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Das übergeordnete Ziel des Projektes waren eine flächendeckende und zugleich räumlich hoch differenzierte Analyse und Bewertung der N- und P-Einträge in Grund- und Oberflächenwasser in Nordrhein-Westfalen (NRW) unter besonderer Berücksichtigung diffuser landwirtschaftlicher Quellen sowie die Analyse der Bedeutung unterschiedlicher Eintragspfade. Hierzu wurde das agrarökonomische Modell RAUMIS (Regionalisiertes Agrar- und Umweltinformationssystem) mit dem Wasserhaushaltsmodell GROWA (Großräumiges Wasserhaushaltsmodell) und den reaktiven N-Transportmodellen DENUZ (Denitrifikation in der ungesättigten Zone) und WEKU (Verweilzeiten und reaktiver N-Transport im Grundwasser) gekoppelt sowie das P-Transportmodell MEPhos (Modell zur Ermittlung des Phosphoreintrags) eingesetzt. Mit diesem Modellverbund wurden die diffusen Nährstoffeinträge ins Grundwasser und die Oberflächengewässer getrennt nach den wichtigsten hydrologischen Abflusskomponenten flächendifferenziert berechnet. Weiterhin wurden die punktuellen Einträge aus kommunalen Kläranlagen sowie die Nährstoffrückhalte und -verluste in den Oberflächengewässern berücksichtigt. Untersucht wurde nicht nur der Ist-Zustand (2003), sondern auch das so genannte Baseline-Szenario, das sich auf den voraussichtlichen Zustand in 2015 unter Berücksichtigung der Umsetzung von grundlegenden Maßnahmen im Sinne der WRRL bezieht. Das Baseline-Szenario berücksichtigt aktuelle agrarökonomische Entwicklungen aber auch die Umsetzung geltender umweltrechtlicher Bestimmungen. ... more...

Ziel des hier bearbeiteten Teilprojektes innerhalb des REGFLUD-Verbundes war die flächendeckende, regional differenzierte und konsistente Verknüpfung zwischen den Stickstoffbilanzüberschüssen aus diffusen Quellen und der Nitratbelastung der Grund- und Oberflächengewässer sowie der Analyse der Auswirkungen stickstoffreduzierender Maßnahmen. Diese Verknüpfung wurde durch die Kopplung agrarökomomischer und hydrologisch/hydrogeologischer Modellansätze bewerkstelligt. Hierzu wurde das RAUMIS-Modell der FAL mit den Modellen GROWA und WEKU des FZJ, durch die der Stickstofftransport durch den Boden, die ungesättigte Zone und das Grundwasser zu den Oberflächengewässern beschrieben werden kann, gekoppelt. Als Ergebnis der Modellrechungen werden für die relevanten Transportpfade die Auswirkungen diffuser Nährstoffeinträge in den Boden auf die N-Austräge in die Oberflächengewässer quantifiziert. Die Modellierungen erfolgten flächendifferenziert für das Flusseinzugsgebiet der Ems und Teileinzugsgebiete des Rheins. Neben einer Analyse für den Erhebungszeitraum 1979-1999 wurde der RAUMIS-GROWA-WEKU Modellverbund auch für Szenarioanalysen eingesetzt. Mit diesen wurden die von der FAL ausgearbeiteten Vorschläge zur Reduktion der N-Überschüsse aus der Landwirtschaft in ihrer Auswirkung auf die Nährstoffeinträge in die Gewässer regional differenziert prognostiziert und hinsichtlich ihrer Effizienz beurteilt. Der Austrag von Pflanzennährstoffen in die Oberflächengewässer ist immer an die Komponenten des Abflusses gebunden. Aufgrund des unterschiedlichen physikalisch/ chemischen Verhaltens von Stickstoffverbindungen (vor allem Nitrat) kommt den einzelnen Abflusskomponenten eine große Bedeutung als Austragspfad zu. Grundlage für eine nach den Austragspfaden differenzierte Quantifizierung der diffusen Nährstoffeinträge in die Oberflächengewässer ist die Simulation der mittleren (langjährigen) Wasserhaushaltssituation in den Untersuchungsgebieten. In diesem Zusammenhang wird der Gesamtabfluss sowie die Abflusskomponenten Direktabfluss und Grundwasserabfluss flächendifferenziert modelliert. Entscheidend für diese Auftrennung war, dass die Direktabflussanteile in der Regel Fließzeiten von weniger als einer Woche aufweisen, bevor sie ein Oberflächengewässer erreichen, während beim Grundwasserabfluss sehr viel größere Verweilzeiten auftreten, die bis zu mehreren Jahrzehnten betragen können. Die Abflusskomponenten wurden mit dem Wasserhaushaltsmodell GROWA in Abhängigkeit von der Bodenbedeckung und klimatischen, bodenphysikalischen, geologischen sowie topografischen Datengrundlagen flächendifferenziert berechnet. Die Modellrechnungen erfolgten rasterbasiert (100m) für die hydrologische Zeitreihe 1979-1999, die auch vom RAUMIS-Modell (Basisjahre des ex-post Zeitraums) betrachtet wurde. Das Ergebnis der Wasserhaushaltsmodellierung [...] more...

