Vortrag 7_Landwirtschaft und Hochwasser_Weiss | PDF 2,6 MB
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Eberhardstraße 31<br />
72108 Rottenburg<br />
Telefon: 07472 - 938390<br />
Telefax: 07472 - 938391<br />
E-Mail: weiss@buero-heberle.de<br />
Dipl.-Ing.(FH)<br />
Markus Heberle<br />
Ingenieurbüro für Wasserwirtschaft<br />
<strong>und</strong> Siedlungsentwässerung<br />
Beitrag der <strong>Landwirtschaft</strong> zur naturnahen<br />
Gewässerentwicklung <strong>und</strong> Reduzierung des<br />
<strong>Hochwasser</strong>abflusses am Beispiel Nordhessens<br />
14. Betreuertagung<br />
der GFG<br />
(Drewes, 2007) (Luwg-rlp, 2005)<br />
(HDLGN, 2005)<br />
Dr.-Ing. Andreas Weiß<br />
24.06.2010<br />
Wiesbaden-Naurod
Gliederung<br />
1. Problemstellung<br />
2. Bewirtschaftungsformen <strong>und</strong> Bodenbearbeitungsverfahren<br />
3. Beeinflussung der Abflussprozesse<br />
4. Beeinflussung der Gewässerentwicklung<br />
5. Hydrologische Modellierung <strong>und</strong> Maßnahmenwirkung<br />
6. Zusammenfassung <strong>und</strong> Ausblick
Problemstellung<br />
naturnahe, extensiv genutzte Aue<br />
naturfern, intensiv genutzter Standort<br />
(Jürging, 2004)<br />
(World Habitat<br />
Society GmbH, 2006)
Problemstellung<br />
Bodenerosion<br />
Oberflächenabfluss<br />
(Spektrum der Wissenschaft, 08/2006)
Bewirtschaftungsformen<br />
Konventionelle Landbewirtschaftung<br />
• Komplettwendung des Bodens<br />
• neben den Wirtschaftsdüngern auch Kunstdüngereinsatz<br />
• Einsatz von chemischen Pflanzenschutzmitteln<br />
(boden<strong>und</strong>pflanze, 2008)<br />
Konservierende Landbewirtschaftung<br />
• reduzierte Bodenbearbeitung<br />
• Mulchsaat als Erosionsschutz<br />
(lfu, 2008)<br />
Ökologischer Landbau<br />
• Verzicht auf Kunstdünger <strong>und</strong> Pflanzenschutzmittel<br />
• mechanische Beikrautregulierung<br />
Extensive Weidewirtschaft<br />
• Beweidung<br />
(aid, 2000)<br />
(Klett, 2005)
Bodenbearbeitungsverfahren<br />
Bodenbearbeitung mit Pflug<br />
<br />
Stoppel-, Gr<strong>und</strong>-Bodenbearbeitung, Saatbettbereitung<br />
(Kverneland, 2008 )<br />
Bodenbearbeitung ohne Pflug – konservierend<br />
<br />
Einsatz von lockernden <strong>und</strong>/oder mischenden Geräten<br />
(agrigate , 2008 )<br />
Direktsaat<br />
nach vorheriger Herbizidbehandlung Verzicht auf jegliche<br />
Bodenbearbeitung<br />
(Swiss No-Till, 2004)
Beeinflussung der Abflussprozesse<br />
natürliche Einflüsse:<br />
Topographie<br />
Hangneigung, Hanglänge <strong>und</strong> Hangform<br />
Bodenart<br />
Verschlämmungsanfälligkeit<br />
Klima<br />
Niederschlag mit räumlicher Verteilung, -intensität <strong>und</strong> -menge<br />
Regensummenkarte
Beeinflussung der Abflussprozesse<br />
anthropogene Einflüsse:<br />
Bodenverdichtung<br />
(Horn, 2001)<br />
Porenvolumen<br />
Grobporen: >10 µm<br />
Mittelporen: 0,2 bis 10 µm<br />
Feinporen:
