Effektivität von Maßnahmen zur Reduktion der Phosphorbelastung der oberösterreichischen Fließgewässer 51
Zusammenfassung Um die Effektivität von Maßnahmen zur Verringerung der Phosphorbelastung von Gewässern auf Ebene von Einzugsgebieten abschätzen zu können, ist eine umfassende Kennt-nis des Zusammenhanges zwischen menschlicher Aktivität, den daraus re-sultierenden Emissionen und den Aus-wirkungen auf die Gewässer erforder-lich. Als wesentliche Grundlage dafür wird eine quantitative Darstellung des Zusammenhanges zwischen Emissions-frachten über unterschiedliche Eintrags-pfade und Gewässerkonzentrationen unter Berücksichtigung der Retention in Landschaft und Gewässer benötigt.
Darauf aufbauend können lokale Maß-nahmenwirkungen zur Emissionsre-duktion bewertet, das Potenzial für eine Umsetzung der Maßnahmen in einer Region aufgrund der vorherrschenden Gebietskulisse und Landbewirtschaf-tung erhoben und die Maßnahmen-wirksamkeiten im Kontext von Gesamt-emissionen und Retention dargestellt werden. Ergebnisse entsprechender Untersuchungen in Oberösterreich zei-gen, dass Erosionsschutzmaßnahmen bzw. Maßnahmen zur Vermeidung von erosiven Phosphoreinträgen in Fließge-wässer vor allem dann ein hohes Poten-zial zur Reduktion von Phosphorbelas-tungen von Gewässern haben, wenn sie gezielt verortet werden (Flächen mit hoher Konnektivität zu Gewässern bzw. Gewässerrandstreifen).
Effectiveness of measures to reduce the phosphorus load in Upper Austrian running water bodies
Abstract Assessing the effectiveness of measures to reduce the phosphorus loads in bodies of water in the plains of catchment areas requires a comprehen-sive grasp of the interactions between human activities, resulting emissions, and their effects on those waters. A quan-titative representation of the connection between emissions loads over different pathways and emissions concentrations, and which takes into account the reten-tion in both land and water, is called for as an essential basis. Once this has been established, in the next phase the effects of local emission reduction measures can be evaluated, the suitability of said measures for implementation in a given region on the basis of the predominant local conditions and land use manage-ment can be determined, and the ef-fectiveness of the respective models can be represented in the context of overall emissions and retention. The findings
of related studies in Upper Austria show that erosion protection measures and/or measures to avoid erosive phosphorus emissions in running water bodies have the best potential for reducing phospho-rus loads when they are precisely tar-geted (used in areas with a high degree of connectedness to bodies of water or adjacent to running waters).
1. Einleitung und Problemstellung
Bereits seit etwa 20 Jahren gilt eine Abwas-serreinigung mit weitgehender Nährstoff-entfernung (Stickstoff und Phosphor) als Stand der Technik in Österreich. Dieser Stand der Technik ist auf Öster-reichs Kläranlagen heute weitestgehend umgesetzt. Trotzdem zeigt die Bestands-analyse, dass nach wie vor ein nicht unerheblicher Teil der österreichischen Fließgewässer gefährdet ist, den guten Zustand nach Wasserrechtsgesetz auf-grund von Nährstoffbelastungen nicht zu erreichen (BMLFUW 2005). Speziell in Oberösterreich betrifft dies immerhin etwa ein Drittel der Fließgewässer. Zudem trägt Österreich über die Donau nicht unerheblich zur Nährstoffbelastung des eutrophierungs-gefährdeten, westlichen Schelfbereichs des Schwarzen Meeres bei (Schreiber et al. 2005). Wesentliche Quellen von Phosphoremissionen in die Gewässer sind die landwirtschaftliche Bodenbewirtschaftung, die Kommunen und Industrie über Abwasseremissionen und die Hintergrundbelastung aus geo-genen Quellen.
Maßnahmen, die zu einer Verringe-rung der Nährstoffbelastung der Gewässer führen sollen, müssen über den derzeiti-gen Stand der Technik bei der Abwasser-reinigung hinausgehen und/oder diffuse Belastungen z. B. aus der Landwirtschaft reduzieren. Zur Erhebung der Effektivi-tät entsprechender Maßnahmen auf die Nährstoffkonzentrationen bzw. -frachten in den Gewässern ist die Kenntnis des Zu-sammenhanges zwischen den Aktivitäten,
Österr Wasser- und Abfallw (2014) 66:51–58DOI 10.1007/s00506-013-0130-2
Effektivität von Maßnahmen zur Reduktion der Phosphorbelastung der oberösterreichischen FließgewässerMatthias Zessner · Oliver Gabriel · Max Kuderna · Christine Weinberger · Gerold Hepp · Adam Kovacs · Georg Windhofer
A.o. Univ.-Prof. DI Dr. M. Zessner () · DI G. HeppInstitut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft, Technische Universität Wien, Karlsplatz 13, 1040 Wien, ÖsterreichE-Mail: [email protected]
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Originalarbeit
die zu den Emissionen führen, und der Gewässerbelastung Voraussetzung.
Für das Land Oberösterreich soll die Reduktion der Nährstoffbelastungen der Gewässer (Stickstoff und Phosphor) einen Schwerpunkt in der Maßnahmen-planung für den nächsten Gewässer-schutzplan darstellen. Um Grundlagen dafür zu erarbeiten, wird derzeit in Ober-österreich eine Reihe von Forschungsak-tivitäten durchgeführt. Der vorliegende Artikel fasst einige dieser Arbeiten zu-sammen. Der Fokus dabei liegt im Be-reich von Maßnahmen zur Reduktion der Phosphorbelastung von Gewässern. Dies entspricht zum einen dem Grundthema dieser Ausgabe der „Österreichischen Wasser- und Abfallwirtschaft“ und zum anderen steht die Phosphorbelastung (Orthophosphat) der Oberflächenge-wässer der Erreichung des guten Zustan-des wesentlich häufiger entgegen als die Stickstoffbelastung (Nitrat).
