Projektbeschreibung MoNIT

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. Dabei wurden sechs Teilprojekte unterschieden, welche in getrennten Arbeitsgruppen bearbeitet wurden.

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.