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Pufferwirkung von Gewässerrandstreifen hinsichtlich des Nähr- und Schadstoffeintrags

Bachelorarbeit 2015 45 Seiten

Landschaftsnutzung und Naturschutz

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

1. Einleitung

2. Ursprung des Stoffeintrags in Fließgewässer
2.1. Arten des Stoffeintrags
2.1.1 Oberflächenabfluss
2.1.2 Bodenwasserabfluss
2.1.3 Grundwasserbürtiger Abfluss
2.1.4 Atmosphärische Deposition und Direkteintrag
2.2. Stoffmengen
2.3. Bedeutung des Stoffeintrags für Fließgewässer

3. Grundlagen der Gewässerrandstreifen
3.1. Definition und Aufbau eines Gewässerrandstreifens
3.1.1 Definition
3.1.2 Aufbau
3.2. Örtliche Gegebenheiten zur späteren Abschätzung der Pufferwirkung
3.2.1 Mittlere Hangneigung
3.2.2 Zusammensetzung des landwirtschaftlich genutzten Bodens
3.2.3 Bewuchs des Gewässerrandstreifens
3.2.4 Breite des Gewässerrandstreifens
3.2.5 Form des Gewässerrandstreifens

4. Pufferwirkung der Gewässerrandstreifen
4.1. Pufferwirkung auf die unterschiedlichen Eintragswege
4.1.1 Atmosphärische Deposition und Direkteintrag
4.1.2 Grundwasserbürtiger Abfluss
4.1.3 Bodenwasserabfluss und Oberflächenabfluss
4.1.4 Die Ergebnisse der Untersuchungen von KNAUER und MANDER (1989)
4.1.5 Ergebnisse der Untersuchungen von FABIS et al. (1994)
4.2. Zusammenfassung

5. Vorgehensweise für eine ingenieurmäßige Abschätzung der Pufferwirkung
5.1. Aufnahme der Gegebenheiten vor Ort
5.2. Verfahren zur ingenieurmäßigen Abschätzung der Pufferwirkung
5.2.1 Betrachten des möglichen Abflussverhaltens
5.2.2 Einfluss der Struktur des Gewässerrandstreifens
5.2.3 Schrittweises Vorgehen

6. Bewertung und Ausblick

Literaturverzeichnis

Anhang

Anwendungsbeispiele

Beispiel1

Beispiel2

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Schematische Darstellung diffuser Stoffeinträge in Oberflächengewässer[nach TETZLAFF 2006, verändert via DWA-M 910]

Abbildung 2: Abhängigkeit des relativen Bodenabtrags (Schwarzbrache = 100%) von der Bodenbedeckung durch Mulch[nach SCHWERTMANN et al. 1990 via DWA-M 910]

Abbildung 3: Aufbau eines Gewässerrandstreifens [Eigene Skizze]

Abbildung 4: Mögliche Formen des Gewässerrandstreifens: 1. Erhöhung zur einleitenden Fläche 2. Keine Erhöhung 3. Abfallend in Richtung des Gewässers [Eigene Skizze]

Abbildung 5: Versuchsaufbau bei der Simulation von Oberflächenabfluss [nach FABIS et al]

Abbildung 6: Übersicht des Gebietes aus Beispiel 1 mit den vorgefundenen Gegebenheiten [Eigenes Foto]

Abbildung 7: Gewässerrandstreifen und ein Teil der Landwirtschaftsfläche, zu Beispiel 1 [Eigenes Foto]

Abbildung 8: Übersicht des Gebietes aus Beispiel 2 mit den vorgefundenen Gegebenheiten [Eigenes Foto]

Abbildung 9: Ausgedünnter und kurzgehaltener Bereich am Gewässerrandstreifen des Einzugsgebietes 1, zu Beispiel 2 [Eigenes Foto]

Abbildung 10: Direkteinleitung mit unbekanntem Ursprung, zu Beispiel 2 [Eigenes Foto]

