Laufzeit Nov bis Dez. 2012

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1 Fakultätsname XYZ Fachrichtung XYZ Institutsname XYZ, Professur XYZ KliWES - Abschätzung der Auswirkungen der für Sachsen prognostizierten Klimaänderungen auf den Wasser- und Stoffhaushalt in den Einzugsgebieten sächsischer Gewässer - Teilvorhaben Wasserhaushalt - Laufzeit Nov bis Dez Bearbeiter: Dr. Robert Schwarze (TUD IHM) Dr. Werner Dröge (TUD IHM) Dipl.-Hydrol. Verena Maleska (TUD IHM) Dipl.-Hydrol. Sebastian Spitzer (LfULG) Dipl.-Hydrol. Kathleen Lünich (LfULG) Dipl.-Geol. (FH) Jutta Hofmann (TUD IHM) Projektkoordination Gesamtvorhaben KliWES: Referat 42 - Grundwasser, Altlasten Karin Kuhn, Maren Zweig Referat 45 - Landeshochwasserzentrum, Gewässerkunde Petra Walther

2 Gliederung 1. Anforderungen / Zielstellung 2. Drei - Säulen - Fachkonzept 3. Säule A - Analyse Ist-Zustand 4. Säule B - Sachsenweite Wasserhaushaltsberechnung 5. Säule C - Online Berechnungsmodul 6. IT-Konzeption / Anwenderoberfläche (Prototyp)

3 1. Anforderung und Zielstellung Sachsenweite Untersuchung der Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushalt (Mengen- / Beschaffenheitsentwicklung) Berücksichtigung von Szenarien für Landnutzung und Klima Ziel: Berechnung belastbarer Wasserhaushaltsdaten als Basis für die Empfehlung von Bewirtschaftungs- / Anpassungsmaßnahmen Anforderungen an die Beschreibung des Wasserhaushalts Realistische Abbildung maßgeblicher Prozesse des Systems Boden-Pflanze-Atmosphäre Parameterbedarf vs. sachsenweite Datenverfügbarkeit vertretbarer Modellierungsaufwand / Rechenzeit

4 Ergebnisse Berechnung von Wasserhaushaltsgrößen Gebietsniederschlag Gebietsverdunstung Teilgrößen: Oberflächenabfluss Infiltration Gesamtabfluss Versickerung aus der Auflösung in 500 m x 500 m Raster bzw. ca. 0,25 durchwurzelten km² Hydrotope Rechenzeitschritt Δt = 1d Bodenzone Ausgabezeitschritt: aktueller Monat, Monatsmittel, Zwischenabfluss Jahresmittel für aus der ungesättigten Zone ca bis 2005 (Wasserhaushalt Status quo) Grundwasserneubildung 50 bis 100-jährige Reihen für Projektionen Grundwasserabfluss von Klima und Landnutzung (Komponenten)

5 Lösungsansatz Fachinformationssystem (vorab-)berechneter Ist-Zustand (vorab-)berechnete Szenarien Ad hoc Berechnung direkte Modellanwendung Hybridlösung Kalibrierung und Validierung: Wasserhaushaltsprozesse großteils auch unterirdisch Abfluss im Gewässer = einzige (weitestgehend) flächendeckend verfügbare Vergleichs- bzw. Kalibriergröße (Einzelfall GW-Stand) Zusätzliche Plausibilisierung des Modells: WH-Analyse des Ist-Zustands Anwendung mehrerer voneinander unabhängiger Methoden Drei-Säulen-Fachkonzept

6 A Teilmodell Istzustand Informationssystem mit Ergebnissen vorab erfolgter Gebietswertberechnung einfaches validiertes Berechnungsverfahren DIFGA KliWES - Wasserhaushalt B Teilmodell Istzustand + Szenarien Informationssystem mit Ergebnissen aus Vielzahl vorab erfolgter differenzierter Modellrechnungen z.b. WaSiM-ETH; ArcEGMO; MIKE SHE; SLOWCOMP C Teilmodell einfache Szenarien Online Berechnungsmodell z.b. DISSE ggf. Modelle aus B GIS - basierte direkte Berechnung einfacher Szenarien ohne Kalibrierung Datenbank: Grunddaten Datenbank: Grunddaten Datenbank: Grunddaten modell Bodenwasserhaushalts modell vorab online Parameter- Berechnung Datenbank Ergebnisse (Gebiet) Gebietsberechnung Wasserhaushalt Dauerlinien Speicherräume Datenbank Ergebnisse (Raster) Ergebnisse (Raster): Wasserhaushalt Ergebnisse (Raster): Regionalisierung disaggregieren Gebietsberechnung Regionalisierung aggregieren Gebietsberechnung Regionalisierung aggregieren

