Entwicklung eines GIS-gestützten Modells

zur Quantifizierung diffuser Phosphoreinträge in Oberflächengewässer im mittleren Maßstab unter Berücksichtigung geoökologisch wirksamer Raumstrukturen

Halbfaß, Stefan

Kurzübersicht

zur Quantifizierung diffuser Phosphoreinträge in Oberflächengewässer im mittleren Maßstab unter Berücksichtigung geoökologisch wirksamer Raumstrukturen
ISBN: 978-3-937231-76-1
Veröffentlicht: März 2005, 1.. Auflage, Einband: Broschur, Seiten 246, Format DIN A5, Gewicht 0.3 kg
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Entwicklung eines GIS-gestützten Modells

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Aktuelle landschafts- und geoökologische Fragestellungen zur Mobilisierung von Phosphor aus dem Boden sowie seinem Transfer und Eintrag in die Oberflächengewässer verfolgen in zunehmendem Maße einen mittelmaßstäbigen bzw. mesoskaligen Raumansatz. Diese Bestrebungen gehen mit der EU-Wasserrahmenrichtlinie konform, welche die Abgrenzung und Ausweisung von großflächigen Bewirtschaftungseinzugsgebieten zur wasserwirtschaftlichen Planung vorsieht.

Mesoskalige Modellansätze zur Sediment- und Nährstoffbilanzierung in Flusseinzugsgebieten negieren auf Grund fehlender methodischer Grundlagen, die sowohl technischer als auch sachlicher Natur sind, häufig die Lage- und Nachbarschaftsbeziehungen zwischen Raum- bzw. Modelleinheiten. Dabei spielt die hydrologische Konnektivität als Ausdruck für den Stoff-, Energie- und Gentransfer im aquatischen Medium innerhalb oder zwischen den Komponenten des Wasserkreislaufs, eine herausragende Rolle. Die anthropogene Einflussnahme erfolgt sowohl im Gewässer als auch auf der Landoberfläche. Daher kann die maßstabsbedingte Vernachlässigung von Landschaftselementen, welche die hydrologische Konnektivität entscheidend steuern, in der stark fragmentierten Kulturlandschaft Mitteleuropas zu unpräzisen oder nicht plausiblen Modellergebnissen führen sowie fehlerhafte Aussagen bezüglich der räumlichen Verteilung relevanter Stoffquellen verursachen.

Die vorliegende Dissertation präsentiert einen Modellansatz zur Beachtung potenzieller Herkunftsflächen für signifikante diffuse Phosphoreinträge aufgrund bodenerosiver Ereignisse in Einzugsgebieten im mittleren Maßstab. Damit kann ein Teilaspekt der hydrologischen Konnektivität modellhaft in einem Maßstabsbereich umgesetzt werden, der sich der „exakten“ physikalisch-mathematischen Beschreibung entzieht. Das an die Entwicklung des Stoffhaushaltsmodells STOFFBILANZ gekoppelte Verfahren zeigt zudem Möglichkeiten für die pfad- und quellenbezogene, differenzierte, multifaktorielle Quantifizierung von Phosphoreinträgen aus Siedlungs-, Wald- und Grünlandflächen auf, für den Nutzungstyp Acker erfolgt zusätzlich zum Bodenerosionspfad die Betrachtung der einzelnen Abflusskomponenten.

 

Umwelt- und Landschaftsforschung in Dresden – ein Geleitwort

1. Tradition und Arbeitsschwerpunkte
Das Dresdner Geographische Institut verfügt in der geoökologischen, umweltbezogenen Landschaftsforschung über eine lange Tradition. Ab 1960 wurde unter maßgeblichem Einfluß von E. Neef die komplexe Erfassung und Kennzeichnung von Strukturen landschaftlicher Ökosysteme (Systemzusammenhang: „Natur-Technik-Gesellschaft“) theoretisch und methodologisch begründet und weiterentwickelt. Daran konnte nach der Wiedergründung des Instituts 1993 auch Prof. Dr. Karl Mannsfeld, der auf den Lehrstuhl Landschaftslehre berufen worden war, mit seinen Mitarbeitern anknüpfen.

