Methodischer Ansatz

Einträge über Atmosphärische Deposition

Die Nährstoffeinträge über atmosphärische Deposition berechnen sich aus dem Produkt der flächenspezifischen Deposition von Stickstoff und Phosphor sowie der Wasserfläche eines Analysegebiets.

Eingangsdaten für die Berechnung der direkten atmosphärischen Deposition auf Gewässerflächen sind:

  • Fläche aller an ein Flusssystem angeschlossenen Oberflächengewässer innerhalb eines Analysegebiets
  • die Depositionsraten für Phosphor und Stickstoff.

Wasserflüsse

Für die gesamte Wasserbilanz eines Analysegebiets ist der Niederschlag und die potentielle Evaporation der jeweiligen Wasserfläche zu berechnen.

Nährstoffflüsse

Für Europa stehen die Depositionsraten für Stickstoff als Ergebnisse aus dem EMEP Programm in Form von Rasterkarten mit einer Auflösung von 50 km als NOx und NHy Deposition in kg/(ha·a) zur Verfügung. Teilweise sind länderspezifische Daten mit höherer Auflösung verfügbar, wie beispielsweise in Deutschland im 1 km Raster (GRID von GAUGER et al. (2008).

Die atmosphärische Deposition von Stickstoff wird getrennt nach der jeweiligen Landnutzung als Mittelwert eines Analysegebiets berechnet. Für Phosphor wird eine mittlere Phosphordepositionsrate je Analysegebiet berücksichtigt.

Einträge über Oberflächenabfluss

Als Nährstoffeinträge über Abschwemmung werden nur die gelösten Anteile von Stickstoff und Phosphor für verschiedene Landnutzungsklassen berücksichtigt (Ackerflächen, Grasland, natürlich bedeckte Flächen, Offenland, Feuchtgebiete, Bergbaugebiete (Tagebau), und Gebiete mit Schnee- und Eisbedeckung).


Folgende Eingangsdaten werden benötigt:
  • Karte der Landnutzung
  • Phosphor-Gehalt und -Absorptionskapazität im Oberboden
  • Phosphor Konzentration im Oberflächenabfluss von Ackerflächen [mg/l]
  • Stickstoff Konzentration im Oberflächenabfluss von Ackerflächen [mg/l]
  • Niederschlag und Niederschlagsintensität
Wasserflüsse

Grundlage zur Berechnung der Abschwemmung ist der flächenspezifische Oberflächenabfluss der Analysegebiete. Der Oberflächenabfluss wird als Funktion des spezifischen Oberflächenabfluss des jweiligen Analysegebiets nach dem Ansatz von CARL und BEHRENDT (2006, 2008) sowie CARL et al. (2008) ermittelt.

Stoffflüsse

Die wasserlösliche Phosphor-Konzentration hängt sehr stark von der Phosphor-Sättigung des Oberbodens ab. Daher ist das Verhältnis zwischen der mittleren und maximalen Phosphor-Akkumulation für den gesamten Berechnungszeitraum der jeweiligen administrativen Einheit zu ermitteln. Die Stickstoff-Konzentration im Oberflächenabfluss der Ackerflächen wird nach dem Ansatz von WERNER et al. (1991) und dessen Modifikation durch VENOHR et al. (2011) berechnet. Die Emissionen über die Abschwemmung werden durch Multiplikation der jeweiligen Phosphor und Stickstoff-Konzentrationen mit dem Oberflächenabfluss des jeweiligen Landnutzungstyps quantifiziert. Die Summe dieser Emissionen entspricht dem gesamten Nährstoffeintrag über die Abschwemmung.

Einträge über Erosion

Der Eintragspfad Erosion beschreibt den partikulären Nährstoffeintrag vom Land in Oberflächengewässer. Die Quantifizierung der N und P Emission ist von vier Parametern abhängig:
    • Bodenabtrag
    • Hangneigung
    • Nährstoffgehalt im Oberboden
    • Landnutzung
Da die Eingangsdaten Langzeitmittel widerspiegeln, ist eine Variation durch die Verrechnung mit einem Niederschlagskorrekturfaktor, welcher abhängig vom jährlichen Niederschlag berechnet wird im Berechnungsansatz enthalten. Dieser Ansatz fußt auf der Universal Soil Loss Equation.

