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Grundwasser

Projekte zum Grundwasser und zur Wasserqualitätsberatung Landwirtschaft

An dieser Stelle finden Sie Artikel zu begleitenden wissenschaftlichen Projekten, die sich mit dem Grundwasser und der Wasserqualitätsberatung für die Landwirtschaft befassen.

Projekte zum Grundwasser und zur Wasserqualitätsberatung Landwirtschaft

Weiterentwicklung des Modellsystems zur regional hoch aufgelösten Quantifizierung der diffusen Stickstoff- und Phosphoreinträge

Logos der beteiligten Institutionen: LANUV, Geologischer Dienst NRW, LWK NRW, MUNV NRW, Forschungszentrum Jülich

Eckdaten des Projekts

Titel

Weiterentwicklung des Modellsystems zur regional hoch aufgelösten Quantifizierung der diffusen Stickstoff- und Phosphoreinträge ins Grundwasser und die Oberflächengewässer NRWs

Abkürzung

GROWA+ NRW 2027

Auftraggeber

Ministerium für Umwelt, Naturschutz und Verkehr Nordrhein-Westfalen

Durchführende Institution

LANUV, Forschungszentrum Jülich, Geologischer Dienst NRW, Landwirtschaftskammer NRW

Leitung

LANUV NRW

Laufzeit

August 2022 bis November 2025

Begleit-Arbeitskreise

Jährlich (2022, 2023, 2024, 2025) mit Vertretern der „AG Grundwasser“ und der „AG WRRL“

Projekt-Arbeitskreise

2x jährlich (Kooperationspartner)

Experten-Arbeitskreise

2-3x jährlich (unter Hinzuziehung von themenspezifischen Fachleuten)

 

Hintergrund

Die Belastung des Grundwassers und der Oberflächengewässer in NRW durch Stickstoff- und Phosphoreinträge stellt ein komplexes Umweltthema dar. Dies erfordert die Zusammenarbeit von Behörden und öffentlichen Institutionen der Land- und Wasserwirtschaft sowie Forschungseinrichtungen.

Im Rahmen des Kooperationsprojektes GROWA+ NRW 2021 (2016-2019) wurden diffuse Stickstoff- und Phosphoreinträge in die Grund- und Oberflächenwasserkörper von NRW mithilfe eines hoch aufgelösten Modellsystems modelliert und quantifiziert. Einerseits wurden die Nährstoffeinträge in die Systeme Boden und Gewässer aus der Landwirtschaft, über den Luftpfad, aus dem Abwasserbereich und aus urbanen Systemen betrachtet. Andererseits sind der Transport und die vielfältigen Abbau- und Rückhalteprozesse von Nährstoffen im Grundwasser und in den Fließgewässern berücksichtigt worden. Hierfür stand die Modellkette RAUMIS-mGROWA-DENUZ-WEKU-MEPhos/MONERIS zur Verfügung. Die Ergebnisse dieser Modellierung waren für die Umsetzung der EU-Nitratrichtlinie, der EG-Wasserrahmenrichtlinie und der EU-Meeresschutzstrategierichtlinie sowie einer damit einhergehenden Maßnahmenplanung von wesentlicher Bedeutung. Unter Anderem wurden die Ergebnisse für die Ausweisung von Nitrat belasteteten und mit Nährstoffen angereicherten Gebieten im Jahr 2021 herangezogen.

Veranlassung und Zielsetzung

Die Datenbestände und Modellgrundlagen des Modellsystems GROWA+ NRW 2021 sollen im Zuge des neuen Projektes GROWA+ NRW 2027 aktualisiert und verfeinert werden.

Beispielsweise sollen höher auflösende aktualisierte Bodenkarten (hier BK 5), digitale Geländemodelle (hier DGM 1), Landnutzungs- und Klimadaten, die neue Gewässerstationierungskarte und die neu modellierte Grundwasser-Oberfläche NRW einbezogen werden. Das Modell zur Ermittlung von Phosphorbelastungen (MEPhos), die Drainpotenzialkarte, das Wasserhaushaltsmodell (mGROWA) und die Modellierung der Denitrifikation im Boden und Grundwasser (DENUZ-WEKU) werden dadurch weiter verfeinert.

Außerdem werden neue Konzepte zur Validierung der Modellergebnisse entwickelt und angewendet (Denitrifikation im Grundwasser, Berücksichtigung von Verweil- und Fließzeiten und historische Stickstoffsalden). Die weitergehende Anwendung der Modellergebnisse (hier das maximal tolerierbare Stickstoffsaldo) im Rahmen der landwirtschaftlichen Gewässerschutzberatung als Maßgabe für den vorsorgenden Grundwasser-/Gewässerschutz soll mithilfe einer Verknüpfung zum Düngeportal entwickelt und erprobt werden.

Die Ergebnisse des Projektes sollen insbesondere der im Jahr 2025 durchzuführenden vierten WRRL-Bestandsaufnahme dienen.

Am Kooperationsprojekt beteiligt sind das Forschungszentrum Jülich, der Geologische Dienst NRW, die Landwirtschaftskammer NRW und das LANUV NRW. Das Projekt wird vom Ministerium für Umwelt, Naturschutz und Verkehr (MUNV) von August 2022 bis November 2025 gefördert. Die Koordinierung erfolgt durch das LANUV.

Im Folgenden werden die Modellsysteme zur Ermittlung der Stickstoff- und Phosphoreinträge in die Grund- und Oberflächengewässer von NRW jeweils graphisch dargestellt.