Indem der Mensch die Umwelt verändert, erzeugt er ständig neue Objekte, neue Zusammenhänge und damit neue Herausforderungen für ihre wissenschaftliche Durchdringung. Neue Dimensionen der Wirklichkeit werden erschlossen. Diese in ihrer Gesamtheit vollständig zu überblicken, ist heute niemand mehr in der Lage. Es stellt sich zunehmend die Frage, wie man die Fülle von Informationen der realen und künstlichen Umwelt zu einem koheränten Bild vereinen kann. Der landschaftliche Forschungsansatz strebt eine ganzheitliche Betrachtungsweise an, auch wenn vieles theoretisch wie methodisch nur Teilaspekte erfaßt, Wissen teilweise aus zweiter Hand stammt oder unvollständig ist. Je mehr Spezialisierung und Zersplitterung in den Wissenschaften fortschreiten, umso wichtiger ist es, einen auf das Wesentliche gerichteten Überblick über die Natur im Zusammenspiel mit wichtigen Bedürfnissen des Menschen zu vermitteln.

Im Mittelpunkt von Lehre und Forschung stand und steht somit die Einführung und Vertiefung des Landschaftskonzeptes. Dieses beinhaltet insbesondere ganzheitliche und komplexe Betrachtungen zur Areal- und Vertikalstruktur von Landschaften sowie Analysen zu den Landschaftsprozessen, einschließlich derer, die aus Wechselwirkungen mit Nutzungseingriffen beruhen. Darauf aufbauend kann die interdisziplinäre Untersuchung des Landschaftshaushaltes von Geoökosystemen in allen räumlich relevanten Dimensionsstufen (Verknüpfung lokaler, regionaler und globaler Probleme), wie auch die praktische Umsetzung und Anwendung der Ergebnisse in Planung und Umweltschutz realisiert werden.

Je gründlicher das Wissen zur Leistungsfähigkeit, aber auch Schutzwürdigkeit von Naturressourcen (Boden, Wasser, Luftqualität, Artenreichtum u.ä.) ist, desto besser können allgemeine und regionale Zielvorstellungen (Leitbilder) definiert und bei Planungs- und Genehmigungsverfahren sowie im Umweltmonitoring berücksichtigt werden. Daraus ergeben sich weitere Schwerpunkte für die Lehrverpflichtungen z.B. die Vermittlung analytischer Grundlagen zu Problemen des Ressourcenschutzes und angewandter Themen der Landschaftsökologie wie Boden-, Gewässer- und Naturschutz, übrigens auch in unterschiedlichen europäischen und außereuropäischen Kulturlandschaften.

2. Zukünftige Herausforderungen
Die Nutzung der Naturressourcen unserer Erde in der jüngsten Vergangenheit hat völlig neue Dimensionen erreicht und ist zu einer globalen Problematik geworden. Viele ökologische Prozesse entwickeln sich in zeitlichen und räumlichen Größenordnungen für die bisher weder fundierte wissenschaftliche Erkenntnisse noch praktische Regulationsmechanismen existieren, um die Folgewirkung menschlicher Eingriffe angemessen zu kompensieren. Insbesondere auf den Gebieten der geoökologischen Raumanalyse und der Stoffhaushaltsmodellierung in allen Skalenbereichen sind tragfähige und gesellschaftlich nachgefragte Forschungsvorhaben für die nächsten Jahre zu realisieren. In der funktionalen Kennzeichnung der Geokompartimente (stoffhaushaltlich-strukturell, nutzungsbezogen bzw. anthropogen überprägt, als Archiv, unter Klimawandel/Hochwasserschutzaspekten) sowie der Regionalisierung dieser Befunde liegen anwendungsorientierte Forschungsperspektiven.
Landschaftsökologie muss dabei eine Brückenfunktion zwischen Naturwissenschaften (Grundlagen der Landschaftslehre) und Gesellschaftswissenschaften (Ressourcen-management/Nutzung und Politikberatung) einnehmen. Dafür sind Interdisziplinarität und Problemlösungskompetenz gefragt.