Abbildung 11: Künstliche Fließrinne, zu Beispiel 2, zu Beispiel 2 [Eigenes Foto]

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Stickstoff- und Phosphoreinträge in Oberflächengewässer in Deutschland [nach UBA-FB 000328 (2002), via KW 10/13]

Tabelle 2: Einschätzung der Bedeutung der Bodenerosion für biologische Qualitäts-komponenten der EG-WRRL (2000) in Fließgewässern durch ihre Wirkung auf Gewässerstruktur und Wasserbeschaffenheit [via DWA-M 910]

Tabelle 3: Filterwirkung der untersuchten Saumbiotope und extrapolierte prozentuale Abnahme der Stoffkonzentrationen nach 10 und 100 Metern [nach KNAUER und MANDER (1989), verändert]

Tabelle 4: Ausgangswerte zur Berechnung der 5m-Werte [nach KNAUER und MANDER (1989)]

Tabelle 5: Übersicht der Filterwirkung inkl. der 5m-Werte [nach KNAUER und MANDER (1989), verändert]

Tabelle 6: örtliche Gegebenheiten und ihr Einfluss auf die Stoffeinträge [eigene Darstellung nach Literatur, siehe Literaturverzeichnis]

Tabelle 7: Einflüsse auf die mögliche Pufferwirkung eines Gewässerrandstreifens und ihre Einflussnahme [eigene Darstellung nach Literatur, siehe Literaturverzeichnis]

1. Einleitung

Nach WHG § 38 ist unter anderem festgelegt, dass ein Gewässerrandstreifen eine Breite von mindestens fünf Metern aufweisen soll. Ein wesentliches Ziel dieser Randstreifen ist der Schutz des Gewässers vor Stoffeinträgen aus landwirtschaftlich genutzten Flächen. Diese mögliche Pufferwirkung ist zum Beispiel nach STEINMANN (1991) von vielen unterschiedlichen Faktoren abhängig, was eine Abschätzung schwierig macht.

In der Literatur gibt es widersprüchliche Angaben ob und in welchem Umfang eine solche Pufferwirkung auftreten kann.

Daher wurde als Grundlage für diese Arbeit eine Literaturstudie durchgeführt, mit dem Ziel eine Vorgehensweise zu entwickeln um die Pufferwirkung eines Gewässerrandstreifens abschätzen zu können. Hierzu werden zunächst die Wege des Nähr- und Schadstoffeintrags näher behandelt und im Anschluss daran der genauere Aufbau eines Gewässerrandstreifens.

Danach soll die jeweilige Pufferwirkung auf die unterschiedlichen Eintragswege untersucht werden. Mit diesen Erkenntnissen lässt sich dann ein schrittweises Verfahren zur ingenieurgemäßen Abschätzung der Pufferwirkung auf diffuse Nähr- und Schadstoffeinträge erarbeiten, welches zusätzlich an praktischen Beispielen erläutert wird.

Als Grundlage hierzu diente das DWA-Merkblatt 910 welches den Gewässerrandstreifen auch als Maßnahme aufführt, um erosionsbedingten Stoffeintrag zu verringern. Aber auch das DWA-Merkblatt 612-1 und die DVWK Schrift 90 konnte umfangreiche Erkenntnisse liefern.

2. Ursprung des Stoffeintrags in Fließgewässer

Um die Pufferwirkung von Gewässerrandstreifen abschätzen zu können, ist es zunächst notwendig die Ursachen und Wege des Stoffeintrags genauer zu klären. Als Grundlage hierzu diente das DWA-Merkblatt 910.

2.1. Arten des Stoffeintrags

Grundsätzlich lässt sich der Stoffeintrag in punktförmigen und diffusen Einträge untergliedern. Punktförmige Einträge treten nur an einer fest definierbaren Stelle am Gewässer auf. Hierbei handelt es sich beispielsweise um kommunale Kläranlagen, industrielle Direkteinleiter oder Regenwasserkanäle. Diese Art des Stoffeintrags ist für die Betrachtung der Pufferwirkung von Gewässerrandstreifen nicht weiter von Bedeutung und wird daher hier auch nicht näher behandelt werden.

