Ermittlung hydrologischer Bemessungs- und Bewirtschaftungsgrundlagen für das Land Sachsen-Anhalt auf der Basis des Wasserhaushaltsmodells ArcEGMO

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1 Ermittlung hydrologischer Bemessungs- und Bewirtschaftungsgrundlagen für das Land Sachsen-Anhalt auf der Basis des Wasserhaushaltsmodells ArcEGMO im Auftrag des Landesbetriebes für Hochwasserschutz und Wasserwirtschaft des Landes Sachsen-Anhalt - KURZFASSUNG -

2 2 1 Zielstellung Ziel der vorliegenden Untersuchung war die Ermittlung der flächenbezogenen Wasserhaushaltsgrößen - Niederschlag PI, - potentielle Verdunstung EP, - reale Verdunstung ER, - Landoberoberflächenabfluss RO von natürlichen Flächen (Horton-Abfluss und Sättigungsflächenabfluss) und Abfluss von versiegelten Flächen RK (d.h. aus urban geprägten Räumen), - hypodermischer Abfluss RH, wenn Sprünge in der Leitfähigkeit der Bodenschichten auftreten, - Drainageabfluss RDrain von meliorierten Flächen sowie - schneller Grundwasserabfluss RG1 und - langsamer Grundwasserabfluss RG2 für alle Oberflächen- Bezugszeitraum 1971 bis und Grundwasserkörper in Sachsen-Anhalt für den 2 Grundlagen Grundlage für die hier durchgeführten Modelluntersuchungen war das hydrologische Modellierungssystem ArcEGMO (Pfützner, ; Becker, et al., ). Bei der Bearbeitung wurde auf das landesweite Modell ArcEGMO-ST (BAH ) aufgesetzt, das zuletzt zur Untersuchung der Folgen des Klimawandels in Sachsen-Anhalt (2012) genutzt wurde. In der aktuellen Bearbeitung wurden umfangreiche Aktualisierungen hinsichtlich der zu verwendenden Eingangsdaten vorgenommen. Dies betrifft vor allem die 1 Pfützner, B. (2002): Modelldokumentation ArcEGMO. [Online] ISBN Becker, A., Klöcking, B., Lahmer, W., Pfützner, B. (2002): The Hydrological Modelling System ArcEGMO. [Hrsg.] V. P. Singh und D. K. Frevert. Mathematical Models of Large Watershed Hydrology. Water Resources Publications, 2002, S BAH (2007): Projektbericht Modellgestützte Ermittlung von Abflusskomponenten für Wasserkörper des Landes Sachsen-Anhalt im Auftrag des LHW Sachsen-Anhalt

3 3 Bodendaten, die Grundwasserflurabstände, Bauwerks- und Bewirtschaftungsdaten und die meteorologischen Eingangsdaten. Die Landnutzungsdaten inklusive Ertragspotenziale und Informationen zur Oberflächenmorphologie (DGM) und zu den Drainagen wurden ebenfalls aktualisiert. Die verwendeten Modellansätze, insbesondere zur Abbildung des Vegetationseinflusses auf die Verdunstung sind physikalisch fundiert und erlauben eine belastbare Abschätzung der Transpiration. Dies ist vor allem deshalb von Bedeutung, weil Sachsen-Anhalt in weiten Teilen eine negative klimatische Wasserbilanz aufweist und die reale Verdunstung die mit Abstand größte Wasserhaushaltskomponente ist. Das Modellgebiet orientierte sich an der Ausdehnung der Oberflächenwasserkörper und Teileinzugsgebiete in Sachsen-Anhalt, die teilweise über die Bundeslandgrenze Sachsen-Anhalts hinausgehen. 3 Kalibrierung und Validierung Mit dem erstellten, räumlich sehr hoch aufgelösten Modell wurden landesweite Simulationsrechnungen im Tageszeitschritt für den Zeitraum 1971 bis 2000 durchgeführt. Die Modellergebnisse sind flächendifferenzierte Wasserhaushaltsgrößen und die sich daraus ergebenden Abflusskomponenten für jeden Gewässerabschnitt. Da diese Größen nicht direkt gemessen werden, war eine Validierung der Modellergebnisse nur anhand der gemessenen Pegelabflüsse möglich. Die Analyse der Übereinstimmung zwischen gemessenen und simulierten mittleren Abflussmengen und Abflussspenden diente der Überprüfung des Verhältnisses von Niederschlag, Verdunstung und Gesamtabfluss. Dabei wurden nicht nur die beauftragten Kalibrierungspegel herangezogen, sondern es wurden alle im Modellgebiet verfügbaren Pegel ausgewertet, um räumliche Unterschiede möglichst gut erfassen zu können. Die Abbildung 1 zeigt, dass etwa die Hälfte der 83 Pegel innerhalb der 10%igen Abweichung liegt und etwa ein Drittel der Pegel eine 10-30%ige Abweichung haben. Bei etwa einem Fünftel der Pegel treten Abweichungen von mehr als 30% auf. Als mögliche Ursachen für die großen Abweichungen kommen anthropogene Beeinflussungen (Bergbau, Gewässerausbau, Bewirtschaftungseffekte) oder unsichere unterirdische

