SPACES SGD - Groundwater / Seawater interaction along South African South Coast and its Effects on Sustainable Water Resource Management Sub-Project 4: Effects of Land Use Change

Abstract
Im Rahmen des Projekts wurde die Auswirkung von Landnutzungsänderungen mit dem Modell STOFFBILANZ und dem aufgesetzten Tool WebLand simuliert und visualisiert. Die Funktionsweisen, Anwendungsbereiche und erzielten Ergebnisse wurden gemeinsam mit den südafrikanischen Partnern intensiv diskutiert und getestet. Im Tool WebLand können über die hier beispielhaft dargestellten Einflüsse des Landnutzungswandels im westlichen Teilgebiet weitere Gebiete vom Nutzer beliebig ausgewählt werden und hinsichtlich der zu erwartenden Veränderungen im Hinblick auf einen Landnutzungswandel (ebenfalls frei wählbar) überprüft werden. Die Ergebnisse zeigen, dass schon eine geringe Ausdehnung der Landnutzungen “urban” und “cropland” einen deutlichen Effekt auf die P- und N-Konzentration haben. Der Treiber für diesen Anstieg ist die angenommene Steigerung der Flächen ungeplanter Siedlungen sowie der Abwassereinleitung aufgrund der gestiegenen Einwohnerzahl in diesen Regionen. Die Ergebnisse des Szenarios PNV zeigen wiederum, dass die natürlichen Hintergrundwerte für Sediment, N und P niedrig liegen und somit durch den erhöhten Nährstoffeintrag eine besondere Gefährdung der hochgradig schützenswerten Fynbos-Vegetation gegeben sein dürfte.


Ein nachhaltiges Management der Wasserressourcen ist die Voraussetzung für die sozio-ökonomische Entwicklung von Gesellschaften. Insbesondere durch Landnutzung werden jedoch Wasserressourcen – und häufig auch Bodenressourcen – nachteilig beeinträchtigt und dadurch erhebliche sozio-ökonomische und ökologische Schäden verursacht. Im Rahmen eines Projektes in der BMBF-Initiative SPACES (Science Partnerships for the Assessment of Complex Earth System Processes) zu küstennahem Grundwasser und zum Übertritt von Grundwasser in den Ozean (SGD = Submarine Groundwater Discharge) in der Provinz Western Cape, Südafrika wurde im Teilprojekt D ein webbasiertes Simulationstool in Kooperation mit der Gesellschaft für angewandte Landschaftsforschung (GALF), Dresden entwickelt. Mit dem Tool lassen sich Gebiete mit potenziell negativer Beeinflussung der Wasserressourcen durch Landnutzung identifizieren und die Wirkung von zukünftigen Landnutzungsänderungen simulieren. Das entwickelte Tool zeichnet sich durch einfache Handhabbarkeit und hohe Transparenz aus.
Die Landnutzung in den Untersuchungsgebieten im Western Cape wird flächenmäßig durch die natürliche Fynbos-Vegeta­tion dominiert, gefolgt von Ackerland, Forst, Siedlung und Wald. Wein- und Obstanbau finden sich insbesondere im Raum Stellenbosch (Abb. 1). Auf Ackerflächen werden im wesentlichen Winterweizen, Feldgras oder Futterleguminosen angebaut.

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Abb. 1: Weinanbau nahe Stellenbosch

