Diplomarbeit Jörg Dietrich, Betreuung: PD Dr. M. Schöniger, Prof. Dr. J. Wolff (Zusammenfassung)
Die Nitratbelastung des Grundwassers verzeichnet seit Jahren einen steigenden Trend. Vielerorts werden in Förderbrunnen die Richt- und Grenzwerte der EU bzw. der deutschen Trinkwasserverordnung überschritten. Das Wasser muss dann verschnitten oder der Brunnen stillgelegt werden. Als Verursacher der Belastung wurde überwiegend die Landwirtschaft ausgemacht.
Zahlreiche Untersuchungen belegen, dass von stark nitratbelastetem Trinkwasser Gesundheitsgefahren ausgehen können, z.B. Sauerstoffmangel im Blut (Methämoglobinanämie). Insbesondere Säuglinge sollten nicht einer Dauerbelastung ausgesetzt werden. Aus diesem Grunde sind viele Wasserversorger bemüht, Trinkwasser mit Nitratmengen deutlich unter dem gesetzlichen Grenzwert abzugeben und dies auch als Qualitätsmerkmal ihres Produktes hervorzuheben.
Da Grundwasserverschmutzungen nicht oder nur in langen Zeiträumen saniert werden können, muss Grundwasserschutz vorsorgend ausgelegt sein. Besonders Wasserwerksbetreiber sind daran interessiert, durch lenkende Maßnahmen die Qualität ihres Wassers und damit auch ihre wirtschaftliche Existenzgrundlage zu sichern. Zu diesem Zweck wurden Kooperationsmodelle zwischen Land- und Wasserwirtschaft ins Leben gerufen. Seitens der Wasserwirtschaft werden umweltschonendere Bewirtschaftungsmethoden mit den betroffenen Landwirten im Trinkwassereinzugsgebiet vereinbart und die entstehenden wirtschaftlichen Nachteile durch finanzielle Förderung ausgeglichen. Hierbei finden in Niedersachsen Mittel des sogenannten "Wasserpfennigs" Verwendung.
Die fachliche Planung und Begleitung von Maßnahmen zum vorsorgenden Grundwasserschutz ist eine Optimierungsaufgabe, zu deren effizienter Bewerkstelligung sich insbesondere EDV-gestützte Informationssysteme und Modelle eignen.
In dieser Arbeit wurde aufgezeigt, dass ein Grundwassermodell als Teil eines technischen Systems zum Flächenmanagement für die Berechnung von Szenarien angewendet werden kann. Es wird für das Einzugsgebiet eines Förderbrunnens des Wasserwerkes Liebenau der Harzwasserwerke GmbH ein Modell aufgestellt, mit dem der Nitrattransport im Aquifer simuliert und über Fließpfade die Kontamination zu den möglichen Eintragsstellen zurückverfolgt werden kann. Die Ergebnisse der Berechnungen sollen den Wasserwerken als Entscheidungshilfe dienen für die Planung von Kooperationsvereinbarungen und gegebenenfalls Flächenankäufen. Daher soll von vornherein das Modell als Teil eines Entscheidungsunterstützungssystems gesehen werden, also muss die Praxistauglichkeit des gewählten Vorgehens betrachtet werden.
Die gesellschaftliche und politische Diskussion um globale Umweltverschmutzung, Ressourcenverbrauch und die Zukunftsfähigkeit der Menschheit entbrannte 1972 mit dem Bericht "Die Grenzen des Wachstums" des "Club of Rome" (Meadows 1972). Spätestens seit dem Bericht "Unsere gemeinsame Zukunft" der Brundtland-Kommission für Umwelt und Entwicklung (WCED 1987) gehört der Begriff der Nachhaltigkeit zu den Schlagwörtern der Jahrtausendwende. Unter nachhaltiger Entwicklung (engl. sustainable development) wird dort eine Entwicklung verstanden "die den Bedürfnissen der heutigen Generation entspricht, ohne die Möglichkeiten künftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen und ihren Lebensstil zu wählen".
