Langfristige Stoffdynamik in kleinen Wassereinzugsgebieten · 2008. 4. 8. · 1 Bayerisches...
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Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Langfristige Stoffdynamik in kleinen Wassereinzugsgebieten
Dr. Jochen BittersohlBayerisches Landesamt für Umwelt
Seminar "Wasserkreislaufparameter"31. März bis 1. April 2008 Schloss Seggau bei Leibnitz (Ö)
LfU / Ref. 83 / Dr. Bittersohl / 31.03.20082
Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Monitoring Wasserkreislauf als übergreifende Messaufgabe
Aufgaben des Gewässerkundlichen Dienstes (s. Vortrag Sprenger)
• Ermittlung von Wasser- und Stoffflüssen• Untersuchung hydrologischer Prozesse• Weiterentwicklung der Monitoringmethoden
Vom sektoralen zum übergreifenden Ansatz• Koordination sektoraler gewässerkundlicher Programme in der Fläche• Übergreifendes gewässerkundliches Monitoring in exemplarischen Gebieten• Medienübergreifendes Monitoring (Luft-Boden-Wasser) in exemplarischen
Gebieten: Integriertes Messnetz Stoffeintrag – Grundwasser (MSGw)
Ausgangsthema: Wirkungen der Luftverschmutzung ("Saurer Regen")Erkenntnis: Direkte Gewässerüberwachung z. T. unzureichend. Wirksamer Gewässerschutz funktioniert medienübergreifend. Komplexe Prozesse erfordern komplexe Messprogramme. Monitoring-Grundlagen: LAWA-RL "Niederschlagsbeschaffenheit" (1998) und "Sickerwasser" (2003), IHP/OHP "Kleine Wassereinzugsgebiete" (1995)
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Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Grundkonzept Integriertes Messnetz (1)
zur Zeit7 Messgebiete in 4 wasserwirt-schaftlichbedeutenden Naturräumen(und WKS-StandortAlpen/Tegernsee)
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Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Grundkonzept Integriertes Messnetz (2)
Für 7 exemplarische, kleine Wassereinzugsgebiete liefern ca. 350 Messpunkte/Sensoren, aggregiert zu ca. 120 Mess-stellen, physikalische und chemische Daten aus dem Wasser- und Stoffkreislauf.(Sonderprogramm WKS/LfU am Standort Tegernsee)
Ziel
Langfristige Erfassung des Wasser- und Stoffhaushalts und seiner Belastungen in Referenzgebieten mit Berück-sichtigung der Landnutzung und des Sickerwassers
seit 1987/88: Wasserchemie und Stoffhaushalt für 4 Gebiete
seit 1995/97: Klima, Bodenwasser, Wasserchemie und Stoffhaushalt für alle 7 Gebiete (z.T. Daten Dritter)
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Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Grundkonzept Integriertes Messnetz (3)
Betreuung vor Ort durch Teams der Wasserwirtschaftsämter in Zusammenarbeit mit dem LfU:
- QS-Konzept (mit UMS) - Probenahme - Wartung - Datenbereitstellung
Jahres-Dienstbesprechung 2001, WWA Donauwörth, Messgebiet Nördliches Lechfeld
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Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Messkonzept Integriertes Messnetz (1)
Monitoring hochfrequent
7 Kompartimenteim Wasserkreislauf
• Standortklima• Niederschlag Freiland• Niederschlag Waldbestand• Sickerwasser, 2 (-4) Ebenen• Grundwasser, Quellwasser• Gebietsabfluss (Pegel, Brunnen)• örtliches Trinkwasser (Rohwasser)
Hochspessart
Metzenbachtal
Intensivmess-fläche 01 (Bu)
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Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Messkonzept Integriertes Messnetz (2)
Monitoring niederfrequentund weitere Standortdaten
• Bodendauerbeobachtung, Tiefenprofile • Wald: Bestandsdaten, Waldzustand,
Standortkartierung• Landwirtschaft/Acker: Schlagkartei
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Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Messmethoden - physikalische Daten
• Standortklima• Niederschlag-Freiland• Niederschlag-Wald• Boden-Saugspannung• Grundwasserstand• Abfluss
Kleinklimastation (Standardsensoren)Hellmann-Kippschale, (Bulk-Daten)15 Bulk-Sammler, Stammabfl.-BucheTensiometer (-800 hPA, 4 pro Tiefe)GwMessstelle (MS-Insider, Fa- Seeba)Pegel (Dreieck),TwBr (Pumpdaten)
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Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Probenahmemethoden - Wasser
• Niederschlag-Freiland
• Niederschlag-Wald• Sickerwasser• Grundwasser• Abfluss, Quelle, Rohwass.
