Skip to main content
SpringerLink
Log in

Mesoskalige Modellierung der grundwasserbürtigen Nitratbelastung von Fließgewässern

Mesoscale modeling of nitrate pollution of rivers by groundwater

  • Fachbeitrag
  • Published:
Grundwasser Aims and scope Submit manuscript

Zusammenfassung

Mit einem Kompartimentmodell wird für ein 800 km2 großes Testgebiet in Nordsachsen die grundwasserbürtige Nitratbelastung der Fließgewässer in der Mesoskala räumlich differenziert berechnet. Hierzu werden sowohl ein Emissions- als auch ein Immissionsansatz herangezogen. Die Abbildung des Stofftransports erfolgt auf der Grundlage des Geschwindigkeitsfelds eines als zusammenhängend angenommenen oberen Grundwasserleiters unter Verwendung des Multiple-Flow-Direction-Algorithmus. Insgesamt gelangt im Testgebiet ein Zehntel der aus der Bodenzone ausgewaschenen Nitratüberschüsse über den Grundwasserpfad in die Fließgewässer. Insbesondere von ackerbaulich genutzten Flächen in unmittelbarer Nähe zu Vorflutern (< 3 km) werden große Mengen Nitrat eingetragen. Die immissionsseitigen Berechnungen erlauben die Überprüfung und Anpassung der Modellergebnisse an mittlere Durchflüsse und Beschaffenheitswerte von Oberflächengewässerpegeln und -messstellen. Sie zeigen, dass das Modell unter Einbeziehung der grundlegenden hydrogeologischen Bedingungen die mittleren Verhältnisse zufriedenstellend wiedergibt.

Abstract

A multi-compartment model is applied at the mesoscale to simulate the spatially differentiated nitrate pollution of rivers by groundwater in a test area of 800 km2 in the northern part of Saxony. Both nitrate influx and discharge processes are considered. Mass transport is represented by applying a multiple flow direction algorithm to the groundwater velocity field of an upper aquifer which is assumed to be continuous in the test area. In total, about one tenth of the nitrate surplus of soils discharges into the rivers of the test area along groundwater flowpaths. In particular, farming areas within 3 km of the rivers emit large amounts of nitrate. The simulations carried out with the compartmentalized approach allow to check model results and to adapt them to average discharge and quality data determined at surface water gauges. They show that the model reflects the average measurement values reasonably well by accounting for the basic hydrogeological conditions.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Log in via an institution

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Institutional subscriptions

Abb. 1
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4
Abb. 5
Abb. 6
Abb. 7
Abb. 8
Abb. 9

Literatur

  • Arnold, J.G., Srinivasan, R., Muttiah, S., Williams, J.R.: Large area hydrologic modeling and assessment, Part I: Model development. JAWRA 34, 73–89 (1998)

    Google Scholar 

  • Becker, A., Lahmer, W. (Hrsg.): Wasser- und Nährstoffhaushalt im Elbegebiet und Möglichkeiten zur Stoffeintragsminderung, 494 S. Weißensee Verlag, Berlin (2004)

    Google Scholar 

  • Behrendt, H., Huber, P., Kornmilch, M., Opitz, D., Schmoll, O., Scholz, G., Uebe, R.: Nutrient balances of german river basins, 261 S. Umweltbundesamt, Texte 23/2000, Berlin (2000)

  • Binger, R.L., Theurer, F.D., Yuan, Y.: AnnAGNPS Technical Processes (2009). ftp://199.133.90.201/pub/outgoing/AGNPS/AGNPS_Web_Files/pdf_files/AnnAGNPS_Technical_Documentation.pdf (Zugriff 09/2009)

  • Böttcher, J., Strebel, O., Duynisveld, W.H.M.: Vertikale Stoffkonzentrationsprofile im Grundwasser eines Lockergesteinsaquifers und deren Interpretation (Beispiel Fuhrberger Feld). Z. dt. geol. Ges. 136, 543–552 (1985)

    Google Scholar 

  • Böttcher, J., Strebel, O., Duynisveld, W.H.M.: Kinetik und Modellierung gekoppelter Stoffumsetzungen im Grundwasser eines Lockergesteinsaquifer, 40 S. Geol. Jb., Reihe C 51, Hannover (1989)

  • Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe: HÜK 200 – Hydrogeologische Übersichtskarte von Deutschland 1:200.000; Hannover (2008)

  • Busch, K.-F., Luckner, L.: Geohydraulik, 442 S. Ferdinand Enke Verlag, Stuttgart (1973)

    Google Scholar 

  • Buss, S.R., Rivett, M.O., Morgan, P., Bemment, C.D.: Attenuation of nitrate in the sub-surface environment, 100 S. Science Report SC030155/SR2. Environment Agency, Bristol (2005)

    Google Scholar 

  • Campana, M.E., Simpson, E.S.: Groundwater residence times and recharge rates using a discrete-state compartment model and 14C data. J. Hydrol. 72, 171–185 (1984)

    Article  Google Scholar 

  • Campana, M.E., Harrington, G.A., Tezcan, L.: Compartimental model approaches to groundwater flow simulation. In: Mook, W.G. (Hrsg.) Environmental Isotopes in the Hydrological Cycle, Principles and Applications, Modelling, S. 37–74. IHP-V, Technical Document N. 39, Paris (2000)

  • Caroll, R.W.H., Pholl, G.M., Earman, S., Hershey, R.L.: Global optimization of a deuterium calibrated, discrete-state compartment model (DSCM): Application to the Eastern Nevada test site. J. Hydrol. 345, 237–253 (2007)

    Article  Google Scholar 

  • Dahan, O., McGraw, D., Adar, E., Pholl, G., Bohm, B., Thomas, J.: Multi-variable mixing cell model as a calibration and validation tool for hydrogeologic groundwater modelling. J. Hydrol. 293, 115–136 (2004)

    Article  Google Scholar 

  • Dietrich, A., Weber, W., Eckert, A.: Abschlussbericht, Grundwasserdargebotsprognose für den Regierungsbezirk Leipzig 1996, Prognosezeitschritte 1994 und 2010 (1996, unveröffentl.)

  • Eckhardt, K., Fohrer, N., Frede, H.-G.: Ein methodischer Ansatz zur Analyse der Sensitivität komplexer Modellsysteme. In: Fohrer, N., Döll, P. (Hrsg.) Modellierung des Wasser- und Stofftransports in großen Einzugsgebieten, S. 65–71. Kassel University Press, Kassel (1999)

    Google Scholar 

  • Eidgenössische Forschungsanstalt für Agrarökologie und Landbau (Hrsg.): GIS-gestützte Abschätzung der Phosphor- und Stickstoffeinträge aus diffusen Quellen in die Gewässer des Kantons Zürich, 114 S. Schriftenreihe der FAL, 35, Zürich (2000)

  • Eissmann, L., Litt, T.: Das Quartär Mitteldeutschlands, Ein Leitfaden und Exkursionsführer, mit einer Übersicht über das Präquartär des Saale-Elbe-Gebietes, 458 S.; Altenbg. naturwiss. Forsch., 7, Altenburg (1994)

  • Gebel, M., Halbfaß, S., Bürger, S., Kaiser, M., Grunewald, K., Uhilg, M.: STOFFBILANZ, Modellerläuterung (2009). http://galf-dresden.de/s1/dl/Modellerlaeuterung.pdf (Zugriff 09/2009)

  • Graf, H., Schäfer, W.: Simulation des Nitrattransports im Einzugsgebiet eines Wasserwerks. Grundwasser 7(4), 233–242 (2002)

    Article  Google Scholar 

  • Grischek, T.: Zur Bewirtschaftung von Uferfiltratfassungen an der Elbe, 252 S. Mitteilung Institut für Grundwasserwirtschaft Technische Universität Dresden, 4, Dresden (2003)

  • Grunewald, K., Dehnert, J., Halbfaß, S., Bürger, S., Gebel, M., Kaiser, M., Friese, H.: Nährstoffmodellierung zur Aufstellung der Maßnahmenprogramme nach WRRL in Sachsen. Wasser Abfall 10, 15–19 (2008)

