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Werkzeuge für das integrierte Flussgebietsmanagement

Ergebnisse der Fallstudie Werra

Hrsg.: Jörg Dietrich; Andreas Schumann

2006. XVII, 452 Seiten, 149 Abbildungen, 106 Tabellen, Lesebändchen, 1 CD-ROM im Anhang, 19x26cm, 1500 g
Language: Deutsch

(Konzepte für die nachhaltige Entwicklung einer Flusslandschaft, Band 7)

ISBN 978-3-510-65305-8, gebunden, price: 58.50 €

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Keywords

WerraFlussgebietsmanagementGewässergüteWasserwirtschaft

Contents

Inhaltsbeschreibung top ↑

Mit der Verabschiedung der Wasserrahmenrichtlinie legte die europäische Union den Rahmen für eine nachhaltige, integrierte Bewirtschaftung der Wasserressourcen in den Mitgliedsstaaten fest. Der integrierte Bewirtschaftungsansatz erfordert eine Einbeziehung ökologischer, ökonomischer, sozialer und technischer Aspekte und stellt damit eine Neuorientierung der Wasserpolitik mit entsprechend großen Auswirkungen auf die wasserwirtschaftliche Planung dar. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) legte aus diesem Anlass im Rahmen des Förderprogramms „Forschung für die Umwelt“ die Förderaktivität „Flusseinzugsgebietsmanagement“ auf.

Der hier vorliegende Band 7 der Reihe Konzepte für die nachhaltige Entwicklung einer Flusslandschaft stellt die Ergebnisse des interdisziplinären Verbundforschungsprojektes „Flussgebietsmanagement für die Werra“ vor. Dieses Projekt hatte die Zielstellung, eine Methodik der integrierten Flussgebietsbewirtschaftung zur Umsetzung der EU Wasserrahmenrichtlinie zu entwickeln und am Beispiel des Flusseinzugsgebietes der Werra zu erproben. Dabei wurden neue ökologische Bewertungsverfahren angewendet sowie Modelle des Wasser und Stoffhaushaltes und der Gewässergüte aufgestellt.

Im Mittelpunkt der Arbeiten stand die Planung und multikriterielle Bewertung exemplarischer Maßnahmen zur Erreichung der Umweltziele der Wasserrahmenrichtlinie. Dabei spielten neben den ökologischen Bewertungsansätzen auch sozioökonomische Analysen eine große Rolle, lieferten sie doch wesentliche Grundlagen zur Auswahl und Kombination möglicher Maßnahmen in einem Bewirtschaftungsplan. Zur Bewirtschaftungsplanung wurde ein Entscheidungsunterstützungssystem (decision support system) entwickelt. Daten und Arbeitsergebnisse wurden in einem Informationssystem vorgehalten, welches als Systemrahmen für dieses Entscheidungsunterstützungssystem diente.
Dieses Buch richtet sich sowohl an Wissenschaftler als auch an Ämter, Behörden, Landkreise und Planungsbüros, die an der Strukturierung und Lösung von Planungs und Entscheidungsproblemen der integrierten Flussgebietsbewirtschaftung betraut bzw. an dieser interessiert sind.

