Diplomarbeit. Grundwasserneubildung im Einzugsgebiet der Prims bis Michelbach. eingereicht von Christian Krauser im September 2006

Transkript

1 Diplomarbeit Grundwasserneubildung im Einzugsgebiet der Prims bis Michelbach Zum Erlangen des akademischen Grades des Diplom-Umweltwissenschaftlers dem Fachbereich VI Geographie/Geowissenschaften der Universität Trier vorgelegt eingereicht von Christian Krauser im September 2006 Erstprüfer: Prof. Dr. Jean Frank Wagner, Fach Geologie der Universität Trier Zweitprüfer: Prof. Dr. Michael Vohland, Fach Fernerkundung der Universität Trier

2 Danksagung Gedankt sei Herrn Prof. Dr. Jean Frank Wagner für die Genehmigung des Themas sowie seine freundliche und stets anregende fachliche Betreuung. Besonderer Dank gilt zudem Herrn Prof. Dr. Michael. Vohland, der sich als Zweitprüfer zur Verfügung gestellt hat und mir besonders bei der Datenvorverarbeitung der Satellitendaten zur Seite stand. Außerdem möchte ich mich beim Saarländischen Landesamt für Umwelt- und Arbeitschutz (LUA) für die Bereitstellung von Daten und Literatur bedanken. Vor allem bedanke ich mich bei Herrn Thomas Walter, der sich unter teilweise großem Zeitaufwand die Mühe gemacht hat, die Datenblätter zur Weiterverarbeitung aufzubereiten.

3 I II III IV V Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Kartenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Untersuchungsraum Naturräumliche Lage Klima Geologie / Hydrogeologie Boden Grundwasserneubildung Berechnungsverfahren Grundwasserneubildung TUB-BGR-Verfahren zur Berechnung der mittleren jährlichen 29 Sickerwasserrate aus dem Boden Verfahrensprinzip Klimatologische Eingangsparameter Mittlerer korrigierter Niederschlag (nach RICHTER) FAO-Grasreferenzverdunstung Korrektur der FAO-Grasreferenzverdunstung Bodenkundliche Eingangsparameter Nutzbare Feldkapazität Effektive Durchwurzelungstiefe 38

4 Nutzbare Feldkapazität im effektiven Wurzelraum Mittlerer Grundwassertiefstand Direktabflussindex Eingangsparameter Hydraulische Leitfähigkeit Grundwasserstufe Staunässestufe Hangneigung Landnutzugsklassifizierung Datenbasis LANDSAT-System Thematic Mapper Datenaufbereitung Geometrische Korrektur Radiometrische Korrektur Klassifikation Berechnung der Grundwasserneubildung mittels GIS Klimadaten Datenbasis Datenaufbereitung Fehlwertanalyse Differenzen-Quotienten-Verfahren Räumliches Interpolationsverfahren Niederschlag Mittlere korrigierte jährliche Niederschlagshöhe 63

5 6.2.2 Mittlere korrigierte Niederschlagshöhe im Sommerhalbjahr Evapotranspiration Korrekturfaktoren der FAO-Grasreferenzverdunstung Jährliche korrigierte FAO-Grasreferenzverdunstung Korrigierte FAO-Grasreferenzverdunstung im Sommerhalbjahr Jährliche Sickerwasserrate aus dem Boden Berechnung Eingangsparameter Nutzbare Feldkapazität im effektiven Wurzelraum Kapillarer Aufstieg Pflanzenverfügbare Wassermenge im Sommerhalbjahr Grundwasserlage Berechnung Sickerwasserrate Direktabflussindex Direktabflussindex auf Festgesteinen Direktabflussindex auf Lockergesteinen Jährliche Grundwasserneubildung Niederschlagreiches Jahr 1994/ Niederschlagarmes Jahr 1995/ Zeitraum 1994 bis Fazit Literatur 96

6 II Abbildungsverzeichnis Abb. 1 Klimadiagramm 1, Langjährige Monatsmittelwerte 16 Abb. 2 Klimadiagramm 2, Jahreswerte Nov Okt Abb. 3 Einstufung in Durchlässigkeitsklassen (Vorschlag Frau Peters) 17 Abb. 4 Gliederungsvorschläge für das Unterdevon im Hunsrückraum (SCHNEIDER 1991) 19 Abb. 5 Gliederung des Unterrotliegenden nach Falke (SCHNEIDER 1991) 21 Abb. 6 Gliederung des Oberrotliegenden nach FALKE 1954 (SCHNEIDER 1991) 23 Abb. 7 kritische Wasserversorgung TUB-BGR-Verfahren (WESSOLEK et. al. 2004) 30 Abb. 8 Hellmann Niederschlagsmesser (HÄCKEL 1993) 33 Abb. 9 GOLF-Korrekturfaktor in Abhängigkeit von Hangneigung und Exposition (GOLF 1981) 36 Abb. 10 LANDSAT-TM (Quelle: 42 Abb. 11 Landsatszenen path196 / row25, 26, 27 im WRS 2 (Quellen: ) 43 Abb. 12 Scannvorgang beim Landsat-TM (GUPTA 1991) 44 Abb. 13 Georeferenzierung in ENVI 4.0, Landsat TM & TK 25 Blatt 6707 Hermeskeil 46 Abb. 14 Atmosphärische Effekte (RICHARTS 1993) 50 Abb. 15 Signatur Laubwald, vor (links) und nach (rechts) der Korrektur mit AtCProc 3.1 (dargestellt in ENVI 4.0; Kanalkombination: RBG: 543) 52 Abb. 16 ausgewählte Reflexionsspektren des verwendeten Datensatzes 54 Abb. 17 Schema Decision Tree 55

