Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung

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1 Projektübergreifender Schlussbericht zum Verbundvorhaben Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree Gefördert vom Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie

2 Impressum Herausgeber: Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Projektträger des BMBF und des BMWA für Wassertechnologie und Entsorgung (PtWT+E) Postfach Karlsruhe Auftraggeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie Ministerium für Landwirtschaft, Umwelt und Raumordnung des Landes Brandenburg Redaktion: Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der RWTH Aachen Mies-van-der-Rohe-Str Aachen Verlag: Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft Postfach Karlsruhe ISBN Karlsruhe im Mai 2004 Die diesem Bericht zugrundeliegenden Vorhaben wurden mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung, des Sächsischen Landesamtes für Umwelt und Geologie und des Ministeriums für Landwirtschaft, Umwelt und Raumordnung des Landes Brandenburg gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

3 Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree Der Projektverbund wurde im Rahmen des BMBF-Förderschwerpunktes Braunkohlefolgelandschaften vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 3,026 Mio., vom Sächsischen Landesamt für Umwelt und Geologie mit 0,215 Mio. und vom Ministerium für Landwirtschaft, Umwelt und Raumordnung des Landes Brandenburg mit 0,215 Mio. finanziert. Koordination: Förderung: Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft, Leiter: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Köngeter Mies-van-der-Rohe-Straße 1, Aachen Tel: 0241/ , Fax: 0241/ Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Referat 623, Leiter: Dr. Jürgen Heidborn Postfach , Bonn Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Abteilung Wasser, Leiter: Herr Gräfe Postfach , Dresden Ministerium für Landwirtschaft, Umwelt und Raumordnung des Landes Brandenburg Abteilung Gewässerschutz, Leiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Hartmut Niesche Postfach , Potsdam Projektträger des BMBF: Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft, Projektträger des BMBF und des BMWA für Wassertechnologie und Entsorgung (PtWT+E) Leiter: Dr. h.c. P. Hemberle Projektbevollmächtigter: Dr. Karl-Peter Knobel Postfach 3640, Karlsruhe Tel: 07247/ , Fax: 07247/

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5 Vorwort Mit finanzieller Beteiligung des Freistaates Sachsen und des Landes Brandenburg ist von 1999 bis 2003 das BMBF-Forschungsvorhaben Untersuchungen der Gewässerbeschaffenheit der Spree als Projektverbund durchgeführt worden. Ziel des Vorhabens war es, ein aus einzelnen Modulen bestehendes Gewässergütemodell zu entwickeln und mit dem schon in die Praxis eingeführten Wassermengenmodell ArcGRM zu koppeln. Auf diese Weise wird erstmalig ein komplexes Langfristbewirtschaftungsmodell für Wassergüte und Wassermenge eines ganzen Flussgebietes erarbeitet und den Ländern Sachsen und Brandenburg als Instrument der Gewässerbewirtschaftung zur Verfügung gestellt. Wegen der vielfältigen, vor allem vom Braunkohlenbergbau herrührenden Wasserprobleme in der Spree und ihrem Einzugsgebiet umfasst der Projektverbund sechs Themenbereiche mit insgesamt zwölf Teilprojekten, die von acht Wissenschaftseinrichtungen und Unternehmen bearbeitet wurden. Das Vorhaben ist mit dem vorliegenden Bericht abgeschlossen. Es war ein wichtiges Anliegen der Mitglieder des Projektverbundes, frühzeitig die mit der Bewirtschaftung der Spree befassten Institutionen und Unternehmen in das Projekt einzubinden. Dazu ist aus Vertretern dieser Institutionen eine Projektgruppe gebildet worden, die im Rahmen von halbjährig stattfindenden Koordinationssitzungen über den jeweiligen Projektstand informiert und in die Abstimmung der weiteren Vorgehensweise einbezogen wurde. Der breiten Fachöffentlichkeit ist das Vorhaben durch eine im Februar 2002 stattfindende eineinhalbtägige Informationsveranstaltung an der BTU Cottbus vorgestellt worden. Neben dem hohen fachlichen Schwierigkeitsgrad war eine besondere Herausforderung dieses Projektverbundes am Ende ein gemeinsames Produkt, das Gewässergütemodell ArcGRM Spree, zu entwickeln. Dies hat von allen Projektbeteiligten einen Einsatz weit über die eigene Fachdisziplin hinaus erforderlich gemacht. An dieser Stelle möchte ich daher allen Projektbearbeitern und leitern danken, weil ihre enge Kooperation untereinander den Erfolg erst möglich gemacht hat. Ebenso gilt mein Dank den Vertretern der Projektgruppe, die durch ihre intensive Begleitung das Vorhaben sowohl bei der Datenbeschaffung als auch inhaltlich unterstützt haben. Der Projektträger des BMBF und BMWA für Wassertechnologie und Entsorgung (PtWT+E), das Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz- Gemeinschaft hat das Vorhaben über die gesamte Laufzeit mit konstruktiver Kritik begleitet. Auch dafür sei gedankt. Ich bin überzeugt, dass der Projektverbund ein zukunftsweisendes Werkzeug zur Unterstützung der Wasserbewirtschaftung geschaffen hat und dass das Modell seinen festen Platz bei der Lösung der Problemstellungen an der Spree finden wird. Jürgen Köngeter Koordinator des Projektverbundes

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7 BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree - V - Autorenverzeichnis nach Kapiteln 1 Einleitung (TP 3.1) Demny, G.; Köngeter, J. 2 Vorstellung des Gütemodells ArcGRM Spree (TP 6.2) Walther, J.; Redetzky, M.; Hentschel, M.; Kaden, S. 3 Diffuse Quellen, Punkteinleiter (TP 1) und Grundwasser (TP 6.1) 3.1 Gütemodul Diffuse Quellen (TP 1) Behrendt, H.; Zweynert, U. 3.2 Gütemodul Punkteinleitungen" (TP 1) Behrendt, H.; Zweynert, U. 3.3 Güteprozesse im Einzugsgebiet (TP 1) Behrendt, H.; Zweynert, U. 3.4 Gütemodul Grundwasser (TP 6.1) Brinschwitz, D.; Hilgert, T.; Mauder,S.; Mrozik,H. 4 Fließstrecke der oberen und mittleren Spree (TP 3.1) Schonlau, H.; Schlaeger, F. 5 Fließstrecke der unteren Spree (TP 2.1, TP 2.2, TP 3.1) 5.1 Untersuchungsobjekt Köhler, J. 5.2 Güteprozesse im Freiwasser der unteren Spree (TP 2.1) Hötzel, G.; Kleeberg, A.; Köhler, J.; Rother, A.; Nixdorf, B. 5.3 Güteprozesse in den Sedimenten (TP 2.1 und 2.2) Heidenreich, M; Hupfer, M.; Kleeberg, A.; Zak, D. 5.4 Fließstrecke der unteren Spree (TP3.1) Schonlau, H.; Schlaeger, F. 6 Spreewald (TP 4) Balla, D.; Gabriel, O.; Kalettka, T.; Lentzsch, P.; Quast, J.; Redetzky, M. 7 Talsperre Bautzen (TP 3.2, TP 3.3) Benndorf, J.; Petzoldt, T.; Siemens, K.; Wetzel, M. Autorenverzeichnis

