GIS-based risk assessment for identifying source areas of non-point nutrient emissions by water erosion (Odra Basin and sub catchment Uecker)

Abstract

A methodology is presented for identifying and assessing source areas of sediment, phosphorus and nitrate emissions into surface waters and river systems of the South Baltic unconsolidated rock region by water erosion. This task is included into the characterization of the pressures and impacts in river basins as an important milestone in implementing the EC Water Framework Directive set out by 2004. The Nutrient Input Into River Systems (NIIRS) approach has been developed and tested in the Odra river basin in Poland, Czech Republic and Germany. Mesoscale distributed analyses are facilitated for identifying erosion risk areas with non-point phosphorus and nitrate inputs into water bodies via surface flow. Using statistical information and available geodata, analyses are based on empirical (NIIRS), but preferably process-oriented modelling (EROSION-3D). Thus, besides better understanding the system behaviour, detailed quantitative knowledge of spatial nutrient export rates from potential source areas will be acquired. The application of the distributed approaches is demonstrated in the entire Odra River basin and its sub-catchment Uecker River. Additionally spatial effects are shown for the field scale transfer of eroded material in the Uecker sub-catchment by using the physically based model EROSION-3D. Scenario calculations incorporated into a Geographical Information System (GIS) environment are feasible for estimating the development of erosion risk as well as N and P loads entering water bodies. Supplemented by impact analyses of land use changes, the methodology can serve as physical precondition for the cost-benefit oriented allocation of mitigation strategies.

Es wird eine Methodik zur Identifizierung von Problemgebieten mit möglichen Sediment- und Nährstoffeinträgen in Gewässer verursacht durch Wassererosion für das südbaltische Lockergesteinsgebiet vorgestellt. Das ist eine wesentliche Aufgabe bei der Bestandsaufnahme der Belastungen der Oberflächenwasserkörper der EU-Wasserrahmenrichtlinie. Die NIIRS-Methodik zur Abschätzung von Einträgen innerhalb großer Flussgebiete wurde für das gesamte grenzübergreifende Einzugsgebiet der Oder in Polen, Tschechien und Deutschland angewandt. Darüber hinaus erfolgten Untersuchungen der mesoskaligen Verteilung diffuser Stoffeinträge in Gewässer. Die Berechnungen basieren auf empirischen und prozessorientierten Modellen unter Verwendung statistischer und verfügbarer Geodaten. Durch das bessere Verstehen des Systemverhaltens werden neben detaillierten quantitativen Aussagen zu raumbezogenen Nährstofftransportmengen auch Informationen über Herkunftsgebiete erlangt. Der Ansatz wird am Beispiel des gesamten Einzugsgebiets der Oder und des Teileinzugsgebiets Uecker vorgestellt. Unter Verwendung des physikalisch basierten Prozessmodells EROSION-3D werden die räumlich verteilten Erosionsfrachten exemplarisch für die Feldskala im Ueckereinzugsgebiet gezeigt. Szenarien wurden zur Abschätzung künftig möglicher Entwicklungen in Bezug auf Veränderungen der Erosionsgefährdung und damit verbundener Nährstoffeinträge in Gewässer GIS-gekoppelt berechnet. Ergänzt durch Analysen der Einflüsse von Landnutzungsänderungen, kann die Methodik auch als Grundlage zur Umsetzung von Minderungsstrategien dienen.

Keywords:

• Nutrient emissions
• non-point sources
• water erosion
• surface waters
• distributed analysis

Notes

The project “Diffuse Entries in Rivers of the Odra Basin” was funded by the German Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety.

Mittelmaßstäbige landwirtschaftliche Standortkartierung (MMK) is available from the Federal Institute for Geosciences and Natural Resources.

Elevation data available from the state offices for surveying and geobasis information.