Problematische Aspekte der Kopplung von Grundwassermodellen mit hydrologischen Modellen auf der regionalen Skala

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1 Hydrological model HBV Ungesättigte Zone HBV / LARSIM Hydrologischer Komplex InExfiltration Discharge Recharge Grundwasser Flüsse MODFLOW Modell 3 Modell 2 Modell 1 c d a b a b t 1 t 2 t 3 t 4 t 4 t 5 t 6 t 7 Groundwater recharge MODFLOW Direct discharge Discharge Groundwater discharge (Baseflow) + Heads Problematische Aspekte der Kopplung von Grundwassermodellen mit hydrologischen Modellen auf der regionalen Skala Roland Barthel, Jungwissenschaftlergruppe Grundwasserhydraulik und Grundwasserwirtschaft, Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart 1

2 GLOWA-Danube (BMBF) und RIVERTWIN (EU) Neckar (Rheinmündung) ~ km 2 RIVERTWIN Germany Czech Republic Austria Switzerland Italy Donau (Passau) ~ km 2 GLOWA-Danube 2

3 Bedeutung von Modellkopplungen auf der regionalen Skala? Lokales Modell: z.b. Auswertung Pumpversuch (inverse Modellierung zur Bestimmung von T,S): Zeitraum: 7 Tage Neubildung: konstant oder vernachlässigt Fluss: constant head oder vernachlässigt Andere Entnahmen: vernachlässigbar Fazit: Einfache, zeitlich invariante Randbedingungen Nachbarsysteme ohne Bedeutung, wichtig: Parameterverteilung Regionales Modell: z.b. Szenarien zur Aquiferbewirtschaftung Zeitraum: 30 Jahre Neubildung: variabel (Zeit/Raum), extrem bedeutsam Fluss: wechselseitige Abhängigkeit Entnahmen: Verbrauchsszenarien! Fazit: Komplexe, dynamische Randbedingungen Nachbar-Systeme von hoher Bedeutung 3

4 Chancen und Möglichkeiten der Kopplung Verbesserte Kalibrierungsmöglichkeiten / Mehrzieloptimierung z.b. gemessene Abflüsse zusätzlich zu gemessenen Grundwasserständen Identifikation von konzeptionellen Modellfehlern z.b. Identifikation von Grundwasserzu- und -abströmen in das und aus dem Einzugsgebiet z.b. nicht-reprozierbare Niedrigwasserabflüsse erklärbar als Folge von komplexen Speichereffekten im Grundwasser Vollständigere Abbildung von Prozessketten: z.b. Plausibilitätskontrolle für Grundwasserneubildungsberechnung In der Praxis: sind die o.g. Vorteile aufgrund der vielfachen Fehlerquellen und Probleme häufig (noch) nicht (voll) nutzbar. 4

5 Konzeption einer Modell/System-Kopplung Frage 1: Wie sind die Systeme voneinander abgegrenzt? Frage 2: Welche Prozesse verbinden die Systeme? Frage 3: Welche zeitlichen Abhängigkeiten bestehen (unterschiedliche Dynamik, Rückkopplungen ) Frage 4: Welche (messbaren) Eingangs- und Ausgangssignale stehen als Randbedingungen und für die (gemeinsame) Kalibrierung zur Verfügung? Grundannahme: Kopplung bestehender Modellkonzepte, z.b. HBV MODFLOW, nicht Kopplung auf der Ebene von Prozessgleichungen (Mehrphasenkonzepte etc.) Regionale Skala! 5

6 Konzeption einer Modell/System-Kopplung Systems Processes Atmosphere Precipitation Biosphere / Landsurface Transpiration Evaporation Surface Runoff Infiltration Soil / Unsaturated Zone Percolation Interflow Discharge Groundwater Recharge Groundwater Baseflow Groundwater Storage Groundwater Level / Head Changes 6

