BEWIRTSCHAFTUNGS- MÖGLICHKEITEN IM EINZUGSGEBIET DER HAVEL

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1 Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel Modellierung des Wasserhaushaltes und möglicher Bewirtschaftungsmaßnahmen Axel Bronstert, Bernd Pfützner, Stefan Krause BEWIRTSCHAFTUNGS- MÖGLICHKEITEN IM EINZUGSGEBIET DER HAVEL Gefördert durch die Bundesministerin für Bildung und Forschung

2 Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel Modellierung des Wasserhaushaltes und möglicher Bewirtschaftungsmaßnahmen Axel Bronstert, Bernd Pfützner, Stefan Krause Das wasserwirtschaftliche System des Haveleinzugsgebietes I Interaktion von Oberflächen- und Grundwasser

3 Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel Modellierung des Wasserhaushaltes und möglicher Bewirtschaftungsmaßnahmen Axel Bronstert, Bernd Pfützner, Stefan Krause Das wasserwirtschaftliche System des Haveleinzugsgebietes II durchströmte Flussseen

4 Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel Modellierung des Wasserhaushaltes und möglicher Bewirtschaftungsmaßnahmen Axel Bronstert, Bernd Pfützner, Stefan Krause Das wasserwirtschaftliche System des Haveleinzugsgebietes III Abfluss geprägt durch Rückstau und Steuerung

5 Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel Modellierung des Wasserhaushaltes und möglicher Bewirtschaftungsmaßnahmen Axel Bronstert, Bernd Pfützner, Stefan Krause Das wasserwirtschaftliche System des Haveleinzugsgebietes IV Spree und Teltowkanal (Berlin) sind sehr relevante Zuflüsse

6 Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel Modellierung des Wasserhaushaltes und möglicher Bewirtschaftungsmaßnahmen Axel Bronstert, Bernd Pfützner, Stefan Krause Das wasserwirtschaftliche System des Haveleinzugsgebietes V Überflutungsoptionen an der Unteren Havel

7 Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel Modellierung des Wasserhaushaltes und möglicher Bewirtschaftungsmaßnahmen Axel Bronstert, Bernd Pfützner, Stefan Krause Modellierung der Wasserqualität in der Havel und Analyse von Bewirtschaftungsmöglichkeiten I II III IV V VI WASSERHAUSHALT INTERAKTION DES EINZUGSGEBIETS MIT OBERFLÄCHENGEWÄSSERN STOFFEINTRAG ABFLUSS- UND STOFFDYNAMIK IN DEN FLIESSGEWÄSSERN ABSATZ- UND REMOBILISIERUNGSVORGÄNGE IN STANDGEWÄSSERN WASSERWIRTSCHAFTLICHES MANAGEMENT

8 Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel Modellierung des Wasserhaushaltes und möglicher Bewirtschaftungsmaßnahmen Axel Bronstert, Bernd Pfützner, Stefan Krause Einsatz unterschiedlicher Modelle, adäquat für spezifische Skalen und Fragen: Modellname SWIM ARC-EGMO ARC-EGMO-URBAN HEC-RAS IWAN TRAM Einsatzbereich Wasser- und Nährstoffumsatz in ländlichen Gebieten Prozesse des Wasserkreislaufs Siedlungseinträge (Wasser und Nährstoffe) Hydrodynamisches Abflussgeschehen, auch für vermaschte und rückgestaute Systeme Kopplung von ungesättigter Zone, Grundwasser und Oberflächenwasser, inkl. Nitratumsatz im Grundwasser Nährstoffbilanzierung in Fluss-Seen-Systemen, inkl. Sedimentinteraktionen

