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UFZ-UmweltforschungszentrumLeipzig-Halle GmbHin der Helmholtz-Gemeinschaft
12. Magdeburger GewässerschutzseminarWasserrahmenrichtlinie (WRRL)
10.-13. Oktober 2006, Cesky Krumlov
Integrierte Nährstofftransportmodellierung als Grundlage für die Implementierung der WRRL:
Die Weißen Elster Fallstudie
12. Magdeburger GewässerschutzseminarWasserrahmenrichtlinie (WRRL)
10.-13. Oktober 2006Cesky Krumlov
gefördert durch
Michael Rode1, Bernd Klauer2, Daniel Petry2, Martin Volk3, Gerald Wenk1, Dierk Wagenschein1
UFZ Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH1Department Hydrologische Modellierung
2Department Ökonomie3Department angewandte Landschaftsökologie
UFZ-UmweltforschungszentrumLeipzig-Halle GmbHin der Helmholtz-Gemeinschaft
12. Magdeburger GewässerschutzseminarWasserrahmenrichtlinie (WRRL)
10.-13. Oktober 2006, Cesky Krumlov
Ziel des Projektes
Kurzcharakterisierung des Weiße Elster Gebietes
Entwicklung von Maßnahmenprogrammen
Ermittlung von Maßnahmewirkungen und Kosteneffizienz
Zusammenfassung und Ausblick
ÜÜbersichtbersicht
UFZ-UmweltforschungszentrumLeipzig-Halle GmbHin der Helmholtz-Gemeinschaft
12. Magdeburger GewässerschutzseminarWasserrahmenrichtlinie (WRRL)
10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovProjektzielProjektziel
Entscheidungsunterstützung bei der Aufstellung von Maßnahmenprogrammen nach WRRLErreichung des guten ökologischen Zustands von Oberflächengewässern in Bezug auf die damit verbundenen Nährstoffkomponenten (N + P)
Ermittlung von Maßnahmeneffekten:- stoffliche Wirkungen (Beitrag zur Zielerreichung)- ökonomische Wirkungen (Kosten der Maßnahme)
Bewertung von Maßnahmen im Hinblick auf - Kosteneffektivität der Zielerreichung- Umsetzbarkeit und Zusatzeffekte
Produkt: Verfahren zur Maßnahmenplanung nach WRRL
UFZ-UmweltforschungszentrumLeipzig-Halle GmbHin der Helmholtz-Gemeinschaft
12. Magdeburger GewässerschutzseminarWasserrahmenrichtlinie (WRRL)
10.-13. Oktober 2006, Cesky Krumlov
MaMaßßnahmenprogrammenahmenprogramme
Bestandsaufnahme + Erstbeschreibung
Festlegung der Maßnahmenkombinationen
Aufstellung und Umsetzung der Maßnahmenprogramme
Ermittlung der Maßnahmeneffekte
Vorauswahl von Maßnahmen
Zielkonkretisierung
Arbeitsschritte bei der Aufstellung von Maßnahmenprogrammen
Ausnahme-regelungen
Monitoring-programme Ö
ffentlichkeitsbeteiligung
UFZ-UmweltforschungszentrumLeipzig-Halle GmbHin der Helmholtz-Gemeinschaft
12. Magdeburger GewässerschutzseminarWasserrahmenrichtlinie (WRRL)
10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovCharakterisierung WeiCharakterisierung Weißße Elstere ElsterElbe –Internationale Flussgebietseinheit
Weiße Elster –Bearbeitungsgebiet im Koordinierungsraum Saale
5.154 km² EZG
1.5 Mio. Einwohner
komplexe administrativ-politische Struktur
heterogene Landnutzungs-struktur
vielfältige Wassernutzungen
THÜRINGEN
Leipzig
Gera
Plauen
SACHSEN
SACHSEN-ANHALT
BAYERN
TSCHECHIEN
Halle SACHSEN
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12. Magdeburger GewässerschutzseminarWasserrahmenrichtlinie (WRRL)
10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovCharakterisierung WeiCharakterisierung Weißße Elstere ElsterVorläufige Bewertung der voraussichtlichen Zielerreichung in den Oberflächenwasserkörpern:
wahrscheinlichunklarunwahrscheinlich
Wasserkörper nachBearbeitungs-gebieten
Zielerreichung wahrscheinlich
Zielerreichung unklar
Zielerreichungunwahrschein-
lich
Obere Saale 15 8 12
Untere Saale 0 5 44
Unstrut 9 14 38
Weiße Elster 13 38 86Bode 0 27 49
KOR gesamt 37 92 229
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12. Magdeburger GewässerschutzseminarWasserrahmenrichtlinie (WRRL)