In einem ersten Schritt wurden die Emissionsfrachten von Phosphor über relevante Quellen und Eintragspfade quantitativ dargestellt und in Bezug zu den resultierenden Phosphorkonzent-rationen in den Gewässern gebracht. In einem zweiten Schritt wurde die lokale Wirkung von potenziellen Maßnahmen zur Reduktion von Nährstoffverlusten aus der Land- und Siedlungswasserwirtschaft erhoben und in einem dritten Schritt de-ren Wirksamkeit unter Berücksichtigung der Gebietskulisse auf der Ebene unter-schiedlicher (Teil-)Einzugsgebiete quan-tifiziert. In einem vierten Schritt wird eine
Möglichkeit vorgestellt, um Maßnahmen zur Reduktion des Phosphoreintrages in Gewässer aus der Erosion nach Effizienz-kriterien im Einzugsgebiet zu verorten.
2. Quellen und Eintragspfade von Phosphor in oberösterreichische Fließgewässer
2.1. Methodik
Für die Quantifizierung der Phosphor-emissionen aus unterschiedlichen Quellen und über unterschiedliche Ein-tragspfade wurde das Nährstoffemissions-modell MONERIS (Behrendt et al. 1999; Venohr et al. 2009) verwendet. MONE-RIS ist ein empirisches Emissionsmo-dell, über welches Nährstoffemissionen in Fließgewässer über unterschiedliche Eintragspfade als Jahresfrachten berech-net werden. Unter Berücksichtigung der Retention bzw. Denitrifikation in den Gewässern werden in einem nächsten Schritt Gewässerfrachten berechnet, wel-che im Gewässer beobachteten Frachten zur Modellvalidierung gegenübergestellt werden können. Im Rahmen des Projek-tes STOBIMO-Nährstoffe (Gabriel et al. 2011; Schilling et al. 2011; Zessner et al. 2011a sowie Schilling und Gabriel 2013) wurde das Modell an die österreichischen Verhältnisse adaptiert und zur Berech-nung von 90 %-Perzentilen der Konzent-rationen der Nährstoffparameter NO
3-N
und PO4-P in den Fließgewässern erwei-
tert. Im Zuge zweier vom Land Ober-
österreich beauftragter Projekte konnte die Datengrundlage für die in Ober-österreich gelegenen Einzugsgebiete verfeinert, konnten Neuberechnungen durchgeführt und die Berechnungser-gebnisse an beobachteten Konzentratio-nen und Frachten von Nährstoffen in den oberösterreichischen Fließgewässern validiert werden (Zessner et al. 2011b; Zessner et al. 2012; Zessner et al. 2013). Die Bearbeitung dieser beiden Projekte stellt die Grundlage für die hier darge-stellten Ergebnisse dar.
2.2. Ergebnisse
Die TP-Gesamtemissionen in Oberös-terreich betragen rund 760 t/a. Etwa die Hälfte davon kommt aus landwirtschaft-lichen Quellen, wobei die Erosion als Eintragspfad überwiegt (Abb. 1, links). Emissionen aus kommunalen und indus-triellen Quellen steuern etwa ein Drittel zu den Gesamtemissionen in Oberös-terreich bei. Als Eintragspfad überwie-gen dabei die Punkteinleitungen über die sonstigen kommunalen Einträge (Regenkanalisationen, Mischkanalisa-tionen und nicht an die Kanalisation angeschlossene EinwohnerInnen). Bei jenen Gewässern, die im Risiko stehen, den guten Zustand aufgrund von erhöh-ten PO
4-P-Konzentrationen nicht einzu-
halten (Abb. 1, rechts), ist die Dominanz der Emissionen aus landwirtschaftlichen Quellen noch weit höher als bei der Betrachtung aller oberösterreichischer Gewässer. Hier machen die Einträge über
Abb. 1 Quellen der Gesamtphosphor-Emissionen; links: alle oberösterreichischen Einzugsgebiete; rechts: Einzugsgebiete mit PO4-P-Richtwertüberschreitungen (Zessner et al. 2013)
Originalarbeit
Effektivität von Maßnahmen zur Reduktion der Phosphorbelastung der oberösterreichischen Fließgewässer 53
landwirtschaftliche Erosion alleine etwa die Hälfte der Gesamtemissionen für Phosphor aus.
3. Wirkung von Maßnahmen in der Landwirtschaft zur Verringerung von Nährstoffverlusten
3.1. Allgemeines
Sollen die Gewässerbelastungen redu-ziert werden, ist es erforderlich, zielge-richtet Maßnahmenpläne zu entwickeln. Eine wesentliche Grundlage dafür ist, die lokale Wirkung von Maßnahmen zu kennen, um dann die Wirksamkeit von Maßnahmen und Maßnahmenkombina-tionen auf Einzugsgebietsebene abschät-zen zu können. Speziell in Gebieten mit Problemen mit der Erreichung des guten Zustandes aufgrund von Phosphorbelas-tungen gelangt Phosphor hauptsächlich über die Erosion aus landwirtschaftlich genutzten Flächen in die Gewässer. Über Rücklösung aus der partikulären Phase wird Phosphor auch in seiner gelösten Form als Orthophosphat verfügbar. Es wurden daher Maßnahmen im Bereich der Landwirtschaft ausgewählt, die den Bodenabtrag bzw. den Sedimenttrans-port vermindern und damit potenziell zu einer Reduktion der Phosphoremissionen in die Fließgewässer beitragen können.