Die wesentlichen Arbeitsgebiete können wie folgt umrissen werden:

  • Analyse, quantitative Kennzeichnung und integrative Bewertung von Wechselwirkungen zwischen dem menschlichen Handeln sowie von Struktur und Dynamik in Landschaftsökosystemen;
  • interdisziplinäre, ökosystemare Umweltbeobachtungen in allen Hauptnutzungssystemen bzw. verschiedenen Landschaftstypen – Entwicklung geoökologischer Methoden zur Bewertung der Auswirkungen moderner Agrar-und Forstwirtschaft mit regionalen Schwerpunkten in Sachsen;
  • medien- und schutzgutübergreifende Analyse und Bewertung von Umwelt-belastungen sowie Entwicklung und Anwendung von Stoffhaushaltsmodellen im mesoskaligen Bereich (z.B. Schwermetalle, Organika, Huminstoffe, Nährstoffe);
  • Erfassung und Bewertung der Ressourcen Boden, Wasser und Vegetation (Boden-/Vegetationskartierung, Gewässerstrukturkartierung, vor- und nachsorgender Bodenschutz, Bodenfunktionen, Altlasten, Sanierungsplanung, naturschutzfachliche Bearbeitungen) einschließlich GIS-Anwendungen;
  • Leitbildentwicklung für Landschaften (Methoden und Fallbeispiele), Beiträge zur ökologischen Planung (Wasserwirtschaftliche Planung, Sanierungs- und Bodenschutzplanung, Naturschutzplanung), ökologische Langzeitforschung (Integration in Monitoringkonzepte des Bundes und der Länder).

In diesem Kontext werden am Lehrstuhl Landschaftslehre/Geoökologie, der seit der Berufung von Prof. Mannsfeld zum Sächsischen Staatsminister für Kultus im Mai 2002 durch Hochschuldozent Dr. Karsten Grunewald geleitet wird, zahlreiche Forschungsberichte und insbesondere Doktorarbeiten verfasst. Deren Ergebnisse als wissenschaftliche Abhandlung einem breiten Publikum zugänglich zu machen, ist Ziel der Reihe „Beiträge zur Landschaftsforschung.“ Natürlich wird in Dresden nicht nur am Geographischen Institut der Technischen Universität landschaftsbezogene Umweltforschung betrieben. Fachkollegen benachbarter Disziplinen sind deshalb herzlich eingeladen, interessante Themenbeiträge einzureichen.

3. Zum ersten Band der Reihe
Böden und Gewässer sind in mitteleuropäischen Landschaften hohen stofflichen Belastungen ausgesetzt, wobei Phosphorverbindungen im Stoffhaushalt, zwischen Mangel und Überschuss, eine bedeutende Stellung einnehmen. Die naturgemäß geringen P-Gehalte in Böden und Gewässern wurden in den letzten Jahrzehnten insbesondere durch Düngung und Abfallausbringung so stark erhöht, dass heute landwirtschaftlich genutzte Böden, Gewässersedimente und Oberflächengewässer vielfach als P-angereichert gelten müssen. Aus Sicht einer nachhaltigen Bewirtschaftung natürlicher Ressourcen muss vor allem der P-Transfer in die Gewässerökosysteme reduziert oder unterbunden werden.
In den 90er Jahren wurde in Deutschland nach Untersuchungen des Umweltbundesamtes (UBA) schon eine deutliche Reduzierung der Gesamtphosphoremissionen in die Flüsse erreicht. Allein die Einträge über öffentliche Kläranlagen verringerten sich in der Periode von 1985 bis 1995 bundesweit um 80%. Damit verschiebt sich die Relation der Phosphorbelastungen immer mehr von den punktuellen zu den diffusen Einträgen.

