Teilprojekt 5

 

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Szenarioanalysen zur Wassermenge und Wassergüte im Einzugsgebiet der Havel

Bearbeiter: V. Krysanova, PIK Potsdam

Konkrete Zielstellung

Ziel des Teilprojektes ist es, die bestehenden Abschätzungen zur Nährstoffemission aus diffusen, im wesentlichen landwirtschaftlichen Quellen, in einer Tieflandregion durch Anwendung eines dynamischen Modells zu verbessern und aufbauend darauf bekannte Möglichkeiten zur Reduzierung der Auswaschung zu präzisieren. Die genauen Ziele sind:

bulletAbschätzung der Nährstoffemissionen aus diffusen Quellen in mesoskaligen Teileinzugsgebieten der Havel (z.B. Rhin, Nuthe) basierend auf einer dynamischen Modellierung der beteiligten hydrologischen und ökohydrologischen Prozesse
bulletAnalyse der Möglichkeiten zur Reduzierung der Nährstoffauswaschung aus diffusen Quellen durch geänderte Strategien zur Landnutzung und zum Landmanagement in Form von Szenarienrechnungen
bulletVerbesserte Abschätzung der Nährstoffretention in großen Flusseinzugsgebieten durch gekoppelte Einzugsgebiets- und Flussmodellierung.

Dieses Teilprojekt liefert die Voraussetzungen zur Verknüpfung der Prozesse in der Einzugsgebietsfläche mit denen im Gewässersystem, als auch für die Betrachtung der Retentionsprozesse auf Einzugsgebietsebene. Es weist starke Verknüpfungen insbesondere mit den Teilprojekten TP 6 (Daten und Parametrisierung,) TP 2 (Modellierung der Einträge) und TP 3 (Transport in das Gewässersystem) auf.

Geplante Arbeiten und Methoden

Das am PIK entwickelte ökohydrologische Modell SWIM (Soil and Water Intergrated Model) simuliert Hydrologie, Pflanzenwachstum, Nährstoffe (Stickstoff und Phosphor) und Erosion auf Einzugsgebietsebene. Anwendungsziele sind die Nachbildung des Wasserkreislaufs, der Erosion und der Stickstoff- und Phosphorkreisläufe in mesoskaligen Einzugsgebieten unter Verwendung regional verfügbarer Daten sowie Untersuchungen der Auswirkungen veränderter Klima- und Landnutzungsverhältnisse. SWIM wurde bereits in einer Reihe von meso- und großskaligen Einzugsgebieten im Elbegebiet erfolgreich eingesetzt.

  1. Validierung von SWIM in einem ausgesuchten mesoskaligen Teilgebiet der Havel
  2. Zunächst muß ein mesoskaliges Einzugsgebiet im Gebiet der Havel ausgesucht werden (z.B. Rhin, Nuthe, Hammerfließ), wobei die verfügbare Güte der benötigten Daten das wesentliche Auswahlkriterium ist. Aufbauend darauf wird das Modell SWIM für dieses Teilgebiet validiert, mit spezieller Berücksichtigung der hydrologischen Prozesse und der Stickstoff- und Phosphorflüsse, wobei die folgenden Daten verwendet werden: Digitales Geländemodell (DGM), Landnutzung, Bodenparameter, Grundwasserspiegel, Klimadaten, Daten zum Landmanagement (Fruchtfolgen, Düngeregime), Zuflüsse in den Vorfluter, gemessene Stickstoffkonzentrationen im Fluss und im Grundwasser.

    Verschiedene Daten sind am PIK bereits vorhanden (DGM, Klimadaten, Landnutzung), andere werden durch Projektpartner zur Verfügung gestellt (TP 1, TP 6). In diesem Zusammenhang ist die Verbesserung der raum-zeitlichen Verteilung der Modelleingangsdaten wie Landnutzung, Böden und Hydrologie (TP 6) von besonderer Bedeutung.