Folgende Grundforderungen sind nach der Enquete-Kommission "Schutz des Menschen und der Umwelt" des Deutschen Bundestages an ein nachhaltiges Wirtschaften zu stellen (Umweltbundesamt 1997):
Der Grundsatz der Nachhaltigkeit verlangt also eine verstärkte Verknüpfung ökonomischer, ökologischer und soziokultureller Belange und ein vorsorgendes Handeln. Die nötige Optimierung und Kopplung der unterschiedlichen Handlungsfelder verlangt von der Politik daher ein wesentlich qualifizierteres Handeln. Seitens der Wissenschaft muss hierbei eine Schnittstelle zwischen den Fachdisziplinen hergestellt werden. Des weiteren muss der Komplexitätsgrad der für die Entscheidungshilfe zur Verfügung gestellten Werkzeuge und Daten verringert werden.
Instrumente für nachhaltige Entwicklung sind nach Umweltbundesamt 1997:
Diese Instrumente sollen zur Umsetzung der in den verschiedenen Handlungsfeldern getroffenen Zielvorgaben verwendet werden. Im Bereich Umweltschutz sind dies vor allem Umweltqualitätsziele und Umwelthandlungsziele.
Als Instrument zum Vergleich von Soll- und Ist-Zustand einer nachhaltigen Entwicklung werden Indikatoren verwendet, die den aktuellen Zielerreichungsgrad ausdrücken. Das Instrument der Indikatoren in Verbindung mit sozioökonomischen Betrachtungen von Umweltschutzmaßnahmen führt zu der Problematik der Monetarisierbarkeit von Umwelt.
Nachhaltig zu wirtschaften bedeutet auch, die Ziele möglichst effizient, also mit einem möglichst geringen Mitteleinsatz zu erreichen. Die fachlich und wirtschaftlich optimale Durchführung von Schutzmaßnahmen bedingt eine vorhergehende prognostische Prüfung der Effizienz dieser Maßnahmen. Während der Maßnahme muss durch ein begleitendes Monitoring der Erfolg gemessen werden, wozu Indikatoren zur quantitativen Beschreibung verwendet werden. Vor einer abschließenden Bewertung finden auch Umsetzungs-, Wirkungs- und Wirtschaftlichkeitskontrollen statt. Diese Vorgehensweise (s. Abb. 12.10) fließt insbesondere auf EU-Ebene in die Umweltgesetzgebung ein.
Zur Planung von Maßnahmen und der prognostischen Prüfung der Effizienz ist die Berechnung von Szenarien und daraus abzuleitenden Prognosen über den zu erwartenden Erfolg eine wichtige Hilfestellung. Geeignete Werkzeuge für die Begleitung und Bewertung von Maßnahmen zum Schutz natürlicher Ressourcen im Kontext einer nachhaltigen Entwicklung sind damit Prozessmodelle, Datenbanken und Geoinformationssysteme.
Abb. 12.10: Verfahren der vorhabenbezogenen Effizienzprüfung und Erfolgskontrolle von Maßnahmen zum Grundwasserschutz.
Das Land Niedersachsen hat § 19 des WHG mit der 8. Novelle des Niedersächsischen Wassergesetzes (NWG) in Landesrecht umgesetzt. Dabei wurde eine Gebühr für die Entnahme von Wasser ("Wassergroschen") eingeführt.
Zur Erreichung der Zielvorgabe "Reduzierung der Nitrateinträge ins Grundwasser" wurden per Erlass des Umweltministeriums (RdErl. D. MU v. 6.6.1994, Nds. MBl. 22/1994) Kooperationen zwischen Land- und Wasserwirtschaft eingerichtet, welche 1998 etwa 90 % der Fläche der Vorranggebiete für Trinkwassergewinnung in Niedersachsen erfaßten (mdl. Mitteilung T. Hartung, Bezirksregierung Braunschweig).
Abb. 12.11: Akteure und Daten bei den Kooperationen zum Trinkwasserschutz. Rot dargestellt ist die Landesverwaltung, welche für die landesweite Koordination und die Festsetzung der Zielvorgaben zuständig ist. Gelb steht für die Akteure vor Ort. Die blauen Kästen enthalten ausgewählte Fachdaten, welche für diese Arbeit von Bedeutung sind.