Die tatsächliche Wirksamkeit einer Maßnahme ist nicht nur von ihrer Wir-kung an dem Ort, wo sie umgesetzt wird, abhängig, sondern auch von der Anzahl und Größe der teilnehmenden Flächen. Die folgenden Darstellungen beschrän-ken sich auf die Wirkung am Ort der Maßnahmenumsetzung. In Kap. 4. wird dann gezeigt, wie sich Maßnahmen unter Berücksichtigung der Gebietskulisse im Gesamtzusammenhang auf Ebene von (Teil-)Einzugsgebieten auswirken können.
Die vorgeschlagenen landwirtschaftli-chen Maßnahmen können untereinander größtenteils kombiniert werden, sprich gleichzeitig an einem Feldstück angewen-det werden. Bei manchen Maßnahmen ist dies aufgrund ihrer gegensätzlichen Be-schaffenheit nicht oder allenfalls nur mit Einschränkungen möglich (z. B. „Frucht-folgeauflage auf steilen Hängen“ und „Begrünung von Acker“).
Im Folgenden werden die betrachte-ten landwirtschaftlichen Maßnahmen und deren Wirkung kurz dargestellt. Für eine genauere Ausführung der Maß-nahmen – auch jener die im Bereich des Stickstoffs wirksam werden – wird auf Ku-derna (2013) verwiesen.
3.2. Durchgehende Bodenbedeckung mit/ohne Nutzung
Die Maßnahme „Durchgehende Boden-bedeckung“ sieht eine Umwandlung von Ackerland in Grünland bzw. in Grün-brache vor, je nachdem, ob eine Nutzung erfolgt (Grünland) oder nicht (Grünbra-che). Die Wirksamkeit dieser Maßnahme auf den Verlust von Phosphor aus land-wirtschaftlichen Flächen wurde anhand der Differenz zwischen dem Bodenab-trag von Ackerflächen und Grünland- bzw. Grünbracheflächen berücksichtigt. Da Grünland und Grünbrache dieselbe Schutzwirkung unterstellt wird, erfolgt bei der Wirkung dieser Maßnahme keine Unterscheidung zwischen den Varian-ten „mit Nutzung“ und „ohne Nutzung“. Stärkeren Einfluss auf die Wirkung übt die topografische Lage der umgewandelten Flächen aus. Daher wurde für die Betrach-tung der Wirkung dieser Maßnahme zusätzlich die Hangneigung berücksich-tigt. Die Maßnahme „Durchgehende Bodenbedeckung auf steilen Hängen“ sieht eine Umwandlung von Ackerflächen in Grünland- bzw. Grünbracheflächen vorzugsweise auf steilen Hängen (Hang-neigung > 8 %) vor. Sowohl die Erosion als auch das Reduktionspotenzial durch Umwandlung der Flächennutzung ist auf steil geneigten Flächen höher (Abb. 2), wodurch der Phosphoreintrag in Ober-flächengewässer überproportional redu-ziert werden kann.
3.3. Gewässerrandstreifen
Hier wird die Wirkung einer Maß-nahme betrachtet, bei der Ackerflächen im Bereich von ca. 25 m Abstand zum Fließgewässer in Grünland oder Grün-brache umgewandelt werden. In diesem Gewässerrandstreifen wird hangaufwärts erodiertes Bodenmaterial zurückge-halten und damit der partikuläre Phos-phoreintrag ins Gewässer verringert. Untersuchungsergebnisse und Literatur-daten zeigen, dass die Wirksamkeit von Gewässerrandstreifen in einem hohen Ausmaß schwanken kann. Alles in allem kann man davon ausgehen, dass durch diese Maßnahme der Phosphoreintrag ins Oberflächengewässer um 50 bis 90 % reduziert werden kann (Osborne und Kovacic 1993; Wpa et al. 2009; Schmie-derer et al. 2010). Das Ausmaß des Rück-haltes kann in Abhängigkeit der lokalen Situation jedoch stark unterschiedlich sein. Durch Ausweitung der Maßnahme auf > 30 m Breite des Gewässerrand-streifens kann die Wirkung tenden-
ziell verstärkt werden. Für die weitere Betrachtung wurde mit einem mittleren Rückhalt von 70 % gerechnet. Detaillier-tere Berechnungen mithilfe des PhosFa-te-Modells werden in Kap. 5 dargestellt.
3.4. Begrünung von Acker
Bei der Maßnahme „Begrünung von Acker“ wurde angenommen, dass der Anteil von Flächen mit Winterbegrünun-gen erhöht wird, wobei die derzeitige prozentuale Verteilung der unterschied-lichen Begrünungsvarianten, wie sie im ÖPUL 2007 (BMLFUW 2007) beschrieben ist, beibehalten wird. Durch den Anbau von Begrünungen sinkt der Bodenabtrag von diesen Flächen und es kommt insge-samt zu einer Verringerung der Phosphor-emissionen in die Gewässer. Zusätzlich dazu wurde davon ausgegangen, dass im Anschluss von Begrünungsvarianten, welche einen Begrünungszeitraum bis ins folgende Frühjahr vorsehen, zum Teil im Mulch- und Direktsaatverfahren ange-baut wird. Der Bodenabtrag sinkt somit auf den betreffenden Flächen weiter und es kommt zu einer weiteren Verringerung der Phosphoremissionen. In Abhängig-keit von der Hangneigung wird auf der betreffenden Fläche der Bodenabtrag um 35 bis 42 % durch Begrünungen und 45 bis 56 % durch Begrünungen mit anschlie-ßender Mulch- oder Direktsaat reduziert (Abb. 3).