Das Modell STOFFBILANZ

Für die Nährstoffbilanzierung wurde das erprobte Modell STOFFBILANZ genutzt und weiterentwickelt. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren zur flussgebietsspezifischen Ermittlung und Quantifizierung von Wasserflüssen, Bodenerosion, Sedimenteinträgen sowie diffuser N- und P-Austräge aus der Fläche und deren Eintrag in die Gewässer (Emissionsbetrachtung). Der Ansatz eignet sich insbesondere für mesoskalige Anwendungen im Bereich der wasserwirtschaftlichen Planung. Die wesentlichen Eintragsquellen und -pfade werden naturraum- und nutzungsspezifisch identifiziert und berechnet. Um Nutzerfreundlichkeit, fachliche Aspekte und Anforderungen für Risikoanalyse und Ressourcenmanagement miteinander zu verknüpfen, wurde eine Rich Internet Application (RIA) auf Basis von AJAX (Asynchronous JavaScript and XML), basierend auf dem bereits vorliegenden Bilanzansatz STOFFBILANZ eingerichtet. Die über das Internet verfügbare Visualisierungsplattform „GSI Spaces / Südafrika“ soll von den Partnern und beteiligten Stakeholdern in der Region interaktiv nutzbar sein.
Über die Kopplung der webbasierten Tools STOFFBILANZ und WebLand wurde der Einfluss der Landnutzung sowie des möglichen bzw. zu erwartenden Landnutzungswandels auf die Wasserqualität im Sinne eines integrierten Wasserressourcenmanagements abgebildet. WebLand nutzt die Informationen aus der rasterbasierten Modellierung von STOFFBILANZ. Die Simulation des Landnutzungswandels erfolgt nutzergesteuert in einer Live-Berechnung für die zuvor selektierten Regionen auf der Verschnittebene von Quaternary catchments und Mesozones.

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Abb. 2: Rasterbezogener Gesamtabfluss für das Referenzjahr 2012
Abb. 3: Differenzenkarte für die N-Konzentration [mg/l] im Gesamtabfluss: “present state” zu Szenario “cropland + urban“

Ermittlung von Risikogebieten für den wassergebundenen Stoffeintrag

m ersten Schritt wurde der Gesamtabfluss ermittelt (s. Abb. 2), der sich aus Direktabfluss und Sickerwasserrate ergibt.
Im zweiten Schritt wurden Risikogebiete des Bodenabtrages und Sedimenteintrages in das Gewässernetz ermittelt. Dies sind insbesondere Ackerflächen (ø 5435 bzw. 302 kg/ha) sowie Wein- (ø 3751 bzw. 145 kg/ha) und Obstanbauflächen (ø 2743 bzw. 157 kg/ha). Untergeordnet wurden auch für Fynbos hohe Werte simuliert, wenn diese auf den stark geneigten Gebirgshängen mit hohen Niederschlägen lokalisiert sind (ø 1765 bzw. 121 kg/ha). Südafrikanische Simulationen und Beobachtungen des Bodenabtrages und Sedimenteintrages bewegen sich ebenfalls in dieser Größenordnung.

Schließlich wurde der potenzielle Gesamteintrag für N und P in die Oberflächengewässer als wichtige Größe zur Beurteilung des Einflusses von Landnutzung auf die Wasserqualität ermittelt. Risikogebiete für den partikulär gebundenen diffusen Phosphor-Austrag entsprechen denjenigen des Bodenabtrages bzw. Sedimenteintrages. Der mittlere partikelgebundene P-Eintrag je Rasterzelle liegt für 2012 bei 0,14 kg/ha. Für den diffusen N Eintrag liegen die Hauptrisikogebiete im Ackerland mit einem vergleichsweise hohen N-Überschuss (Maximum bei 97 kg/ha für die Region Philippi mit intensivem Gemüse- und Gartenbau), aber auch in Wein- und Obstanbauflächen. Dies korrespondiert sehr gut mit den beobachteten Nitrat- und Nitrit-hotspots im Grundwasser.
Daneben wurde auch der potenzielle punktuelle N- und P-Eintrag, d. h. N- und P-Flüsse von versiegelten Flächen (Punktquellen), berücksichtigt. Maximalwerte für P und N reichen bis 30 kg/ha bzw. bis 106 kg/ha in den ungeplanten Siedlungen nahe Kapstadt. Ca. 71,4 % des simulierten Gesamt-Phosphoreintrags in die Oberflächengewässer (diffus und punktuell) stammen aus Punktquellen, die restlichen 29,6 % sind diffuser Herkunft (partikelgebundene P-Einträge). Herkunftsgebiete sind somit die urbanen Flächen. Für den potenziellen N-Eintrag beträgt der Anteil der Punktquellen 9,3 %, diffuse Einträge (vorwiegend landwirtschaftliche Flächen) tragen mit 90,7 % zum Gesamteintrag bei (Abbildung 3). Die mit der natürlichen Fynbos-Vegetation bedeckten Areale sind ebenfalls relevant für den partikelgebundenen Eintrag, da sie den höchsten Flächenanteil ausmachen. Der mittlere rasterbezogene P-Eintrag beträgt auf Fynbosflächen jedoch weniger als ein Sechstel desjenigen auf Ackerland.