7 Abb. 18 Landnutzungsverteilung im Bearbeitungsgebiet 57 Abb. 19 Geostatistical Analyst (ArcGis 9.0) 62 Abb. 20 klimatische Bilanz 1994/95 bezogen auf das Bearbeitungsgebiet 86 Abb. 21 klimatische Bilanz 1995/96 bezogen auf das Bearbeitungsgebiet 88 Abb. 22 Abb. 23 Abb. 24 prozentualer Verteilung der GNB nach Landnutzung und Grundwasserlage Anteil von SWR und GNB am Niederschlag bezogen auf das Bearbeitungsgebiet Zeitreihenanalyse von Niederschlag, Sickerwasserrate, Grundwasserneubildungsrate III Tabellenverzeichnis Tab. 1 Einstufung in Durchlässigkeitsklassen (Vorschlag Frau Peters) 17 Tab. 2 Gliederung der Bodeneinheiten (nach SAAR-BIS) 25 Tab. 3 Tab. 4 Tab. 5 Berechnung des langjährigen Mittels des Niederschlagsmessfehlers am Beispiel der Station Neuglobsow (RICHTER 1995) Korrekturfaktoren zur Berechnung der realen Verdunstung für versiegelte Flächen (WESSOLEK, 1989) Einstufung der Grundwasserstände nach Bodenkundlicher Kartieranleitung (2005) Tab. 6 geometrische und radiometrische Auflösung von LANDSAT-Sensoren 44 Tab. 7 Lage und RMSE der Ground Control Points (GCP s) 48

8 Tab. 8 Höhenprofil der MLS - Sandartatmosphäre (RICHTER 1999, S.51) 51 Tab. 9 Variablen Decision Tree Classifier in ENVI Tab. 10 Bedingungen Decision Tree Classifier in ENVI Tab. 11 Klimastationen DWD 58 Tab. 12 Fehlwertanalyse Klimastationen vom DWD 59 Tab. 13 Stationskombination Differenzen-Quotienten-Verfahren 60 Tab.14 Tab.15 Reduktion der jährlichen Gras-Referenzverdunstung bei versiegelten Flächen Einstufung der gesättigten Wasserleitfähigkeit, der kapillaren Aufstiegsrate und der nutzbaren Feldkapazität im effektiven Wurzelraum Tab. 16 beispielhafte Definierung von nfkwe für die BÜK Tab. 17 beispielhafte Definierung von nfkwe für die BÜK Tab. 18 mittlerer kapillarer Aufstieg nach VKR 4.11 (AD-HOC-AG BODEN 2000) 74 Tab. 19 Bedingungen zur Ableitung von v kap 75 Tab. 20 Rastereingabeparameter zur Berechnung der SWR in ArcGIS 79 Tab. 21 Direktabflussindex für Festgesteine nach BOGENA et al. (2003) 81 Tab. 22 Tab. 23 Tab. 24 Tab. 25 gemittelte Rasterwerte des Bearbeitungsgebiets über den Zeitraum A/A u nach VKR 3.14 Tab der Methodendokumentation (AD-HOC-BODEN, 2000) A/A u nach VKR 3.14 Tab der Methodendokumentation (AD-HOC-BODEN, 2000) A/A u nach VKR 3.14 Tab der Methodendokumentation (AD-HOC-BODEN, 2000)