8 - VI - BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree 8 Talsperre Quitzdorf (TP 3.1, TP 3.2) 8.1 Untersuchungsobjekt Benndorf, J.; Petzoldt, T.; Siemens, K.; Wetzel, M. 8.2 Hydrodynamik (TP 3.1) Rubbert, S.; Köngeter, J. 8.3 Gütemodul Talsperre Quitzdorf (TP 3.2) Benndorf, J.; Petzoldt, T.; Siemens, K.; Wetzel, M. 9 Talsperre Spremberg (TP 2.2, TP 3.1) 9.1 Untersuchungsobjekt Heidenreich, M.; Kleeberg, A.; Rubbert, S. 9.2 Stoffumsetzungen an der Sediment-Wasser-Kontaktzone und ihr Einfluss auf die Gewässergüte (TP 2.2) Heidenreich, M.; Kleeberg, A. 9.3 Hydrodynamik (TP 3.1) Rubbert, S.; Köngeter, J. 9.4 Gütemodul Talsperre Spremberg (TP 3.1) Rubbert, S.; Köngeter, J. 10 Tagebauseen (TP 5.1, 5.2, 5.3) 10.1 Untersuchungsobjekt Ehret, B.; Grünewald, U.; Mazur, K.; Rolland, W Hydrodynamik und Güteprozesse der Restseen (TP 5.1, 5.2, 5.3) Müller, M.; Werner, F., Nixdorf, B Gütemodul Speichersystem LOHSA II (TP 5.1) Ehret, B.; Grünewald, U.; Mazur, K.; Rolland, W Gütemodul Restsee Bärwalde (TP 5.3) Müller, M.; Werner, F. 11 Ergebnisse des ArcGRM Spree (TP 6.2) Walther, J.; Ehret, B.; Redetzky, M.; Kaden, S. 12 Zusammenfassung (TP 3.1) Demny, G.; Köngeter, J. Autorenverzeichnis

9 BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree - VII - Autorenverzeichnis nach Namen Balla, D. (TP 4)...Kap. 6 Behrendt, H. (TP 1)...Kap Benndorf, J. (TP 3.2)...Kap. 7, 8.1, 8.3 Brinschwitz, D. (TP 6.1)...Kap. 3.4 Demny, G. (TP 3.1)...Kap. 1, 12 Ehret, B. (TP 5.1, TP 6.2)...Kap. 10.1, 10.3, 11 Gabriel, O. (TP 4)...Kap. 6 Grünewald, U. (TP 5.1)...Kap. 10.1, 10.3 Heidenreich, M. (TP 2.2)...Kap. 5.3, 9.1, 9.2 Hentschel, M. (TP 6.2)...Kap. 2 Hilgert, T. (TP 6.1)...Kap Hötzel, G. (TP 2.1)...Kap. 5.2 Hupfer, M. (TP 2.1)...Kap. 5.3 Kaden, S. (TP 6.2)...Kap. 2, 11 Kalettka, T. (TP 4)...Kap. 6 Kleeberg, A. (TP 2.2)...Kap. 5.2, 5.3, 9.1, 9.2 Köhler, J. (TP 2.1)...Kap. 5.1, 5.2 Köngeter, J. (TP 3.1)...Kap. 1,12 Lentzsch, P. (TP 4)...Kap. 6 Mauder, S. (TP 6.1)...Kap. 3.4 Mazur, K. (TP 5.1)...Kap. 10.1, 10.3 Mrozik, H. (TP 6.1)...Kap Müller, M. (TP 5.3)...Kap. 10.2, 10.4 Nixdorf, B. (TP 2.2)...Kap. 5.2, 5.3, 9.1, 9.2, 10.2 Petzoldt, T. (TP 3.2)...Kap. 7, 8.1, 8.3 Quast, J. (TP 4)...Kap. 6 Redetzky, M. (TP 6.2, TP 4)...Kap. 2, 6, 11 Rolland, W. (TP 5.1)...Kap. 10.1, 10.3 Rother, A. (TP 2.1)...Kap. 5.2 Rubbert, S. (TP 3.1)...Kap. 8.2, 9.1, 9.3, 9.4 Autorenverzeichnis nach Namen

10 - VIII - BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree Schlaeger, F. (TP 3.1)... Kap. 4, 5.4 Schonlau, H. (TP 3.1)... Kap. 4, 5.4 Siemens, K. (TP 3.2)... Kap. 7, 8.1, 8.3 Walther, J. (TP 6.2)... Kap. 2, 11 Werner, F. (TP 5.3)... Kap. 10.2, 10.4 Wetzel, M. (TP 3.2)... Kap. 7, 8.1, 8.3 Zak, D. (TP 2.1)... Kap. 5.3 Zweynert, U. (TP 1)... Kap Autorenverzeichnis nach Namen

11 BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree - IX - Inhaltsverzeichnis Vorwort V Autorenverzeichnis nach Kapiteln... V Autorenverzeichnis nach Namen... VII Inhaltsverzeichnis...IX 1 Einleitung (TP 3.1) Aufgabenstellung und Zielsetzung Vorgehensweise Aufbau des Berichts Vorstellung des Gewässergütemodells für die Spree (TP 6.2) Abgrenzung des Untersuchungsgebietes Das Mengenmodell ArcGRM Entwicklungsgrundlage für das Gewässergütemodell Abflusssimulation für das Gewässergütemodell Prinzipielle Vorgehensweise Teileinzugsgebiete und Datengrundlage Konzept der Abflussseparierung Beleg der Aussagekraft und Grenzen des N-A-Modells Konzept des Gewässergütemodells Einbindung der Gütemodule Schaffung von Voraussetzungen für die Einbindung der Gütemodule Einbindung der Funktionseinheiten der Teilprojekte Erweiterung der Datenstruktur für die Gewässergüte Verwendung der Funktionseinheiten der Teilprojekte Ergebnisausgaben Diffuse Quellen, Punkteinleiter (TP 1) und Grundwasser (TP 6.1) Gütemodul Diffuse Quellen (TP 1) Untersuchungsobjekt Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Datengrundlage Ermittelte Güteprozesse Konzept der Modulerstellung Beleg der Aussagekraft und Grenzen des Moduls Gütemodul Punkteinleitungen" (TP 1) Untersuchungsobjekt Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Datengrundlage Ermittelte Güteprozesse Konzept der Modulerstellung...28 Inhaltsverzeichnis

12 - X - BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree Beleg der Aussagekraft und Grenzen des Moduls Güteprozesse im Einzugsgebiet (TP 1) Untersuchungsobjekt Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Datengrundlage Ermittelte Güteprozesse Konzept der Modulerstellung Beleg der Aussagekraft und Grenzen des Moduls Gütemodul Grundwasser (TP 6.1) Untersuchungsobjekt Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Datengrundlage Konzept der Modulerstellung Konzept der Modulerstellung Beleg der Aussagekraft und Grenzen des Moduls Fließstrecke der oberen und mittleren Spree (TP 3.1) Untersuchungsobjekt Güteprozesse in der oberen Spree (TP 3.1) Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Datengrundlage Relevante Güteprozesse und Modellansätze Gütemodul obere und mittlere Spree (TP 3.1) Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Konzept der Modulerstellung Beleg der Aussagekraft und Grenzen des Moduls Fließstrecke der unteren Spree (TP 2.1, TP 2.2, TP 3.1) Untersuchungsobjekt Güteprozesse im Freiwasser der unteren Spree (TP 2.1) Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Datengrundlage Relevante Güteprozesse und Modellansätze Güteprozesse in den Sedimenten (TP 2.1 und 2.2) Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Datengrundlage Relevante Güteprozesse und Modellansätze Fließstrecke der unteren Spree (TP3.1) Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Konzept der Modulerstellung Beleg der Aussagekraft und Grenzen des Moduls Spreewald (TP 4) Untersuchungsobjekt Güteprozesse im Spreewald (TP 4) Inhaltsverzeichnis