    Google Scholar 

  • Haferkorn, U., Müller, K., Mellentin, U., Fahl, J.: Möglichkeiten und Grenzen der Stofftransportmodellierung (Nitrat) am Beispiel des Parthegebietes – Abschlußbericht zum Teilthema: „Bestimmung des Nitratstromes im Grund- und Oberflächenwasser mit dem Modell Part auf Basis von PCGEOFIM“, 93 S. UFZ-Bericht, 14/2003, Leipzig (2003)

  • Herlitzius, J.U.: Bewirtschaftung sulfatbelasteter Talgrundwasserleiter. 132 S.; Wasserwesen, 4, Dresden (2007)

  • Hirt, U.: Regional differenzierte Abschätzung der Stickstoffeinträge aus punktuellen und diffusen Quellen in die Gewässer der mittleren Mulde, 328 S. UFZ-Bericht, 3/2003, Leipzig (2003)

  • Hund-Göschel, S., Schäfer, W., Böttcher, K., Ries, J., Bender, K.: Simulation des Nitrattransports im Grundwassereinzugsgebiet Mannheim-Rheinau. Grundwasser 12(1), 37–47 (2007)

    Article  Google Scholar 

  • Kölle, W.: Stickstoffverbindungen im Grund- und Rohwasser, Weiterbildendes Studium Bauingenieurwesen – Wasserwirtschaft, 39 S. Universität Hannover, Kurs SW 23. Hannover (1989)

  • Kölle, W.: Konzept zur Bewertung des Stickstoff-Umsatzes im Grundwasser. In: Walther, W. (Hrsg.) Grundwasser, Konzepte ’96, S. 267–292. Mitteilung Institut für Grundwasserwirtschaft Technische Universität Dresden, 4, Dresden (1996)

  • Kunkel, R., Wendland, F.: WEKU, A GIS-Supported stochastic model of groundwater residence times in upper aquifers for the supraregional groundwater management. Environ. Geol. 30, 1–9 (1997)

    Article  Google Scholar 

  • Kunkel, R., Wendland, F.: Das Weg-/Zeitverhalten des grundwasserbürtigen Abflusses im Elbeeinzugsgebiet, 122 S. Schriften des Forschungszentrums Jülich - Reihe Umwelt/Environment, 19, Jülich (1999)

  • Lam, Q.D., Schmalz, B., Fohrer, N.: Ecohydrological modelling of water discharge and nitrate loads in a mesoscale lowland catchment, Germany. Adv. Geosci. 21, 49–55 (2009)

    Article  Google Scholar 

  • Mary, B., Guérif, J.: Intérêts et limites des modèles de prévision de l’evolution des matières organiques et de l’azote dans le sol. Cahiers Agricultures 3, 247–257 (1994)

    Google Scholar 

  • Merz, C., Steidl, J., Dannowski, R.: Parameterization and regionalization of redox based denitrification for GIS-embedded nitrate transport modeling in pleistocene aquifer systems. Environ. Geol. 58/7, 1587–1599 (2009)

    Article  Google Scholar 

  • Meynard, J.M., Justes, E., Machet, J.M., Recous, S.: Fertilisation azotée des cultures annuelles de plein champ. In: Lemaire, G., Nicolardot, B. (Hrsg.) Maitrise de l’azote dans les agrosystèmes, S. 183–199. Les Colloques, No. 83, Paris (1997)

  • Miotlinski, K.: Coupled reactive transport modeling of redox processes in a nitrate-polluted sandy aquifer. Aquat. Geochem. 14, 117–131 (2008)

    Article  Google Scholar 

  • Nestler, W., Walther, W., Jacobs, F., Trettin, R., Freyer, K.: Wassergewinnung in Talgrundwasserleitern im Einzugsgebiet der Elbe, 203 S. UFZ-Bericht, 7/1998, Leipzig (1998)

  • Pätsch, M., Walther, W., Reimann, T., Pennig, M.: Umsatz von Stickstoff im Grundwasserleiter eines Wasserwerkes – Berücksichtigung bei der Modellierung des Transportes. Wasserwirtschaft 5, 33–39 (2007)

    Google Scholar 

  • Quinn, P., Beven, K., Chevallier, P., Planchon, O.: The prediction of hillslope flow paths for distributed hydrological modelling using digital terrain models. Hydrolog. Process. 5, 59–79 (1991)

    Article  Google Scholar 

  • Röder, M.: Erfassung und Bewertung anthropogen bedingter Änderungen des Landschaftswasserhaushaltes – dargestellt an Beispielen aus der Westlausitz. Dissertation TU Dresden (1997, unveröffentl.)