Gelangt das mit Stickstoff angereicherte Grundwasser direkt (als SGD) bzw. verzögert (nach Grundwasserübertritt ins Oberflächengewässer) in die Küstengewässer, so ist mit entsprechenden Belastungen der Wasserqualität zu rechnen. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass die hohen Konzentrationen im Wesentlichen eine Folge der geringen Abflussbildung sind und somit eher geringe Frachten zu erwarten sind.
Zusammenfassend zeigt sich, dass die urbanen Gebiete sowohl für P als auch (abgeschwächt) für N als Risikonutzung im Hinblick auf die Wassergüte der Küstengewässer angesehen werden können. SGD dürfte gerade hier eine untergeordnete Rolle spielen, die Frachten über die Oberflächengewässer dominieren dagegen das Eintragsgeschehen. In den agrarisch geprägten Gebieten spielt dagegen insbesondere für N die landwirtschaftliche Nutzung eine größere Rolle, wobei diese Gebiete meist nicht so küstennah liegen, sondern eher im Hinterland. Die Bedeutung von SGD am Gesamteintrag dürfte sich in Grenzen halten, da aufgrund der längeren Fließwege vielfach von Grundwasserübertritten in die Oberflächengewässer auszugehen ist.

Adaptierung und Nutzung des interaktiven WebGIS-Tools WebLand

Möglicher Landnutzungswandel wurde in der Masterarbeit von H. Vogt bearbeitet. Danach ist ein Anstieg der urbanen Flächen sowie des Ackerlandanteils in den Küstengebieten zu erwarten, der von einem Rückgang der mit natürlicher Vegetation bedeckten Flächen kompensiert wird. Es ist anzunehmen, dass der Anteil des Ackerlandes von derzeit 29,1 auf zukünftig 34,1 % ansteigt (Szenario „cropland“). Das Szenario “urban” prognostiziert einen Anstieg der besiedelten Fläche (überwiegend urban area / townships) von derzeit 6,4 auf 11,4 %, verbunden mit einem korrespondierenden Anstieg der Bevölkerung in den betroffenen Regionen. Ein drittes Szenario kombiniert die beiden vorgenannten Szenarien. Zusätzlich wurde ein Szenario “PNV” (Potenzielle Natürliche Vegetation) gerechnet, um natürliche Hintergrundwerte für den Stoffeintrag abzubilden.
Im Szenario PNV werden Sediment-, P- und N-Konzentrationen im Gesamtabfluss erwartungsgemäß minimiert. Die höheren P-Konzentrationen in den Gebirgsregionen verdeutlichen den Einfluss von Bodenerosion, Sedimenteintrag und partikelgebundenem P-Eintrag auch auf Fynbosflächen aufgrund der steilen Hanglagen und den hohen Niederschlagswerten. Das Szenario “urban” bringt den höchsten Effekt für den P-Eintrag. Stickstoff steigt dagegen am stärksten im Szenario „cropland” an, wobei die Einflüsse im Szenario “urban” hier ebenfalls deutlich ausfallen.