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Dominant controls on catchment water quality dynamics: A Germany-wide analysis using data-driven models

Subject Area Hydrogeology, Hydrology, Limnology, Urban Water Management, Water Chemistry, Integrated Water Resources Management
Term from 2018 to 2023
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 392886738
 
Final Report Year 2022

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projekts wurden wesentliche Erkenntnisse zur zeitlich-räumlichen Ausprägung von Nährstoffbelastungen in deutschen Fließgewässern gewonnen. Die dazu verwendete einzigartige Datenbasis kombiniert Wasserqualitäts- und Quantitäts-Daten aus den deutschen Bundesländern mit detaillierten Landschaftseigenschaften. Die FAIRe Veröffentlichung der Daten wird dabei eine weitere Nutzung der Datenbasis für daten-getriebene Analysen und numerische Wasserqualitätsmodelle ermöglichen. Innerhalb Deutschlands wurden archetypische Muster der Nährstoffbelastungen und ihrer zeitlichen Dynamik in Fließgewässern identifiziert, die über eine Vielzahl der Einzugsgebiete hinweg dominierten. Die Konzentrationen von Nitrat und gesamten organischen Kohlenstoff zeigten am häufigsten Anreicherungsmuster, also eine systematische Erhöhung der Konzentrationen mit zunehmendem Abfluss. Im Gegensatz dazu war der Export von gelösten Phosphat am häufigsten durch eine Verdünnung der Konzentration mit zunehmenden Abfluss charakterisiert. Die mittleren Konzentrationen der Nährstoffe und zum Teil auch ihre systematische Variabilität mit dem Abfluss ließ sich statistisch mit den Eigenschaften der Einzugsgebiete verknüpfen. Ähnliche Ergebnisse lieferte die Analyse der saisonalen Konzentrationsvariabilität in deutschen und französischen Einzugsgebieten. Die räumliche Variabilität der saisonalen Nitratkonzentration zwischen den Einzugsgebieten war deutlich ausgeprägter und besser mit Einzugsgebietsattributen vorhersagbar als die zeitliche Variabilität innerhalb der einzelnen Einzugsgebiete. Bei den statistischen Modellen spielt der Anteil landwirtschaftlicher Flächennutzung eine erwartbar wichtige Rolle für die Wasserqualität. Landschaftsattribute, die mit Fließpfadverteilungen im Einzugsgebiet und Reaktivität im Untergrund im Zusammenhang stehen, modulieren diese Abhängigkeit aber deutlich. Die Datenbasis erlaubte es darüber hinaus, das Langzeit-Verhalten der Nährstoffe Stickstoff und Phosphor in westeuropäischen Fließgewässern zu charakterisieren. Es zeigte sich ein sehr konsistentes Verhalten mit einer schnellen Reduktion von Phosphatkonzentrationen seit den 1980er Jahren. Im Gegensatz dazu sank die Konzentration von Nitrat als dominante Form von Stickstoff mit Inkrafttreten der Nitratrichtlinie (Anfang der 1990er Jahre) viel langsamer ab. Die Gründe für diese langsame Reaktion liegen in den langfristig aufgebauten Speichern von Stickstoff in Boden und Grundwasser. Überraschend ist der Blick auf die Jahre nach 2005: In 22% der untersuchten Einzugsgebiete wurden nach 2005 signifikante Anstiege der Konzentrationen von gelöstem Phosphat beobachtet. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind noch unklar, sollten aber mit Blick auf die weitgehend phosphat-limitierten aquatischen Ökosysteme und der zunehmenden Gefahr von Algenblüten dringend geklärt werden. Die räumliche Verbreitung der Trends deutet her auf eine zunehmende Mobilisierung von diffusen Phosphatquellen hin. Die in diesem Projekt erforschte Verknüpfung von Maßzahlen der Wasserqualität und ihrer Dynamik mit Eigenschaften der Einzugsgebiete hat zwei wichtige Implikationen: Zum einen lassen sich für Fließgewässer mit schlechter Beobachtungslage mittlere Nährstoffkonzentrationen durchaus robust vorhersagen. Zum anderen eröffnet dieser datengetriebene Ansatz aber auch Möglichkeiten die zugrundeliegende Steuergrößen und Prozesse der Wasserqualität in mechanistischen Modellen abzubilden, die robuste Vorhersagen auf der Skala von Einzugsgebieten ermöglichen.

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