Ruben Müller, Anastasia Gurova, Patric Röhm, Peter Winkler, Robert Schwarze, Werner Dröge und Niels Schütze

Transkript

1 Fachartikel DOI: /HyWa _2016,1_5 Müller et al.: Das Wasserhaushaltsportal Sachsen... HW , H.1 Ruben Müller, Anastasia Gurova, Patric Röhm, Peter Winkler, Robert Schwarze, Werner Dröge und Niels Schütze Das Wasserhaushaltsportal Sachsen Ein Webportal zur Recherche und Visualisierung vorab berechneter Ergebnisse und zur interaktiven Berechnung des Wasserhaushalts The Wasserhaushaltsportal Sachsen A web portal for search and visualisation of pre-computed results and interactive calculation of the water balance Unter findet der Nutzer den Einstieg zu den räumlich gegliederten Ergebnissen des Projekts KliWES für das Bundesland Sachsen. Dem Projektverlauf entsprechend präsentieren insgesamt drei Webauftritte die Ergebnisse aus drei Arbeitsfeldern (hier Säulen A, B und C genannt). Die Webauftritte der Säulen A und B stellen klassische webbasierte Geoinformationssysteme dar, die bereits vorliegende Ergebnisse präsentieren. Der Webauftritt der Säule C ist ein webbasiertes Expertensystem. Es ermöglicht dem Nutzer eine interaktive Wasserhaushaltssimulation unter Änderung verschiedener Attribute sächsischer Einzugsgebiete für den Istzustand sowie für Klimaänderungsszenarien und Landnutzungsszenarien. Der vorliegende Artikel soll in die Webauftritte der Säulen A, B und C einführen. Besonderheiten in der Umsetzung der Säule C werden diskutiert. Schlagwörter: Expertensystem, Wasserhaushalt, Webanwendung The website offers access to spatially distributed results of the KliWES project for the German federal state of Saxony. In accordance with the three fields of work (sections A, B and C) of the project, the results are presented in three complementary websites. The websites of sections A and B are classical information services providing finalized results using GIS-based webpages. The section C website is a new web-based expert system allowing an interactive water-balance simulation with user-defined parameters for catchments in the German federal state of Saxony for the current state as well as climate change and land use scenarios. This article introduces the websites of sections A, B and C. Special characteristics and innovations of section C are discussed. Keywords: Expert system, water balance, web application 1 Die drei Säulen des Wasserhaushaltsportals Wasserwirtschaftsbehörden stehen vor der Anforderung, detaillierte regionale Daten, Informationen und Prognosen zur Entwicklung des Wasserdargebots in einer sich rasch ändernden Umwelt zu erheben und sowohl Fachleuten als auch der breiten Öffentlichkeit zur Verfügung zu stellen. Im Auftrag des Sächsisches Staatsministerium für Umwelt und Landwirtschaft (SMUL) untersuchte das von 2008 bis 2015 laufende Forschungsvorhaben KliWES die Auswirkungen der prognostizierten Klimaänderungen auf den Wasser- und Stoffhaushalt in Einzugsgebieten sächsischer Gewässer (SCHWARZE et al. 2015). Das Wasserhaushaltsportal Sachsen wurde als öffentlich zugänglicher Informationskanal zu den in KliWES erzielten, umfangreichen Ergebnissen entwickelt. Das Portal entlastet somit das SMUL maßgeblich in der öffentlichen Bereitstellung der Daten. Das Wasserhaushaltsportal Sachsen besteht dabei aus drei Teilbereichen, die sich aus den drei Arbeitsfeldern des Forschungsvorhabens KliWES