13 BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree - XI Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Datengrundlage Relevante Güteprozesse und Modellansätze Gütemodul Spreewald (TP 4) Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Konzept der Modulerstellung Beleg der Aussagekraft und Grenzen des Moduls Talsperre Bautzen (TP 3.2, TP 3.3) Untersuchungsobjekt Gütemodul Talsperre Bautzen (TP 3.2 und TP 3.3) Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Datengrundlage Konzept der Modulerstellung Ermittelte Güteprozesse Beleg der Aussagekraft und Grenzen des Moduls Talsperre Quitzdorf (TP 3.1, TP 3.2) Untersuchungsobjekt Hydrodynamik (TP 3.1) Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Datengrundlage Ergebnisse der Strömungsmodellierung Gütemodul Talsperre Quitzdorf (TP 3.2) Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Datengrundlage Konzept der Modulerstellung Ermittelte Güteprozesse Beleg der Aussagekraft und Grenzen des Moduls Talsperre Spremberg (TP 2.2, TP 3.1) Untersuchungsobjekt Stoffumsetzungen an der Sediment-Wasser-Kontaktzone und ihr Einfluss auf die Gewässergüte (TP 2.2) Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Datengrundlage Relevante Güteprozesse und Modellansätze Hydrodynamik (TP 3.1) Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Datengrundlage Ergebnisse der Strömungsmodellierung Gütemodul Talsperre Spremberg (TP 3.1) Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Datengrundlage Konzept der Modulerstellung Inhaltsverzeichnis

14 - XII - BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree Beleg der Aussagekraft und Grenzen des Moduls Tagebauseen (TP 5.1, 5.2, 5.3) Untersuchungsobjekt Hydrodynamik und Güteprozesse der Restseen (TP 5.1, 5.2, 5.3) Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Datengrundlage Strömungs- und Transportprozesse Güteprozesse Interdisziplinärer Lösungsansatz Gütemodul Speichersystem LOHSA II (TP 5.1) Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Konzept der Modulerstellung Beleg der Aussagekraft und Grenzen des Moduls Gütemodul Restsee Bärwalde (TP 5.3) Ziele und Verknüpfung mit anderen Teilprojekten Konzept der Modulerstellung Beleg der Aussagekraft und Grenzen des Moduls Ergebnisse des Gewässergütemodells (TP 6.2) Modelltestung Aussagen für den Istzustand Szenariountersuchungen Prognose der Beschaffenheitsentwicklung Zusammenfassung (TP 3.1) Literaturverzeichnis Anhang A: Simulierte Parameter Anhang B: Anschriften der Projektbeteiligten Inhaltsverzeichnis

15 BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree Einleitung (TP 3.1) 1.1 Aufgabenstellung und Zielsetzung Die gegenwärtigen hydrologischen Verhältnisse im Einzugsgebiet der Spree sind maßgeblich durch den Braunkohlenbergbau geprägt. Über lange Zeit wurde das Grundwasser weiträumig abgesenkt und das Sümpfungswasser in die Spree eingeleitet. Durch die abrupte Einstellung des größten Teils der Tagebaue im Jahr 1990 hat sich die Einleitung von Sümpfungswasser in die Spree massiv verringert. Seit Mitte der 90er Jahre wird zudem Wasser aus der Spree und ihren Nebenflüssen zur Flutung der Tagebaurestseen entnommen. Wegen des verhältnismäßig geringen natürlichen Wasserdargebots in einem der niederschlagsärmsten Gebiete Deutschlands wird dieser Prozess mehrere Jahrzehnte andauern. Die lang andauernde großflächige Grundwasserabsenkung hat zur Bildung von Oxidationsprodukten in den Abraumkippen geführt. Der Wiederanstieg des Grundwasserspiegels mit der Einstellung großer Teile der Tagebauaktivitäten führt zu einer Freisetzung der Verwitterungsprodukte. Bei Eintritt der Kippengrundwässer in die Tagebaurestseen kommt es zu einer starken Versauerung und damit einhergehend zu einer Gefährdung der Wasserqualität in den mit den Restseen verknüpften Gewässern. Umfangreiche Maßnahmen sind erforderlich, um den Gewässerschutz und die notwendigen Gewässernutzungen zu sichern. Dazu gehören u.a. der Schutz des Biosphärenreservats Spreewald und die Gewinnung von Uferfiltrat für die Trinkwasserversorgung Berlins. Wegen des geringen natürlichen Wasserdargebots, des hohen Versauerungspotenzials und der langen Dauer bis zur Wiederherstellung eines sich selbst regulierenden Wasserhaushalts ist eine langfristige Bewirtschaftung und detaillierte Steuerung des Wasserdargebots nach Menge und Güte für das Flussgebiet der Spree unerlässlich. Für die Bewirtschaftung der Wassermenge steht das Wassermengenmodell ArcGRM zur Verfügung. Es wird von den Ländern Sachsen und Brandenburg sowie von der LMBV bereits seit mehreren Jahren erfolgreich eingesetzt. Demgegenüber steht ein leistungsfähiges Modell für die Vorhersage der Wasserbeschaffenheit noch aus. Dieses Modell soll auf der vom Wassermengenmodell statistisch generierten Abflussbandbreite aufbauen und einen Prognosezeitraum von 35 Jahren abdecken können. Wegen der hohen Zahl der zu berechnenden Realisationen und des großen Zeitmaßstabes ist der Einsatz bereits existierender Programme für die Gütemodellierung nicht möglich. Vom Bundesministerium für Bildung und Forschung sowie den Ländern Sachsen und Brandenburg ist daher ein Projektverbund ins Leben gerufen worden, mit dem Ziel, ein speziell für die Langfristvorhersage geeignetes Modell zu entwickeln und mit dem schon in die Praxis eingeführten Wassermengenmodell ArcGRM zu koppeln. Auf diese Weise soll erstmalig in Deutschland ein komplexes Langfristbewirtschaftungsmodell für Wassergüte und Wassermenge eines ganzen Flussgebietes entstehen und den Ländern Sachsen und Brandenburg zur Verfügung gestellt werden. 1.2 Vorgehensweise Das Untersuchungsgebiet umfasst das Spreeeinzugsgebiet bis zum Pegel Große Tränke. Es beinhaltet das bergbaulich nicht direkt beeinflusste Gebiet des Oberlaufs der Spree bis Lieske/Uhyst, das direkt bergbaulich beeinflusste Gebiet von Lieske/Uhyst bis Lübben (Mittellauf) und den Unterlauf der Spree Einleitung (TP 3.1)