Die P-Konzentrationen vieler Oberflächengewässer erreichen trotz aller Anstrengungen der letzten Jahre den „Guten ökologischen Zustand“ noch nicht. Deshalb gilt es, die Quellen und Pfade der Einträge über emissions-/immissionsgekoppelte Ansätze zu quantifizieren, um weitere gezielte Minderungsmaßnahmen zu planen und umzusetzen. Die Durchführung raum-zeit-dynamischer Quantifizierungen sowie die Herausarbeitung regionalspezifischer Ausprägungen wird zunehmend modelltechnisch über drei- und vierdimensionale Simulationen bewerkstelligt. Zahlreiche Fragen der Datenanforderungen, der Generalisierung, der Aussagegenauigkeit oder aber der schutzgutübergreifenden Ansätze sind noch nicht ausreichend geklärt.
Aktuelle landschaftsökologisch relevante Fragestellungen zur Mobilisierung von Phosphor aus dem Boden sowie seinem Transfer und Eintrag in die Oberflächengewässer verfolgen in zunehmendem Maße einen mittelmaßstäbigen bzw. mesoskaligen Raumansatz. Diese Bestrebungen gehen mit der EU-Wasserrahmenrichtlinie konform, welche die Abgrenzung und Ausweisung von großflächigen Bewirtschaftungseinzugsgebieten zur wasserwirtschaftlichen Planung vorsieht. Zur Abbildung und Simulation der verschiedenen Transport- und Eintragspfade von Phosphor kommen Immissions- und Emissionsmodelle zum Einsatz, deren Nachvollziehbarkeit und Validierung zum Teil noch mit Schwierigkeiten verbunden ist. Dies bezieht sich zum einen auf den Eintrag von partikulär gebundenen Phosphorformen mit der Bodenerosion und den Dränagen sowie zum anderen auf gelöste Phosphorverbindungen über den Oberflächen-, Zwischen- und Grundwasserabfluss.

Wasser- und Stoffströme in der Landschaft sind vielschichtig miteinander vernetzt. Wie gut, wie genau können und müssen Prozesse in der Mesoskale abgebildet werden? Die Kenntnisse der Zusammenhänge und das daraus resultierende Handeln stellt für verschiedene wirtschaftliche Bereiche eine hochaktuelle Herausforderung dar. Dieser stellte sich der Autor unseres ersten Heftes mit seiner Dissertation. Insbesondere mit dem Modul „Flächenanbindung“ hat Herr Halbfaß dem Modellansatz STOFFBILANZ, welcher in den vergangenen Jahren am Lehrstuhl Landschaftslehre/Geoökologie entwickelt wurde, einen Vorzug gegenüber Vergleichsmodellen verschaffen können. Dem Verfasser der Dissertation kann bescheinigt werden, eine originäre und vor allem wissenschaftlich fundierte und ergebnisreiche Arbeit zum Thema der Quantifizierung diffuser Phosphoreinträge in Oberflächengewässer im mittleren Maßstab unter Berücksichtigung geoökologisch wirksamer Raumstrukturen vorgelegt zu haben. Die Arbeit verdient es, den Auftakt zur neuen Schriftenreihe zu machen. Mögen die - hoffentlich zahlreichen - Leser unsere Einschätzung teilen können.

K. Grunewald und K. Mannsfeld (Dresden im Januar 2005)

 

Impressum Schriftenreihe "BZL - Beiträge zur Landschaftsforschung"

ISSN 1862-135X

Herausgegeber:
Universitätsdozent Dr. rer. nat. habil. Karsten Grunewald
Staatsminister a. D. Prof. Dr. Karl Mannsfeld

Anschrift:
Dr. Karsten Grunewald

Landschaftsforschungszentrum e.V.
Am Ende 14
01277 Dresden
Tel.: (0351) 2096539
Fax.: (0351) 2096537

Mail: k.grunewald@lfz-dresden.de
http://www.landschaftsforschungszentrum.de

Verlag:

RHOMBOS-VERLAG, Berlin

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