Inhaltsverzeichnis top ↑

1 Einführung 1
1.1 Die EU-Wasserrahmenrichtlinie 1
1.2 Hauptbereiche der Forschungstätigkeit im Verbundprojekt 2
1.3 Die Aufgaben und das Zusammenwirken der Teilprojekte 5
2 Ökologische Aspekte der Flussgebietsbewirtschaftung 9
2.1 Einführung 9
2.2 Abgrenzung von Oberflächenwasserkörpern 11
2.3 Ausweisung von limnologischen Probestellen 19
2.4 Bewertung des ökologischen Zustands 26
2.4.1 Bewertung der benthischen wirbellosen Fauna 26
2.4.1.1 Bewertung des Makrozoobenthos mit AQEM 26
2.4.1.2 Vergleich der AQEM-Bewertungen behördlicher und projekteigener Taxalisten 28
2.4.1.3 Bedeutung der Fließgewässertyp-Zuordnung für die AQEM-Bewertung 32
2.4.2 Bewertung der Fischfauna 36
2.4.2.1 Bewertung der Fischfauna mit FiBS 37
2.4.2.2 Akquisition der Befischungsdaten 38
2.4.2.3 Bewertung eines Wasserkörpers anhand mehrerer Probestellen 40
2.4.2.4 Vergleich zweier Bewertungsvarianten hinsichtlich der Altersstruktur 41
2.4.2.5 Vergleich modifizierter Referenzzönosen in ihren Bewertungsauswirkungen 43
2.4.3 Bewertung der Gewässerflora 45
2.4.3.1 Fließgewässertypisierung nach PHYLIB 45
2.4.3.2 Bewertung der Makrophyten mit PHYLIB 48
2.4.3.3 Anwendungsvergleich zweier Makrophyten-Bewertungsverfahren 50
2.4.3.4 Bewertung der Diatomeen mit PHYLIB 53
2.5 Bewertung des ökologischen Potenzials 55
2.6 Abschätzung der Zielerreichung nach LAWA im Vergleich mit der ökologischen Bewertung der Wasserkörper 60
2.7 Prognostizierende Bewertung des ökologischen Zustands 64
2.7.1 Bewertung anhand belastungsindizierender Einzelparameter 65
2.7.2 Modellierung zukünftiger Biozönosen am Beispiel des Makrozoobenthos 70
2.8 Anforderungen an physikalisch-chemische Parameter aus biozönotischer Sicht 79
2.9 Ableitung von Maßnahmen zur gewässermorphologischen Aufwertung der Wasserkörper 83
2.10 Vorschläge zur Monitoringkonzeption 90
2.10.1 Operationelles Monitoring 90
2.10.2 Monitoring zu Ermittlungszwecken 92
3 Wasser- und Stoffhaushaltsmodellierung 95
3.1 Einleitung 95
3.1.1 Bedeutung des Wasser- und Stoffhaushaltes für eine integrierte Flussgebietsbewirtschaftung nach EU-Wasserrahmenrichtlinie 95
3.1.2 Nährstoffeinträge aus diffusen Quellen 95
3.1.3 Anforderungen an eine Modellierung des Wasser- und Stoffhaushaltes 96
3.2 Wasser- und Stoffhaushaltsmodellierung mit dem „Soil and Water Assessment Tool“ (SWAT) 97
3.2.1 Modellkonzeption 97
3.2.2 Diskretisierung des Einzugsgebietes 99
3.2.3 Modellierung des Wasserhaushaltes 99
3.2.3.1 Schnee 100
3.2.3.2 Oberflächenabfluss 100
3.2.3.3 Verdunstung 101
3.2.3.4 Bodenwasser 102
3.2.3.5 Grundwasser 103
3.2.3.6 Wellenablauf im Gewässer 104
3.2.4 Modellierung des Stoffhaushaltes 104
3.2.4.1 Nährstoffkreislauf 104
3.2.4.2 Erosion 105
3.2.5 Bewirtschaftung landwirtschaftlich genutzter Flächen 106
3.3 Räumlich-zeitliche Diskretisierung und Parametrisierung des Wasser- und Stoffhaushaltsmodells für das Werra-Flusseinzugsgebiet 107
3.3.1 Klimatische Situation im Simulationszeitraum 108
3.3.2 Böden und Landnutzung 108
3.3.3 Oberirdische Teileinzugsgebiete 109
3.3.4 Hydrogeologie 110
3.3.5 Bewirtschaftungspraxis landwirtschaftlicher Flächen 110
3.3.6 Simulationszeiträume 113
3.3.7 Modellkonfiguration 113
