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Konzeptionelle Modelle zur Bewertung von EU-Maßnahmenprogrammen

Entsprechend den Anforderungen der EU-Wasserrahmenrichtlinie wurde im Jahr 2005 eine Bestandsaufnahme zum mengenmäßigen und chemischen Zustand der Grundwasserkörper abgeschlossen. Die Erreichung des guten chemischen Zustandes bis 2015 ist danach für viele Grundwasserkörper in Deutschland gefährdet. Im Jahr 2006 wurde ein Grundwassermonitoring entsprechend den Anforderungen der EU-WRRL zur Überprüfung des chemischen Grundwasserzustandes eingerichtet (operative Überwachung). Für die Grundwasserkörper im schlechten Zustand wurden entsprechend den Vorgaben in der EU-WRRL (2002) und der EU-Grundwasserrichtlinie (EU-GRL, 2006) bis 2009 Maßnahmenprogramme entwickelt, die bis 2012 umgesetzt werden müssen. Die Messdaten des Grundwassermonitorings aus den als gefährdet eingestuften Grundwasserkörpern sollen in diesem Zusammenhang dazu dienen, zu überprüfen, ob und in welcher Weise die eingeleiteten Maßnahmen zu einer Verbesserung des chemischen Zustandes beigetragen haben.
Eine der Kernfragen ist hierbei, ob und bis wann die Umweltziele erreicht werden können. Aus der Praxis ist nämlich seit langem bekannt, dass sich der gewünschte Erfolg trotz der eingeleiteten Maßnahmen nicht unmittelbar einstellt. Es ist also möglich, dass die Ziele der EU-WRRL trotz der bis 2012 umgesetzten Maßnahmenprogramme bis 2015 nicht erreicht werden können. Die Gründe hierfür müssen geklärt und gegenüber der EU-Kommission explizit benannt werden (EU-GWD, 2000). Hierbei ist entscheidend, ob es sich um Folgeerscheinungen unzureichender bzw. räumlich unpassender Reduktionsmaßnahmen handelt, oder um ein Phänomen, das durch die natürlichen hydrogeologischen Verhältnisse bedingt ist, d.h. durch das Weg-/Zeitverhalten des Wassers im Anströmungsbereich der Grundwassermessstellen. Wenn Letzteres der Fall ist, kann auf die Einleitung weitergehender oder alternativer Schutzmaßnahmen verzichtet werden.
Zur Beantwortung solcher Fragen empfehlen die EU-Grundwasserrichtlinie sowie einige der im Rahmen der gemeinsamen Strategie zur Unterstützung der konsistenten Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie (CIS – Common Implementation Strategy) von der Arbeitsgruppe Grundwasser (WG C) erstellten Leitfäden die Entwicklung bzw. den Einsatz von konzeptionellen Modellen.


Forschungsprojekte diesem Thema:

PeriodeFörderinstitutProjekt
2007 - 2009Projekt im Umweltforschungsplan des UBABewertung und Optimierung von Grundwasserschutz-Maßnahmenprogrammen nach der EU-Wasserrahmenrichtlinie
2009 - 2010Forschungsprojekt des Hessischen Landesamtes für Umwelt und Geologie (HLUG)Konzeptionelles hydrogeologisches Modell für das Grundwassermonitoring in Hessen

Konzeptionelles hydrogeologisches Modell für das Grundwassermonitoring in Hessen

Forschungsprojekt des Hessischen Landesamtes für Umwelt und Geologie (HLUG)
Laufzeit des Projektes: 7/2007-7/2008

