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Steuergrößen von Wasserqualität und ihrer Dynamik in Einzugsgebieten: Eine Deutschland-weite Analyse mit daten-getriebenen Modellen

Eine sichere Wasserversorgung ist eines der Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen in der Agenda 2030. In Mitteleuropa und Deutschland sind hohe Nährstoffeinträge in Grund- und Oberflächenwässer und schließlich auch in die marinen Systeme nach wie vor einem Problem für aquatische Ökosysteme und die Sicherung der Wasserversorgung. Auf der räumlichen Skala von Flusseinzugsgebieten interagieren dabei eine Vielzahl von Eintragspfaden und Prozessen, die ein mechanistisches Verständnis und klare Ursache-Wirkungs-Beziehungen erschweren. In den letzten Dekaden wurden große Anstrengungen unternommen, Kläranlage zu ertüchtigen und damit Einträge von Phosphor und Stickstoff deutlich zu reduzieren. Andererseits sind diffuse Einträge aus der Landwirtschaft immer noch bedeutend und aufgrund der langen Transportzeiten von der Quelle zur Vorflut schwer zu managen. Es ist momentan schwer abzuschätzen, wie schnell sich Maßnahmen zur Verringerung von Stickstoffüberschüssen in der Landwirtschaft auf die Wasserqualität und ihre zeitlich-räumliche Variabilität in der Vorflut auswirken. In diesem Antrag wird ein einzigartiger Datensatz von Wasserqualität und -quantität über ganz Deutschland hinweg verwendet und einer systematischen Daten-getriebenen Analyse unterzogen. Der Datensatz basiert auf dem langjährigen Monitoring von Wasserqualität der einzelnen Bundesländer und wurde vom UFZ zusammengestellt. In der Analyse dieser Daten werden Muster in der Konzentrationsvariabilität aber auch den Beziehungen zwischen Konzentration und Abfluss verwendet, um Rückschlüsse auf dominante Prozesse und Eintragspfade im Einzugsgebiet zu schließen. Die Arbeit ist dabei auf drei Ziele fokussiert: (a) Die Klassifikation der Einzugsgebiete hinsichtlich ihres Nährstoff-Exportregimes für Daten ab dem Jahr 2010. (b) Die zeitliche Entwicklung der Stickstoff:Phosphor-Stöchiometrie für längere Zeitreihen im Wechselspiel von Punkt- und diffusen Quellen. (c) Die Langzeit-Trajektorien des Nährstoffexports aus Einzugsgebieten und einer möglichen Entwicklung zu chemostatischen Verhältnissen mit geringer Konzentrationsvariabilität aufgrund flächiger landwirtschaftlicher Einträge. Dabei ermöglichen innovative daten-getriebene Methoden und der einzigartige Datensatz einen neuen Blick auf die Steuergrößen von Nährstoffexporten im mitteleuropäischen anthropogen überprägten Landschaftsbild. Die Ergebnisse ebnen zum einen den Weg für komplexitätsreduzierte Wasserqualitäts-Modelle auf der Skala von Einzugsgebieten. Zum anderen haben die Ergebnisse Relevanz für weitere Fachgebiete, wie der aquatischen Ökologie und des Umweltmanagements.

Ressortforschungsplan 2023, Neukonzipierung einer für die Öffentlichkeit frei verfügbaren Internetplattform zur Darstellung von Daten aus der anlagen- und betriebsbezogenen Berichterstattung und diffusen Quellen und Integration mit anderen Datenportalen