9 Tab. 26 Direktabflussindex für Lockergesteine in Abhängigkeit von Hangneigung und Grundwasserflurabstand 84 IV Kartenverzeichnis Karte 1 Üersicht Bearbeitungsgebiet 14 Karte 2 Geologie des Bearbeitungsgebiets 24 Karte 3 Böden des Bearbeitungsgebiets 25 Karte 4 mittlere jährliche korrigierte Niederschlagshöhe 64 Karte 5 mittlere korrigierte Niederschlagshöhe im Sommerhalbjahr 65 Karte 6 Digitales Höhenmodell 66 Karte 7 Hangneigung in Grad 67 Karte 8 Hangexposition in Grad 67 Karte 9 Reliefkorrekturfaktor 68 Karte 10 Jährliche korrigierte FAO-Grasreferenzverdunstung 69 Karte 11 Korrigierte FAO-Grasreferenzverdunstung im Sommerhalbjahr 70 Karte 12 nutzbare Feldkapazität im effektiven Wurzelraum 73 Karte 13 kapillarer Aufstieg in Abh. der klimatischen Wasserbilanz im Sommerhalbjahr 76 Karte 14 kapillarer Aufstieg im Sommerhalbjahr 76 Karte 15 pflanzenverfügbare Wassermenge 77 Karte 16 Grundwasserlage 78 Karte 17 Sickerwasserzonen 80 Karte 18 mittlere jährliche Sickerwasserhöhe aus dem Boden 80 Karte 19 Mittel der jährlichen Sickerwasserhöhe aus dem Boden 83

10 Karte 20 Direktabflussindex 85 Karte 21 mittlere jährliche Grundwasserneubildung 1994/95 87 Karte 22 mittlere jährliche Grundwasserneubildung 1995/96 89 Karte V Ae Ai ASCII Abkürzungsverzeichnis effusive Magmatite intrusive Magmatite American Standard Code for Information Interchange AtCPro 3.1 Atmospheric Correction Processing of optical Scanner Data b Angstrømkoeffizient 1 BGR d dg DHM DN ds DWD dz ET0 ET0 som Eta Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe Hangschutt Gedinneschiefer, "Bunte Schiefer" Digitales Höhenmodell Digital Numbers Taunusquarzit Deutscher Wetterdienst Hunsrückschiefer potentielle jährliche FAO-Gras-Referenzverdunstung potentielle FAO-Gras-Referenzverdunstung im Sommerhalbjahr tatsächliche Evapotranspirationshöhe

11 ET reell ETRS-1 f f H f K fv G GCP GNB GOF GPS GRP gwf gwn IDW IFOV KA KR KWB LUA MMS mu NASA Nd jahr Nd som reelle Evaporation Earth Resources Technology Satellite-1 fluviale Talfüllungen GOLF-Korrekturfaktor Küstenfaktor Faktor der versiegelungsbedingten ET0-Reduktion Versiegelungsgrad Ground Control Points Grundwasserneubildungsrate aus Niederschlag Geländeoberfläche Global Positioning System Grundwasserneubildung aus Niederschlag grundwasserfern grundwassernah Inverse Distance Weighting Instantaneous Field of View kapilllare Aufstiegsrate kapillare Aufstiegsrate klimatische Wasserbilanz Landesamt für Umwelt- und Arbeitsschutz Multi Specral Scanner Mittlerer Muschelkalk National Aeronautics and Space Administation mittlere jährliche korrigierte Niederschlagshöhe mittlere korrigierter Niederschlaghöhe im Sommerhalbjahr

12 NDVI Nd win nfk nfk We ÖWAV pf P korr RDi Rg RMSE ro ro2 ro3 ruk, (ru1) rul, (ru2) rut, (ru3) s SaarBIS sm so su SWR T t d Normalized Difference Vegetation Index mittlere korrigierte Niederschlagshöhe im Winterhalbjahr nutzbare Feldkapazität nutzbare Feldkapazität in effektiven Wurzelraum Ökologische Wasserversorgung Saar dekadischer Logarithmus der Wassersaugspannung bzw. des Matrixpotential im Boden Niederschlagshöhe nach Korrektur der systematischen Messfehler Direktabflussindex Gloalstrahlung Root Mean Square Error Oberrotliegendes Wadener Schichten Kreuznacher Schichten Kuseler Schichten Lebacher Schichten Tholeyer Schichten sphärische Albedo Saarländisches Bodeninformationssystem Mittlerer Bundsandstein Oberer Bundsandstein Unterer Bundsandstein mittlere jährliche Sickerwasserrate aus dem Boden abwärts gerichtete, streubedingte atmosphärische Gesamttransmission (direkt + diffus) aufwärts gerichtete, streubedingte direkte atmosphärische Transmission

13 TDRS T gas TL TM t s TUB USGS v kap VKR We WRRL WRS WV α λ Tracking and Data Relay Satellites gesamte absorptionsbedingte Gastransmission Lufttemperatur Thematic Mapper aufwärts gerichtete, streubedingte diffuse atmosphärische Transmission Technischen Uni Berlin United States Geological Survey kapillare Aufstieg aus dem Grundwasser bei grundwassernahen Standorten Verknüpfungsregeln der Methodendokumentation Bodenkunde effektive Durchwurzelungstiefe Wasserrahmenrichtlinien Worldwide Reference System pflanzenverfügbare Wassermenge im Sommerhalbjahr Hangexposition gegen Nord Wellenlänge ρ* Gesamtreflexion am Aufnahmesystem τ a optische Dicke υ Angstrømkoeffizient 2 φ <ρ> Hangneigung diffuse Reflexionsanteil der Objektumgebung