Artikel 8 der WRRL verlangt den Aufbau von Grundwassermonitoringprogrammen. Das Monitoring bezieht sich auf die Grundwasserkörper und soll Informationen liefern, mit denen der mengenmäßige und chemische Zustand inklusive Trends ermittelt und die zeitliche Wirkungen von Maßnahmen prognostiziert werden können. Vor diesem Hintergrund soll im Rahmen des F & E-Vorhabens ein konsistent anwendbares konzeptionelles hydrogeologisches Modell für alle ca. 350 in Hessen ausgewiesenen Hydrogeologischen Einheiten entwickelt werden, mit dem eine -vor allem zeitliche- Bewertung von Maßnahmenprogrammen vorgenommen werden kann. Das Modell soll über das derzeitige in den Geologischen Landesämtern der Bundesrepublik Deutschland verwendete Standardverfahren von Hölting et al. (1995) zur Ableitung der Schutzfunktion der Grundwasserüberdeckung hinausgehen. Unter Einbeziehung von repräsentativen Messstellen aus dem Bohrarchiv des HLUG sollen die Zusammenhänge zwischen Grundwasserbeschaffenheit, hydrodynamischen Gegebenheiten (z.B. Sickerzeiten in der ungesättigten Zone, Verweilzeiten im Grundwasser) und anthropogener Beeinflussung dargestellt und im Hinblick auf die Wirkung von Maßnahmen in Bezug auf die Empfindlichkeit des Grundwassers gegenüber Verschmutzungen analysiert werden. Das folgende Schaubild veranschaulicht die Dimension der hierbei zu berücksichtigenden Fließwege im Boden, in den Grundwasserdeckschichten sowie im Grundwasserleiter.

Aussagen über die Verweilzeiten sollen auf der Basis des WEKU - Modells (Kunkel & Wendland, 1997) getroffen werden, welches für makroskalige Analysen zum Weg-/Zeitverhalten des grundwasserbürtigen Abflusses entwickelt und bereits mehrfach erfolgreich eingesetzt wurde. Für die zeitliche Bewertung von Maßnahmenprogrammen werden die mittleren Verweilzeiten des Sickerwassers im durchwurzelten Bodenbereich, die Verweilzeiten der dem Grundwasserleiter zusickernden Grundwasserneubildungshöhe in den Grundwasserdeckschichten sowie die Verweilzeiten des Grundwassers im Grundwasserleiter in den (ca. 350) hydrogeologischen Einheiten Hessens aufsummiert.

Bewertung und Optimierung von Grundwasserschutz-Maßnahmeprogrammen nach der EU-Wasserrahmenrichtlinie

Projekt im Umweltforschungsplan des UBA
2007 - 2008

Im Rahmen des UFO - Plan - Vorhabens wurde eine Methodik zur Bewertung und Optimierung von Grundwasserschutzprogrammen nach EU-Wasserrahmenrichtlinie für diffuse und punktförmige Belastungen entwickelt. Diese Methodik umfasst drei aufeinander aufbauende Teile:

  1. Im ersten Teil werden mit Hilfe eines "konzeptionellen Modells" die Zusammenhänge Stoffeinträgen (Belastungen), gemessenen Stoffkonzentrationen im Grundwasser und dem hydrogeologischen System ermittelt. Auf Basis dieses konzeptionellen Modells wird der aktuelle Zustand eines Grundwasserkörpers erklärt. Bereits in dieser Stufe kann beurteilt werden, ob die geplanten Maßnahmen an den Orten ansetzen, von denen die Hauptbelastung/-Gefährdung des Grundwassers ausgeht.
  2. Hierauf aufbauend wird eine konsistente Bewertung von Maßnahmenprogrammen zur Erreichung des guten Grundwasserzustandes durchgeführt. Hierzu wird der erforderliche Umfang von Reduktionsmaßnahmen zur Erreichung von Qualitätszielen für das Grundwasser abgeschätzt sowie eine Bewertung der Effizienz von (möglichen bzw. bereits eingeleiteten) Maßnahmen im Hinblick auf die Zielerreichung vorgenommen.
  3. Im dritten Teil erfolgt eine Bewertung des Wirkungszeitraums zwischen Einleitung einer Maßnahme und deren Auswirkung im Hinblick auf den Zustand des Grundwassers. Hiermit kann abgeschätzt werden, ab wann sich eine Maßnahme (frühestens) im Grundwasser auswirkt und damit zu einer messbaren Verbesserung des Grundwasserzustands an den Monitoringmessstellen führen kann.