7 3. Säule A Ist-Zustand DIFGA - Analysen in über 100 Gebieten a) Ausschöpfung des Informationsgehaltes von Routinemessdaten b) Berechnung des Gebietswasserhaushaltes einschließlich Abflusskomponenten für die untersuchten Gebiete (P, RG1, RG2, RD, ETR) im Zeitschritt aktueller Monat bis langjähriges Mittel c) Gebietswerte der SLOWCOMP - Parameter SG1 grenz, CG1, CG2 Regionalisierung Ergebnisgrößen Jahresmittelwerte RG1, RG2, RD, ETR und SLOWCOMP Parameter SG1 grenz, CG1, CG2 in der räumliche Auflösung Teilflächen des Einzugsgebietsverzeichnisses Sachsen

8 Arbeitschritte Schritt 1: Schritt 2: Analyse von Wasserhaushalt, Abflusskomponenten und Modellparametern ausgehend von langjährigen Niederschlags- und Abflussreihen mit DIFGA Aufbau eines regionalen Parametermodells für das Grundwasserhaushaltsmodell SLOWCOMP Schritt 3: sachsenweite Regionalisierung der SLOWCOMP Parameter und Wasserhaushaltsgrößen (Jahresmittelwerte) aus Gebietseigenschaften

9 Schritt 1: inverse Berechnung von Wasserhaushalt, Abflusskomponenten und Speicherkonstanten für über 100 Gebiete in Sachsen mit langjährigen Niederschlags- und Abflussreihen DIFGA

10 Ergebnis DIFGA: Mittlere Wasserhaushaltsgrößen für das Einzugsgebiet des Hoyerswerdaer Schwarzwassers am Pegel Zescha

11 Ergebnis DIFGA: Jahresgang der Wasserhaushaltsgrößen für das Einzugsgebiet des Hoyerswerdaer Schwarzwassers am Pegel Zescha 100% 0 % von Niederschlag P 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Januar Februar März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember RG2/P RG1/P RD/P ETR/P P Niederschlag P in mm/mon

12 GW-Modell SLOWCOMP Perkolation aus der Bodenzone Transferzonenmodell RG1= Wenn PERC > RG1 f(sg1 grenz ) RG2 = Perc - RG1 8/9 RG2 SG1 mit CG1 SG2 mit CG2 1 1/9 RG2 SG2 2 mit CG2 2 CG2 2 =1/9 CG2 1 QG1 QG2 Alle Modellparameter und Speichergrößen regional aus Gebietseigenschaften ableitbar Struktur und Aufteilung der Wasserflüsse und die Modellparameter sind geohydraulisch interpretierbar Modellvariante mit Berücksichtigung der Verweilzeit verfügbar

13 Schritt 2: Geohydraulische Interpretation DIFGA Ergebnis: Parametermodell für SLOWCOMP (Säule B) Ausgehend von der analytischen Lösung der BOUSSINESQ-Gleichung bzw. instationären Grabenanströmung Geohydraulische Interpretation des ELS-Konzepts aus DIFGA möglich: Speicherkonstante ist abhängig von Fließlänge Aquifermächtigkeit / mittlere durchflossene Höhe Porosität Gebirgsdurchlässigkeit Grundlage für die Regionalisierung von Parametern (Säule B)

14 Schritt 3: flächendeckende Bestimmung der SLOWCOMP - Parameter aus geologischen und morphologischen Gebietseigenschaften Schritt 3a: I) Quantifizierung der theoretischen Beziehungen aus Schritt 2 II) Zusammenhangsanalyse - DIFGA Parameter (Speicherkonstanten) - Gebietseigenschaften (Geomorphologie, Geohydraulik) Schritt 3b: Sachsenweite Anwendung der gefundenen Zusammenhänge Hydrogeologische Einheit Erwartungswert der Rückgangskonstante CG1 in d Spannweite der Rückgangskonstante CG1 in d Löß Lockergestein Kreidesandstein