16 - 2 - BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree bis zu den Toren Berlins (Abb. 1.1). Das für dieses Gebiet bereits bestehende Mengenbewirtschaftungssystem ArcGRM wird im Rahmen des Projektverbundes um verschiedene Gütemodule erweitert, die der durchgehenden Berechnung der Gewässergüte in der Spree dienen. Zu modellierende Stoffe bzw. Stoffgruppen sind Phosphat, Nitrat, Messgrößen der organischen Wasserinhaltsstoffe, trinkwasserrelevante Schwermetalle und Aluminium sowie Temperatur und Sauerstoff und die bergbautypischen Güteparameter Eisen, Sulfat und ph-wert. Insgesamt werden 30 Simulationsgrößen im Modell berücksichtigt (siehe Anhang A). Abb. 1.1: Einzugsgebiet der Spree und Aufgabenverteilung der Teilprojekte Innerhalb des Projektverbundes sind die Forschungsaufgaben auf zwölf Teilprojekte verteilt worden. Die Teilprojekte sind so gegliedert, dass sie bausteinartig und regional geordnet ineinander greifen (Abb. 1.1). Für sie sind insgesamt acht Wissenschaftseinrichtungen und Unternehmen verantwortlich. Aus Tab. 1.1 können der Titel und die zuständige Institution des jeweiligen Teilprojektes entnommen werden. Die Koordination des Projektverbundes ist Bestandteil des Teilprojektes 3.1. Einleitung (TP 3.1)

17 BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree Tab. 1.1: Titel der Teilprojekte Teilprojekt Titel Projektpartner / Förderkennzeichen Projektleiter Stoffeinträge und -retentionen im Flusssystem der Spree - Istzustand und Prognose Stofftransport- und Stoffumsetzungsprozesse im Mittel- und Unterlauf der Spree: Istzustand und Prognose Stoffumsetzung in den Sedimenten der Spree und den durchflossenen Standgewässern unter den gegenwärtigen und zukünftigen Bedingungen IGB Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei, Berlin FKZ 02WB0010 IGB Berlin Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei, Berlin FKZ 02WB0011 BTU Cottbus, Lehrstuhl Gewässerschutz FKZ 02WB9972/7 Erforschung und Modellierung der Strömungs- RWTH Aachen, Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft und Stoffumsatzprozesse im Ober- und Mittellauf der Spree sowie der Talsperre Spremberg, FKZ 02WB9967/0 Koordination des Projektverbundes Erforschung der Stoffumsatzprozesse und Modelluntersuchungen zur Gewässergüte der Talsperren Bautzen und Quitzdorf Der Sedimenteinfluss auf die Wassergüte der Talsperre Bautzen bei stark wechselnden Wasserspiegelständen Stoffumsatz im Spreewald Stoffumsatz- und Stofftransportprozesse LOHSA II sowie in den umlagernden Grundwassersystemen und deren Auswirkung auf die Beschaffenheit der Vorfluter Kleine Spree und Spree Interne Stoffumsetzungen in Tagebauseen der Lausitz und ihr Einfluss auf die langfristige Entwicklung der Wasserbeschaffenheit in der mittleren Spree Aufbau eines gekoppelten Oberflächen-/ Grundwassermodells und seine Reduktion zu einem konzeptionellen Blockmodellsystem (Beispiel: Bärwalde) Prognose der Grundwassergüteentwicklung im Einzugsgebiet der Spree als Baustein der Spreebeschaffenheitsentwicklung Gewässergütemodell der Spree und der Oberflächengewässer im Spree-Einzugsgebiet TU Dresden, Institut für Hydrobiologie FKZ 02WB9968/2 TU Dresden, Institut für Hydrobiologie FKZ 02WB0125 ZALF e.v., Müncheberg, Institut für Landschaftswasserhaushalt FKZ 02WB9973/0 BTU Cottbus, Lehrstuhl für Hydrologie und Wasserwirtschaft FKZ 02WB9969/5 BTU Cottbus, Lehrstuhl Gewässerschutz FKZ 02WB9970/1 Dresdner Grundwasserforschungszentrum DGFZ e.v. FKZ 02WB9971/4 HGN Hydrogeologie GmbH, NL Torgau FKZ 02WB0020 WASY GmbH, NL Dresden FKZ 02WB9974/2 Dr. Horst Behrendt Dr. Jan Köhler Dr. rer. nat Andreas Kleeberg Prof. Dr.-Ing. Jürgen Köngeter Prof. Dr. Jürgen Benndorf Prof. Dr. Jürgen Benndorf Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Quast Prof. Dr. rer. nat habil. Uwe Grünewald Prof. Dr. rer. nat. Brigitte Nixdorf Dr. rer. nat. Florian Werner Dr. Dirk Brinschwitz Dr. rer. nat. Jörg Walther Einleitung (TP 3.1)

18 - 4 - BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree Der Projektverbund ist von Beginn an von einer Projektgruppe begleitet worden. Die Gruppe besteht aus Vertretern der mit der Bewirtschaftung der Spree befassten Landes- und Bundeseinrichtungen sowie aus Vertretern des Bergbaus. In halbjährigem Turnus wurden Koordinationssitzungen abgehalten, in denen der Projektverbund die Projektgruppe über den Fortgang der Arbeiten informiert hat und das weitere Vorgehen abgestimmt wurde. Eine Auflistung aller am Projekt beteiligten Personen und eine Adressliste findet sich im Anhang B des Berichts. Die im Projektverbund geleistete Forschungsarbeit umfasst die vier Untersuchungskomplexe Einzugsgebiet, Fließgewässer mit Spreewald, Talsperren und Tagebaurestseen. Im Einzugsgebiet werden die Stoffeinträge untersucht, in den Seen stehen die Stoffumsätze und im Gewässersystem zusätzlich der Stofftransport im Vordergrund. Jeder Untersuchungskomplex gliedert sich wiederum in verschiedene Untersuchungsobjekte auf (Tab. 1.2). Für jedes dieser Objekte wird ein numerisches Gütemodul erstellt und in das Gesamtmodell ArcGRM Spree integriert. Der Weg bis zum Einbau eines Moduls in das Gesamtmodell ArcGRM Spree beinhaltet fünf Arbeitsschwerpunkte: 1. Durchführung von Messungen der relevanten Größen, 2. Auswertung sowohl eigener Messungen als auch der Datenbestände der Länder hinsichtlich der Relevanz der Größen und Ermittlung der Zusammenhänge bei den Stoffumsatzprozessen, 3. Formulierung von mathematischen Beziehungen zur Beschreibung der relevanten Simulationsgrößen in Abhängigkeit untereinander und von der Wassermenge, 4. Programmierung eines Gütemoduls auf der Basis der Algorithmen für den jeweiligen Abschnitt der Spree und 5. Einbindung des Gütemoduls in das Gesamtmodell ArcGRM Spree. Innerhalb eines jeden der in Tab. 1.1 aufgeführten Teilprojekte werden ein oder mehrere Arbeitsschwerpunkte zu den Untersuchungsobjekten an der Spree bearbeitet. Die Zuordnung richtet sich dabei nach der regionalen und inhaltlichen Ausrichtung der Teilprojekte und ist in Tab. 1.2 dargestellt. Die Einbindung in das Mengenmodell ArcGRM und das Zusammenspiel aller Gütemodule verlangt eine hohe Effizienz der Einzelbausteine, also die Einhaltung möglichst geringer Rechenzeiten und Speicheranforderungen je Modul. Dazu sind innerhalb eines jeden Teilprojektes, das mit der Modulerstellung befasst ist, problemspezifische Lösungsstrategien zu entwickeln. Einleitung (TP 3.1)

