Entwicklung des Bewertungsverfahrens Hydrologische Güte

Einzugsgebietsbezogene Bewertung der Abfluss- und Stoffdynamik - Weiterentwicklung des Bewertungsverfahrens "Hydrologische Güte" als Expertensystem zum operationellen Einsatz im Flussgebietsmanagement

Projektleitung: Prof. Dr. Ch. Leibundgut
Projektbearbeiter: Dr. M. Eisele, Dipl.-Hyd. A. Hildebrand, Dipl.-Hyd. A. Steinbrich 
Projektfinazierung: BW-PLUS (Programm Lebensgrundlage Umwelt und ihre Sicherung), Ministerium für Umwelt und Verkehr Baden Württemberg
Laufzeit: 01.10. 1999 bis 30.09. 2001 (BWC 99011); 01.06. 2002 bis 30.11. 2004 (BWC 21013)  


Im Rahmen des Projekts „"Hydrologische Güte"“ wurde am Institut für Hydrologie der Universität Freiburg (IHF) ein raumorientiertes Verfahren zur Bewertung der anthropogenen Beeinflussung von Flusseinzugsgebieten erarbeitet. Das Ziel des 2001 abgeschlossenen Projektzeitraumes war die Entwicklung und einer geeigneten Bewertungsmethodik und deren Anwendung in ausgewählten Testeinzugsgebieten. Als neuer Bewertungsbegriff wird die „Hydrologische Güte“ von Einzugsgebieten ausgewiesen. Ziel der Fortführung des Projektes (BWC 21013) war die Weiterentwicklung des Verfahrens zu einem operationell in mesoskaligen Flusseinzugsgebieten (10 bis max. 5000 km²) einsetzbaren Expertensystem. Dabei wurde die Methodik in Teilbereichen aufgrund der bisherigen Erfahrungen und der Anforderungen der Wasserwirtschaft verbessert und ergänzt. Die Eignung des Verfahrens wurde anhand einer weitgehend flächendeckenden Anwendung in Baden-Württemberg getestet. In der Abbildung 1 wird die Konzeption des Bewertungsverfahrens verdeutlicht.

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Die Bewertung umfasst Parameter auf der Ebene des Einzugsgebiets (Wasser- und Stoffhaushalt) und der Gewässerabschnitte sowie Parameter der Abfluss- und Stoffdynamik an ausgewählten Pegeln bzw. Messstellen. Eine Bewertung der anthropogenen Beeinflussung der Wasserresourcen des Einzugsgebiets wird auf der Basis flächendeckend verfügbarer Datensätze (Landnutzung, Bevölkerungsdichte, Wassernutzung, Überleitungen, Stauhaltungen, Ausleitungen, Strukturgüte der Fließgewässer) vorgenommen. Durch Aggregierung der Einzelbewertungen wird als generelles Maß für die Beeinflussung der "Index der anthropogenen Beeinflussung" berechnet. Anthropogene Veränderungen der Abflussdynamik werden anhand ausgewählter Abflusskenngrößen auf der Basis von Abflusszeitreihen identifiziert. Die ökologisch begründeten Parameter zur Bewertung der Abflussdynamik werden für eine Referenz- und eine Untersuchungsperiode berechnet. Als Referenzzeiträume werden die in der Regel weniger stark anthropogen beeinflussten Jahrzehnte in der ersten Hälfte des 20 Jhdts. herangezogen. Anhand der Quantifizierung der hydrologischen Veränderung für verschiedene Unterteilungszeitpunkte der Gesamtperiode wird eine Bewertung von Änderungen der Abflussdynamik durchgeführt. Klimatische Einflüsse werden über die Auswertung von Zeitreihen der Niederschläge und Temperaturen identifiziert. Eine Überprüfung anthropogener Einflüsse im Einzugsgebiet erfolgt auf der Basis einzugsgebietsbezogener Analysen der Wassernutzungen, Landnutzungsänderungen und anderen Eingriffe.
Der Stoffhaushalt wird anhand der punktuellen und diffusen Emissionen der Nährstoffe Stickstoff und Phosphor parametrisiert und anhand von Szenarienberechnungen für den Potentiell Natürlichen Zustand bewertet. Die Emissionen werden mit Hilfe des Nährstoffbilanzmodells MONERIS berechnet (Version mit weitgehender räumlicher Differenzierung des Wasserhaushalts und der diffusen Emmissionen). Die Parametergruppe Wasserqualität und Stoffdynamik dient der zeitlich differenzierten Bewertung der Immission. Als Parameter werden gemessene oder simulierte Konzentrationen der Fließgewässer herangezogen, welche auf aktuelle Umweltqualitätsstandards bezogen werden. Detaillierte Beschreibungen der Methodik des Bewertungsverfahrens sind in Leibundgut et al. (2001 und 2005) und Eisele & Leibundgut (2006) enthalten.