Beeinflussung der Abflussprozesse<br />
anthropogene Einflüsse:<br />
Infiltration<br />
(LfL, 2006)<br />
Vegetation<br />
Rauhigkeit<br />
(Pro-Kaki, 2006)<br />
Interzeption<br />
(LGF Berlin, 2006)
Beeinflussung der Gewässerentwicklung<br />
(Kreitmayr, J., 2004)<br />
Abflusskanalisierung auf<br />
landwirtschaftlichen<br />
Nutzflächen<br />
(Doleschel et al., 1991)<br />
Verbleib des<br />
Sedimentaustrages<br />
von Ackerflächen
Beeinflussung der Gewässerentwicklung<br />
(Tebrügge, F., 2000)
Hydrologische Modellierung <strong>und</strong> Maßnahmenwirkung<br />
Fallbeispiel Mesoskala:<br />
Jungfernbach:<br />
7,6 km²<br />
5%<br />
2%<br />
38%<br />
55%<br />
versiegelte Fläche<br />
Wald<br />
Ackerland<br />
Grünland
Hydrologische Modellierung <strong>und</strong> Maßnahmenwirkung<br />
Messstationen<br />
Pegel P1 <strong>und</strong> P2:<br />
• RSVK<br />
• Messung im 5<br />
Minuten-Intervall<br />
Niederschlagsmesser N1<br />
• Messung im 1<br />
Minuten-Intervall<br />
Pegel P3:<br />
• Winkelcodierer<br />
• Messung im 5 Minuten-Intervall<br />
Klimastation P1<br />
• Messung im 5<br />
Minuten-Intervall<br />
Messzeitraum 31.05.2005 bis 29.06.2007<br />
regelmäßige Funktionskontrolle <strong>und</strong> Sedimenträumung<br />
Auslesen <strong>und</strong> Auswerten der Daten im 2 Wochenrhythmus
Hydrologische Modellierung <strong>und</strong> Maßnahmenwirkung<br />
NA-Modell NASIM<br />
Landnutzung<br />
Böden<br />
Elementarflächen<br />
Dateninput:<br />
• Landnutzung (Pflanze, Wurzeltiefe, Interzeption)<br />
• Böden (WP, FK, GPV, k f<br />
)<br />
• Digitales Geländemodell<br />
• Querprofile<br />
• Hydrologische <strong>und</strong> meteorologische Daten<br />
Kalibrierung<br />
Teileinzugsgebiete<br />
Datenoutput:<br />
• Abflussganglinien der Systemelemente<br />
• Spitzenabflüsse unterschiedlicher Jährlichkeiten<br />
• Parameter des Wasserhaushalts<br />
(Bornebusch, 2006)
Hydrologische Modellierung <strong>und</strong> Maßnahmenwirkung<br />
Ergebnisse – Feldspeicher<br />
Berücksichtigung im Modell:<br />
Änderung der Topografie auf Teilflächen des EZG unter Berücksichtigung der<br />
Fließvektoren<br />
1%<br />
25<br />
99%<br />
Gesamtfläche<br />
unveränderte Fläche<br />
geänderte Fläche<br />
Veränderung der Scheitelabflüsse [%]<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
-5<br />
-10<br />
-15<br />
-20<br />
HQ0,5 HQ1 HQ2 HQ5 HQ10 HQ20 HQ50 HQ100<br />
-25<br />
statistisches <strong>Hochwasser</strong>ereignis HQx
Hydrologische Modellierung <strong>und</strong> Maßnahmenwirkung<br />
Ergebnisse – ökologischer Landbau<br />
Berücksichtigung im Modell:<br />
Änderung der k f<br />
-Werte auf Teilflächen des EZG k f<br />
= 11 mm/h k f<br />
= 17 mm/h<br />
6%<br />
25<br />
94%<br />
Gesamtfläche<br />
unveränderte Fläche<br />
geänderte Fläche<br />
Veränderung der Scheitelabflüsse [%]<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
-5<br />
-10<br />