19 BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree Tab. 1.2: Untersuchungsschwerpunkte der Teilprojekte Arbeitsschwerpunkt Untersuchungsobjekt Untersuchungskomplex Ermittlung Zusammenhänge Messungen Erstellung Algorithmen Erstellung Modul Einbindung Modul in ArcGRM Abflussbildung TP 6.2 TP 6.2 Einzugsgebiet Diffuse Quellen & Punkteinleitungen TP 1 TP 1 TP 1 TP 1 TP 6.2 Grundwasser - TP 6.1 TP 6.1 TP 6.1 TP 6.2 Fließgewässer und Spreewald Spree bis TS Spremberg Spree zwischen TS Spremberg und Spreewald Spreewald TP 3.1 TP 3.1 TP 3.1 TP 3.1 TP 6.2 TP 2.1 TP 2.1 TP 2.1 TP 2.2 TP 2.2 TP 2.2 TP 3.1 TP 6.2 TP 3.1 TP 4 TP 4 TP 4 TP 4 TP 6.2 Untere Spree bis Pegel Große Tränke TS Bautzen TP 2.1 TP 2.1 TP 2.2 TP 2.2 TP 2.1 TP 3.1 TP 6.2 TP 3.2 TP 3.2 TP 3.2 TP 3.3 TP 3.3 TP 3.3 TP 3.2 TP 6.2 Talsperren TS Quitzdorf TP 3.2 TP 3.2 TP 3.2 TP 3.1 TP 3.2 TP 6.2 TS Spremberg TP 2.2 TP 2.2 TP 2.2 TP 3.1 TP 3.1 TP 6.2 Restseen Speichersystem Lohsa II Bärwalde TP 5.1 TP 5.1 TP 5.1 TP 5.2 TP 5.2 TP 5.2 TP 5.1 TP 6.2 TP 5.3 TP 5.3 TP 5.3 TP 5.1 TP 5.1 TP 5.3 TP 6.2 Einleitung (TP 3.1)

20 - 6 - BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree 1.3 Aufbau des Berichts Die Gliederung des vorliegenden Berichts orientiert sich im Kern an den in Tab. 1.2 aufgeführten Untersuchungskomplexen mit ihren Untersuchungsobjekten. Vor die Vorstellung der Ergebnisse für die einzelnen Komplexe wird mit dem Kapitel 2 eine allgemeine Beschreibung der Funktionsweise des Gewässergütemodells ArcGRM Spree gestellt. Die Schwerpunkte liegen dabei auf der Erläuterung der Berechnung der Abflussbildung und des Konzepts zur Einbindung der Gütemodule in das bestehende Mengenmodell. In den Kapiteln 3 bis 10 werden die Arbeitsschritte von der Datenerhebung bis zur Modulerstellung und die erzielten Ergebnisse erläutert. Die Kapitel sind so gegliedert, dass die erforderlichen methodischen Schritte, aber auch die jeweilige Urheberschaft und die Einbettung der Arbeiten in den gesamten Projektverbund transparent wird. In Kapitel 11 wird das erzielte Gesamtergebnis vorgestellt: Anhand der Simulation des Ist-Zustandes und ausgesuchter zukünftiger Szenarien mit dem um die Gütemodule erweiterten ArcGRM Spree werden Aussagen zur Praxis- und Prognosetauglichkeit des Werkzeugs gemacht. Der Bericht schließt mit einer Zusammenfassung der erreichten Ergebnisse und mit Empfehlungen für mögliche Weiterentwicklungen des Werkzeugs. Für die Inhalte der einzelnen Kapitel sind die jeweiligen Autoren verantwortlich. Einleitung (TP 3.1)

21 BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree Vorstellung des Gewässergütemodells für die Spree (TP 6.2) 2.1 Abgrenzung des Untersuchungsgebietes Das Untersuchungsgebiet ist identisch mit dem oberirdischen Einzugsgebiet der Spree bis zum Pegel Große Tränke, der sich ca. 25 Fluss-km oberhalb der südöstlichen Stadtgrenze von Berlin befindet (Abb. 1.1). Es umfasst eine Fläche von 6280 km 2. Der Hauptteil des Untersuchungsgebietes liegt in den Bundesländern Brandenburg und Sachsen. Im Süden reicht das Untersuchungsgebiet bis auf das Staatsgebiet der Tschechischen Republik. Im Osten grenzt das Untersuchungsgebiet an die Einzugsgebiete von Oder und Neiße, im Süden und Westen an das Einzugsgebiet der Elbe mit ihrem Nebenfluss Schwarze Elster und im Nordwesten an das Einzugsgebiet der Dahme, einem Nebenfluss der Spree. 2.2 Das Mengenmodell ArcGRM Entwicklungsgrundlage für das Gewässergütemodell Entwicklungsgrundlage für das Gewässergütemodell ist das Modellsystem ArcGRM, das in den Ländern Sachsen, Brandenburg und Berlin sowie bei der LMBV bereits seit Jahren erfolgreich als einheitliches Instrument bei der Lösung von Mengenbewirtschaftungsproblemen in den Flussgebieten von Spree und Schwarzer Elster (ArcGRM Spree Schwarze Elster ) eingesetzt wird (KADEN & REDETZKY, 1999). Im ArcGRM werden die für die Bewirtschaftung der Oberflächenwasserressourcen in einem Flussgebiet relevanten Prozesse des anthropogen beeinflussten Wasserkreislaufs abgebildet (Abb. 2.1). Abb. 2.1: In ArcGRM berücksichtigte Elemente und Prozesse des anthropogen beeinflussten Wasserkreislaufs Der Grundform des Bewirtschaftungsmodells ArcGRM für ein Flussgebiet liegt ganz allgemein eine dreigliedrige Methodik zugrunde (Abb. 2.2): Vorstellung des Gewässergütemodells für die Spree (TP 6.2)

22 - 8 - BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree eine stochastische Monte-Carlo-Simulation der Systeminputs (Niederschläge, Abflüsse u.a.), eine deterministische Nachbildung der Wassernutzungen im Flussgebiet, eine statistische Analyse von registrierten Systemzuständen (Speicherfüllungen, Abflüsse an bestimmten Gewässerprofilen, Defizite bei der Wasserbereitstellung u.ä.) als Grundlage einer Bewertung der jeweils untersuchten Bewirtschaftungsvariante (Häufigkeitsverteilungen von Zustandsgrößen als Näherungen der gesuchten Wahrscheinlichkeitsverteilungen, Häufigkeiten der Unter- oder Überschreitung von Grenzwerten, Mittelwerte, Extrema u.a.). Diese im ArcGRM angewendete Methodik der Langfristbewirtschaftung stellt damit eine vielfach wiederholte Bilanzierung des durch Monte-Carlo-Techniken simulierten Wasserdargebots und des deterministisch bestimmten Wasserbedarfs an einer Reihe von Bilanzprofilen dar, verbunden mit einem Merken der dabei eingetretenen Systemzustände. Je öfter diese Bilanzierungen ausgeführt werden, umso sicherer (statistisch gesehen) werden die Ergebnisse. Abb. 2.2: Methodik des Bewirtschaftungsmodells ArcGRM Das ArcGRM ist durch eine dreistufige Zeitstruktur gekennzeichnet: Die erste Zeiteinheit ist der Monat. Alle Inputgrößen sind in dieser zeitdiskreten Struktur als Mittelwerte bereitzustellen, ebenso fallen alle Ergebnisse auf Monatsbasis an. Die zweite Zeiteinheit ist in der Regel die Periode, die mehrere Jahre umfasst (oft Fünfjahrperioden). Von Periode zu Periode dürfen der Wasserbedarf der Wassernutzer, Speicherbetriebsräume oder die Speicherabgabefunktionen variieren. Konstant müssen dagegen die Systemstruktur, die Teilgebiete für die Dargebotssimulation sowie die Lage der Nutzer und der Speicher bleiben. Die Registrierung erfolgt getrennt für jede definierte Periode, so dass eine periodenbezogene Einschätzung der Zuverlässigkeit der Wasserbereitstellung im untersuchten Gebiet gewährleistet ist. Die dritte Zeiteinheit ist der Prognose- oder Untersuchungszeitraum (meist 25 bis 50 Jahre, im Gewässergütemodell 35 Jahre). Vorstellung des Gewässergütemodells für die Spree (TP 6.2)