In Abbildung 2 wird für alle Basisgebiete des Gewässerkundlichen Flächenverzeichnisses von Baden-Württemberg der berechnete "Index der anthropogenen Beeinflussung" dargestellt. In Tabelle 1 sind die entsprechenden Einzelbewertungen aufgeführt. Abbildung 3 zeigt für die untersuchten Abflusspegel die Bewertung anthropogen bedingter Änderungen der Abflussdynamik für die vier wichtigsten Parametergruppen [s.a. Tabelle 2]

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Abbildung 4 zeigt für aggregierte Flussgebietseinheiten Baden-Württembergs die Ergebnisse der Bewertung des Stoffhaushalts (Emission von Stickstoff und Phosphor). Die dazugehörigen Einzelparameter und Bewertungen der Nährstoffemissionen sind in Tabelle 3 aufgeführt. Abbildung 5 zeigt für die verfügbaren Gütepegel an den Fließgewässern die Bewertung der Wasserqualität. Tabelle 4 enthält die entsprechenden Parameter und Bewertungen der Wasserqualität.

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Mit dem Verfahren und der entwicklten Software soll ein Werkzeug für ein nachhaltiges Flussgebietsmanagement zur Verfügung gestellt werden. Mit der Anwendung des Bewertungsverfahrens in Baden-Württemberg wird demonstriert, dass es mit der vorgeschlagenen Methodik möglich ist, eine raumbezogene Bewertung der Belastung der Wasserresourcen in mesoskaligen Einzugsgebieten flächendeckned vorzunehmen. Im Zusammenspiel mit der vorwiegend auf biologischen Parametern basierenden Bewertung des ökologischen Zustandes der Fließgewässer nach EU-WRRL ist es damit möglich, eine ganzheitliche Bewertung des Zustands von Einzugsgebieten vorzunehmen.

Aus den in der Bewertung festgestellten hydrologischen Defiziten können nachfolgend Maßnahmen zur Verbesserung des Gewässerzustands abgeleitet werden. Zu diesem Zweck werden zunächst die Ursache-Wirkungs-Beziehungen zwischen den in der Bewertung aufgetretenen Defiziten und den im Rahmen der Einzugsgebietsanalyse ermittelten Ursachen der Defizite aufgestellt. Die daraus abgeleiteten Maßnahmen müssen dann hinsichtlich ihrer Wirksamkeit, Machbarkeit und der aufzuwendenden Kosten geprüft werden. Zur Prognose der Wirksamkeit von Maßnahmen zur Verbesserung der Wasserqualität wurde beispielhaft für das Testgebiet der Seefelder Aach (Pegel Uhldingen) basierend auf einem vorhandenen Wasserhaushaltsmodell ein Modellansatz zur Simulation des Stickstofftransports entwickelt und erfolgreich angewendet (Eisele & Leibundgut 2002, Eisele 2003).

Publikationen

Leibundgut, Ch. (1996): Abflussdynamik - unbekannte Größe für den Gewässerschutz !? In: LAWA: Lebensraum Gewässer - nachhaltiger Gewässerschutz im 21. Jahrhundert, 37-51, Intern. LAWA-Symposium, 28.-29. November 1996, Heidelberg.