3.3.8 Anpassung von Gebietsdiskretisierung und Parametrisierung im Rahmen der Kalibrierung 114
3.4 Ergebnisse der Simulation des Wasser- und Stoffhaushaltes für das Flusseinzugsgebiet der Werra 115
3.4.1 Wasserhaushalt 115
3.4.2 Stoffhaushalt 121
4 Modellierung der Gewässergüte 125
4.1 Anforderungen der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie 125
4.1.1 Guter ökologischer Zustand der Oberflächengewässer 125
4.1.2 Guter chemischer Zustand der Oberflächengewässer 125
4.2 Einsatz von Modellen zur Umsetzung der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie 126
4.2.1 Allgemeines zu Modellen 126
4.2.2 Gütemodelle zum Stoffhaushalt von Fließgewässern 126
4.2.3 Modellstrukturen 128
4.2.4 Modellauf bau 128
4.2.5 Wirkungszusammenhänge in aquatischen Ökosystemen 129
4.2.6 Grenzen der Gewässergütemodellierung 129
4.3 Im Teilprojekt „Wasserbeschaffenheit und Gewässergütemodellierung“ verwendete Modelle 130
4.3.1 ATV-Gewässergütemodell 130
4.3.1.1 Modellbeschreibung 130
4.3.1.2 Modellstruktur 131
4.3.1.3 Stofftransportprozesse 132
4.3.1.4 Stoffumwandlungsprozesse 132
4.3.2 River Water Quality Model № 1 134
4.4 Modellkopplung mit SWAT 136
4.5 Kalibrierung und Verifizierung 136
4.5.1 Kalibrierung 136
4.5.2 Validierung 140
4.6 Ermittlung der Emissionen aus Punktquellen 141
4.6.1 Kläranlagen 141
4.6.2 Kanalisation 143
4.6.3 Streusiedlungen 145
5 Sozioökonomie 147
5.1 Basisszenarien zur künftigen Entwicklung der Landwirtschaft im Untersuchungsgebiet 147
5.1.1 Nährstoff bilanzsalden landwirtschaftlicher Flächen im Ist-Zustand 2001 148
5.1.2 Business-as-usual-Szenario für das Jahr 2015 150
5.1.2.1 Entwicklung der Flächenanteile landwirtschaftlich genutzter Flächen 150
5.1.2.2 Entwicklung der Tierhaltung im Werra-Einzugsgebiet 152
5.1.3 Reform-Szenario für das Jahr 2015 153
5.2 Kalkulation von Kosten alternativer Maßnahmen 155
5.2.1 Kosten von Maßnahmen zur Herstellung der Durchgängigkeit und zur Verbesserung
der Gewässermorphologie 155
5.2.2 Kosten von Maßnahmen zur Verringerung der Einträge aus Punktquellen 156
5.2.3 Modellgestützte Kalkulation der Kosten von Maßnahmen zur Verringerung der
Einträge aus diffusen Quellen (Landwirtschaft) 157
5.2.3.1 Aufbereitung der Datenbasis für die Modellrechnungen 157
5.2.3.2 Das repräsentative Betriebsmodell BEMO 158
5.2.3.3 Maßnahmenszenarien zur Reduzierung diffuser Nährstoffeinträge aus der
Landwirtschaft 160
5.3 Bewertung von Nutzen 161
5.3.1 Ökologisch-ökonomische Bewertung im Flusseinzugsgebietsmanagement 161
5.3.1.1 Anforderungen der EU-Wasserrahmenrichtlinie 163
5.3.1.2 Ökologisch-ökonomische Bewertungsansätze 164
5.3.2 Methodik und Vorgehensweise im Flussgebietsmanagement Werra 166
5.3.2.1 Das Instrument des Benefit Transfer 167
5.4 Sozioökonomische Prüfung potenzieller Ausnahmetatbestände 171
5.4.1 Einschätzung der Signifikanz negativer Auswirkungen auf Nutzungen 172
5.4.2 Bewertung von Alternativen zur Erreichung derselben nutzbringenden Ziele 173
5.5 Einschätzung des Konfliktpotenzials und der Akzeptanz alternativer Maßnahmen 174
5.5.1 Akteursanalyse im Flussgebiet der Werra 176
5.5.2 Kooperationspotenzial einer Maßnahmenumsetzung 180
