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Hochwasser am Rhein bei Karlsruhe (Bild: www.kliwa.de / www.htm-karlsruhe.de)

Modelle


Allgemein

Im Projektbereich B "Abschätzung der Auswirkungen möglicher Klimaveränderungen auf den Wasserhaushalt" werden Simulationsrechnungen mit Wasserhaushaltsmodellen durchgeführt. Für die einzelnen Flussgebiete werden die Wasserhaushaltsmodelle nach und nach implementiert. Baden-Württemberg hat Vorleistungen für die Konzeption des Wasserhaushaltsmodells LARSIM (Large Area Runoff Simulation Model) erbracht und setzt daher dieses Modell ein. Dieses Modell basiert konzeptionell auf dem Flussgebietsmodell FGMOD, das von Ludwig (1982) entwickelt wurde. Bayern hat wesentlich zur Entwicklung des Wasserhaushaltsmodells ASGi (Kontinuierlicher Abfluss und Stofftransport - Integrierte Modellierung unter Nutzung von Geoinformationssystemen) beigetragen und wird daher bevorzugt dieses Instrumentarium verwenden. Das Modell wurde Mitte der 90er Jahre unter Mitwirkung des Bayerischen Landesamtes für Wasserwirtschaft in München entwickelt und basiert methodisch auf dem Modell WASIM-ETH von Schulla (1997). Beide WHM sind modularartig aufgebaute Modellsysteme, die deutliche konzeptionelle Parallelen aufweisen und teilweise auch vergleichbare Teilprozessbeschreibungen verwenden (siehe Modellbeschreibungen). Im Flussgebiet der Tauber wurden beide Modelle in den Jahren 1987-96 kalibriert und verifiziert. Zusätzlich wurde in einer Langzeitsimulation über 30 Jahre die Stabilität ihres Verhaltens erfolgreich getestet. In einem Modellvergleich werden die Simulationsergebnisse einander gegenübergestellt mit dem Ziel, Unterschiede im Modellverhalten zu erkennen.


Anwendungsmöglichkeiten für Wasserhaushaltsmodelle

Einleitung

Ein auf Nachhaltigkeit ausgerichtetes wasserwirtschaftliches Handeln benötigt für die Abschätzung und Bewertung künftiger Entwicklungen eine möglichst gute Datenbasis. Dazu können prozessdetaillierte hydrologische Modelle, wie sie Wasserhaushaushaltsmodelle darstellen, als modernes Arbeitsinstrument einen wesentlichen Beitrag leisten. Wasserhaushaltsmodelle unterscheiden sich von konventionellen und bisher in der wasserwirtschaftlichen Praxis üblichen Niederschlags-Abfluss-Modellen u.a. dadurch, dass mit ihnen eine kontinuierliche, prozessorientierte Simulation und Vorhersage des gesamten Abflussgeschehens auch über längere Zeiträume möglich ist, anstatt nur einzelne Teilaspekte wie etwa Hochwasserabflüsse ereignisbezogen nachzubilden (Schulla 1997, Bremicker 2000).

In Wasserhaushaltsmodellen werden alle relevanten hydro(meteoro)logischen Prozesse wie Niederschlag, aktuelle Verdunstung, Bodenwasserspeicherung, Schneedeckenspeicherung, Grundwasserneubildung sowie die flächen- und gerinnebezogenen Wassertransporte in ihren gegenseitigen Wechselwirkungen mit physikalisch basierten Modellkonzepten beschrieben. Durch die synoptische Betrachtung aller relevanten Prozesse können auch flächendeckend nicht messbare Wasserhaushaltskomponenten wie die aktuelle Verdunstung anhand eines Vergleiches von gemessenen und berechneten Abflüssen zeit- und flächenintegrierend verifiziert werden.

Ein besonderer Vorteil ist, dass Wasserhaushaltsmodelle mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung erstellt und damit auch die Ergebnisse hoch aufgelöst erhalten werden können. Bisher üblicherweise verwendete Skalen sind Tagesschritte und Rastergrößen von 1 km x 1 km; diese können in Abhängigkeit von den Fragestellungen auch weiter verdichtet werden. Zudem ist das Auseinandernehmen (Bearbeitung von einzelnen Teileinzugsgebieten) und Zusammensetzen (mit anderen Gebieten zu größeren Flussgebietseinheiten) der Modelle relativ einfach möglich.