9 Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel Modellierung des Wasserhaushaltes und möglicher Bewirtschaftungsmaßnahmen Axel Bronstert, Bernd Pfützner, Stefan Krause Bearbeitungsgebiet und -skalen Gesamtgebiet: HAVEL (ohne Spree) Zwischenebene: Rhin (1.780 km 2 ); Nuthe (1.872 km 2 ); Untere Havel (ca km²); Fokusebene: Döllnitz (ca. 26 km²); Kleiner Rhin (ca. 38 km²); Obere Nuthe (ca. 676 km²); Hammerfließ (ca. 208 km²); Gr. Grabenniederung/Gülper Havel (ca. 70 km²);

10 Größe (km²) Vorherrschende Landnutzung Modelle für den Wasserhaushalt Modelle für den Stoffhaushalt Fokusgebiet Hammerfließ 208 Landwirtschaft ARC-EGMO SWIM Fokusgebiet Obere Nuthe 676 Landwirtschaft (ARC-EGMO) SWIM Zwischengebiet Nuthe Landwirtschaft, Feuchtgebiete ARC-EGMO HEC-RAS SWIM Fokusgebiet Kleiner Rhin 38 Wald (ARC-EGMO) (SWIM) Fokusgebiet Döllnitz 26 Wald, Naturschutzgebiet (ARC-EGMO) (SWIM) Zwischengebiet Rhin Wald, Landwirtschaft, ARC-EGMO SWIM Fokusgebiet Gülper Havel ca. 70 Feuchtgebiete Landwirtschaft IWAN SWIM + IWAN Zwischengebiet Untere Havel ca Feuchtgebiete Landwirtschaft ARC-EGMO, IWAN, HEC-RAS SWIM + IWAN Havel von Potsdam bis Brandenburg ca Wald, Siedlung, Landwirtschaft, Feuchtgebiete, HEC-RAS ARC-EGMO-URBAN +SWIM + TRAM Gesamtgebiet Wald, Siedlung, Landwirtschaft, Feuchtgebiete ARC-EGMO ARC-EGMO-URBAN +SWIM (+ TRAM)

11 Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel Modellierung des Wasserhaushaltes und möglicher Bewirtschaftungsmaßnahmen II Forschungsansatz und Methoden Axel Bronstert, Bernd Pfützner, Stefan Krause Entwicklungsrahmen, Handlungsfelder und Szenarios: Unterschiedliche Rahmenbedingungen 3 Handlungsfelder: Wasserwirtschaft Siedlungswasserwirtschaft Landnutzung Szenario A Gängige Praxis Szenario B Erweiterte Bewirtschaftungsstandards Szenario C Maximaler Beitrag einzelner Handlungsfelder Szenario D Maximaler Gewässerschutz Szenario E Optimale Bewirtschaftung

12 Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel Modellierung des Wasserhaushaltes und möglicher Bewirtschaftungsmaßnahmen Axel Bronstert, Bernd Pfützner, Stefan Krause Bewirtschaftungsszenarien im Handlungsfeld Wasserwirtschaft Regulierung von Abflussmengen temporäre Abflussaufhöhung durch Wasserrückhaltung (Stauhaltung) im Grundwasserbzw. in O.wasserspeichern Wasserüberleitungen (z.b. aus der Elbe) Reduzierung von Wasserentnahmen Regulierung von Wasserständen / Geschwindigkeiten ohne primäre Regulierung der Abflussmenge Regulierung von Wasserständen an den Wehren (bis hin zu Rückbau / Sohlrampen) Veränderungen der Gewässergeometrie (Quer-/Längsprofil) weitere Maßnahmen der Gewässerrestaurierung Entfernung von Sedimenten durchströmter Seen Tolerierung erhöhter Nitrat-Einträge

