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für Grundwasserschutz am Rhein

Durch eine Reihe von grenzüberschreitenden Projekten in den Jahren 1993 – 2006 im Bereich des Oberrheins zwischen Basel und Karlsruhe wurden Fragen des Grundwasserschutzes und der Grundwasserbewirtschaftung behandelt. Im Rahmen dieser Projekte wurden in großem Umfang Daten gesammelt und aufbereitet, u. a. um damit die erforderlichen stochastischen bzw. deterministischen Modelle aufzubauen, anzupassen und für Simulationen einzusetzen. Immer wieder standen dabei Grundwassermodelle im Mittelpunkt, mit Hilfe derer die großräumige Grundwasserströmung sowie der Transport von Inhaltsstoffen berechnet wurde. Die umfangreichste Modellkette wurde durch das bis 2006 durchgeführte INTERREG III A-Projekt MoNit „Modellierung der Grundwasserbelastung durch Nitrat im Oberrheingraben“ aufgebaut und eingesetzt, wofür eine abgestimmte Zusammenarbeit einer Reihe interner und externer Experten erforderlich war. Nach Abschluss dieses Projektes war die Modellkette nicht mehr in vollem Umfang bei den beteiligten Institutionen einsetzbar, da das Projektpersonal nicht mehr vollständig zur Verfügung stand. 

Um diese Modellkette in Teilen oder insgesamt dauerhaft und kostengünstig ohne EU-Förderung für aktuelle Fragestellungen nutzen zu können, wurde die Entwicklung eines grenzüberschreitenden Netzwerkes angestrebt. Diese sogenannte „Länderübergreifende Organisation für Grundwasserschutz am Rhein“ LOGAR hat in den Jahren 2008 bis 2011 die  vorliegende Datengrundlage aktualisiert und fortgeschrieben sowie die vorhandenen Werkzeuge bei den Grundwasserinstitutionen beiderseits des Rheins in den Routinebetrieb überführt.

Das Projekt LOGAR mit neun grenzüberschreitenden Teilprojekten diente der Bestandsaufnahme und Beschreibung von Hydrogeologie und Grundwasser beiderseits des Rheins sowie der Entwicklung von Modellen zur Simulation des Grundwasserfließverhaltens und des Transports von Schadstoffen (z. B. Nitrat, Chlorid) aus dem Boden über die ungesättigte Zone bis ins Grundwasser. Mit diesen Modellen ist auch eine Prognose der weiteren Entwicklung der Schadstoffbelastung des Grundwassers möglich (Prognosefähige Simulation bis 2050). Außerdem lassen sich die Auswirkungen von Maßnahmen wie z. B. Änderungen in der Bodenbewirtschaftung simulieren.

Weitere Informationen und Publikationen sowie auch den Abschlussbericht des Projekts "Interreg IV -Länderübergreifende Organisation für Grundwasserschutz am Rhein / LOGAR" finden Sie auf den Internetseiten des Netzwerkes LOGAR www.logar2050.eu.

 

Das Modellsystem von LOGAR

Zur Prognose der zukünftigen Belastung des Grundwassers mit Nitrat und Pflanzenschutzmitteln (PSM) im Oberrheingraben wurden Modelle unterschiedlicher Konzeption und räumlicher bzw. zeitlicher Diskretisierung genutzt. Zur Anwendung kamen numerische Simulationsmodelle (MODFLOW und MT3DMS sowie MACRO), ein deterministisches Bodenwasserhaushaltsmodell (GWN-BW), ein konzeptionelles Stickstoffbilanzmodell (STOFFBILANZ) und verschiedene Regressionsmodelle (QRegio, RheinWsp).

Die Modelle lassen sich einzelnen Modulen Austrag von Nitrat und Pflanzenschutzmittel aus dem Boden, Hydrologie und Grundwasser zuordnen. Die Modelle sind untereinander gekoppelt wie folgende Abbildung veranschaulicht:

Im Folgenden werden die einzelnen Module einschließlich der darin verwendeten Modellansätze kurz beschrieben:

Der Nitrat-Austrag aus der Bodenzone wurde flächendeckend mit dem Modell STOFFBILANZ berechnet . Es handelt sich um ein konzeptionelles N-Bilanzierungsmodell mit empirischen Berechnungsansätzen zur Quantifizierung einzelner Bilanzglieder (Mineralisierung, Denitrifikation). Das Modell wurde bereits im Rahmen des Projektes MoNit an regionale Gegebenheiten im Oberrhein angepasst. Im aktuellen Projekt LOGAR wurden weitere Modelloptimierungen vorgenommen, die darauf abzielen, das standortbedingte Auswaschungsrisiko zu berücksichtigen und die Wirksamkeit von Bewirtschaftungsmaßnahmen abzubilden. Aus den Ergebnissen wurden jährliche flächendeckende N-Austragsfrachten aus der Bodenzone generiert, welche als obere Randbedingung für den N-Eintrag an das Grundwassermodell übergeben wurden. (Federführung für dieses Teilprojekt: LTZ Augustenberg).