Die Grafik zeigt, wie die einzelnen Modell ineinandergreifen
Die Grafik zeigt, wie sich der Gesamtabfluss im hydrologischen Modell GROWA  aus Dränabfluss, Grundwasserneubildung, Zwischenabfluss und Oberflächenabfluss aufteilt. Für die Gesamtbelastung im Flusseinzugsgebiet kommen noch die atmosphärische Deposition und Kläranlagen und industrielle Direkteinleiter hinzu.
Titelblatt der unten genannten Präsentation mit dem Titel: Untersuchungen zum Nitratabbau im Grundwasser und dessen Auswirkungen in NRW. Autoren: Michael Eisele, Sabine Bergmann, Lukas Raffelsiefen

Untersuchungen des derzeitigen Nitratabbaus im Grundwasser (Status Quo)

Zur Beurteilung der tatsächlich in das Grundwasser eingetragenen Stickstoffmengen bzw. der Höhe der Denitrifikation bietet sich die N2/Argon-Methode an. In dem Maße, wie der N2-Gehalt von dem üblichen N2/Argon-Verhältnis abweicht, kann dieser „Exzess-N2“ als Abbauprodukt des in das Grundwasser eingetragenen Nitrats abgeschätzt werden.

Nitratabbau im Grundwasser

Der auf der Fließstrecke bis zum Erreichen einer Messstelle oder eines Brunnens stattfindende Nitratabbau im Grundwasser kann durch Messung des Parameters Exzess-N2 im jeweiligen Brunnen untersucht werden. Somit kann berechnet werden, wie hoch der Nitrateintrag in das Grundwasser tatsächlich gewesen ist, und in welchem Umfang ein Nitratabbau stattgefunden hat. Die Untersuchung des Nitratabbaus ist wichtig, um lokal unterschiedliche bzw. zeitlich schwankende Nitratbelastungen des Grundwassers erklären zu können. Da die Nitratabbaukapazität im Grundwasser limitiert bzw. nicht jederzeit ausreichend wirksam ist, kann es bei entsprechend hohen Stickstoffeinträgen notwendig sein, die Stickstoffeinträge zu senken, auch wenn aktuell bzw. lokal (noch) gar keine relevante Nitratbelastung im Grundwasser festzustellen ist. Die ersten Exzess-N2-Untersuchungen im Auftrag des Landes NRW an WRRL-Grundwassermessstellen wurden in einer Masterarbeit im Jahr 2016 ausführlich beschrieben und näher ausgewertet.

Weitere Auswertungen der Exzess-N2 -Untersuchungskampagnen

Weitere Auswertungen der Exzess-N2 -Untersuchungskampagnen im Auftrag des LANUV in den Jahren 2016/2017 wurden durch Dr. Michael Eisele bei der Fachsektion Hydrogeologie e.V. in dem Deutsche Geologische Gesellschaft - Geologische Vereinigung e.V., kurz FH-DGGt, im Jahr 2018 sowie bei der NRW-Trinkwasserkommission im Jahr 2018 präsentiert.

Des Weiteren wurden Untersuchungen des Exzess-N2 im Grundwasser auch tiefendifferenziert an Acker-/Grünland-, Siedlungs- sowie speziell an Waldstandorten in NRW durchgeführt, um zu prüfen, wie hoch die Nitrateinträge dort im Vergleich zu anderen Landnutzungen sind und welche Rolle dem Nitratabbau an derzeit „unbelastet“ oder „gering belastet“ eingestuften Standorten zukommt.

Die Abbildung zeigt die Schaltfläche für weitere Informationen

Studien zur Ursachenermittlung erhöhter Ammonium-, Aluminium-, Halb- und Schwermetallbelastungen des Grundwassers unter landwirtschaftlichem Nutzungseinfluss

Studierende der Fakultät für Geowissenschaften der Ruhr-Universität Bochum untersuchen die Ursachen der Belastungserhöhung in ihren Masterarbeiten.

Aluminium- und Schwermetallkonzentrationen im Grundwasser

In einigen Grundwasserkörpern in NRW, die wegen erhöhter Stickstoffeinträge aus der Landwirtschaft als belastet eingestuft sind (Nitrat, Ammonium), wurden bei der zweiten Zustandsbewertung im Jahr 2015 an einigen landwirtschaftlich beeinflussten Messstellen auch erhöhte Aluminiumkonzentrationen sowie steigende Arsen-, Cadmium-, Nickel- und zum Teil weitere Schwermetallkonzentrationen beobachtet, die über den Hintergrundwerten liegen und die die Grundwasserschwellenwerte (gem. GrwV 2010) bzw. die Trinkwassergrenzwerte überschreiten. Den Ursachen lokal erhöhter Aluminium- und Schwermetallkonzentrationen im Grundwasser von NRW wurde im Rahmen einer Masterarbeit nachgegangen.

Ammoniumkonzentrationen im Grundwasser

Die Ursachen erhöhter Ammoniumkonzentrationen und weiterer Begleitparameter, die bei anhaltend hohen Stickstoffeinträgen die Grundwasserqualität lokal beeinträchtigen können, wurden im Jahr 2017 im Rahmen einer Masterarbeit an der Ruhr-Universität Bochum untersucht.

Auf dem Foto ist ein aufgerolltes Maßband zu sehen, dass in ein Rohr an einer Grundwassermessstelle hineinreicht.

Monitoringleitfaden – Grundwasser

Der Monitoringleitfaden beschreibt die in NRW zugrunde liegende Konzeption der Grundwassermessstellennetze zur Überwachung des mengenmäßigen und chemischen Zustands der Grundwasserkörper.

