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«Phosphoreinträge durch Erosion in Sachsen Schriftenreihe, Heft 11/2012 Abschätzung der erosionsbedingten Nährstoffeinträge in ...»

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Phosphoreinträge durch

Erosion in Sachsen

Schriftenreihe, Heft 11/2012

Abschätzung der erosionsbedingten

Nährstoffeinträge in Oberflächenwasserkörper nach EU-WRRL in Sachsen

mit Hilfe des Modells EROSION 3D

Marcus Schindewolf

Projektleitung: Dr. Walter Schmidt

Schriftenreihe des LfULG, Heft 11/2012 | 2

Inhaltsverzeichnis

1 Motivation und Zielstellung

1.1 Wissenschaftliche Arbeitssziele

1.2 Technische Arbeitsziele

1.3 Ergebnisverwertung

2 Material und Methoden

2.1 Untersuchungsgebiet

2.1.1 Allgemeine Charakteristik

2.1.2 Flächennutzung

2.1.3 Boden und Relief

2.1.4 Gewässer

2.1.5 Klima

2.2 Verwendete Software

2.2.1 Simulationsmodell EROSION 3D

2.2.2 Datenbankprozessor DPROC

2.3 Daten und Datenaufbereitung

2.3.1 GIS-Daten

2.3.2 Daten aus eigenen Erhebungen

2.3.3 Daten zur Modellvalidierung

2.4 Bodenabtragssimulation

2.4.1 Worst-Worst-Case-Szenario

2.4.2 Best-Worst-Case-Szenario

2.4.3 Risikoabschätzung

2.5 Modellvalidierung

2.5.1 Gebietsauswahl

2.5.2 Ermittlung der P-Spenden aus Messwerten

2.5.3 Modellparametrisierung

3 Ergebnisse

3.1 Regionalisierte Phosphor-Gehalte

3.1.1 Kriging-Interpolation

3.1.2 Validierung der BSA-Phosphor-Gehalte

3.1.3 Oberboden-P-Gehalte der Oberflächenwasserkörper

3.2 Fraktionsabhängige Phosporverteilung

3.2.1 Allgemeine Charakteristik

3.2.2 Partikelabhängige P-Konzentration und -Anreicherung

3.3 Bodenabtragssimulation

3.3.1 Sedimentlieferflächen

3.3.2 Gefährdete Oberflächenwasserkörper

3.4 Modellvalidierung

3.4.1 Abflussereignisse

3.4.2 Referenzjahre

4 Zusammenfassung und Ausblick

5 Quellenverzeichnis

6 Anhang

Schriftenreihe des LfULG, Heft 11/2012 | 3Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Landnutzungsverteilung Sachsen

Abbildung 2: Bodenregionen des Freistaates Sachsen

Abbildung 3: Arbeitsweise des Datenbankprozessors DPROC

Abbildung 4: Überlagerung von verschiedenen Datenhierarchien (Beispiel)

Abbildung 5: Untersuchungsgebiete zur Phosphor- und Schwermetallbeprobung

Abbildung 6: Probepunkte Bodenatlas Sachsen Teil 3 (BSA) und TU Bergakademie Freiberg (TUBA) im Einzugsgebiet der Talsperre Bautzen

Abbildung 7: Probepunkte der TU Bergakademie Freiberg (TUBA) im Einzugsgebiet der Talsperre Saidenbach

Abbildung 8: Durchführung des modifizierten Atterberg-Verfahrens

Abbildung 9: Erosive Bodenarten und räumliche Verteilung in Sachsen

Abbildung 10: Hierarchisch geschachtelte Analyse abtragsgefährdeter Planungseinheiten (Beispiel)

Abbildung 11: Ermittlung der Sedimenteintragspunkte (Beispiel)

