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

Modelle


LARSIM

Im Rahmen des Kooperationsvorhabens KLIWA wurden für die gesamte Fläche Baden-Württembergs (ca. 36.000 km2) Wasserhaushaltsmodelle auf Basis des Programmsystems LARSIM (Large Area Runoff Simulation Model) erstellt.

Wasserhaushaltsmodelle sind mathematische Rechenverfahren zur Beschreibung und Quantifizierung der räumlichen und zeitlichen Verteilung wesentlicher Komponenten des Wasserhaushaltes wie Niederschlag, Verdunstung, Versickerung, Wasserspeicherung und Abfluss. Mit Ihrer Hilfe können die Wirkungen von Veränderungen der eingehenden Komponenten auf das Gesamtsystem "Wasserhaushalt" dargestellt und beurteilt werden. Damit eignen sie sich zur Abschätzung des Einflusses der möglichen Klimaveränderung auf den Wasserhaushalt.

Bild 1: Modellschema LARSIM.

In den Wasserhaushaltsmodellen für Baden-Württemberg werden bei einer rasterbasierten Flächenauflösung von 1 x 1 km u.a. folgende hydrologische Teilprozesse beschrieben:

Interzeption, Verdunstung, Schneeakkumulation, -kompaktion und -schmelze, Bodenwasserspeicherung, Speicherung und lateraler Wassertransport in der Fläche sowie Translation und Retention in Gerinnen und Seen (s. LARSIM-Modellschema, Bild 1). Hinzu kommen Verfahren zur Korrektur und Umrechnung meteorologischer Messgrößen.

Detaillierte Informationen zu den Modellgrundlagen von LARSIM und Modellanwendungen auf verschiedenen Raumskalen enthält die Arbeit von Bremicker, 2000. Das Modell LARSIM wird in Baden-Württemberg und anderen Bundesländern auch für die operationelle Hochwasservorhersage eingesetzt.



Hydrometeorologische Eingangsdaten:

Meteorologische Eingangsdaten für das Modell sind gemessene oder über Klimamodelle berechnete Zeitreihen für Niederschlag, Lufttemperatur, relative Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit, Globalstrahlung und Luftdruck. Das Modell LARSIM wird in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg, direkt mit dem Atmosphärenmodell REMO gekoppelt (BMBF-Vorhaben BALTIMOS). Es kann aber auch mit den Ausgangsdaten anderer Atmosphärenmodelle verwendet werden.

Als hydrologische Eingangsdaten können gemessene Abflussdaten an Pegeln sowie Angaben zu Wasserüberleitungen und wasserwirtschaftlichen Maßnahmen (z.B. Talsperrenbetrieb) in LARSIM berücksichtigt werden.



Systemdaten für das Wasserhaushaltsmodell LARSIM:

Die Modellerstellung erfolgt weitgehend rechnergestützt auf der Basis umfangreicher digitaler Systemdaten (Höhenmodell, vektorisiertes Flussnetz, Satellitenklassifizierung der Landnutzung, Feldkapazitäten der Böden, vgl. Bild 2).

Bild 2: Verwendete Systemdaten für die Wasserhaushaltsmodelle Baden-Württemberg

Für jede einzelne Rasterfläche werden bis zu 16 unterschiedliche Landnutzungen mit ihren spezifischen Verdunstungs- und Abflusseigenschaften erfasst (Bild 3). Über ArcView-Schnittstellen können auch mögliche Landnutzungsszenarien definiert werden, um deren Auswirkungen auf den Wasserhaushalt zu berechnen.

Bild 3: Aufbereitung der LARSIM-Systemdaten im GIS am Beispiel der Datensätze für Geländehöhen, Landnutzung und Flussnetz.

Die Nachbildung des realen Flussnetzes (Vernetzung der Rasterflächen) erfolgt durch eine rechnerische Verschneidung des digitalen Flussnetzes mit dem Modellraster (Bild 4). Für jede Gewässerteilstrecke sind geometrische Angaben zu Flusslänge, Gefälle sowie zu Breite und Höhe des mittleren Querprofils im LARSIM-Systemdatensatz enthalten.