ableiten (SCHWARZE et al. 2015). Die ersten beiden Teilbereiche, Säule A und B, dienen der Veröffentlichung von Ergebnissen, die flächendeckend für Sachsen vorliegen und sind als solches im Sinne klassischer Webseiten zur Präsentation von Geoinformationen angelegt. Sie fokussieren die Bereitstellung der Daten und überlassen dem Anwender die tiefergreifende Auswertung und Interpretation der Daten. Der dritte Teilbereich, Säule C, ist ein öffentlich zugängliches, interaktives Expertensystem zur Modellierung des Wasserhaushalts für die Gesamtregion Sachsen. Die in KliWES genutzten, multikriteriell kalibrierten Modelle (HAUFFE et al. 2015) des Wasserhaushaltsmodells ArcEGMO (PFÜTZNER et al. 2007) für sächsische Einzugsgebiete dienen als Grundlagen, die es dem Nutzer ermöglichen, Berechnungen zum regionalen Wasserhaushalt unter eigenen Landnutzungs- und Bewirtschaftungsänderungen sowie unter unterschiedlichen Klimaänderungsszenarien zu berechnen. Hierfür stehen für ganz Sachsen insgesamt 242 Modelle bereit. Die Auswertung und Interpretation der Ergebnisse ist, wie auch bei den Säulen A und B, dem Anwender überlassen. Die Weboberfläche führt den Nutzer durch die Teilschritte zur Erstellung eines Szenariolaufs, um nutzerseitige Fragestellungen anhand einer Wasserhaushaltssimulation zu klären. Die Wasserhaushaltssimulation wird dann auf Servern der TU Dresden berechnet und die Ergebnisse der Berechnungen dem Nutzer zur Verfügung gestellt. Das entwickelte webbasierte Expertensystem zur interaktiven Berechnung des Wasserhaushalts ist seitens Konzeption und Leistungsumfang bisher einzigartig in Deutschland. SCHWARZE et al. (2015) erläutern ausführlich die Konzepte, auf denen das Wasserhaushaltsportal Sachsen fußt. HAUFFE et al. (2015) stellen das Vorgehen zur multikriteriellen Kalibrierung der Wasserhaushaltsmodelle und erste Ergebnisse vor. Ziel des Artikels ist es daher vor allem, das interaktive Expertensystem der Säule C vorzustellen (Stand Juli 2015) und auf dessen Bedienung und technische Umsetzung einzugehen. Der Artikel gibt zunächst eine kurze Übersicht zu den Webauftritten der Säulen A, B und C. Ausführlicher wird dann auf die nutzerseitige 78

2 HW , H.1 DOI: /HyWa _2016,1_5 Müller et al.: Das Wasserhaushaltsportal Sachsen... Fachartikel Handhabung und die technische Umsetzung des Expertensystems der Säule C eingegangen. 1.1 Die Säule A: Ergebnisse für den Istzustand Die für ganz Sachsen aus der Säule A veröffentlichten Ergebnisse basieren auf einer komplexen inversen Ableitung von Wasserhaushaltsgrößen für den Istzustand (Schwarze et al. 2015) mittels des Differenzenganglinienanalyseverfahrens DIFGA (SCHWARZE et al. 1991). Dieses wurde für 120 sächsische Einzugsgebiete auf langjährige Messwertzeitreihen täglicher Durchfluss- und Niederschlagsdaten (Zeitraum ) angewandt. Der Webauftritt zur Säule A gliedert sich thematisch in die Bereiche Analyse (Abb. 1) und Regionalisierung. Der Bereich Analyse stellt neben den abgeleiteten Wasserhaushalts- und Abflusskomponenten auch die ebenfalls aus DIFGA physikalisch begründet abgeleiteten Modellparameter für das speicherbasierte Grundwasserabflussmodell SLOWCOMP (Schwarze et al. 2015) zur Verfügung. Der Nutzer ist in der Lage, über den Pegelnamen, das Gewässer oder die Gewässerkennzahl Zugriff auf Wasserhaushaltskomponenten und Parameter des ausgewählten Gebiets zu erlangen. Neben