Die Kooperationen setzen sich aus Vertretern der Landwirte, der Wasserversorgungsunternehmen, der Bezirksregierung sowie Zusatzberatern zusammen (Abb. 12.11). Die Zusatzberatung erfolgt über die Landwirtschaftskammern, Ingenieurbüros und Beratungsringe. Geschäftsführung und Leitung liegen bei der Bezirksregierung, Dezernat Wasserwirtschaft und Wasserrecht (Niedersächsisches Umweltministerium 1997).
Das Kooperationsmodell zum Trinkwasserschutz erweitert das ordnungsrechtliche Instrument der Wasserschutzgebietsverordnung um ökonomische Instrumente, nämlich die Finanzierung von grundwasserschützenden Maßnahmen mit Mitteln des "Wassergroschens". Dazu gehören auch Forschungsarbeiten und Öffentlichkeitsarbeit (informelles Instrumentarium) zur Bewußtseinsbildung (Wanderausstellung "Dialog Wasser", Bezirksregierung Braunschweig 1999). Damit wendet das Kooperationsmodell in 12.4.2 genannte Instrumente der Nachhaltigkeit an.
Datenbanken und Geographische Informationssysteme (GIS)
Die Planung und Durchführung von qualitätssteuernden Maßnahmen erfordert ein Monitoring des zu schützenden Objekts, hier der Ressource Grundwasser. Es wird zwischen einem allgemeinen Umweltmonitoring und einem maßnahmenbegleitenden Monitoring unterschieden. Im Sinne des vorsorgenden Ressourcenschutzes sollte die Überwachung der Umweltqualität und die Begleitung von Maßnahmen schon an der potentiellen Schadstoffquelle erfolgen, hier also auf dem Acker.
Die dabei anfallenden Datenmengen sind sehr umfangreich. Sie müssen daher unter Zuhilfenahme von Datenbanken gespeichert werden. Da die meisten bei der Umweltbeobachtung anfallenden Daten nicht über Datenbankschlüssel, sondern über die räumliche Lage zugeordnet werden, sollten sie in einem geographischen Informationssystem (GIS) verwaltet werden.
Blaschke (1999) demonstriert die herausragende Bedeutung von GIS für Umweltmonitoring und -modellierung. Für einen effizienten Zugriff auf die Daten und systematische Auswertungen ist neben der entsprechenden Funktionalität auch die Benutzeroberfläche für das verwendete System von entscheidender Bedeutung. Einen Überblick über den aktuellen Stand der Technik gibt Bill (1999).
Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Verwendung von GIS ist die Nutzung breitenverfügbarer Daten. Insbesondere die digitale Verfügbarkeit von Liegenschaftsdaten mit einem raumbezogenen Zugriff auf Flächeneigentümer und Pächter ermöglicht ein effizientes Flächenmanagement (Automatisierte Liegenschaftskarte ALK, automatisiertes Liegenschaftsbuch ALB).
Bei der Verarbeitung von Raumdaten können Fehler entstehen, die in die Fehlerbetrachtung eingehen sollten. GIS-spezifische Fehler können z.B. aus Veränderungen der Topologie bei Verschneidungen oder Abweichungen von Karten unterschiedlicher Herkunft oder Maßstäblichkeit resultieren.
Bei der Verarbeitung von Daten aus unterschiedlichen Quellen ist mehr noch als ohnehin die Anlage und Fortführung von Metadaten nötig.
Den technischen und organisatorischen Aufbau eines geographischen Informationssystems einschließlich Datenbankmanagementsystem zeigt Abb. 12.12:
Abb. 12.12: Nutzer und Komponenten eines geographischen Informationssystems (GIS).
Anwendung von Prozessmodellen
Für die Beschreibung vieler natürlicher Prozesse können Prozessmodelle angewendet werden. Die Modelle können auch für die Berechnung von Szenarien angewendet werden und Prognosen über zukünftige Entwicklungen liefern. Daher sind sie auch als Planungsinstrumente einsetzbar.
In dieser Arbeit wird ein Prozessmodell zur Simulation der Strömung von Grundwasser und des Transportes von Stoffen angewendet (Modell FEFLOW der Firma Wasy GmbH). Für die Simulation komplexer Zusammenhänge werden häufig geeignete Modelle gekoppelt. Die Kopplung für das Modell kann i.d.R. über das GIS erfolgen. Dafür ist eine entsprechende Aufbereitung der Daten nötig.