7 Gekoppelte Modellstrategie: Vereinfachung Kopplung Kalibrierung Hydrologie Landoberfläche, Oberflächengewässer ungesättigte Zone Grundwasserneubildung Abfluss am Pegel Grundwasser Grundwasserabfluss * Grundwassersytem Grundwasserstand * Basisabfluss, grundwasserbürtiger Abfluss 7

8 Kopplungskonzeption in GLOWA-Danube Physikalisch basierte Modelle: Grundwasser Boussinesq-Gleichung: FD - MODFLOW u.a. Ungesättigte Zone Richards-Gleichung: SVAT- PROMET u.a. Oberflächengewässer Saint-Venant-Gleichungen: DAFLOW u.a. Grundwasserneubildung Basisabfluss / Grundwasserabfluss PROXEL 1 km 8

9 Kopplungskonzeption in RIVERTWIN Precipitation and snowmelt Soil moisture storage Evapotranspiration Direct runoff reservoirs Groundwater recharge Q perc Direct discharge Q 1 Discharge Soil, topography, land use and climate data Groundwater reservoir Baseflow Q 2 HBV-IWS Grundwasserspeicher - konzeptionell Vertikal differenziertes, prozessbasiertes Grundwassersystem Hydrological model HBV Groundwater recharge MODFLOW Direct discharge Discharge Groundwater discharge (Baseflow) + Heads 9

10 Grundwasserneubildung Niederschlag Boden- oder Wurzelzone ungesättigte Zone? Infiltration Perkolation Grundwasserneubildung für viele physikalisch basierte Modelle (SVAT ), Bodenwasserhaushaltsmodelle, (Lysimeter) Grundwasserneubildung gesättigte Zone 10

11 Grundwasserneubildung auf verschiedenen Skalen 10000m R 2 R 1 R 3 R i : Recharge R 1 <> R 2 <> R 3 0.1m 10m P, GWR [mm] t modellierter Aquifer? 11

12 Weitere Aspekte der Grundwasserneubildung auf der regionalen Skala Niederschlag, Infiltration, Perkolation: ~ homogen über die gesamte Fläche unges. Zone Boden-, Wurzelzone homogen, isotrop? 12

13 Homogenität und Isotropie in natürlichen Systemen 13

14 Grundwasserneubildung auf der regionalen Skala unges. Zone homogen, isotrop? 14

15 Grundwasserneubildung: 2) Realistische konzeptionelle Vorstellung Zeit!, preferentielles Fliessen, Horizontalkoponenten A2 A1 A3 15

16 Grundwasserneubildung als Kopplungsparameter auf der regionalen Skala: Fazit Relief und Heterogenitäten in der (tiefen) ungesättigten Zone führen zu lateralem Abfluss (Quellen) und einer Reduktion der Grundwasserneubildung Tiefenlage, präferentielles Fliessen in der (tiefen) ungesättigten Zone führen zu einer räumlich differenzierten zeitlichen Verzögerung und Dämpfung der Grundwasserneubildung 16

17 Gekoppelte Modellstrategie: Vereinfachung Kopplung Kalibrierung Landoberfläche, Oberflächengewässer ungesättigte Zone Grundwasserneubildung Abfluss am Pegel Niedrigwasser! Grundwasserabfluss * Grundwassersytem Grundwasserstand * Basisabfluss, grundwasserbürtiger Abfluss 17

18 1) Basisabfluss / Grundwasserabfluss Surface Runoff Interflow Baseflow ungesättigt gesättigt Basisabfluss ~ Grundwasserneubildung? Maßstab? 18

19 1) Basisabfluss / Grundwasserabfluss modellierter Aquifer Maßstab? 19

20 1) Basisabfluss / Grundwasserabfluss Baseflow lokal Interflow regional? Abhängig von Skala, Diskretisierung, Fragestellung etc. 1 2 typische Situation z.b. kleinere Grundwasserstockwerke im Keuper über regional ausgebildetem Muschelkalkstockwerk modellierter Aquifer 20

