Teilprojekt 300

TP 300 - Modellierung des Wasser- und Stoffhaushaltes unter Einfluss des globalen Wandels

Einführung - Ziele - Methoden - Ergebnisse

Einführung

Klima- sowie Landnutzungswandel nehmen Einfluss auf den Wasser- und Stoffhaushalt und können zu Veränderungen der Wasserqualität und –quantität sowie zu Konflikten bei der Ressourcenverteilung zwischen Landwirtschaft, Natur- und Wasserschutz führen. Neben der Aufgabe von landwirtschaftlichen Flächen führt auch eine Intensivierung der Landwirtschaft einhergehend mit der Verdrängung natürlicher Ökosysteme z.B. von Mooren zu großflächigen und langfristigen Veränderungen der hydrologischen und ökologischen Gegebenheiten.
Für ein integriertes Flussgebietsmanagement bieten ökohydrologische Modelle die Möglichkeit hydrologische und stoffliche Kreisläufe auf Einzugsgebietsebene prozessbasiert abzubilden. Managementoptionen können mithilfe von Szenarien zeitlich und räumlich differenziert überprüft und zur Bewertung von Veränderungen des Landschaftswasser- und Nährstoffhaushaltes herangezogen werden.

Ziele

Ziel des Teilprojektes TP300 ist die Analyse und Bewertung des regionalen Wasser- und Stoffhaushaltes. Dabei werden folgende Teilziele verfolgt:

1. Untersuchung der Bodenhydrologie unter Berücksichtigung verschiedener Landnutzungen
2. Untersuchung des Wasser- und Stoffhaushaltes in drei ausgewählten Flusseinzugsgebieten
3. Bewertung der Langzeitwirkungen des Landmanagements
4. Entwicklung geeigneter Indikatoren zur Berücksichtigung hydrologischer Landschaftsfunktionen und ihrer Ökosystemdienstleistungen
5. Etablierung nachhaltiger integrativer Flussgebietsstrategien mithilfe von Klima- und Landnutzungsszenarien

Methoden

 Für die Analyse und Bewertung des regionalen Wasser- und Stoffhaushaltes werden zwei Skalen unterschieden: Feld- und Flusseinzugsgebietsskala. Dazu wurden drei Feldstandorte unter Wald-, Brache- und Ackernutzung sowie die drei Einzugsgebiete Pyschma, Vagai und Loktinka ausgewählt.

Im ersten Schritt werden Untersuchungen im Gelände durchgeführt.

Feldskala

• Bodenprofilansprachen und Bodenbeprobungen zur N- und C-Analyse in verschiedenen Landnutzungs-Boden-Kombinationen
• Bodenfeuchte- und –temperaturmessungen unter verschiedener Landnutzung
• Sickerwassermessungen zur N- und C-Analyse

Flusseinzugsgebietsskala (Vagai und Loktinka)

• Räumlich differenzierte Wasserqualitätsanalyse (Temperatur, Sauerstoff, elektrische Leitfähigkeit, pH, NO₃^-, NH₄^-, TN, PO₄^-, C) mithilfe von Gewässergütelängsschnitten entlang ausgewählter Transekte
• Wasserstandsmessungen

Im zweiten Schritt werden zwei genestete Modelle aufgesetzt und kalibriert:

• Feldskala: CoupModel (Jansson & Karlberg 2004)
• Flusseinzugsgebietsskala: SWAT (Arnold et al. 1998)

Mithilfe dieser Modelle werden zunächst der derzeitige Wasser- und Stoffhaushalt abgebildet und später Klima- und Landnutzungsszenarien zur Etablierung nachhaltiger integrativer Flussgebietsstrategien berechnet.

Abb. 1: Prinzipskizze

Ergebnisse

In den Jahren 2012 und 2013 wurden Feldmesskampagnen auf drei Standorten sowie in zwei Einzugsgebieten erfolgreich durchgeführt. Die Kampagnen ergaben folgende Ergebnisse:

• Der Bodenwassergehalt unter Wald und Grünland war höher als unter Acker (Abb. 2, 2013). Im April 2013 waren die Böden unter Wald und Grünland noch wassergesättigt. Die Wassergehalte nahmen dann aufgrund der Evapotranspiration im Laufe der Untersuchungsperiode in jedem Horizont ab.
• Im Sommer 2012 wurden hohe Werte, meist >1000 µS/cm, der elektrischen Leitfähigkeit in den Einzugsgebieten festgestellt (Vagai, Abb. 3). In Bezug auf Nitrat und Gesamstickstoff wurden jedoch nur geringe bis mäßige Belastungen erfasst.
• Die Fließgewässerqualität unterscheidet sich deutlich vor und nach der Schneeschmelze: In-situ Messungen zeigen höhere elektrische Leitfähigkeiten und pH-Werte vor der Schneeschmelze. Auch die Stickstoff- und Phosphatkonzentrationen sind aufgrund von Verdünnungseffekten niedriger nach der Schneeschmelze (Abb. 4). Die Konzentrationen im April/Mai 2013 sind höher als im Juni/Juli 2012. Dies weist darauf hin, dass die höchsten Konzentrationen vor der Schneeschmelze auftreten und dann vermutlich allmählich abnehmen.
• Die Kohlenstoffkonzentrationen lassen auf einen Einfluss der Moore und Feuchtgebiete schließen.

Abb. 2: Gemessene Bodenwassergehalte in verschiedenen Tiefen unter Wald-, Grünland- und Ackernutzung von April bis September 2013 (Klimadaten von rp5.ru).

Abb. 3: Gemessene elektrische Leitfähigkeit im Vagai-Einzugsgebiet im Juni 2012.

Abb. 4: Gemessene Gesamtstickstoffkonzentrationen [mg/l] im Vagai-Einzugsgebiet im April/Mai 2013 sowie die Landnutzung (basierend auf der Klassifikation von SP200). Jeweils erste Zahl / graue Spalte zeigt die Konzentration vor der Schneeschmelze, die zweite Zahl / schwarze Spalte die Konzentration nach der Schneeschmelze.

Weiterhin wurden die Modelle CoupModel (Feldskala) und SWAT (Flusseinzugsgebietsskala) aufgesetzt und für die ausgewählten Standorte beziehungsweise Flusseinzugsgebiete parametrisiert, kalibriert und validiert. So können der Wasser- und Stoffhaushalt abgebildet und Prozesse in diesen Tieflandgebieten analysiert werden.
Die Ergebnisse des ökohydrologischen Modells SWAT zeigen, dass die Berücksichtung der Schneeschmelzprozesse, der Retention des Oberflächenabflusses aufgrund topographischer Gegebenheiten und Bodeneigenschaften sowie die Einbindung eines zweiten Grundwasserspeichers zur Abbildung des Basisabflusses besonders wichtig war.

Kontakt

Kontakt

Prof. Dr. Nicola Fohrer
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Institut für Natur- und Ressourcenschutz
Abteilung für Hydrologie und Wasserwirtschaft
Olshausenstr. 75
24118 Kiel
Tel.: +49 (0) 431 880 1276
Fax: +49 (0) 431 880 4607
E-Mail: nfohrer@hydrology.uni-kiel.de
Web: http://www.hydrology.uni-kiel.de/