Ergaenzung von Stoffeintragsmessungen durch Luftverunreinigungen auf zwei Versuchsflaechen des Pilotprojektes 'Saure Niederschlaege'. Erstellung einer mehrjaehrigen Fluessebilanz. Auswirkungen einer Kalkung auf den Stoffaustrag.
Das Forsthydrologische Forschungsgebiet Reinhardswald (Nordhessen) umfasst das 420 ha grosse, bewaldete Einzugsgebiet des Elsterbaches. Dort werden seit 1971 Wasser- und Stoffbilanzuntersuchungen durchgefuehrt. Vorrangiges Ziel ist es, die atmogene Saeure- und Schadstoffbelastung dieses repraesentativen Mittelgebirgs-Waldoekosystems zu quantifizieren und die langfristigen Auswirkungen der sauren Deposition auf die forstlichen Standorte, die Waldbestockung, das Abflussverhalten/-regime und die Gewaesserqualitaet zu dokumentieren. Im Rahmen einer normalen forstlichen Bewirtschaftung wird das Forschungsgebiet Reinhardswald also als 'Barometer-Einzugsgebiet' zum Erkennen exogen verursachter Veraenderungen im Wasser- und Stoffhaushalt genutzt
Mechanische Schwingungen beeinflussen die Stroemung im Boden, da der Stroemungswiderstand des Bodens infolge der Veraenderung der Durchtrittsquerschnitte im Rhythmus der Schwingungen veraendert wird (Atmung). Auch der Stofftransport durch den Boden sowie der damit verbundene Stoffaustrag aus Boden, Grundwasser und Bodenluft wird durch mechanische Schwingungen beeinflusst. Diese Tatsache ist bei der Verbesserung der Durchspuelung und/oder Sanierung des Bodens von besonderem Interesse. Gegenstand des Forschungsvorhabens ist die theoretische Untersuchung der Stroemung im Boden unter dem Einfluss von mechanischen Schwingungen sowie die Entwicklung eines physikalischen Modells zur Verifikation der theoretischen Untersuchungsergebnisse mit Hilfe von Labormessungen. Anwendungsfelder sind neben der Bodensanierung die Injektionstechnik oder die Mineraloelgewinnung.
Für die DOC Belastung von Gewässern und der damit verbunden Probleme bei der Trinkwasseraufbereitung ist die Identifikation der Randbedingungen für den Umsatz von DOC im Boden und Gewässer unter den russischen Witterungsbedingungen, vor allem im Winter, und der daraus resultierenden Differenzierung der DOC Eintragspfade in die Gewässer von Bedeutung. Zur Erreichung der Zielstellungen ist ein skalenübergreifender Ansatz vorgesehen, der auf dem bestehenden Einzugsgebietsmonitoring aufbaut und weitere Methoden einbindet. So sollen i) Lysimeter generelle Aussagen über DOC Leaching und DOC Formen ermöglichen, ii) Intensivmessfelder aufgebaut werden, um den Bodenwasserhaushalt zu quantifizieren und DOC zu charakterisieren und iii) das Modellsystems IWAN zur Bewertung von Maßnahmenszenarien zur Verminderung des DOC Eintrags in Gewässer modifiziert werden. Durch die angestrebte Verbindung der erwarteten Ergebnisse mit praxisnaher Umsetzung und Demonstration im russischen Einzugsgebiet Lubazhinkha mit KMU und Landwirtschaftsbetrieben in Russland soll ein wesentlicher Beitrag zur Entwicklung von Techniken zur nachhaltigen Sicherung der Wasserqualität im Wolgaeinzugsgebiet geleistet werden.
Untersuchung der Einfluesse von landwirtschaftlichen Bewirtschaftungsmassnahmen wie Bodenbearbeitung, Duengung (Mineral- und Wirtschaftduenger), Pflanzenschutz und ausserlandwirtschaftlicher Einwirkungen (Immissionsbelastungen, erosionsausloesende Niederschlaege) auf Bodenstruktur, -fauna, -mikrobiologie, Naehrstoffhaushalt und -verlagerung, Humusgehalt und -qualitaet sowie Schadstoffbelastung (anorganische, organische Stoffe, Radionuklide), Pflanzengesellschaften. Untersucht werden Boden, Ernteprodukte, Duenger und Stoffeintraege aus der Luft. Auf ausgewaehlten Flaechen werden Bodenverlagerung und -austrag untersucht. Die Untersuchungen erfolgen ueberwiegend im Fruchtfolgeturnus. Die Bewirtschaftungsmassnahmen werden in Schlagkarteien aufgezeichnet. Im bisherigen Beobachtungszeitraum ist fuer fast alle Eintragspfade eine Abnahme der eigetragenen Schwermetallmengen festzustellen.