23 BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree Abb. 2.3: Ausschnitt aus der Systemskizze des ArcGRM Spree - Schwarze Elster Zur lagegerechten Einbeziehung von wasserwirtschaftlichen Objekten wird unter der grafischen Benutzeroberfläche des ArcGRM eine schematische Darstellung des Gewässernetzes, die so genannte Systemskizze (Abb. 2.3), erstellt, in der die berücksichtigten Fließgewässer, Teileinzugsgebiete, Bilanzprofile, Wassernutzer und Speicher enthalten sind. Die Systemstruktur des ArcGRM geht von einer Unterteilung des Gesamtgebietes in so genannte Simulationsteilgebiete aus, denen Reihen simulierter Abflüsse zugeordnet werden, teilt diese Abflüsse auf die Bilanzprofile auf, gründet sich auf eine lage- und größengerechte Berücksichtigung der Wassernutzungen in Form von Nutzern, die das benötigte Wasser an den Bilanzprofilen entnehmen und zurückleiten, basiert auf einer Einbeziehung von Speichern durch Angaben zu ihrer Lage, ihrer Betriebsraumgröße und zu ihrer Regulierung, kann spezielle Regelungen zu Wassernutzungen (z.b. abflussabhängige Überleitungen), zur Speicherbewirtschaftung (z.b. füllungsabhängige Verdunstung) oder zur Registrierung mit Hilfe der dynamischen Elemente berücksichtigen (Einfügen spezieller Algorithmen über Fortran- Routinen). Vorstellung des Gewässergütemodells für die Spree (TP 6.2)

24 BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree Im ArcGRM wird allen Nutzern, Speicherabgaben und dynamischen Elementen eine Rangzahl zugewiesen. Sie gestattet zum einen die Einordnung jedes Nutzers in das Gesamtsystem aller Nutzer entsprechend seiner Bedeutung (Rangordnung). Zum anderen lässt sich dadurch die Verfügbarkeit der Speicherabgaben für die einzelnen Nutzer verändern, so dass z.b. bedeutsame Nutzungen in Trockenzeiten noch durch Abgaben bevorteilt werden, während andere bereits abgeschaltet oder reduziert werden müssen. Durch die rangzahlenbehafteten dynamischen Elemente können spezielle Bewirtschaftungsregelungen präzise in den Ablauf der Standardalgorithmen eingeklinkt werden. 2.3 Abflusssimulation für das Gewässergütemodell Prinzipielle Vorgehensweise Gemäß Abb. 2.2 kann die Abflusssimulation prinzipiell entweder als direkte stochastische Simulation auf der Basis langer, anthropogen nicht oder wenig gestörter Zeitreihen oder auf der Basis von bereinigten Zeitreihen mittels mehrdimensionaler Autoregressionsmodelle oder als indirekte Simulation mit Hilfe von Niederschlag-Abfluss-Modellen und vorgeschalteter stochastischer Simulation meteorologischer Prozesse wie Niederschlag und potenzielle Verdunstung erfolgen. Ausschlaggebend dafür, dass zur Abflusssimulation für das Gewässergütemodell flächendeckend die indirekte Simulation zur Anwendung kam, waren folgende Gründe: Auf Grund unzureichender Pegelbeobachtungen sowie unzureichender Daten für eine Bereinigung gemessener Abflüsse von Nutzungseinflüssen kann die Abflusssimulation im Niederlausitzer Bergbaugebiet nicht direkt erfolgen, Wurden bislang für die Mengenbilanzierung im ArcGRM lediglich Zeitreihen des Gesamtabflusses bereitgestellt, werden für die Quantifizierung der diffusen Stoffeinträge auch einzelne Abflusskomponenten benötigt. Diese können durch eine direkte Simulation nicht bereitgestellt werden. Die Generierung der Zeitreihen des Niederschlags und der potenziellen Verdunstung sowie von weiteren im Gewässergütemodell verwendeten meteorologischen Größen, wie Lufttemperatur, Globalstrahlung, Windgeschwindigkeit, Bewölkung und Luftfeuchte, erfolgte mit dem Simulationsmodell SESIM des ArcGRM Spree Schwarze Elster. Die Berechnung der Abflussreihen erfolgte im Anschluss an die stochastische Simulation mit dem SESIM-Baustein EGMO-D (GLOS, 1984), einem einfachen Niederschlag-Abfluss-Modell (N-A-Modell). Alle generierten Zeitreihen wurden in externen Dateien abgelegt, auf die über die Benutzeroberfläche des Gewässergütemodells zugegriffen werden kann Teileinzugsgebiete und Datengrundlage Bevor mit dem N-A-Modell EGMO-D die für das Gewässergütemodell benötigten Abflussreihen generiert werden konnten, waren folgende Arbeitsschritte notwendig: Vorstellung des Gewässergütemodells für die Spree (TP 6.2)

25 BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree Abstimmung der Teileinzugsgebiete des N-A-Modells. Flächendeckende Bereitstellung der Datengrundlage für die Modellanwendung. Inhaltliche Erweiterung des N-A-Modells. Testung des inhaltlich erweiterten N-A-Modells. Zur Festlegung der Simulationsteilgebiete (STG) des N-A-Modells erfolgte eine Abstimmung mit den Teilprojekten 1, 4 und 6.1, deren Aufgabe u.a. die Bilanzierung der diffusen Stoffeinträge in die Spree und ihre Nebengewässer war. Grundkonsens bei dieser Abstimmung war, bei der Überprüfung und Neufestsetzung von STG möglichst auf die amtlichen oberirdischen Einzugsgebietsgrenzen der beteiligten Länder Brandenburg und Sachsen zurückzugreifen. In begründeten Fällen, z.b. im brandenburgischen Teil des Niederlausitzer Bergbaugebietes, wurden anstelle der amtlichen Einzugsgebietsgrenzen aktuellere Datengrundlagen verwendet. Abb. 2.4 zeigt die mit den TP 1, TP 4 und TP 6.1 abgestimmten Grenzen der STG des N-A-Modells. Abb. 2.4: Simulationsteilgebiete für die Abflusssimulation im Gewässergütemodell Vorstellung des Gewässergütemodells für die Spree (TP 6.2)

