Titelaufnahme

Titel
Quantification of diffuse phosphorous inputs into surface water systems / von Ádám Kovács
Weitere Titel
Quantifizierung der diffusen Phosphoreinträge in die Oberflächengewässer
VerfasserKovács, Ádám
Begutachter / BegutachterinZessner-Spitzenberg, Matthias ; Buzás, Kálmán ; Blöschl, Günter
Erschienen2013
Umfang142 S. : graph. Darst., Kt.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2013
Anmerkung
Zsfasssung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Einzugsgebiet / Einzugsgebietsmanagement / Emission / Erosion / Kosteneffektivität / Maßnahmen / Optimierung / PhosFate Modell / Phosphor / Transport
Schlagwörter (EN)Catchment / Catchment management / Cost efficiency / Emission / Erosion / Measures / Optimization / PhosFate model / Phosphorus / Transport
Schlagwörter (GND)Oberflächenwasser / Wasserverschmutzung / Phosphor / Schadstoffeintrag / Schadstoffbelastung / Landwirtschaft / Modell
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-58715 Persistent Identifier (URN)
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Quantification of diffuse phosphorous inputs into surface water systems [4.68 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Kosten-effektives Phosphormanagement, welches sowohl der Sicherung einer nachhaltigen landwirtschaftlichen Produktion als auch des guter ökologischer Zustand von Oberflächengewässern dient, ist ein hochrelevantes Thema im Bereich des Einzugsgebietsmanagement. Politische Entscheidungen werden oft durch einen Mangel an Kenntnis über die relevanten "hot-spots" im Einzugsgebiet beeinträchtigt. Eine bessere Kenntnis über die relevanten Quellgebiete von Phosphoremissionen würde es ermöglichen geeigneten Maßnahmen in spezifischen Problembereichen zu planen und gezielt finanziell zu fördern. Durch sorgfältige Planung könnte die Notwendigkeit bedeutender Veränderungen in der Landnutzung vermieden und trotzdem eine relevante Verringerung der Gewässerbelastung erreicht werden. Dies würde sowohl die Umsetzungskosten als auch den Widerstand der Landwirte reduzieren. Eine wesentliche Voraussetzung für entsprechende Maßnahmenpläne ist die quantitative Erfassung des Phosphortransportes aus den landwirtschaftlichen Flächen in die Gewässer. Das Ziel dieser Dissertation ist es zum Verständnis des Verbleibes von Phosphor in landwirtschaftlich geprägten Einzugsgebieten beizutragen und damit Grundlagen zur Entscheidungsfindung für ein optimiertes Phosphormanagement zu schaffen. So wurde im Rahmen der Dissertation ein rasterbasiertes und langfristiges Phosphoremissions- und Transportmodell mit dem Namen PhosFate entwickelt. Mit Hilfe von PhosFate können Grundlagen für die Erarbeitung von für kosten-effektiven Maßnahmenstrategien auf Einzugsgebietsebene geschaffen werden. Das Modell wurde in verschiedenen mittelgroßen Einzugsgebieten mit bedeutendem landwirtschaftlichem Anteil getestet. Es konnte gezeigt werden, dass das Modell die jährlichen Phosphorgewässerfrachten an den Auslasspunkten der Einzugsgebiete und auch an anderen Pegel im Einzugsgebiet realistisch abbilden kann. Trotz einigen Unsicherheiten, die meist mit lokalen Prozessen und Parametern zusammenhängen, kann PhosFate als geeignetes Instrument für die Identifizierung von in Hinblick auf eine Phosphorbelastung von Oberflächengewässer potentiell kritischen Gebieten betrachtet werden.

PhosFate kann zum einen die wichtigsten Quellen der Phosphoremissionen durch eine räumlich verteilte Emissionsmodellierung identifizieren. Die Erkennung der Emissionsquellen ist eine wesentlich Basis für die Bestrebungen eines Ressourcenmanagements, welches die lokalen Boden- und Phosphorverluste von landwirtschaftlichen Flächen zu reduzieren beabsichtigt. Zum anderen kann PhosFate durch explizite Transportmodellierung den Beitrag jeder Zelle zur Belastung der Gewässer identifizieren und den Eintrag in die Gewässer quantifizieren. Trotz eines relativ hohen Flächenanteils der relevanten Emissionsquellen im Einzugsgebiet tragen nur einige wenige Prozente der Gesamtfläche effektiv zu den Emissionen in die Gewässer bei. Wenn Maßnahmen sich auf die relevantesten Quellen und auf jene Transferzonen konzentrieren, die das stärkste Potenzial zu Frachtverminderung aufweisen, ist ein sehr effizientes Management ohne einen massiven Eingriff in die generelle Landnutzung erreichbar.