Abb. 3 Verminderung des Bodenab-trags durch Begrünung und Bodenbe-arbeitungsmaßnahmen auf unterschied-lich geneigten Flächen
Abb. 2 Bodenabtrag bei unterschied-licher Hangneigung und Nutzungsform
54 Effektivität von Maßnahmen zur Reduktion der Phosphorbelastung der oberösterreichischen Fließgewässer
Originalarbeit
3.5. Fruchtfolgeauflagen auf steilen Hängen
Diese Maßnahme sieht eine Frucht-folgeauflage auf Ackerflächen mit einer Hangneigung von mehr als 8 % vor, da bestimmte Kulturen erosionsfördernd bzw. -mindernd wirken. Im konkreten Fall wird zur Bewertung der Wirkung Silomais durch Kleegras ersetzt und Kör-nermais durch Wintergerste. Auf Flächen > 8 % Hangneigung kann dadurch eine Verminderung des Bodenabtrages um 76 % auf ehemaligen Körnermaisflächen (Abb. 4) und um 99 % auf ehemaligen Silomaisflächen erreicht werden (Abb. 5).
4. Wirksamkeit von Maßnahmen zur Reduktion von Phosphorbelastungen der Gewässer
4.1. Methodische Vorgangsweise
Um aus der lokalen Wirkung von Maß-nahmen auf die potenzielle Wirksamkeit der Maßnahmen schließen zu können, ist es erforderlich, die potenzielle Umset-zung der jeweiligen Maßnahmen im Ein-zugsgebiet zu berücksichtigen. So kann eine Maßnahme, die lokal eine große Wirkung aufweist, im Kontext des Ein-zugsgebietes nur eine geringe Wirksam-keit entfalten, wenn sie nur auf wenigen Flächen umgesetzt werden kann. Im Folgenden werden die Annahmen darge-stellt, die für die Berechnungen der Wirk-
samkeiten auf Ebene der Einzugsgebiete angesetzt wurden.
Maßnahme P1a: durchgehende Bodenbe-deckung auf 7 % der Ackerflächen
Es wurde für alle Teileinzugsgebiete eine Umwandlung von 7 % der derzeitigen Ackerflächen in Grünland angenommen bzw. in eine (in der Wirkung gleichzu-haltenden) Grünbrache. Der gewählte Prozentsatz entspricht damit der zum Zeitpunkt der Bearbeitung laufenden Diskussion über zukünftige Agrarförde-rungen und Agrarumweltprogramme, wo Stilllegungen in vergleichbarem Umfang verpflichtend werden könnten.
Maßnahme P1b: durchgehende Boden-bedeckung auf steilen Hängen auf 7 % der Ackerflächen
Es wurde für alle Teileinzugsgebiete eine Umwandlung von 7 % der derzeiti-gen Ackerflächen in Grünland bzw. eine Grünbrache angenommen. Dabei wurde festgelegt, dass diese Umwandlung vor-zugsweise auf den steilen Hängen (> 8 % Hangneigung) stattfindet. Auf diesen Flä-chen wird bei dieser Maßnahme für jedes Teileinzugsgebiet der aus der Hangnei-gung resultierende Bodenabtrag für Acker durch jenen für Grünland ersetzt.
Maßnahme P1c: durchgehende Boden-bedeckung auf allen eintragsrelevanten Flächen
Wiederum wurde für alle Teileinzugs-gebiete eine Umwandlung eines Teils der Ackerflächen in Grünland bzw. eine Grünbrache angenommen. Dieser Maßnahme liegt jedoch die Annahme zugrunde, dass es sich bei diesen Acker-flächen um jene handelt, welche für den Bodeneintrag in die Fließgewässer rele-vant sind.
Maßnahme P2: durchgehende Bodenbe-deckung (Gewässerrandstreifen 25 m)
Diesem Szenario liegt die Annahme einer Einführung von Gewässerrandstreifen mit ca. 25 m Breite zugrunde. Es wurde davon ausgegangen, dass diese Maß-nahme flächendeckend dort realisiert wird, wo es zu relevanten Sedimentein-trägen kommt. Eine Lokalisierung der relevanten Bereiche ist über MONERIS nicht möglich. Hier muss auf andere Modellierungsansätze zurückgegriffen werden (siehe Kap. 5).
Maßnahme P3/4o: ohne Begrünung und Bodenbearbeitung von Acker
Im Jahr 2007, das Basis der durchgeführ-ten Berechnungen war, wurden auf 21 %
der Ackerfläche Oberösterreichs Maß-nahmen zur Winterbegrünung durch-geführt und auf 11 % der Ackerfläche wurde die darauffolgende Kultur im Mulch- oder Direktsaatverfahren ange-baut. Es wurde angenommen, dass auf jenen Ackerflächen, auf denen zurzeit eine Winterbegrünung stattfindet, diese nicht umgesetzt wird. Das Gleiche gilt für jene Flächen, auf denen derzeit Bodenbe-arbeitungsmaßnahmen zum Schutze vor Bodenabtrag durchgeführt werden.
Maßnahme P3/4m: maximale Begrünung von Acker
Es wurde angenommen, dass auf 30 % der Flächen eine Winterbegrünung angelegt wird. Dies ist ein Ausmaß, wel-ches auf Basis der typischen Fruchtfol-gen in Oberösterreich maximal möglich erscheint. Zudem wurde dort, wo es auf-grund der Fruchtfolge möglich ist, davon ausgegangen, dass im Anschluss an eine Winterbegrünung im Mulch- oder Direkt-saatverfahren angebaut wird. Damit kann der Anteil der Flächen mit Mulch- und Direktsaat auf maximal 15 % der Ackerflä-che erhöht werden.
Maßnahme P5: Fruchtfolgeauflagen auf steilen Hängen
Um beispielhaft mögliche Auswirkun-gen von Fruchtfolgeauflagen auf steilen Hängen darstellen zu können, wurde in diesem Szenario angesetzt, dass auf allen Ackerflächen mit einer Hangneigung von mehr als 8 % Kleegras statt Silomais und Wintergerste statt Körnermais angebaut wird. Im Weiteren könnten hier auch andere Fruchtfolgeauflagen überlegt und rechnerisch umgesetzt werden.