Übersicht der Anwendungsmöglichkeiten

Folgende Aufgabenstellungen können mit Wasserhaushaltsmodellen beantwortet werden:

  • Abschätzung der Auswirkungen von Klimaveränderungen
  • Abschätzung der Folgen von Landnutzungsänderungen
  • Vorhersage des Niedrig- und Hochwassers (Abflusskontinuum)
  • Überregionale Ermittlung der Grundwasserneubildung
  • Integrierte Flussgebietsuntersuchungen
  • Datenbereitstellung für Stoffhaushalts- und Gewässergütemodellierungen
  • Prognosen und Szenarien für überregionale Gewässerentwicklungsplanungen
  • Sonstige Einsatzmöglichkeiten wie Abflussplausibilisierung oder Kennwertermittlung (s.u.)

Erläuterung der einzelnen Einsatzmöglichkeiten
  • Abschätzung der Auswirkungen von Klimaänderungen

    Um die aus langfristigen klimatischen Änderungen resultierenden Auswirkungen von Wasserhaushaltsgrößen beschreiben zu können, sind Vergleiche mit dem Ist-Zustand notwendig, der auf den historischen, tatsächlich gemessenen Klimadaten beruht. Hierzu werden die Wasserhaushaltsmodelle zuerst mit den beobachteten Klimadaten kalibriert und validiert. Dann können sie mit Daten von Klimaänderungsszenarien, die u.a. aus regionalen Klimamodellen zu ermitteln sind, betrieben werden, um Vergleiche zum Ist-Zustand ziehen zu können. Ziel ist dabei, die zu erwartenden Veränderungen der wesentlichen Wasserhaushaltsgrößen zu quantifizieren bzw. die Veränderungstendenzen abzuschätzen.


    Beispiele:

    Im Rahmen des Forschungsvorhabens "Regionales Klimamodell zur meteorologischen und hydrologischen Vorhersage extremer Ereignisse am Beispiel des Rheineinzugsgebietes", das durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wurde, ist eine Studie zur genaueren Vorhersage von extremen Niederschlags- und Hochwasserereignissen erstellt worden. Dies wurde durch die Kopplung des atmosphärischen Modells REMO (regionales Klimamodell) und des Wasserhaushaltsmodells LARSIM erreicht (Richter et al., 2001; Ebel et al. 2002). Die Rasterweite des Klimamodells betrug etwa 18 km.

    Im Rahmen des EU-Projektes "Impact of Climate Change on Hydrological Regimes and Water Resources in the European Community" wurde durch die Internationale Kommission für die Hydrologie des Rheins (IKHR) schon Wasserhaushaltsmodellierungen in Einzugsgebieten des Rheins durchgeführt (CHR 1997, Schulla 1997, Gurtz et al. 1997). In Bayern wurde ein Wasserhaushaltsmodell nach ASGi/WaSiM-ETH für die Einzugsgebiete der Regnitz, Naab und Regen kalibriert und validiert.

    Weitere Modellanwendungen fanden im Rahmen des BALTEX-Vorhabens für das Weser- und Ostseeeinzuggebiets mit dem Wasserhaushaltsmodell (WHM) LARSIM (Bremicker 1998), mit dem WHM ArcEGMO in Brandenburg (Lahmer 2002) sowie in Hessen mit dem Modell SWAT-G (Eckhardt 2002) statt.


  • Auswirkungen von Landnutzungsänderungen

    Landnutzungsänderungen wirken sich auf die Verdunstung aus, die wiederum einen bedeutenden Einfluss auf den Wasserhaushalt ausübt. Ferner beeinflussen sie die Interzeption des Niederschlags sowie das Verhältnis zwischen Infiltration und Oberflächenabfluss. Ursachen von überregionalen Landnutzungsänderungen können hauptsächlich zum einen in sozio-ökonomischen Entwicklungen (bspw. Versiegelung der Landschaft, EU-Agrarpolitik) und zum anderen in der Klimaänderung liegen, wobei die Auswirkung letzterer wiederum von ökonomischen, politischen, demographischen und technischen Entwicklungen abhängt. Erhöhte CO2-Konzentrationen sowie die damit zusammenhängende Klimaänderung bestimmen das Wachstum und die Verdunstung der Pflanzen. Im Falle von natürlichen Ökosystemen kann dies zu einer Verlagerung ihrer Verbreitungsgrenzen führen, zu einer Veränderung der Artenzusammensetzung sowie der Einführung neuer Arten. Landnutzungsszenarien sollten deshalb neben den biophysikalischen auch die sozio-ökonomischen Auswirkungen betrachten (CHR 1997, Weber et al. 2001). Die Auswirkungen der Landnutzungsänderungen auf den Wasserhaushalt können mit Hilfe der Wasserhaushaltsmodelle quantifiziert werden.