Der aktuell gültige Monitoringleitfaden Grundwasser zur Zustandsermittlung für den 3. Bewirtschaftungsplan (Stand: 12/2018) beschreibt die in NRW zugrunde liegende Konzeption der Grundwassermessstellennetze gemäß § 9 GrwV zur repräsentativen Überwachung des mengenmäßigen und chemischen Zustands der Grundwasserkörper. Darüber hinaus beschreibt der Monitoringleitfaden Grundwasser die für den 3. Bewirtschaftungsplan gültige Methodik zur Ermittlung von Zustand und Trend der Grundwasserkörper in mengenmäßiger und chemischer Hinsicht. Im Anhang 2 dieses Leitfadens ist die Vorgehensweise für den 2. Bewirtschaftungsplan dokumentiert.  Anhang 1 enthält darüber hinaus die im Zeitraum 2003/2004 festgelegten Vorgaben und einige Anwendungsbeispiele zur Auswahl repräsentativer Messstellen aus dem insgesamt bedeutend umfangreicheren Grundwassermessstellenpool der Grundwasserdatenbank.

Risikoanalyse Grundwasser

Alle sechs Jahre wird entsprechend den Vorgaben der Grundwasserverordnung eine umfassende Bestandsaufnahme der Grundwasserkörper vorgenommen. Die dritte Bestandsaufnahme war bis zum 22.12.2019 abzuschließen. Dabei wird ermittelt, ob ein Grundwasserkörper gefährdet ist, die Ziele der EG-WRRL zu erfüllen (hinsichtlich Menge oder Chemie).

Die Risikobeurteilung betreffend die Zustandsziele blickt in die Zukunft, während die Zustandsbeurteilung auf die Entwicklung zurückblickt (RBMP: River Basin Management Plan („Bewirtschaftungsplan für Flusseinzugsgebiete“)). Quelle: CIS -Leitfaden Nr. 18 und Nr. 26

Diese sogenannte „Risikoanalyse“ bezieht sich jeweils auf die Frage, ob die Zielerreichung bis zum Ende der nächsten Bewirtschaftungsperiode (Prognose: bis 2027) ggf. gefährdet ist oder nicht. Im Gegensatz dazu wird bei der – ebenfalls alle sechs Jahre stattfindenden – Zustandsbewertung ermittelt, ob der aktuelle Status – ausgehend von dem jeweils vorausgehenden Monitoringzyklus (aktuell: 2013-2018) – gut ist oder nicht.

 

Zu sehen ist eine Grafik mit einer Linie, die einen horizontalen Balken in der Mitte teilt. Dieser Schnittpunkt ist der Zeitpunkt der Bestandsaufnahme. Von hier aus zeigt ein Pfeil nach links in die Vergangenheit für die Zustandsbeurteilung und ein Pfeil nach rechts in die Zukunft für den guten Zustand am Ende der Bewirtschaftungsplanung.
Die Risikobeurteilung betreffend die Zustandsziele blickt in die Zukunft, während die Zustandsbeurteilung auf die Entwicklung zurückblickt (RBMP: River Basin Management Plan („Bewirtschaftungsplan für Flusseinzugsgebiete“)) / © CIS -Leitfaden Nr. 18 und Nr. 26

 

Die Vorgaben und fachliche Umsetzung für die Zustandsermittlung Grundwasser sind im oben genannten Monitoringleitfaden Grundwasser ausführlich erläutert.

Die Vorgaben und fachliche Umsetzung für die Durchführung der Bestandsaufnahmen Grundwasser und zur Ermittlung der gefährdeten Grundwasserkörper („Risikoanalyse“) sind im Leitfaden zur Bestandsaufnahme Grundwasser nachzulesen.

Leitfaden 3. Bestandsaufnahme Grundwasser, Anlagen und Anhänge

Das Rahmendokument „Leitfaden 3. Bestandsaufnahme Grundwasser“ enthält eine allgemeingültige Rahmenkonzeption zur Bestandsaufnahme Grundwasser nach der EG-Wasserrahmenrichtlinie und deren Umsetzung im Land Nordrhein-Westfalen. Basierend auf der Arbeitshilfe der LAWA Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser aus dem Jahr 2013 zur Durchführung der Bestandsaufnahme Grundwasser werden allgemeingültige Informationen und NRW-spezifische Vorgehensweisen im Überblick beschrieben.

Spezifische Regelungen der einzelnen EG-WRRL-Planungszyklen werden in den Anlagen und zugehörigen Anhängen wiedergegeben, die nachfolgend aufgelistet sind.  Die Methodik zur Durchführung der Risikoanalyse (aktuell: Dritte Risikoanalyse bzw. 3.Bestandsaufnahme) ist in Anlage 1 vollständig dokumentiert.

Mithilfe der gewählten Aufteilung in ein statisches Zentraldokument zur Rahmenkonzeption und Anlagen/Anhänge zu Methodik und Datengrundlagen ist eine Fortschreibung des Leitfadens für die jeweils gültigen Planungszyklen ebenso möglich wie eine rückblickende Betrachtung auf vergangene Planungszyklen und deren etwaige methodische Unterschiede.

Qualitätssicherung der Grundwassermessstellen

Um die Vorgaben der Grundwasserverordnung (GrwV 2010, zuletzt geändert im Jahr 2017) zur Durchführung einer repräsentativen Überwachung des mengenmäßigen und chemischen Zustands der Grundwasserkörper an dafür geeigneten Grundwassermessstellen zu erfüllen, wurde im Zeitraum 2016-2018 ein „Leitfaden zur Anwendung von Qualitätsanforderungen an Grundwasserstands- und -gütemessstellen nach EG-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) in Nordrhein-Westfalen“ erarbeitet. Dieser Leitfaden gliedert sich in ein Kerndokument, in dem die fachlichen Vorgaben und Erläuterungen zu den einzelnen Prüf- und Qualitätskriterien gegeben werden, und einen Anhang 1, der die Prüfschemata zu den 39 Qualitätskriterien enthält. Diese 39 Kriterien zur Prüfung der Qualitätsanforderungen an WRRL-Grundwassermessstellen untergliedern sich in die Bereiche

1: Lage & Ausbau

2: Dokumentation und

3: Funktionstüchtigkeit

Die Prüfkriterien sind erstens: Anforderungen an Lage und technische Bauausführung, zweitens Anforderungen an Erst- und Bestandsdokumentation und drittens Anforderungen an den Regelbetrieb.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prüfkriterien für WRRL-Wasserstands- und Güte-Messstellen / © LANUV NRW

Auf dem Foto ist ein aufgerolltes Maßband zu sehen, dass in ein Rohr an einer Grundwassermessstelle hineinreicht.