10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovMaßnahmenprogramme
Bestandsaufnahme + Erstbeschreibung
Festlegung der Maßnahmenkombinationen
Aufstellung und Umsetzung der Maßnahmenprogramme
Ermittlung der Maßnahmeneffekte
Vorauswahl von Maßnahmen
Zielkonkretisierung
Arbeitsschritte bei der Aufstellung von Maßnahmenprogrammen
Ausnahme-regelungen
Monitoring-programme Ö
ffentlichkeitsbeteiligung
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10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovRRääumliche Zielkonkretisierungumliche ZielkonkretisierungBilanzraumbezogene Reduktionsziele
#S
#S #S#S
#S
#S
#S
#S
#S#S
#S
#S#S
#S
#S
#S
#S
#S
#S#S#S
#S
#S
#S
#S
Fehlende Bilanzier-barkeit vieler Wasserkörper
ca. 40 Gütemessstellen137 Oberflächen-wasserkörper
#S#S #S#S
#S
#S
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#S
#S#S
#S
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#S
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#S
#S
#S
#S
Ausweisung von Bilanzgebieten:
Gruppierung der Oberflächenwasser-körper nach
Lage der GütemessstellenHydrologie
Ableitung zugehöriger Teileinzugsgebiete mittels digitalem Gelände-Modell
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10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovMaßnahmenprogramme
Bestandsaufnahme + Erstbeschreibung
Festlegung der Maßnahmenkombinationen
Aufstellung und Umsetzung der Maßnahmenprogramme
Ermittlung der Maßnahmeneffekte
Vorauswahl von Maßnahmen
Zielkonkretisierung
Arbeitsschritte bei der Aufstellung von Maßnahmenprogrammen
Ausnahme-regelungen
Monitoring-programme Ö
ffentlichkeitsbeteiligung
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10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovAusgewählte MaßnahmenEintragsquelle Maßnahme Beschreibung
Kommunale Kläranlagen
Verbesserung AusbaustufeErhöhung Regen-entlastungskapazitäten
Verbesserung der Reinigungs-leistung bei Größenklassen I-III
• Ausbau von Regenrückhaltbauwer-ken(bei Mischwasserkanalisation)
Private Abwas-sereinleitungen
(Aus-)Bau dezentraler Kläranlagen
In ausgewählten Teilen des Einzugsgebietes
Reduzierung der N-Düngung Ökologischer Landbau auf 5%, 10%, 20%,30% deranbauflächeUmstellung von konventionellen auf integrierte Fruchtfolgen
Konservierende Bodenbearbeitung
• flächendeckend
Flächenumwidmung / Dauerbrache
Prozentualer Anteil entsprechend RAUMIS-Szenario; flächenkonkret
Uferrandstreifen 20 m Breite
Wehre Rückbau Alle Wehre
Gewässer-system
Renaturierung z.B. Umsetzung Fließgewässerprogramm Sachsen-AnhaltSzenarien zur Verlängerung derFLießlängen
Gewässer-struktur
Diffuse Quellen
Landwirtschaft-liche Flächen-nutzung
PunktuelleQuellen
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10.-13. Oktober 2006, Cesky Krumlov
Ausnahme-regelungen
Monitoring-programme
Bestandsaufnahme + Erstbeschreibung
Festlegung der Maßnahmenkombinationen
Vorauswahl von Maßnahmen
Zielkonkretisierung
Ermittlung der Maßnahmeneffekte
Aufstellung und Umsetzung der Maßnahmenprogramme
Arbeitsschritte bei der Aufstellung von MaArbeitsschritte bei der Aufstellung von Maßßnahmenprogrammennahmenprogrammen
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10.-13. Oktober 2006, Cesky Krumlov
Modelle (Nährstoffaustrag):
lateraler P-Transport (Regionalisierungsansatz von Erosion2D/3D)
Wasserhaushalts- und Nährstoffaustragsprozesse (SWAT)
Nährstofftransport und -umsatz in Fliessgewässern (WASP5)
Ermittlung von stofflichen Ermittlung von stofflichen MaMaßßnahmeneffektennahmeneffekten
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10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovModellierungssystem SWATModellierungssystem SWAT
Schema Datenflüsse in SWAT (Di Luzio et. al.)
