Das Projekt im Überblick - Les points-clés du projet

zur Projektbeschreibung und Übersichtskarten des Projektgebiets

"Modellierung der Grundwasserbelastung durch Nitrat im Oberrheingraben"

"Modélisation de la pollution des eaux souterraines par les nitrates dans la vallée du Rhin Supérieur"

Dieses Projekt wurde von der Europäischen Union kofinanziert (Europäischer Fonds für regionale Entwicklung, EFRE) Ce projet était confinancé par la Union Européenne (Fonds européen de développement régional, FEDER)

Projektträger

Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg

Maître d’ouvrage

Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg

Finanzpartner

  • Europäische Union - INTERREG III A und Oberrhein Mitte-Süd
  • Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW), Karlsruhe
  • Région Alsace, Strasbourg
  • Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM), Strasbourg
  • Agence de l'eau Rhin-Meuse (AERM), Rozerieulles
  • Ministère de l'Ecologie et du Développement Durable, Paris
  • Landwirtschaftlichen Technologiezentrums Augustenberg (LTZ), Karlsruhe
  • Regierungspräsidium Freiburg - Abt. 9 (Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg - LGRB), Freiburg
  • Schweizer Eidgenossenschaft, Basel
  • Kanton Basel-Landschaft, vertreten durch das Amt für Umweltschutz und Energie, Liestal
  • Kanton Basel-Stadt, vertreten durch das Amt für Umwelt und Energie, Basel

Cofinanceurs

  • Union Européenne - INTERREG III A et Rhin Supérieur Centre-Sud
  • Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW), Karlsruhe
  • Région Alsace, Strasbourg
  • Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM), Strasbourg
  • Agence de l'eau Rhin-Meuse (AERM), Rozerieulles
  • Ministère de l'Ecologie et du Développement Durable, Paris
  • Landwirtschaftlichen Technologiezentrums Augustenberg (LTZ), Karlsruhe
  • Regierungspräsidium Freiburg - Abt. 9 (Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg - LGRB), Freiburg
  • Schweizer Eidgenossenschaft, Basel
  • Canton Bâle-Campagne, représenté par le Amt für Umweltschutz und Energie, Liestal
  • Canton Bâle-Ville, repésenté par le Amt für Umwelt und Energie, Basel

Kooperationspartner

  • Landesanstalt für Entwicklung der Landwirtschaft und der ländlichen Räume, Schwäbisch Gmünd
  • Association pour la Protection de la Nappe Phréatique de la Plaine d’Alsace (APRONA), Colmar
  • Regierungspräsidium Freiburg
  • Land Rheinland-Pfalz, vertreten durch die Struktur- und Genehmigungsdirektion Süd, Neustadt/ Weinstraße
  • Association pour la Relance Agronomique en Alsace (ARAA), Strasbourg
  • Institut für umweltgerechte Landbewirtschaftung, Müllheim

Partenaires associés

  • Landesanstalt für Entwicklung der Landwirtschaft und der ländlichen Räume, Schwäbisch Gmünd
  • Association pour la Protection de la Nappe Phréatique de la Plaine d’Alsace (APRONA), Colmar
  • Regierungspräsidium Freiburg
  • Land Rheinland-Pfalz, repésenté par le Struktur- und Genehmigungsdirektion Süd, Neustadt/ Weinstraße
  • Association pour la Relance Agronomique en Alsace (ARAA), Strasbourg
  • Institut für umweltgerechte Landbewirtschaftung, Müllheim

Hauptziele des Projekts

  • Bewertung der Wirksamkeit von Maßnahmen zur Reduzierung der Grundwasserbelastung im Oberrheingraben
  • Steigerung der Effizienz von Grundwasserschutzmaßnahmen

Objectifs principaux du projet

  • Vérification de l'efficacité des mesures de réduction de la pollution des eaux souterraines dans la vallée du Rhin supérieur
  • Amélioration de l’efficacité des mesures de protection des eaux souterraines

Schwerpunkte des Projekts

  • Modellierung des Nitrataustrags aus dem System Boden-Pflanze und des Transports von nitratbelastetem Sickerwasser in der ungesättigten Zone
  • Erfassung und Modellierung der sozioökonomischen Aspekte bei der Reaktion auf Änderungen von Maßnahmen
  • Modellierung des großräumigen Nitrattransports im Grundwasser, Aufbau und Eichung von mehrschichtigen Strömungs- und Transportmodellen
  • Untersuchung und Quantifizierung der Austauschmengen zwischen Oberflächengewässern und Grundwasser
  • Modellgestützte Szenarienbetrachtungen zur zukünftigen Entwicklung der Nitratkonzentration im Grundwasser

Eléments centraux du projet

  • Modélisation de l’apport de nitrates issus de l’interface plantes / sol, ainsi que du transport des nitrates dans la zone non saturée du sol
  • Recensement et modélisation des aspects socio-économiques en cas de variation des mesures de protection proposées
  • Modélisation du transport des nitrates à grande échelle en eaux souterraines, construction et étalonnage du modèle de transport multicouches
  • Etude et quantification des échanges nappe-rivières
  • Analyse de différents scénarios d’évolution future de la concentration des nitrates dans les eaux souterraines avec le modèle calibré.