13 Vorgehensweise: Modellierung der Effekte der Wasserbewirtschaftung Fokusebene Prozessnahe Abbildung der Wirkungen von gewässerbezogenen Managementoptionen zur Maximierung des Gebietsrückhaltes (Hammerfließ) Zwischenebene Abbildung der Wirkungsketten in konzeptionellen Ansätzen (Nuthe) Gesamtgebiet GIS-gestützte Abschätzung der Auswirkungen (Havel) NA-Modell gekoppelt mit quasi-instationärem Fließgewässermodell Abbildung der Stauwirkung von Wehren Grundwassermodell ASM Abbildung der Wechselwirkungen OW-GW Bewirtschaftungsmodell Abbildung von Management (Wehrsteuerung Stauregime) NA-Modell mit Speicheransätzen für OW und GW Abbildung wichtiger Bauwerke Abbildung des Steuerregimes Regelbasierte Ermittlung von Zusatzverdunst ungen gegenüber einem Basisszenario Netto-NW- Aufhöhung

14 Detailmodell - Zielstellung Möglichst prozessnahe Abbildung der Wechselwirkungen zwischen Grund- und Oberflächenwasser und der Eingriffsmöglichkeiten über Bewirtschaftungsmassnahmen Hohe zeitliche und räumliche Auflösung notwendig Hoher Aufwand für Datenbeschaffung, Modellaufbau und parametrisierung Hoher (numerischer) Aufwand für Modellanalysen Anwendbarkeit auf ein Fokusgebiet beschränkt Auch in den Fokusgebieten sind nicht alle Eingangsdaten lagegetreu und exakt verfügbar (Probleme: Gewässergeometrien, Bauwerke, Steuerung der Bauwerke) Übertragung auf das Gesamtgebiet nur über Hochrechnungen (plausible Annahmen) möglich

15 Detailmodell - Methodischer Grundansatz NA-Modell gekoppelt mit quasi-instationärem Fließgewässermodell Abbildung der Stauwirkung von Wehren Grundwassermodell ASM Abbildung der Wechselwirkungen OW-GW Bewirtschaftungsmodell Abbildung von Management (Wehrsteuerung Stauregime)

16 Detailuntersuchungen 1. Erhöhung des Winterstaus (WASREG) 2. Rückbau von Wehren (RÜWE) 3. Reduzierung des Gewässernetzes (RÜGRÄ) 4. Reduzierung der Wasserentnahme (REWAS) 5. Landnutzungsänderung 6. Speicherbewirtschaftung Seen (WASEE)

17 Beispiel 1: Erhöhung des Winterstaus (WASREG) Wehr Erhöhung des Winterstaus um: 10 cm 10 cm 40 cm 40 cm 40 cm 40 cm 40 cm 40 cm 30 cm 30 cm Differenz der Grundwassererhöhung durch Staumaximierung und der rekonstruierten Wehrsteuerung zum Berechnungszeitpunkt Winter

18 Erhöhung der Stauhöhe von 1 Meter um: Volumen Wehr Gottow 10 cm m³ 20 cm m³ 30 cm m³ 40 cm m³ Auswirkungen auf den Wasserhaushalt bei einer Erhöhung des Winterstaus MQ verringert sich minimal die Verdunstung bleibt annähernd gleich Nur geringe Auswirkungen, da Änderungen vorrangig im Winterhalbjahr, hier Verdunstung energie- und nicht feuchtelimitiert

19 Änderungen im Jahresgang der Grundwasserstände bei einer Maximierung des Winterstaus Grundwasserpegel Dümde, ca. 650 m vom Hammerfließ entfernt die Erhöhung des Winterstaus um 40 cm bewirkt ca. 18 cm höhere GW-stände zum Sommer hin nähern sich dann beide Ganglinien an, da die zusätzliche Gebietsspeicherung quasi ausgelaufen ist

20 Beispiel 2: Rückbau von Wehren (RÜWE) Wehrrückbau bewirkt eine Grundwasserabsenkung in der näheren Umgebung der Wehre durch den Rückbau von Wehren erhöht sich der mittlere Jahresabfluss um 24 l/s die mittlere jährliche Verdunstung sinkt