Monitoring des Grundwassers

Das Grundwasser wird in Nordrhein-Westfalen anhand eines Messnetzes von rund 1.400 Messstellen untersucht. Dabei werden Daten zur Beurteilung des mengenmäßigen und des chemischen Grundwasserzustands ermittelt. Zusätzlich werden beim Grundwasser in bestimmten Fällen auch noch Trendbetrachtungen durchgeführt.

Wie wird das Grundwasser untersucht?

Wo und wie oft wird untersucht? Die Grundwasserkörper (GWK) werden hinsichtlich des mengenmäßigen und chemischen Zustands in Nordrhein-Westfalen anhand jeweils eines Messnetzes von derzeit rund 1.400 bzw. 1.500 repräsentativen Messstellen untersucht. Darüber hinaus stehen in der Landesgrundwasserdatenbank (siehe auch: ELWAS-WEB) zahlreiche weitere Messstellen zur Beurteilung der lokalen Grundwasserstände und der Grundwasserbeschaffenheit für diverse Fragestellungen (über die EG-WRRL hinaus) zur Verfügung. An den überblicksweisen und operativen Messstellen des sog. Chemie-Messnetzes werden auch die Trendanalysen gemäß Grundwasserverordnung GrwV 2010 vorgenommen. Die Beurteilung des mengenmäßigen Zustands erfolgt ausschließlich aufgrund von Trendanalysen, also der Betrachtung der langfristigen Entwicklung der Wasserstände. Nähere Informationen zu den Messnetzen und zum Monitoring enthält der Monitoringleitfaden Grundwasser (s. u.). Was wird untersucht?

Mengenmäßige Untersuchungen

Die Grundwassermenge wird anhand der Messung des Grundwasserstandes in Grundwassermessstellen gemessen. Durch Auswertung von Grundwasserstandsänderungen können die mengenmäßigen Zustände der Grundwasserkörper beurteilt werden.

Chemische Untersuchungen

Die Einstufung des chemischen Zustands der Grundwasserkörper erfolgt aufgrund der regelmäßigen Untersuchung von Grundwasserproben der Messstellen. Dabei wird geprüft, ob alle Schwellenwerte der in der Grundwasserverordnung genannten Stoffe eingehalten werden. Außerdem muss sichergestellt werden, dass es keine Hinweise auf schädliche Einträge aus menschlichen Tätigkeiten gibt und dass vom Grundwasser keine schädlichen Einflüsse auf die Oberflächengewässer, auf grundwasserabhängige Landökosysteme (wie Flussauen oder Niedermoore) oder auf Grundwassernutzungen ausgehen.

Was sagen die Ergebnisse aus?

Bei der Beurteilung des mengenmäßigen Zustandes werden verschiedene Aspekte betrachtet. Grundvoraussetzung ist eine ausgeglichene Mengenbilanz. Grundwasserentnahme und Grundwasserneubildung sollen sich die Waage halten. Außerdem wird anhand langjähriger Datenreihen geprüft, ob es Anzeichen dafür gibt, dass sich der Grundwasserstand durch menschliche Tätigkeiten ändert. Es muss auch ausgeschlossen werden, dass sich der Grundwasserzustand negativ auf Oberflächengewässer oder grundwasserabhängige Landökosysteme auswirkt. Ein weiterer Hinweis, dem die Behörden nachgehen, ist das Eindringen von Salz in das Grundwasser.

Der chemische Zustand ergibt sich grundsätzlich aus der Beurteilung der Messwerte für die in der Grundwasserverordnung genannten Stoffe: Nitrat, Nitrit, Ammonium, Phosphat, Sulfat, Chlorid, Pflanzenbehandlungsmittel und Biozide, Tri- und Tetrachlorethen, Arsen, Blei, Cadmium und Quecksilber. Neben dem Vergleich mit den dort festgelegten Schwellenwerten, wird zusätzlich durch die Expertinnen und Experten geprüft, ob es Gründe gibt, trotz Schwellenwertverletzungen einen guten Zustand zu vergeben oder trotz Einhaltung aller Schwellenwerte den chemischen Zustand als "schlecht" einzustufen. Für diese Experteneinschätzung werden verschiedene Kriterien, wie z. B. die flächenhafte Ausdehnung der Belastung oder das Vorhandensein von Altlasten, herangezogen.

Nur wenn mengenmäßiger und chemischer Zustand als "gut" eingestuft werden, ist insgesamt ein guter Zustand gegeben.

Weitergehende Informationen

Detaillierte Grundlageninformationen zum Monitoring des Grundwassers finden Sie in der Grundwasserverordnung und im Monitoringleitfaden Grundwasser.

Die gezeigte Karte von NRW ist Abbildung 28 aus der Studie. Eine Grundwasserzehrung zeigt sich im Osten und im Zentrum von NRW. Gebiete mit einer Grundwasserneubildung zwischen mehr als 300 mm/Jahr bis 200 mm/Jahr liegen großflächiger im Westen von NRW, entlang des Rheins und im Osten.