15 KliWES - Wasserhaushalt 1. Anforderung/Zielstellung 2. Fachkonzept 3. Säule A 4. Säule B 5. Säule C 6. Anwenderoberfläche Regionalisierte Parameter des SLOWCOMP - Modells für Sachsen (Skala Tag) - Arbeitsstand - CG2-Werte CG1-Werte SG1Grenz-Werte >6-7> >7-8> >2 > > >8-9> >4 >100 > > >9-10 >6-8 >150 > >10-11 >8-10 > >4-5 >10 > >5-6 > > >11-12 > >12-13

17 4. Säule B - Sachsenweite Wasserhaushaltsberechnungen meteorologisch - klimatologischer Input Aktuelle Verdunstung Berechnung Bodenwasserhaushalt für Ist-Zustand und für sich verändernde Klima- und Landnutzungsbedingungen Zehrung kapillarer Aufstieg Laterale Flüsse Perkolation aus der durchwurzelten und verdunstungsbeeinflussten Bodenzone potenzielle Grundwasserneubildung Schnittstelle Bodenwasserhaushaltsmodell Grundwasserhaushaltsmodell SLOWCOMP Transferzonenmodul Fluss im ungesättigten Bereich zwischen Boden und Grundwasser Berechnung schneller unterirdischer Abflusskomponenten Laterale Flüsse reale Grundwasserneubildung Grundwasser Grundwasserabfluss

18 4. Säule B - Sachsenweite Wasserhaushaltsberechnungen Einsatz von mathematischen Modellen notwendig abstrahierte Abbildung der Wirklichkeit Einsatz von Wasserhaushaltsmodellen erfordert realistische Abbildung maßgeblicher Prozesse im System Boden-Pflanze-Atmosphäre sachsenweite Datenverfügbarkeit vs. Parameterbedarf Beschreibung der System- / Gebietsstruktur mittels geeigneter Daten vertretbarer Modellierungsaufwand, Rechenzeit nichtlineares mehrdimensionales Optimierungsproblem

19 Auswahl eines geeigneten Modells mittels Modellanalysen und Modellvergleichen in drei Raumskalen: I Vergleichende Modellrechnungen Lysimeter Brandis Lysimeter 5, 7, 9 II Vergleichende Modellrechnungen in Kleinsteinzugsgebieten Hölzelbergbach, Gänsebach, Schnellbach III Vergleichende Modellrechnungen im Einzugsgebietsmaßstab Müglitz, Jahna, Hoyerswerdaer Schwarzwasser m² km² Modelle: AKWA-M ArcEGMO MIKE SHE WaSiM-ETH Entscheidung für Modell bis Mai 2010

20 Lysimeterstation Brandis (Gruppe 5, 7, 9) Hoyerswerdaer Schwarzwasser (Zescha) Schnellbach (Großbardau) Hölzelbergbach (Talsperre Saidenbach) Jahna (Seerhausen) Müglitz (Dohna) Gänsebach (Talsperre Neunzehnhain) Testgebiete für Modellauswahl

21 Modellvergleich Auswahlkriterien Kriterien Raumskalen Zeitskalen Komplexität Zielvariablen Handhabung Effizienz Qualität der Abbildung Sensitivität Anforderungen hoch aufgelöst 500 x 500 m bzw. ähnlich große Hydrotope Tageszeitschritt beherrschbare Ansätze; objektive, reproduzierbare Parametermodelle u.a. Infiltration, Versickerung, Evapotranspiration, Abflusskomponenten, Durchfluss robuste Ansätze (unbeobachtete Gebiete), einfache Anwendbarkeit, reproduzierbare Methode zur Kalibrierung, bei Änderungen (Klima, Landnutzung) anwendbar moderate Rechenzeiten gute Nachbildung auf Monatsbasis ausreichend; wichtig ist Langzeitprognose und Szenariofähigkeit Änderung von Klima, Böden, Landnutzung