3 Bulk-Sammler für Basisparameter/Haupt-inhaltsstoffe, 2 Spurenmetall-Sammler 15 Bulk-Sammler, Stammabfl. BucheSaugkerzen (Al2O3, 8 pro Tiefe)GwMessstelle (U-Pumpe)Schöpfmethoden
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Einrichtung – vom Bodenprofil zur Schaltzentrale (SFA)
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Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Besonderheit – Messschacht Straubing/Acker
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Besonderheit – Nationalpark Bayer. Wald (1000 m ü. NN)
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Betrieb – Datenmanagement
Physikalische Daten Datenlogger DL2, GwStand: MDS Insider Fa. SEBA (Auslesung vor Ort) DfÜ (Stationskontrolle, autom. Abruf), Datenhaltung WISKI-BayernDatenprüfung/Basisauswertungen WISKI-BayernInternet geplant
Chemische Daten WasserLabore der Wasserwirtschaftsverwaltung Datenhaltung lokal und Informationssystem Wasserwirtschaft (INFO-Was) Datenprüfung/Basisauswertungen lokal und INFO-WasÜbergreifende Auswertungen z.Z. lokal (EXCEL, ACCESS) Internet geplant
Boden-, Standort- und VegetationsdatenLabore und Experten von LfU-Geologie (ehem. Geolog. Landesamt) und Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft (LWF) Datenhaltung lokal und Boden-Informationssystem (BIS) Auswertungen fallweise lokal
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Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Langfristige Stoffdynamik – Die Umweltthemen
• Verlagerung unerwünschter Stoffe in die Gewässer (Nährstoffe, Säurebildner, Schwermetalle, (Organika?))
• Veränderung "natürlicher" Hintergrundwerte (Hauptinhaltsstoffe, Wasserhärte, gelöster Kohlenstoff, …)
• Veränderung des Stoffhaushalts (Eintrag, Speicherung, Austrag) von Böden und Gewässern
• Einflüsse von Bodeneigenschaften, Fließvorgängen und Wasserhaushalt (Prozessbebachtung)
• neu: Wasserhaushalt und Abflussbildung per se
• Alles zusammen? - Wirkungen des Klimawandels?
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Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Langfristige Stoffdynamik – Modellfall Versauerung (1)
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-40
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0
20
40
60
1985 1990 1995 2000 2005
SO
4-S
[kg/
ha]
Sulfat-Schwefel Bilanz
Sulfat-Schwefel Eintrag
Sulfat-Schwefel Austrag
0 10 20 30 40 50Sulfat [mg/l]
Mes
sebe
nen
90-94 95-99 2004
6 m
Sicker-wasser
Grundwasser
Niederschlag
Bestandes-niederschlag
2 m
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Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Langfristige Stoffdynamik – Modellfall Versauerung (2)
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40
50
60
87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03
Sulfa
t [m
g/l]
Grundwasser
Bachwasser
Sickerwasser 0,5 m Tiefe
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Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Langfristige Stoffdynamik – Wirkungen des Waldes (1)
Wald in Bayern• Waldfläche ca. 2,5 Mio ha, entspricht 36 % der Landesfläche• Baumartenverteilung (nach BWI): 68 % Nadelholz (44 % Fichte), 32 %
Laubholz (12 % Buche)• Tendenzen: Waldfläche nimmt zu, Laubholzanteil nimmt zu
Ziele hinsichtlich Gewässerschutz• Schutzfähigkeit des Waldes sichern und stärken, natürlich im Schutzwald,
auf der gesamten Waldfläche (flächendeckender GwSchutz)• Hochwasser-, Lawinen- und Erosionsschutz, Trinkwasserschutz
Wald in Wasserschutzgebieten• ca. 152.000 ha, entspricht 51 % der Schutzgebietsfläche• entspricht ca. 6 % der Waldfläche (im Bergwald: ca. 11 %)• Bedeutung: geringes Konfliktpotential, geringe stoffliche Belastung
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Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Langfristige Stoffdynamik – Wirkungen des Waldes (2)
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10
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50
1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
Ein
trag-
Aus
trag
Sch
wef
el [k
g/ha
]
MetzenbachLehstenbachMarkungsgraben
-30
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0
10
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1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004
Ein
trag-
Aus
trag
Stic
ksto
ff [k
g/ha
]
MetzenbachLehstenbachMarkungsgraben
MSGw Kleineinzugsgebiete Integriertes Monitoring LWF/LfU
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Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Langfristige Stoffdynamik – Wirkungen des Waldes (3)
0
100
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300
400
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1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003
Inte
rzep
tion
[mm
/a]