5.5.2.1 Bedeutung der Nutzungen 181
5.5.2.2 Grad der Betroffenheit der Nutzungen 183
5.5.2.3 Zusammenführung im Kooperationsindex 185
6 Informationssystem 187
6.1 Systemkonzeption des Informationssystems Werra 187
6.2 Das Objektmodell als GIS-Grundlage 189
6.2.1 Objektorientierte Modelle 189
6.2.2 Geodatabase Modell von ESRI 190
6.2.3 Nutzen der Intelligenz des Objektmodells 191
6.3 Objektmodell Werra als Grundlage des Informationssystems 192
6.3.1 Gewässernetz als Kern des Modells 192
6.3.2 Basisdaten und Ergebnisdaten der Fachprojekte 194
6.3.2.1 Kernthemen 194
6.3.2.2 Querbauwerke 195
6.3.2.3 Wasserkörper 196
6.3.2.4 Weitere Fachdaten 196
6.3.2.5 Bewertungsergebnisse der Fachprojekte 197
6.3.3 Verlinkung zur Maßnahmendatenbank 198
6.4 Datenauf bereitung und Import der Daten 199
6.4.1 Datenerfassung und Bereitstellung 199
6.4.2 Import der Daten und Aktualisierungen des Datenbestandes 199
6.5 Darstellung der Daten des Informationssystems im Internet 201
6.5.1 Mapserver 201
6.5.2 Nutzung von Arc IMS im Verbundvorhaben 202
6.5.3 Benutzeroberfläche (Standardfunktionalitäten) 203
6.5.4 Eigene Anpassungen der Benutzeroberfläche 205
6.5.5 Datenauswertung und Visualisierung 205
6.6 Entwicklung einer internetfähigen Benutzeroberfläche des EUS und Verknüpfung
mit dem Informationssystem 207
6.6.1 Anforderungen an die Systemarchitektur 207
6.6.1.1 Konzept 207
6.6.1.2 Anforderungsanalyse 208
6.6.2 Mehrschichtiger Auf bau des EUS 209
6.6.2.1 Datenzugriffsschicht 210
6.6.2.2 Geschäftsschicht 210
6.6.2.3 Präsentationsschicht (GUI) 210
6.7 Praktische Umsetzung des EUS (Implementierung des Prototypen) 211
6.7.1 Auf bau und Benutzeroberfläche 211
6.7.2 Navigationsbaum 212
6.7.3 Filterung der Strategien 213
6.7.4 Integration der multikriteriellen Analyse 214
6.7.5 Darstellung der Ergebnisse auf der EUS-Oberfläche 214
6.7.5.1 Tabellarische Darstellung 214
6.7.5.2 Räumliche Verlinkung 215
6.8 Fazit und Ausblick 216
7 Entscheidungsunterstützung 217
7.1 Einführung 217
7.1.1 Integrierte Flussgebietsbewirtschaftung 217
7.1.2 Grundbegriffe aus der Entscheidungstheorie 218
7.1.3 Ablauf von Entscheidungsprozessen 219
7.1.4 Raumbezogene Entscheidungsprobleme 221
7.1.5 Methoden der Multikriteriellen Analyse in derEntscheidungsunterstützung 222
7.1.6 Entscheidungsunterstützungssysteme 223
7.1.7 Aktuelle Anwendungsbeispiele aus dem Bereich Flussgebietsbewirtschaftung 223
7.2 Analyse von Entscheidungsprozessen bei der Aufstellung von Maßnahmenprogrammen im Zuge der Umsetzung der Wasserrahmenrichtlinie 224
7.2.1 Methoden der Geschäftsprozessanalyse 224
7.2.2 Geschäftsprozessmodellierung mit der UML 224
7.2.3 Modell der Planungs- und Entscheidungsprozesse für die integrierte Flussgebietsbewirtschaftung 225
7.3 Entwurf eines Entscheidungsunterstützungssystems für die integrierte Flussgebietsbewirtschaftung 226
7.3.1 Systemkonzeption 226
7.3.2 Konzept der Reasonable Goal Methode for Databases 227
7.3.3 Modell einer Maßnahmendatenbank 228
7.3.4 Raumbezogene Aggregations- und Disaggregationsfunktionen 232
7.3.5 Benutzeroberfläche des Entscheidungsunterstützungssystems 234
7.3.5.1 Festlegung einer räumlich-funktionalen Skalenebene 234