  3. Abschätzung der Nährstoffemissionen aus diffusen Quellen
  4. Aufbauend auf der Modellvalidierung werden die Nährstoffemissionen aus diffusen Quellen mit Hilfe des dynamischen Modells SWIM simuliert. Diese neuen Abschätzungen, akkumuliert zu monatlichen Werten, werden anschließend mit vorhandenen Abschätzungen für das ausgewählte Teilgebiet der Havel verglichen (5-Jahres-Mittel; s. Behrendt et al., 1999). Diese Arbeiten bilden außerdem einen Beitrag zum Teilprojekt 2.

  5. Anwendung verschiedener Szenarien der Landnutzungsänderung
  6. Verschiedene Landnutzungsänderungsszenarien werden auf das Modellgebiet übertragen, und zwar unter Berücksichtigung möglicher Änderungen der relativen Anteile (z.B. von Ackerland, Grasland, Forst, Dauerbrache) oder Änderungen innerhalb der Klassen (z.B. der Fruchtfolgen in der Landwirtschaft, der Düngeregime, der Intensität der Nutzung (Grünland, Auenbereiche), des Forstmanagements). Dazu können Ergebnisse des am PIK koordinierten Projektes "Grobrasteranalyse [für Brandenburg und Hessen] zu den Möglichkeiten für umweltentlastende Landnutzungsänderungen in Folge des Globalen Wandels" (gefördert von der VW-Stiftung, Laufzeit: 11/1999-10/2002), basierend auf dem agroökonomischen Modell RAUMIS, für die Kreise in Brandenburg übernommen und auf die Landnutzungsskala übertragen werden. Weitere Szenarien werden durch die Teilprojekte 1 und 6 bereitgestellt. Anschließend soll in Form von Szenarienrechnungen analysiert werden, inwieweit durch geänderte Strategien zur Landnutzung und zum Landmanagement Möglichkeiten zur Reduzierung der Nährstoffemissionen aus diffusen Quellen bestehen.

  7. Flächendifferenzierte Modellierung des Einzugsgebietes

Nach der Validierung des Modells für das ausgewählte Teileinzugsgebiet wird SWIM auf das gesamte Gebiet der Unteren Havel angewendet, um so die hydrologischen Prozesse (Evapotranspiration, Abfluss, Grundwasserneubildung) und die Stickstoff- und Phosphorflüsse (Aufnahme durch die Pflanzen, Auswaschungen durch Oberflächenabfluss, Anreicherung im Grundwasser) für die bestehende Landnutzung und das rezente Klima zu simulieren. Diese Arbeiten bilden dann den Input für das Modell HYDRAIN. Außerdem soll durch die Koppelung SWIM – HYDRAIN die Abschätzung der Retentionsprozesse verbessert werden. Diese Arbeiten sollen in Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt 3 stattfinden.

Angestrebte Ergebnisse und Zeitplan

  1. Validierungsergebnisse des ökohydrologischen Modells SWIM in einem ausgewählten Teilgebiet der Havel unter besonderer Berücksichtigung der hydrologischen Prozesse und der Nitrat- und Phosphorflüsse.
  2. Vergleich vorhandener Abschätzungen der Nährstoffemissionen aus diffusen Quellen mit denen, die durch SWIM dynamisch simuliert werden.
  3. Analyse der Möglichkeiten zur Reduzierung der nicht punktuellen Nährstoffemissionen durch Übertragung verschiedener Landnutzungsänderungsszenarien in das dynamische Modell.
  4. Abschätzung der Nährstoffflüsse für das ganze untere Havelgebiet (räumlich aufgelöst) für die bestehende Landnutzung und das rezente Klima.
  5. Empfehlungen für ein Maßnahmenprogramm zur Senkung der N- und P-Emissionen.

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Bei Fragen und Hinweisen wenden Sie sich bitte an W. Lahmer (werner@wernerlahmer.de oder  webmaster@havelmanagement.net)
Stand: 07. Februar 2005

Layout: W. Lahmer