26 BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree Für das inhaltlich erweiterte N-A-Modell (Kap ) wurden für jedes STG die Flächenanteile von fünf hydrografischen Klassen benötigt. Tab. 2.1 gibt Auskunft über die Datengrundlage für die Bestimmung dieser Flächenanteile. Tab. 2.1: Datengrundlage für die Bestimmung der Flächenanteile der fünf hydrografischen Klassen im inhaltlich erweiterten N-A-Modell EGMO-D Hydrografische Klasse Symbol Beschreibung AN AW Grundwassernahe Flächen (Flächen mit Flurabstand < 1 m) Wasserflächen Datengrundlage AV Versiegelte Flächen CORINE Land Cover AR AF Dränierte Flächen Grundwasserferne Flächen Lockergesteinsbereich: Karte der GW-Gleichen der BGR im Maßstab 1: und DGM der Geodatenbasis 1 Festgesteinsbereich: Karte der Böden im Freistaat Sachsen im Maßstab 1: CORINE Land Cover, Fließgewässer-Cover der Geodatenbasis 1 Mittelmaßstäbige Landwirtschaftliche Standortkartierung (Erfassungsmaßstab 1:25.000), Wichtungsfaktoren von BEHRENDT u.a. (1999) AF = Ages. - (AN + AW + AV + AR) unter Berücksichtigung von Überschneidungen der anderen Flächenanteile 1 Gemeinsame Geodatenbasis des Projektverbundes auf der Basis von ArcIMS Die in Tab. 2.1 aufgeführte Datengrundlage ermöglichte eine flächendeckende, methodisch einheitliche Bestimmung der für EGMO-D benötigten Flächenanteile. Um zusätzlich für das Bergbaugebiet die hydrologisch abflussunwirksamen Flächen zu bestimmen, wurde auf die Prognose von LMBV und LAUBAG zur Entwicklung des bergbaubedingten Grundwasserabsenkungstrichters zurückgegriffen, die im 5-Jahres-Abstand (2000, 2005, 2010 usw.) vorlag Konzept der Abflussseparierung In dem von GLOS (1984) konzipierten N-A-Modell EGMO-D werden 3 hydrografische Klassen unterschieden, für die jeweils unterschiedliche hydrologische Teilmodelle zur Anwendung kommen: Grundwasserferne Flächen, grundwassernahe Flächen und Wasserflächen. Die vertikale Gliederung orientiert sich an der in der Hydrologie üblichen Unterscheidung der Abflusskomponenten Direktabfluss, hypodermischer Abfluss (schneller Basisabfluss) und (langsamer) Basisabfluss. Unterirdische Abflüsse in oder aus Fremdgebieten oder Gebiete ohne Oberflächenabfluss werden im Modell über Korrekturfaktoren berücksichtigt. Vorstellung des Gewässergütemodells für die Spree (TP 6.2)

27 BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree Für die Modellierung der diffusen Stoffeinträge mit dem von TP 1 eingesetzten Modellsystems MONERIS (vgl. Abb. 3.2) war die Unterscheidung in nur 3 hydrografische Klassen nicht ausreichend. Deshalb wurde die horizontale Gliederung des N-A-Modells EGMO-D um versiegelte Flächen und dränierte Flächen erweitert. Für diese beiden Klassen wurden geeignete hydrologische Teilmodelle konzipiert und in das N-A-Modell EGMO-D integriert. Abb. 2.5 zeigt die Horizontal- und Vertikalgliederung des inhaltlich erweiterten N-A-Modells. Abb. 2.5: Modellstruktur des inhaltlich erweiterten N-A-Modells EGMO-D Beleg der Aussagekraft und Grenzen des N-A-Modells Voraussetzung für die Anwendung des inhaltlich erweiterten N-A-Modells EGMO-D zur Generierung von monatlichen Abflussreihen war die Bereitstellung von insgesamt 11 Modellparametern für jedes STG. Zunächst wurden die Modellparameter in vier Referenzgebieten über eine Optimierung ermittelt, wobei sich die dabei verwendeten Kriterien sowohl auf den Gesamtabfluss als auch auf die Hauptabflusskomponenten (Abb. 2.5) bezogen. Danach erfolgte die Modelltestung. Schließlich wurden die für die Referenzgebiete ermittelten Parametersätze unter Beachtung hydrologischer Ähnlichkeiten auf die restlichen STG übertragen. Bei den Referenzgebieten handelte es sich um die Einzugsgebiete der Pegel Bautzen Weite Bleiche/Spree, Jänkendorf/Schwarzer Schöps, Stradow/Vetschauer Mühlenfließ und Märkisch Buch- Vorstellung des Gewässergütemodells für die Spree (TP 6.2)

28 BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree holz/dahme. Drei der vier Referenzgebiete sind gleichzeitig STG. Das Einzugsgebiet des Pegels Märkisch Buchholz/Dahme grenzt unmittelbar an das Untersuchungsgebiet an. Maßgebend für die Auswahl der Pegel war die Verfügbarkeit von langjährigen Abflussbeobachtungen, wobei die Abflüsse weitgehend anthropogen unbeeinflusst sein mussten. Mit der Simulation der diffusen Stoffeinträge im Gewässergütemodell erhöhen sich zwangsläufig die Anforderungen an die N-A-Modellierung (Kap ). Dabei stellt sich die Frage, ob mit dem N-A- Modell die Aufteilung des Gesamtabflusses auf einzelne Abflusskomponenten mit unterschiedlichen Herkunftsräumen und damit mit unterschiedlichen Stoffbelastungen richtig wiedergegeben wird. Da eine messtechnische Erfassung unterschiedlicher Abflusskomponenten mit vertretbarem Aufwand praktisch nicht möglich ist, musste als Referenz für das N-A-Modell auf eine rechnerische Methodik zur Ganglinienseparation zurückgegriffen werden. Gewählt wurde als Referenzmethodik das Verfahren DIFGA (SCHWARZE et al., 1991), das die kontinuierliche Ganglinienseparation von mehrjährigen Abflussreihen mit der Wasserbilanz des betrachteten Einzugsgebietes koppelt. Dieses Verfahren beruht auf der Annahme, dass sich der Abfluss im Gewässer unter Nutzung des Einzellinearspeicherkonzeptes durch die Parallelschaltung von mehreren Speichern beschreiben lässt. Für alle o.g. vier Referenzpegel wurde eine kontinuierliche Separation der Abflussganglinie vorgenommen, die monatlichen Anteile der drei Abflusskomponenten Direktabfluss, schneller und langsamer Basisabfluss bestimmt und mit den Simulationsergebnissen des N-A-Modells EGMO-D verglichen. Der mittlere relative Fehler zwischen den beobachteten und mit EGMO-D simulierten monatlichen Abflüssen lag dabei in der Regel unter 30 %. Eine echte Modelltestung erfolgte, indem mit dem für den Pegel Bautzen Weite Bleiche abgeleiteten EGMO-D-Parametersatz für das Nachbareinzugsgebiet des Pegels Gröditz/Löbauer Wasser, für den ebenfalls eine Ganglinienanalyse durchgeführt, aber kein eigener Parametersatz ermittelt wurde, der Gesamtabfluss und die einzelnen Abflusskomponenten berechnet und mit den Ergebnissen der Ganglinienanalyse verglichen wurden (Tab. 2.2). Tab. 2.2: Vergleich von langjährigen Mittelwerten (Bezugszeitraum 1971 bis 1988) des Gesamtabflusses und von Abflusskomponenten am Pegel Gröditz/Löbauer Wasser Gesamtabfluss Direktabfluss m 3 /s % Schneller Basisabfluss Langsamer Basisabfluss Beobachtung / DIFGA 1, N-A-Modell EGMO-D 1, Tab. 2.2 zeigt, dass die langjährigen Mittelwerte des am Pegel Gröditz beobachteten Gesamtabflusses und der Abflusskomponenten, die mit der Ganglinienanalyse (DIFGA) ermittelt wurden, durch das N- A-Modell sehr gut wiedergegeben werden. Die relativen Fehler liegen sowohl für den Gesamtabfluss als auch für die einzelnen Abflusskomponenten deutlich unter 10 %. Höhere Fehler, insbesondere beim Direktabfluss, treten beim Vergleich von mittleren Monatswerten auf (Abb. 2.6). Trotzdem können die mit dem N-A-Modell simulierten Jahresgänge angesichts der Tatsache, dass EGMO-D ein Vorstellung des Gewässergütemodells für die Spree (TP 6.2)

