Bisherige Modellierung der Einträge über Dränagen

3.7.2.1 Dränspende

Bisher wurde die Dränspende für die AU in Anlehnung an Kretzschmar (1977) auf Basis der jährlichen Sommer- und Winterniederschläge berechnet. Dabei setzt sich der Dränabfluss aus 50 % der Winter- und 10 % der Sommerniederschläge zusammen.

3.7.2.2 Berechnung der Stickstoffkonzentration im Dränwasser

Zur Ableitung der Stoffkonzentrationen im Dränwasser wurden bisher Stickstoff-Abbauprozesse durch die mikrobielle Aktivität in der Bodenzone über einen

undifferenzierten (bezogen auf die gesamte landwirtschaftlich genutzte Flächen (Acker, Grünland) Exponenten zur Berücksichtigung der Denitrifikation abgebildet. Die Stickstoff-Konzentration im Dränwasser berechnet sich entsprechend aus dem Stickstoff-Überschuss auf landwirtschaftlichen Nutzflächen, der Dränspende und dem Exponenten zur

Beschreibung der Denitrifikation in der Bodenzone (Behrendt et al. 1999). Der Exponent wurde bisher von Behrendt et al. (1999) mit 0,85 angegeben.

3.7.2.3 PAK

16

-Konzentration im Dränwasser

Die PAK16-Einträge über Dränagen werden als Produkt aus der mittleren PAK16 -Konzentration im Dränwasser des AU und dem Dränagenabfluss des AU ermittelt.

Repräsentative PAK16-Konzentrationen zu einzelnen AU liegen derzeit jedoch nicht vor.

Deshalb wurden für die PAK16-Konzentration im Dränwasser bislang Daten aus Studien zu Grundwasserkonzentrationen verwendet. Weitere Erläuterungen dazu finden sich in Abschnitt 3.8.2.

3.7.3 Neues methodisches Vorgehen

3.7.3.1 Dränspende

In dem veränderten methodischen Ansatz wird die jährliche Dränspende als Summe monatlicher Dränspenden auf Basis von Monatsniederschlägen und monatsspezifischen Faktoren zur Berücksichtigung der Dränspende abgeleitet. Die verwendeten Daten und Methoden zur Ableitung der Faktoren sind in Hirt et al. (2011) ausführlich beschrieben und basieren auf beobachteten monatlichen Dränspenden.

Die in MoRE neu eingebundenen Faktoren zur Berechnung der monatlichen Dränspende sind in Tabelle 28 zusammengefasst. Die Monatsniederschläge basieren auf dem

Niederschlagsdatensatz des GPCC (2011).

Tabelle 28: Monatliche Faktoren zur Berechnung der Dränspende Monat Faktor

Januar 0,64

Februar 0,70

März 0,64

April 0,41

Monat Faktor

Mit dem Ansatz nach Hirt et al. (2011) können die unterschiedliche saisonale Verteilung der monatlichen Gebietsniederschläge und die daraus resultierenden Dränspenden besser berücksichtigt werden. Eine höhere zeitliche Auflösung der Eingangsdaten erlaubt eine bessere Abbildung der realen Zusammenhänge und Wechselwirkungen im Modell und trägt zum besseren Systemverständnis bei. Daher ist es grundsätzlich von Vorteil bei vertretbaren Aufwand zeitlich höher aufgelöste Datensätze zu verwenden.

3.7.3.2 Berechnung der Stickstoff-Konzentration im Dränwasser

Es ist davon auszugehen, dass sich das Denitrifikationspotential von Grün- und Ackerland unterscheidet. Unter Grünlandflächen ist von einer höheren Denitrifikationskapazität auszugehen, die im Ergebnis in entsprechend niedrigeren Stickstoff-Einträgen in die Gewässer resultiert. Daher ist es sinnvoll nicht wie bisher einen, sondern

landnutzungsspezifische Exponenten für die Abbildung der Denitrifikation zu

berücksichtigen. Die jetzt verwendeten Exponenten berücksichtigen Grün- und Ackerland und liegen für Grünland bei 0,7 und für Ackerland bei 0,85 (Kreins et al. 2010).

3.7.3.3 PAK

16

-Konzentration im Dränwasser

Aufgrund nicht vorhandener Messwerte im Dränagenwasser und unter der Annahme, dass PAK aufgrund ihrer Stoffeigenschaften im Boden i.d.R. vollständig zurückgehalten werden, wird bei der Modellierung nun der Wert Null verwendet.