Der Austrag von Pflanzenschutzmitteln (PSM) aus dem Boden wurde mit MACRO, einem physikalisch-basierten eindimensionalen numerischen Modell für Wasserströmungen und reaktiven Transport von gelösten Substanzen in Freilandböden simuliert. (Federführung: Bureau de Recherches Géologiques et Minières)

Die lokale Grundwasserneubildung aus Niederschlag wurde mit Hilfe des Modells GWN-BW (Grundwasserneubildung-Bodenwasserhaushalt) bestimmt. GWN-BW ist ein deterministisches, flächendifferenziertes Modell zur Berechnung der tatsächlichen Evapotranspiration, zur Simulation des Bodenwasserhaushaltes sowie zur Bestimmung der unterhalb der durchwurzelten Bodenzone gebildeten Sickerwasserrate. In den einzelnen Teilmodulen von GWN-BW kommen sowohl physikalisch basierte als auch konzeptionelle Ansätze zur Beschreibung der an den Vorgängen von Verdunstung und Sickerwasserbildung beteiligten Prozesse zur Anwendung. Die Berechnung erfolgt auf Basis von Tagesschritten. Die räumliche Diskretisierung kann wahlweise durch beliebig aufgelöste Raster oder in Vektorgeometrien erfolgen. Die in Form von Stationswerten vorliegenden meteorologischen Eingangsdaten (Niederschlag, Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Sonnenscheindauer oder Global¬strahlung, Windstärke oder Windgeschwindigkeit) können nach verschiedenen Verfahren auf die Fläche übertragen werden. Alter¬nativ ist die Vor¬gabe extern regional¬isierter Daten möglich.

Das Modell wurde in einer räumlichen Diskretisierung von 250m und 500m eingesetzt. Der Einfluss der unterschiedlichen Landnutzungen auf die Wasserbilanz wurde auf jeder Zelle entsprechend ihres Flächenanteils berücksichtigt.

Als Regionalisierungsansatz zur Ermittlung von Zuflüssen aus den oberirdischen Einzugsgebieten wurde QRegio angewendet. Damit wurden für sämtliche Oberflächengewässer monatliche Zufluss­ganglinien am Rand des inneren Projektgebietes erzeugt. QRegio arbeitet auf der Basis monatlicher Gebietsniederschlagszeitreihen und einer gebietsspezifischen Regressions­beziehung zwischen Abfluss und mehreren Gebiets­kenngrößen (Formfaktoren, Landnutzung und Landschaftsfaktoren). Die Gebietsniederschlagszeitreihen wurden mit GWN-BW bereitgestellt. Die Regressions­beziehungen wurden für alle mit Pegeln ausgestatteten Zuflüsse aus Schwarzwald und Vogesen kalibriert.

Zur Ermittlung der täglichen Wasserspiegellagen des Rheins wurde eine vereinfachte Vorgehensweise durch Aufstellung von Wasserstands-Abflussbeziehungen (W-Q-Beziehungen) gewählt (Regressionsmodell RheinWsp). Die W-Q-Beziehungen wurden entlang der benötigten Rheinstrecke an etwa 2.100 Querprofilen auf Grundlage der vorliegenden hydrodynamisch berechneten täglichen Wasserspiegel von 1986 bis 2002 (BAW 2005) sowie den gemessenen Abflüssen am Pegel Basel und den abschnittsweise hinzu addierten gemessenen Oberrheinzuflüssen für diese Zeitspanne aufgestellt.

Auf der Grundlage eines 3-dimensionalen hydrogeologischen Modells des Oberrheinaquifers wurde mit Hilfe von MODFLOW2000 (Harbaugh et al., 2000, USGS, 2006) die instationäre dreidimensionale Grundwasserströmung sowie mit MT3DMS der instationäre Transport und Abbau von Nitrat sowie der Transport von Pflanzenschutzmittel im Grundwasser des Oberrheingrabens simuliert. Die räumliche Auflösung beträgt horizontal 100m, vertikal wurde der Aquifer in jeweils 10 Schichten variabler Mächtigkeit aufgelöst.