    Beispiele:

    In Baden-Württemberg wurden für das Einzugsgebiet der Elz die Auswirkungen zusätzlicher Flächenversiegelungen auf die Hochwasserverhältnisse mit dem WHM LARSIM untersucht. Bei einer Erhöhung von 20% der Flächenversiegelung ergab sich eine Erhöhung der Hochwasserscheitel der HW-Ereignisse von 1991 und 1998 um maximal 5%. Diese Ergebnisse hängen von den lokalen Gegebenheiten ab und können daher nicht verallgemeinert werden.

    In Baden-Württemberg werden die Auswirkungen der Waldschäden infolge des Sturms "Lothar" auf den Hochwasserabfluss im Einzugsgebiet von Enz und Nagold anhand von bedeutenden HW-Ereignissen der Vergangenheit mit Hilfe des WHM LARSIM untersucht. Dabei werden die Windwurfflächen im WHM über die geänderte Landnutzung berücksichtigt. Weitere Untersuchungen mit LARSIM zu Landnutzungsänderungen wurden für die rheinland-pfälzische Glan durchgeführt (Bauer, 1999).

    Im Rahmen des Projektes "Quantifizierung des Einflusses der Landoberfläche und der Ausbaumaßnahmen am Gewässer auf die Hochwasserbedingungen im Rheingebiet" (LAHoR) wurde das Modell WASiM-ETH hinsichtlich der Parametrisierung der Landnutzungseigenschaften weiterentwickelt, so dass skalenabhängig Empfehlungen zum Hochwasserschutz gegeben werden konnten (Katzenmaier et a. 2000).

    In Brandenburg wurde eine Anwendung von Landnutzungsänderungen mit dem Wasserhaushaltsmodell ArcEGMO in einem 575 km2 großen Einzugsgebiet durchgeführt (Lahmer 2002) sowie mit dem amerikanischen Wasserhaushaltsmodell SWAT im hessischen Lahn-Dill-Bergland (Fohrer et al. 2000). Natürliche großflächige Landnutzungsänderungen treten auch durch Waldschäden infolge von Stürmen, durch Waldbrände oder massive Schädlingsausbreitungen in Wäldern (Zimmermann et al. 1999) auf, die in Deutschland jedoch nur lokale Bedeutung haben.


  • Vorhersage von Niedrig- und Hochwasser

    Die kontinuierliche Abflussvorhersage kann als Werkzeug für das Risikomanagement im operationellen Bereich der Niedrig- und Hochwasservorhersage eingesetzt werden. Hierzu ist die Einbeziehung operationeller meteorologischer Mess- und Vorhersagedaten sowie ein automatisierter Programmablauf erforderlich. Speziell für die Hochwasservorhersage sind zeitlich hoch aufgelöste und zeitnah erhobene Daten entweder aus einem automatischen Niederschlagsmessnetz und aus meteorologischen Vorhersagemodellen (z.B. Lokalmodell des DWD) notwendig.

    Beispiele:

    In Baden-Württemberg ist die operationelle Niedrig- und Mittelwasservorhersage für das Neckareinzugsgebiet mit dem Wasserhaushaltsmodell LARSIM im Probebetrieb (Bremicker & Gerlinger, 2001). In Baden-Württemberg, Bayern, Rheinland-Pfalz und Vorarlberg wird LARSIM darüber hinaus als Flussgebietsmodell für die operationelle Hochwasservorhersage eingesetzt (u.a. Neckar, Donau einschließlich Iller, Mosel, deutsche und österreichische Bodensee-Zuflüsse und weitere Flussgebiete).

