Möglichkeiten und Grenzen von Aufforstung als Beitrag zum dezentralen Hochwasserschutz
Wald weist gegenüber anderen Landnutzungen meist die günstigeren Wasserrückhalteigenschaften auf. Diese sind jedoch begrenzt. Ob zusätzlicher Wald in einem Einzugsgebiet zur Reduktion eines Hochwassers führt, hängt ab von der Vorwitterung, den Eigenschaften des Bodens, auf dem die Aufforstung etabliert wurde, Dauer und Intensität des hochwasserauslösenden Niederschlagsereignisses und Lage und Größe der Aufforstungsfläche im betrachteten Einzugsgebiet. Weiterhin spielt das Waldmanagement, welches in dieser Arbeit nur am Rande diskutiert wurde, eine bedeutende Rolle. Bei der Umwandlung einer anderen Landnutzung in Wald sind noch nicht alle Prozesse, die den Wasserrückhalt betreffen, ausreichend untersucht und beschrieben. Dies gilt besonders für die Änderungen in der hydraulischen Architektur der Böden. Es wurde dargestellt, dass aufwachsende Wälder schon nach wenigen Jahren die Porenverteilung besonders in den oberen Bodenhorizonten verändern. Obwohl experimentelle Felduntersuchungen besonders durch die Suche nach geeigneten Teststandorten schwierig sind, wären weitere Messergebnisse von anderen Böden mit anderen Baumarten hier wünschenswert. Eine modellhafte Beschreibung einer Landnutzungsänderung hin zu Wald in Bezug auf den Hochwasserrückhalt ist demnach mit hohen Unsicherheiten behaftet. Modelle bleiben dennoch die einzige Möglichkeit, Auswirkungen von Landnutzungsänderungen mit vertretbarem Aufwand quantifizierend abzuschätzen. Allgemein gilt bei der Anwendung hydrologischer Modelle zur Prognose von Auswirkungen veränderter Landnutzungen, dass bislang wenig quantitativ verwertbares Wissen über Änderungen im Boden besteht. Weder der Zielzustand noch der Verlauf der Transformation können hier sicher prognostiziert werden. Vernachlässigt man aber solche Prozesse, dürfen bei einer Ergebnisdiskussion auch nur die berücksichtigten Prozesse angeführt werden. Die Weiterentwicklung der Modelle mit gezielter paralleler Datenerhebung ist hier unabdingbar. Die zunehmenden Fragestellungen hinsichtlich veränderter Landnutzungssysteme erfordern auch innovative Formen der Parametrisierung und Kalibrierung der Modelle. Der zunehmende Grad an Prozessabbildungen in den Modellen darf die Parametrisierbarkeit nicht unmöglich machen. Eine adäquate Prozessabbildung ist jedoch der Schlüssel für die szenarienfähige Modellierung. Die Kommunikation der Ergebnisse muss deshalb eine hohe Transparenz mit der Benennung aller bekannten Unsicherheiten aufweisen, da Entscheidungen in der Landnutzung Konsequenzen über sehr lange Zeiträume hinweg nach sich ziehen. Die qualifizierte Prognose von Landnutzungsänderungen ist eine disziplinübergreifende Aufgabe. Hier wirken soziologische, ökonomische und ökologische Prozesse zusammen, deren Resultat die zukünftige Landnutzung ist. Eine weitere wichtige Schlussfolgerung der vorliegenden Arbeit ist daher, dass für die Umsetzung von Maßnahmen, zur Erhöhung des Wasserrückhaltes, wie hier der Aufforstung, ein breiter wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Konsens herrschen muss. Es braucht integrierte Ansätze zur disziplinübergreifenden Beschreibung von Auswirkungen veränderter Landnutzung. Trotz aller Unsicherheiten bei der wissenschaftlichen Beweisführung wird erwartet, dass bis zur Umsetzung der Hochwasserrisiko-Managementpläne "nachhaltige Flächennutzungen" zur "Verbesserung des Wasserrückhaltes" definiert sind. Besonders für die politischen Entscheidungsträger ist zur Entwicklung geeigneter Steuerelemente festzuhalten, das Hochwasserschutzmaßnahmen in der Fläche ihre hauptsächliche Wirkung nicht am Punkt der Implementierung entfalten, sondern erst weiter flussabwärts. Daher sind die bisherigen Förderinstrumente der EU-Agrarflächenförderung für den Hochwasserschutz in der Fläche nahezu nicht anwendbar. Es gilt hier sektorales Denken zu überwinden. Unterschiedliche Ansprüche an Landnutzungssysteme sind durch Lösungsansätze auszubalancieren, die die unterschiedlichen Landschaftsfunktionen berücksichtigen, von denen Wasserrückhalt ein Teil sein kann. Andere Schutzziele wie Naturschutz, Bodenschutz, Ziele