Geschichte

Das Modell MONERIS wurde Ende der 90er Jahre des vorherigen Jahrhunderts am IGB federführend durch Herrn Dr. Behrendt entwickelt. Doch schon vorher hatte er sich, ausgehend von der Phytoplanktonentwicklung und der Eutrophierung der Gewässer (Kozerski et al., 1984), mit der Phosphorakkumulation im Boden und der Phosphor-Auswaschung aus dem Boden in die Fließgewässer (Behrendt & Boekholt, 1992) sowie statistischen Auswerteverfahren von Nährstoff-Monitoringdaten (Behrendt, 1994) beschäftigt. Er erkannte den maßgeblich steuernden Einfluss der Einzugsgebietscharakteristika auf die Nährstoffkonzentrationen und -frachten in Fließgewässern. Nur wenn die Prozesse im Einzugsgebiet verstanden werden, können die Entwicklungen im Fließgewässer modelliert werden.


1994 bis 1996 schuf Behrendt in einem Projekt im Auftrag des Landesamts für Umwelt und Natur Mecklenburg-Vorpommern die Datengrundlage und Formelsammlung zur Quantifizierung der Nährstoffeinträge aus Flusseinzugsgebieten des Landes Mecklenburg-Vorpommern. Zeitgleich begann er, die Unterscheidung zwischen diffusen und punktuellen Nährstoffeinträgen einzuführen (Behrendt, 1993). Im Weiteren erfolgten Analysen der Emissions- und Frachtsituation in deutschen Flusseinzugsgebieten, insbesondere der Elbe und dem Rhein, in denen die Diskrepanz zwischen Emissionsinventaren und gemessenen Nährstofffrachten auffällig wurde (Behrendt, 1996). Die Ergebnisse dieser Analysen führten zur Entwicklung von Ansätzen zur Beschreibung gewässerinterner Verluste und Retention. Des Weiteren modellierte er nach den Ansätzen von Werner et al. (1991) Nährstoffemissionen (unterteilt in 7 Eintragspfade) in den Rhein und in die Elbe (Behrendt, 1999). Die Frage nach Retentionsprozessen wurde für ihn immer dringender und so entwickelte er mit seiner Arbeitsgruppe erste Ansätze (Behrendt & Opitz, 2000), in denen er die hydraulische Belastung als kritischen Retentionsparameter heran zog.

Dies war auch etwa der Zeitraum, in dem das Umwelt Bundesamt (UBA) dem IGB einen Forschungsauftrag zur Nährstoffbilanzierung der Flussgebiete Deutschlands erteilte (Behrendt et al., 1999). Aufbauend auf der von Werner et al. (1991) entwickelten Methodik und den ersten im Mecklenburg-Vorpommern Projekt entwickelten Ansätze wurde das Konzept der Eintragspfade (punktuell und diffus) und die rechnerische Umsetzung erweitert und vervollständigt sowie für Deutschland angewendet. Während in die punktuellen Einträge industrielle Direkteinleiter und Kläranlagen fallen, umfassen die diffusen Einträge atmosphärische Deposition, Abschwemmung, Erosion, Dränage, Grundwasser und urbane Flächen. Nährstoffeinträge und Frachten wurden für 300 Einzugsgebiete in 5 Jahresperioden erzeugt. MONERIS war geboren, noch in einer Lotus-Umgebung und in einer Sammlung einzelner Dateien und ohne jegliche Dokumentation, aber funktionsfähig.

Das Echo war enorm, Anfragen aus verschiedenen Bundesländern und Forschungsvorhaben folgten, die eine Weiterentwicklung des Modells ermöglichten. Im Weiteren wurde die zeitliche Auflösung auf 1 Jahresschritte reduziert. Als Meilenstein folgte die Durchführung des Projektes „Danubes" (Schreiber et al., 2003; Zessner & van Gils, 2002), in der erstmalig die damals 19 verschiedenen Länder des Donaueinzugsgebietes gemeinsam an einer Nährstoffbilanzmodellierung eines Flusses arbeiteten. Hierbei wurden die Szenarienoptionen erweitert. Noch heute wird das Modell für dieses Flusseinzugsgebiet weiterentwickelt und vom ICPDR verwendet. Modellierungen von Schwermetallemissionen auf einer bundesweiten Kulisse erfolgten erstmalig 2003 und wurden 2010 wiederholt. 2005 wurde die deutschlandweite Nährstoffbilanzierung aktualisiert, wobei der Berechnungszeitraum erweitert und eine jährliche Berechnung der Einträge durchgeführt wurde.

Die Berechnung der Nährstoffretention, insbesondere der Stickstoffretention, wurde durch Venohr (2006) um die Temperaturabhängigkeit erweitert. Zahlreiche Projekte mit spezifischen Fragestellungen und höher aufgelösten Daten wurden bearbeitet. Die Schwerpunkte waren Drainagen (Projekt Agrum Weser), Klimawandel, Bergbau, Kopplung zu hydrologischen und Klimamodellen, Entwicklung eines Kosteneffizienzmoduls für Maßnahmen (Projekt GLOWA Elbe) und Kläranlagen, dezentrale Kläranlagen (Projekt Donau) sowie die monatliche Disaggregation der Jahresergebnisse (Projekt IKZM-Oder).

Aufgrund der höheren Auflösung zentraler Eingangsdaten, der Erhöhung der räumlichen und zeitlichen Auflösung, der Einbindung der Maßnahmen wurde das Modell zu umfangreich und Excel als Modelbasis zunehmend ungeeignet. Daher war eine Umstellung auf VBA Basis mit Anschluss an eine Access-Datenbank notwendig.