der Ergebnispräsentation auf der Web-Oberfläche (Jahresmittelwerte der Wasserhaushaltsgrößen) lassen sich detaillierte tabellarische Ergebniszusammenstellungen (u.a. aktuelle Monatswerte und Mittelwerte) sowie Shape-Dateien für GIS-Anwendungen herunterladen. Der Bereich Regionalisierung (Abb. 2) erweitert das Angebot um die Regionalisierung der Ergebnisse (SCHWARZE et al. 2015) aus dem Bereich Analyse. Sachsenweit stehen diese auf Ebene der sächsischen Teileinzugsgebiete bereit. Nach der Fertigstellung der Säule B im Forschungsvorhaben KliWES liegt das Einsatzgebiet der Säule A nunmehr vorrangig auf der Recherche zu pegelbezogenen Wasserhaushaltskomponenten und zu Parametern zur direkten Kalibrierung des Modells SLOWCOMP (Abb. 3). 1.2 Die Säule B: Ergebnisse für Szenarienrechnungen Säule B erweitert das Datenangebot der Säule A um Ergebnisse aus Klimaänderungs- und Landnutzungsänderungsszenarien (Hauffe et al. 2015). Die projizierten Klimaänderungsszenarien richten sich nach dem Emissionsszenario A1B des IPCC (IPCC 2007). Die meteorologischen Daten entstammen einer Modellkaskade aus dem globalen Klimamodell ECHAM5 (ROECKNER et al. 2003) sowie zwei regionalen Klimamodellen WETTREG2010 (KreienkamP et al. 2010) und WEREX V (KREIENKAMP et al. 2011) mit drei, beziehungsweise zehn unterschiedlichen Modellläufen. Die verwendeten Szenarien zur Berücksichtigung von Landnutzungsänderungen und demographischen Effekten ( Waldumbau, Versiegelung und Flächenverbrauch ) sind in LÜNICH et al. (2013) detailliert aufgeführt. Mittels des Wasserhaushaltsmodells ArcEGMO wurden die Auswirkungen der klimatischen Veränderungen auf den Wasserhaushalt für 120 sächsische Einzugsgebiete abgeschätzt. Die anschließende Regionalisierung der Ergebnisse folgte wiederum dem Vorgehen nach SCHWARZE et al. (2015). Die Ergebnisse der insgesamt 13 Szenario-Rechnungen lassen sich im Portal als Jahresmittelwerte der Wasserhaushaltsgrößen auf Teileinzugsgebietsebene visualisieren. Aktuelle Monatswerte sowie Shape-Dateien für GIS- Anwendungen stehen zum Herunterladen bereit. Zur Verdeutlichung der Auswirkungen der Klimaänderungen sind Differenzenkarten bilanzierbarer Wasserhaushaltsgrößen verfügbar. Beispielhaft hierzu zeigt Abbildung 4 die prozentuale Abweichung der realen Verdunstung im Zeitraum 2071 bis 2100 vom Referenzzeitraum 1961 bis Abbildung 1 Ausschnitt der Web-GIS-Anwendung der Säule A im Themengebiet Analyse. Dargestellt ist die Karte Sachsens mit dem modellierten Grundwasserzufluss als Summe der schnellen und langsamen Grundwasserabflussspeicher für 120 analysierte sächsische Pegeleinzugsgebiete. Section of the web-interface of section A, topic analysis, presenting the map of Saxony and the modelled groundwater inflow represented by the sum of slow and rapid groundwater storage for 120 catchments in Saxony. 1.3 Interaktive Wasserhaushaltsmodellierung: Säule C Die Web-GIS-Anwendung der Säule C verkörpert eine interaktive Benutzerschnittstelle zum Wasserhaushaltsmodell ArcEG- MO. Ihre Bedienelemente ermög- 79