Genauer zu betrachten sind jedoch die diffusen Stoffeinträge. Diese sind von unterschiedlichsten Faktoren abhängig. Unter anderem die Art der Flächennutzung, die Sickerfähigkeit des Bodens und der Hangneigung.

Sie setzen sich zusammen aus:

- Abschwemmung
- Erosion
- Dränung
- Grundwasser
- Atmosphärische Direktdeposition

Wobei folgende Stoffe beziehungsweise Stoffgruppen in Betracht gezogen werden sollten:

- Stickstoff
- Phosphor
- Pestizide
- Sedimente

Ein genau definierter Punkt der Einleitung ist hierbei nicht vorhanden, ebenso lässt sich kaum eine räumliche Abgrenzung der betroffenen Flächen vornehmen. Die Stoffe gelangen über verzweigte und nicht eindeutig bestimmbare Fließbahnen in die Gewässer.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Schematische Darstellung diffuser Stoffeinträge in Oberflächengewässer1

Die verschiedenen Abflüsse zum Oberflächengewässer transportieren jeweils unterschiedliche Stoffe und Stoffmengen und müssen daher separat betrachtet werden.

2.1.1 Oberflächenabfluss

Der Oberflächenabfluss kann sowohl Bodenerosion, als auch Abschwemmung hervorrufen und trägt somit einen großen Teil zum Stoffeintrag bei. Er erhöht sich mit sinkender Sickerfähigkeit des Bodens und steigender Hangneigung.

Bei der Bodenerosion werden die Bodenpartikel und die daran angehafteten Stoffe durch den Aufprall von Regentropfen oder durch fließendes Wasser ausgelöst und hangabwärts transportiert. Ob und in welchem Maße es zur Oberflächenabfluss bedingter Erosion kommt ist von verschiedenen Faktoren abhängig und muss für jedes betrachtete Gebiet separat abgeschätzt werden. Desto kleiner das betrachtete Gebiet, desto genauer ist eine Abschätzung der Erosion möglich.

Die natürliche Ausstattung und die (Landwirtschaftliche-) Nutzung eines Einzugsgebietes sind im Wesentlichen maßgebend für die Bewertung der wahrscheinlichen Gewässerbelastung durch Erosion. Folgende Kriterien erhöhen diese erheblich:

- Hoher Anteil an Ackerflächen im Einzugsgebiet
- Hoher Anteil an Ackerflächen in Hanglagen > 5% Neigung
- Hoher Anteil an Ackerflächen auf erosionsanfälligen Böden (vor allem Böden mit hohem Gehalt an Schluff und Feinsand)
- Hoher Anteil an Ackerflächen mit Reihenkulturen (Mais, Rüben, Kartoffeln)
- Hoher Anteil an Ackerflächen mit Sonderkulturen (Gemüse, Wein, Hopfen, etc.)
- Ackerflächen in unmittelbarer Gewässernähe oder mit eindeutigem Gewässeranschluss.

Aus diesen Kriterien lässt sich ersehen, dass der Bedeckungsgrad des Bodens in direktem Zusammenhang mit der Erosion steht (siehe Abb.2). Der Bewuchs des Gewässerrandstreifens also verhindert, dass Material aus diesem abgeschwemmt wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung: Abhängigkeit des relative Bodenabtrags (Schwarzbrache = 100%) von der Bodenbedeckung durch Mulch 2

Die Bodenerosion ist somit die Hauptursache für die Einträge von Feststoffen bzw. Sedimenten in ein Gewässer und transportiert auch die daran angehafteten Stoffe wie Pflanzenschutzmittel, Phosphor, Stoffe aus Gülle- oder Klärschlammaufbringungen und Schwermetalle.