-15<br />
-20<br />
HQ0,5 HQ1 HQ2 HQ5 HQ10 HQ20 HQ50 HQ100<br />
-25<br />
statistisches <strong>Hochwasser</strong>ereignis HQx
Hydrologische Modellierung <strong>und</strong> Maßnahmenwirkung<br />
Ergebnisse – Vegetation<br />
Berücksichtigung im Modell:<br />
Änderung der Wurzeltiefe <strong>und</strong> Interzeption auf Teilflächen des EZG<br />
45%<br />
55%<br />
Gesamtfläche<br />
unveränderte Fläche<br />
geänderte Fläche<br />
Veränderung der Scheitelabflüsse [%]<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
-5<br />
-10<br />
-15<br />
-20<br />
Kartoffeln Wintergetreide Kleegras Wiese<br />
HQ0.5 HQ1 HQ2 HQ5 HQ10 HQ20 HQ50 HQ100<br />
-25<br />
statistisches <strong>Hochwasser</strong>ereignis HQx
Hydrologische Modellierung <strong>und</strong> Maßnahmenwirkung<br />
Ergebnisse – konservierende Bodenbearbeitung<br />
Berücksichtigung im Modell:<br />
Änderung der maximalen Infiltrationsrate auf Teilflächen des EZG<br />
0%<br />
100%<br />
Gesamtfläche<br />
unveränderte Fläche<br />
geänderte Fläche<br />
Veränderung der Scheitelabflüsse [%]<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
-5<br />
-10<br />
-15<br />
-20<br />
0 10 20 30 40 50 60 70 80<br />
-25<br />
Steigerung der maximalen Infiltrationsrate [%]
Hydrologische Modellierung <strong>und</strong> Maßnahmenwirkung<br />
Fallbeispiel Makroskala:<br />
Fulda:<br />
Diemel:<br />
6.945 km²<br />
1.172 Teilflächen<br />
1.760 km²<br />
320 Teilflächen<br />
NA-Modell NAXOS<br />
Dateninput:<br />
• Hydrologische <strong>und</strong> meteorologische<br />
Daten<br />
• Gebietskennwerte (z.B. Größe, Gefälle,<br />
Landnutzung <strong>und</strong> Vegetation)<br />
• Bodenarten<br />
• Topografie<br />
Kalibrierung<br />
33 % Ackerland<br />
13 % Grünland
Hydrologische Modellierung <strong>und</strong> Maßnahmenwirkung<br />
Kriterien der Nutzungsänderung - Erosionsgefahr<br />
Bewirtschaftung der Ackerflächen für die<br />
Abbildung im Flussgebietsmodell
Hydrologische Modellierung <strong>und</strong> Maßnahmenwirkung<br />
konservierende Bodenbearbeitung<br />
Berücksichtigung im Modell:<br />
Änderung der CN-Werte<br />
Bezeichnung<br />
konventionell, E1<br />
E2, E3, E4<br />
E5, E6, Grünland in<br />
HQ 100<br />
-Fläche<br />
Bewirtschaftung<br />
konventionell<br />
konservierend<br />
Grünland<br />
1,0<br />
62<br />
60<br />
49<br />
CN-Werte für Bodengruppe<br />
Landnutzungs- <strong>und</strong> bodengruppenabhängige Curve Numbers (CN-Werte, Maniak, 1997) im Szenario <strong>Landwirtschaft</strong><br />
1,5<br />
67<br />
65<br />
59<br />
2,0<br />
71<br />
69<br />
69<br />
2,5<br />
75<br />
73<br />
74<br />
3,0<br />
78<br />
76<br />
79<br />
3,5<br />
80<br />
78<br />
82<br />
4,0<br />
81<br />
79<br />
84<br />
Einzugsgebiet der Fulda <strong>und</strong> Diemel:<br />
Umstellung auf konservierende Bodenbewirtschaftung:<br />
Flächenumnutzung von Acker in Grünland:<br />