Nach dem Tod des ursprünglichen Modellentwicklers Dr. Horst Behrendt (26.12.2008) wurde am IGB unter Leitung von Dr. Markus Venohr eine komplett überarbeitete und aktualisierte Version auf VBA-Basis erarbeitet (MONERIS 2.14.1vba). Insbesondere wurden die Ansätze zur Berechnung der Wasserfläche, den Einträgen über Erosion, Dränagen, Grundwasser und urbanen Systemen, sowie die Retention in Feuchtgebieten und in Oberflächengewässern, als auch die monatliche Disaggregation und Kosteneffizienz von Maßnahmen er- bzw. überarbeitet, und eine Kopplung zu einer MS-AccessDatenbank eingeführt.

Mit dem ersten MONERIS-Anwender-Workshop 2010 wurde den MONERIS-Nutzern diese neue Version sowie ein aktualisiertes Handbuch in Andenken an Behrendts Verdienste übergeben. Zusätzlich wurde die neu programmierte Oberfläche vorgestellt, welche Anwendern, insbesondere Vertretern der Länder, die Durchführung von Maßnahmen und Maßnahmenpaketen aus den Bereichen Landwirtschaft, urbane Systeme und atmosphärische Deposition vereinfacht. Zusätzlich wurde der Presto-Catch Viewer fertig gestellt, welcher eine direkte Visualisierung von MONERIS-Ergebnissen nach administrativen oder auch einzugsgebietsspezifischen Einheiten ermöglicht.

2011 wurde ein Behrendt-Gedenkband publiziert, in dem die neue, vereinheitlichte MONERIS-Methodik erstmals veröffentlicht wurde (Venohr et al., 2011). Daneben finden sich zahlreiche Publikationen von Weggefährten und MONERIS Weiterentwicklungen der letzten Jahre. Schwerpunkte hierbei waren die monatliche Disaggregation der jährlichen Ergebnisse, die Weiterentwicklung des Eintragspfades urbane Systeme sowie die Aktualisierung der Eingangsdaten.

2012 erfolgte dann eine erneute Umprogrammierung der VBA Version in eine professionell programmierte C# Version, um eine stabile Arbeitsumgebung auch bei großen Datenmengen zu gewährleisten. Es liegt somit eine voll funktionsfähige Version vor, die allen Ansprüchen an Versionierung und Historisierung der verwendeten Methodik und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse standhält. Diese neue MONERIS Version läuft unter dem Suffix 3.0 und steht hier zum Download bereit. Diese aktuelle Version verfügt ebenfalls über eine Kopplung zur Elbe-Expert-Toolbox, wodurch eine Anbindung zu einer Reihe von anderen Modellen und zur Visualisierung der Ergebnisse möglich ist.
 

Weiterentwicklung MONERIS 3.0

MONERIS 3.0 basiert auf einer objektorientierten Programmierung, die stabiler und schneller als die vorherige VBA-Umsetzung ist. Die Modulstruktur ist neu aufgebaut und basiert auf der Trennung von Modulen und Submodellen (Einwohner, Flächen, Wasserbilanz, Stickstoff, Phosphor, Silizium, Retention, Maßnahmen, Kosten-Effizienz, monatliche Disaggregation). Die Eintragspfade werden innerhalb dieser, anders als in der Excel- oder der VBA-Version, abgearbeitet. Davon muss der Anwender nichts mitbekommen, weil es auch eine einfach zu bedienende Oberfläche gibt, in der der Anwender wie gewohnt Maßnahmen kombinieren und seine Daten aus Datenbanken einbinden kann. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Module anzupassen, weiterzuentwickeln und umzuprogrammieren und diese über ein plug-in Verzeichnis in die Berechnungen einzubinden. Auf Anfrage werden solche Module ausgegeben. Die Ergebnisse werden in einer MONERIS Datenbank abgespeichert, können aber auch als Textdatei ausgegeben werden.


Inhaltlich ermöglicht diese neue Programmierung die Umsetzung einer monatlichen Berechnung, welche auch mit der Berechnung der jährlichen Berechnung rückgekoppelt ist. Hinzu kommt eine Weiterentwicklung des hydrologischen Moduls, in der negative Grundwasserbilanzen berücksichtigt werden können. Des Weiteren können landnutzungsspezifische Emissionen ausgegeben werden.
 

Publikationen

Behrendt, H. & Boekholt, A 1992. Phosphorus saturation of soils and groundwater; Joint Meeting of SETAC-Europe, Potsdam; 21-24.06.1992

Behrendt, H. 1994. Point and diffuse load of pollutants in the Rhine River Basin; Verh. Internat. Verein. Limnol. 25; pages 1922-1925.

Behrendt, H. & Opitz, D. 2000: Retention of nutrients in river systems: dependence on specific runoff and hydraulic load, Hydrobiologia, 410, pages 111–122.

Behrendt, H. 1993. Separation of point and diffuse loads of pollutants using monitoring data of rivers. Water Science and Technology Vol 28 (3-5); pages165-175.

Behrendt, H. 1999a. A comparison of different methods of source apportionment of nutrients to river basins. Water Science and Technology. 39(12): 179-187.

Behrendt H; Huber P; Kornmilch M; Opitz D; Schmoll O; Scholz G; Uebe R; (1999) Nährstoffbilanzierung der Flussgebiete Deutschlands. In: UBA-Texte 75/99.

Kozerski, H.-P., Schellenbegrer, G, Behrendt, H. & V. Mohaupt 1984. testing of a complex ecological model for shallow water bodies. Ecological Modelling; Vol. 26, pages 103-113.

Water Science & Technology; 46(8), pages 9-17.

Zessner, M. & van Gils, J. 2002. Nutrient fluxes from the Danube basin to the Black Sea

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