Die Abschwemmung bezeichnet den Transport von gelösten Nähr- und Schadstoffen im Oberflächenabfluss und ist meist eng mit der Erosion gekoppelt. Daher ist es kaum möglich zu unterscheiden welche Stoffeinträge durch Erosion und welche durch Abschwemmung verursacht werden. Hierbei kann der Eintrag aus der direkten Abschwemmung von Stoffen aus der Düngung oder der Lösung von Nähr- und Schadstoffen aus der angereicherten obersten Bodenschicht erfolgen. Die hierbei eingebrachten Stoffe sind die gleichen, die auch durch Erosion transportiert werden, jedoch in geringerem Maße.

2.1.2 Bodenwasserabfluss

Der Bodenwasserabfluss entsteht infolge der Dränung des Bodens. Dies kann über künstlich angelegte Entwässerungssysteme wie Grabendränagen, Rohrdränagen oder Maulwurfsdränagen (siehe Abb. 1) geschehen. Aber auch in durchlässigen, sorptionsschwachen Böden oder durch Makroporenfluss ist eine Stoffverlagerung möglich. Hierbei wird vor allem Phosphor und Stickstoff in das Fließgewässer eingebracht, aber auch andere lösliche Stoffe. Dieser Transportweg ist stark von der vorzufindenden Wasserleitfähigkeit des Bodens abhängig.

2.1.3 Grundwasserbürtiger Abfluss

Beim grundwasserbürtigem Abfluss werden ebenso wie beim Bodenwasserabfluss gelöste Stoffe in das Oberflächengewässer eingebracht. Das versickernde Wasser führt hierbei die gelösten Stoffe, in besonders hohem Maße Stickstoff, mit sich und bringt diese über die Grundwasser führende Schicht in das Gewässer ein.

2.1.4 Atmosphärische Deposition und Direkteintrag

Bei der Atmosphärischen Deposition werden Partikel und Stoffe über die Atmosphäre, also über die Luft, in das Gewässer eingebracht. Dies können aufgewirbelte Bodenpartikel samt Anhaftungen, aber auch gasförmige Stoffe sein, die sich an der Gewässeroberfläche ablagern.

Beim Direkteintrag werden Nähr- und Schadstoffe auf direktem Wege in das Oberflächengewässer eingetragen. Also Stoffe die beispielsweise beim Ausbringen von Dünger oder Pflanzenschutzmitteln in das Gewässer eingebracht werden.

2.2. Stoffmengen

Besonders Stickstoff und Phosphor werden über alle oben beschriebenen Transportwege in das Oberflächengewässer eingebracht, wobei die Mengen je nach Weg stark variieren (siehe Tab. 1).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Stickstoff- und Phosphoreinträge in Oberflächengewässer in Deutschland3

Berücksichtigt werden muss jedoch, dass bestimmte Eintragsformen z.B. die Bodenerosion und die Abschwemmung ereignisbezogen sind.

Hieraus zeigt sich deutlich, dass die Landwirtschaft die Ursache für mehr als 50% der Phosphor- und Stickstoffeinträge in deutsche Fließgewässer ist.

2.3. Bedeutung des Stoffeintrags für Fließgewässer

Nicht nur die Nähr- und Schadstoffbelastungen, sondern auch die Feststoffeinträge infolge der Bodenerosion beeinträchtigen die Gewässergüte, wobei sich die Einträge unterschiedlich auf die Flora und Fauna eines Gewässers auswirken (siehe Tab. 2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2: Einschätzung der Bedeutung der Bodenerosion für biologische Qualitäts-komponenten der EG-WRRL (2000) in Fließgewässern durch ihre Wirkung auf Gewässer-struktur und Wasserbeschaffenheit4

Nach CHRISTOFFELS (2013) können die eingetragenen Feststoffe das Gleichgewicht im Gewässer empfindlich stören, wenn sie das Sand-Lücken-System verstopfen. Dies geschieht hauptsächlich in ruhigeren Fließabschnitten, die oft wertvolle Laichplätze für die Fischfauna darstellen. Dieser Effekt kann in kiesgeprägten Gewässern wesentlich stärker auftreten als in feinmaterialreicheren Flüssen. Die Folge ist eine Dezimierung des Makrozoobenthos und der Fischbrut.

