Vergleich von Single Flow und Multi Flow Algorithmus für die Modellierung der Maßnahmenwirksamkeit bei der Reduktion des Phosphoreintrages ins Gewässer

Abstract

Die Belastung von Oberflächengewässern mit Phosphor stellt in einigen Regionen Österreichs eine wesentliche Herausforderung dar. Besonders in Einzugsgebieten mit intensiver landwirtschaftlicher Nutzung ist der diffuse Eintrag über Bodenerosion der dominante Eintragspfad. Phosphor liegt dabei überwiegend an das Bodenmaterial gebunden vor (partikulärer Phosphor). Um eine sinnvolle Umsetzung von Maßnahmen zu ermöglichen ist eine Modellierung von Emission und Transport von partikulärem Phosphor (PP) notwendig. Dafür wird das rasterbasierte Modell RPhosFate genutzt. Dieses berechnet den Bodenabtrag basierend auf der (R)USLE und verknüpft diesen mit der Phosphorkonzentration im Boden, um die Emission von PP zu erhalten. Der anschließende PP-Transport erfolgt entlang von Abflusspfaden, die mit einem Abflussbildungsalgorithmus bestimmt werden. Basierend auf dieser Modellierung werden kritische Herkunftsgebiete (KHG) bestimmt, die einen überproportional hohen Beitrag zu der gesamten PP-Emission leisten (ca. 20 % der Fläche verursachen rund 80 % der PP-Emissionen). Die Identifikation von KHGs bildet die Grundlage für die gezielte Verortung und Implementierung von Maßnahmen im Modell in Form von Szenarien. Die Szenarien umfassen Begrünungsmaßnahmen sowie Änderungen der Fruchtfolge.Ein zentraler Einflussfaktor der Modellierung ist die Wahl des Abflussbildungsalgorithmus. Der Multi Flow Algorithmus bildet Abflussprozesse realistischer ab als der Single Flow Algorithmus. Zusätzlich beeinflusst die räumliche Auflösung des digitalen Höhenmodells die Ergebnisse. In dieser Arbeit werden daher beide Algorithmen sowie Modellierungen mit 10 m x 10 m und 1 m x 1 m Raster entlang der gesamten Modellkette verglichen. Die Untersuchung basiert auf Einzugsgebieten aus vier Regionen Österreichs. Die Änderungen im Modell werden anhand mehrerer Kriterien verglichen. Dazu zählen die Analyse der resultierenden Abflusspfade, die Identifikation der KHG-Flächen sowie die Maßnahmenwirksamkeiten. Die Ergebnisse zeigen, dass der Multi Flow Algorithmus im Vergleich zum Single Flow Algorithmus in den meisten Untersuchungsgebieten nur geringe Unterschiede in der Bewertung von PP-Emissionen und Maßnahmen bewirkt. Die breitere Abflussverteilung beim Multi Flow Ansatz führt zu leicht veränderten Maßnahmenflächen, die Priorisierung der Maßnahmen bleibt jedoch weitgehend gleich. Allerdings kann der Multi Flow Algorithmus in einzelnen Gebieten einen maßgeblichen Einfluss auf die Identifikation von KHG-Flächen sowie auf die Maßnahmenbewertung haben. Insbesondere für eine präzisere Umsetzung von Maßnahmen wie die Begrünung von Abflusswegen sowie für eine belastbarere Identifikation der KHG-Flächen ist daher die Anwendung des Multi Flow Algorithmus zu empfehlen. Hinsichtlich der räumlichen Auflösung zeigt sich, dass eine Erhöhung auf 1 m x 1 m Raster eine detailliertere Abbildung von Abflussstrukturen ermöglicht. Dabei sollte möglichst der Multi Flow Algorithmus angewandt werden. Aufgrund des damit verbundenen höheren Rechenaufwands ist eine höhere Auflösung nur für kleine Einzugsgebiete und je nach konkreter Fragestellung sinnvoll.

The loading of surface waters with phosphorus represents a significant challenge in some regions of Austria. Particularly in catchments with intensive agricultural land use, diffuse inputs via soil erosion constitute the dominant pathway. Phosphorus is predominantly transported bound to soil particles (particulate phosphorus). To enable a targeted implementation of mitigation measures, modelling of particulate phosphorus (PP) emissions and transport is required. For this purpose, the raster-based model RPhosFate is applied. It estimates soil loss based on (R)USLE and combines it with soil phosphorus content to derive PP emissions. The subsequent transport is simulated along flow paths derived from a flow routing algorithm. Based on this modelling, critical source areas (KHG) are identified, which contribute disproportionately to total PP emissions (approximately 20 % of the area accounts for around 80 % of emissions). The identification of KHGs forms the basis for the spatially targeted implementation of mitigation measures within scenario analyses. These scenarios include converting agricultural land into grassland and changes in crop rotation.A key influencing factor in the modelling framework is the choice of the flow routing algorithm. The Multi Flow algorithm represents runoff processes more realistically than the Single Flow approach. In addition, the spatial resolution of the digital elevation model affects the modelling results. In this study Single Flow and Multi Flow algorithms are compared along the entire modelling chain. Furthermore, the impact of increasing raster resolution from a 10 m x 10 m grid to a 1 m x 1 m grid is assessed. The analysis is based on catchments from four regions in Austria and evaluates flow paths, identified KHG areas, and the efficiency of implemented measures.The results show that the Multi Flow algorithm leads to only minor differences compared to the Single Flow algorithm in most study areas regarding PP emissions and mitigation measures. The broader flow distribution in the Multi Flow approach results in slightly altered measure locations, while the overall prioritisation of measures remains largely unchanged. However, in some regions the Multi Flow algorithm has a considerable impact on the identification of KHGs areas and on the evaluation of mitigation measures. Therefore, its use is recommended for a more reliable spatial allocation of measures and a more robust identification of KHG areas. Regarding spatial resolution, increasing the resolution to a 1 m x 1 m grid enables a more detailed representation of flow structures. However, this should preferably be applied in combination with the Multi Flow algorithm. Due to the substantially increased computational demand, such high-resolution modelling is only suitable for small catchments and specific research questions.