21 Beispiel 3: Reduzierung des Gewässernetzes (RÜGRÄ) vollständige Zuschüttung der vielen Entwässerungsgräben im Einzugsgebiet des Hammerfließes nur noch der Gewässerhauptstrang, das Hammerfließ soll zur Entwässerung dienen Annahme, dass die Wehre im Hammerfließ rückgebaut werden, d.h. außer Funktion sind Folge: Eine Vielzahl an Flächen mit ehemaligen Entwässerungsgräben steht über Flur, d.h. der Grundwasserstand ist höher als die Geländehöhe

22 Zuschüttung des Gewässernetzes um die Hälfte der Profiltiefe Grundwasserflurabstände betragen in Durchschnitt 20 cm einige Flächen liegen über Flur Grundwasserfläche über Flur am Wolfsgraben ergibt sich aus einer Vertiefung im DGM

23 Beispiel 4: Reduzierung der Wasserentnahme (REWAS) es liegen nur genehmigte Entnahmen/Einleitungen des Zeitraumes 1969 bis 1994 vor die Nutzer wurden nicht in das Modell integriert, d.h. es ist auch kein Szenario der Reduzierung der Wasserentnahmen, und keine Übertragung auf das Gesamtgebiet möglich Nutzerbilanz Hammerfließ Entnahme von Grundwasser: 90 l/s Rücklauf von Grundwasser ins Grundwasser: 3 l/s Rücklauf von Grundwasser ins Oberflächenwasser: 12 l/s Bilanz Grundwasser: Bilanz Oberflächenwasser: - 88 l/s 12 l/s (nur Rücklauf, keine Daten zur Entnahme)

24 Ergebnisvergleich der Detailsimulationen Szenario MQ [m³/s] MQ Sommer [m³/s] MQ Winter [m³/s] Verdunstung Jahr [mm/a] Grundwasserneubildung [mm/a] mit Wehren gesteuert ) Erhöhung Winterstau ) Rückbau von Wehren ) reduziertes Gewässer ) Landnutzungsänderung Gute fachliche Praxis 0,904 0,777 1, ) Landnutzungsänderung Bestmögliche Wassergüte 0,884 0,774 0,

25 Bewertung aus wasserwirtschaftlicher Sicht Handlungsoption Erhöhung des Winterstaus Rückbau der Wehre vollständige Reduzierung des Gewässernetzes Teilweise Zuschüttung des Gewässernetzes Landnutzungsszenarios Wasserstanderhöhung an Seen Bewertung - ja, bei geeigneten Gewässerprofilen Speicherlamelle zur NW-Aufhöhung - Wegfall des Wasserrückhaltes im Gebiet - Schaffung von Ausgleichsmaßnamen, wie z.b. Sohlrampen erforderlich! - ist für den Wasserhaushalt aufgrund der Verdunstungserhöhung und Verringerung der Grundwasserneubildung als negativ zu bewerten - Teilweise keine landwirtschaftliche Nutzung mehr möglich - ist als Ausgleichsmaßnahme zur Grundwasserstandserhöhung bei Rückbau der vielen Staue als positiv zu bewerten - hat bei gleichbleibenden Grundwasserflurabständen, mit denen die zukünftige Landnutzung teilweise gar nicht möglich wäre, wenig Auswirkung auf den Wasserhaushalt - als positiv ist die Dämpfung der Abflussspitzen zu bewerten - Schaffung einer Speicherlamelle zur NW-Aufhöhung

