Abschätzung von Nitratkonzentrationen im Grundwasser – Möglichkeiten und Einschränkungen eines deutschlandweiten Regionalisierungsansatzes

Lukas Knoll1, Lutz Breuer1, Martin Bach1
1 Institut für Landschaftsökologie und Ressourcenmanagement, Interdisziplinäres Forschungszentrum iFZ Research Centre for Biosystems, Land Use and Nutrition, Justus-Liebig-Universität Gießen

1.1 in Wasserqualität in Grundwasser und Flusseinzugsgebieten

26.03.2020, 13:45-14:00, Weißer Saal

Der Schutz unserer Trinkwasserressourcen im Zuge zunehmender Belastung stellt uns vor große Herausforderungen und erfordert dringende Handlungsmaßnahmen. Für die Auslegung effektiver Maßnahmen zur Verringerung von Schadstoffeinträgen sind Ansätze für eine großskalige Abschätzung von Grundwasserverunreinigungen wie z.B. durch Nitrat erforderlich. Techniken des maschinellen Lernens wie z.B. „Random Forest“ (RF) haben sich inzwischen im Bereich der Wasserforschung etabliert und ermöglichen die Darstellung der räumlichen Verteilung von Grundwasserbelastungen. Wir zeigen das Potential von RF für die deutschlandweite Regionalisierung von Grundwassernitratkonzentrationen basierend auf dem Grundwassermonitoringmessnetz nach EU Wasserrahmenrichtlinie und flächendeckend verfügbaren Geodaten. Eine Charakterisierung der Redoxbedingungen sowie die Ermittlung der Nitratkonzentrationen im Grundwasser erfolgt auf Basis eines 1 km x 1 km Rasters. Die geschätzten Nitratkonzentrationen hängen überwiegend von den vorherrschenden Redoxbedingungen ab. Des Weiteren stellen die hydrogeologischen Einheiten und der prozentuale Anteil an Ackerfläche relevante Prädiktoren dar. Durch die Abschätzung eines Vorhersageintervalls mit „Quantile Random Forest“ werden die Unsicherheiten der Regionalisierung ermittelt. Mit dem RF Modell für die Abschätzung der Nitratkonzentrationen wird eine Vorhersageleistung mit einem R² von 0,47 für einen unabhängigen Testdatensatz erreicht, wobei das mittlere Vorhersageintervall bei 59,33 mg/l liegt. Die erstellte Karte der regionalisierten Grundwassernitratkonzentrationen gibt einen großskaligen Überblick über die Verteilung und ermöglicht die Identifizierung von Belastungsschwerpunkten, eignet sich jedoch nicht für Detailaussagen. Der vorgestellte Ansatz zeigt erstmalig eine Möglichkeit, die räumliche Verteilung von Nitratkonzentrationen im Grundwasser flächendeckend für ganz Deutschland abzuschätzen.



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