Aktionspläne zur Reduktion von Emissionen, Automatisierung und Digitalisierung, die zunehmende Anwendung von besten verfügbaren Techniken usw. ziehen tiefgreifende Änderungen im Arbeits- und Lebensumfeld nach sich. Nur eine gut informierte Öffentlichkeit kann sich an solchen Transformationsprozesse aktiv beteiligen und diese mitgestalten. Die EU und Deutschland haben sich mit der Aarhus-Konvention und dem PRTR-Protokoll der UN-ECE als auch im 6. UAP verpflichtet, den Bürgern leicht zugängliche Informationen über den Zustand der Umwelt zur Verfügung zu stellen und auch die Industrie-Emissions-Richtlinie der EU setzt den Fokus auf die Information der Öffentlichkeit. Im Bereich der industriellen Emissionen sowie aus diffusen Quellen definieren internationale, europäische und nationale Vorgaben eine Reihe von Berichtsprozessen, die im Zuge der Novellierungen in europäisches Rechtauch besser miteinander verzahnt werden sollen. Die durch diese Vollzüge dem UBA verfügbaren anlagen- und betriebsbezogenen Daten (PRTR, LCP, EU Registry/IED, MCPD, Kommunalabwasserrichtlinie sollen unter Berücksichtigung weiterer Vorgaben zur Datennutzung des UBA in einer Internetplattform deutschlandweit, berichtsprozessübergreifend, für die Öffentlichkeit frei verfügbar und zielgruppenorientiert neu dargestellt werden. Dabei werden sie miteinander verzahnt, in interaktiven Karten visuell ansprechend dargestellt, in kombinierten Suchen zugänglich gemacht, ausgewertet und mit Hintergrundinformationen versehen. Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens 'Analyse des Nutzens und der Wirkung des PRTRs als Instrumentarium zur Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung' werden einbezogen. Gleichzeitig soll die Vernetzung mit anderen bestehenden und im Aufbau begriffenen Umweltdatenportalen und Webseiten im Umweltressort geprüft und verbessert werden (bspw. hinsichtlich Verlinkung, Einbettung o.ä.; bspw. BMUV- und UBA-Webseiten, DzU, Data Cube, Umweltdatenzentrum).

WRRL-Maßnahme "Maßnahmen zur Reduzierung der Belastungen aus anderen diffusen Quellen (OW)" für den Flusswasserkörper "Simmel"

Dieser Inhalt beschreibt die "Maßnahmen zur Reduzierung der Belastungen aus anderen diffusen Quellen (OW)" (mit der ID 36) für den Flusswasserkörper "Simmel" (mit der ID: DERW_DENW266332_3_9). Sie wird im Rahmen der Wasserrahmenrichtlinie durchgeführt. Der Bewirtschaftungszeitraum ist 2022-2027.

WRRL-Maßnahme "Maßnahmen zur Reduzierung der Belastungen aus anderen diffusen Quellen (OW)" für den Flusswasserkörper "Wanne"

Dieser Inhalt beschreibt die "Maßnahmen zur Reduzierung der Belastungen aus anderen diffusen Quellen (OW)" (mit der ID 36) für den Flusswasserkörper "Wanne" (mit der ID: DERW_DENW2761794_0_9). Sie wird im Rahmen der Wasserrahmenrichtlinie durchgeführt. Der Bewirtschaftungszeitraum ist 2022-2027.

WRRL-Maßnahme "Maßnahmen zur Reduzierung der Belastungen aus anderen diffusen Quellen (OW)" für den Flusswasserkörper "Obernau"

Dieser Inhalt beschreibt die "Maßnahmen zur Reduzierung der Belastungen aus anderen diffusen Quellen (OW)" (mit der ID 36) für den Flusswasserkörper "Obernau" (mit der ID: DERW_DENW272134_5_6). Sie wird im Rahmen der Wasserrahmenrichtlinie durchgeführt. Der Bewirtschaftungszeitraum ist 2022-2027.

WRRL-Maßnahme "Maßnahmen zur Reduzierung der Belastungen aus anderen diffusen Quellen (OW)" für das Seegewässer "Xantener Südsee"

Dieser Inhalt beschreibt die "Maßnahmen zur Reduzierung der Belastungen aus anderen diffusen Quellen (OW)" (mit der ID 36) für das Seegewässer "Xantener Südsee" (mit der ID: DELW_DENW8000127932). Sie wird im Rahmen der Wasserrahmenrichtlinie durchgeführt. Der Bewirtschaftungszeitraum ist 2022-2027.