    In der Schweiz wurde in einem alpinen Einzugsgebiet die hydrologische Modellierung mit WaSiM-ETH mit den Daten eines Wettervorhersagemodells für die Hochwasservorhersage gekoppelt (Jasper et al. 1999).

    In Baden-Württemberg ist die Nutzung von LARSIM zur Hochwasserfrühwarnung für kleine Einzugsgebiete und zur Verbesserung der vorhandenen Hochwasservorhersage in Bearbeitung. Das Wasserhaushaltsmodell soll auch als Modellbasis zum Einbezug von Satellitendaten (Bodenfeuchte und Schneegrenze) zur Verbesserung der Hochwasservorhersage genutzt werden (Projekt InFerno, in Bearbeitung).


  • Überregionale Ermittlung der Grundwasserneubildung als Grundlage für eine nachhaltige Bewirtschaftung

    Eine Ergebniskomponente von Wasserhaushaltsmodellen stellt die Grundwasserneubildung dar, die wiederum einen wichtigen Input in Grundwassermodelle darstellt. Die Koppelung von Wasserhaushaltsmodellen mit Grundwassermodellen stellt einen aktuellen Schwerpunkt hydrologischer Forschung dar und wurde schon in WaSiM/ASGi realisiert (Schulla 1997). Die Grundwasserneubildung aus Wasserhaushaltsmodellen kann im Gegensatz zu anderen Verfahren (bspw. HAD 2002) zeitlich höher aufgelöste Werte liefern. Es zeigte sich jedoch in einem Vergleich der Ergebnisse der WHM LARSIM und ASGi, dass die berechnete Grundwasserneubildung methodisch begründet höher liegen als die des HAD-Verfahrens (Neumann 2002). Langjährige Mittelwerte der Grundwasserneubildung können neben der Planung von Trinkwassergewinnungsanlagen auch zur Erstellung einer Grundlagenkarte für die allgemeine hydrologische Planung genutzt werden, wie sie auch von der EU-WRRL bis 2006 gefordert wird. Darüber hinaus kann eine solche Karte auch für Fragen der Landschaftsentwicklung sowie des Grundwasserschutzes (GLA Bayern-Projekt: Geschütztheit des Grundwassers) und zur Planung der nachhaltigen Nutzung des Grundwassers herangezogen werden.


    Beispiele:

    In Baden-Württemberg werden zurzeit die Grundwasserneubildungs-Ergebnisse aus den jeweiligen Wasserhaushaltsmodellen als Input für die Grundwassermodelle "Heilbronner Mulde" und "Markgräfler Land" verwendet.

    In Bayern ist beabsichtigt, die flächendifferenzierte Grundwasserneubildung aus der Wasserhaushaltsmodellierung für die Erstellung von Grundwasserneubildungskarten, einem Instrument für eine nachhaltige Grundwasserbewirtschaftung zu verwenden.


  • Flussgebietsuntersuchungen

    Die Auswirkungen von Maßnahmen, Nutzungen und Planungen in den Flusseinzugsgebieten auf den Wasserhaushalt und das Abflussgeschehen, wie sie in der EU-WRRL gefordert sind, können anhand der Wasserhaushaltsmodelle quantifiziert werden. Bestimmte Hochwasserschutzmaßnahmen (z.B. dezentrale Rückhaltesysteme) können näher untersucht werden.

    Beispiel:

    In Baden-Württemberg werden mit Hilfe des WHM LARSIM Steuerungsregeln für das HW-Rückhaltebecken Wolterdingen an der oberen Donau entwickelt.


  • Datenbereitstellung für Stoffhaushalts- und Gewässergütemodelle

    Der Abfluss in einzelnen Flussabschnitten kann als Input für Gewässergüte- (Srinivasan & Ramanarayanan 1996) sowie für Wärme- und Sauerstoffmodelle dienen. Daneben bildet die Modellierung des Wasserhaushaltes die Grundlage, um auch den diffusen Stoffaustrag aus der Landoberfläche sowie die Bodenerosion auf der Ebene größerer Einzugsgebiete zu quantifizieren.