In Baden-Wuerttemberg besteht ein aus Sondermitteln des Landes finanziertes Niederschlagsmessnetz, das auf Landesebene der Ueberwachung der Stoffeintraege dient. Angesichts der grossen Nachfrage vieler umweltforschender Institutionen nach Rahmendaten des Stoffein- und -austrags wurde eine raeumliche Erweiterung und inhaltliche Intensivierung des Niederschlagsmessnetzes durchgefuehrt. Auf drei West-Ost-Transekten mit jeweils 6-8 Messpunkten und derzeit 24 Einzelmessflaechen wird in 14taegigem Turnus nasse Deposition und die Interzeptionsdeposition bestimmt. Die Anzahl der Depositionsmessnetzpunkte kann nach geostatistischen Kriterien als flaechenrepraesentativ angesehen werden. An ausgewaehlten Messpunkten werden zusaetzlich die Stofffluesse im Boden bestimmt, so dass Stoffbilanzen auf der Basis hydrologischer Kompartimentmodelle moeglich sind. Es werden damit 'Stoffbilanztypen' ausgeschieden und darauf aufbauend standortangepasste Konzepte zur Korrektur der Standortdrift entwickelt. Fuer den Messnetzstandort 'Ochsenhausen', einem Standort, an dem Stofffluesse von Ammoniumdepositionen dominiert werden, wurde auf der Basis des ersten Messjahres eine Stoffhaushaltsbilanzierung durchgefuehrt. Der eingetragene Stickstoff kann an diesem Standort nur zu etwa 1/3 von der Vegetation assimiliert werden. Der Rest wird in Form von Nitrat und vorwiegend in Verbindung mit Magnesium ausgetragen. Dies stellt ein Risiko fuer die Grundwasserqualitaet dar. Waldbauliche und bodenkundliche Behandlungs- und Sanierungskonzepte muessen auf einen Ersatz der Mg- und Ca-Exporte (Basenverluste) sowie auf eine Verbesserung des Stickstoffspeichervermoegens des Waldoekosystems ausgerichtet sein. Ein Wasserhaushaltsmodell wurde an den Standorten Heidelberg, Altensteig und Couventwald geeicht und auf dieser Basis Wasser- und Stofffluesse berechnet. Fuenf Standorte des Stoffflussmessnetzes sind Teil des EU-weiten Level I-Programms.
Das Verstaendnis des Input-Output-Verhaltens und die Prognose der Stoffaustraege aus Waldoekosystemen ist fuer eine nachhaltige Nutzung von Waeldern eine wichtige Voraussetzung. Neben deterministischen Stoffhaushaltsmodellen werden hierfuer auch 'Transferfunktionen' verwendet, die eine Berechnung von Stoffaustraegen aus Elementeintrag und Parametern des Oekosystems bzw. Bodens ('Indikatoren') ermoeglichen. Der Vorteil solcher Transferfunktionen liegt in der Verwendung einfach zu messender, flaechig vorliegender Oekosystemparameter und damit in der Moeglichkeit der Regionalisierung. Auf der Basis veroeffentlichter Daten zum Stoffhaushalt von Waldoekosystemen aus der Bundesrepublik sowie aus Mittel- und Nordeuropa werden statistische Beziehungen zwischen einfach zu messenden Parametern des Bodens und der Vegetation und dem Stoffhaushalt von Waldoekosystemen hergestellt. Der Stoffhaushalt ist durch langjaehrige Daten zu den Eintraegen mit den Niederschlaegen und den Austraegen mit dem Sickerwasser bzw. dem Abfluss charakterisiert. Im Mittelpunkt stehen dabei die langjaehrigen N-Umsaetze sowie die Fluesse der Elemente S, Ca, Mg, H+ und Aln+. Die bislang bestehende, etwa 200 europaeische Fallstudien umfassende Datenbasis wird um nordamerikanische Standorte und um Fallstudien mit Manipulationen des Stoffhaushaltes erweitert. Ziel ist die Ableitung und Verbesserung der Transferfunktionen des Stoffhaushalts, die Regionalisierung und die Prognose der Stoffaustraege. Von der Erweiterung um nordamerikanische Standorte sind Impulse fuer die Generalisierung zu erwarten, da im Vergleich zu Europa geringere Eintraege und Unterschiede in der Nutzungsgeschichte vorhanden sind. Mit der Ausweitung der Datenbasis um manipulierte Standorte werden Prognosen zum Stoffaustrag nach Aenderungen der Stoffeintraege geprueft. Eine abschliessende Validierung erfolgt an einem unabhaengigen Bestandeskollektiv aus den Stoffbilanzstudien der forstlichen Versuchsanstalten. In Zusammenarbeit mit der Saechsischen Landesanstalt fuer Forsten (Graupa) erfolgt ferner die Vorhersage und Validierung der N-, S- und Kationenaustraege an BZE-Standorten im Freistaat Sachsen.