Bild 4: Schematische Darstellung des Flussnetzes im Wasserhaushaltsmodell der baden-württembergischen Bodensee-Zuflüsse


Berechnungsergebnisse

Auf Basis der meteorologischen Eingangsdaten berechnet das Wasserhaushaltsmodell räumlich und zeitlich detaillierte Informationen zu den landgebundenen Komponenten des Wasserkreislaufes wie Verdunstung, Bodenfeuchte und Abflussbildung. Für den Istzustand des Klimas werden die Berechnungsergebnisse des Modells durch den Vergleich zwischen gemessenen und berechneten Abflüssen an Pegeln verifiziert (Bild 5). Durch die separate Modellierung der unterschiedlichen Abflusskomponenten Basisabfluss, Interflow und Direktabfluss (Bild 6) wird eine Koppelung mit Modellen für den Stoffaustrag ermöglicht.

Bild 5: Vergleich zwischen berechneten und gemessenen Abflüssen.

Bild 6:Darstellung der modellintern bestimmten Abflusskomponenten.

In zeitlich aggregierter Form werden die Berechnungsergebnisse u.a. als Karten der jährlichen Evapotranspiration sowie der mittleren jährlichen Grundwasserneubildung dargestellt (Bild 7).

Bild 7: Mit LARSIM berechnete mittlere jährliche Evapotranspiration (links) und Grundwasserneubildung (rechts) im Zeitraum 1987 - 1996 im Neckar-Einzugsgebiet.

Mit den LARSIM-Wasserhaushaltsmodellen können u.a. folgende Aufgabenstellungen bearbeitet werden (Auswahl):
  • Abschätzungen der Auswirkungen von Umweltveränderungen wie z.B. möglicher Klimaänderungen oder Landnutzungsänderungen auf den Wasserhaushalt (wie Abfluss, Versickerung und Verdunstung).
  • Kontinuierliche Abflussvorhersage für Niedrig- und Mittelwasser im operationellen Betrieb als Werkzeug des Risikomanagements.
  • Bereitstellung von flächendeckenden Versickerungs- und Abflussdaten für Gewässergütemodelle (z.B. MONERIS).
  • Prognosen und Szenarien für die Gewässerentwicklungsplanung.
  • Überregionale Ermittelung der Grundwasserneubildung als Grundlage für die nachhaltige Bewirtschaftung.
  • Abschätzungen der Auswirkungen von Umweltveränderungen wie z.B. möglicher Klimaänderungen oder Landnutzungsänderungen auf den Wasserhaushalt (wie Abfluss, Versickerung und Verdunstung).
  • Kontinuierliche Abflussvorhersage für Niedrig- und Mittelwasser im operationellen Betrieb als Werkzeug des Risikomanagements.
  • Bereitstellung von flächendeckenden Versickerungs- und Abflussdaten für Gewässergütemodelle (z.B. MONERIS).
  • Prognosen und Szenarien für die Gewässerentwicklungsplanung.
  • Überregionale Ermittelung der Grundwasserneubildung als Grundlage für die nachhaltige Bewirtschaftung.

Zeitbasis der Modellaussagen sind dabei jeweils Tageswerte bzw. daraus aggregierbare Werte wie Wochen-, Monats- und Jahreswerte. Zur Untersuchung von Hochwassersituationen werden die Berechnungen mit stündlichem Zeitschritt durchgeführt.

Im Berechnungsmodus "Flussgebietsmodell" wird LARSIM bei der Hochwasser-Vorhersage-Zentrale Baden-Württemberg für die operationelle Abflussvorhersage zahlreicher Flussgebiete eingesetzt.

Zudem wird es derzeit im Testbetrieb der HVZ im Berechnungsmodus "Wasserhaushaltsmodell" verwendet, um operationell Niedrig- und Mittelwasservorhersagen zu erstellen. Eingangsdaten sind dabei die 48-Stunden-Vorhersagen des LM-Modells sowie die 172-Stunden-Vorhersagen des GME-Modells des Deutschen Wetterdienstes.



 
 
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