Fläche

Die Eingangsdaten sind flächenbezogen und gehen in der Regel aus GIS-Daten in die Berechnung ein. Dadurch ist es möglich, Flächen mit unterschiedlichen Landnutzungen (basierend auf Corine Landcover) und Neigungen individuell zu berücksichtigen. So unterscheidet Moneris beispielsweise bei der Landnutzung Acker in fünf Hangneigungsklassen von 0 bis >8% Neigung, basierend auf einem 1000m Raster Höhenmodell. Neben der Landnutzung Acker wird Erosion auf der Landnutzung Grünland, Offenland und natürlich bedeckte Flächen berechnet.

Wasserflüsse

Wie bereits angeführt geht der Niederschlag nicht direkt in die Erosionsberechnung ein, sondern korrigiert die Langzeitdaten, um eine jährliche Spezifikation zu erhalten.

Stoffflüsse

Neben dem Nährstoffgehalt im Oberboden ist der berechnete Anteil des Sediments, welcher nach der Erosion dann tatsächlich im Oberflächengewässer ankommt, maßgeblich. Des weiteren wird angenommen, dass mit zunehmender Wegstrecke der Anteil an kleinen Partikeln, in denen der Nährstoffgehalt höher ist als in groben Partikeln, relativ zunimmt. Dies wird durch Anreichungsfaktoren für jeweils N und P berücksichtigt und ergibt letztendlich den Nährstoffeintrag durch N und P durch Erosion.

Einträge über Grundwasser

Der Eintragspfad Grundwasser beschreibt die Gesamtheit der Nährstoffe, welche dem Vorfluter nach Durchfließen der Bodenpassage zugeführt werden. Folgende Eingangsdaten sind notwendig:

  • Stickstoffüberschuss
  • Phosphorgehalt im Oberboden
  • Landnutzungsinformationen
  • Bodeninformation
  • Hydrogeologische Informationen
Die Nährstoffeinträge über das Grundwasser in die Oberflächengewässer ergeben sich aus dem Produkt der Nährstoffkonzentration im Grundwasser und dem berechneten Grundwasserabfluss.

Fläche

Für die Quantifizierung der Nährstoffeinträge über den Grundwasserpfad sind vor allem die Flächen relevant unter denen eine Grundwasserneubildung stattfinden kann. Dazu werden flächenspezifische Daten zur Landnutzung (z.B. Corine Landcover) und zu den hydrogeologischen Gesteinstypen (z.B. Hydrogeologische Karte Europas, RIVM 2007) benötigt.

Wasserflüsse

Der Grundwasserabfluss stellt ein Restglied dar und wird aus den übrigen Abflusskomponenten berechnet.

Stoffflüsse

Der Stickstoffüberschuss auf landwirtschaftlichen Flächen, der Phosphorgehalt im Oberboden und die atmosphärische Deposition auf unversiegelten Flächen beeinflussen maßgeblich die Nährstoffkonzentration im Sickerwasser. Die nachfolgende Nährstoffretention während der Bodenpassage, gesteuert durch die hydrogeologischen Gesteintypen, und die anschließende Nährstoffretention während der Grundwasseraufenthaltszeit bestimmen den resultierenden Nährstoffeintrag in die Oberflächengewässer.
Grafische Darstellung der Moneris Methodik
Grundwasser-Pfad

Einträge über Dränagen

Die Quantifizierung der Nährstoffeinträge von Stickstoff und Phosphor über Dränagen in die Oberflächengewässer erfolgt über die Größe der dränierten Fläche, die Dränspende und die mittleren Nährstoffkonzentrationen des Dränwassers.

Fläche

Zur Abschätzung des Anteils dränierter Fläche in einem Analysegebiet können drei Arten von Eingangsdaten verwendet werden:
  • Karten von Dränflächen
  • Abschätzung des Dränflächenanteils für Bodentypen, die von repräsentativen Flächen mit Informationen über Dränflächen abgeleitet wurden (bspw. BEHRENDT et al., 2000; HIRT, 2005 und weitere)
  • regionale Statistiken für administrative Gebiete

Wasserflüsse

Die Dränspende für die jährlichen Berechnungen wird nach KRETSCHMAR (1977) als 50% der Winterniederschläge und 10% der Sommerniederschläge berechnet. Diese Werte werden durch die Studie von HIRT et al. (2011) unterstützt und für die monatlichen Berechnungen als einzelne Werte für die Modellierung verwendet.