Maßnahme P11: Phosphorentfernung < 0,5 mg TP/l auf allen Kläranlagen
Neben möglichen Maßnahmen im Bereich der Landwirtschaft wird auch eine mögliche Maßnahme im Bereich der Abwasserwirtschaft betrachtet. Dabei wird angenommen, dass alle Kläranla-gen mit einer Phosphorentfernung auf einem Ablaufgrenzwert von 0,5 mg TP/l betrieben werden. Für eine quantitative Umsetzung wurde von einer mittleren Ablaufkonzentration von 0,4 mg/l für alle kommunalen Kläranlagen ausgegangen. Für industrielle Einleiter wurde keine Emissionsreduktion angesetzt. Diese spielen für die kleineren oberösterreichi-schen Gewässer keine wesentliche Rolle, da deren Emissionen zum überwiegen-den Teil in die größeren Gewässer Donau und Traun eingetragen werden.
Abb. 5 Bodenabtrag bei Silomais und Kleegras bei unterschiedlicher Hangnei-gung
Abb. 4 Bodenabtrag bei Körnermais und Winterweizen bei unterschiedlicher Hangneigung
Originalarbeit
Effektivität von Maßnahmen zur Reduktion der Phosphorbelastung der oberösterreichischen Fließgewässer 55
Soll nun die Wirksamkeit einer Maß-nahme im Kontext eines Einzugsgebietes auf die Belastung der Gewässer betrach-tet werden, sind – neben der Wirkung der Maßnahme zur Reduktion der Emissio-nen in die Umwelt – Einträge, die durch die jeweilige Maßnahme nicht beeinflusst werden, mit zu berücksichtigen. Weiters muss die Retention von Phosphor im Einzugsgebiet, welche die Wirksamkeit einer Maßnahme auf die Fließgewässer dämpfen kann, in die Berechnung mit einbezogen werden. Für diese Berech-nungen wurde wiederum das Emissions-modell MONERIS eingesetzt (siehe auch Kap. 2). Lokale Maßnahmenwirkungen wurden unter Berücksichtigung des Um-setzungspotenzials auf Ebene von Teil-einzugsgebieten berechnet. Dazu wurden zunächst die auf Ebene der Katastralge-meinden vorliegenden Informationen auf Teileinzugsgebietsebene aggregiert (Verschneidung). Die Ergebnisse dieser Berechnungen sind für jedes Teileinzugs-gebiet ein geänderter Bodenabtrag, eine geänderte Sedimentretention über Ge-wässerrandstreifen oder eine geänderte Emission über Kläranlagenabläufe. Mit den neuen Eingangsparametern wurden die Modellberechnungen über MONERIS erneut durchgeführt und die gegenüber dem Ist-Zustand geänderten Emissions-frachten über unterschiedliche Eintrags-pfade und letztendlich die im Gewässer zu erwartenden Konzentrationen berech-net. Die Wirksamkeit der Maßnahme wird durch die Bildung der Differenz der Emissionsfrachten und Konzentrationen am Auslass der Teileinzugsgebiete zum ursprünglichen Modelllauf (der den Ist-Zustand von 2001 bis 2006 abbildet) er-mittelt.
4.2. Ergebnisse
Die wirksamsten Einzelmaßnahmen („Durchgehende Bodenbedeckung auf eintragsrelevanten Flächen“ (P1c) bzw. „Gewässerrandstreifen 25 m“ (P2)) haben das Potenzial, die Emissionen aus der Erosion deutlich zu reduzieren. Die übri-gen betrachteten Einzelmaßnahmen zeigen eine vergleichsweise geringere potenzielle Wirksamkeit (Tab. 1).
In Abb. 6 sind die Reduktionspoten-ziale der Gesamtphosphor-Emissionen durch Einzelmaßnahmen für die Teilein-zugsgebiete dargestellt. Bei dieser Dar-stellung der Unterschreitungshäufigkeit von Maßnahmenwirksamkeiten stellt die x-Achse das Ausmaß der Emissions-reduktion durch eine Maßnahme in kgP/(ha.a) dar. Die y-Achse zeigt den Anteil
der betrachteten Teileinzugsgebiete, bei welchen eine bestimmte rechnerische Maßnahmenwirksamkeit erreicht oder unterschritten wird. Durch die Maßnah-me Gewässerrandstreifen kann somit eine Emissionsreduktion von > 0,1 kgP/(ha.a) für ca. 35 % der betrachteten Teil-einzugsgebiete Oberösterreichs erfol-gen. Bei einer mittleren Gesamtemission in Oberösterreich von 0,6 kgP/(ha.a) kann demnach durch die Maßnahmen „Durchgehende Bodenbedeckung auf eintragsrelevanten Flächen“ und „Ge-wässerrandstreifen 25 m“ in manchen Gebieten eine beachtliche Reduktion der Einträge erzielt werden.
Ohne die bereits umgesetzte Begrü-nung und Bodenbearbeitung von Äckern zur Vermeidung von Erosion wären die TP-Emissionen auf Teileinzugsgebiets-ebene im Referenzzeitraum um bis zu 0,08 kgP/(ha.a) höher als es tatsächlich der Fall ist. Eine Ausweitung dieser Maß-nahme würde jedoch bei Ausschöpfung des maximal möglichen Potenzials nur noch zu einer geringen weiteren Emis-sionsreduktion führen. Durch verschärf-te Anforderungen bei der kommunalen Abwasserreinigung ist das Reduktions-potenzial für die meisten Teileinzugs-gebiete gering. Lediglich für einzelne Teileinzugsgebiete liegt das Potenzial im Bereich von rund 0,1 kgP/(ha.a).