Klimaänderungen und Grundwasserdargebot in NRW

Im Rahmen dieses Projektes sollen die möglichen Auswirkungen von Klimaänderungen auf das Grundwasserdargebot in Nordrhein-Westfalen in zeitlich und räumlich hoher Auflösung analysiert werden. 

Projektdaten

Titel Auswirkungen von Klimaänderungen auf das nachhaltig bewirtschaftbare Grundwasserdargebot und den Bodenwasserhaushalt in Nordrhein-Westfalen
Projektkürzel Klimaänderungen, Grundwasserdargebot und Bodenwasserhaushalt in NRW
Durchführende Institutionen Forschungszentrum Jülich GmbH
Projektleitung MKULNV NRW
Status abgeschlossen 2014

 

Anlass und Zielstellung

Die nordrhein-westfälische Landesregierung verfolgt beim Thema Klimawandel eine Doppelstrategie: einerseits soll durch eine gezielte Unterstützung der Klimaschutzpolitik und regionale Schutzmaßnahmen dazu beigetragen werden, die Erderwärmung auf ein erträgliches Maß zu begrenzen, andererseits sollen die nicht mehr abwendbaren Folgen des Klimawandels abgeschätzt werden, um die Schäden so gering wie möglich zu halten bzw. die sich evtl. ergebenden Chancen zu nutzen.

Vor diesem Hintergrund sollten im Rahmen dieses Projektes die möglichen Auswirkungen von Klimaänderungen auf das Grundwasserdargebot in Nordrhein-Westfalen in zeitlich und räumlich hoher Auflösung analysiert werden.

    Ergebnisse

    • Mit dem am Forschungszentrum Jülich entwickelten Wasserhaushaltsmodell mGROWA wurden die Grundwasserneubildung sowie weitere hydrologisch und wasserwirtschaftlich relevante Wasserhaushaltsgrößen räumlich und zeitlich hochaufgelöst (Tage, Monate) simuliert.
    • Die Simulationen wurden zunächst für die Wasserwirtschaftsjahre 1961 bis 2005 auf Basis beobachteter Klimadaten durchgeführt.
    • Aufgrund der sehr guten Anpassung der Simulationsergebnisse für die Gegenwart und der genannten hohen Auflösung können die mit mGROWA ermittelten Kennzahlen für die Unterstützung von aktuellen Entscheidungsprozessen beim Grundwassermanagement empfohlen werden.
    • Zudem wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem die möglichen Auswirkungen von Klimaänderungen auf den Wasserhaushalt in NRW bis zum Jahr 2100 analysiert werden können.
    • Mit dem mGROWA-Modell können damit praxisrelevante Kennzahlen für die Unterstützung von Entscheidungsprozessen beim Grundwassermanagement berechnet werden. 
    Die Grafik zeigt, wie der Niederschlag  zum einen verdunstet und zum anderen als Gesamtabfluss auf der Oberfläche aufkommt. Von diesem Gesamtabfluss wird ein Teil zu Oberflächenabfluss und gemeinsam mit Teilen des Sickerwassers aus dem Boden über Interflow und Dränagen zu Direktabfluss, aus einem weiteren Anteil speist sich der  Grundwasserabfluss.

    N‐Einträge ins Grundwasser NRW - Aktualisierung

    Die Studie sollte Daten zu den Nährstoffbilanzüberschüssen der Landwirtschaft, Nitratkonzentration im Sickerwasser, zum Nitrateintrag ins Grundwasser und den N‐Minderungsbedarf ermitteln.

    Projektdaten

    Titel Aktualisierung der regional differenzierten Quantifizierung der N‐Einträge ins Grundwasser Nordrhein‐Westfalens
    Projektkürzel N‐Einträge ins Grundwasser NRW - Aktualisierung
    Durchführende Institutionen Forschungszentrum Jülich GmbH
    Projektleitung MKULNV NRW
    Status abgeschlossen 2014

     

    Anlass und Zielstellung

    Für das gesamte Bundesland Nordrhein‐Westfalen sollen die Nährstoffbilanzüberschüsse der Landwirtschaft flächendifferenziert für das Bezugsjahr 2010 quantifiziert werden. Hierauf aufbauend soll die Nitratkonzentration im Sickerwasser und der Nitrateintrag ins Grundwasser ermittelt werden, um Belastungsschwerpunkte (Hotspots) zu identifizieren. Im Anschluss hieran soll der Stickstoff‐Minderungsbedarf für die Erreichung von Umweltqualitätszielen in den Grundwasserkörpern berechnet werden.