22 Beispiel: Abbildung verschiedener Landnutzungen - Vergleich Abflusskomponenten in forst- und landwirtschaftlich geprägtem EZG (ArcEGMO) R/P RG1/P % % RD/P Monat RG2/P Forstwirtschaft (Gänsebach) Landwirtschaft (Hölzelbergbach) DIFGA (Hölzelbergbach) Monat % Monat % Monat

23 Beispiel: Abbildung der Landnutzungsänderung im EZG Natzschung Pegel Rothenthal Anteil an Waldfläche in % Waldschadensentwicklung nach Fichtner (1995) kaum - schwach mittelstark abgestorben

24 Beispiel: Abbildung der Klimaänderung im EZG Hölzelbergbach - Vergleich des meteorologischen Inputs der Perioden 1967/2005 (RaKliDa) und 2005/2055 (STAR; A2) Temperaturdifferenz [K] Monat mittl. Lufttemperatur Niederschlag Strahlung Prozent [%]

25 Beispiel: Abbildung der Klimaänderung im EZG Hölzelbergbach - Vergleich des meteorologischen Inputs der Perioden 1967/2005 (RaKliDa) und 2005/2055 (STAR; A2) Aktuelle Verdunstung Winterhalbjahr Sommerhalbjahr Änderung aktuelle Verdunstung -10 % - 0 % 0 % - 2 % 2 % - 6 % 6 % - 10 % 10 % - 15 % 15 % - 20 %

27 5. Säule C Online Berechnungsmodul Ziele - Planungswerkzeug - ohne Kalibrierung anwendbar - ad hoc Berechnungen - einfache Szenariorechnungen Auswahl aus 3 möglichen Ansätzen - (Bagluva) - Ansatz nach Disse (ATV-DVWK-M504) - WH-Modell Säule B

28 6. IT-Konzeption / Anwenderoberfläche (Prototyp) IT-Entwicklungsschritte Entwicklungsumgebung für KLiWES mit Projektdatenbank Nutzerumgebung für KLiWES (Prototyp) mit Nutzerdatenbank Fachinformationssystem Wasserhaushalt und Klimawandel in Sachsen

29 Ausschnitt IT-Konzept (Entwicklungsumgebung Säule A) Pegel DIFGA-Gebiete DIFGA-Daten Q-Daten DIFGA2000 RakliDa-Daten Schneemodell IDE DIFGA-Ergebnisse Wasserdargebot Gebietskennwerte DGM, TEG, HUEK200, Fließgewässer Kartenerstellung Regionalisierungstools Geodaten Regionalisierungsergebnis Geokarten Regionalisierungsparameter, z.b. Parametermodell für SLOWCOMP

30 Anwenderoberfläche (Prototyp)

31 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ansprechpartner Dr. Robert Schwarze: Dr. Werner Dröge: Verena Maleska: Sebastian Spitzer: KliWES im Netz

32 Schritt 2: Geohydraulische Interpretation DIFGA Ergebnis: Parametermodell für SLOWCOMP (Säule B) Analytische Lösungen der BOUSSINESQ-Gleichung instat. Grabenanströmung Faltungsintegral q(t) =q(t 0 ) B(t-t 0 )+ t t j=1 0 Aj p( ) g (t- ) d j q(t0) Abfluss zum Zeitpunkt t=t 0 B(t-t 0 ) p(t) A j = 8 / ( ².(2. j-1)²) g j (t-t) = 1 / K j.exp(-(t-t) / K j ) Rückgangsterm GWN - Rate in mm/zeit Anteil der j-ten Abflusskomponente an der Perkolation j-te Komponente der normierten Systemfunktion, identisch mit Einzellinearspeicher Impulsantwort Speicherkonstante 4 = (2 1 K j 2 2 j -1) k n 2 f L M abhängig von Parametermodell Grundlage für die Regionalisierung von Parametern L Fließlänge n Porosität k f M Aquifermächtigkeit Gebirgsdurchlässigkeit

