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Modelle und Methoden

Allgemein

Der Wasserhaushalt steht unter strenger staatlicher Kontrolle und jegliche Benutzung und Verbrauch von Wasser ohne gesetzlicher oder behördlicher Erlaubnis ist nicht gestattet. Um Gewässer zu sichern und möglichst schonend zu bewirtschaften, ist ein fundiertes Wissen über den Wasserhaushalt  notwendig. Allerdings ist es nicht ausreichend den Wasserhaushalt alleine zu betrachten. Ihm untergeordnet sind der Wasserkreislauf, der die Dynamik des Wassers, und die Wasserbilanz, die die quantitative Erfassung beschreibt.

Wasserkreislauf

Der Wasserkreislauf eines geschlossenen Einzugsgebiets kann allgemein mit einer Aufteilung des gefallenen Niederschlags auf die Komponenten Verdunstung, Abfluss und Speicheränderung beschrieben werden. Innerhalb des Einzugsgebietes kommt es zu einer vertikalen und lateralen Verteilung des Wassers, bei der die gesamte Niederschlagsmenge auf verschiedene Speicher aufgeteilt wird.
Ein Teil des gefallenen Niederschlags wird auf der Vegetationsoberfläche bzw. in Mulden gespeichert und direkt wieder verdunstet. Ein anderer Teil des Niederschlags infiltriert in den Boden, wo das Wasser entweder über die Vegetation transpiriert oder direkt aus der oberen Bodenschicht evaporiert wird. Das verbleibende Wasser durchläuft die verschiedenen Bodenschichten vertikal, wird der oberen Grundwasserzone zugeführt oder innerhalb der Bodenmatrix auf lateralen Fließwegen entlang des Gefälles zum Fließgewässer (Vorfluter) transportiert. Übersteigt die Niederschlagsintensität die Infiltrationskapazität des Bodens kann das Wasser nicht infiltrieren und fließt oberflächlich dem Vorfluter zu.  Die folgende Abbildung bildet die stattfindenden Prozesse in einem geschlossenen Einzugsgebiet vom Niederschlag bis zum Abfluss und Erreichen des Gebietsauslasses ab.

Schematische Darstellung des Wasserkreislaufs (LfULG, 2013)

Wasserbilanz

Die mengenmäßige Beschreibung des Wasserkreislaufs führt unter Berücksichtigung des Massenerhalts zur Wasserbilanz bzw. Wasserhaushaltsgleichung. Sie gibt das Verhältnis zwischen den zeit- und raumbezogenen Wasserhaushaltsgrößen Niederschlag P, Verdunstung ETR, Abfluss R und Speicheränderung dS wider.
Werden langjährige Mittelwerte betrachtet, kann die Speicheränderung von Wasser als vernachlässigbar klein angenommen werden und der Term vereinfacht sich zu:

 

Allgemeine Wasserbilanz

 

Vereinfachte Wasserbilanz 

Wasserhaushalt

Unter Wasserhaushalt wird das Zusammenwirken von Niederschlag, Verdunstung und Abfluss in einem abgeschlossenen System verstanden. Die Beschreibung des Wasserhaushalts in einem System ist sehr komplex und meist sind nicht alle Komponenten bzw. Prozesse im Detail bekannt. Die mengenmäßige Beschreibung der Wasserhaushaltskomponenten erfolgt üblicherweise mit Wasserhaushaltsmodellen, welche alle relevanten Prozesse im System Boden-Pflanze-Atmosphäre abbilden können. Modelle dienen dazu, die Realität auf vereinfachte Weise möglichst genau wiederzugeben.
Hydrologische Modelle können für die Abbildung der sich gegenseitig in einem Einzugsgebiet beeinflussenden Prozesse des Wasserhaushalts verwendet werden und bedienen sich grundlegender physikalischer Gesetzmäßigkeiten, um diese Prozesse mit Hilfe mathematischer Gleichungen idealisiert beschreiben zu können.

Modelle

Das Projektkonsortium hat entschieden, dass im Projekt das Modell ArcEGMO vom deutschen Partner und das Modell MIKE NAM und MIKE BASIN vom polnischen Partner für die Abbildung der Wasserbilanz angewendet wird. Das hat den Vorteil zwei Modellergebnisse miteinander zu vergleichen und die Stärken der Modelle auszunutzen. Damit kann die Aussagesicherheit erhöht werden.