der Wasserrahmenrichtlinie, Fragen eines ästhetischen Landschaftsbildes und nicht zuletzt Fragen der wirtschaftlichen Ansprüche an die einzelnen Flächen spielen hier eine wichtige Rolle. Bei der Entwicklung begründeter Zukunftsszenarien ist diese transdisziplinäre Herangehensweise unbedingt zu empfehlen. Hochwasserschutz kann aber nicht die Aufgabe haben, Hochwasserereignisse vollkommen auszuschließen. Schon heute ist bekannt, dass das Ausbleiben kleiner und mittlerer Hochwässer ökologische Konsequenzen hat. Vielmehr könnte in Gebieten, wie dem hier untersuchten, eine Erhöhung des Waldanteils dazu beitragen, die anthropogenen Störungen zu reduzieren und den Wasserrückhalt dahingehend zu erhöhen, dass hochwasserverschärfende Eingriffe in den Einzugsgebieten zurückgebaut werden.:Inhalt Erklärung des Promovenden 3 Danksagung 4 1 Einführung 6 1.1 Hintergrund und Motivation 6 1.2 Zielsetzung 8 1.3 Struktur 9 2 Zusammenfassende Darstellung der Publikationsinhalte 11 2.1 Vorstellung des Modells AKWA-M® 11 2.2 Einfluss des Waldes auf bodenhydraulische Eigenschaften 12 2.3 Bildung begründeter Waldmehrungsszenarien 13 2.4 Exkurs: Politischer Vollzug in sächsischen Hochwasserentstehungsgebieten 14 2.5 Synthese 15 3 Schlussfolgerungen 16 4 Literatur 18 Anhänge: Anhang 1: WAHREN A., SCHWÄRZEL K., FEGER K.H., MÜNCH A., DITTRICH I. (2007): Identification and model based assessment of the potential water retention caused by land-use changes, Advances in Geosciences 11: 49–56. Anhang 2: WAHREN A., SCHWÄRZEL K., FEGER K.H., MÜNCH A. (2009): Land-use effects on flood generation – considering soil hydraulic measurements in modelling, Advances in Geosciences 21: 99–107. Anhang 3: WAHREN A., FEGER K.H. (2010): Model-Based Assessment of Forest Land Management on Water Dynamics at Various Hydrological Scales – A Case Study, in: Bredemeier, M.; Cohen, S.; Godbold, D.L.; Lode, E.; Pichler, V.; Schleppi, P. (Eds.): Forest Management and the Water Cycle - An Ecosystem-Based Approach, Ecological Studies 212, Springer: 453-469 Anhang 4: WAHREN A., FRANK S., WALTHER P., SCHMIDT W., FEGER K.H. (2011): Erstellung eines Leitfadens für Ausgleichsmaßnahmen auf landwirtschaftlich genutzten Flächen in den Hochwasserentstehungsgebieten Sachsens, Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 55: 155-165. Anhang 5: WAHREN A., SCHWÄRZEL K., FEGER K.H. (2012): Potentials and limitations of natural flood retention by forested land in headwater catchments: evidence from experimental and model studies, J. Flood Risk Management 5, 321–335. ; Forests show, compared to other land uses, in many cases good water retention potential. This is however limited. Whether additional forest area in a catchment leads to a reduction of flooding depends on the pre-event atmospheric conditions, the soil characteristics at the afforested site, the duration and intensity of the rain storm event, and location and size of the afforested area. Further, the forest management, which is only briefly discussed in this thesis, plays an important role. Many water retention related processes occurring during the transformation of a landuse into forest are not yet sufficiently investigated an described. This applies especially to the changes in the hydraulic architecture of the soil. It was shown that after a few years growing forests have already changed the pore distribution, especially in the upper soil horizons. However, further research under different soil and tree type would be desirable. Therefore, a model-based description of land use change towards forest with regard to flood retention comprises uncertainties which should be taken into consideration. Nevertheless, models are the only possibility to assess land use change effects with justifiable expenditure. In general, the application of hydrological models comprised sparse useful information about changes in the soil due to a changed land use. Neither the target state nor the progression of the transformation can be predicted with certainty. Further development of models with parallel observations and data gathering is essential. With increasing number of questions regarding modified land use systems, a need arises for