weiterhin konventionelle Bodenbewirtschaftung:<br />
8.705 km²<br />
1.940 km²<br />
280 km²<br />
680 km²
Hydrologische Modellierung <strong>und</strong> Maßnahmenwirkung<br />
Teilflächenabfluss<br />
Fulda:<br />
6.364 km²<br />
26%<br />
1200<br />
1000<br />
Teilfläche 42911<br />
Ist-Zustand<br />
geänderte Bodenbearbeitung<br />
74%<br />
Gesamtfläche<br />
unveränderte Fläche<br />
geänderte Fläche<br />
Abfluss [m³/s]<br />
800<br />
600<br />
400<br />
Scheitelreduzierung: 1,4 %<br />
keine Scheitelverschiebung<br />
200<br />
0<br />
01.09.2004<br />
00:00<br />
02.09.200403.09.200405.09.200406.09.200408.09.2004<br />
09.09.200411.09.200412.09.2004<br />
11:00 22:00 09:00 20:00 07:00 18:00 05:00 16:00<br />
Abflussganglinie eines HQ 100<br />
im Ist-Zustand <strong>und</strong> im Szenario<br />
<strong>Landwirtschaft</strong> am Auslass der Teilfläche 429110000 (an der Fulda)<br />
Zeit
Hydrologische Modellierung <strong>und</strong> Maßnahmenwirkung<br />
Abflusslängsschnitte der Eder<br />
Eder:<br />
3.369 km²<br />
0,0<br />
27%<br />
-0,5<br />
73%<br />
Gesamtfläche<br />
unveränderte Fläche<br />
geänderte Fläche<br />
Abflussveränderung [%]<br />
-1,0<br />
-1,5<br />
-2,0<br />
-2,5<br />
-3,0<br />
-3,5<br />
HQ200<br />
HQ100<br />
HQ50<br />
HQ20<br />
HQ10<br />
-4,0<br />
HQ2<br />
160 140 120 100 80 60 40 20<br />
Gewässerkilometer der Eder bis zur Mündung in die Fulda<br />
0
Zusammenfassung <strong>und</strong> Ausblick<br />
Folgen für die Wasserwirtschaft/<strong>Landwirtschaft</strong><br />
• Änderungen der Bodenbearbeitung <strong>und</strong> –bewirtschaftung wirken zwar abflussreduzierend,<br />
der Einfluss auf die Verformung der <strong>Hochwasser</strong>welle ist jedoch gering, vor allem für<br />
Hochwässer hoher Jährlichkeit.<br />
• Unter dem Aspekt einer nachhaltigen <strong>Landwirtschaft</strong> wird die konservierende<br />
Bodenbearbeitung in Zukunft eine noch stärkere Rolle einnehmen <strong>und</strong> mit Hinblick auf die<br />
erosionshemmende Wirkung als gute fachliche Praxis von den Landwirten angestrebt<br />
werden. Die positiven Effekte für den Wasserrückhalt werden somit in Zukunft automatisch<br />
mit eingebracht.<br />
• Eine Reduzierung des Sedimenteintrages beeinflusst das Gewässersystem <strong>und</strong> den<br />
Unterhaltungsaufwand (z. B. Grabenunterhaltung).<br />
• Aus betriebwirtschaftlicher Sicht ist eine Umstellung auf konservierende Bodenbearbeitung<br />
sinnvoll.<br />
• Sollen die maßgeblichen Parameter einer Bewirtschaftungsänderung berücksichtigt<br />
werden, ist der Modellierungsaufwand sehr hoch. Eine erste qualitative Aussage über die<br />
hydrologische Effektivität von Maßnahmen auf landwirtschaftlichen Flächen ist über einen<br />
gebündelten Parameter wie den CN-Wert mit vertretbarem Aufwand möglich.
(DBU, 2008)<br />
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
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