Abschlussbericht Betroffenheitsanalyse Ennepetalsperre

Von:

Johannes Horstkötter Sven Niechoj Jennifer Nolte

Anne Schroeder Susanne Walter

Nahezu 40% der Fläche Nordrheinwestfalens wird landwirtschaftlich genutzt. Zur Anreicherung der Böden mit Nährstoffen werden diese Flächen mit mineralischen und organischen Düngern gedüngt. Auf einigen Flächen, wie z.B. in Wasserschutzgebieten steht eine Düngung im direkten Konflikt mit der Gewinnung von Trinkwasser. Gerade die Ausbringung von Gülle als billigem und in der Massentierhaltung vielfach anfallendem Dünger, stellt ein Problem in Wasserschutzgebieten dar. Durch eine Überdüngung der Flächen kommt es nicht nur in Brunnen zu einer Verunreinigung durch Nitratanreicherung (BREHM & MEIJERING 1996) sondern auch durch Oberflächenabfluss nach Niederschlagsereignissen in Vorflutern. Besonders in Hanglagen und unmittelbarer Nachbarschaft zu Bächen und Flüssen besteht die Gefahr einer Verschmutzung der Oberflächengewässer mit Ammonium, Phosphat und organischen Substanzen (GISI et al. 1997). Dadurch wäre eine Trinkwasserqualität des Wassers nicht mehr gegeben (AHL et al. 2000).

1. Einleitung

1. Einleitung

Die Bevölkerung des Ruhrgebietes wird zu einem großen Teil mit Trinkwasser aus den Stauseen des Sauer- und Siegerlandes versorgt. Es ist daher sehr wichtig das Wasser dieser Stauseen immer wieder auf Schadstoffe zu untersuchen und Gefahrstoffe zu erkennen. Eine dieser Talsperren ist die Ennepetalsperre.

Der Einzugsbereich der Flüsse, der den Stausee mit Oberflächenwasser versorgt, wurde mit dem Bau der Talsperre zum Wasserschutzgebiet erklärt. Rechts und links der Flüsse und Bäche wurde zum Schutz des Oberflächenwassers ein 100m breiter Schutzstreifen angelegt, in dem das Ausbringen von Gülle gänzlich untersagt ist.

1. Einleitung

Mit Hilfe einer Betroffenheitsanalyse möchte die Landwirtschaftskammer Westfalen / Lippe in der Lage sein, durch eine gezielte Beratung die Landwirte unterstützen zu können, um so die Gefahr einer versehentlichen Gülleeintragung in den Schutzstreifen zu verringern.

Die vorliegende Arbeit soll eine Methodik aufzeigen, mit der, im Falle einer Verschmutzung des Trinkwassers durch Gülle und dessen Abbauprodukte, der Verursacher ermittelt, oder zumindest die Quelle stark eingegrenzt

werden kann.

Übersicht des Untersuchungsgebietes

Schutzstreifen

Ennepetalsperre

Fließgewässer

Nutzungstypen

Abb. 1: Übersicht des Untersuchungsgebiets

Zur Analyse und Darstellung der Ergebnisse wurde die Geoinformations-systeme ArcINFO 8.02 sowie ArcView 3.2 der Firma ESRI verwendet.

Als Datengrundlage dienten uns ALK- und ATKIS-Daten, Wasserschutz-gebietsgrenzen, die Teileinzugsgebiete der Bäche und Flüsse und Nutzungs-tabellen. Diese Nutzungstabellen wurden bei einer Befragung der im Wasserschutzgebiet wirtschaftenden Landwirte erstellt; jeder Landwirt sollte angeben, welcher Flächenanteil eines Flurstücks zu einem seiner Schläge gehört.

Als Kartengrundlage dienten bereits georeferenzierte Deutsche-Grundkarten im Maßstab 1:5000.

2. Methodik

Um die in den Schutzstreifen entlang der Oberflächengewässern liegenden landwirtschaftlichen Nutzflächen und die dort wirtschaftenden Landwirte genau erfassen zu können, und beim Auftreten einer Gewässerverun-reinigung (zumindest näherungsweise) ermitteln zu können, müssen bei der Bearbeitung folgende Ziele verfolgt werden:

- Darstellung der betroffenen Flächen / Landwirte

- Berechnung der betroffenen Flächengrößen

- Möglichkeit zur Ermittlung der Verursacher von Gewässerbelastungen

3. Ziele

• 4.1 Vorgehensweise (Betroffenheitsanalyse)

• 4.2 Vorgehensweise (Verursacherermittlung)

4. Vorgehensweise

4.1 Vorgehensweise (Betroffenheitsanalyse)

Zunächst müssen die für die Untersuchung wichtigen Fließgewässer selektiert werden. Dies geschieht durch eine Auswahl der Flüsse, Bäche, Kanäle und Gräben aus dem Gesamtdatensatz der linienhaften Elemente der ATKIS-Daten und dem Abspeichern als eigener Layer.