3 Fachartikel DOI: /HyWa _2016,1_5 Müller et al.: Das Wasserhaushaltsportal Sachsen... HW , H.1 Abbildung 2 Ein Ausschnitt der Web-GIS-Anwendung der Säule A im Themengebiet Regionalisierung. Dargestellt ist die Karte Sachsens mit dem regionalisierten Grundwasserzufluss. Layout of the web-interface of section A topic regionalization presenting the map of Saxony with the regionalized groundwater inflow. lichen dem Anwender eine Wasserhaushaltsberechnung nach seinen Vorgaben über das Internet durchzuführen. Im Laufe der Nutzerinteraktion mit der Web-GIS-Anwendung werden nutzerdefinierte Angaben über das zu berechnende Gebiet, anzupassende Gebietsparameter und das zu verwendende Klimaszenario abgefragt und an eine automatisierte ArcEGMO- Schnittstelle weitergeleitet. Nach der Konfiguration der benötigten ArcEGMO-Modelle erfolgt die Wasserhaushaltsberechnung auf Servern der Technischen Universität Dresden. Als Ergebnisse werden Wasserhaushaltsgrößen als Monatsmittelwerte auf Hydrotopebene und Gebietsebene per in tabellarischer Form zur Verfügung gestellt. Der Betrieb des interaktiven Wasserhaushaltsmodells verläuft komplett automatisiert. Einzige Ausnahme bildet die Überführung der optional vom Nutzer bereitgestellten Klimaszenarien, da eine Übernahme dieser in die Datenbank nach einer Transformation in ein vorgegebenes Dateiformat das Eingreifen eines Fachmanns erfordert. Grundvoraussetzung für die Automatisierung der Wasserhaushaltssimulationen ist, dass vorab in der Säule B kalibrierte ArcEG- MO-Wasserhaushaltsmodelle eingesetzt werden, die in der operativen Anwendung durch eine Veränderung der Modellparameter nicht erneut kalibriert werden müssen. Dies schränkt zwangsläufig den Kreis möglicher operativer Änderungen am Modell ein. Die Modellstruktur, insbesondere die festgelegten Elementarflächen (ELF) und Teileinzugsgebiete, lässt sich nutzerseitig nicht ändern. Zum Beispiel ist eine teilweise Änderung der Landnutzung in einer EFL von z.b. 100 % Nadelwald in 50 % Mischwald und 50 % Laubwald nicht möglich, da jede EFL per Definition eine homogene hydrologische Charakteristik besitzen muss. Es lässt sich jedoch die Landnutzung geschlossen für eine EFL ganzheitlich verändern. Hierzu steht eine Auswahl von 12 vordefinierten Landnutzungstypen bereit. Das Bodenmodell in ArcEGMO nutzt die Leitprofile für 2020 Klassen aus der Bodenkonzeptkarte. Auch hier ist die direkte nutzerseitige Änderung der Böden und der Schichtgeometrie ausgeschlossen, da Änderungen eine erneute Kalibrierung der Modelle bedeuten würden. Einen großen Einfluss auf die Bodeneigenschaften haben pfluglose, bodenschonende und konservierende Bewirtschaftungsverfahren der Agrarwirtschaft. Untersuchungen zeigen, dass die unterschiedlichen Bewirtschaftungsweisen von Böden u.a. Auswirkungen auf den Humusgehalt und die Lagerungsdichte nach sich ziehen (SCHMIDT 2003, 2010; SMUL 2014). Der Nutzer kann diesen Bewirtschaftungseinfluss bei Bedarf für jede EFL interaktiv durch bodenhorizontweise Anpassungen der Lagerungsdichte und des Humusgehalts berücksichtigen. ArcEGMO übersetzt diese Änderungen dann in vordefinierte bodenhydraulische Eigenschaften. Weitere Einflussmöglichkeiten auf die Bewirtschaftung von Flächen erhält der Nutzer über Änderungsmöglichkeiten an den im Gebiet vorkommenden Drainagen. Über die Änderungen der Parameter Drainageart (Graben- und Rohrdrainage), Drainagetiefe und Anschlussgrad erfolgt die Modifikation der Hydromelioration von Flächen. Die Entfernung vorhandener Drainagen sowie die Modellierung vormals nicht existenter Drainagen komplettieren die Einflussmöglichkeiten. Wichtig für eine korrekte Wasserhaushaltssimulation ist es, den im Modell vorherrschenden Grundwasserflurabstand