7.3.5.2 Inhaltliche Untersuchung und Filterung von Alternativen 234
7.3.5.3 Räumliche Untersuchung und Filterung von Alternativen 234
7.3.5.4 Setzen von weiteren Restriktionen 235
7.3.5.5 Ausnahmeregeln der Wasserrahmenrichtlinie 235
7.3.5.6 Ermittlung effizienter Alternativen durch multikriterielle Analyse 235
7.3.6 Software-Architektur des Entscheidungsunterstützungssystems 236
7.4 Grundlagen der „Reasonable Goal Methode for Databases“ 236
7.5 Diskussion und Ausblick 240
8 Exemplarischer Flussgebietsbewirtschaftungsplan 241
8.1 Merkmale des Flussgebietes der Werra 241
8.1.1 Überblick und Einteilung des Untersuchungsgebietes 241
8.1.2 Geologie und Boden 243
8.1.3 Hydrologie 244
8.1.4 Fließgewässertypen 246
8.1.5 Typspezifische Leitbilder 249
8.1.5.1 Hydromorphologische Leitbilder 249
8.1.5.2 Biozönotische Leitbilder 251
8.1.6 Abgrenzung der Oberflächenwasserkörper 257
8.2 Menschliche Tätigkeiten im Flusseinzugsgebiet 260
8.2.1 Verwaltungsgliederung und zuständige Behörden 260
8.2.2 Flächennutzungsstruktur 261
8.2.3 Industriestruktur und Wirtschaftskraft 262
8.2.4 Siedlung, Bevölkerung und Verkehr 263
8.2.4.1 Siedlungstätigkeit 263
8.2.4.2 Entwicklungstrends der Bevölkerungsstruktur 264
8.2.4.3 Wichtige Verkehrswege 265
8.2.5 Erholung und Tourismus 265
8.2.6 Land- und Forstwirtschaft 266
8.2.6.1 Ökonomische Bedeutung der Landwirtschaft 266
8.2.6.2 Umweltrelevanz der Landwirtschaft im Flusseinzugsgebiet 268
8.2.7 Wasserwirtschaft 271
8.2.7.1 Trinkwasserversorgung 272
8.2.7.2 Abwasserbeseitigung 273
8.2.7.3 Gewässerunterhaltung 277
8.2.7.4 Kostendeckungsgrade der Wasserdienstleistungen im Werra-Einzugsgebiet 280
8.2.8 Akteurs- und Konfliktanalyse im Flussgebiet der Werra 281
8.2.8.1 Identifizierung von Stakeholdern, Konflikten und Allianzen 281
8.2.8.2 Konfliktpotenzial potenzieller Umsetzungsmaßnahmen im Rahmen der WRRL 286
8.2.8.3 Relative Bedeutung der von einer Maßnahmenumsetzung betroffenen Nutzungen 288
8.2.9 Partizipative Planungsprozesse im Werra-Einzugsgebiet 289
8.2.9.1 Ergebnisse der Evaluierung des Werra-Main-Forums 289
8.3 Belastungen der Umwelt aus menschlichen Tätigkeiten 292
8.3.1 Stoffliche Belastungen aus Punktquellen 292
8.3.1.1 Kommunale Kläranlagen 292
8.3.1.2 Kanalisation 293
8.3.1.3 Streusiedlungen 295
8.3.1.4 Direkteinleitungen aus Industrie und Bergbau 296
8.3.2 Stoffliche Belastungen durch Nährstoffeinträge aus diffusen Quellen 297
8.3.2.1 Ist-Zustand im Bezugsjahr 2001 297
8.3.2.2 Basisszenario der weiteren Entwicklung bis 2015 297
8.3.3 Gesamtbetrachtung der Nährstoff-Emissionen 297
8.3.4 Naturräumliche Variabilität des Stoffeintrages 300
8.3.5 Gewässermorphologische Veränderungen 301
8.3.5.1 Ist-Zustand im Bezugsjahr 2003 301
8.3.5.2 Basisszenario der weiteren Entwicklung bis 2015 303
8.3.6 Abflussregulierung und ökologische Durchgängigkeit 304
8.3.6.1 Ist-Zustand im Bezugsjahr 2003 304
8.3.6.2 Basisszenario der weiteren Entwicklung bis 2015 306
8.3.7 Wasserentnahmen 307
8.3.8 Abschätzung der Zielerreichung der Wasserkörper nach LAWA 307
8.3.8.1 Allgemeine physikalisch-chemische Komponenten 308
8.3.8.2 Gewässergüte 310
8.3.8.3 Gewässerstruktur 312
8.3.8.4 Anthropogene Wanderungshindernisse 315