innovative forms of parameterisation and model calibration. The increasing degree of process mapping in models may make parameterability difficult, however, adequate process mapping is the key to scenario capable modelling. The communication of results must therefore include a high degree of transparency in the definition of all known uncertainties, because decisions have long lasting consequences. A qualified prediction of land use changes is a cross-disciplinary task. Ecological, economical, and sociological processes together form the future land use distribution. An important conclusion from this thesis is that the implementation of measures targeting increased water retention requires must result in a consensus with society and economics. Integrated approaches and transdisciplinary assessment of impacts of land use modifications are needed. Although, the uncertainties in model-based land use change assessment are high, there is a need for the definition of "sustainable land use" and "increase of water retention" for the flood risk management plans. Adapted land use as a component of integrated flood risk management has a major constraint: the benefits of water retention in the landscape are mostly not directly noticeable at the place where a measure is implemented. This is highly important for stakeholders and decision makers. However, given that most of the land available for afforestation is a private property, it may be necessary to provide subsidies to encourage landowners to increase the percentage of forested land. Competitive land use system requirements need to be balanced with approaches dealing with different landscape functions. Water retention is part of this functioning. Other protection aims like nature protection, soil protection, aims of the Water Framework Directive, aesthetic land use pattern but also the agrar-economic production play an important role. Well-founded future land use scenarios should use this transdisciplinary view. Finally, it is also important to keep in mind that floods belong to a healthy river runoff regime. Floods are an important part of the natural hydrological cycle, and therefore the goal of watershed management should not be to eliminate them entirely. Additional forest can help to re-establish the natural water retention potential in anthropogenically disturbed river basins and to decrease the human-made contribution to flood generation.:Inhalt Erklärung des Promovenden 3 Danksagung 4 1 Einführung 6 1.1 Hintergrund und Motivation 6 1.2 Zielsetzung 8 1.3 Struktur 9 2 Zusammenfassende Darstellung der Publikationsinhalte 11 2.1 Vorstellung des Modells AKWA-M® 11 2.2 Einfluss des Waldes auf bodenhydraulische Eigenschaften 12 2.3 Bildung begründeter Waldmehrungsszenarien 13 2.4 Exkurs: Politischer Vollzug in sächsischen Hochwasserentstehungsgebieten 14 2.5 Synthese 15 3 Schlussfolgerungen 16 4 Literatur 18 Anhänge: Anhang 1: WAHREN A., SCHWÄRZEL K., FEGER K.H., MÜNCH A., DITTRICH I. (2007): Identification and model based assessment of the potential water retention caused by land-use changes, Advances in Geosciences 11: 49–56. Anhang 2: WAHREN A., SCHWÄRZEL K., FEGER K.H., MÜNCH A. (2009): Land-use effects on flood generation – considering soil hydraulic measurements in modelling, Advances in Geosciences 21: 99–107. Anhang 3: WAHREN A., FEGER K.H. (2010): Model-Based Assessment of Forest Land Management on Water Dynamics at Various Hydrological Scales – A Case Study, in: Bredemeier, M.; Cohen, S.; Godbold, D.L.; Lode, E.; Pichler, V.; Schleppi, P. (Eds.): Forest Management and the Water Cycle - An Ecosystem-Based Approach, Ecological Studies 212, Springer: 453-469 Anhang 4: WAHREN A., FRANK S., WALTHER P., SCHMIDT W., FEGER K.H. (2011): Erstellung eines Leitfadens für Ausgleichsmaßnahmen auf landwirtschaftlich genutzten Flächen in den Hochwasserentstehungsgebieten Sachsens, Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 55: 155-165. Anhang 5: WAHREN A., SCHWÄRZEL K., FEGER K.H. (2012): Potentials and limitations of natural flood retention by forested land in headwater catchments: evidence from experimental and model studies, J. Flood Risk Management 5, 321–335.