Abbildung 12: Niederschlagsmenge der Ereignisse im Referenzjahr Subregion 7

Abbildung 13: Interpolierte Oberboden-P-Gehalte sächsischer Ackerflächen

Abbildung 14: Direktvergleich der Oberboden-P-Gehalte Bodenatlas Sachsen und TU Bergakademie Freiberg im Einzugsgebiet der Talsperre Bautzen

Abbildung 15: P-Mineraldüngereinsatz im Freistaat Sachsen 1999-2009 (ERNST & FÖRSTER 2009)

Abbildung 16: Auf OWK gemittelte Oberboden-P-Gehalte der Ackerflächen in sächsischen OWK

Abbildung 17: Bodenarten der Bodenproben (fetter Rand: prioritäre Bodenarten)

Abbildung 18: Grobfraktionsabhängige P-Anreicherungsfakoren der untersuchten Bodenproben

Abbildung 19: Zusammenhang zwischen P-Anreicherung im Ton und Tonanteil

Abbildung 20: Zusammenhang zwischen P-Anreicherung im Schluff und Gesamt-P-Anteil

Abbildung 21: Anteil des Oberboden-P auf Ackerstandorten (links) und Anteil des ausgetragenen Phosphors an den Kornfraktionen in Sachsen auf Basis des Worst-Worst-Case-Szenarios (rechts)

Abbildung 22: Bodenabträge in Sachsen für das Worst-Worst-Case-Szenario

Abbildung 23: Über Feldblöcke gemittelte Bodenabträge in Sachsen für das Worst-Worst-Case-Szenario

Abbildung 24: Über OWK gemittelte Bodenabträge in Sachsen für das Worst-Worst-Case-Szenario

Abbildung 25: Sedimentfracht aus OWK in Sachsen für das Worst-Worst-Case-Szenario

Abbildung 26: Sedimentaustrag aus OWK in Sachsen für das Worst-Worst-Case-Szenario

Abbildung 27: Bodenabträge in Sachsen für das Best-Worst-Case-Szenario

Abbildung 28: Über Feldblöcke gemittelte Bodenabträge in Sachsen für das Best-Worst-Case-Szenario

Abbildung 29: Über OWK gemittelte Bodenabträge in Sachsen für das Best-Worst-Case-Szenario

Abbildung 30: Sedimentfracht aus OWK in Sachsen für das Best-Worst-Case-Szenario

Abbildung 31: Sedimentaustrag aus OWK in Sachsen für das Best-Worst-Case-Szenario

Abbildung 32: Sedimentaustrag und Ton-Anreicherung für das Referenzjahr 1994 im Hölzelbergbach-Einzugsgebiet.............55 Abbildung 33: Sedimenteintragsverhältnis (SDR) in sächsische OWK für das Worst-Worst-Case-Szenario

Abbildung 34: Partikuläre Phosphorausträge aus OWK in Sachsen für das Worst-Worst-Case-Szenario

Abbildung 35: Partikuläre Phosphorausträge aus OWK in Sachsen für das Best-Worst-Case-Szenario

Abbildung 36: Abfluss-Phosphorkonzentration-Hysteresekurven der untersuchten Ereignisse





Abbildung 37: Abflussganglinie Hölzelbergbach 31.03.-30.04.1995

Abbildung 38: Abschätzung der partikulären P-Jahresausträge basierend auf Messwerten und Simulation für das Teil-EZG Hölzelbergbach

Abbildung 39: Zusammenhang zwischen Durchfluss und partikulärer P-Konzentration (Extremwerte markiert)

Abbildung 40: Zusammenhang zwischen P-Anreicherungsfaktor im Schluff und Sandgehalt (links) bzw. Tongehalt (rechts)...71

Schriftenreihe des LfULG, Heft 11/2012 | 4Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Bodenregionen und Bodenlandschaften Sachsens