8.3.8.5 Gesamteinschätzung der Zielerreichung für die Wasserkörper 316
8.4 Bewertung des ökologischen Zustands/Potenzials der Wasserkörper 319
8.4.1 Ist-Zustand 319
8.4.1.1 Biologische Qualitätskomponenten 319
8.4.1.2 Hydromorphologische Qualitätskomponenten 330
8.4.1.3 Physikalisch-chemische Qualitätskomponenten 332
8.4.2 Basisszenario der weiteren Entwicklung bis 2015 334
8.4.2.1 Biologische Qualitätskomponenten 334
8.4.2.2 Hydromorphologische Qualitätskomponenten 337
8.4.2.3 Physikalisch-chemische Qualitätskomponenten 339
8.5 Ökologische Defizitanalyse und Ableitung von Entwicklungszielen 340
8.5.1 Defizitanalyse 340
8.5.1.1 Biologische Qualitätskomponenten 340
8.5.1.2 Physikalisch-chemische Qualitätskomponenten 344
8.5.2 Entwicklungsziele 345
8.5.2.1 Biologische Qualitätskomponenten 345
8.5.2.2 Physikalisch-chemische Qualitätskomponenten 346
8.6 Maßnahmen zur Erreichung der Umweltziele gemäß WRRL 348
8.6.1 Gewässermorphologie 349
8.6.2 Ökologische Durchgängigkeit von Querbauwerken 355
8.6.3 Verringerung der stofflichen Belastung aus Punktquellen 359
8.6.4 Verringerung der stofflichen Belastung aus diffusen Quellen 361
8.6.5 Bewertung von Maßnahmenbereichen durch befragte Akteure 364
8.6.6 Bewertung der Kosten und Kosteneffizienz von Maßnahmen 366
8.6.6.1 Kosten von Maßnahmen zur Herstellung der Durchgängigkeit und zur Verbesserung der Gewässermorphologie 366
8.6.6.2 Kosten alternativer Maßnahmen zur Verringerung der Einträge aus Punktquellen 367
8.6.6.3 Kosten alternativer Maßnahmen zur Verringerung der Einträge aus diffusen Quellen (Landwirtschaft) 369
8.6.7 Bewertung der Nutzen alternativer Maßnahmen 370
8.6.7.1 Der Nutzen einer erhöhten Biodiversität 372
8.6.7.2 Der Nutzen eines erhöhten Erholungspotenzials 383
8.6.8 Prüfung möglicher Ausnahmen von den Umweltzielen der WRRL 386
8.6.8.1 Festlegung erheblich veränderter Wasserkörper nach sozioökonomischer Prüfung 389
8.6.8.2 Weniger strenge Umweltziele 393
8.6.8.3 Fristverlängerung 393
8.7 Alternative Strategien zur Aufstellung eines Maßnahmenprogramms 394
8.7.1 Entwicklung exemplarischer Strategien für das Werra-Flusseinzugsgebiet 394
8.7.1.1 Teilstrategien zur Verbesserung der Hydromorphologie 395
8.7.1.2 Teilstrategien zur Verringerung des Nährstoffeintrages 396
8.7.1.3 Strategien für ein Maßnahmenprogramm 398
8.7.2 Ökologische Effektivität alternativer Strategien 398
8.7.2.1 Biologische Qualitätskomponenten 399
8.7.2.2 Hydromorphologische Qualitätskomponenten 402
8.7.3 Kosten und Nutzen alternativer Strategien 403
8.7.3.1 Ermittlung der Gesamtkosten 404
8.7.3.2 Ermittlung der Gesamtnutzen 406
8.7.3.3 Nutzen-Kosten-Verhältnis 409
8.7.3.4 Diskussion der Ergebnisse der Nutzen-Kosten-Analyse 410
8.7.4 Kostenträgerschaft und Konfliktpotenzial alternativer Strategien 412
8.7.5 Multikriterielle Analyse der Strategien 416
8.7.5.1 Überblick über die Entscheidungskriterien 416
8.7.5.2 Planungssicherheit 418
8.7.5.3 Multikriterielle Analyse des Entscheidungsraumes 420
8.7.6 Handlungsempfehlung 421
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 423
Literatur 427
Abbildungsverzeichnis 443
Tabellenverzeichnis 447
Verzeichnis der auf beiliegender CD-ROM enthaltenen Anhänge 451