Vor dem Hintergrund der hohen Belastung von Grund- und Oberflächengewässern mit Nitrat durch die Anwendung von stickstoffhaltigen Düngemitteln in der Landwirtschaft wurde im Forschungszentrum Jülich (ICG 4) und in der Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) das integrierte REGFLUD-Modellsystem bestehend aus dem agrarökonomischen Modell RAUMIS und dem Wasserhaushaltsmodell GROWA entwickelt. Im Rahmen dieser Dissertation wurde das Modellsystem im oberirdischen Flusseinzugsgebiet der Rur eingesetzt, um festzustellen, ob und in welcher Weise die Verwendung von Fernerkundungsdaten dazu beitragen kann, einzelne Modellkomponenten bzw. Modellverbindungen und damit die Modellergebnisse zur Wasserhaushalts- und Nitratstrommodellierung weiter zu verbessern.
ASTER-, SPOT- und LANDSAT-Daten der Jahre 2000 – 2004 wurden in diesem Modellsystem eingesetzt und analysiert, ob auf diese Weise Weiterentwicklungen einzelner Modellkomponenten und Modellkopplungen bzw. entscheidende Verbesserungen der Ergebnisse erreicht wurden. Dazu wurden zunächst Bildstreifen entfernt, mit Hilfe einer Wavelet Fusion eine panchromatische Schärfung durchgeführt und eine manuelle bzw. automatisierte Gokorrektur angewendet. In Geländearbeiten wurden Referenzdaten für Ackerfrüchte aufgenommen, die anschließend zum Training eines neuronalen Netzes mit einem Kalman Filter verwendet wurden. Auf dieser Basis konnte eine flächendeckende Landnutzungskarte erstellt werden, die anschließend auf Basis von Klassenzugehörigkeitswahrscheinlichkeiten gefiltert wurde.
Eine Disaggregierung von Stickstoffbilanzüberschüssen war nun auf Parzellenebene möglich, wodurch Satellitendaten zur Kopplung von RAUMIS und GROWA verwendet wurden und der diffuse Stickstoffeintrag aus der Landwirtschaft flächendifferenziert abgebildet wurde. Zusätzlich wurde für die beiden Landnutzungsklassen Siedlung und Industrie der Versiegelungsgrad berechnet.
Da nun die landwirtschaftliche Rotation bekannt war, wurde im Wasserhaushaltsmodell GROWA anstatt der potenziellen Grasreferenzverdunstung die pflanzenspezifische Evapotranspiration ermittelt. Zur Berechnung der realen Evapotranspiration wurden landnut-zungsspezifische Koeffizienten verwendet, die nun auf die veränderten Datengrundlagen angepasst und auf die Bedingungen im Rureinzugsgebiet kalibriert wurden. Dies hatte gleichzeitig den Vorteil, dass spezielle Koeffizienten für Hackfrüchte und Halmfrüchte ausgewiesen werden konnten. Durch die Verwendung von Fernerkundungsdaten wurde eine entscheidende Weiterentwicklung des Modells GROWA ermöglicht. Nach der quantitativen Erfassung der Evapotranspiration ließ sich weiterhin der Gesamtabfluss in die Austragspfade Direktabfluss und Grundwasserneubildung trennen und bilanzieren.
Zielgröße war die Nitratkonzentration im Sickerwasser, die von der Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) als umweltwirksamer Indikator der Landwirtschaft definiert wurde. In Verbindung mit den Wasserhaushaltskomponenten ließ sich nun im Modellverbund die Denitrifikation in der wasserungesättigten Bodenzone über eine mikrobielle Abbaukinetik ermitteln. Mit Hilfe der in das Modellsystem integrierten Fernerkundungsdaten konnten Belastungs-Hot-Spots genau lokalisiert werden, die insbesondere im Bereich der Düren-Jülicher Börde und dort ausschließlich auf Ackerland auftreten. Durch unterschiedliche Niederschläge in den Jahren 2000 - 2004 und damit verbundene Verdünnungseffekte wurden klima-/witterungsinduzierte Konzentrationsschwankungen identifiziert. Eine Validierung der berechneten Nitratkonzentration im Sickerwasser erfolgte durch Brunnenmessungen.
Das gesamte Potenzial des REGFLUD-Modellsystems wurde anhand
von ausgewählten agrarumweltpolitischen Reduktionsszenarien gegenüber
dem business as usual-Szenario analysiert. Die Reduktionen der Nitrateinträge
konnten auf diese Weise räumlich explizit quantifiziert werden und die
am besten geeignete Maßnahme identifiziert werden.