1. Erhebung des aktuellen Chemismus von ausgewaehlten Seen und Fliessgewaessern abhaengig von den geologischen Verhaeltnissen des Einzugsgebietes und typischen Witterungszustaenden mit dem Ziel, staerker durch atmogene Versauerung betroffene Seen aufzufinden und aus dieser Gruppe durch multivariate statistische Verf. einen repraesentativen See fuer die Untersuchung nach Pkt 2. auszuwaehlen. Analyse der Ionenkonzentration (Na, K, Ca, Mg, Al, NH4, Mn, Fe, Zn, Cu, Cd und Pb sowie HCO3, SO4, Cl, NO3 und PO4); Erfassung der organischen Bestandteile als DOC (dissolved org. carbon), da Einfluesse auf Saeurebindungsvermoegen und Schwermetallkomplexierung zu erwarten waren. 2. Messung des Eintrags durch Niederschlaege und Zufluesse sowie des Austrags o.g. Stoffe zur Erstellung von Bilanzen und zur Beurteilung des aktuellen Eintrags von Saeure und Schwermetallen und des aktuellen Pufferungsvermoegens im See; in diesem Zusammenhang Erfassung des Wasserhaushalts fuer ein Jahr (1984/85) 3. Untersuchung an Seesedimentkernen zu der Rekonstruktion der Depositionsgeschichte und Vergleich mit dem aktuellen Saeure- und Schwermetalleintrag; Entnahme ungestoerter Sedimentkerne, Datierung mittels radiochemischer Methoden, Bestimmung der Schwermetallgehalte und deren chemischen Bindungsform, Best. von pH-Wert, Kationenaustauschkapazitaet, Basensaettigung, Gehalt an organischer Substanz, an S, P, N, und Metallen wie unter Pkt. 1 genannt. Pollenanalyse zur Rekonstruktion der Wald- und Nutzungsgeschichte.
Die hydrologischen und hydrogeologischen Verhaeltnisse in der Umgebung einer Bergehalde werden untersucht. Die Hydrochemie der Grundwaesser in den verschiedenen Grundwasserstockwerken wird analysiert. Der Stoffaustrag aus der Halde sowie die Stoffumsetzungen im Grundwasserleiter werden mittels Grundwasser-Modellen simuliert. Es kommen sowohl hydraulische als auch Stofftransport-Modelle zum Einsatz.
Die dritte Phase des Verbundprojektes NIEDERSCHLAG beschaeftigt sich mit der grossraeumigen Quantifizierung des niederschlagsbedingten Stoffaustrages aus Stadtgebieten. In der ersten Phase des Verbundprojektes werden das Austrags- und das Transportverhalten anthropogener Schadstoffe in den einzelnen Teilsystemen der Stadtentwaesserung untersucht. In der zweiten Phase werden die Erkenntnisse der ersten Phase auf zwei Testgebiete (Dresden und Karlsruhe) uebertragen und mit Hilfe von Massenbilanzen ueberprueft. Die Arbeitsschritte der Quantifizierung entsprechen der Vorgehensweise bei der Anwendung eines Simulationsmodells. Die Ausgangsbasis bilden die Daten zum flaechenbezogenen Stoffaustrag, die im Rahmen der ersten und zweiten Phase des Verbundprojektes gewonnen wurden. Die Anpassung der Daten an zwei Testgebiete (Neckar und Lahn) entspricht der Modellkalibrierung und der Vergleich der Ergebnisse mit Daten der Gewaessergueteueberwachung fuer weitere Gewaessersysteme (z.B. Main, Mosel, Weser) der Modellvalidierung. Anschliessend soll die grossraeumige Anwendung anhand der Summation der Ergebnisse fuer die verschiedenen Flusseinzugsgebiete erfolgen. Ein sehr komplexer Anwendungsfall (z.B. Elbe) soll die Grenzen der Anwendbarkeit dieser Methode aufzeigen.
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