Stoffflüsse

Die Berechnung der Stickstoffkonzentration an Dränauslässen und die potenzielle Nitratkonzentration im Sickerwasser basiert auf dem Ansatz nach FREDE und DABBERT (1998) mit einem regional differenzierten N-Überschuss. Der Nährstoffgehalt des Sickerwassers korreliert erwartungsgemäß mit dem des Dränwassers. Um die Denitrifikation im Boden zu berücksichtigen wird eine Reduktion der Nährstoffkonzentration des Dränwassers mit einem Exponenten von 0,85 für Ackerland und 0,7 für Grünland (BEHRENDT et al., 2000) vorgenommen.

Einträge über Punktquellen

Punktuelle Nährstoffeinträge entstammen kommunalen Kläranlagen und direkten industriellen Einleitungen.

Fläche

Der Ort des Eintrags ist in der Regel eindeutig identifizierbar. Für die regionale Abschätzung der Nährstoffeinträge kommunaler Kläranlagen ist die Erstellung bzw. Nutzung eines vorhandenen Inventars der Kläranlagen zu bevorzugen. Dieses sollte außerdem die geographische Lage der Anlagen bzw. deren Einleitpunkte enthalten. Die Berechnung der direkten Industrieeinleitungen erfolgt in der Regel anhand branchenbezogener Inventare zu Stickstoff (N)- und Phosphoreinträgen (P) in die Gewässer. Diese Daten sind üblicherweise bei Einrichtungen der Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik verfügbar.

Sind keine individuellen Informationen zu (kleineren) Kläranlagen verfügbar, können sie als Summengröße in den Berechnungen berücksichtigt werden.

Wasser- und Stoffflüsse

Die Frachten aus Kläranlagen berechnen sich aus dem Produkt der durchschnittlichen Nährstoffkonzentration im Ablauf und dem jährlichen Abfluss. Die Nährstoffkonzentrationen im Ablauf der Kläranlagen werden meist von den Betreibern gemessen. Ist das nicht der Fall, kann die Nährstofffracht aus der Anzahl der behandelten Einwohnerwerte und der abgeschätzten Eliminierungsleistung berechnet werden. Die Stickstoff- und Phosphoreinträge einer Kläranlage können mit verschiedenen Methoden in Abhängigkeit der vorhandenen Daten ermittelt werden. Für alle Kläranlagen können die Nährstoffeinträge auf Basis einwohnerspezifischer Nährstoffeinträge und der Kläranlageneffizienz für verschiedene Kläranlagetypen kalkuliert werden. In BEHRENDT et al. 1999 ist die Vorgehensweise für die Bundesrepublik Deutschland beschrieben.

Für die monatlichen Berechnungen wird angenommen, dass die Emissionen aus Punktquellen (Kläranlagen und industrielle Direkteinleiter) während des Jahres konstant bleiben und gleichmäßig auf die 12 Monate verteilt werden.

Einträge über Urbane Systeme

Bei den Nährstoffeinträgen von urbanen Systemen geht es um die Erfassung der Nährstoffe, die über die versiegelten urbanen Flächen in die Kanalisation gelangen, dort eventuell zurückgehalten werden und dann in den Vorfluter gelangen. Folgende Eingangsdaten werden benötigt:
  • Abwasserstatistiken
  • Bevölkerungszahlen und Anschlussgrade
  • Niederschlag
  • Landnutzungsinformationen

Fläche

Um die Nährstoffeinträge über urbane Systeme zu ermitteln, werden Daten zu urbane Flächen aus verschiedenen Landnutzungsdatensätzen wie CORINE (europaweit) oder ATKIS (für Deutschland) benutzt, aus denen die versiegelten urbanen Flächen abgeleitet werden.

Wasserflüsse

Der Abfluss über versiegelten urbanen Flächen, der durch Niederschlag hervorgerufen wird, wird nach HEANEY et al. (1976) ermittelt. Je höher der Anteil an Versiegelung einer Fläche, desto höher ist der Abfluss und desto höher ist die Menge an Niederschlagswasser, das die Kanalisationssysteme erreicht.