Tabelle 2: Ein- und Ausgabeparameter von EROSION 3D

Tabelle 3: Datengrundlagen der Simulationsszenarien

Tabelle 4: Randbedingung der Simulationsszenarien

Tabelle 5: Parametrisierungsannahmen der Validierungsszenarien

Tabelle 6: Oberboden-P-Gehalte auf den Ackerflächen der Teilbearbeitungsräume

Tabelle 7: Korngrößenanteile und Gesamt-P-Gehalt der untersuchten Böden (Sai: Saidenbach; Bau: Bautzen)

Tabelle 8: Fraktionsabhängige P-Konzentration und entsprechende P-Anreicherungsfaktoren (Sai: Saidenbach; Bau:

Bautzen)

Tabelle 9: Statistische Auswertung des Worst-Worst-Case-Szenarios

Tabelle 10: Mittlerer Bodenabtrag der Bodenregionen für das WWC-Szenario (geordnet nach Mittelwert)

Tabelle 11: Bodenabtrag in den sächsischen Teilbearbeitungsräumen für das Worst-Worst-Case-Szenario

Tabelle 12: Statistische Auswertung des Best-Worst-Case-Szenarios

Tabelle 13: Bodenabtrag in den sächsischen Teilbearbeitungsräumen für das Best-Worst-Case-Szenario

Tabelle 14: Statistische Auswertung der Sediment- und Phosphorausträge aus sächsischen OWK (WWC: Worst-Worst-CaseSzenario; BWC: Best-Worst-Case-Szenario)

Tabelle 15: Phosphor-Austrag aus sächsischen OWK für das WWC-Szenario (geordnet nach Mittelwert)

Tabelle 16: Phosphor-Austrag aus sächsischen OWK für das BWC-Szenario (geordnet nach Mittelwert)

Tabelle 17: Vergleich der P-Austräge aus sächsischen OWK mit den Ergebnissen anderer Autoren (Referenzjahre/Jahresmittelwerte)

Tabelle 18: Vergleich der P-Austräge mit den Ergebnissen anderer Autoren (Ereignisse)

Tabelle 19: Ergebnisse der Modellvalidierung

Tabelle 20: pH-Werte, Corg-Gehalte und P-Gehalte der Bodenproben im Einzusgebiet der Talsperre Saidenbach

Tabelle 21: pH-Werte, Corg-Gehalte und P-Gehalte der Bodenproben im Einzusgebiet der Talsperre Bautzen

Tabelle 22: Statistische Auswertung der Atterbergproben

Tabelle 23: Mittlerer Bodenabtrag der Bodenregionen für das BWC-Szenario (geordnet nach Mittelwert)