Leibundgut, Ch. & Hildebrand, A. (1999): Natürlicher Abfluß und Abflußdynamik. In: Geller, W. (Hrsg.): Flußeinzugsgebietsmanagement – Herausforderung an die Forschung. Tagungsband der internationalen Fachtagung am 8. und 9. Juni 1999. Bericht des UFZ Leipzig-Halle GmbH, Sektion Gewässerforschung, 31/1999.[pdf-file]

Hildebrand, A., Eisele, M., Schneider, P. & Leibundgut, Ch. (2000): Das neue Bewertungsverfahren Hydrologische Güte. In: ATV-DVWK: Gewässerlandschaften - Aquatic Landscapes-Tagungsband Teil II, 9. Magdeburger Gewässerschutzseminar - River Basin Management, ATV-DVWK-Schriftenreihe 22. Hennef.[pdf-file]

Eisele, M., Kiese, R., Krämer, A. & Leibundgut, Ch. (2001): Application of a catchment water quality model for assessment and prediction of nitrogen budgets. Physics and Chemistry of the Earth (B), Vol. 26, No. 7-8, 547-551.

Leibundgut, Ch., Eisele, M., Hildebrand, A. & Steinbrich, A.  (2001): Einzugsgebietsbezogene Bewertung der Abfluss- und  Stoffdynamik als Grundlage eines Bewertungsverfahrens „Hydrologische Güte“ zum operationellen Einsatz im nachhaltigen Flussgebietsmanagement. Abschussbericht des Projektvorhabens BWC 99011. Forschungsbericht FZKA-BW-PLUS.  Forschungszentrum Karlsruhe. [pdf-file]

Eisele, M. &  Leibundgut, Ch. (2002): Modeling nitrogen dynamics for a meso-scale catchment with a Minimum-Information Requirement (MIR) concept. Hydrological Sciences Journal, 47, 5, 753-768.

Eisele M., Steinbrich A. & Leibundgut Ch. (2002): Anwendung des einzugsgebietsbezogenen Bewertungsverfahrens „Hydrologische Güte“. In: Die Elbe – neue Horizonte des Flussgebietsmanagements. 10. Magdeburger Gewässerschutzseminar. Geller, W., Puncochar, P., Guhr, H., v. Tümpling jun., W., Medeck, J., Smrt’ak, J., Uhlmann, O., (Hrsg.). UFZ - Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH, Teubner, Stuttgart, Leipzig, Wiesbaden. 243-246.[pdf-file]

Leibundgut, Ch., Eisele, M. & Steinbrich, A.  (2003): Weiterentwicklung des  Bewertungsverfahrens „Hydrologische Güte“ als Expertensystem zum operationellen Einsatz im Flussgebietsmanagement. Zwischenbericht zum Projektvorhaben BWC 21013. Forschungszentrum Karlsruhe. [pdf-file]

Eisele M. (2003): Stoffhaushalt und Stoffdynamik in Flusseinzugsgebieten: Ein Beitrag zum Bewertungsverfahren "Hydrologische Güte". Freiburger Schriften zur Hydrologie, Bd. 18, 183 S, Freiburg i. Br. [abstract]

Eisele, M., Steinbrich, A. &  Leibundgut, Ch. (2003): Hydrologische Güte – Ein neues einzugsgebietsbezogenes Bewertungsverfahren. Wasser & Boden, 55, 5, 22-27.

Eisele, M., Steinbrich, A. & Leibundgut, Ch. (2003): The significance of hydrological criteria for the assessment of the ecological quality in river basins. Physics & Chemistry of the Earth. Parts A, B and C. 28, 12-13, 529-536.[pdf-file]

Eisele, M., Steinbrich, A. & Leibundgut, Ch. (2003): Identifying human induced pressures and their impact on water resources - the assessment of the Hydrological Quality in river basins. In: Franks. S., Blöschl G., Kumagai, M., Musiake, K. & Rosberg, D. (Eds.): Water Resources Systems - Water Availability and Global Change. IAHS-Publ. 280, 239-246. 