29 BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree einfaches, konzeptionelles N A-Modell ist und das Referenzverfahren, die Ganglinienanalyse, natürlich auch eine gewisse Modellunsicherheit hat, durchaus befriedigen. Abb. 2.6: Vergleich von mittleren Monatswerten (1971 bis 1988) des Gesamtabflusses und von Abflusskomponenten am Pegel Gröditz/Löbauer Wasser Die größten Abweichungen ergeben sich, wenn aktuelle Monatswerte miteinander verglichen werden. Für den Pegel Gröditz beträgt der mittlere relative Fehler zwischen den beobachteten und mit EGMO-D simulierten monatlichen Abflüssen 29 %. Die mittleren relativen Fehler zwischen den Monatswerten der Abflusskomponenten betragen 57 % für den Direktabfluss, 54 % für den schnellen Basisabfluss und 26 % für den langsamen Basisabfluss. Prinzipiell muss davon ausgegangen werden, dass Modellfehler bei der Abflusssimulation in den o.g. Größenordnungen als eine Unsicherheit bei Simulationsrechnungen mit dem Gewässergütemodell akzeptiert werden müssen. 2.4 Konzept des Gewässergütemodells Das Mengenmodell ArcGRM Spree - Schwarze Elster beruht auf einer rangzahlbehafteten Bilanzierung der Nutzer- und Speicherelemente (Kap. 2.2). Die den Modellelementen vorgegebenen Prioritäten (Rangzahlen) richten sich nicht (nur) nach ihrer Lage am Gewässer in Fließrichtung, sondern (auch) nach ihrer durch die entscheidenden Länderbehörden vorgenommenen Wichtung. Demgegen- Vorstellung des Gewässergütemodells für die Spree (TP 6.2)

30 BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree über sind die Gütemodelle prinzipiell entsprechend ihrer Lage im Gewässersystem in das Gesamtmodell integriert. Dem Mengenmodell ist also das Gütemodell nachgeschaltet, hier werden alle die Gewässergüte betreffenden Einheiten je Zeitschritt lagegerecht in Fließrichtung abgearbeitet. Das Gütemodell stellt somit ein beobachtendes Modell dar, d.h. die simulierten Ergebnisse der Gewässergüte gehen in der gegenwärtigen Fassung des Gesamtmodells nicht als Randbedingungen in das Mengenmodell ein (Abb. 2.7). Durch eine zukünftige inhaltliche Erweiterung des Gewässergütemodells um die Berücksichtigung von Rückkopplungen zwischen Wassergüte und Wassermenge ist diese Art der Modellanwendung grundsätzlich veränderbar, so dass dann eine güteabhängige Wassermengenbewirtschaftung erfolgen kann. Dazu werden jedoch konkrete Vorgaben aus der Praxis benötigt. Mengenmodell Natürliche, unbewirtschaftete Abflüsse an Bilanzprofilen Bewirtschaftung Bewirtschaftete Abflüsse an Bilanzprofilen Registrierung von Ergebnissen Stoffeinträge, Resuspension Gütemodelle Transport, Abbau, Sedimentation Gütezustände an Profilen Registrierung von Ergebnissen Abb. 2.7: Berechnung der Gewässergüte nach der Wassermenge Datengrundlage für das Gewässergütemodell für die Spree ist die zwischen den Ländern Sachsen, Brandenburg und Berlin abgestimmte Variante des ArcGRM Spree - Schwarze Elster mit Stand Ende Dieses Modell, das seit Anfang der 90er Jahre aufgebaut und vervollkommnet wird, deckt den Zeitraum , unterteilt in 7 Perioden a 5 Jahren ab. Damit ist die im stark bergbaubeeinflussten Gebiet vorhandene Abflussdynamik gut abbildbar. Weiterhin gehen in dieses dynamische Mengenmodell ebenso prognostizierte Nutzungen sowie die geplante Bewirtschaftung der Bergbauspeicher Lohsa II und Bärwalde ein. Vorstellung des Gewässergütemodells für die Spree (TP 6.2)

31 BMBF-Projektverbund Untersuchungen zur Gewässerbeschaffenheitsentwicklung der Spree Einbindung der Gütemodule Schaffung von Voraussetzungen für die Einbindung der Gütemodule Um die durch die Projektpartner entwickelten Gütebausteine einbinden zu können, wurde das ArcGRM in seiner Funktionalität erweitert durch Neuprogrammierung und Erstellung des Simulationsprogramms, Erstellung einer Schnittstelle für DLL-Funktionen zur Integration von Teilmodellen, Schaffung weiterer Funktionseinheiten für die Formulierung und Integration von Modellen: FORTRAN-Module, Parameterdateien, erweiterte Attributierung der Modellobjekte, Maßeinheiten. Das Gütemodell Spree stellt das Rahmenmodell für alle beteiligten Gütebausteine dar. Damit verbunden sind: Organisation von Projekten und Varianten, Bereitstellung von Benutzeroberflächen für die möglichen Erweiterungen des Mengenmodells um Gütefunktionen, für die Vorbereitung der Ergebnisausgaben sowie für die Steuerung der Simulationsrechnung, Datenhaltung des um die Wassergüte erweiterten Mengenmodells, Erweiterung der (Standard-)Datenbasis um Gütedaten und Maßeinheiten, Unterstützung des Rahmenprogramms für die modellspezifische Integration von Funktionen in Laufzeitbibliotheken (DLL), für die Datenerweiterungen von Struktur- und Modellelementen sowie für die Reporterstellung. Zum Umfang des entstandenen Gewässergütemodells seien nachfolgend einige Eckzahlen mitgeteilt: Das Mengenmodell umfasst insgesamt 187 Bilanzprofile, davon werden für 36 Profile auch Gütekenngrößen simuliert. Zusätzlich werden Gütekenngrößen auch für 10 interne Bilanzprofile innerhalb des Spreewald(modells), die keine Bilanzprofile des Mengenmodells sind, simuliert. Alle simulierten Gütekenngrößen können vom Modellanwender über eine entsprechende Registrierung einer Auswertung zugänglich gemacht werden. Mit dem Simulationsmodell SESIM und seinem Baustein EGMO-D wurden dem Gewässergütemodell insgesamt 300 externe Dateien mit langen Zeitreihen von Abflüssen, Abflusskomponenten und sonstigen meteorologischen Größen zur Verfügung gestellt. Das Gewässergütemodell beinhaltet 400 Wassernutzer (Einleiter, Entnahmen, Mindestabflüsse, modellinterne fiktive Nutzer). Davon werden im Gewässergütemodell 50 güterelevante Nutzer berücksichtigt (Einleiter, in Ausnahmefällen auch Nebengewässer) Einbindung der Funktionseinheiten der Teilprojekte Die Gütemodelle wurden in Form von Funktionen in das Gesamtmodell eingebunden (Abb. 2.8). Die meisten TP entwickelten die reduzierten Modelle als Laufzeitbibliotheken (DLL). Neben den DLL Vorstellung des Gewässergütemodells für die Spree (TP 6.2)