Dieser neue Layer muss mit dem Datensatz, der die Wasserschutzgebiete (drei Schutzgebietsstufen) beschreibt, wiederum verschnitten werden, damit nur die Fließgewässer innerhalb der drei Wasserschutzgebietskategorien in die weiteren Bearbeitungsschritte einfließen.

Die folgende Abbildung zeigt das erste Zwischenergebnis:

Ergebnis der Auswahl

Abb. 2: Ergebnis der Auswahl

hellblau: Ennepetalsperre

(WSG 1)

mittelblau: WSG 2

Dunkelblau: WSG 3

blaue Linien: Fließgewässer

rot: Schutzstreifen

schwarz: DGK 5

4.1 Vorgehensweise (Betroffenheitsanalyse)

Als weiterer Aspekt der Betroffenheitsanalyse ist es notwendig die verschiedenen Bewirtschafter den jeweiligen Flächen / Schlägen zuordnen zu können. Dazu ist es notwendig, das ein Datensatz, der die Flurstücke beschreibt, mit einem Datensatz, der die Bewirtschafter und deren Bewirtschaftungsform beinhaltet, verschnitten wird.

Der Flurstück-Datensatz lag bereits als *.dbf-File vor. Informationen über die Landnutzungsform und deren Besitzer gab es in Form einer Excel-Tabelle, die im Rahmen einer Bewirtschaftungsumfrage erstellt wurde. Um beide Datensätze miteinander verschneiden zu können, muss die Excel-Tabelle zunächst als *.dbf abgespeichert werden. Beide *.dbf-Datensätze müssen in sogenannte Info-Tabellen konvertiert werden. Hierfür, und für die eigentliche Verschneidung, benötigt man die ArcToolbox.

4.1 Vorgehensweise (Betroffenheitsanalyse)

Über die Funktion Conversion Tools => Join Tables lassen sich Info-Tabellen über einen gemeinsamen Parameter miteinander verbinden. Der Flurstück-Datensatz enthielt die Angaben der Parzellennummer und eine ID (Identifikationsnummer). Die Bewirtschaftungsumfrage bestand aus den Daten Parzellennummer, BetriebsID, SchlagID, Flächengröße und Nutzungart.

Als gemeinsamer Verschneidungsparameter kommt somit nur die Parzellennummer in Betracht.

Auswahl der betroffenen Flächen:

Eine Untersuchung des Institutes für Geoinformatik hat gezeigt, dass es nicht notwendig ist, generell einen 100m breiten Schutzstreifen entlang aller Oberflächengewässer auszuweisen. Die folgenden Abbildungen werden dies bestätigen.Nicht alle Flächen innerhalb des Schutzstreifens werden landwirtschaftlich genutzt, es ist nicht nötig, diese ins Schutzstreifenkonzept mit einzubeziehen. Um genau die Flächen darzustellen, in denen ein Eintrag von Gülle besonders kritisch und gefährlich ist, ist es notwendig diese Flächen innerhalb der Schutzstreifen zu selektieren.

4.1 Vorgehensweise (Betroffenheitsanalyse)

4.1 Vorgehensweise (Betroffenheitsanalyse)

Zur Verschneidung zweier Flächen (hier Schläge mit Schutzstreifen) verwendet man die Intersect-Funktion von ArcInfo. In unserem Fall war dies aus folgendem Grunde nicht möglich; die einzelnen Äcker der Landwirte bestehen manchmal aus zwei Flächen die über eine schmale Verbindung (Brücke oder Feldweg) miteinander verbunden sind. Der uns zur Verfügung stehende Datensatz bezieht sich allerdings auf die Gesamtfläche.

Wird nun der Schutzstreifen mit einer solchen Fläche verschnitten, wird die Verbindung gekappt und der Datensatz nur noch einer der beiden Flächen zugeordnet. Dies wirft die beiden Probleme auf, das erstens die Daten (insbesondere die Flächegröße) nicht mehr richtig sind und zweitens eine Teilfläche keine Daten mehr erhält.

4.1 Vorgehensweise (Betroffenheitsanalyse)

Eine Lösung des Problems ist, nach unserer Erfahrung, mit ArcInfo derzeit nicht möglich!

Man ist daher gezwungen die Verschneidung in ArcView (Clip-Funktion) vorzunehmen!

Die folgende Abbildung zeigt vier Typen der Landnutzung innerhalb der Schutzstreifen: gelb: Acker

grün: Grünlandgrau: Flächen ohne Nutzungsangabenrot (quergestreift): Landnutzung ohne Gülleeintrag (z.B.

Wald, sonstige)

Abb. 3: Ergebnis der Verschneidung vom Schutzstreifen mit den Schlägen

4.1 Vorgehensweise (Betroffenheitsanalyse)

Berechnung der Flächengröße:

Das zweite Ziel unserer Bearbeitung war eine Berechnung der Flächengröße, mit der jeder Landwirt vom Schutzstreifenkonzept betroffen ist. Dazu verwendet man in der ArcToolbox von den AnalysisTools die Statistics- Funktionen und ganz speziell die Funktion SummaryStatistics. Mit dieser Funktion wurde über die BetriebsID berechnet, welcher Landwirt mit wie vielen Flächen (FREQUENCY) und welcher Gesamtgröße (SUM-BETRQM) innerhalb der Schutzstreifen liegt. Eine differenziertere Analyse durch eine Aufspaltung der Ergebnisse nach den Landnutzungsformen Acker, Grünland und Sonstige ist mit ArcInfo leider nicht möglich.