    Ergebnisse

    • Der Stickstoffbilanzüberschuss der Landwirtschaft in Nordrhein‐Westfalen hat seit 2003 um fast 20 kg/(ha•a) von ca. 84 kg/(ha•a)  auf ca. 63 kg/(ha•a) im Jahr 2010 abgenommen.
    • Der Rückgang ist in allen Regionen bemerkbar, es treten jedoch weiterhin gravierende regionale Unterschiede auf. 
      • Auch im Jahr 2010 finden sich vor allem im nordwestlichen Münsterland und am Niederrhein noch Gemeinden, die aufgrund einer hohen Viehbesatzdichte oder Sonderkulturen noch Stickstoffbilanzüberschüsse von mehr als 120 kg/(ha LF•a) aufweisen. 
      • Hinzu kommen eine Reihe von Gemeinden im Bergischen Land, für die seit 2003 sogar ein Anstieg der Bilanzüberschüsse ausgewiesen wurde.
      • Geringe N‐Bilanzüberschüsse der Landwirtschaft finden sich hingegen nach wie vor in den überwiegend ackerbaulich geprägten Regionen, wie z. B. in der Köln‐Aachener Bucht. Hier werden nach den Modellrechnungen Stickstoffbilanzüberschüsse von weniger als 50 kg/(ha LF•a) ausgewiesen. 
    • Es zeigt sich, dass der Südwesten, der Zentralteil sowie der nordöstliche Teil Nordrhein‐Westfalens weitgehend Nitratkonzentrationen im Sickerwasser  unter 50 mg/l erzielen.
    • Besonders hohe Werte ergeben sich dagegen flächendeckend für die landwirtschaftlich intensiv genutzten Regionen im Nordteil und im Nordwestteil Nordrhein‐Westfalens (Münsterland, Niederrhein).  
    • Trotz der positiven Entwicklungen bei den hier berechneten N‐Bilanzüberschüssen der Landwirtschaft ist ein weiterer Minderungsbedarf notwendig, um die Grundwasserziele zu erreichen.
    • Als ein Maß für den maximal tolerierbaren Stickstoffaustrag aus dem Boden, der nicht überschritten werden darf, wenn eine Nitratkonzentration im Grundwasser von unter 50 mg/l nachhaltig garantiert werden soll, wird eine mittlere langjährige Nitratkonzentration im Sickerwasser von 50 mg/l festgelegt. 
    • Es wurde nur die N‐Bilanz der Landwirtschaft aktualisiert.
      • Alle anderen Größen zur Abbildung der Nitratbelastung des Grundwassers bzw. des Reduktionsbedarfs blieben unverändert und wurden aus der Studie von Wendland et al. (2010) übernommen.
      • Der seit einigen Jahren zu beobachtende Wirtschaftsdüngertransport aus Regionen mit hohem Wirtschaftsdüngeranfall (wie dem Münsterland oder den Niederlanden) in marktfruchtgeprägte Regionen (z. B. die Köln‐Aachener Bucht/Voreifel) ist nicht in die Modellrechnungen eingeflossen. Es ist daher nicht auszuschließen, dass die marktfruchtgeprägten Regionen zukünftig steigende Nitratgehalte im Grundwasser aufweisen werden.
    Dargestellt ist, wie das Niederschlagswasser verdunstet, als Oberflächenabfluss, als Zwischenabfluss im Boden und/oder als Grundwasserabfluss den Gewässern zufließt. Bevor das Niederschlagswasser durch die Infiltration dem Grundwasser zufließt, durchfließt es das Festgestein (Perkolation).

    Stickstoff- und Phosphor-Einträge in Grundwasser und Oberflächengewässer in NRW

    Der Eintrag von Stickstoff und Phosphor stellt auch in NRW ein wesentliches Problem für den Gewässerschutz dar. Zur Beseitigung dieser Defizite sind wirksame und kosteneffiziente Maßnahmen zu identifizieren und umzusetzen, um bis spätestens 2027 einen „guten Zustand“ in den Wasserkörpern in NRW sowie in den Küstenwasserkörpern der Nordsee zu erreichen.

    Projektdaten

    Titel Räumlich differenzierte Quantifizierung der N- und P-Einträge in Grundwasser und Oberflächengewässer in Nordrhein-Westfalen unter besonderer Berücksichtigung diffuser landwirtschaftlicher Quellen
    Projektkürzel N- und P-Einträge in Grundwasser und Oberflächengewässer in NRW
    Durchführende Institutionen Forschungszentrum Jülich GmbH
    Projektleitung MKULNV NRW
    Status abgeschlossen 2010

    Anlass

    Der Eintrag von Stickstoff (N) und Phosphor (P) in Grund- und Oberflächenwasserkörper stellt auch in Nordrhein-Westfalen ein wesentliches Problem für den Gewässerschutz dar. Dies lässt in zahlreichen Fällen befürchten, dass die in der EG-WRRL festgelegten Umweltqualitätsziele nicht eingehalten werden können. Zur Beseitigung dieser Defizite sind wirksame und kosteneffiziente Maßnahmen zu identifizieren und umzusetzen, um bis spätestens 2027 einen „guten Zustand“ in den Wasserkörpern in NRW sowie in den Küstenwasserkörpern der Nordsee zu erreichen.

    Die Identifizierung möglichst kosteneffizienter Maßnahmen wird durch zahlreiche Probleme erschwert. So ist oft nicht klar, welche Nährstoffmengen in einem definierten Gebiet auf den unterschiedlichen Eintragspfaden in die Wasserkörper gelangen. Gerade dies ist aber wichtig, um einerseits den Hebel an der richtigen Stelle anzusetzen und andererseits räumliche Belastungsschwerpunkte identifizieren zu können. Ein weiteres Problem besteht in der Prognose der Wirksamkeit der Maßnahmen und der Zeitspanne, in der diese Wirkungen zu erzielen sind. So führt z. B. eine Verringerung der N-Düngung auf landwirtschaftlichen Flächen unter Umständen nur sehr langfristig zu einer Verbesserung der Grundwasserqualität.