Sommer 1997 Borkenkäferbefall
FichtenaltbestandObere Hanglage
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003
Abf
lußb
eiw
ert
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Totholzfläche im E
inzugsgebiet [%]
Totholzfläche MarkungsgrabenTotholzfläche Große OheAbflussbeiwert MarkungsgrabenAbflussbeiwert Große Ohe
0
20
40
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89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 03
Nitr
at [m
g/l]
lokaler Borkenkäferbefall der Bezugsbäume flächiger
Borkenkäferbefall hangaufwärts
Fichte altHanglage 970 mü.NN
Große Ohe/Nationalpark Bayer. Wald Abfluss nach Waldschäden
Sickerwasser-Nitrat 1,5 m
Interzeption Fichte, Messfläche 01
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Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Langfristige Stoffdynamik – Wirkungen der Landwirtschaft (1)
3860,07540,430,325,982,911,852,919,07,7661-8003230,0090,312,433,183,08,361,119,17,8581-450
3690,0040,28,230,894,16,827,617,77,6605-200
3210,0030,29,125,592,921,225,523,27,7562-100
HCO3PO4KNaMgCaNO3SO4ClpHLFcm
Brunnengalerie
Intensivmessfläche, BDF, Acker
GwMessstelle (Vorfeldmessstelle)
Stoffkonzentrationen (mg/l) im Sickerwasser
Messgebiet Donau/Gäuboden Einzugsgebiet WV Straubing Quartär-Brunnen West
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Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Langfristige Stoffdynamik – Wirkungen der Landwirtschaft (2)
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
01.11.2001 01.11.2002 01.11.2003 01.11.2004 01.11.2005 01.11.2006
Nitra
t [m
g/l]
HSP Tiefe 200 cm (Buchenwald)MSE Tiefe 200 cm (Grünland)DGB Tiefe 100 cm (Ackerland)FIG Tiefe 200 cm (Nadelwald)
Nitratgehalt im Sickerwasser für 4 Standorte: Acker/Grünland/ Buche/Fichte
Straubing (Acker, 1 m)
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Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Wasserfluss - Prozesse Monitoring 10-min: Niederschl., Saugsp., GwStand, Bodentemp., (Schnee)
0
5
10
15
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25
30
35
40
Nie
ders
chla
g [m
m]
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
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11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
Bde
nsau
gspa
nnun
g [h
Pa]
519,0
519,2
519,4
519,6
519,8
520,0
Grundw
asserstand [müN
N]
50 cm Tiefe200 cm TiefeGrundwasserstand
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
Bden
saug
span
nung
[hPa
]
952954956958960962964966968970972
Grundw
asserstand [m ü. N
N]
50 cm Tiefe200 cm TiefeGw-Flurabstand
0
500
1000
1500
2000
2500
11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
Abflu
ss [l
/s]
0
50
100
150
200
Schneehöhe [cm]
Schneehöhe
0
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40
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80
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Nie
ders
chla
g [m
m]
Bayer. Wald/ Markungsgraben Nördl. Lechfeld/
Fohlenhof
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Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Wasserfluss - Prozesse
Zeit t15.08.2005 17.08.2005 19.08.2005 21.08.2005 23.08.2005 25.08.2005 27.08.2005 29.08.2005 31.08.2005
Abstic
3,2
3,3
3,4
--- [hPa]
-50
0
50
100
N[m
m]
0
2
4
6
8
Nördl Lechf.Te4.200_SW.1s.ProdNördl Lechf.Te3.200_SW.1s.ProdNördl Lechf.Te2.200_SW.1s.ProdNördl Lechf.Te1.200_SW.1s.ProdNördliches Lechfel.N_K.1s.ProdNördl Lechf.Te4.50_SW.1s.ProdNördl Lechf.Te3.50_SW.1s.ProdNördl Lechf.Te2.50_SW.1s.ProdNördl Lechf.Te1.50_SW.1s.ProdFohlenhof_VB9026.GwStand.Prod
Nördl. Lechfeld/Fohlenhof: Hochwasser August 2005, Boden-Saugspannung und GwNeubildung in Schotterterrasse
Gwstandu. Messpunkt
Saugspannung 0,5 m
Saugspannung 2,0 m
Niederschlag
LfU / Ref. 83 / Dr. Bittersohl / 31.03.200824
Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Ausblick: bewährtes Konzept – neue Entwicklungen
Übergreifendes gewässerkundl. Monitoring weiterentwickeln• Datenmanagement und Öffentlichkeitsarbeit standardisieren• Themen/Aufgaben stärker Vernetzen• Praxisnahe Modellanwendungen einbinden/beliefern• Kompetenz sichern, rationalisieren (Personal, QS)
Umweltüberwachungen besser abstimmen• Landesprogramme Luft-Boden-Wasser koordinieren• Monitoring-Cluster entwickeln (Standorte, Synergien, Einsparungen)
Alles zusammen? - Wirkungen des Klimawandels aufklären? • quantitative Hydrologie: Prozesse weiterbeobachten (Modellgebiete)• qualitative Hydrologie: Relevante Prozesse ermitteln• generell: Lange Zeitreihen unbedingt erhalten/fortführen
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LfU / Ref. 83 / Dr. Bittersohl / 31.03.200825
Seminar "Wasserkreislaufparameter" 2008 Bayerisches Landesamt fürUmwelt
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!