Um dies zu nutzen bietet das Modell ein Optimierungsverfahren an, mit welchem die finanziell effektivste Managementalternative für eine angestrebte Verbesserung der Wasserqualität ausgewiesen werden kann. Die Optimierungsmethode kann auch verschiedene Managementvarianten in Hinblick auf die Kosteneffektivität vergleichen und kombinierte Managementpläne mit räumlich differenzierten Maßnahmen und Kosten evaluieren.

Das PhosFate Modell dient als Evaluierungsmethode auf Einzugsgebietsebene. Das Modell kann die möglichen "hot-spots" in dem Einzugsgebiet identifizieren, auf denen verbesserte Managementaktivitäten für die Reduktion von Sediment und Phosphoreinträgen effektiv sein können. Basierend auf den Ergebnissen von PhosFate können in einem nächsten Schritt vor Ort detailliertere Analysen (lokale Messungen und "field-scale" Modellierung) für die konkrete Maßnahmenplanung auf lokaler Ebene durchgeführt werden.

Zusammenfassung (Englisch)

Cost-effective management of phosphorus emissions to ensure sustainable agricultural production and good ecological status of water bodies is a highly relevant issue in watershed management. Policy making is often hindered by a lack of information on the locations of emission hotspots in the catchment. This information would allow specific problem areas to be targeted with appropriate management measures and financial support. Carefully planned measures can help to avoid significant changes or realignment of the land management practices which would ensure that implementation costs and farmer resistance are minimized.

However, due to the complex environmental processes and interactions among the natural and artificial systems within a catchment one of the major challenges related to managing phosphorus in catchments is predicting how phosphorus applied to the fields will mobilize and reach the streams. Planning cost effective management essentially requires approximation of phosphorous movement at the catchment-scale, and importantly, water quality modeling.

The purpose of this thesis is to contribute to understanding the fate of phosphorus in agricultural landscapes and to support decision making in phosphorus management. The thesis presents a distributed parameter, long-term average phosphorus emission and transport model, known as PhosFate, which can be applied for cost-effective management strategy development at the catchment scale. The model was tested in various hilly medium-sized catchments with significant agricultural coverage.

Based on the results the model has the ability to realistically simulate the annual phosphorus river loads at the catchment outlets and internal locations as assessed by cross-validation analyses. Despite some uncertainties that are mostly related to local processes and parameters, the model is considered a useful tool for critical area screening in catchments in respect to phosphorus pollution of the surface water bodies.

PhosFate is able to identify the most significant sources of local phosphorus emissions by spatially distributed emission modeling.

Identification of emission source areas is essential for any resource management effort to reduce local soil and phosphorus loss from the agricultural fields. Applying an explicit phosphorus transport model, the responsibility of each cell in respect to water quality degradation can be assessed. Despite the relatively high proportion of emission source areas, only a few percent of the total area effectively contribute to the river loads. If intervention measures are concentrated on these effective source and transfer zones that have the strongest possibility to reduce river loads, a highly effective management can be achieved without having to change the overall land use practice in the catchment.

The model also provides an optimization algorithm to find the most cost-effective solution to achieve a particular water quality target.

Involving cost considerations the method gives policy makers some idea on the value of economic support/subsidies needed to effectively reduce phosphorus pollution of waterways. The optimization algorithm can compare different management alternatives in terms of their cost efficiency and it is feasible to evaluate combined management plans with spatially differentiated practices at differing costs.

The PhosFate model is a screening procedure at the catchment scale. It is able to identify possible hot-spots where improved management activities may be needed. Additionally, it can provide priority lists of the fields to be controlled even with spatially differentiated management practices for various water quality targets. In a next step, it may be useful to perform more detailed analyses (field scale modeling and field experiments) to determine what particular management options are necessary at the local scale.