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10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovSWAT SWAT KalibrierungKalibrierungDurchflussmessstelleDurchflussmessstelle ZeitzZeitz
11/1/1997 3/1/1998 7/1/1998 11/1/1998 3/1/1999 7/1/1999 11/1/1999 3/1/2000 7/1/20000
102030405060708090
100110120130140150
Discharge Zeitz (obs.) Discharge Zeitz (sim.)
Dis
char
ge [m
³/s]
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10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovMaMaßßnahmewirkung Szenariennahmewirkung Szenarien
1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 20000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000Gera-Langenberg
ÖKO_05 ÖKO_10 ÖKO_20 ÖKO_30 RAUMIS_2010 RAUMIS_TLB NGES Status Quo simuliert
NG
ES [t
/a]
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10.-13. Oktober 2006, Cesky Krumlov
FlieFließßgewgewäässergssergüütemodellierungtemodellierung
EUTRO
QuerprofileWehreZuflüsse
WasserständeFließgeschwindigkeitDYNHYD
seg, t
seg, t
Konzentrationen der ZuflüsseFrachten der EinleitungenGlobalstrahlungBeschattungWassertemperaturLufttemperaturSalinität...
39
2
PhytoplanktonPeriphytonO2CBSB NH4NO3NorgPO4Porg
x Zahl der Parameter
WASP 5.2 (U.S. EPA 2001)
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10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovImplementierung des ModellsImplementierung des Modells
Berücksichtigung von:- Wehren > 0,3m- Nebenflüssen > 0,3m3/s- kommunalen Einleitern- industriellen Einleitern
Raumskalen:
A: Straßberg – Großzschochersynthetische QuerprofileSegmentlänge 250m
B: Gera – Großzschochervermessene QuerprofileSegmentlänge 100m
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10.-13. Oktober 2006, Cesky Krumlov
0
20
40
60
Chl
orop
hyll-
a [µ
g/l]
110 100 90 80 70 60 50Fluss [km]
3./4.08.2004
2./3.09.2003
Legende Modellierte Werte90%-VertrauensbereicheMeßwerte HauptstromMeßwerte Zuflüsse
Modellkalibrierung mit Angabe von Modellkalibrierung mit Angabe von VertrauensbereichenVertrauensbereichen
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10.-13. Oktober 2006, Cesky Krumlov
ValidierungValidierung des Modellsdes Modells
Vergleich der Modellergebnisse mit den Meßwerten desbehördlichen Monitorings im Jahr 2001
Problem: fehlende Chlorophyll-a-Daten
Ergebnis: mäßig-schlechte Abbildung von NH4gute Anpassung für NO3leichte Unterschätzung von PO4
Nitrat-N
0
2
4
6
8
0 2 4 6 8Meßwerte [mg/l]
Mod
ellw
erte
[mg/
l]
Phosphat-P
0
0,1
0,2
0,3
0 0,1 0,2 0,3Meßwerte [mg/l]
Mod
ellw
erte
[mg/
l]
Ammonium-N
0
0,1
0,2
0,3
0 0,1 0,2 0,3Meßwerte [mg/l]
Mod
ellw
erte
[mg/
l]
NS = 0,14 NS = 0,56 NS = 0,28
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0
1
2
3
406080100120140160180200
Fluss [km]
Den
itrifi
katio
nsra
te [m
g/(l·
d)]
Mittlere Denitrifikationsrate [mg/(l·d)]im Jahr 2001
Denitrifikation im GewDenitrifikation im Gewäässerverlaufsserverlauf
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Berechnete Fracht und Retention für das Jahr 2001
Abschnitte2: Straßberg – Greiz4: Greiz bis Wünschendorf6: Wünschendorf – Krossen7: Krossen – Zeitz8: Zeitz – Kleindalzig9: Kleindalzig – Großzschocher
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
2 4 6 7 8 9Bilanzgebiet
Frac
ht [t
/a]
RetentionFracht
Stickstoff: Fracht und RetentionStickstoff: Fracht und Retention
19 % Retention
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10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovStarke morphologische Starke morphologische ÜÜberprberpräägung gung der Gewder Gewäässersser