Das Strömungsmodell wurde unter Berücksichtigung folgender hydraulischer Randbedingungen aufgebaut:

  • Grundwasserneubildung aus Niederschlag als flächenhafte Zuflussrandbedingung
  • Leakagerandbedingung an dem feinmaschigen Netz der Fließgewässer und Baggerseen mit jeweils gekoppelter Wasserbilanzbetrachtung
  • Leakagerandbedingung für den Rhein und den Rheinseitenkanal mit vorgegebenem Potenzial aus der numerischen Wasserspiegelberechnung
  • Grundwasserentnahmen als Randbedingung 2. Art
  • Unterirdischer Zufluss an den Grabenrändern, der über eine Bilanzierung der angrenzenden oberirdischen Einzugsgebiete bestimmt wurde

Mit einer monatlichen Zeitdiskretisierung wurden die saisonalen und langjährigen Schwankungen der Grundwasserverhältnisse im Zeitraum 01.01.1986 bis 31.12.2008 im numerischen Modell erfasst, wobei folgende Randbedingungen instationär angesetzt wurden:

  • Monatliche Grundwasserneubildung aus Niederschlag
  • Monatlicher Zufluss in den oberirdischen Gewässern am Grabenrand
  • Mittlere monatliche Wasserspiegel im Rhein und Rheinkanal
  • Monatliche bzw. auch jährliche Grundwasserentnahmen in Abhängigkeit der verfügbaren Daten

Die langjährigen Nitrattransportrechnungen wurden für den Zeitraum 1950 bis 2009 durchgeführt. Grundlage war das stationäre Strömungsfeld aus der Eichung für mittlere Grundwasserverhältnisse (20.10.1986).

Weiterführende Literatur ist auf der Logar-Seite unter Dokumente und Publikationen zu finden.

Projektergebnisse

Im Projekt LOGAR wurden verschiedene Szenarien mit dem Zeithorizont 2050 betrachtet.

Bleibt das Düngeverhalten und der Nitrateintrag unverändert (Bezugsjahr 2009), reduziert sich der über das gesamte Untersuchungsgebiet gemittelte Nitratgehalt von aktuell ca. 22 mg/l bis zum Jahr 2050 auf gut 16 mg/l (Szenario 1 in rot). Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass heute deutlich weniger gedüngt wird und die landwirtschaftlichen Flächen optimaler bewirtschaftet werden als noch vor 20 bis 30 Jahren. Das Szenario 2A geht von der rein theoretischen Annahme aus, dass künftig ausschließlich ein Nitrateintrag über die Atmosphäre erfolgt und nicht mehr gedüngt wird. Beim Szenario 2b mit Halbierung des Nitrateintrags ist dieser Rückgang deutlicher. Der gemittelte Nitratgehalt wurde auf gut 10 mg/l im Jahr 2050 prognostiziert.

 

Dieser Rückgang bei Halbierung des Nitrateintrags (Szenario 2b) ist auch in den Karten mit der Nitratverteilung sehr gut erkennbar. In der Ausgangssituation auf der linken Seite (Jahr 2009) sind noch viele rote Bereiche mit Nitrat-Konzentrationen über dem Trinkwassergrenzwert von 50 mg/l zu sehen, etwa südlich und nördlich des Kaiserstuhls auf baden-württembergischer Seite oder entlang des Fußes der Vogesen im Elsaß. Auf der rechten Seite, die das Simulationsergebnis für das Jahr 2050 darstellt, überwiegen die Farben blau und grün, das heißt Konzentrationen unter 25 mg/l.

 

Das Netzwerk LOGAR

Mit dem Projekt LOGAR wurde die Grundlage für eine dauerhafte grenzüberschreitende Zusammenarbeit zum Grundwasserschutz geschaffen. Die vorhandenen Modelle wurden so erweitert, dass sie als Simulations- und Prognoseinstrumente für Entwicklung von Schadstoffbelastungen im Grundwasser eingesetzt werden können. Im Jahre 2013 wurde eine Rahmenvereinbarung zur weiteren Zusammenarbeit im Netzwerk LOGAR zwischen den beteiligten Institutionen geschlossen und ein Lenkungsausschuss eingerichtet. Beteiligte Institutionen sind neben der LUBW die Région Grand Est (Gründungsmitglied: Région Alsace), BRGM (Bureau de Recherches Géologiques et Minières), DREAL Alsace (Direction Régionale de l’Environnement, de l’Aménagement et du Logement), AeRM (Agence de l’eau Rhin Meuse) und das LTZ (Landwirtschaftliches Technologiezentrum Augustenberg).

Im Fachaussschuss sind als assoziierte Partner vertreten: FREDON (Fédération Régionale de Défense contre les Organismes Nuisibles) Alsace, APRONA (Association pour la protection de la nappe phréatique de la plaine d’Alsace), ARAA (Association pour la Relance Agronomique en Alsace) und das LGRB (Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau des Regierungspräsidiums Freiburg).