3.7.4 Ergebnisse

3.7.4.1 Dränspende und Dränabfluss

Die Ergebnisse der Modellierung der Stoffeinträge für den bisherigen methodischen Ansatz (Basisvariante) und den neuen Berechnungsansatz werden exemplarisch für das Jahr 2010 miteinander verglichen.

Bei einer Mittelung der Faktoren zur Berücksichtigung der Dränspende für die Sommer- und Wintermonate ergeben sich vergleichbare Werte wie in Kretzschmar (1977). Der Dränabfluss macht etwa 52 % der Winterniederschläge und knapp 13 % der

Sommerniederschläge aus.

Die Dränspende nach dem Berechnungsansatz von Hirt et al. (2011) ist in Abbildung 44 im Vergleich zu der Variante von Kretzschmar (1977) dargestellt. Im Wesentlichen ergeben sich Änderungen in der räumlichen Differenzierung der Dränspende. Die räumliche Verteilung der Zu- bzw. Abnahme der Dränspende ist Abbildung 45 zu

entnehmen. Die Änderungen für die einzelnen AU liegen in der Größenordnung von -7 % bis +10 % und im Mittel für Deutschland bei 2 %. Es kann zusammengefasst werden, dass sich keine großen Änderungen für Deutschland ergeben aber die räumliche Verteilung der Höhe der Dränspende ändert sich durch die unterschiedliche Verteilung der

monatlichen Niederschläge. Auffällig ist, dass sich im Donau-Einzugsgebiet, Rheinland-Pfalz, Hessen und im nördlichen Teil von Niedersachsen überwiegend eine erhöhte Dränspende ergibt. In Brandenburg und Schleswig-Holstein resultiert eine niedrigere Dränspende für die Variante nach Hirt et al. (2011). Die Gebiete mit höheren

Dränspenden sind bis auf den nördlichen Teil Niedersachsens Regionen mit

Jahresniederschlägen über 800 mm/a. Die Änderungen sind allerdings nicht nur auf die Verteilung der Summe der Jahresniederschläge zurückzuführen, sondern tatsächlich auch auf die bessere zeitliche Auflösung und Verteilung der Monatsniederschläge. Für die Sommermonate ergibt sich durch die angepasste Variante nach Hirt et al. (2011) für alle AU eine höhere Dränspende als bei der Basisvariante, für die Wintermonate dagegen überwiegend eine niedrigere Dränspende.

Der Dränabfluss ist ein Produkt aus der Dränspende und der dränierten Fläche, sodass er sich proportional zur Dränspende verändert.

Das dargestellte angepasste Vorgehen ist vorteilhaft einerseits im Hinblick auf die korrektere Abbildung der Zusammenhänge und Wechselwirkungen in MoRE, andererseits auf zukünftige Entwicklungen und saisonale Betrachtungen.

3.7.4.2 Stickstoff-Einträge über Dränagen

In diesem Abschnitt werden die Auswirkungen der geänderten Eingangsdaten (N-Überschuss) (Abschnitt 3.3) und Modellansätze zusammen betrachtet.

Mit der zeitlich und landnutzungsspezifisch differenzierten Berechnung der Dränspende und der auf den geänderten N-Überschuss basierenden Stickstoff-Konzentration im Dränwasser (s. Kapitel 3.7.3.1 und 3.7.3.2) wurde für Deutschland für das Jahr 2010 insgesamt ein um 26 % niedrigerer Stickstoffeintrag über Dränagen berechnet. Bei einem neu berechneten Eintrag von ca. 70.500 t/a ist das ein Rückgang von ca. 24.600 t/a im Vergleich zur Basisvariante. Je nach Flussgebietseinheit liegen die Änderungen zwischen -20 und -32 %, was mit der Verteilung von Acker- und Grünland in den Gebieten

zusammenhängt. Tabelle 29 fasst die Ergebnisse für die Flussgebiete und die

Meeresgebiete zusammen. Bezogen auf die Gesamt-Stickstoffeinträge ist im Mittel für Deutschland – bei ansonsten unveränderten Eintragspfaden – eine Reduktion von ca. 4 % festzustellen.

Durch die Verwendung des landnutzungsspezifischen Exponenten zur Berechnung der Denitrifikation werden Grünlandflächen mit einer niedrigeren Potenz berücksichtigt. Das führt bei der Berechnung der Stickstoff-Konzentration im Abfluss von dränierten

Grünlandflächen zu niedrigeren Werten. Zusätzlich dazu kommen die niedrigeren flächenspezifischen N-Überschüsse hinzu, die sich ebenfalls auf die berechneten Konzentrationen im Dränabfluss vermindernd auswirken. Im Zusammenspiel mit der veränderten Dränspende ergeben sich im Vergleich mit der Basisvariante die in Tabelle 29 dargestellten Stickstoff-Einträge über Dränagen.