Schriftenreihe des LfULG, Heft 11/2012 | 5 Verzeichnis verwendeter Symbole und Abkürzungen AF Anreicherungsfaktor ATKIS-DGM Amtliches Topographisch-Kartographisches Informationssystem – Digitales Geländemodell ATKIS-DLM Amtliches Topographisch-Kartographisches Informationssystem – Digitales Landschaftsmodell BK 50 Bodenkarte 1:50.000 BSA Bodenatlas des Freistaates Sachsen BSA3 Bodenatlas des Freistaates Sachsen - Teil 3: Bodenmessprogramm Dresden BWC Best-Worst-Case C(ti) Konzentration am Probenahmetag DPROC Datenbankprozessor DPROC-DB Datenbank des Datenbankprozessors EZG Einzugsgebiet EU-WRRL Europäische Wasserrahmenrichtlinie EW Einwohner F Jahresspende [kg] FK Feldkapazität GeoSN Staatsbetrieb Geobasisinformation und Vermessung Sachsen GKZ Gewässerkennzahl InVeKoS Integriertes Verwaltungs- und Kontrollsystem L Korngrößenanteil [%] LS Korngrößenanteil Sand [%] LU Korngrößenanteil Schluff [%] LT Korngrößenanteil Ton [%] M Sedimentmenge MS Sedimentmenge der Sandfraktion MU Sedimentmenge der Schlufffraktion MT Sedimentmenge der Tonfraktion MW arithmetisches Mittel N Anzahl der Probenahmetage OWK Oberflächenwasserkörper P Phosphor PAF Phosphoranreicherungsfaktor PAFSchluff Phosphor-Anreicherungsfaktor in der Schlufffraktion PAFSand Phosphor-Anreicherungsfaktor in der Sandfraktion PAFTon Phosphor-Anreicherungsfaktor in der Tonfraktion PKS Parameterkatalog Sachsen PO4 Phosphat Ortho-PO4 Ortho-Phosphat Q Durchfluss [m³/s] QJahr mittlerer Jahresdurchfluss [m³/s] QProbe Mittelwert der Durchflüsse aller Probenahmetage [m³/s] Q(ti) Durchfluss am Probenahmetag RBS Reichsbodenschätzung S Sand SDR Sedimenteintragsverhältnis (engl. Sediment Delivery Ratio) T Ton TUBA Technische Universität Bergakademie Freiberg U Schluff WWC Worst-Worst-Case σ Standardabweichung Schriftenreihe des LfULG, Heft 11/2012 | 6 1 Motivation und Zielstellung Die nachhaltige Bewirtschaftung der Ressourcen Wasser und Boden ist zu einer der großen umweltpolitischen Herausforderungen dieses Jahrhunderts geworden. Auf europäischer Ebene zielt die Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie (EG-WRRL) (EG 2000) auf den Erhalt bzw. das Erreichen eines guten Gewässerzustandes. Hierbei stehen neben nachteiligen Veränderungen der Gewässermorphologie vor allem schädliche Stoffeinträge in die Gewässer im Zentrum des Interesses. Dies gilt insbesondere für den Eintrag von Phosphor (P), der als Pflanzennährstoff zu einer erhöhten Primärproduktion in Oberflächengewässern führt. Die anschließende Zersetzung abgestorbener Pflanzen verbraucht Sauerstoff. Sinkt der Sauerstoffgehalt im Gewässer unter einen kritischen Wert, treten anaerobe Zersetzungsprozesse in den Vordergrund. Diese haben die Bildung giftiger Stoffe zur Folge, die eine Verschlechterung des Gewässerzustandes bewirken können.

Weil Phosphor als Phosphat überwiegend in partikelgebundener Form vorliegt, ist der Eintragspfad Erosion bei dieser Problematik von zentraler Bedeutung. Eine Zielerreichung der EG-WRRL setzt damit die Planung und Dimensionierung von Erosionsschutzmaßnahmen auf Einzugsgebietsebene voraus. Erster Schritt dieser Maßnahmenplanung ist die Identifikation erosionsgefährdeter Flächen und Feststoffeintragspfade in Gewässer. Die bisherige Kenntnis (HALBFAß et al. 2009) der Austräge an partikelgebundenem P basiert im Wesentlichen auf monatlich oder jährlich gemessenen P-Frachten im Gewässer oder auf hierauf kalibrierten Simulationsrechnungen mit empirischen Modellen (z. B. USLE).

Weil die Bodenerosion als vorrangig nichtkontinuierlicher Prozess stets an das Auftreten einzelner Starkniederschlagsereignisse gekoppelt ist, liefert die nicht ereignisgebundene Messung bzw. Simulation der P-Fracht lediglich eine Aussage zur P-Grundlast des Gewässers, sofern nicht zufällig ein Ereignis beprobt wird. Über den tatsächlichen Austrag geben daher weder die monatlichen Messungen noch die bisherigen Simulationen einen annähernd hinreichenden Aufschluss.

Dies kann nur eine ereignisbezogene Betrachtung liefern. Deshalb basiert die vorliegende Studie auf dem ereignisbezogenen Modell EROSION 3D. Dieses Modell bildet im Unterschied zu den vorhandenen Messdaten bzw. Berechnungsergebnissen Spitzenlasten in hoher zeitlicher Auflösung ab.



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