Die theoretischen Grundlagen der Grundwassermodellierung sind in der Fachliteratur dokumentiert und werden in dieser Zusammenfassung nicht weiter erläutert. Auch auf die Aufstellung des Strömungs- und Transportmodells wird hier nicht näher eingegangen.
Entscheidungsunterstützungssysteme
Die oben genannten Werkzeuge und Methoden können in sogenannte Entscheidungsunterstützungssysteme (engl. decision support systems DSS) integriert werden. DSS verbinden die Fähigkeit des Menschen, Informationen zu bewerten und Entscheidungen zu treffen, mit den Fähigkeiten von Computer und Software, große Mengen von Daten zu speichern und analysieren. Aufgabe der technischen Systeme ist die rechnerische Optimierung der beteiligten Zielgrößen. Da ein DSS sowohl quantifizierbare wie auch nicht quantifizierbare Informationen verarbeiten soll, kommen häufig Verfahren der multikriteriellen Analyse zur Anwendung (Munda 1995). DSS können somit eine Schnittstelle zwischen ökologischer und sozioökonomischer Betrachtung darstellen.
Die Anwendbarkeit von DSS auf ökologische Prozesse sowie die Kopplung und Automatisierung von Prozessmodellen sind Thema aktueller Forschung. DSS werden in der betriebswirtschaftlichen Planung bereits vielfach eingesetzt. Auch im Bereich der Wasserwirtschaft werden multikriterielle Verfahren angewendet (z.B. Makowski, Somlyody & Watkins 1995).
Entscheidungen bei nachhaltiger Planung finden meist unter Unsicherheit statt, sodass auch Methoden des Risikomanagement Verwendung finden. Für Grundwassermodellierung sind in diesem Zusammenhang stochastische Verfahren geeignet (Kunstmann & Kinzelbach 1998). Diese können unter Berücksichtigung der Unsicherheit der Eingangsdaten (vgl. Heuvelink 1998) ein Wahrscheinlichkeitsfeld für die Simulationsgrößen ausgeben. In Kombination mit Expertenwissen erfüllt eine deartige Modellaussage sehr gut die Funktion einer Entscheidungshilfe, kann also wichtiger naturwissenschaft-lich-technischer Bestandteil eines Entscheidungsunterstützungssystems sein. Allerdings ist die Anwendbarkeit dieser Methode auf Transportsimulationen noch nicht ausreichend erforscht und rechentechnisch sehr aufwendig (Kunstmann & Kinzelbach 1998), weshalb sie in dieser Arbeit nicht angewendet werden konnte. Hattermann (1998) hat die Rekonstruktion des hydrogeologischen Untergrundes für eine Strömungsmodellierung mit einer stochastischen Simulation durchgeführt.
Allgemeine Vorgehensweise
Es wird ein Stofftransport-Modell für das Einzugsgebiet eines Brunnens des Wasserwerkes Liebenau II der Harzwasserwerke aufgestellt. Mit dem Modell werden Szenarien gerechnet, die als Entscheidungshilfe zur Planung freiwilliger Kooperationen mit der Landwirtschaft mit dem Ziel der Nitratreduzierung dienen sollen.
Abb. 12.13: Ablaufplan für eine Grundwasssermodellierung (nach Lege, Kolditz & Zielke 1996, verändert).
Ergebnis der Strömungssimulation
Hier nur die Darstellung des Ergebnisses einer Simulation (näheres zu den weiteren Schritten der Modellierung in Dietrich 2000):
Abb. 12.14: Vergleich gemessener und simulierter Wasserstände sowie Wasserbilanz bei der Simulation langjähriger Verhältnisse (ein mittleres Jahr) nach Abschluss der Kalibrierung des Strömungsmodells.
