Modellsystem STOFFBILANZ

Anwender und Anwendungsgebiete

Im Rahmen verschiedener von Bund und Ländern (z.B. Sachsen, Baden-Württemberg, Sachsen-Anhalt, Rheinland-Pfalz, Niedersachsen), Verbänden, Talsperrenverwaltungen und Forschungseinrichtungen geförderter Arbeiten erfolgte die Modellierung von Bodenerosion durch Wasser sowie der Sediment-, Stickstoff- und Phosphoreinträge in Flussgebieten. In diesem Zusammenhang wurde das Modell STOFFBILANZ aufgebaut und in vielen Gebieten Mitteleuropas und inzwischen auch in Asien und Afrika erfolgreich angewendet, optimiert und weiterentwickelt.

Anwendungsbereiche

In Deutschland wird STOFFBILANZ v.a. im Zusammenhang mit der Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL), Düngeverordnung und den Verpflichtungen zum Erreichen der Meeresschutzziele angewendet. Aus den Modellergebnissen zu Stickstoff- und Phosphoreinträgen lassen sich Minderungsbedarfe zur Erreichung von Umweltqualitätszielen und zur Erfüllung von Umweltqualitätsnormen ableiten. Mit Szenarienberechnungen werden Maßnahmenwirkungspotentiale zur Minderung der Stoffeinträge geprüft. Hier stehen Maßnahmen im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft und Agrarumweltmaßnahmen der Landwirtschaft im Fokus.

Was kann STOFFBILANZ?

Die Modellierung mit STOFFBILANZ umfasst sowohl Bodenerosion durch Wasser als auch Sediment-, Stickstoff- und Phosphoreinträge. Die wesentlichen Eintragsquellen und -pfade werden naturraum- und nutzungsspezifisch identifiziert und berechnet. Die Ergebnisse stellen räumlich differenzierte Größenordnungen der Stoffeinträge dar. Als Bilanzmodell lässt STOFFBILANZ grundsätzlich Aussagen zu „steady-state“ Zuständen für längjährige Betrachtungszeiträume zu. Allerdings hat die fortschreitende Entwicklung am Modell sowie Kopplungen mit anderen prozessorientierten Modellen (Wasserhaushalt – KLIWES und Humusbilanz – CCB) inzwischen Berechnungen in Jahresschrittweiten ermöglicht. Je nach Datenlage und Anforderungen im Projekt können auch tagesbasierte Ansätze (USLEM, FAO-Verdunstung, Oberflächenabfluss, …) verwendet bzw. integriert werden. Die Verbesserung der Datenlage im Bezug auf Digitale Höhenmodelle und Niederschlagsdaten sowie die rasanten Entwicklungen im High Performance Computing erlauben es uns inzwischen mit sehr kleinen Rasterauflösungen zu rechnen. Auf Bundeslandsebene wurden bereits Modellierungen mit 1m Auflösung und bundesweit mit 10m Auflösung durchgeführt. Das Modellsystem STOFFBILANZ ist so aufgebaut, dass Wasser-, Stickstoff- und Phosphorhaushalt bei variierenden Datenlagen umfassend berechnet werden können. Da das System modular aufgebaut ist können einzelne Ansätze oder auch komplette Module (bspw. Grundwasserpfad) durch die Kopplung mit anderen Modellen (MODFLOW) ersetzt werden. Ebenso können von STOFFBILANZ einzelnen Module (z.B. Bodenerosion) für andere Modellverbünde gerechnet werden. Unsere langjährigen Projekterfahrungen haben gezeigt, dass die Zusammenarbeit und der Austausch mit anderen Modellierergruppen sich positiv auf die Projektergebnisse auswirken.

Meilensteine

Wichtige Meilensteine der Modellentwicklung:

2024

Einbindung des STOFFBILANZ Viewers in neue landing page, Integration Django-Framework, Containeriserung mit Docker, Load-Balancer zur Lastverteilung

Einbindung des Rasterexports in die Webanwendung des STOFFBILANZ Viewer

Nutzung Modellkonzept für die Modellierung von hochaufgelösten Sedimenttransfers (1 m) in Baden-Württemberg mit dem Modell METRIS (KIT/LUBW)

2023

Nutzung von OpenCV um hochaufgelöste räumliche Algorithmen (z.B. Verschattungen, Winderosion) zu berechnen

2022

Abschätzung von Minderungsbedarfen für den Phosphor-Eintrag aus der Siedlungswasserwirtschaft in Sachsen

Automatisierung der Datenintegration in das STOFFBILANZ Modell

2020

Humusumsatz und Stickstoffeinträge in Gewässer - Kopplung mit dem Modell CCB

2019

Nutzung des Modellkonzepts für die Modellierung von hochaufgelösten Sedimenttransfers (10 m) in Deutschland mit dem MoRE-DE Ansatz (KIT/UBA)

Integration einer binären Datenhaltung im Rasterformat hdf5 (Hierarchical Data Format) als Grundlage für Modellierung und Visualisierung.

