Parametrisierung und Anwendung eines GIS-gestützten Abflussdispositionsmodells zur Abschätzung von Runoff-Risiken auf landwirtschaftlich genutzten Flächen

Abstract

Neben Bodenerosion ist auch Oberflächenabfluss (Runoff) von landwirtschaftlich genutzten Flächen durch den an das Agens Wasser gebundene Transport gelöster Stoffe mit kritischen Umweltwirkungen für die betroffenen Ackerflächen sowie benachbarte Gewässerökosysteme verbunden. Da anwendungs- und umsetzungsorientierte Methoden zur präventiven Abschätzung von Runoff-Risiken bisher nicht in dem Maße verfügbar sind wie für die Wassererosion, wurde an der Universität Hamburg in Kooperation mit Industriepartnern, Fachbehörden und Consultingunternehmen ein GIS-gestütztes Dispositionsmodell entwickelt, das auf Grundlage von Messdaten verschiedener Einzugsgebiete in Nordrhein-Westfalen, Sachsen und Niedersachsen evaluiert und validiert wurde und eine flächendifferenzierte Abschätzung von Runoff-Risiken auf landwirtschaftlich genutzten Flächen ermöglicht (Wendland et al. 2016). Darauf aufbauend steht im Zentrum dieser Arbeit die praktische Anwendung dieses Abflussdispositionsmodells, um Runoff-Risiken bei unterschiedlicher Bewirtschaftung sowie für ausgewählte Minderungsmaßnahmen zu erfassen. Die Modellstruktur integriert verschiedene, überwiegend konzeptionelle Ansätze zur räumlich hochaufgelösten Modellierung vertikaler und lateraler Wasserflüsse und ermöglicht kontinuierliche Simulationen über längere Zeiträume sowie Ereignis-bezogene Simulationen und Szenarien-Rechnungen. Neben dem Modellkonzept und den Datenbedarfen werden diese Anwendungsoptionen exemplarisch am Beispiel zweier Testgebiete vorgestellt und vergleichend bewertet. Basierend auf den Ergebnissen des kontinuierlichen Modelllaufs und regionalisierten Niederschlagsdaten sowie auf Grundlage statistisch ermittelter Niederschlagsannuitäten werden verschiedene Bodenfeuchte- und Niederschlagszenarien generiert, die nachfolgend als Antriebsdaten in Szenarienrechnungen für verbreitetet kultivierte Ackerfrüchte und Fruchtfolgen sowie unterschiedliche Minderungsmaßnahmen eingehen. Die Ergebnisse der räumlich hochauflösenden saisonal differenzierten Szenarienrechnungen zeigen Pflanzen- und Bewirtschaftungsspezifische raumzeitliche Muster der Runoff-Disposition und belegen Unterschiede in der Effizienz exemplarisch analysierter Runoff-Minderungsmaßnahmen. Dabei zeigt sich, dass sowohl Direktsaat (bei Mais, Winterweizen und Winterraps) als auch maschinell erzeugte Querdämme (beim Kartoffelanbau) verglichen mit konventionellem Anbau zu deutlichen Reduktionen der Runoff-Risiken beitragen. Auf Basis der erzielten Ergebnisse werden Daten- und methodenbedingte Defizite bzw. Limitierungen des Modellkonzepts identifiziert, um darauf aufbauend im Fazit und Ausblick notwendige Weiterentwicklungen zu benennen.

Besides soil erosion it is overland flow (surface runoff) from agricultural fields and the related transportation of dissolved pollutants that implicates severe risks for both, the productivity of the effected agricultural plot (on-site damage) and the neighboring ecosystems such as aquatic habitats impacted by diffuse inputs of production residues (off-site damage). As compared to soil erosion by water, operational methods and tools for the preventive detection and assessment of runoff-risks are largely missing. Against this background, a GIS-based runoff-disposition model was developed at the University of Hamburg in close cooperation with industry partners, competent authorities and consulting companies. The model-concept was evaluated and validated against observational data from small catchments in North Rhine-Westphalia, Saxony, and Lower-Saxony, enabling spatially distributed estimations of runoff-risks on arable land. Based on these developments, the core focus of this study is the practical application of the modeling concept, in order to detect runoff-risks for different agricultural crops, management practices and selected runoff-mitigation measures. The GIS-based disposition model integrates several mainly conceptual approaches for modelling vertical and lateral water fluxes at high spatial resolution, and allows working for both, continuous long-term simulations as well as for event-based simulations and scenario applications. Apart from the conceptual structure and data requirements, the application scopes of the runoff-disposition model are presented and comparatively evaluated on the example of two test sites. Based on the results from continuous simulations, gridded precipitation fields and statistical recurrence frequencies of daily precipitation totals, a set of soil moisture and precipitation scenarios is defined, subsequently utilized as forcing data in scenario simulations, estimating runoff-risks of major agricultural crops, crop rotations and runoff-mitigation measures. Spatially explicit modelling results in monthly resolution reveal distinct crop- and management-specific spatiotemporal pattern of runoff disposition and prove differences of efficiency for runoff-mitigation measures in principle. As compared to conventional land management practices, both of the analyzed mitigation measures, direct sowing / no-till (for maize, winter wheat, winter rapeseed) as well as mechanically built micro dams (for potato rill-cultivation) lead to significant reductions of runoff-risks. Finally, based on the achieved modelling results, data and methodological constraints in the modelling concept are defined and necessary improvements and further developments are proposed.