    Im Modell ASGi werden kontinuierliche Abfluss- und Stofftransportmodellierung asynchron miteinander gekoppelt, um den besonders durch Hochwasser bedingten Stoffabtrag und die Stoffverlagerung (Sediment und Phosphat) auf der Landoberfläche und in den Gewässerläufen zu modellieren (Kleeberg & Becker 1999, Rode et al. 2002). Hierzu wird zur Beschreibung der Bodenerosion und des Stofftransports das amerikanische Modell AGNPS (AGricultural Non - Point - Source Pollution Model, Version 3.65) verwendet. Im bayerischen Flussgebiet der Vils konnte dieser Modellansatz anhand von Sedimentmessungen getestet werden. Das Modul AGNPS ist auch im Wasserhaushaltsmodell SWAT (Arnold & Allen 1992) bzw. dessen Weiterentwicklungen SWAT-G (Eckhardt et al. 2002) bzw. SWIM (Kysanova et al. 2001) enthalten, wobei hier noch zusätzlich ein Stickstoffhaushaltsmodell integriert ist.

    Beispiel:

    In Baden-Württemberg wurde im Einzugsgebiet der Seefelder Aach das WHM LARSIM mit einem Gewässergütemodell gekoppelt (Eisele, 2002). Dabei wurden die Auswirkungen der landwirtschaftlichen Düngepraxis bzw. Landnutzung auf die monatlichen Stickstofffrachten im Grundwasser und in Oberflächengewässern berechnet. In Baden-Württemberg wird zudem die Berechnung des Feststofftransports mit Hilfe von gekoppelten Wasserhaushaltsmodellen für wichtig erachtet. Ferner sollen in Baden-Württemberg mit dem WHM LARSIM die Basisdaten zur Berechnung von Stofffrachten nach dem Moneris-Verfahren zur Verfügung gestellt werden (in Bearbeitung).


  • Prognosen und Szenarien für die überregionale Gewässerentwicklungsplanung (Wasserspiegellagenmodelle)

    Durch die Koppelung an ein Wasserspiegellagenmodell können aus den mit dem Wasserhaushaltsmodell modellierten Abflüssen Wasserstände ermittelt werden. Diese sind dann Grundlage für die ökologische Bewertung von Flussabschnitten. Ein Beispiel ist hierfür die Koppelung des Wasserspiegellagenmodells JABRON mit dem Wasserhaushaltsmodell NASIM (Fa. Hydrotec, Aachen).

    Im Rahmen von KLIWA ist vorgesehen, ein "Hydraulik-Modul" für die Wasserhaushaltsmodelle zu entwickeln (KLIWA-Projekt B 2.5), damit für beliebige Flussabschnitte anhand der Abflüsse Wasserstände berechnet werden können. Besondere Probleme liegen dabei im unterschiedlichen Datenbedarf der räumlichen Auflösung des Wasserspiegellagenmodells (Flussschlauch und Umgebung müssen räumlich hoch aufgelöst werden) und des Wasserhaushaltsmodells (geringere Auflösung).


  • Sonstige Anwendungsmöglichkeiten

    • Ermittlung des Abflusses bzw. der Abflussdynamik (Abflusskontinuum) an Gewässerabschnitten ohne Pegel u.a. für Belange der Ökologie
    • Ermittlung von Fließzeiten
    • Plausibilisierung der Abflüsse an den Pegeln
    • Überprüfung und Optimierung des Pegelmessnetzes
    • Ermittlung von Kennwerten der Siedlungswasserwirtschaft:

      Die Auswirkungen bzw. Notwendigkeit von siedlungswasserwirtschaftlichen Rückhaltemaßnahmen auf den Abfluss (hydraulischer Stress) wird in Baden - Württemberg an zunächst 10 bis 15 kleineren Modellgebieten mit Hilfe von LARSIM exemplarisch untersucht (in Bearbeitung).
    • Bereitstellung von Bewertungskriterien entsprechend der EU-WRRL, z.B. Erfassung des ökologischen Zustandes (Dynamik des natürlichen bzw. anthropogen beeinflussten Zustandes) von Gewässern
    • Bereitstellung von Parametern zur ökologischen Charakterisierung der Abflussdynamik z.B. Indicators of Hydrologic Alteration (IHA-Parameter)
    • Bereitstellung aktueller und vorhergesagter agrarmeteorologischer Basisdaten (insbesondere Bodenfeuchte und Evapotranspiration).


Literatur

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