33 Hydrogeologische Einheit Lockergestein SG1 grenz Regressions-Statistik Koeffizienten Spannweite Mittelwert Multipler Korrelationskoeffizient 0,926 Schnittpunkt 1,016 1 bis 22 mm 6,8 mm Bestimmtheitsmaß 0,857 D in 1/m 20430,007 Adjustiertes Bestimmtheitsmaß 0,836 Hm -0,078 Standardfehler 1,998 Anteil kiesig bis sandig -8,375 Beobachtungen 25 CG2 Regressions-Statistik Koeffizienten Spannweite Mittelwert Multipler Korrelationskoeffizient 0,881 Schnittpunkt 596, bis 640 d 540 d Bestimmtheitsmaß 0,777 D in 1/m ,591 Adjustiertes Bestimmtheitsmaß 0,732 Lg/Ig 0,113 Standardfehler 24,332 Durchlässigkeit mäßig bis sehr gering -61,588 Beobachtungen 25 Hm 0,359 CG1 Regressions-Statistik Koeffizienten Spannweite Mittelwert Multipler Korrelationskoeffizient 0,958 Schnittpunkt 27, bis 19 d 14,5 d Bestimmtheitsmaß 0,918 Lg/Ig -0,005 Durchlässigkeit mäßig bis sehr gering -2,420 Adjustiertes Bestimmtheitsmaß 0,873 Standardfehler 1,488 P -0,016 Beobachtungen 25 SG1 grenz CG2 CG1 Speichergrenzwert, bestimmt Aufteilung der GWN auf RG1 und RG2 Speicherkonstante langsame Grundwasserabflusskomponente Speicherkonstante schnelle Grundwasserabflusskomponente

34 1. Anforderung und Zielstellung Sachsenweite Untersuchung der Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushalt (Mengen- / Beschaffenheitsentwicklung) Berücksichtigung von Szenarien für Landnutzung und Klima Einsatz von (mathemat.) Modellen notwendig keine 1:1-Abbildung der Wirklichkeit (Abstraktion) Beschreibung der System- /Gebietsstruktur mittels geeigneter (Geo-)Daten digital und flächendeckend Rückgriff auf flächendeckende Karten (Abstraktion)

35 Datengrundlagen Geodaten: Geologie HÜK 200, GÜK200 Boden: Bodenkonzeptkarte BKkonz25 Topographie: Topographische Karten TK10 Höhenmodel: DGM20 Sachsen (Digitale Reliefanalyse SN) Landnutzung: ATKIS - Basis DLM, CLC2000 Gewässernetz : digitales Gewässernetz Sachsen Teileinzugsgebietsgrenzen: digitales Flächenverzeichnis Sachsen Meteorologische Daten: RaKliDa Rasterklimadatensatz Sachsen 500 x 500 m Tageswerte für Ist-Zustand: Abfrage läuft 50 bzw. 100 Jahre Klimaszenarien: ab Mitte 2010 Hydrologische Daten Tagesmittel Durchfluss 123 Pegel ca Tagesmittel Grundwasserstand (Lockergestein)

36 Datengrundlagen (Hydro-) Geologie Sachsen HÜK200 BKkonz ATKIS-DLM Boden Landnutzung EZG/Fließgewässer Relief Fließgewässernetz Sachsen; aufbereitete Einzugsgebiete auch außerhalb Sachsens Reliefanalyse Sachsen Tschechien Tschechische Informationen (HGR); alternativ: GÜK400 SMoCR200 CLC2000 aufbereitetes Fließgewässernetz Sachsen auf Basis der TK25 und tschechischem Gewässernetz aufbereitete Reliefanalyse SN mit tschechischem DGM Thüringen Sachsen-Anhalt Brandenburg HÜK200 BÜK200 /BÜK1000N ATKIS-DLM (alternativ CLC2000) aufbereitetes Gewässernetz und Einzugsgebiete auf Basis der TK25; ATKIS-DGM alternativ: ASTER-Daten

37 Vergleich der Abflusskomponenten (DIFGA) in einem bewaldeten (TS Neunzehnhain) und einem durch Landwirtschaft geprägten EZG (TS Saidenbach) Forstwirtschaft R/P RG1/P RG1/P Landwirtschaft % % RD/P RD/P Monat RG2/P RG2/P Monat % % Monat Monat