In der Praxis sind die Reduktionen von Emissionen und die dadurch er-
reichbaren Reduktionen von Gewäs-serkonzentrationen vor allem dort von Bedeutung, wo es zu Überschreitungen von Umweltqualitätszielen kommt oder kommen kann. In Abb. 7 sind die mo-dellierten, potenziellen Reduktionen der TP-Konzentrationen der Maßnah-me „Gewässerrandstreifen 25 m“ sowie der Maßnahme „Fruchtfolgeauflagen auf steilen Hängen“ zusammen mit dem aus Messungen bewerteten Status des typenspezifischen Umweltqualitätsziels dargestellt. Beide Maßnahmen wirken verstärkt in Gebieten mit einem Risiko für UQZ-Überschreitungen (PO
4-P) und
könnten hier potenziell zu einer deut-lichen Reduktion der TP-Gewässerkon-zentration und damit aufgrund einer Verminderung von Rücklösungen auch zu einer deutlichen Reduktion der PO
4-P-
Gewässerkonzentrationen führen. Es ist dabei zu erkennen, dass die Maßnahme „Gewässerrandstreifen 25 m“, die gezielt auf die Verringerung der Einträge in die Gewässer abzielt, eine höhere potenzielle Wirksamkeit in Hinblick auf die P-Ein-träge in Gewässer aufweist als jene Maß-nahme, die über Fruchtfolgeauflagen auf steilen Hängen flächendeckend eine Reduktion des Bodenabtrages anstrebt. Freilich ist zu bedenken, dass eine Anlage von Gewässerrandstreifen nur dann die gewünschte Wirksamkeit aufweisen kann, wenn diese dort verortet werden, wo es zu einem relevanten Eintrag des erodierten
Tab. 1 Darstellung der Phosphoremissionen in Oberösterreich für die Jahre 2001 bis 2006 und bei Umsetzung unterschiedlicher Maßnahmen
Abb. 6 Unterschreitungshäufigkeiten der TP-Emissionsreduktionen durch unter-schiedliche Maßnahmen auf Ebene von Teileinzugsgebieten
56 Effektivität von Maßnahmen zur Reduktion der Phosphorbelastung der oberösterreichischen Fließgewässer
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Bodenmaterials in die Gewässer kommt. Da nicht von einer flächendeckenden Anlage von Gewässerrandstreifen aus-zugehen ist, ist es für einen effizienten Einsatz von Gewässerrandstreifen er-forderlich, diese an den richtigen Stellen zu platzieren. Eine lokale Verortung von Maßnahmen ist mithilfe des Emissions-modells MONERIS nicht möglich. Daher muss für diesen Zweck eine rasterbasierte Emissionsmodellierung eingesetzt wer-den. Ein entsprechender Ansatz wird im Kap. 5 vorgestellt.
5. Verortung von Maßnahmen zur Reduktion von Phosphorbelastungen
5.1. Grundsätzliches
Grundsätzlich können Maßnahmen zum Erosionsschutz zwei unterschiedliche Ziele haben. Zum einen kann es um die Vermeidung des Verlustes von Boden-material und dem an das Bodenmaterial gebundenen Phosphor an sich gehen. Zum anderen ist auch die Verringerung der Sediment- und Phosphorbelastung von Gewässern eine relevante Frage-stellung. Für die erste Fragestellung ist eine Identifikation der Flächen mit dem höchsten Bodenabtrag entscheidend, da
Maßnahmen zur Reduktion des Boden-verlustes dort ansetzten müssen. Für die zweite Frage ist die Identifikation jener Flächen entscheidend, welche für den größten Eintrag von Phosphor in die Fließgewässer verantwortlich sind. Diese müssen nicht ident mit den Flächen sein, die den größten Bodenabtrag aufweisen, da es in der Landschaft zu einer Retention von Bodenmaterial kommt und neben dem Ausmaß des Bodenabtrages auch die Anbindung der Flächen an das Gewässer-netz zu beachten ist. Zudem sind für die Frage des Sediment- und Phosphoreintra-ges in die Gewässer auch Maßnahmen von Bedeutung, die nicht zu einer Reduktion der Bodenverluste durch Erosionsschutz, sondern zu einer Verringerung des Eintra-ges in die Gewässer durch gezielte Reten-tion des Bodenmaterials führen, wie es bei Gewässerrandstreifen der Fall ist. Gene-rell sind beide Ziele des Erosionsschutzes in gleicher Weise von Bedeutung. Im Fol-genden liegt der Fokus der Betrachtung auf Maßnahmen, die zu einer Reduktion des P-Eintrages in die Gewässer führen. Grundsätzlich hat das vorgestellte Modell PhosFate jedoch auch das Potenzial, Maß-nahmen zur effizienten Reduktion von Bodenverlusten zu lokalisieren.
Für die Wirksamkeit bzw. (kosten-)effiziente Umsetzung von Maßnahmen
zur Reduktion der Phosphorbelastung von Gewässern ist die genaue Verortung im Einzugsgebiet von entscheidender Bedeutung. Emissionsseitig trifft dies insbesondere auf die Maßnahme „Durch-gehende Bodenbedeckung mit/ohne Nutzung“ zu. Nur wenn die Flächen, die für den höchsten Phosphoreintrag in die Gewässer verantwortlich sind, identi-fiziert werden, kann diese Maßnahme eine hohe Wirksamkeit bei minimiertem Flächenbedarf entfalten. Hinsichtlich des Phosphortransports ist in diesem Zusam-menhang andererseits vornehmlich die Maßnahme „Gewässerrandstreifen 25 m“ anzuführen. Auch für sie gilt, dass ihre Wirksamkeit in Bezug auf die zurückge-haltene Fracht nicht überall gleich hoch ist. Selbst ein optimal bewirtschafteter Gewässerrandstreifen führt zu keiner Reduktion des Phosphoreintrags in ein Gewässer, wenn aus dem darüber liegen-den Einzugsgebiet kein nennenswerter Phosphoraustrag stattfindet. Die Heraus-forderung liegt nun darin, diese beiden Maßnahmen im Einzugsgebiet möglichst effizient zu verorten bzw. in einem weite-ren Schritt durch eine Kombination der beiden ihre Wirksamkeit bei gleichzeiti-ger Minimierung ihrer Umsetzungskos-ten zu maximieren.
