nitrifikation Nitrat (NO3-N) (mineralisch N) Auswaschung Volatilisierung Denitrifikation Pflanzenaufnahme Pflanzenaufnahme Düngung nasse atmosphärische Deposition Düngung nasse atmosphärische Deposition 10 / 24

11 3.1.1 Das Modell SWIM Datenbasis Eingangsdaten in das Modell 11 / 24

12 3.1.2 Das Modell SWIM Datenbasis Liste der in SWIM verwendeten Hauptfruchtfolgen (Itzerott & Kaden, 2006) 12 / 24

13 3.1.2 Das Modell SWIM Datenbasis Liste der in SWIM angewendeten Düngung auf Acker- und Grünland 13 / 24

14 4.1 Hydrologische Kalibrierung von SWIM Kalibrierungsergebnisse ( ): EZG Effizienz Bias ΔWB MQ-Jahr MQ-Sommer MQ-Winter tgl. mon. gem. sim. gem. sim. gem. sim. Nuthe 0,44 0,50 +0,5 +7 6,3 6,7 3,5 5,2 8,6 8,2 Hammerfließ 0,52 0,54-0,02-2 1,0 1,0 0,6 0,7 1,3 1,2 Stepenitz 0,53 0,55-0,1-6 2,7 2,7 1,6 1,7 3,8 3, Q [m³/s] 10 Mittlerer monatlicher Durchfluss am Pegel Potsdam/Babelsberg (Nuthe) Messwerte Kalibrierung 14 / 24

15 4.2 Kalibrierung / Validierung der Nährstoffprozesse Nuthe Pegel Potsdam (Babelsberg) Kalibrierung ( ) Validierung ( ) Nitrat Mittlere Konzentration [mg/l] gem. sim. 0,68 0,75 0,36 0,72 Mittlere Fracht [kg/d] gem. sim Mittlere tägliche Konzentration NO3-N [mg/l] Messwerte K a lib rieru ng V a lid ie ru n g 15 / 24

16 4.3 Punktvalidierung der Nährstoffprozesse Standort: Müncheberg (Brandenburg) Bodentyp: Eutric Cambisol Boden bis 90cm NO3-N [kg/ha] Fertilisation simulated 0 to 90 cm measured sim cm measured sim cm measured 1. Bodenschicht bis 30cm 2. Bodenschicht bis 60cm 16 / 24

17 4.4 Umsatzraten für einzelne Nährstoffprozesse im Boden Vergleich der Modellwerte mit Literaturwerten (Standort: Nuthe) Denitrifikation [kg/(ha*a)] Pflanzenaufnahme [kg/(ha*a)] Mineralisierung [kg/(ha*a)] Gley 10/ Gley 44/ Niedermoor 44/ Literaturwerte (Moore >> 150) (Moorzersetzung 3000) 17 / 24

18 5.1 Anwendung: Einfluss von Landnutzungsänderungen Variation verschiedener Landnutzungsbedingungen Düngemanagement (Zeitpunkt, Menge, Art) Pflanzenwuchseigenschaften (Wurzeltiefe) Variation der Anbaufrüchte Mittlere monatliche Nährstofffrachten am Auslasspegel der Stepenitz unter Variation der Anbaufrüchte NO3 [kg/ha] Raps Fruchtart Roggen Weizen Raps Fracht [kg/(ha*a)] 3,91 3,24 4,94 Diff. zur max. Fracht [%] Zuckerrübe Mais Zuckerrübe Kartoffel 2,94 2,68 2, / 24

19 5.2 Anwendung: Trendanalyse zur Wasserqualität der Nuthe Tägliche Nitratkonzentration Auslasspegel Potsdam (Babelsberg) Nuthe Pegel Potsdam (Babelsberg) Mittlere Konzentration [mg/l] gem. sim. Mittlere Fracht [kg/d] gem. sim ,60 1, ,80 0, ,55 0, NO3-N [mg/l] Abgeschätzte Stoffeinträge aus Punktquellen Nitrat [t/a] Messwerte Simulationswerte 19 / 24

20 5.3 Anwendung: Quellen der Nährstoffemissionen Nährstoffanteil aus diffusen und punktförmigen Quellen im Einzugsgebiet der Nuthe ( ) Nährtoffanteil aus diffusen Quellen Punktquellen Nitrat Fracht [t/a] Anteil [%] , ,0 Ammonium Fracht [t/a] Anteil [%] 7,6 0,1 78,6 99,9 Phosphat Fracht [t/a] Anteil [%] 41,0 2,3 27,1 97,7 20 / 24

21 5.3.1 Szenariorechnungen - Überblick Landnutzungsszenarien (nach Jessel & Jacobs (2006)) Szenario A - Gängige Praxis A1 Beibehaltung der aktuellen Bewirtschaftung A2 Beibehaltung der aktuellen Bewirtschaftung bei veränderten Rahmenbedingungen B - Erweiterte Bewirtschaftungsstandards B1 Umsetzung der Leitlinien zur ordnungsgemäßen landwirtschaftlichen Bodennutzung B2 Erweiterte Umsetzung rechtlicher Regelungen C - Maximaler Beitrag C1 Beitrag bei mäßiger Umwandlung von Acker in Grünland C2 Weitergehender Beitrag bei mäßiger Extensivierung C3 Maximaler Beitrag bei weitergehender Extensivierung Berechnungszeitraum: 15 Jahre (2001 bis 2015) 21 / 24

22 5.3.2 Szenariorechnungen zu den Nitratausträgen Nitratausträge aus diffusen Quellen im Einzugsgebiet der Nuthe für verschiedene Szenarien NO3 [kg/ha*a] A1 A2 B1 B2 C1 C2 C3 Referenz Szenario Maximale Extensivierung 22 / 24

23 5.3.3 Szenariorechnungen Landnutzungsänderung A1:C3 Landnutzung im Einzugsgebiet der Nuthe Referenzzustand A1 Veränderungen: AL ohne Zwischenfrucht: - 23% AL mit Zwischenfrucht: + 8% Intensivgrünland: - 6% Extensivgrünland: + 7% Hochwald: - 30% Heide / Junger Wald: + 31% Feuchtgebiete: + 11% Max. Extensivierung C3 23 / 24

24 5.3.4 Szenariorechnungen Nitratemissionen A1:C3 Veränderungen der Nitratemissionen aus dem EZG der Nuthe Differenz: Referenzzustand A1 - Szenario C3 Landwirtschaft: Wald: Feuchtgebiete: Rest: t/a t/a t/a t/a kg / (ha*a) < > / 24

25 6. Zusammenfassung: Nutzen zur Bewirtschaftung Modellierung der hydrologischen und nährstoffspezifischen Prozesse SWIM ist in der Lage das Prozessgeschehen im Tiefland abzubilden Schaffung der Voraussetzungen zur Analyse und Bewertung von Managementmaßnahmen zur Verbesserung der Wasserqualität Ergebnisse der Nährstoffmodellierung sensitiv hinsichtlich Veränderungen in Landnutzung bzw. Landmanagement Nährstoffquellen: Nitrat diffuse, Ammonium und Phoshpat punktförmige Extensivierung der Landwirtschaft und Waldverjüngung bewirken deutliche Verringerungen an Nährstoffemissionen aus diffusen Quellen 25 / 24

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Diese Arbeit wurde ermöglicht durch: Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Projektes Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung e.v. Universität Potsdam 26 / 24