4 4 Einzugsgebietsgrenzen infrage. Detaillierte Analysen dazu waren im Rahmen dieser landesweiten Betrachtung nicht möglich. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Abflussbilanzen bis auf einige Ausnahmen durch das Modell gut bis sehr gut abgebildet werden konnten. Die Zusammensetzung der Abflusskomponenten konnte anhand der Abflussdynamik überprüft werden, da die einzelnen Abflusskomponenten charakteristische Auslaufzeiten besitzen. Eine Gegenüberstellung von simulierten und gemessenen Abflüssen ist beispielhaft in Abbildung 2 für den Pegel Hadmersleben dargestellt. Abbildung 1: Anpassung simulierter und gemessener Abflussspenden an den Pegeln

5 5 Abbildung 2: Gegenüberstellung simulierter und gemessener Abflussganglinie Aus der gemessenen und simulierten Abflussganglinie wurde für jeden Pegel die Effizienz berechnet, die zur Bewertung der Modellierungsgüte herangezogen wurde. Abbildung 3 zeigt die räumliche Verteilung der jeweils besten Effizienz für jeden Pegel im Modellgebiet. Als gut angepasst gelten die Pegel mit Effizienzen > 0.5 und als sehr gut angepasst können Pegel mit Effizienzen von >0.7 gewertet werden.

6 6 Abbildung 3: Erzielte Effizienzen für die Abflusspegel (die Kalibrierungspegel sind durch Kreise hervorgehoben und benannt)

7 7 4 Ergebnisse Aus den Ergebnissen wurden Wasserhaushaltsbilanzen in verschiedenen räumlichen Auflösungen (ca. 1.3 Mio. Elementarflächen, 4051 Teileinzugsgebiete, 429 Oberflächenwasserkörper, 86 Grundwasserkörper, 5 Regionen, Bundesland komplett) abgeleitet, die neben dem Niederschlag und der Verdunstung verschiedene Abflusskomponenten beinhalten. Beispielhaft für elementarflächenbezogene Ergebnisse ist die räumliche Verteilung der Sickerwassermengen in Abbildung 4 dargestellt. Abbildung 4: Räumliche Verteilung der berechneten Sickerwassermengen

8 8 Für das Gewässersystem wurden für alle im Landesmodell enthaltenen ca Abschnitte die aus dem Eigeneinzugsgebiet zufließenden Abflusskomponenten und der Gesamtabfluss im Gewässer inklusiver sämtlicher Oberlieger ermittelt. Beispielhaft sind in Abbildung 5 und Abbildung 6 für die Pegel Alleringersleben und Elend die Abflusskomponenten dargestellt. Abbildung 5: Abflusskomponenten am Pegel Alleringersleben Abbildung 6: Abflusskomponenten am Pegel Elend