  • Rohmann, U., Sontheimer, H.: Nitrat im Grundwasser – Ursachen, Bedeutung, Lösungswege, 468 S. DVGW Forschungsstelle am Engler-Bunte-Institut, Karlsruhe (1985)

  • Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (Hrsg.): Atlas der Nährstoffeinträge in sächsische Gewässer. Dresden (2009, im Druck)

  • Schäfer, W.: Numerische Modellierung des reaktiven Nittrattransports im Grundwasser – Stand der Modellentwicklung. In: Walther, W. (Hrsg.) Umsatz von Nährstoffen und Reaktionspartnern unterhalb des Wurzelraumes und im Grundwasser – Bedeutung für die Wasserbeschaffenheit – Werkstattgespräch am 25./26. März 1999, S. 201–213.; Mitteilung Institut für Grundwasserwirtschaft Technische Universität Dresden, 2, Dresden (1999)

  • Tiemer, K.: (Hrsg.): Studie zur Verbesserung der Umweltsituation im Oberen Elbtal, 254 S. EG-PHARE-Projekt Nr. 90/058/030/001, Dresden (1994)

  • Thormählen, C., Wichmann, K.: Quantifizierung von Stickstoffausträgen über unterirdische Abflusspfade. Wasser Abfall 9, 35–39 (2007)

    Google Scholar 

  • Umweltbundesamt (Hrsg.): Europäisches Schadstoffemissionsregister (2004). http://www.daten.eper.de/deutschlandkarte/karte.php (Zugriff 09/2009)

  • Wendland, F.: Die Nitratbelastung in den Grundwasserlandschaften der alten Bundesländer (BRD), 150 S. Berichte aus der ökologischen Forschung, 8, Jülich (1992)

  • Wendland, F., Kunkel, R.: Das Nitratabbauvermögen im Grundwasser des Elbeeinzugsgebietes, 166 S. Schriften des Forschungszentrums Jülich – Reihe Umwelt/Environment, 13, Jülich (1999)

  • Wessolek, G., Duijnisveld, W.H.M., Trinks, S.: Hydro-pedotransfer functions (HPTFs) for predicting annual percolation rate on a regional scale. J. Hydrol. 356, 17–27 (2008)

    Article  Google Scholar 

  • Zuber, A., Maloszewski, P.: Lumped parameter models. In: Mook, W.G. (Hrsg.) Environmental Isotopes in the Hydrological Cycle, Principles and Applications, Modelling, S. 5–35. IHP-V, Technical Document N. 39, Paris (2000)

Download references

Author information

Authors and Affiliations

  1. Fakultät Forst-, Geo- und Hydrowissenschaften, Institut für Kartographie, Technische Universität Dresden, Helmholtzstr. 10, 01069, Dresden, Deutschland

    Mario Uhlig

  2. Gesellschaft für angewandte Landschaftsforschung bR, Am Ende 14, 01277, Dresden, Deutschland

    Michael Gebel &  Stefan Halbfaß

  3. Fakultät Forst,- Geo- und Hydrowissenschaften, Institut für Grundwasserwirtschaft, Technische Universität Dresden, 01062, Dresden, Deutschland

    Rudolf Liedl

Authors
  1. Mario Uhlig
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  2. Michael Gebel
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  3. Stefan Halbfaß
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  4. Rudolf Liedl
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

Corresponding author

Correspondence to Mario Uhlig.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Cite this article

Uhlig, M., Gebel, M., Halbfaß, S. et al. Mesoskalige Modellierung der grundwasserbürtigen Nitratbelastung von Fließgewässern. Grundwasser 15, 163–176 (2010). https://doi.org/10.1007/s00767-010-0141-x

Download citation

  • Received:

  • Revised:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00767-010-0141-x

Keywords

Search

Navigation