WRRL-Maßnahme "Maßnahmen zur Reduzierung der Belastungen aus anderen diffusen Quellen (OW)" für das Seegewässer "Weißensee"

Dieser Inhalt beschreibt die "Maßnahmen zur Reduzierung der Belastungen aus anderen diffusen Quellen (OW)" (mit der ID 36) für das Seegewässer "Weißensee" (mit der ID: DELW_DEBY_1_S006). Sie wird im Rahmen der Wasserrahmenrichtlinie durchgeführt. Der Bewirtschaftungszeitraum ist 2022-2027.

WRRL-Maßnahme "Maßnahmen zur Reduzierung der Belastungen aus anderen diffusen Quellen (OW)" für den Flusswasserkörper "Lech von Theresienbrücke Füssen bis Staustufe 1 (Kraftwerk Roßhaupten)"

Dieser Inhalt beschreibt die "Maßnahmen zur Reduzierung der Belastungen aus anderen diffusen Quellen (OW)" (mit der ID 36) für den Flusswasserkörper "Lech von Theresienbrücke Füssen bis Staustufe 1 (Kraftwerk Roßhaupten)" (mit der ID: DERW_DEBY_1_F129). Sie wird im Rahmen der Wasserrahmenrichtlinie durchgeführt. Der Bewirtschaftungszeitraum ist 2022-2027.

WRRL-Maßnahme "Maßnahmen zur Reduzierung der Belastungen aus anderen diffusen Quellen (OW)" für das Seegewässer "Trinkwassertalsperre Frauenau"

Dieser Inhalt beschreibt die "Maßnahmen zur Reduzierung der Belastungen aus anderen diffusen Quellen (OW)" (mit der ID 36) für das Seegewässer "Trinkwassertalsperre Frauenau" (mit der ID: DELW_DEBY_1_S016). Sie wird im Rahmen der Wasserrahmenrichtlinie durchgeführt. Der Bewirtschaftungszeitraum ist 2022-2027.