9 9 Ein Vergleich mit ABIMO zeigte, dass die mittleren Gesamtabflüsse beider Modelle und damit auch die Modellfehler in ähnlicher Größenordnung liegen, wobei allerdings anzumerken ist, dass in die Validierung von ArcEGMO wesentlich mehr Pegel angeflossen sind, die Aussagen also lokal belastbarer sind. Die Vorteile der hier vorgestellten Modelluntersuchung liegen neben den aktuelleren Datengrundlagen (Landnutzungsverteilung, Bodenkarte, DGM) vor allem in der besseren inhaltlichen Differenzierung und höheren zeitlichen Auflösung der Berechnungsergebnisse und der fundierteren Physikalität der genutzten Modellansätze. So ist mit den aktuellen Ergebnissen eine Differenzierung der Abflüsse in max. 2 ober- und 4 unterirdische Komponenten möglich, womit perspektivisch gute Grundlagen für die Beschreibung der an Abflusskomponenten gekoppelten Stoffausträge gegeben sind. Die höhere zeitliche Auflösung erlaubt Aussagen zu Extremsituationen anhand des zugrunde liegenden 30-jährigen Bezugszeitraums und zum innerjährlichen Gang relevanter Wasserhaushaltsgrößen. Die fundiertere Physikalität der genutzten Modellansätze wie z. B. des Vegetationsmodells erhöht die Belastbarkeit der ableitbaren Modellaussagen und ist die Voraussetzung, das aufgebaute Modell unter Ansatz bisher nicht beobachteter Randbedingungen (Klimaänderungen) einzusetzen (Extrapolierbarkeit der Modellaussagen). Das erstellte Modell und die Ergebnisdatenbasis können künftig die Grundlage bilden für verschiedene Analysen sowohl für wasserwirtschaftliche Planungen im Bereich des Oberflächenwassers (Neubau und die Erweiterung von Anlagen zur Wasserspeicherung, Maßnahmen zur naturnahen Gewässerentwicklung) als auch für die Aufgaben des Grundwasserkatasters (einzugsgebietsbezogene Ermittlung des vorhandenen Grundwasserdargebotes, Grundwasseranhebung im Zusammenhang mit der überbetrieblichen Bewirtschaftung landwirtschaftlicher Wasserressourcen). Die fließgewässerbezogenen Ergebnisse wurden über eine landesweit einheitliche, regelbasierte Parametrisierung des Modells erhalten. Sie sind vor allem hinsichtlich der mittleren Abflussverhältnisse in meso-skaligen Einzugsgebieten (ab ca. 200 km 2 ) belastbar. Regionale und lokale Untersetzungen über Parameteroptimierungen waren aber aufgrund der Komplexität des erstellten Modells bisher nicht möglich, da schon eine einzige Simulation ca. 48 Stunden läuft. Es wurden deshalb umfangreiche Parametervariationen durchgeführt, die zeigten, welche Anpassungspotenziale bei lokalen Modellanwendungen gegeben sind, die bei einer landesweiten Modellierung nicht ausgeschöpft werden konnten.

10 10 Es bietet sich aufbauend auf dem landesweiten Modell an, wie in der Vergangenheit bei Bedarf regionale Untersetzungen vorzunehmen, beispielsweise zur Ermittlung von Hochwasserbemessungswerten in den Einzugsgebieten der Thyra, der Böse Sieben und der Milde/Biese/Uchte. In diesen kleineren Flußgebieten können dann durch die Nutzung von Parameteroptimierungen sehr effizient z. B. verbesserte Parameter zur Beschreibung der Gewässerretention gefunden werden, die dann wiederum in das landesweite Modell zurückgeführt werden und dieses so sukzessive weiter qualifizieren. Ebenso denkbar wäre eine Nutzung des Modells zur Erstellung regionaler Wasserbilanzen als Grundlage für wasserrechtliche Genehmigungen.