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Effekte von RenaturierungsmaEffekte von Renaturierungsmaßßnahmennahmen
Maßnahme-1: Gewässerunterhaltung (Fließgewässerprogramm Sachsen-Anhalt,Gutachten zur Bewirtschaftung der Weißen Elster)
Maßnahme-2: Renaturierung von Auenbereichen entsprechenddes Leitbildes
Restriktionen: Siedlungen, Straßen, Schienenohne Berücksichtigung von Kosten
Maßnahme-3: Hypothetische Annahme: Der gesamte Gewässerabschnittentspricht dem Leitbild
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Effekte von RenaturierungsmaEffekte von Renaturierungsmaßßnahmennahmen
-9,0
3,2
-5,4 -3,9-1,5
-49,7-30
-20
-10
0
10
20
30
v *) O2 NO3 TN PO4 TP
Abw
eich
ung
[%]
Prozentuale Konzentrationsänderungam Ende des Abschnittes Gera -Großzschocher
v O2 Nanorg TN Panorg TP
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Ausnahme-regelungen
Monitoring-programme
Bestandsaufnahme + Erstbeschreibung
Festlegung der Maßnahmenkombinationen
Vorauswahl von Maßnahmen
Zielkonkretisierung
Ermittlung der Maßnahmeneffekte
Aufstellung und Umsetzung der Maßnahmenprogramme
Arbeitsschritte bei der Aufstellung von MaArbeitsschritte bei der Aufstellung von Maßßnahmenprogrammennahmenprogrammen
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10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovKosteneffizienz von Nährstoffreduktionsmaßnahmen
Landwirtschaftliche 1
MaßnahmenKläranlagenausbau
Nähr-stoff
Reduk-tionsziel2
Reduktion Kosten-effizienz
Reduktion Kosten-effizienz
t/a (t/a) €/kg t/a €/kg
Stickstoff 2818 1295 2.52 519 0.429
Phosphor 77 38.5 139 6.1 12.7
1 Stickstoff: Integrierter oder ökologischer AnbauPhosphor: Konservierende Bodenbearbeitung
2 Gewässergüteklasse 2
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10.-13. Oktober 2006, Cesky Krumlov
2
5
6
8
1
104
3
12
15
7
16
9 13
11
14
Reduktionsziel:Gewässergüteklasse 2-3
(Gesamt-N < 6 mg/l, Gesamt-P < 0.3 mg/l)
•Gesamtkosten: 5,702 Mio €/a
•Reduktionsziele werden für Phosphor und Stickstoff jeweils in fünf Teilgebieten nicht erreicht
Erreichung der Reduktionsziel
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10.-13. Oktober 2006, Cesky KrumlovSchlussfolgerungen
Reduktionsziele für Stickstoff sind nur durch einschneidende Umstellungen der Landbewirtschaftung zu erzielen
Reduktionsziele für Phosphor sind dagegen durch Maßnahmenkombinationen leichter zu erreichen
Renaturierungsmaßnahmen bieten nur begrenzte Möglichkeiten zur Verminderung der Nährstofffrachten
Zukünftige landwirtschaftliche Entwicklung wird im WE-Gebiet wahrscheinlich zu einer Verminderung der Einträge führen
Bilanzgebietsbezogenes Konzept ermöglicht die Entkopplung der Entscheidungsprobleme
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12. Magdeburger GewässerschutzseminarWasserrahmenrichtlinie (WRRL)
10.-13. Oktober 2006, Cesky Krumlov
Konkretisierung der Methodik zusammen mit Bundesländern
• Kooperationspartner: FGG Elbe, Bundesländer Sachsen, Sachsen-Anhalt und Thüringen
• Umsetzung in drei Pilotgebieten, Aufstellung von konkreten Maßnahmenprogrammen
AusblickAusblick
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12. Magdeburger GewässerschutzseminarWasserrahmenrichtlinie (WRRL)
10.-13. Oktober 2006, Cesky Krumlov
Vielen Dank fVielen Dank füür Ihre Aufmerksamkeitr Ihre Aufmerksamkeit
Für die Unterstützung bei diesem Vortrag danken wir uns:
Kristin Neubert, Kirsten Hennrich, Ingo Bräuer, Fred Hesser, Sven Kralisch, Uwe Franko,
Sylvia Morgenstern, Haytham Shbaita, Martin Volk, Ulrike Hirt,