Gesamtkosten des Projekt

  • 2.892.700,00 €

Coût total du projet

  • 2.892.200,00 €

Projektlaufzeit

  • 4 Jahre zwischen 2002 und 2006

Durée de réalisation

  • 4 ans, période 2002 -2006

 

Projektbeschreibung und Berichte

Ziel des Projektes "Modellierung der Grundwasserbelastung durch Nitrat im Oberrheingraben" (MoNit) war es, Hilfsmittel zur Bewertung der Wirksamkeit und damit zur Priorisierung von Maßnahmen zur Reduzierung der Grundwasserbelastung im Oberrheingraben zwischen  Basel und Wissembourg-Rastatt bereitzustellen. Die Untersuchung sollte auf die derzeit dominierende Belastung durch Nitrat konzentriert werden. Dabei standen die diffusen Einträge im Vordergrund. Dieses Ziel wurde mit Hilfe einer großräumigen Grundwassermodellierung erreicht.

Zu dem Gesamtprojekt ist folgender Abschlussbericht sowie eine Kurzfassung erschienen:

Zu den Teilprojekten sind folgende Berichte erschienen:

Bei der Erarbeitung des Modellsystems MoNIT wurden sechs Teilprojekte unterschieden und zueinander in Bezug gesetzt:

Entscheidende Faktoren für eine erfolgreiche Umsetzung von Maßnahmen zur Reduzierung des Nitrateintrags ins Grundwasser sind sozio-ökonomische Aspekte. Mit Hilfe eines sozio-ökonomischen Modells wurden die Verhaltensweisen von landwirtschaftlichen Betrieben und damit der Eintrag von Stickstoff aus der landwirtschaftlichen Bodennutzung nachgebildet. Es dient als Werkzeug, um die Auswirkungen verschiedener Szenarien der Landwirtschafts- und Umweltpolitik auf die angebauten Kulturarten und die Bewirtschaftungspraktiken sowie auf das Einkommen der Landwirte im Untersuchungsgebiet zu simulieren.

Die Ergebnisse aus dem sozioökonomischen Modul, die je Szenario eine geänderte Landnutzung und Bewirtschaftung enthalten, wurden als Eingangsdaten für das Nitratverlagerungsmodell verwendet.

Mit einem Stickstoffmodell werden die Stickstoffumsätze im System Pflanze - Boden und der Überschuss an Stickstoff, der aus dem Boden ins Grundwasser ausgewaschen werden kann, berechnet. Mit Hilfe des deterministischen Nitratverlagerungsmodells STICS wird der mittlere Stickstoffeintrag aus der Fläche ermittelt. Dabei werden sowohl klimatische Faktoren als auch Standorteigenschaften berücksichtigt und die bodenphysikalischen Prozesse in den Modellen nachgebildet.

Für genauere Detailuntersuchungen der Nitratverlagerung und die Differenzierung der Nitratherkunft aus organischen oder mineralischen Düngern, bzw. dem Stickstoff-Vorrat im Boden, wurden auf Testflächen in der Schweiz, Deutschland und Frankreich Feldversuche mit Sickerwasseranalysen (Saugkerzenmethode) durchgeführt.

Saugkerzeneinbau am
Viehwegacker bei Müllheim

Zur besseren Kenntnis der Stickstoffdynamik wurden die Stickstoffumsätze im Boden bei unterschiedlicher Landnutzung auch experimentell untersucht. Dazu wurden auf lokaler Ebene charakteristische Standorte für verschiedene landwirtschaftliche Bewirtschaftungsformen gewählt und das Sickerwasser und Grundwasser auf Nitrat und Nitrat-Isotopen analysiert, um die Herkunft des Nitrats im Grundwasser ermitteln zu können. Das Ziel war, die relevanten Faktoren für die Nitratauswaschung zu erfassen und deren Konzentrationsmittelwerte und Bandbreiten der Variationen zu beschreiben.

Ein weiterer wichtiger Einflussfaktor der Nitratkonzentrationen im Grundwasser ist der Austausch zwischen Fluss und Grundwasser. In drei Teilgebieten wurden Prozesskenntnisse zu Interaktionen zwischen Fluss und Grundwasser gewonnen, welche im größeren Maßstab bei der großräumigen Grundwassermodellierung der Interaktionen zwischen Gewässer und dem Grundwasser eingeflossen sind.