Abb. 7 Räumliche Darstellung der Gewässer mit Überschreitung des UQZ für PO4-P und der modellierten potenziellen Reduk-
tion von PO4-P-Konzentrationen durch flächendeckende Einführung der Maßnahme „Gewässerrandstreifen 25 m“ (links) sowie der Maßnahme „Fruchtfolgeauflage auf steilen Hängen“ (rechts)
Originalarbeit
Effektivität von Maßnahmen zur Reduktion der Phosphorbelastung der oberösterreichischen Fließgewässer 57
5.2. Methodik
Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, wurde das Modell PhosFate (Kovacs et al. 2008, 2012a, b) entwickelt. Es handelt sich hierbei um ein semi-empiri-sches, langfristiges (Jahresdurchschnitts-)Modell mit einer hohen räumlichen Auflösung, das auf Rasterdaten basiert und dadurch die Heterogenität von Ein-zugsgebieten sehr gut abbilden kann. Die Wahl der Größe der Rasterzellen ist stark von der Auflösung der verwende-ten Eingangsdaten sowie der Größe des betrachteten Gebiets abhängig und liegt üblicherweise zwischen 10 × 10 m und 100 × 100 m. Als wichtigste Eingangsdaten sind ein digitales Höhenmodell, eine Landnutzungskarte, Oberbodenparame-ter wie Bodentextur, Humusgehalt und langfristiger Phosphorüberschuss sowie einige fundamentale Klimadaten wie bei-spielsweise Niederschlag und Temperatur zu nennen.
Im Wesentlichen besteht das Modell aus drei Teilmodellen: dem Emissions-modell, dem Transportmodell und dem Optimierungsmodell. Diese Teilmodelle bauen aufeinander auf und stützen sich zusätzlich auf grundlegende Berechnun-gen, die die Hauptkomponenten des hyd-rologischen Kreislaufs beinhalten.
Das Emissionsmodell ermittelt neben dem Bodenabtrag den Gesamtphos-phorgehalt des Oberbodens und teilt ihn zwischen der gelösten und partikulären Phase auf. Diese Berechnungen wer-den separat für jede einzelne Rasterzelle durchgeführt und liefern als wichtigste Ergebnisse Karten, die den Bodenabtrag sowie die Menge des emittierten, gelös-ten und partikulären Phosphors der ein-zelnen Rasterzellen zeigen.
Mithilfe des Transportmodells kön-nen anschließend der Transport und die Retention der emittierten Frachten be-stimmt werden. Anhand der Aufenthalts-zeit in den einzelnen Rasterzellen wird die Retention von Schwebstoffen und partikulärem Phosphor entlang des Ab-flussbaums berechnet. Ergebniskarten stellen zum einen die durch einzelne Ras-terzellen transportierten Frachten und zum anderen den Beitrag der einzelnen Rasterzellen zu den Gesamtgewässer-frachten am Einzugsgebietsauslass dar.
Der Algorithmus des Optimierungs-modells kann – aufbauend auf den Ergeb-nissen der beiden anderen Teilmodelle – nun eine Reihung der Rasterzellen vor-nehmen, die auf dem effektiven Potenzial einer auf der jeweiligen Rasterzelle vor-gegebenen Maßnahme zur Reduktion der
Phosphorgewässerfracht basiert. Das ef-fektive Reduktionspotenzial einer Raster-zelle ergibt sich aus der Höhe der von ihr in ein Gewässer emittierten Phosphor-fracht bzw. der aus oberliegenden Raster-zellen stammenden Phosphorfracht, die von ihr in ein Gewässer weitertranspor-tiert wird. Als Folge dieser Reihung kann die Rasterzelle mit dem höchsten effekti-ven Reduktionspotenzial ausgewählt und auf ihr eine entsprechende Maßnahme (emissions- oder transportbezogen) ge-setzt werden. Unter zusätzlicher Berück-sichtigung der Maßnahmenkosten kann in diesem Zusammenhang sogar die Rasterzelle mit dem besten Kosten-Effi-zienz-Verhältnis ausgewählt werden. Zur Identifikation der Rasterzelle mit dem zweithöchsten effektiven Reduktions-potenzial bzw. zweitbesten Kosten-Effi-zienz-Verhältnis muss diese Reihung für die verbleibenden Rasterzellen allerdings erneut durchgeführt werden, da sich durch das Setzen einer Maßnahme die ef-fektiven Reduktionspotenziale der ober- und/oder unterliegenden Rasterzellen in der Regel verringern.
5.3. Ergebnisse
Zur Verortung von Maßnahmen zur Reduktion der Phosphorbelastung von Gewässern wurde das Modell PhosFate auf einige Regionen in Oberösterreich angewendet. Eine der betrachteten Regio-nen liegt im Innviertel und enthält u. a. die Einzugsgebiete der Antiesen und der Pram, die beide deutliche Qualitätspro-bleme in Bezug auf Phosphor aufweisen. Abbildung 8 zeigt sowohl die PhosFate-
Ergebniskarte mit den Beiträgen der ein-zelnen Rasterzellen zu den gesamten in der Region auftretenden Phosphoremis-sionen (links) als auch die Ergebniskarte mit den Beiträgen der einzelnen Raster-zellen zu den Phosphoremissionen in die Fließgewässer der Region, die tatsäch-lich bis zu den Einzugsgebietsauslässen transportiert werden (rechts).
