Simulation des Landschaftswasserhaushalts in Niedersachsen mit dem Modell mgrowa

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Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Simulation des Landschaftswasserhaushalts in Niedersachsen mit dem Modell mgrowa Frank Herrmann, Shaoning Chen, Ralf Kunkel, Frank

1 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Simulation des Landschaftswasserhaushalts in Niedersachsen mit dem Modell mgrowa Frank Herrmann, Shaoning Chen, Ralf Kunkel, Frank Wendland Forschungszentrum Jülich IBG-3 Agrospähre Jörg Elbracht, Nicole Engel, Lena Heidt, Udo Müller & Herbert Röhm Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie Hannover

2 Gliederung Das Wasserhaushaltsmodell mgrowa Modellkonzept Datengrundlagen Grundwasserneubildung im Bundesland Niedersachsen Evaluierung der Simulationsergebnisse Zusammenfassung Folie 4

mgrowa Modellkonzept mgrowa ist ein rasterbasiertes flächendifferenziertes Modell zur Bilanzierung: der

Direktabflusses (natürlicher Interflow und Drainageabfluss) sowie der Grundwasserneubildung über lange

Zeitliche Auflösung der Simulation: Bodenfeuchte und tatsächliche Evapotranspiration in Tagesschritten

3 mgrowa Modellkonzept mgrowa ist ein rasterbasiertes flächendifferenziertes Modell zur Bilanzierung: der Bodenfeuchteverteilung, der tatsächlichen Evapotranspiration und des Gesamtabflusses, des Direktabflusses (natürlicher Interflow und Drainageabfluss) sowie der Grundwasserneubildung über lange Zeiträume (hydrologische Perioden). Zeitliche Auflösung der Simulation: Bodenfeuchte und tatsächliche Evapotranspiration in Tagesschritten (BOWAB, Engel et al., 2013), Abflusskomponenten werden für einzelne Monate ausgegeben. Größe des Modellgebietes: Einzelzellen 100 * 100 m groß (1 ha) Modellgebiet Niedersachsen Folie 5

4 mgrowa Modellkonzept Folie 6

Für die 10958 Tage dieser Periode wird für jede Rasterzelle in Niedersachsen je ein Wert für Niederschlag und

5 Klimatische Datenbasis Niederschlag: DWD, CLINT Gras-Referenzevapotranspiration: DWD, CLINT Für die hydrologische Periode resultieren je Klimaelement 360 Raster mit Monatssummen. Für die Tage dieser Periode wird für jede Rasterzelle in Niedersachsen je ein Wert für Niederschlag und Gras-Referenzevapotranspiration auf Basis der Monatssumme in den Rastern und den Zeitreihen mit Tageswerten der gezeigten Stationen berechnet. Folie 7

6 Datenbasis Landnutzung: Digitales Landschaftsmodel von Niedersachsen (DLM 25) Versiegelungsgrad: DLM 25, CORINE 2006 Topographiefaktor: DGM 50 Bodenprofile und bodenphysikalische Parameter: BÜK 50 Folie 8

7 Datenbasis Staunässestufen: BÜK 50 Dränflächen: Abgeleitet nach Tetzlaff et al. (2008) Mittlerer Grundwasserflurabstand: Folie 9 BÜK 50, Drainagekarte Hydrogeologische Gesteinseinheiten: HÜK 200

8 mgrowa Modellkonzept Folie 10

standortspezifischer Parameter und standortspezifischer Funktionen: et0 kln f (, ) f ( s) BOWAB auf Standorten mit

9 mgrowa Modellkonzept Bilanzierung der Wassermengen für jede Zelle auf Basis der Wasserhaushaltsgleichung: p q et a in et a q t ( s ) 2 s1 Berechnung der tatsächlichen Verdunstung auf Basis der Penman-Monteith-Gleichung, standortspezifischer Parameter und standortspezifischer Funktionen: et0 kln f (, ) f ( s) BOWAB auf Standorten mit Vegetation versiegelt Standorte beliebig erweiterbar Die Funktion ist für verschiedene Standorttypen unterschiedlich definiert. Folie 11

10 Simulation des Bodenwasserhaushalts unter Vegetation in Tagesschritten (BOWAB, Engel et al., 2013) p q p,1 q p,2 q p,3 q p,4 q p,5 q cr et a,1 et a,2 et a,3 et a,4 p et q n1,1 n,1 a,1 p,1 q et q n1,2 n,2 p,1 a,2 p,2 q et q n1,3 n,3 p,2 a,3 p,3 q et q n1,4 n,4 p,3 a,4 p,4 et a,5 f (, ) et q et q n1,5 n,5 p,4 a,5 p,5 0 et a et a et a et a p p etmax S1( A1 et a 0 für 1 FK1 q p,1 1 FK1 sonst, 1 ), 2 etmax S2( ), 3 etmax S3( ), 4 etmax S4( ), 5 etmax S5( ) A 0 für 2 FK 2 FK sonst q p,2 2 tägliche Sickerwasserrate = Gesamtabfluss von dieser Zelle 2 A 0 für 3 FK 3 FK sonst q p,3 3 3 A 0 für 4 FK 4 FK sonst q p,4 4 4 A 0 für 5 FK 5 FK sonst q p, Automatisierte Gliederung aller Rasterzellen mit Vegetation in beliebig viele Schichten (derzeit 5 Schichten je 3 dm mächtig). - Automatisierte Parametrisierung der Modellschichten auf Basis kartierter Bodenprofile (Berechnung nfk, FK, LD, ) 1. Bestimmung von p und et 0 2. Bestimmung der kapillaren Aufstiegsrate in Abhängigkeit vom Bodenwassergehalt 3. Berechnung der tatsächlichen Verdunstung in Abhängigkeit von Bodenfeuchte und Ausschöpfungstiefe. 4. Berechnung der Sickerwasserraten zwischen den Schichten und aus der Wurzelzone (einfaches Überlaufmodell) 5. Neuberechnung des Wassergehaltes pro Schicht Folie 12

11 Simulationsergebnisse für einen Ackerstandort in der Lüneburger Heide im Jahr 2002 Folie 13

12 Simulationsergebnisse für einen Ackerstandort in der Lüneburger Heide im Jahr 2003 Folie 14

Zeitlicher Verlauf des Bodenfeuchtedefizits in Niedersachsen vom 01.11.2002 bis 31.10.

d sm pwp 100 100 fk pwp Bedeutung: Bei hohem Defizit sinkt die Wasser und Nährstoffaufnahme der Vegetation, es besteht ab 60 % Defizit

13 Zeitlicher Verlauf des Bodenfeuchtedefizits in Niedersachsen vom bis Das Bodenfeuchtedefizit ist die Wassermenge die benötigt wird, um den Wassergehalt in der Wurzelzone auf Feldkapazität zu bringen. d sm pwp fk pwp Bedeutung: Bei hohem Defizit sinkt die Wasser und Nährstoffaufnahme der Vegetation, es besteht ab 60 % Defizit Beregnungsbedarf! (entspricht 40 % nutzbare Feldkapazität im Wurzelraum) Eine signifikante Sickerwasserbewegung Richtung Grundwasser findet nur bei geringem oder keinem Defizit statt! Folie 15

14 Simulationsergebnisse: Evapotranspiration Folie 17

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