Energiebedingte Emissionen von Klimagasen und Luftschadstoffen

<p>Als energiebedingte Emissionen bezeichnet man die Freisetzung von Treibhausgasen und Luftschadstoffen, die bei der Umwandlung von Energieträgern etwa in Strom und Wärme entstehen. Sie machten im Jahr 2023 83,5 % der deutschen Treibhausgas-Emissionen aus. Die Emissionen sind seit 1990 rückläufig. Hauptverursacher der energiebedingten Treibhausgas-Emissionen ist die Energiewirtschaft.</p><p>"Energiebedingte Emissionen"</p><p>Überall, wo fossile Energieträger wie Kohle, Erdgas oder Mineralöl in elektrische oder thermische Energie (Strom- und Wärmeproduktion) umgewandelt werden, werden sogenannte „energiebedingte Emissionen“ freigesetzt. Bei diesen handelt es sich sowohl um Treibhausgase – hauptsächlich Kohlendioxid (CO2) – als auch um sogenannte klassische Luftschadstoffe. Das Verbrennen von fester, flüssiger oder gasförmiger ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/b?tag=Biomasse#alphabar">Biomasse</a>⁠ wird gemäß internationalen Bilanzierungsvorgaben als CO2-neutral bewertet. Andere dabei freigesetzte klassische Luftschadstoffe, wie zum Beispiel Stickoxide, werden jedoch bilanziert. Im Verkehrsbereich entstehen energiebedingte Emissionen durch Abgase aus Verbrennungsmotoren. Darüber hinaus entstehen energiebedingt auch sogenannte diffuse Emissionen, zum Beispiel durch die Freisetzung von Grubengas aus stillgelegten Bergwerken.</p><p>Entwicklung der energiebedingten Treibhausgas-Emissionen</p><p>Die energiebedingten Emissionen machten im Jahr 2023 83,5 % der deutschen ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/t?tag=Treibhausgas#alphabar">Treibhausgas</a>⁠-Emissionen aus. Hauptverursacher war mit 29,5 % der energiebedingten Treibhausgas-Emissionen die Energiewirtschaft, also vor allem die öffentliche Strom- und Wärmeerzeugung in Kraftwerken sowie Raffinerien (siehe Abb. „Energiebedingte Treibhausgas-Emissionen“). Die von der Energiewirtschaft ausgestoßene Menge an Treibhausgasen ist seit 1990 in der Tendenz rückläufig. Teilweise gibt es vorübergehend besonders starke Einbrüche, wie etwa im Jahr der Wirtschaftskrise 2009 oder im von der Corona-Pandemie geprägten Jahr 2020.</p><p>Der Anteil des Sektors Verkehr lag 2023 bei 21,7 % (darunter allein der Straßenverkehr 21,1%), Industrie bei 15,7 %, private Haushalte bei 11,8 % und der Gewerbe-, Handels- und Dienstleistungssektor bei 3,4 %.</p><p>Die energiebedingten Treibhausgas-Emissionen bestehen zu 98 % aus Kohlendioxid (CO2). Methan (CH4) und Lachgas (N2O) machen den Rest aus (CO2-Äquivalente). Methan wird zum Großteil aus sogenannten diffusen Quellen freigesetzt, vor allem bei der Kohleförderung als Grubengas. Energiebedingte Lachgas-Emissionen entstehen durch Verbrennungsprozesse. Die diffusen Emissionen sanken seit 1990. Hauptquelle der diffusen Emissionen war der Ausstoß von Methan aus Kohlegruben. Die Förderung von Kohle ging seit 1990 deutlich zurück, Grubengas wurde verstärkt aufgefangen und energetisch genutzt.</p><p>&nbsp;</p><p>Energiebedingte Kohlendioxid-Emissionen durch Stromerzeugung</p><p>Die Emissionen von Kohlendioxid (CO2) aus der deutschen Stromerzeugung gingen seit dem Jahr 1990 im langjährigen Trend zurück (siehe Abb. „Kohlendioxid-Emissionen der fossilen Stromerzeugung"). Die Gründe hierfür liegen vor allem in der Stilllegung emissionsintensiver Braunkohlenkraftwerke in den 1990er Jahren und dem Rückgang der Stromerzeugung aus Braun- und Steinkohle in den vergangenen Jahren. Der Anteil des erzeugten Stroms aus emissionsärmeren Kraftwerken etwa auf Basis erneuerbarer Energieträger oder Erdgas ist in den letzten Jahrzehnten deutlich gestiegen. Auch der Austausch der Kraftwerkstechnik in alten, weniger effizienten Kohlekraftwerken durch effizientere Technik mit einem höheren Wirkungsgrad trug zum Rückgang der CO2-Emissionen bei.