Nährstoffe die in ein Gewässer eingetragen werden (in der Regel Stickstoff und Phosphor) rufen ein vermehrtes Pflanzenwachstum hervor. Im Extremfall kann es zu einer Algenblüte kommen. Sterben diese Algen ab und werden zersetzt reduziert dies den Sauerstoffgehalt des Gewässers und ein Fischsterben kann die Folge sein.

Die eingebrachten Pflanzenschutzmittel und Arzneimittelwirkstoffe haben besonders im Hinblick auf die Gewässerfauna oft eine toxische Wirkung.

Generell lässt sich sagen, dass der Eintrag von Nähr- und Schadstoffen zu vermeiden ist. Schon geringe Belastungen können das Ökosystem eines Gewässers stören.

3. Grundlagen der Gewässerrandstreifen

3.1. Definition und Aufbau eines Gewässerrandstreifens

3.1.1 Definition

An einem natürlich belassenen Gewässer findet sich meist ein breiter, bewachsener Uferstreifen zu beiden Seiten des Flussbettes. In Folge der Landwirtschaftlichen Nutzung der angrenzenden Flächen, wurden diese stetig weiter verkleinert um Acker- und Weideland zu erhalten. Dies führte teilweise sogar dazu, dass Weiden und Äcker direkt bis an das Gewässer reichen, was zu einer zunehmenden Verschlechterung der Gewässergüte geführt hat. Im Rahmen der Renaturierung der Fließgewässer sind daher Gewässerrandstreifen mit mindestens fünf Metern Breite auszuweisen.

Nach DWA-M 612-1 ist das wesentliche Ziel eines Gewässerrandstreifens der Schutz des Gewässers vor Stoffeinträgen aus der Landwirtschaft. In § 38 WHG ist festgelegt, dass der Gewässerrandstreifen im Außenbereich fünf Meter breit ist. Es handelt sich hierbei also um einen genau definierten Begriff. Aus diesem Grund wird in der Literatur oft von Uferstreifen gesprochen.

Bei einem Gewässerrandstreifen handelt es sich um einen nicht (landwirtschaftlich) genutzten Bereich, der an der Wasserlinie beginnt und an der genutzten Fläche endet.

3.1.2 Aufbau

Diese bewachsenen Bereiche können sich hinsichtlich Bewuchs, Breite und Neigung je nach Gewässer und Gebiet stark unterscheiden. Bei ausreichender Breite zeigt sich jedoch meist eine gewisse Grundstruktur (siehe Abb. 3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Aufbau eines Gewässerrandstreifens5

Der in Abbildung 3 dargestellte Aufbau setzt sich aus einer Kombination aus dichtem Bewuchs und Gehölz zusammen was einen Idealfall (auch hinsichtlich der Pufferwirkung) darstellt. Dieser ist jedoch noch nicht an allen deutschen Gewässern vorzufinden. An vielen Fließgewässern ist teilweise kein oder nur ein unzureichend breiter Gewässerrandstreifen vorhanden.

In der Praxis ist eine gleichbleibende Breite des Gewässerrandstreifens kaum umsetzbar, da das Gewässer diesen Bereich auch als Entwicklungskorridor nutzt. Sich die Fließbahn also stetig verändert.

3.2. Örtliche Gegebenheiten zur späteren Abschätzung der Pufferwirkung

Um eine Abschätzung durchführen zu können, sind zunächst die Gegebenheiten vor Ort zu klären. Diese Faktoren haben einen wichtigen Einfluss auf die Pufferwirkung des Gewässerrandstreifens. Nach DVWK-S 90 (1990) sind besonders die nachfolgenden Gegebenheiten zu berücksichtigen.

