Entwicklung und Anwendung eines Modells zur Quantifizierung und Prognose von Huminstoffeinträgen in Oberflächengewässer

Dirk Pavlik

Entwicklung und Anwendung eines Modells zur Quantifizierung und Prognose von Huminstoffeinträgen in Oberflächengewässer

252 Seiten. 2007. DIN A5. Mit zahlreichen (farbigen) Abbildungen. ISBN 978-3-938807-85-9. Preis 30,00 Euro. RHOMBOS-VERLAG, Berlin.

Band 5 in der Reihe „Beiträge zur Landschaftsforschung“. ISSN 1862-135X.
Hrsg. von Universitätsdozent Dr. rer. nat. habil. Karsten Grunewald und Staatsminister a. D. Prof. Dr. Karl Mannsfeld

Zugleich Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) der Fakultät Forst-, Geo- und Hydrowissenschaften der TU Dresden

Gutachter:

Dr. habil. Karsten Grunewald, Landschaftsforschungszentrum e. V. Dresden
Prof. Dr. em. Karl Mannsfeld, TU Dresden, MdL
Prof. Dr. Rainer Duttmann, Christian-Albrechts-Universität Kiel

Die zukünftige Entwicklung der Huminstoffeinträge in Talsperren ist eine der zentralen Fragen der Trinkwasserwirtschaft im Erzgebirge. Auf Basis umfangreicher Raum- und Prozessanalysen in vier Einzugsgebieten wurde ein Modell entwickelt, mit dem mittlere monatliche Huminstoffeinträge quantifiziert werden können. HEM (Huminstoff-Eintrags-Modell) ist ein funktionales Modell, welches speziell für die mittleren und oberen Lagen zentraleuropäischer Mittelgebirge konzipiert wurde. Unter dem Einfluss dynamischer Parameter, wie den klimatischen Bedingungen und dem Wasserhaushalt, lassen sich Produktion – Speicherung – Mobilisierung Transfer – Eintrag des mobilen organischen Kohlenstoffs und seiner Fraktionen modellieren. Prognostische Modellrechnungen unter Berücksichtigung der Einflüsse des Klimawandels sowie verringerter Stoffdepositionen in den bewaldeten Einzugsgebieten wurden durchgeführt.

Kurzfassung:

In den Mittelgebirgen Zentraleuropas ist seit Anfang der 90er Jahre der Trend zu verstärkten Huminstoffeinträgen in die Oberflächengewässer zu verzeichnen. Huminstoffe spielen eine große ökologische Rolle in Böden und Gewässern.
Durch ihre Funktion als Komplexbildner und Kationenaustauscher greifen sie nachhaltig in den Stoffhaushalt ein. Die gestiegenen Konzentrationen organischer Substanzen wirken sich nachteilig auf die Rohwasserqualität von Trinkwassertalsperren und bereiten zunehmend Probleme bei der Wasseraufbereitung. Hauptquelle der Huminstoffe im Gewässer sind die Einzugsgebiete, wovon diejenigen mit hohem Mooranteil die Einträge dominieren.
Auf Basis umfangreicher Raum- und Prozessanalysen in vier Trinkwassereinzugsgebieten des Erzgebirges wurde ein Modell entwickelt, mit dem mittlere monatliche Huminstoffeinträge quantifiziert werden können. HEM (Huminstoff-Eintrags-Modell) ist ein funktionales Modell, welches für die mittleren und oberen Lagen zentraleuropäischer Mittelgebirge konzipiert wurde. Ausgehend von der Charakteristik eines Einzugsgebiets (Bodentypenverteilung,
Nutzung) wird der organische Kohlenstoffpool im Boden als Ausgangsgröße berechnet. Unter dem Einfluss dynamischer
Parameter, wie den klimatischen Bedingungen und dem Wasserhaushalt, lassen sich Produktion -> Speicherung ->
Mobilisierung -> Transfer -> Eintrag des mobilen organischen Kohlenstoffs (DOC) ins Gewässer modellieren. Über einen statistischen Ansatz erfolgt die Berechnung der uminstofffratkionen. Die relevanten Prozesse wurden mathematisch und rechentechnisch umgesetzt und in einer Datenbankanwendung unter MS Access programmiert. Dies hat den Vorteil, dass Modellierung und Auswertung in einem System stattfinden können. Der Wasserhaushalt wurde für jedes Einzugsgebiet extern mit dem Modell HBV-light berechnet.
Die Ergebnisse der Modellrechnungen wurden mit langjährigen Messreihen verglichen. Für die Messperiode von 1995 – 2004 wurden mit HEM gute Modellergebnisse erzielt, wobei für die Untersuchungsgebiete im Westerzgebirge aufgrund einer dichteren Datenbasis höhere Güten erreicht wurden, als im Osterzgebirge.
Um den Einfluss veränderter Ökosystemzustände auf den Huminstoffeintrag quantifizieren zu können, wurde ein dreistufiger Prognoseansatz erarbeitet, der asuf den Untersuchungsergebnissen des Huminstoff-Projektes des Instituts für Geographie der TU Dresden, der Klimastudie für Sachsen des sächsischen Landesamtes für Umwelt und Geologie und den Modellrechnungen mit HEM basiert. Die Ergebnisse zeigen für alle Untersuchungsgebiete einen deutlichen Anstieg der mittleren DOC- und Huminstoffkonzentrationen bis zum Jahr 2050 auf (Anstieg zwischen 18 % und 52 %). Während im Osterzgebirge auch höhere Frachten prognostiziert wurden, sind für die Einzugsgebiete des Westerzgebirges im Durchschnitt 14 % niedrigere Frachten bei gestiegenen Konzentrationen berechnet worden. Dies würde für die Trinkwasserproduktion ein geringeres Wasserangebot bei verschlechterter Wasserqualität bedeuten. Das Maximum der Einträge verschiebt sich von den Sommermonaten in den späten Herbst. Die erwarteten milden Winter mit wesentlich kürzeren Frostperioden und fast gleich bleibenden Niederschlägen werden, aufgrund einer im Sommer durch hohe Mitteltemperaturen gestiegenen DOC-Produktion, die Einträge an gelöstem organischen Kohlenstoff wesentlich verstärken.
Mit HEM wurde erstmals ein Modell entwickelt, mit dem es möglich ist, den Eintrag von gelöstem organischen Kohlenstoff und Huminstoffen auf Einzugsgebietsebene zu quantifizieren.