</p><p>Der starke Ausbau der erneuerbaren Energien schlug sich zunächst nur eingeschränkt im Trend der CO2-Emissionen nieder, da die Erzeugung von Strom aus fossilen Energiequellen nicht im gleichen Maße zurückging, wie der Ausbau der erneuerbaren Energien erfolgte. Dies ist in erster Linie auf den Rückgang der Kernenergie im Rahmen des Atomausstiegs, aber etwa auch auf die damals gestiegenen Nettostromexporte zurückzuführen (siehe <a href="https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/treibhausgas-emissionen/komponentenzerlegung-treiber-energiebedingter-thg#Stromerzeugung">Komponentenzerlegung</a>). Steinkohle-Kraftwerke verzeichneten im weiteren Verlauf als Mittellast-Kraftwerke und aufgrund relativ hoher Brennstoffkosten einen sinkenden Marktanteil. Gleichzeitig stieg die Stromerzeugung aus Erdgas deutlich an. Solange die CO2-Preise niedrig waren, konnten Braunkohle-Kraftwerke verhältnismäßig preiswert Strom produzieren. Gleichzeitig wurde immer mehr erneuerbarer Strom erzeugt und der Nettostromexport ging ab 2018 zurück (siehe <a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/energie/erneuerbare-konventionelle-stromerzeugung#bruttostromerzeugung-aus-nicht-erneuerbaren-energietragern-">Entwicklung des Stromhandelssaldos</a>). Durch den deutlichen Rückgang der Kohleverstromung im Jahr 2019 unter gleichzeitigem Ausbleiben nennenswerter emissionserhöhender Treiber sanken die Kohlendioxid-Emissionen der Stromerzeugung in diesem Jahr erheblich (ausführlicher zur Struktur der Stromerzeugung siehe Artikel „<a href="https://www.umweltbundesamt.de/daten/energie/erneuerbare-konventionelle-stromerzeugung">Erneuerbare und konventionelle Stromerzeugung</a>“). Im Jahr 2020 gingen die CO2-Emissionen der Stromerzeugung durch die Auswirkungen der Corona-Pandemie besonders stark zurück. In den Jahren 2021 und 2022 stiegen die Emissionen wieder an. Im Jahr 2024 lagen sie auf dem niedrigsten Wert seit 1990.</p><p>Treibhausgas-Emissionen des deutschen Strommixes</p><p>Die spezifischen Emissionen (Emissionsfaktoren) des Strommixes geben an, wie viel Treibhausgase und insbesondere CO2 insgesamt pro Kilowattstunde Strom, die in Deutschland verbraucht wird, ausgestoßen werden (siehe Abb. „Treibhausgas-Emissionen des deutschen Strommixes“). Der Emissionsfaktor für die Summe der Treibhausgasemissionen wird mit Vorketten ausgewiesen, der für CO2-Emissionen ohne. Das Umweltbundesamt veröffentlicht die entsprechenden Daten und die Methodik der Berechnung in der jährlich aktualisierten Publikation „<a href="https://www.umweltbundesamt.de/publikationen/entwicklung-der-spezifischen-treibhausgas-11">Entwicklung der spezifischen Treibhausgas-Emissionen des deutschen Strommix in den Jahren 1990 - 2024</a>“.</p><p>Starker Rückgang weiterer „klassischer“ energiebedingter Luftschadstoffe</p><p>Neben Treibhausgasen werden energiebedingt auch weitere Luftschadstoffe emittiert. Zu ihnen gehören Stickoxide (NOx), Schwefeldioxid (SO2), Flüchtige Organische Verbindungen (⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/n?tag=NMVOC#alphabar">NMVOC</a>⁠), Ammoniak (NH3) und Staub bzw. Feinstaub (⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/p?tag=PM10#alphabar">PM10</a>⁠).</p><p>Während die energiebedingten ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/t?tag=Treibhausgas#alphabar">Treibhausgas</a>⁠-Emissionen seit 1990 nur leicht zurückgingen, wurden die „klassischen“ Luftschadstoffe – bis auf Ammoniak (NH3) – stark vermindert (siehe Tab. „Energiebedingte Luftschadstoff-Emissionen“). Den größten Rückgang verzeichnet Schwefeldioxid (etwa 95 %).</p><p>In der jüngsten Entwicklung hat sich der abnehmende Trend bei Luftschadstoffen deutlich abgeschwächt.</p><p>Auswirkungen energiebedingter Emissionen</p><p>Energiebedingte Emissionen beeinträchtigen die Umwelt in vielfältiger Weise. An erster Stelle ist die globale Erwärmung zu nennen. Werden fossile Brennstoffe gewonnen und verbrannt, so führt dies zu einer starken Freisetzung der Treibhausgase Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4), die wiederum hauptverantwortlich für den ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/t?tag=Treibhauseffekt#alphabar">Treibhauseffekt</a>⁠ sind. Weitere erhebliche Umweltbelastungen werden durch die „klassischen Luftschadstoffe“ verursacht. Die Folgen sind Luftverschmutzung durch Feinstaub (PM10, PM2,5), Staub und Kohlenmonoxid (CO), ⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/v?tag=Versauerung#alphabar">Versauerung</a>⁠, unter anderem durch Schwefeldioxid (SO2), Stickstoffoxide (NOx) und Ammoniak (NH3). Außerdem entsteht durch Vorläufersubstanzen wie flüchtige organische Verbindungen (⁠<a href="https://www.umweltbundesamt.de/service/glossar/v?tag=VOC#alphabar">VOC</a>⁠) und Stickstoffoxide gesundheitsschädliches bodennahes Ozon (O3).</p>

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