Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II Themen: Vorlesung 6 Stoffeintrag und Erosion / Wechselwirkungen Vertikale und.

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1 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II Themen: Vorlesung 6 Stoffeintrag und Erosion / Wechselwirkungen Vertikale und horizontale Stoffströme Interaktion Oberflächengewässer / Grundwasser Gefährdungsabschätzung auf der Basis der ABAG Anforderungen an die Landwirtschaft

2 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Lehrziele der Veranstaltung Sie entwickeln selbstständig Maßnahmen zur Erosionsminderung in Gewässereinzugsgebieten. Sie verstehen und klassifizieren Maßnahmen zur Erosionsminderung in der Landwirtschaft. Sie kennen die Zusammenhänge zwischen Stoffeintrag einerseits und Erosion sowie Auswaschungsgefährdung andererseits. analysieren anwenden verstehen erinnern erschaffen bewerten Sie kennen die Einflussgrößen des Bodenabtrages.

3 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Grundwasserebene Phosphat Eintrag Stickstoff Eintrag Auswaschungsgefährdung Erosionspotenzial Diffuser Stoffeintrag (via Erosion) vorwiegend oberflächennahe, horizontale Fließprozesse (via Bodenpassage) vorwiegend vertikale Fließprozesse zum Grundwasser und von dort in die Gewässer

4 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Ergebnis: Influente (wasserabgebende) Gewässer oder effluentes (ausfließendes) Grundwasser Interaktion Oberflächenwasser - Grundwasser

5 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Stoffeintrag Ort der Beurteilung Ungesättigte Bodenzone Grundwasserleiter Schadstoffquelle Bildquelle: Meyer, LFA

6 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Interaktion Oberflächenwasser - Grundwasser Oberflächengewässer signifikante anthropogene Belastungen durch diffuse Quellen Grundwasser Risikoanalyse bezüglich der Belastung Verknüpfung der punktuellen und diffusen Belastungen sowie der Standorteigenschaften Grundwasser abhängige Ökosysteme NRW Fachinformationssystem Diffuse Quellen (FIS DQ) NRW Beschreibung der Bodenverhältnisse Die Deckschichteneigenschaften sowie deren Funktionen werden Bestandteil der Maßnahmenplanung

7 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Zielbestimmung beim Stoffeintrag Bestimmung der Erosionsgefährdung Ermittlung der Austauschhäufigkeit und Bestimmung des nutzungsabhängigen Auswaschungspotenzials Räumliche Identifikation der Interaktionszonen Oberflächenwasser & Grundwasser

8 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Methode:Austauschhäufigkeit = Sickerwasserrate / FK We [1/a] Daten: - Sickerwasserrate (GLADIS) - Feldkapazität des effektiven Wurzelraums (digitale Bodenkarte 1:50.000) Format:Vektor Bezug:Bodenpolygone BK50 Bestimmung der Austauschhäufigkeit

9 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Methode:nutzungsbezogene Bewertung der Austauschhäufigkeit Daten: - Nutzung (ATKIS) - Austauschhäufigkeit Format:Vektor Bezug:Teileinzugsgebiet Auswaschungsgefährdete Bereiche

10 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Ergebnis Auswaschungsgefährdung - keine +++++ sehr hoch ++++ hoch +++ mittel ++ gering + sehr gering Auswaschungsgefährdung

11 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Methode:Allgemeine Bodenabtragsgleichung - ABAG Daten: - Isoerodentenkarte - Bodenerodierbarkeit (BK50) - Neigung (DGM5) - Nutzung (ATKIS) Format:Raster Bezug:Pixel (10 m x 10 m) Erosionsgefährdete Bereiche

12 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Ergebnis Erosionsgefährdung - keine +++++ sehr hoch ++++ hoch +++ mittel ++ gering + sehr gering Erosionsgefährdung

13 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bestimmung der Erosionsgefährdung via ABAG R: Regenfaktor (Erosivität Regen) K: Bodenerodierbarkeitsfaktor (Anfälligkeit des Bodens) LS: Topographiefaktor C: Bodenbedeckungs- und Bodenbearbeitungsfaktor P: Erosionsschutzfaktor A = R x K x LS x C x P Allgemeine Bodenabtragsgleichung („ABAG“) [t/(ha  a)]