Stoffflüsse

Nährstoffeinträge von unversiegelten urbanen Flächen werden bereits bei den Nährstoffeinträgen über das Grundwasser berücksichtigt. Nährstoffeinträge, die von der versiegelten Fläche über die Mischkanalisation den Kläranlagen zugeführt werden, sind bei den punktuellen Nährstoffeinträgen aus kommunalen Kläranlagen enthalten. Bei Starkregenereignissen kann es allerdings durch die Überschreitung der Speicherkapazität zu einem Überlauf der Kläranlagen mit Mischkanalisation kommen, so dass Abwässer aus Haushalten, Gewerbe und Straßenabwässer ungeklärt gemeinsam in den Vorfluter gelangen.
Diese und drei weitere noch nicht erfasste Nährstoffeinträge von versiegelten, urbanen Flächen werden in MONERIS über vier separate Eintragspfade realisiert.

 

Grafische Darstellung der Moneris Methodik

Retention

Die Retention in Oberflächengewässern beschreibt alle Transformations- und Verlustprozesse und ist somit ein wichtiger Bestandteil des Nährstoffkreislaufs.


MONERIS betrachtet die Netto-Nährstoffretention und nicht den Anteil einzelner chemischer oder biologischer Umsetzungen. Es werden hierbei Nitrifikations-/Denitrifikationsprozesse, Pflanzenaufnahme, Sedimentation und Zersetzung organischen Materials berücksichtigt. Für Stickstoff ist der dominante Retentionsprozess die Denitrifikation, während für Phosphor die Sedimentation die bedeutendste Rolle spielt. Die Berechnung der Stickstoffretention berücksichtigt die Wassertemperatur und die hydraulische Belastung. Die Phosphor-Retention wird für Nebenflüsse als Mittelwert der Funktionen von hydraulischer Belastung und spezifischem Abfluss berechnet. In Hauptstrom wird nur die hydraulische Belastung betrachtet. Die Retention von gelöstem organischem Stickstoff wird als vernachlässigbar klein angenommen.

In MONERIS wird für die Retentionsberechnung angenommen, dass die Nährstoffeinträge gleichmäßig über das Einzugsgebiet verteilt sind, alle Emissionen zuerst in die Nebenflüsse gelangen und die Nebenflüsse am Auslass des einzelnen Einzugsgebietes in den Hauptlauf münden. Daher unterliegen Frachten aus stromaufwärtsliegenden Gebieten erst im Hauptlauf des stromabwärtsliegenden Gebietes einer Retention.

Maßnahmen

Im Modell sind verschiedene Maßnahmen vordefiniert, die der Anwender einzeln und kombiniert, analysegebietsbezogen oder auch gebietsübergreifend einsetzen kann. Diese Maßnahmen sind:

Landnutzungsänderungen

  • Umwandlung von Ackerland zu Grünland
  • Renaturierung von Nebenflüssen
  • Reduzierung von dränierten Flächen
  • Gewässerrandstreifen
  • Retentionsteiche
  • Umwandlung von versiegelten Flächen in unversiegelte Flächen

 

Bodenkonservierende Techniken

  • konservierende Bodenbearbeitung
  • Konturpflügen
  • Zwischenfruchtanbau

 

Änderung der Stickstoffüberschüsse

  • Maximalwert für Wirtschaftsdünger und Kunstdünger
  • Reduzierung durch Agrarumweltmaßnahmen (AEM), z. Bsp.:

             - konservierende Bodenbearbeitung

             - Zwischenfruchtanbau

             - Grünland Extensivierung

             - AEMx: andere Agrarumweltmaßnahmen

 

Atmosphärische Deposition

  • Reduzierung der Atmosphärischen Deposition von NHy und NOx

 

Kanalisation

Hier können verschiedenste Parameter verändert werden, die die Einträge von Urbanen Systemen beeinflussen:

  • Erhöhung des Speichervolumens von Mischkanalisationssystemen
  • Klärbecken für Trennkanalisationsablauf
  • Bodenfilter für Trennkanalisationsablauf
  • Anwohner, die an Kanalisation und Kläranlage angeschlossen sind
  • Phosphatfreie Waschmittel
  • Phosphatfreie Geschirrspülmittel

 

Kleinkläranlagen

Beinhaltet Maßnahmen, um die Nährstoffeinträge über dezentrale Kläranlagen zu reduzieren.

 

Kläranlagen (P und N Konzentrationen)

Hier können die Ablaufkonzentrationen für einzelne Kläranlagen einer bestimmten Größe festgelegt werden. Hierbei kann der Nutzer in einem definierten Wertebereich agieren.