Tabelle 29: Vergleich der Stickstoff-Einträge über Dränagen im Jahr 2010 auf Ebene der Flussgebietseinheiten

Einzugsgebiet Stickstoff-Eintrag Basisvariante [t/a]

Stickstoff-Eintrag angepasste Variante [t/a]

prozentuale Veränderung [%]

Donau 10.500 7.720 -26

Eider 8.850 5.990 -32

Elbe 32.200 24.700 -23

Ems 5.400 3.620 -33

Maas 79 54 -32

Oder 2.100 1.690 -20

Rhein 15.900 11.300 -29

Schlei/Trave 3.250 2.590 -20

Warnow/Peene 6.870 5.500 -20

Weser 9.980 7.310 -27

Nordsee 72.400 53.000 -27

Ostsee 12.200 9.780 -20

Schwarzes Meer 10.500 7.720 -26

Deutschland 95.100 70.500 -26

Abbildung 44: Dränspende im Jahr 2010 in Deutschland

Abbildung 45: Änderung der Dränspende von angepasster Variante zu Basisvariante im Jahr 2010 in Deutschland

Abbildung 46: Spezifische Stickstoff-Einträge über Dränagen im Jahr 2010 in Deutschland

Abbildung 47: Änderung der Stickstoff-Einträge über Dränagen von angepasster Variante zu Basisvariante im Jahr 2010 in Deutschland

3.7.4.3 Einträge über Dränagen für Phosphor, Schwermetalle und PAK

16

Bei Phosphor, bei der Gruppe der Schwermetalle und bei den PAK16 berechnen sich die Einträge über Dränagen wie bei Stickstoff über das Produkt aus der Stoffkonzentration im Dränwasser und dem Dränabfluss.

Für Phosphor werden in MoRE regionalisierte Konzentrationen im Dränwasser in Abhängigkeit von den Bodenarten nach Behrendt et al. (1999) berechnet. Bei der

Berechnung der Phosphor-Einträge mit der Dränspende der angepassten Variante ergibt sich für Deutschland ein um etwa 2 % höherer Eintrag. In Tabelle 30 sind die Phosphor-Einträge der Berechnungsvariante von Fuchs et al. (2014a) und der angepassten Variante für die Flussgebietseinheiten und die Meeresgebiete aufgelistet. Die Zunahme der

Einträge ist nur auf die Zunahme der Dränspende bzw. des Grundwasserabflusses zurückzuführen.

Tabelle 30: Vergleich der Phosphor-Einträge über Dränagen im Jahr 2010 auf Ebene der Flussgebietseinheiten

Bei den Schwermetallen liegt die Konzentration im Dränwasser nicht als regionalisiertes Eingangsdatum vor. Da der Dränabfluss im linearen Zusammenhang zur Dränspende steht, ändern sich die Stoffeinträge entsprechend der Änderungen der Dränspende in der angepassten Variante zu der Basisvariante von Fuchs et al. (2014a). Exemplarisch für die Schwermetalle werden die resultierenden Zn-Einträge über Dränagen für die zwei

Varianten im Jahr 2010 in Tabelle 31 gezeigt. Für Deutschland ergibt sich eine Zunahme der Zn-Einträge über Dränagen von 1 %. Auf Ebene der AU beträgt die Spannbreite der Änderungen im Jahr 2010 -6 bis +11 %.

Tabelle 31: Vergleich der Zink-Einträge über Dränagen im Jahr 2010 auf Ebene der Flussgebietseinheiten

Deutschland 111.000 112.000 1

Für die PAK16 werden nun Einträge von 0 kg/a ermittelt.

3.7.5 Empfehlungen zur bundeseinheitlichen Modellierung

Zeitlich und räumlich höher aufgelöste Eingangsdaten sind grundsätzlich zu bevorzugen, vor allem im Hinblick auf zukünftiger Modellweiterentwicklung und eine mögliche

Disaggregierung der jährlichen Eintragsberechnung. Zudem tragen die höher aufgelösten Daten zu einer besseren Abbildung der realen Eintragssituation bei und sind zukünftig zu empfehlen.

Im Dokument 05/2017 (Seite 122-129)