3.2.1 Mittlere Hangneigung

Die Hangneigung gibt das Gefälle des stoffeintragenden Gebietes in Gewässerrichtung, aber auch parallel hierzu an. Da diese meist nicht gleichmäßig verläuft ist eine gemittelte Hangneigung anzusetzen, sie kann in Prozent(%) oder in Grad(°) angegeben werden.

Wie bereits unter 2.1.1 erwähnt, hängt die Stärke der Erosion in erster Linie von der Hangneigung ab. Mit zunehmenden Gefälle steigt die Erosion fast quadratisch an.

Da meist auch parallel zum Gewässer eine Hangneigung vorhanden ist, wird der Abfluss oft nicht gleichmäßig in das Gewässer eingeleitet.

3.2.2 Zusammensetzung des landwirtschaftlich genutzten Bodens

Im Hinblick auf die Zusammensetzung des genutzten Bodens ist vor allem die Sickerfähigkeit des Bodens von Bedeutung. Bei wasserundurchlässigen wie beispielsweise ton-, lehm- oder schluffigen Böden werden weniger Stoffe dem Grundwasserabfluss zugetragen, dafür steigt der Oberflächenabfluss. Bei durchlässigen Böden ist ein umgekehrter Effekt anzunehmen. Hinzu kommt, dass bei locker gelagerten Böden mehr Sedimente und damit auch Stoffe in Gewässerrichtung gespült werden können.

3.2.3 Bewuchs des Gewässerrandstreifens

Die Dichte des Bewuchses trägt maßgeblich zur Filter- und Rückhaltewirkung des Gewässerrandstreifens bei. Finden sich Lücken oder ausgedünnte Stellen im Randstreifen mindert dies die Pufferwirkung. Auch die Höhe des Bewuchses beeinflusst besonders die durch atmosphärische Deposition und Direkteintrag eingebrachte Stoffmengen. Ist Gehölz anzutreffen, mindert dies zusätzlich die Sonneneinstrahlung in das Gewässer. Dies kann die Algenbildung verringern. Jedoch kann die Beschattung nicht das Herausfiltern oder Zurückhalten von Nährstoffen ersetzen. Die wichtigste Aufgabe der Flora eines Gewässerrandstreifens ist die Aufnahme der zurückgehaltenen Nährstoffe. Dieser Effekt kann jedoch nur dann auf Dauer erhalten bleiben, wenn regelmäßig Biomasse und damit auch die darin enthaltenen Stoffe aus dem System entfernt werden.

3.2.4 Breite des Gewässerrandstreifens

Nach DVWK-S 90 (1990) steht die Breite eines Gewässerrandstreifens in direktem Zusammenhang zu seiner Pufferwirkung. Nach § 38 WHG sollte sie mindestens fünf Meter betragen. In der Praxis kann sie jedoch zwischen 0 (kein Gewässerrandstreifen vorhanden) und weit über fünf Metern variieren. Es handelt sich hierbei um eine der maßgebendsten Größen hinsichtlich der Pufferwirkung. Dies ist darauf zurück zu führen, dass bei einer größeren Breite der Abfluss stärker abgebremst wird und mehr Pflanzen vorhanden sind, die Nährstoffe aufnehmen können.

3.2.5 Form des Gewässerrandstreifens

Auch die Form eines Gewässerrandstreifens kann durchaus Einfluss auf dessen Pufferwirkung. In Abbildung 4 sind verschiedene, mögliche Ausbildungen der Uferzone dargestellt.

[...]


1 (via DWA-M 910)

2 (via DWA-M 910)

3 (via KW 10/13)

4 (aus DWA-M 910)

5 (eigene Skizze)

Details

Seiten
45
Jahr
2015
ISBN (eBook)
9783668984134
ISBN (Buch)
9783668984141
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v491416
Institution / Hochschule
Fachhochschule Trier - Hochschule für Wirtschaft, Technik und Gestaltung
Note
1,3
Schlagworte
pufferwirkung gewässerrandstreifen nähr- schadstoffeintrags

Autor

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Titel: Pufferwirkung von Gewässerrandstreifen hinsichtlich des Nähr- und Schadstoffeintrags