Eisele M., Steinbrich A., Leibundgut Ch. (2003): Anwendung des Bewertungsverfahrens "Hydrologische Güte" in Flusseinzugsgebieten Baden-Württembergs. Tagungsband zum Tag der Hydrologie, 20.-21. März 2003; Kleeberg (Hsrg.): Klima - Wasser - Flussgebietsmanagement - im Lichte der Flut. Forum für Hydrologie und Wasserbewirtschaftung, Band 2, 147-150.

Leibundgut, Ch., Eisele, M. & Steinbrich, A.  (2004): Weiterentwicklung des  Bewertungsverfahrens „Hydrologische Güte“ als Expertensystem zum operationellen Einsatz im Flussgebietsmanagement. Zwischenbericht zum Projektvorhaben BWC 21013. Forschungszentrum Karlsruhe. [pdf-file]

Eisele, M., Leibundgut, Ch. (2004): Kopplung von Wasserhaushaltsmodellen und Stofftransportansätzen für mesoskalige Modellprognosen. In.: Brostert, A., Thieken, A., Merz, B., Rode, M., Menzel, L. (Hrsg.): Wasser- und Stofftransport in heterogenen Einzugsgebieten. Beiträge zum Tag der Hydrologie 2004, 22.-23. März in Potsdam. Band 1 - Vorträge. 77-84.

Eisele, M., Steinbrich, A., Leibundgut, Ch. (2004): Assessment of the human impact on the temporal variability of stream flow in meso-scale river basins. In: Webb, B. (Ed.): Science & Practice for the 21st Century. Volume 2, British Hydrological Society. 375-382. [pdf-file]

Leibundgut, Ch. & Eisele, M. (2005): Weiterentwicklung des  Bewertungsverfahrens „Hydrologische Güte“ als Expertensystem zum operationellen Einsatz im Flussgebietsmanagement. Abschlussbericht zum Projektvorhaben BWC 21013. Forschungszentrum Karlsruhe. [pdf-file]

Eisele M. & Leibundgut, Ch. (2006): Hydrologische Güte - ein Beitrag zur erweiterten Bewertung von Flusseinzugsgebieten im Gewässerschutz. Freiburger Schriften zur Hydrologie, Bd. 21, 90 S, Freiburg i. Br. [abstract]

 

Poster

Eisele, M., Steinbrich A. & Leibundgut, Ch. (2004): Assessment of impacts on stream flow magnitude and variability based on the Natural Flow Paradigm. European Geosciences Union - 1st. General Assembly, Nice, France,  25 - 30 April 2004. [pdf-file]

Eisele, M., Behrendt H. & Leibundgut, Ch. (2003): Assessment of nutrient budgets at regional scales based on spatially distributed water and nutrient balances.  EGS - AGU - EUG - Joint Assembly, Nice, France,  6 -11 April 2003. [pdf-file]

Eisele, M., Steinbrich A. & Leibundgut, Ch. (2003): Anwendung des Bewertungsverfahrens "Hydrologische Güte" in Flusseinzugsgebieten Baden-Württembergs. Tag der Hydrologie am 20 und 21. März 2003 in Freiburg i. Br.: Klima, Wasser, Flussgebietsmanagement - im Lichte der Flut. [pdf-file]

Hildebrand, A., Eisele, M., Schneider P. & Leibundgut, Ch. (2000): "Hydrologische Güte": Ein neues Bewertungsverfahren. 9.  Magdeburger Gewässerschutzseminar, Internationale Fachtagung Gewässerlandschaften des BMBF, Berlin, Oktober 2000. [pdf-file]

Eisele, M., Kiese, R., Krämer, A. & Leibundgut, Ch. (2000): Application of a catchment water quality model for  assessment and prediction of solute budgets. European Geophysical Society: Millennium Conference on Earth,  Planetary & Solar Systems Sciences, Nice, France, April 2000. [pdf-file]



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Stand: April 2007

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