Update der Vieweroberfläche (Frontend) zur Verbesserung der Benutzerlogik und der Vereinfachung der Bedienung, Vornahme von Design-Anpassungen nach 'State of the art'.

2015

Die softwaretechnische Integration eines Matrizenrechners erlaubt nun die Verarbeitung sehr großer Datenmengen in der Modellierung mit STOFFBILANZ.

2013

Bereitstellung des webbasierten Portals STOFFBILANZ Viewer für das BMBF-geförderte Projekt “SPACES – SGD” (Südafrika).

2012

Technologischer Neuaufbau des webbasierten STOFFBILANZ Viewers.

Realisierung einer tagesbasierten Auflösung der Modellierung von Wasserflüssen, Bodenerosion, Sedimenteintrag und partikelgebundenem P-Eintrag im Rahmen des BMBF-geförderten Projekts “Entwicklung und Implementierung eines wissenschaftlich fundierten Managementsystems zur Reduktion von diffusen Stoffeinträgen in das Miyun-Trinkwasserreservoir bei Peking“ (FKZ 02WM1049).

2011

Integration von Maßnahmenwirkungspotenzialen zur Minderung von Bodenerosion und Stoffeintrag für Gesamtsachsen im Auftrag des LfULG

2010

Im Forschungsvorhaben „Biomasse“ des LfULG Sachsen wird das Modell eingesetzt, um die Auswirkungen eines zunehmenden Anbaus nachwachsender Rohstoffe auf den Wasserhaushalt bzw. den Gewässerschutz szenariengestützt zu untersuchen.

2009

Die Retention für N erfolgt unter Einbeziehung der N-Aufnahmerate vom Sediment und der Aufenthaltszeit des Wassers (Nutrient Spiralling concept). Die Retention in Stillgewässern/Talsperren wird separat vorgenommen.

Die im Überflutungsbereich von Fließgewässern langfristig zurückgehaltene mittlere jährliche P-Menge (Retention) wird aus der abgelagerten Sedimentmenge und der spezifischen partikulär gebundenen P-Konzentration im Sediment berechnet.

Berücksichtigung von Grundwasserverweilzeiten im Lockergesteinsbereich durch Modellierung der Abstandsgeschwindigkeiten und Fließwege im oberen Grundwasserleiter über einen Multiple-flow-Ansatz.

Flächendeckender Einsatz und Weiterentwicklung des Modellansatzes STOFFBILANZ_Logar im Oberrheingraben im Rahmen des EU-Vorhabens „LOGAR“ (verantwortlich LUBW Karlsruhe, LTZ Augustenberg, Region Alsace, Agence de l’eau Rhin-Meuse, DIREN Alsace, BRGM).

2008

Freischaltung des WebGIS basierten STOFFBILANZ Viewers.

Abbildung gelöster N-Frachten unter verbesserter Einbeziehung von Mobilisierung und Immobilisierung.

2007

Initiierung des Forschungsprojektes 'Nährstoffatlas Sachsen' im Auftrag des LfULG.

Entwicklung des für baden-württembergische Verhältnisse modifizierten Modells „STOFFBILANZ_BW“ zur Modellierung der N-Einträge in die gefährdeten Grundwasserkörper von BW im Rahmen der Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) (in Zusammenarbeit mit LTZ Augustenberg).

2006

Weiterentwicklung des partikelgebundenen Eintragspfades durch Einbeziehung der Anbindungswahrscheinlichkeit erosiver Flächen an das Gewässernetz (DFG-Projekt GR 1432/5).

Modellierung mit STOFFBILANZ im EU-Projekt 'MoNit' zur Quantifizierung der Nitrateinträge im Gebiet des Oberrheingrabens als Teilmodell in einem genesteten Ansatz.