Entwicklung von Szenarien der Landnutzung
Eine Prognose ist die Vorhersage einer zukünftigen Entwicklung. Ein Szenario ist eine hypothetische Aufeinanderfolge von Ereignissen, die zur Betrachtung kausaler Zusammenhänge konstruiert wird. Die Szenariotechnik stellt eine Schnittstelle zwischen sozioökonomischen Entwicklungen und daraus abgeleiteten naturwissenschaftlichen Prognosen dar und ist daher eine für nachhaltige Planung besonders geeignete Vorgehensweise (Umweltbundesamt 1997).
Ziel des Wasserversorger ist es, die zukünftige Entwicklung der Nitratkonzentration im Grundwasser unter der Annahme der zukünftig zu erwartenden Nitrateinträge zu prognostizieren. Daher werden im folgenden drei verschiedene Szenarien zur zukünftigen landwirtschaftlichen Nutzung im Einzugsgebiet des Förderbrunnens aufgestellt und den jeweiligen Flächen entsprechende Nitrateinträge zugeordnet.
Abb. 12.15: Ablaufschema der Transportmodellierung und der aus den Szenarien berechneten Prognosen der Nitratkonzentrationen im Aquifer des Simulationsgebietes.
Die Zuordnung der Nitrateinträge wird als bestmögliche Hilfskonzentration über die vorliegende schlaggenaue Berechnung der Nitrataustragungsgefährdungsklassen vorgenommen. Nach einer Kalibrierung dieser Zuordnung wird für jedes Szenario eine Simulation über einen Zeitraum von 30 Jahren vom Ist-Zustand ausgehend berechnet, um eine Prognose der zukünftigen Nitratkonzentrationen abzugeben.
Die Anfangskonzentration (Ist-Zustand) des Nitrat im Aquifer für die Berechnung der Szenarien ist nur an wenigen Stellen bekannt. Eine Regionalisierung kann nicht durch Interpolation erfolgen, sondern muss sich an den schlaggenau aufgelösten Nitrateinträgen orientieren und die bis zum Status quo wirkenden Transportphänomene berücksichtigen. Daher wird der Weg gewählt, das Transportmodell zunächst für einen fiktiven Zeitpunkt Null mit einer Anfangskonzentration von 0 mg/l zu schematisieren und sodann eine Simulation unter Annahme der aus der Karte der Nitrataustragungsgefährdung abgeschätzten Nitrateinträge des Status quo-Szenario über einen Zeitraum von 30 Jahren zu berechnen. Ergebnis ist eine Nitratkonzentration im Grundwasserleiter des Modellgebietes, welche durch Vergleich mit gemessenen Werten auf ihre Plausibilität geprüft und als Anfangskonzentration für die Berechnung der Prognosen über einen Zeitraum von weiteren 30 Jahren verwendet wird.
Prognose der Nitratkonzentrationen
Das Transportmodell für Nitrat (Worst-Case-Annahme konservativer Tracer aufgrund der geochemischen Verhältnisse) wurde validiert durch Nitrattiefenprofile sowie Ergebnisse einer geochemischen Untersuchung. Mangels vorliegender parzellenscharfer Daten über die Nitratbelastung musste auf eine Kalibrierung verzichtet werden. Für die Fragestellung der Arbeit genügt eine vorwiegend qualitativ orientierte Betrachtung.
Abb. 12.16: Mit "backward tracking" ermittelte Fließbahnen und Transportzeiten zum Förderbrunnen 10, weitere Erläuterungen im Text.
Ergebnis der Transportmodellierung und der berechneten Prognosen ist jeweils eine dreidimensionale Konzentrationsverteilung für Nitrat im Aquifer sowie der zeitliche Verlauf der über die Tiefe gemittelten Konzentration an den Beobachtungspegeln.
Da die Simulationen nur mit stationären, teils geschätzten Eingangsdaten gerechnet wurden und eine Kalibrierung nur grob vorgenommen wurde, erfolgt die Bewertung der Ergebnisse zunächst anhand der berechneten Belastungklassen. Eine quantitative Auswertung wird vorgenommen, soll aber nur als Anhaltspunkt dienen. Die Ergebnisse und Möglichkeiten zur Weiterentwicklung des Modells werden in Kapitel 5 näher diskutiert.