14 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken A = R  K  LS  C  P Allgemeine Bodenabtragsgleichung Erläuterung: Der Regenfaktor ist ein Maß für die gebietsspezifische Erosionskraft des Regens. Dieser Wert stellt eine Verknüpfung zwischen der Niederschlagsintensität und der resultierenden kinetischen Energie her. Datenquelle: Isoerodentenkarte des Geologischen Dienstes NRW, Stand August 2002 Verfügbarkeit: 100% der Landesfläche NRW A = R  K  LS  C  P Regenfaktor (Erosivität des Regens)

15 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Gefährdungsabschätzung durch Erosion A = R  K  LS  C  P

16 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Intensität [mm/h] medianer Durchmesser [mm] Fallge- schwindigkeit [m/s] kinetische Energie [kJ/m² x h] Sprühregen 0,2 0,10 0,200 Nieselregen 0,5 1,00 4,200 Leichter Regen 1,01,20 4,900 Starker Regen 15,0 2,10 6,900 Gewitterregen 100,0 3,008,400 10 -3 10 0 10 1 10 3 10 4 Niederschlag und kinetische Energie

17 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bodenerodierbar- keitsfaktor Bodenerodierbarkeitsfaktor Erläuterung: Der Bodenerodierbarkeitsfaktor beschreibt die Erosionsanfälligkeit des Bodens. Es wird das Abtragsverhältnis zu einem „Standardhang“ als Funktion von der Korngrößenverteilung, dem Anteil organischer Substanz, der Aggregatklasse des Oberbodens sowie der Durchlässigkeitsklasse abgeleitet. Datenquelle: Digitaler Bodenkarte des Geologischen Dienstes NRW Verfügbarkeit: 99,03% der Landesfläche NRW A = R  K  LS  C  P

18 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bodenerodierbarkeitsfaktor A = R  K  LS  C  P

19 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Topographiefaktor Erläuterung: Der Topographiefaktor berücksichtigt das Gelände, Verhältnis des Abtrags eines Hanges beliebiger Länge und Neigung zu einem „Standardhang“, Verknüpfung von Hanglänge und Geländeneigung: LS = (L/22) m  (65,41  sin²  + 4,56  sin  + 0,065) A = R  K  LS  C  P

20 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken A = R  K  LS  C  P N Eifel-Rur

21 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Höhenmodell A = R  K  LS  C  P Aachen

22 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bodenbedeckungs- und Bodenbearbeitungsfaktor Erläuterung: Auswirkungen der Bodennutzung / Bepflanzung. Der Wert ist abhängig von der Kulturpflanze: Ackerflächen 0,250 (Mittelwert) Sonderkulturen 0,200 Grünland 0,004 Wald 0,002 Sonstige Flächen 0,000 Datenquelle Ableitung aus ATKIS NRW (über LUA), Verfügbarkeit 100% der Landesfläche NRW A = R  K  LS  C  P

23 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken A = R  K  LS  C  P C-Faktor

24 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Erosionsschutzfaktor Gefährdungsabschätzung durch Erosion Erläuterung: Der Erosionsschutzfaktor beschreibt den Einfluss von Erosionsschutzmaßnahmen, z.B. Furchenbildung parallel / senkrecht zu den Höhenlinien Datenquelle keine daher P = 1 (keine Schutzmaßnahmen) A = R  K  LS  C  P

25 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Erosionsgefährdung Gesamtergebnis A = R  K  LS  C  P

26 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Anforderungen an die Landwirtschaft Grundsätzlich gilt: Jeder hat sich so zu verhalten, dass schädliche Bodenveränderungen gar nicht erst entstehen können. (Pflicht zur Vorsorge) Bei bestehenden schädlichen Bodenveränderungen sind Sanierungs-, Schutz- oder Beschränkungsmaßnahmen zu ergreifen. (Pflicht zur Gefahrenabwehr) Schadstoffbelastungen verhindern Erosionsprozesse vermeiden Schadverdichtungen vorbeugen