    Ziel

    • Ziel des Vorhabens ist die räumlich differenzierte und eintragspfadspezifische Quantifizierung der N- und P-Einträge in die Grund- und Oberflächenwasserkörper von NRW, mit einem Schwerpunkt auf der Betrachtung der diffusen, landwirtschaftlichen Quellen.
    • Dies ermöglicht die räumliche Identifizierung von Belastungsschwerpunkten und damit von prioritären Bereichen für die Maßnahmendurchführung.
    • Zudem soll mithilfe dieser Modellierung die Wirksamkeit von Maßnahmen prognostiziert werden und eine Kosten-Nutzen-Analyse der infrage kommenden Maßnahmen erfolgen.
    • Die Ergebnisse des Vorhabens sollen dadurch eine wichtige Grundlage für die Auswahl und die räumliche Priorisierung von Maßnahmen zur Reduzierung der landwirtschaftlichen Nährstoffeinträge in Grund- und Oberflächenwasserkörper in NRW darstellen. 
    • Die Berechnung der diffusen Nährstoffüberschüsse (N und P) aus der Landwirtschaft für das Jahr 2003 sollte mit einem erweiterten Bilanzierungsansatz auf der Grundlage der Regionalstatistik erfolgen.
    • Zur Abschätzung der zukünftigen Entwicklung der Nährstoffbilanzen sollte das Modellsystem RAUMIS eingesetzt werden, welches ein regional differenziertes Agrarsektormodell für die Bundesrepublik Deutschland darstellt. 
    • Für die Modellierung der Nährstoffeinträge in die Vorfluter sollte das im Forschungszentrum Jülich entwickelte Programmpaket GROWA-DENUZ-WEKU-MEPhos verwendet werden, das für die räumlich hoch aufgelöste und eintragspfadspezifische Quantifizierung der N- und P- Einträge in die Vorfluter in besonderem Maße geeignet ist.
    • Ziel der Modellierung mit den hydrologisch/hydrogeologischen Modellansätzen von GROWA-DENUZ-WEKU-MEPhos ist daher die flächendeckende und zugleich räumlich hoch aufgelöste Analyse und Bewertung der diffusen Nährstoffeinträge ins Grundwasser und die Oberflächengewässer.
    • Die Modellierungen sollten flächendifferenziert in einem 100-m-Raster für die gesamte Landesfläche erfolgen. Hierdurch wurden die Modellrechnungen für jeweils ca. 3,4 Mio. Rasterzellen durchgeführt.
    • Dabei sollten im Wesentlichen die folgenden Arbeitsschritte erfolgen:
      • Parametrisierung der wesentlichen Bestimmungsfaktoren des Nährstoffeintrags (Standort- und Nutzungsfaktoren)
      • Abschätzung der aktuellen und für 2015 prognostizierten Nährstoffbilanzüberschüsse mithilfe des Modells RAUMIS
      • Quantifizierung der Nährstoffeinträge ins Grundwasser und die Vorfluter bei mittleren Abflussbedingungen mithilfe des Modellpakets GROWA-DENUZ-WEKU-MEPhos
      • Identifizierung der Belastungsschwerpunkte (räumlich und getrennt nach Pfaden) 
    • Die Ergebnisse des Vorhabens sollen als Grundlage für die Ermittlung räumlicher Belastungsschwerpunkte und damit für die Priorisierung von Maßnahmen zur Reduzierung der landwirtschaftlichen Nährstoffeinträge dienen. Dies ermöglicht Aussagen über die Erreichbarkeit von Bewirtschaftungszielen für die Grund- und Oberflächenwasserkörper in NRW. 

    Ergebnisse Allgemein

    • Für die integrativen Analysen der Nährstoffbelastungen der Oberflächengewässer und der Grundwasserkörper wurde das agrarökonomische Modell RAUMIS mit dem Wasserhaushaltsmodell GROWA und den reaktiven N-Transportmodellen DENUZ/WEKU sowie dem P-Transportmodell MEPhos gekoppelt.
    • Mit der Wasserhaushaltmodellierung wurde die räumliche Variabilität der hydrologischen Verhältnisse in NRW und die damit verbundene regional unterschiedliche Relevanz der einzelnen Abflusskomponenten für den Nährstoffeintrag abgebildet. 
    • Die N- und P-Bilanzen sind seit 1990 sektoral erheblich zurückgegangen, wobei gravierende regionale Unterschiede bestehen. 

    Stickstoff

    • Der Nitratabbau im Boden ist in NRW nur regional begrenzt bedeutsam. 
    • Hohe Nitratkonzentrationen im Sickerwasser finden sich für die Ausgangssituation 2003 in den viehstarken Regionen. 
    • Die simulierten N-Einträge über den Direktabfluss sind insbesondere in den künstlich entwässerten Niederungsregionen im Nordteil von NRW hoch. 
    • In sauerstofffreien reduzierten Aquiferen mit geringen Fließgeschwindigkeiten des Grundwassers, wie sie vereinzelt im Nordwesten von NRW auftreten, kann ins Grundwasser eingetragenes Nitrat auf dem Weg zum Vorfluter abgebaut werden. 
    • Die punktförmigen N-Einträge in die Vorfluter machen in etwa ein Viertel der gesamten N-Fracht in den Vorflutern aus. 
    • Bezogen auf die eingetragene N-Gesamtmenge in die Vorfluter ist der Eintrag über den natürlichen Interflow dominierend; bezogen auf die eingetragene N-Menge pro Flächeneinheit (ha) ist der N-Eintrag über Dränagen und Entwässerungsgräben am bedeutsamsten. 
    • Modellierte N-Einträge in die Flüsse für die Ausgangssituation 2003 wurden mit Messwerten im Vorfluter abgeglichen. 
    • Bis zum Zieljahr 2015 ist nach den Modellrechnungen insgesamt eine weitere Reduzierung der landwirtschaftlichen Nährstoffbilanzüberschüsse erwartbar. 
    • Es werden relativ hohe Verminderungen der Nitratkonzentration im Sickerwasser im durch intensive Viehhaltung geprägten Nordteil von NRW erwartet, allerdings bei einem hohen Ausgangswert und immer noch recht hohen Werten im Jahre 2015. 
    • Hohe Verweilzeiten können selbst bei sinkenden Nährstoffbilanzüberschüssen kurz- und mittelfristig die Konzentrationen im Grundwasser ansteigen lassen.
    • Trotz der positiven Entwicklungen bis 2015 ist ein zusätzlicher Minderungsbedarf vorhanden, um die Schutzziele für das Grundwasser zu erreichen.