Über Anwendungsbeispiele in hydro-(geo-)logisch und von ihrem Belastungspotential her unterschiedlichen Grundwasserkörpern, wurde die grundlegende Methodik entwickelt und praktisch erprobt. Angepasst an die Belastungsquellen des Grundwassers (Belastungen aus diffusen Quellen vs. Belastungen aus punktförmigen Quellen) wurden dabei im Rahmen des Projektes zwei Vorgehensweisen entwickelt:

  • Vorgehensweise zur Bewertung von Grundwasserbelastungen aus diffusen Quellen: Da der Großteil der diffusen Grundwasserbelastungen in Deutschland durch Nitrat aus landwirtschaftlichen Quellen verursacht wird, wurde beispielhaft ein großräumiges konzeptionelles Modell für die Bewertung von Maßnahmenprogrammen aufgebaut, die eine Kontrolle und Reduktion der Grundwasserbelastung durch Nitrat zum Ziel haben.
  • Vorgehensweise zur Bewertung von Grundwasserbelastungen aus punktförmigen Quellen: Da punktförmige Belastungen einer konkreten Emissionsquelle zuordnet werden können, stand hierbei die Analyse der Stoffausbreitungsfahnen verschiedener Schadstoffgruppen im Vordergrund sowie die Bewertung/Optimierung der Monitoringmessstellen anhand von Verweilzeiten.

Die Anwendbarkeit der Methodik zur Bewertung von Grundwasserbelastungen aus diffusen Quellen erfolgte exemplarisch für zwei Grundwasserkörper in den Bundesländern Hessen und Niederachsen / NRW. Hierbei fiel die Wahl auf zwei Grundwasserkörper, die von ihrer naturräumlichen und landwirtschaftlichen Struktur her, als stellvertretend für viele Grundwasserkörper in Deutschland gelten können. Zum einen wurde der in Nordrhein-Westfalen und Niedersachsen liegende Grundwasserkörper "Große Aue" ausgewählt, der als typisch für die Situation im Norddeutschen Flachland angesehen kann, und zum anderen der Grundwasserkörper Schwalm in Hessen, der als typisch für eine landwirtschaftlich genutzte Mittelgebirgsregionen angesehen werden kann.

Für beide Grundwasserkörper konnte gezeigt werden, dass schon wenige, im allgemeinen digital vorliegende Datengrundlagen (Landnutzung sowie Denitrifkationsvermögen der Böden oder Flurabstand des Grundwassers) bzw. relativ leicht ableitbare Parameter (Fließrichtung des Grundwassers) sowie ggf. vorliegende Modellergebnisse (Nitratkonzentration im Sickerwasser oder Anteil der Grundwasserneubildung am Gesamtabfluss) ausreichen, um die Flächen mit potenziell hoher Nitratbelastung innerhalb eines Grundwasserkörper auf großer Maßstabsebene hinreichend zu beschreiben und regional einzuengen. Als hoch gefährdet wurden hierbei grundwasserferne Standorte mit schlechten Denitrifikationsbedingungen im Boden und einem hohen Anteil der Grundwasserneubildung am Gesamtabfluss ausgewiesen.

Vorgehensweise zum Aufbau eines konzeptionellen Modells in den Untersuchungsgebieten

Im Grundwasserkörper Große Aue konnten auf diese Weise 95% der Messstellen (19 von 20) mit erhöhten Belastungen erklärt werden. Zudem wiesen nur 25% der Fläche des Grundwasserkörpers Standortbedingungen auf, die den o.a. entsprechen. Die mit Hilfe des konzeptionellen Modells ausgewiesenen Bereiche des Grundwasserkörpers mit hoher potenzieller Belastung zeigen gleichzeitig die Flächen auf, auf denen Maßnahmenprogramme zur Reduzierung der Nitratbelastung vorrangig umgesetzt werden müssten.