In this report the current results of the research activities in the MOSYRUR project are summarized. The targets of the first project phase (2002-2004) were the analysis of the quantitative status of the water resources in the catchment of the Rur ($\sim$2350 km$^{2}$) and the indication of the water balance at different scales. Process orientated investigations and simulations were performed at the small meso-scale test area "Zwischenscholle" (20 km$^{2}$) using the TRACE model. For the model application the potential evapotranspiration was calculated, Pedotransfer functions were utilized in order to derive the soil hydraulic properties and borehole measurements of groundwater levels were spatially and temporally interpolated in order to define the vertical boundary conditions. A one-dimensional and a three-dimensional TRACE application were performed for the period 1.12.1983 to 31.11.1993. The one-dimensional TRACE application was validated using a lysimeter experiment dataset spanning the period from 25.11.1988 to 13.8.1990. The actual evapotranspiration is slightly underestimated, while the amount of drainage is slightly overestimated. Nevertheless the calculated model performance measures indicate that all relevant processes and state variables (evapotranspiration, drainage and soil moisture) are well described. The measured actual evapotranspiration for the whole modelling period is 990 mm, whereas TRACE calculates an amount of 977 mm. The deviation between the measured drainage amount of 158 mm and the amount predicted with TRACE (163 mm) is equal to an error of 3.4 %. A decrease in soil moisture during the first spring at 85 cm depth is not that well reproduced, which might be attributed to a plant compensation mechanism. Probably the plant adapts to the low soil moisture near the surface by taking out more water at deeper soil layers. The validation of the three-dimensional TRACE application showed that the groundwater levels measured at the field scale are, basically, well reproduced. Wells were selected, which are located rather in the middle of the test area than close to the boundary, since the model results and measured heads are supposed to be very similar near the boundary, where the measurements are used for the imposed boundary condition. The RMSE of these wells ranges between 0.33 and 0.68, which is adequate since no calibration of the model was carried out. The large-scaled GIS-supported GROWA model was applied for balancing water components at the catchment scale . For the model application datasets were used that were mainly provided by the geological survey of NRW and the [...] more...

Die Staatlichen Geologischen Dienste (SGD) von Hamburg, Niedersachsen und Schleswig-Holstein haben sich Anfang 2001 auf das Kooperationsvorhaben Hydrogeologische Karte der Metropolregion Hamburg" geeinigt, das die Erstellung eines grenzüberschreitenden hydrogeologischen Fachinformationssystems zum Ziel hat. Dieses digitale Informationssystem soll flächendeckende Karten der Metropolregion zu verschiedenen hydrogeologischen Themen enthalten, wobei die Kartenerstellung die in den einzelnen Bundesländern vorhandenen Geodaten nutzt und auf Methoden basiert, die einem gemeinsamen Standard der SGD entsprechen. Die Arbeiten zum Aufbau des Informationssystems stehen dabei im Einklang mit der Umsetzung der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie. Da diese auch eine Beurteilung des quantitativen Zustandes des Grundwassers vorsieht, wird eine Karte der langjährigen mittleren Grundwasserneubildungshöhe benötigt. Das Forschungszentrum Jülich (Programmgruppe Systemforschung und Technologische Entwicklung) wurde von der Behörde für Umwelt und Gesundheit (Geologisches Landesamt) beauftragt, eine flächendifferenzierte Modellierung der langjährigen mittleren Grundwasserneubildungshöhe (1961-1990) für die Metropolregion Hamburg durchzuführen. Der Auftrag schließt sich an vergleichbare Vorhaben für die Bundesländer Niedersachsen (Dörhöfer et al. 2001) und Hamburg (Tetzlaff et al. 2001) an, bei denen das Wasserhaushaltsmodell GROWA zur Berechnung des langjährigen mittleren Wasserhaushalts und seiner Komponenten bereits eingesetzt worden ist. Als Eingabedaten benötigt das Modell folgende Datensätze: Niederschlag nach hydrologischen Halbjahren, potenzielle Evapotranspiration, Landnutzung, Versiegelungsgrade, Hangneigung, Exposition, pflanzenverfügbare Bodenwassermenge, hydrogeologische Gesteinseinheiten, dränierte Flächen, Grundwasserflurabstand und Staunässeeinfluss. Die Auswahl der digitalen Datensätze orientiert sich dabei an den Kriterien ,geeigneter Maßstab', Aktualität' sowie digitale Verfügbarkeit für das Geologische Landesamt Hamburg', das die Daten bereit gestellt hat. Die Modellierung mittels GROWA erfolgt rasterorientiert, so dass jeder Datensatz einheitlich in Zellen von 25 m x 25 m diskretisiert werden muss, woraus sich eine Zellensumme von 13,8 Mio. pro Datensatz ergibt. Die für makroskalige Modellierungen vergleichsweise sehr hohe Auflösung der Rasterdaten ist eine Folge der hoch aufgelösten Vektor-Datensätze für Hamburg, bei deren [...] more...