    Phosphor

    • Mit dem MEPhos-Modell wurden mittlere Phosphoreinträge in die Oberflächengewässer aus diffusen und punktuellen Quellen quantifiziert.
    • Die kommunalen Kläranlagen sind die quantitativ bedeutendste P-Quelle in NRW.
    • Auch nach umfangreicher Ertüchtigung der kommunalen Kläranlagen über die letzten ca. 25 Jahre stellen kommunale Kläranlagen nach wie vor den Eintragspfad dar, über den die größte P-Emission in die Oberflächengewässer erfolgt (33 % der gesamten P-Einträge). Ursache hierfür ist die hohe Bevölkerungsdichte in NRW, die insbesondere in den Ballungsräumen an Rhein und Ruhr auftritt.
    • Die Bodenerosion ist für diffuse P-Einträge maßgeblich verantwortlich.
    • Der hohe Mittelgebirgsanteil in NRW führt zu hohen Sedimenteinträgen, insbesondere wenn steigende Reliefenergie, erosionsanfällige Lössböden und Kulturarten mit geringem Bodenbedeckungsgrad (wie Zuckerrüben und Mais) zusammentreffen. Dies zeigt sich an den überdurchschnittlich hohen Werten für den modellierten Bodenabtrag und P-Eintrag im Haarstrang, im Weserbergland sowie im Mettmanner Löss-Hügelland.
    • Bei P-Einträgen aus urbanen Quellen spielen Trennkanalisationen, Abflüsse von überörtlichen Straßen und Mischwasserentlastungen eine große Rolle. Die quantitative Bedeutung der drei Quellen ist in etwa gleich groß. 
    • Modellierte P-Einträge in die Flüsse wurden mit Messwerten im Vorfluter abgeglichen.
    Die Grafik zeigt eine zweigeteilte Abbildung aus der Studie. Links ist ein Bodenprofil mit Zollstock zu sehen, rechts eine Grafik, die die Wasserbewegung im Boden verdeutlichen soll. Der Niederschlag, der in den Boden eindringt, fließt zum Teil unterhalb der Wurzelzone ab 20 cm Tiefe als Zwischenabfluss ab, der Niederschlag, der tiefer eindringt, gelangt über den Kapillarsaum zwischen 70 cm und einem Meter Tiefe zum Grundwasser.

    Grundwasserüberdeckung

    Der Geologische Dienst hat ein modular aufgebautes Geographisches Informationssystem entwickelt, das u. a. Ergebniskarten (1:5.000) der Flächen erstellt, die geogen bedingt vergleichsweise ungünstige Rückhalteeigenschaften gegenüber Stoffeinträgen haben. Mit dieser erweiterten Hölting-Methode wird ein fachübergreifender Ansatz von Bodenschutz und Grundwasserschutz erreicht.

    Projektdaten

    Titel Schutzfunktionsbewertung der Grundwasserüberdeckung
    Projektkürzel Grundwasserüberdeckung
    Durchführende Institution Geologischer Dienst NRW
    Projektleitung MKULNV NRW
    Status abgeschlossen 2008

     

    Anlass

    Aufgrund unterschiedlicher natürlicher Bedingungen weisen Flächen bzw. Böden unterschiedlich gute Rückhalteeigenschaften gegenüber Stoffeinträgen auf. Daraus ergeben sich unterschiedliche Schutzfunktionen für das Grundwasser.

    Ziel

    • Entwicklung eines fachübergreifenden Ansatzes von Bodenschutz und Grundwasserschutz
    • Entwicklung eines modular aufgebauten Geoinformationssystems zur Darstellung der Schutzfunktionen von Flächen
    • Erweiterung der sogenannten Hölting-Methode zur Bestimmung der Schutzfunktion der Grundwasserüberdeckung im gesamten Sickerraum

      Ergebnis

      • Der entwickelte Leitfaden zur Bewertung der Schutzfunktion der Grundwasserüberdeckung dient als Arbeitshilfe bei großmaßstäbigen Betrachtungen und Verfahren, wie z. B. bei Wasserschutzgebietsverfahren. 
      • Speziell in Wasserschutzgebieten mit parzellenscharfen Schutzzonengrenzen muss auf Datengrundlagen im Maßstab 1:5.000 zurückgegriffen werden. Weiterhin ist auch ein Einsatz im Rahmen der Maßnahmenplanung zur WRRL denkbar. 
      • Neben einer Darstellung der benötigten Datengrundlagen werden die einzelnen aufeinander aufbauenden Auswertemodule beschrieben und Anwendungsbereiche aufgezeigt sowie mit Praxisbeispielen belegt. 
      • Es werden Überlegungen zur generellen Vorgehensweise mit Bezug auf die Grundwasserbelastungssituation, die speziellen bodenkundlichen und hydrogeologischen Verhältnisse, die vorliegende Datenlage sowie die Gefährdungspotenziale bestehender Nutzungen in dem zu untersuchenden Wasserschutzgebiet bzw. Grundwasserkörper dargestellt.
      • Der Leitfaden beschreibt:
        • die erforderlichen Datengrundlagen
        • die Auswertungsmethoden (Auswertemodule)
        • die Vorgehensweise bezüglich der Grundwasserbelastungssituation
        • die Bewertung der bodenkundlichen und hydrogeologischen Verhältnisse
        • die Bewertung der Gefährdungspotenziale bestehender Nutzungen
        • Anwendungsbereiche an Praxisbeispielen