27 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Gute fachliche Praxis Standort- und witterungsgerechte Bodenbearbeitung Erhaltung oder Verbesserung der Bodenstruktur Vermeidung von Bodenschadverdichtungen Vermeidung von Bodenabträgen (Erosion) Erhaltung naturbetonter Strukturelemente der Feldflur (z.B. Hecken, Feldgehölze, Feldraine) Erhaltung und Förderung der biologischen Aktivität des Bodens Erhaltung des standorttypischen Humusgehaltes

28 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Verringerung von Schadstoffeinträgen Einsatz schwermetallarmer Mineraldünger Verminderung unnötig hoher Zusätze an Kupfer, Zink und Antibiotika in Futtermitteln, zur Entlastung der Frachten in Gülle oder Festmist Einschränkung der Verwertung von Klärschlämmen auf besonders nährstoffreiche und schadstoffarme Schlämme Nur gütegesicherte Komposte entsprechend der Bioabfallverordnung ausbringen

29 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Maßnahmen gegen Bodenerosion Bildquelle: MUNLV NRW

30 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Maßnahmen gegen Bodenerosion  Reduzierung der Zeitspannen ohne oder nur geringer Bodenbedeckung durch Untersaaten, Zwischenfruchtanbau oder Strohmulch  Anwendung erosionsmindernder Bodenbearbeitungs- und Bestellverfahren wie konservierende Bodenbearbeitung mit Mulch oder Direktsaat  Vermeidung hangabwärts gerichteter Bearbeitungsspuren  Aufbau und Erhalt eines stabilen Bodengefüges, z.B. durch Zufuhr organischer Substanz und Kalk  Vermeiden von Krumenbasis- und Unterbodenverdichtungen  Unterteilung langer Hänge, die sonst durchgehend mit erosionsfördernden Kulturen bestellt wurden  Anlage von Grünstreifen quer zum Hang  Dauerhafte Begrünung von besonders gefährdeten Tiefenlinien

31 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Einfluss der Bodenbearbeitung Quelle: Spektrum der Wissenschaft

32 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Unterschiede der Bodenbearbeitung Bodenbearbeitung mit Pflug, Einarbeiten von bis zu 90 Prozent der Pflanzenrückstände Scheibenegge, Einebnen der Oberfläche Bodenbearbeitung mit Grubber zur Saat- bettbereitung Aussaat Scheibenegge zur Saatbettbereitung Herbizidanwendung Hacken Ernte Untergrundlockerung, Einarbeiten von bis zur Hälfte der Pflanzen- rückstände Bodenbearbeitung mit Grubber Aussaat Herbizidanwendung Hacken Ernte Herbizidanwendung Aussaat Herbizidanwendung Ernte Konventionelle Bodenbearbeitung Konservierende Bodenbearbeitung Direktsaat

33 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vor- und Nachteile Direktsaat Vorteile weniger Erosion bessere Bodenfeuchtigkeit gesünderer Boden weniger Arbeits- und Benzinkosten weniger Sediment- und Düngereintrag in Gewässer günstigere CO 2 Bilanz Nachteile Umstellung auf Direktsaat anfangs schwierig Ausrüstung zunächst teuer mehr Herbizide notwendig auftretende Unkräuter, Krankheiten, Schädlinge nicht unbedingt vorhersagbar anfangs oft mehr Stickstoff- dünger nötig Pflanzen können langsamer keimen; dadurch vielleicht geringerer Ertrag

34 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vorsorge zum Schutz vor Schadverdichtungen 1 Bildquelle: MUNLV NRW

35 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vorsorge zum Schutz vor Schadverdichtungen 2 Befahrbarkeit des Bodens verbessern Konservierende Bodenbearbeitung Lockern mit dem Grubber Pflanzenreste, Mulch und organische Düngung fördern die Tätigkeit von Regenwürmern und anderen Bodenorganismen, stabilisieren die Bodenstruktur und erhöhen letztendlich die Tragfähigkeit Absenken mechanischer Belastungen Einsatz von z.B. Breit-, Terra-, Zwillingsreifen Verminderter Reifendruck Nichtausschöpfen der Lade-/Bunkerkapazität Senken der Überrollhäufigkeit

36 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vorsorge zum Schutz vor Schadverdichtungen 3 Anwendung technischer Möglichkeiten Automatische Reifendruckregelsysteme Raupenfahrwerke Dreiradfahrwerke Knicklenkung Bildquelle: MUNLV NRW