In Grundwasserleitern können hydrochemische Bedingungen vorherrschen, die einen mikrobiellen Nitratabbau ermöglichen. Dies kann dazu führen, daß Nitratbelastungen des Grundwassers durch flächenhafte Nitrateinträge, z.B. aus der Landwirtschaft, deutlich verringert werden. Häufig weisen dadurch auch Vorfluter, die im Kontakt mit nitratabbauenden Aquiferen stehen, nur geringe Nitratkonzentrationen auf. Das Nitratabbauvermögen des Grundwassers ist daher ein Gebietsparameter, der bei der Erarbeitung von Konzepten zur Verminderung der diffusen Nitrateinträge in einem Flußeinzugsgebiet angemessen zu- berücksichtigen ist. In diesem Buch werden die Ergebnisse einer Studie zur Erstellung einer flächendeckenden Übersicht zum Nitratabbauvermögen im Grundwasser des Elbeeinzugsgebietes zusammengefaßt. Hierzu wurden Grundwassergütedaten aus ca. 8500 Grundwassermeßstelien statistisch ausgewertet und die Grundwässer der im Elbeeinzugsgebiet auftretenden hydrogeologischen Gesteinseinheiten in überwiegend reduzierte {nitratabbauend~ und überwiegend oxidierte (nicht-nitratabbauende) Grundwässer klassifiziert. Abschließend wurde beispielhaft eine grobe, überschlägige Abschätzung des Zeitraums bis zur Erschöpfung des an der AbbaurealUion beteiligten reaktiven Stoffdepots (Pyrit) reduzierter Aquifere vorgenommen. Um eine möglichst große Transparenz der durchgeführten Analyse zu gewährleisten, wurden alle Verfahrensschritte umfassend erläutert sowie alle Datengrundlagen und Ergebnisse kartographisch und in Form von Graphiken dargestellt und diskutiert. more...

Die vorliegende Studie ist ein Teilergebnis des Forschungsvorhabens Analyse von $\textit{Wasserhaushalt, Verweilzeiten und Grundwassermilieu im Flußeinzugsgebiet der Elbe}$, welches von den Autoren im Rahmen der Fördermaßnahme $\textit{Forschungsverbund Elbe-Ökologie}$ des Bundesministers für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie durchgeführt wurde. In dem vorliegenden Bericht sind ausschließlich die Ergebnisse der Teilaufgabe $\textit{Analyse des Landschaftswasserhaushaltes im Elbeeinzugsgebiet}$ zusammengefaßt. Über den gesamten Projektzeitraum hinweg bestand Kontakt zu der mit der Koordination des Forschungsverbundes Elbe-Ökologie beauftragten $\textit{Projektgruppe Elbe-Ökologie}$. Insbesondere Herrn Dr. Bornhöft möchten wir für die ständige Diskussionsbereitschaft und das Interesse am Fortgang der Arbeiten danken. Für die kritische Begleitung und inhaltlichen Anregungen danken wir den Mitgliedern des Beirats. "$\textit{Elbe-Ökoloqie}$". Überaus wertvolle fachliche Anregungen für die Wasserhaushaltsmodellierung gaben Prof. Dr. Wessolek , TU Berlin, Institut für Ökologie, Dr. Glugla , Bundesanstalt für Gewässerkunde, Außenstelle Berlin und Dr. Schwarze, TU Dresden, Institut für Hydrologie. Den gleichen Herren sei an dieser Stelle für die Kommentierung verschiedener Ergebniskarten gedankt. Während der Projektbearbeitung kam es zu einer Reihe von Arbeitstreffen mit anderen im Forschungsverbund Elbe-Ökologie tätigen Forschergruppen. Dies erwies sich als sehr förderlich für den Fortgang der Arbeiten. Bei Herrn Dr. Behrendt vom Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei in Berlin möchten wir uns für die vielfältigen Hinweise, die Oberlassung des digitalen Höhenmodells des Spree-Einzugsgebietes und die immer konstruktive Kritik bedanken. Herrn Dr. Steidl vom Zentrum für Agrarlandschafts- und Landnutzungsforschung in Müncheberg und Herrn Dr. Kluge vom Ökoloiee - Zentrum der Universität Kiel danken wir für die Hinweise im Hinblick auf die Interpretation der abgeleiteten