26 Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel Modellierung des Wasserhaushaltes und möglicher Bewirtschaftungsmaßnahmen Axel Bronstert, Bernd Pfützner, Stefan Krause Ausgewählte Ergebnisse: Wasserhaushalt Name Ist Jahres-MQ B1 Ist Sommer-MQ B1 Ist Winter-MQ B1 Abweichung MQ Hammerfließ 0,48 0,45 0,43 0,41 0,53 0,50-5,6 Obere Nuthe 1,17 1,09 1,12 1,05 1,22 1,13-6,8 Nuthe 5,15 5,09 4,72 4,65 5,58 5,52-1,2 Döllnitz 0,09 0,09 0,09 0,09 0,08 0,09 3,5 kleiner Rhin 0,20 0,18 0,19 0,17 0,20 0,18-9,6 Rhin 5,97 5,48 5,56 5,05 6,39 5,92-8,2 Obere Havel bis Spreemündung 15,50 14,30 14,30 12,90 16,60 15,70-7,7 Havel vor Eintritt i. d. Seen uh. Brandenburg 75,70 74,20 70,00 68,10 81,60 80,40-2,0 Havel Schleuse Gnevsdorf (GVF) 99,70 96,70 91,50 88,10 108,00 105,00-3,0

27 Szenarien Wasserhaushalt Szenariosimulationen Wasserhaushalt Fokusgebiet Untere Havel : Effekt der Landnutzung

28 Szenariosimulationen Wasserhaushalt Fokusgebiet Untere Havel : Effekte Drainagedichte Aktuelle Bedingungen: 298,50 km Gewässernetz Szenariobedingungen: Reduktion des Gewässernetzes auf 183 km surface water remaining surface water removed draines altitude (m) Km

29 Szenariosimulationen Wasserhaushalt Fokusgebiet Untere Havel : Effekte Drainagedichte

30 Szenariosimulationen Wasserhaushalt Fokusgebiet Untere Havel : Effekte Drainagedichte Gauge P4 P 6 P 4 P 8 P 2 Gauge P6 Gauge P2 Gauge P8

31 Szenariosimulationen Untere Havel : Wasserhaushalt des Eigeneinzugsgebietes Rathenow Brandenburg Potsdam

32 Szenariosimulationen Untere Havel : Wasserhaushalt des Eigeneinzugsgebietes Rathenow elev. of connected floodplain (m) surface water Brandenburg Potsdam elevation (m)

33 Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel Modellierung des Wasserhaushaltes und möglicher Bewirtschaftungsmaßnahmen Axel Bronstert, Bernd Pfützner, Stefan Krause Ausgewählte Ergebnisse: Wasserhaushalt

34 Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel Modellierung des Wasserhaushaltes und möglicher Bewirtschaftungsmaßnahmen Schlussfolgerungen Axel Bronstert, Bernd Pfützner, Stefan Krause die Anwendung geeigneter Modelle ist eine taugliche Methode, um den Wasserhaushalt dieses komplexen hydrologischen Systems zu analysieren und Szenarios zu simulieren Landnutzungsänderungen haben nur geringen Einfluss auf die Abflussverhältnisse der Havel eine Erhöhung des Winterstaus kann eine gewisse Erhöhung des Sommerniedrigwassers in den Fokusgebieten (aber nicht in der Havel) ermöglichen der Abflussanteil aus dem Eigen-EZG schwankt saisonal stark eine Reduktion der Drainagegräben bewirkt eine deutliche Erhöhung der Grundwasserflurabstände in gewässerfernen Gebieten eine temporärer Aufstau der Seen könnte in gewissem Rahmen zur Erhöhung des Sommerniedrigwassers genutzt werden

35 Bewirtschaftungsmöglichkeiten im Einzugsgebiet der Havel Modellierung des Wasserhaushaltes und möglicher Bewirtschaftungsmaßnahmen Axel Bronstert, Bernd Pfützner, Stefan Krause Ausblick: Forschungsbedarf Upscaling von Detailergebnissen und -wissen auf das Gesamtgebiet, insbesondere bzgl. der Stauanlagen Verbesserungen bzgl. des Einflusses von Feuchtgebieten und Gewässerrandstreifen auf die Verdunstung und den Wasserhaushalt Repräsentanz der relevanten Seenprozesse in einem hydrologischen Gesamtmodell Kopplung Wassermengen- mit Wassergütemodellierung