Uferbereich an der unteren Birs

Im Rahmen des Teilprojektes Hydrogeologie wurde für das Projektgebiet ein hydrogeologisches Modell der quartären Lockergesteinsfüllung im Oberrheingraben erstellt. Dieses Modell beinhaltet Angaben zu den Mächtigkeiten und Durchlässigkeiten der Kiese und der Zwischenschichten. Es stellt die Grundlage für das numerische Grundwassermodell dar. Das hydrogeologische Modell basiert neben den Informationen aus Bohrungen auch auf den Ergebnissen hoch auflösender reflexionsseismischer Messungen, mit denen der Untergrund unterhalb des Rheins und seiner Nebenflüsse bis zu einer Tiefe von 300 bis 400 m erkundet wurde. Es lieferte wesentliche Eingangsparameter für die Simulation des Stofftransportes in der ungesättigten und gesättigten Zone.

Messprinzip der reflexionsseismischen Messungen

 

Für den gesamten Oberrheingraben wurde ein detailliertes mehrschichtiges numerisches Grundwassermodell erstellt. Dieses nutzt auch Informationen und Daten aus dem früheren Projekt "Demonstrationsvorhaben zum Schutz und zur Bewirtschaftung des Grundwassers des deutsch- französisch- schweizerischen Oberrheingrabens", welches im Rahmen des LIFE-Programms 1992-1995 bearbeitet wurde.

Grundlage für das numerische Grundwassermodell ist ein aktuelles hydrogeologisches Modell für das gesamte länderübergreifende Projektgebiet, welches im Teilprojekt "Hydrogeologie" erarbeitet wurde. Die Daten aus dem hydrogeologischen Modell wurden auf ein mehrschichtiges Grundwassermodell mit einem 100 x 100m Raster übertragen und mit den erforderlichen tiefendifferenzierten Strömungsrandbedingungen ergänzt.

Im Rahmen der Modelleichung wurden die nicht im Detail bekannten Untergrundparameter wie die Durchlässigkeit so lange variiert, bis eine bestmögliche Übereinstimmung zwischen gemessenen und berechneten Piezometerhöhen vorlag. Das stationäre Strömungsmodell sollte möglichst repräsentative stationäre Verhältnisse abbilden. Die Analyse der hydrologischen Verhältnisse ergab, dass im Jahr 1986 näherungsweise mittlere Verhältnisse vorgelegen haben und die gemessenen Piezometerhöhen im Oberrheingraben für den Stichtag 20.10.1986 in allen Bereichen näherungsweise mittlere Verhältnisse zeigten. Aus diesem Grund wurde der Aufbau der hydrologischen und hydraulischen Randbedingungen auf das Jahr 1986 und den ausgewählten Strichtag 20.10.1986 ausgerichtet.

Um das stationäre Strömungsmodell weiter zu verbessern, wurde auch eine instationäre Strömungseichung für den Zeitraum 01.01.1986 bis 31.12.2002 durchgeführt. Für die instationäre Strömungsmodellierung wurden die stationären Datensätze auf instationäre Verhältnisse erweitert. Dies betrifft im Wesentlichen die Randbedingungen, die infolge der Hydrologie und der Bewirtschaftung schwanken (Grundwasserneubildung aus Niederschlag, Wasserspiegel des Rheins und des Rheinkanals, oberirdische Zuflüsse in den Gewässern am Modellrand, Grundwasserentnahmen).

Die Kalibrierung des Transportmodells erfolgte dreistufig anhand jeweils vorliegender Messinformationen. Zunächst erfolgte eine Tritiumsimulation, wodurch im Wesentlichen die effektive Porosität eingegrenzt wurde. Im zweiten Schritt wurden Sauerstofftransportberechnungen durchgeführt, um die Abbaurate für Sauerstoff zu bestimmen. Im nächsten Schritt musste nun aus dem Sauerstoffabbau auf die Denitrifikation im Grundwasserleiter geschlossen und die bisherige Situation in einer instationären Transportberechnung reproduziert werden. Es wurde dabei auf Grundlage statistischer Daten davon ausgegangen, dass vor 1950 kein merklicher anthropogener Nitrateintrag stattgefunden hat, so dass eine Simulationszeit von 1950 bis 2005 ausgewählt wurde. Innerhalb dieser Simulationszeit liegen Nitratmessungen an zahlreichen Messstellen vor, die mit den berechneten Nitratwerten verglichen wurden und so das Nitrattransportmodell überprüft werden konnte.

Zusammenhang der Einzelaspekte im Modellsystem MoNIT:

Modellsystem MoNIT

Übersichtskarten zum Projektgebiet/Cartes générales

Relief im Untersuchungsgebiet

Karte Bodentypen Oberrheingraben

Quelle: Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau (LGRB) Baden-Württemberg, Association pour la Relance Agronomique en Alsace (ARAA)

Karte mittlerer Jahresniederschlag Oberrheingraben 1985-2002

Bearbeitung durch GIT Hydros Consult, berechnet durch das Modell GWN_BW