4.1 Vorgehensweise (Betroffenheitsanalyse)

In diesem Fall ist es nicht möglich eine Funktion von ArcView zu nutzen, da in ArcView lediglich Verknüpfungen zwischen den verschiedenen Datensätzen gespeichert werden. Wird der bearbeitete Datensatz in ArcInfo eingeladen, bestehen diese Verknüpfungen nicht mehr.

Die folgende Abbildung zeigt das Ergebnis der Flächenberechnung über die BETRIEBS_ID mit Angaben zur Flächenanzahl und der Gesamtfläche). Der Betrieb 35 liegt mit knapp 2,7ha auf 7 Flächen innerhalb der Schutzstreifen.

Abb. 4: Berechnung der betroffenen Flächengröße pro Betrieb über Summary Statistics

4.2 Vorgehensweise (Verursacherermittlung)

Das dritte Ziel dieser Bearbeitung war eine Verursacherermittlung im Falle einer Gewässerverunreinigung. Hierzu haben wir folgendes Konzept ausgearbeitet.

Am Entnahmepunkt des Trinkwassers, der vermutlich nahe der Staumauer liegt, soll eine feste, stationäre Messanlage installiert werden, die in gewissen Zeitabständen die Wasserqualität automatisch erfasst. Entlang der Vorfluter soll kurz hinter jeder Mündung der Fließgewässer ebenfalls eine Messstation eingerichtet werden (stationär oder mobil). Tritt nun an der Wasserentnahmestelle eine erhöhte Schadstoff-konzentration auf, so muss der Schadstoffeintrag an allen unmittelbar nächsten Einleitern überprüft werden. Wird eine erhöhte Konzentration nur an einer Stelle festgestellt, fallen alle anderen Vorfluter aus der weiteren Untersuchung heraus. Flußaufwärts kann man so hinter jeder Mündung einen Teilabschnitt des Flusssystems ausschließen oder bestätigen.

4.2 Vorgehensweise (Verursacherermittlung)

In unserem Beispiel soll eine Verschmutzung innerhalb des roten Kreises (Abb. 5) auftreten. Nur am Ventil (Messstation) an der linken Seite des Kreises können Schadstoffe nachgewiesen werden. Durch das Ausschlussprinzip ist es möglich, den Verursacher des Gülleeintrags aus dem Gesamtgebiet (siehe Abb. 1) auf die Bewirtschafter des relativ kleinen Fliessgewässerabschnittes innerhalb des Kreises einzudämmen.

Die meisten Landwirte kommen damit als Verursacher nicht mehr in Frage und können ausgeschlossen werden.

Ventile

Quellen (Sources)

Senke (Sink)

Mobile Meßstation

Abb. 5: Rückverfolgung von Gewässerverschmutzungen mit einem Netzwerk

Informationen über die jeweiligen Flächen und deren Bewirtschafter, der FlächenID, SchlagID, BetriebsID, NutzungsID und der Flächengröße erhält man über den Info-Button.

Abb. 6: Identifizierung der potentiellen Schadstoffquellen

4.2 Vorgehensweise (Verursacherermittlung)

Eine Erstellung eines richtigen Netzwerkes mit Analysefunktionen war uns leider nicht möglich. Wir sehen hierfür im wesentlichen folgende Gründe:

1. Die Erstellung eines Netzwerkes ist nur in einem sehr geringen Maße als benutzerfreundlich anzusehen. Viele Arbeitsschritte, die notwendig sind, wurden vom Programm ignoriert, nicht bestätigt oder fehlerhaft ausgeführt. So erhielten wir beim Übernahmeversuch eines bestehenden Koordinatensystems aus einem Shapefile in ein anderes keinerlei Rückmeldung und gingen davon aus, das diese Übernahme gecheitert war. Es war bei diesem, und bei weiteren Problemen nicht ersichtlich, ob der Fehler beim Anwender, beim Programm oder rechnerbezogen bei der Installation des Programms lag.

5. Literatur & Software

Software:

- ArcInfo 8.0.2 & ArcView 3.2

Literatur:

-AHL,C., K. BECKER, R. JÖRGENSEN, F.-W. KLAGES, H. WILDHAGEN (2000): Aspekte und Grundlagen der Bodenkunde. Göttingen, Witzenhausen.

-BREHM, J., P. MEERTINUS & D. MEIJERING (1996): Fließgewässerkunde – Einführung in die Ökologie der Quellen ,Bäche und Flüsse. Wiesbaden.

-GISI, U., R. SCHENKER, R. SCHULIN, F. STADELMANN, H. STICHER (1997): Bodenökologie. Stuttgart, New York.