In Abb. 12.17 sind die Startkonzentration (links oben) sowie die in den drei Szenarien jeweils prognostizierten Konzentrationsverteilungen im vierten Layer des Modells dargestellt. Dieser Layer wurde für die Darstellung gewählt, da in ihm die Filterstrecke von Brunnen 10 verläuft. Zusätzlich sind in den farbigen Kreuzen auf schwarzem Grund die mittleren Nitratkonzentrationen der jeweiligen Messstellen aus allen Messungen zwischen 1994 und 1998 dargestellt. Die Nitratkonzentrationen wurden in sechs Klassen unterteilt, die durch die farbliche Kennzeichnung unterschieden werden (siehe Legende in Abb. 12.17).
Abb. 12.17: Simulierte Startwerte der Nitratkonzentration und prognostizierte Konzentationsverteilung der drei Szenarien.
Die Konzentrationsklassen der simulierten Startwerte (Ist-Zustand) werden durch die Messungen des Grundwassermonitoring bestätigt: An den Messstellen X-1, X-2 und X-3 stimmen die Konzentrationsklassen von Simulation und Messung überein. Bei Messstelle X/XI-2 muss berücksichtigt werden, dass an der Aquiferoberfläche bei relativ geringem Flurabstand (5,8 m) gemessen wurde und die Messstelle im Abstrom von Siedlungsgebiet liegt. Daher ist die niedrige gemessene Konzentration erklärbar und eine erhöhte Konzentration in der Tiefe sehr wahrscheinlich. An dieser Messstelle traten bereits vor 1989 vereinzelt Nitratkonzentrationen über 100 mg/l auf. Es war nicht zu klären, ob Messfehler vorlagen oder gar in größerer Tiefe gemessen wurde, was das Modell bestätigen würde. Der gemessene Wert an Messstelle X/XI-1 liegt eine Klasse über dem simulierten, was vermutlich ebenso auf die geringere Tiefe der Beprobung zurückgeführt werden kann, zumal der Wert im zugehörigen Layer 3 der Prognose bestätigt wird!
Damit ist das aufgestellte Transportmodell geeignet, die Nitratbelastung und den Transport abzubilden. Die Prognosen dürfen also berechnet und interpretiert werden.
Das Status-quo-Szenario führt zu einer großflächigen Belastungssituation der Klassen zwischen 50 und 200 mg/l. Die extremen Belastungen im nördlichen Bereich verstärken sich, es sind sogar Konzentrationen der Klasse über 300 mg/l zu erwarten. Bei Vergleich mit der Karte der Landnutzung (Abb. 3.14 in Dietrich 2000) und der Karte der Nitratverlagerungsrisikoklassen (Abb. 4.11 in Dietrich 2000) fällt auf, dass in diesem Bereich großflächig Mais angebaut wird sowie ein großes bis sehr großes Verlagerungsrisiko besteht. Allerdings ist hier die Aquifermächtigkeit teilweise recht gering (s. Abb. 4.15 in Dietrich 2000), sodass es infolge der geringeren Verdünnung schneller zu einer Konzentrationserhöhung im Aquifer kommt. Im Bereich des Förderbrunnens werden beim Status quo-Szenario großflächig Belastungen der Klasse über 100 mg/l prognostiziert, die Belastung von Brunnen 10 dürfte auf 100 mg/l ansteigen (Abb. 4.18 in Dietrich 2000).
Das Effizienz-Szenario führt zu keiner grundsätzlichen Entlastung gegenüber der simulierten Anfangskonzentration. Eine Sanierung des Aquifer erscheint fraglich. Das Struktur- und Bewußtseinswandel-Szenario schließlich zeigt zwar auch eine weitere Verfrachtung des eingetragenen Nitrats insbesondere aus dem nördlichen Bereich des Gebietes, jedoch verringern sich die Konzentrationen im Bereich des Förderbrunnens.
Die Berechnungen zeigen deutlich, dass Erfolge bei den Bemühungen zur Reduktion der Nitratbelastung nur in langjährigen Zeiträumen (Jahrzehnte) zu erwarten sind. Es ist langfristiges Handeln nötig, um eine Sanierung des betrachteten Aquifers zu erreichen. In Dietrich 2000 werden die Ergebnisse detaillierter dargestellt und diskutiert.