Ergebnisse für Teilregionen. Prof. Dr. Krönert vom Umweltforschungszentrum Leipzig danken wir für die Überlassung des digitalen Höhenmodells des Einzuggebietes der Parthe. Weiterhin gilt unser Dank verschiedenen Bundesbehörden, die zum Teil sehr umfangreiche Datengrundlagen für das Forschungsvorhaben aufbereitet und zur Verfügung gestellt haben. Ohne die oftmals unburokratische UnterstUtzung ware die Projektbearbeitung im gegebenen Zeitrahmen nicht möglich gewesen. Besonders hervorheben möchten wir Herrn Dr. Busskamp und Herrn Dr. Krahe von der Bundesanstalt für Gewässerkunde, Frau Dr. Bartels und Herrn Dr. Wendling vom Deutscher Wetterdienst sowie Herrn Dr. Hennings, Herrn Richter und Herrn Dr. Utermann von der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe. Dem Landesumweltamt Brandenburg, dem Niedersächsischen Landesamt für Ökologie, dem Landesamt für Natur und Umwelt Schleswig-Holstein, dem Sächsischen Landesamt für Umwelt und Geologie sowie der Thüringer Landesanstalt für Umwelt danken wir für die Bereitstellung von Abflußdaten. Herrn Naumann, Landesumweltamt Brandenburg und Herrn Kantelberg, Landesumweltamt Brandenburg, Außenstelle Cottbus, sei für die Hilfestellung bei der Interpretation "problematischer" Pegel aus ihrem Zuständigkeitsbereich gedankt. more...

Anfang 2001 hat in den Ländern der Europäischen Union die Umsetzung der EUWasserrahmenrichtlinie begonnen. Diese fordert in einer ersten Phase für alle Gewässer und damit auch das Grundwasser die Beschreibung des mengenmäßigen und qualitativen Zustandes. Zur Feststellung des mengenmäßigen Zustandes der Grundwasserkörper sind Kenntnisse über die mittlere Zusickerungsrate zum Grundwasser (Grundwasserneubildung) erforderlich. Die Grundwasserneubildung ist somit die zentrale Eingangsgröße für die Feststellung des Grundwasserdargebots in den Flussgebietseinheiten Nordrhein-Westfalens. Der Geologische Dienst Nordrhein-Westfalen (GD NRW) und die Programmgruppe Systemforschung und Technologische Entwicklung (STE) des Forschungszentrums Jülich haben sich zu einer selbsttragenden Forschungskooperation zusammengeschlossen, um auf der Basis hochaufgelöster Datengrundlagen und aktueller Modellinstrumente die Grundwasserneubildung für Nordrhein-Westfalen zu berechnen. Auf diese Weise wird das in beiden Institutionen vorliegende Fachwissen und Datenmaterial gebündelt. Der $\textbf{Geologische Dienst NRW}$ ist die zentrale Institution für geowissenschaftliche Fachinformationen in Nordrhein-Westfalen. Der GD NRW erhebt und sammelt Daten über den Untergrund und die Böden, über Baugrund und Rohstoffe, Grundwasser und Erdbeben. Er wertet diese Daten aus und stellt die Ergebnisse in Datenbanken, Fachinformationssystemen und thematischen Kartenwerken bereit. Zu seinen Aufgaben gehört u.a. die Beratung von Politik und Verwaltung sowie Wirtschaft und Bürgern in Fragen des Grundwasser- und Bodenschutzes, der Erdbeben- und Risikovorsorge sowie der nachhaltigen Bewirtschaftung natürlicher Ressourcen. Ein thematischer Schwerpunkt der $\textbf{Programmgruppe Systemforschung und Technologische Entwicklung (STE) des Forschungszentrums Jülich}$ ist die Erarbeitung wissenschaftlicher Grundlagen für eine ressourcenschonende, nachhaltige Wassernutzung in makroskaligen Untersuchungsräumen. Hierzu wird mit geeigneten hydrologischen und hydrogeologischen Modellen u.a. das Wasserdargebot, die Gebietsentwässerung und der Transport von flächenhaft eingetragenen Nährstoffen in Boden und Grundwasser quantifiziert und im Hinblick auf die Entwicklung von Managementkonzepten analysiert. [...] more...