Eine geostatistische Auswertung dazu ergibt, dass nur 36 % der Gesamtfläche mit Phosphoremissionen von mehr als 1 kg/ha/a für 97 % der gesamten in der Region auftretenden Phosphoremissio-nen verantwortlich sind. Demgegenüber verursachen 7 % der Einzugsgebietsfläche 86 % der aus der Erosion stammenden Phosphorgewässerfracht. Diese Zahlen machen deutlich, wie wichtig eine geziel-te Verortung von Maßnahmen für eine wirksame Reduktion der Phosphorbelas-tung von Gewässern ist.
Auf Basis dieser Auswertung wurde ein optimiertes Managementszenario entwi-ckelt, das als Grundlage für den Optimie-rungsalgorithmus von PhosFate diente. Durch die Bereitstellung eines Manage-mentszenarios ist auch sichergestellt, dass die Maßnahmen vom Modell so ge-setzt werden, dass die Flächen noch gut zu bewirtschaften sind. Werden rund 3 % der Einzugsgebietsfläche für Maßnahmen (Umwandlung von Acker in Grünland auf erosionsgefährdeten Standorten bzw. An-lage von Gewässerrandstreifen > 25 m) ausgewählt, könnte dies zu einer Ver-minderung der Phosphorgewässerfracht aus Erosion um etwa 82 % führen. Werden diese Maßnahmen auf nur 1 % der Ein-zugsgebietsfläche ausgeführt, beträgt die
Abb. 8 Beiträge der einzelnen Rasterzellen zu den gesamten in der Region auftre-tenden Phosphoremissionen (links) und Beiträge der einzelnen Rasterzellen zu den Phosphoremissionen in die Fließgewässer der Region, die tatsächlich bis zu den Einzugsgebietsauslässen transportiert werden (rechts)
58 Effektivität von Maßnahmen zur Reduktion der Phosphorbelastung der oberösterreichischen Fließgewässer
Originalarbeit
erreichbare Frachtreduktion immer noch ca. 60 %. Bei näherer Betrachtung der Ras-terzellen, auf denen die Maßnahmen mit der höchsten Effizienz im Hinblick auf die Reduktion des Phosphoreintrags in die Gewässer umgesetzt werden könnten, zeigt sich, dass etwa die eine Hälfte im Be-reich der Vermeidung des Bodenabtrags auf steilen Flächen und etwa die andere Hälfte im Bereich der Transportvermin-derung durch Gewässerrandstreifen liegt.
6. Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
Die höchsten P-Einträge in oberösterrei-chische Gewässer erfolgen über landwirt-schaftliche Erosion. Die Dominanz dieser Einträge tritt verstärkt an jenen Gewäs-sern auf, wo es zu Überschreitungen des PO
4-P-Qualitätsziels kommt. Durch
P-Rücklösungen im Gewässer sind diese partikulären Einträge auch für die PO
4-P-
Belastung der Gewässer relevant.Um die Potenziale der Wirksamkeiten
von Maßnahmen zur Verringerung der Phosphorbelastung von Gewässern auf Ebene von Einzugsgebieten abschätzen
zu können, sind folgende Schritte er-forderlich: i) Quantitative Darstellung des Zusammenhanges zwischen den Emissionsfrachten über unterschied-liche Eintragspfade und den Gewässer-konzentrationen unter Berücksichtigung der Retention in der Landschaft sowie der Retention und Rücklösung in den Gewässern, ii) Bewertung der lokalen Maßnahmenwirkung zur Emissionsre-duktion, iii) Erhebung des Potenzials für eine Umsetzung in einer Region aufgrund der vorherrschenden Gebietskulisse und Landbewirtschaftung sowie iv) Darstel-lung der Maßnahmenwirksamkeit im Kontext der Gesamtemissionen und der Retention.
Erosionsschutzmaßnahmen bzw. Maßnahmen zur Verringerung von erosi-ven Phosphoreinträgen in Fließgewässer haben vor allem dann ein hohes Potenzial zur Reduktion der Phosphorbelastung von Gewässern, wenn sie gezielt verortet werden (Flächen mit hoher Konnektivität zu Gewässern bzw. Gewässerrandstrei-fen). Einer gezielten Verortung entspre-chender Maßnahmen kommt damit eine hohe Bedeutung zu.
Speziell beim Einsatz von Gewäs-serrandstreifen zur Verringerung von Phosphoremissionen in Gewässer ist zu beachten, dass es sich dabei nicht um Maßnahmen zur Verringerung des Bo-denabtrages und damit von Phosphor-emissionen aus der Fläche handelt, sondern dass durch diese Maßnahme lediglich der Phosphorrückhalt in der Landschaft intensiviert wird. Eine er-forderliche Ausgestaltung und Bewirt-schaftung in Hinblick auf eine langfristige Wirkung dieser Maßnahme bedarf daher einer besonderen Beachtung.
Weiterführende Arbeiten in Hinblick auf die Wirksamkeit und Kosten-Effektivi-tät von Maßnahmen sind derzeit in Arbeit und konzentrieren sich auf die Möglich-keit, die geforderten PO
4-P-Qualitätsziele
in den oberösterreichischen Gewässern zu erreichen. Dabei sollen unter Berück-sichtigung der unterschiedlichen Ge-bietskulissen mögliche Kombinationen von Maßnahmen und Szenarien zum Ausmaß der Umsetzung unterschiedli-cher Maßnahmen (Teilnahmeszenarien) sowie die Kosten von Maßnahmen be-trachtet werden. ■
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