Bei guter Datenlage, d.h. vorliegenden Informationen (Modellergebnissen) zur Höhe der Nitratkonzentration im Sickerwasser bzw. zu verlagerbaren (überschüssigen) Mengen an Stickstoffdünger im Boden sowie zur Sickerwasserhöhe, kann der erforderliche Minderungsbedarf zur Gewährleistung der gewünschten Nitratkonzentration im Grundwasser abgeschätzt werden. Damit ist es möglich, die Effizienz von möglichen bzw. bereits eingeleiteten Reduktionsmaßnahmen zu beurteilen. Für weite Bereiche beider Grundwasserkörper reichte im Mittel ein Minderungsbedarf zwischen 10 und 25 kg/ha a aus, um eine aktuelle Nitratkonzentration im Sickerwasser von unter 50 mg/l zu erreichen. Anhand des LAWA - Maßnahmenkatalog können dann geeignete Maßnahmen mit einem angepassten Reduktionspotential ausgewählt und zur Anwendung gebracht werden. Im südwestlichen Teil des Grundwasserkörpers "Große Aue" tritt ein Bereich auf, in dem ein Minderungsbedarf von mehr als 25 kg N / ha a besteht. Es ist möglich, dass der erforderliche Minderungsbedarf dort die N-Minderungspotentiale von praxistauglichen Einzelmaßnahmen bzw. Maßnahmenkombinationen übersteigt. Dadurch lassen sich relativ zielsicher und konsistent die Regionen in einem Grundwasserkörper identifizieren, in denen die Qualitätsziele für das Grundwasser über keine der gängigen Maßnahmen zu erreichen und zusätzliche Maßnahmen vorzusehen sind.

Die regionale Wirksamkeit einer Maßnahme kann in jedem Fall anhand der Messstellen des Monitorings überprüft werden. In diesem Zusammenhang kommt der Abschätzung der Zeiträume, nach welchen sich die eingeleiteten Maßnahmen auf die Belastung des Grundwassers an den Messstellen des Monitoringmessnetzes auswirken, eine besondere Bedeutung zu. Die mittleren Verweilzeiten werden über analytische Berechnungsansätze zur Abschätzung der Verweilzeiten des Sickerwassers im durchwurzelten Bodenbereich und in den dem Grundwasserleiter zusickernden Grundwasserdeckschichten sowie den Verweilzeiten des Grundwassers im Grundwasserleiter hergeleitet. Die hierzu erforderlichen Datengrundlagen (z.B. Feldkapazität des Bodens, hydraulische Leitfähigkeit des Aquifers, Grundwassergleichen) können aus deutschlandweit digital verfügbaren Bodenkarten und hydrogeologische Übersichtskarten abgeleitet werden.

Bei der Aufsummierung der Verweilzeiten in den einzelnen Kompartimenten zeigte sich, dass vor allem beim Grundwasserkörper "Große Aue" Verweilzeiten aufgetreten sind, die deutlich über sechs Jahren liegen. Dies lässt erwarten, dass bis im Jahr 2015 eine Konzentration von weniger als 50 mg/l noch nicht erreicht werden kann, auch wenn gezielte Reduktionsmaßnahmenprogramme schon im Jahr 2009 eingeleitet worden sind. Die ausgewiesenen Wirkungszeiträume zwischen Beginn einer Maßnahme und deren Auswirkung im Hinblick auf den Zustand des Grundwassers ist damit eine Entscheidungsgrundlage, auf deren Basis gegenüber der EU - Kommission ggf. stichhaltig begründet werden kann, warum die Ziele der EU-WRRL nicht erreicht werden konnten und ggf. eine Fristverlängerung beantragt wird sollte.


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