ArcEGMO

Das öko‐hydrologische Modellierungssystem ArcEGMO wurde vom Büro für angewandte Hydrologie (BAH) entwickelt. Es verwendet sowohl physikalische als auch konzeptionelle Ansätze für die mathematische Beschreibung der Systemprozesse. Von Vorteil sind der modulare Aufbau und die GIS-gestützte Arbeitsweise. Damit können die Daten informations‐, prozess‐ und problemadäquat verarbeitet werden.
Als Ergebnis der Modellierung mit ArcEGMO liegen Daten des Gebietswasserhaushalts vor. Für eine detailliertere Beschreibung können im Modell verschiedene Wasserhaushalts- bzw. Abflusskomponenten, wie reale Verdunstung, Oberflächenabfluss, Zwischenabfluss aus der Bodenzone (Interflow über geneigten Stauhorizonten) und Grundwasserneubildung berechnet werden (vgl. Abbildung).


Abflussbildung in ArcEGMO mit dem Modul PSCN (Klöcking et al. 2009)

MIKE NAM

MIKE NAM ist ein deterministisches konzeptionelles Modell mit unterschiedlichen Speichern. Es kann mit Hilfe mathematischer Gleichungen Wasserretention in den interagierenden Speichern (Oberflächenspeicher unter Berücksichtigung der Schneeschmelze sowie Zwischen- und Grundwasserspeicher) idealisiert beschreiben (Abbildung). Die grundlegenden Komponenten im Modell MIKE NAM sind die täglichen Niederschlagssummen (P), tägliche Evapotranspiration (Ep, Ea) mittlere monatliche Abflüsse der Fließgewässer (Q).

Schematische Darstellung des Modelsystems MIKE NAM

MIKE BASIN

MIKE BASIN ermöglicht die Durchführung von quantitativen und qualitativen Wasserbilanzanalysen für Flusseinzugsgebiete oder deren Teile. Das Modell teilt in jeder Zeitstufe die Wasserressourcen unter den einzelnen Bewirtschaftungen unter Berücksichtigung der notwendigen Mindestabflüsse und entsprechend der Hierarchie der Wassernutzung auf. MIKE BASIN simuliert die Wasserverhältnisse mittels Berechnung der Wasserbilanz für jeden einzelnen Knoten. Dabei wird die Wasseraufteilung unter den jeweiligen Nutzungen in den einzelnen Berechnungsknoten im gesamten Einzugsgebiet berücksichtigt.

Schematische Darstellung der Modellierung mit dem Modellsystem MIKE BASIN

Datenauswertung mittels Trendanalyse

 Die Analyse und Charakterisierung der hydrologischen Bedingungen im Untersuchungsgebiet erfolgte auf Grundlage gemessener Abflussdaten ausgewählter Pegel im Zeitraum von 1971 bis 2010.

Die Trendrichtung wurde nach dem sogenannten nichtparametrischen linearen Regressionsverfahren Theil-Sen-Slope oder Kendall’s Slope bestimmt. Die auf der Trendstärkenschätzung nach Sen basierende Untersuchung der Trendrichtung und Trendstärke ist durch die Verwendung des Median robust gegen die häufig im Zusammenhang mit Extremereignissen in hydrologischen Zeitreihen auftretenden Ausreißer. Neben der Trendrichtung und Trendstärke wurde der Trend auf Signifikanz geprüft. Der Signifikanztest wurde nach dem Verfahren von Mann-Kendall durchgeführt. Dabei wurde eine Irrtumswahrscheinlichkeit von 10 % angenommen. Ist die Irrtumswahrscheinlichkeit kleiner 10 % ist der Trend signifikant und es kann von einem echten Trend gesprochen werden. Ergibt der Test keine Signifikanz, zeigt die Veränderung lediglich eine Tendenz an.

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Ansprechpartner

Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie

Referat 44: Oberflächenwasser, Wasserrahmenrichtlinie

Karin Kuhn

Institut für Meteorologie und Wasserwirtschaft Wroclaw

Mariusz Adynkiewicz-Piragas