21 Kopplungsprobleme mit konzeptionellen hydrologischen Modellen M. Disse Problem: Der Basisabfluss hat gar keine physikalische Bedeutung mit der man ihm einem Raum im Modell zuordnen könnte! 21

22 Zusammenfassung: Kopplung Grundwasser - Hydrologische Modelle Physikalisch basierte Bodenwasserhaushaltsmodelle lassen meist außer acht, dass die ungesättigte Zone grundsätzlich, aber auch in Abhängigkeit von Skala, Diskretisierung und Fragestellung sehr tief reichen kann (bis zu mehren 100 m) und vernachlässigen häufig die dort dominanten horizontalen Prozesse (und präferentielles Fliessen) Konzeptionelle hydrologische Modelle sowie Ganglinienseparationsverfahren beschreiben Prozesse die keine physikalische Entsprechung in der Natur haben und skalen-, diskretisierungs- und fragestellungsabhängig sind - was eine Grundwasserneubildungsbestimmung hier darstellt ist unklar Im gekoppleten System ist zu gewährleisten, dass die Grundwasserneubildung den Zutritten zu den modellierten Aquiferen und der Grundwasserabfluss dem Abfluss aus den modellierten Aquiferen entspricht. 22

23 Schlussfolgerung: Kopplung Grundwasser - Hydrologische Modelle Die Kopplung von (Grundwasser- mit hydrologischen) Modellen erfordert die gemeinsame Entwicklung konzeptioneller Vorstellungen, wobei die üblichen Vereinfachungen des jeweils anderen Systems nicht zulässig sind Die Konzeption der Kopplung muss kontextspezifisch erfolgen: Skala!, Problemstellung, naturräumliche Gegebenheiten (Relief, Hydrogeologie) etc. Die tiefe ungesättigte Zone sollte insgesamt mehr Beachtung finden! Die rein hydraulische Betrachtung von gekoppelten Systemen ist nicht zielführend! Hydrogeochemie, natürliche Tracer, Isotope, Alters- und Herkunftsbeziehung etc. sind einzubeziehen Eine gemeinsame Kalibrierung von gekoppelten Modellen ist unumgänglich, aber für Regionalmodelle schwer zu realisieren: schwache Kopplung: Rückkopplungen etc. nicht abbildbar starke Kopplung: enormer Rechenaufwand 23

24 Schlussbemerkungen Vorläufig beruht die regionale, integrative Modellierung fast ausschließlich auf einer Kopplung von Sektoralmodellen, die ursprünglich nicht für eine Kopplung vorgesehen waren. Solange das so ist es wichtig: Sektoralmodelle zu wählen, die an die Skala, die Problemstellungen, die Kopplungsstrategie und die Datenverfügbarkeit angepasst sind! Begriffe und Strategien unabhängig von disziplinär gültigen Definitionen neu zu diskutieren und anzupassen! Die Komplexität (z.b.rückkopplungen) an die praktischen Gegebenheiten anzupassen Die Qualität der disziplinären Ergebnisse der Qualität der integrativen Ergebnisse unterzuordnen Die Qualität der Ergebnisse an der Anwendbarkeit auf vorab gut definierte integrative Fragestellungen zu messen wird und nicht an disziplinär gültigen Gütemassen Sehr viel Zeit für die Konzeption der integrierten Modellierungsstrategie zu verwenden! 24

25 Hydrological model HBV Ungesättigte Zone HBV / LARSIM Hydrologischer Komplex InExfiltration Discharge Recharge Grundwasser Flüsse MODFLOW Modell 3 Modell 2 Modell 1 c d a b a b t 1 t 2 t 3 t 4 t 4 t 5 t 6 t 7 Groundwater recharge MODFLOW Direct discharge Discharge Groundwater discharge (Baseflow) + Heads Vielen Dank für f r Ihre Aufmerksamkeit Roland Barthel, roland.barthel@iws.uni-stuttgart.de 25