bei Bedarf jeweils auf die neu vorgegebene Drainagetiefe abzusenken, um die Berechnung unrealistischer Wasserflüsse zu vermeiden. Als meteorologische Eingangsdaten für Szenarienrechnungen unter unterschiedlichen klimatischen Rahmenbedingungen stehen dem Anwender die 13 Klimaszenarien und meteorologischen Daten des Istzustandes der Säule B zur Auswahl bereit. Zusätzlich ist das Hochladen nutzerspezifischer Klimadatensätze möglich. Die interaktive Web-GIS-Anwendung der Säule C bietet dem Anwender, neben der reinen Modellierung des Klimaeinflusses auf den Gebietswasserhaushalt, somit vielfältige weitere Einsatzmöglichkeiten. So können, als Adaptionsmaßnahmen gegen Veränderungen des Wasserhaushalts infolge eines projizierten Klimawandels, Anpassungsszenarien für die Landnutzung erar- 80

4 HW , H.1 DOI: /HyWa _2016,1_5 Müller et al.: Das Wasserhaushaltsportal Sachsen... Fachartikel Abbildung 3 Ausschnitt der Web-GIS-Anwendung der Säule A im Themengebiet Regionalisierung. Dargestellt ist die Karte Sachsens mit den abgeleiteten Speicherkonstanten CG2 des Speichermodells SLOWCOMP des Wasserhaushaltsmodells ArcEGMO. Section of the web-interface of section A and topic regionalization presenting the map of Saxony with the calibrated groundwater recession parameters CG2 for the storage-based groundwater model SLOWCOMP of the water balance model ArcEGMO beitet werden. Der Einfluss auf den regionalen Wasserhaushalt durch großräumig angewandte alternative Bewirtschaftungsverfahren und Hydromeliorationsmaßnahmen auf land- und forstwirtschaftlichen Flächen ist modellierbar. Da auch rezente Klimadaten bereitstehen, können diese Betrachtungen unter Ausschluss von Klimawandelaspekten ausgeführt werden. 2 Umsetzung Der folgende Abschnitt diskutiert die technische und formale Umsetzung des Wasserhaushaltsportals Sachsen. Hierzu zählen Layout und Bedienkonzept der Weboberflächen sowie die Umsetzung entsprechender Soft- und Hardware. 2.1 Layout und Bedienkonzept der Säulen A und B In beiden Rechercheportalen stehen der Öffentlichkeit große Mengen an Information zur Verfügung. Bedingt durch die Szenarien und Differenzenkarten enthält Säule B dabei ein Vielfaches an Wasserhaushaltsdaten gegenüber der Säule A. Für eine gute Benutzerfreundlichkeit wurde ein tabellarisches Layout und Bedienkonzept für die Weboberfläche konzipiert. Es wird in beiden Anwendungen weitgehend identisch umgesetzt und im Folgenden am Beispiel der Säule B näher vorgestellt. Abbildung 5 zeigt die in funktionale Bereiche unterteilten Komponenten der Web-Benutzeroberfläche. Die Menüleiste (1) realisiert die Parameterauswahl nach Klima- und Landnutzungsszenarien, Ist-Zustand und Differenzenkarten. Der Schaltknopf Download leitet den Nutzer auf Webseiten, von denen Shape- Dateien der Teileinzugsgebiete, gegliedert nach Flusseinzugsgebieten, und Dateien mit monatlichen Zeitreihen der Wasserhaushaltskomponenten für alle Szenarien verfügbar sind. Nach einer Gebietsauswahl in der Auswahlliste (2) oder im Kartenfeld (3) erfolgt als Standardausgabe die Anzeige aller Teileinzugsgebiete des ausgewählten Flusseinzugsgebiets mit dem Niederschlag im Istzustand. Die Anzeige der Daten erfolgt in grafischer Form im Kartenfeld und in Listenform in der Auswahlliste. Die Darstellung der Legende und die Auswahl einer zusätzlichen Ebene erfolgt in (4). Die Ansicht der Weboberfläche in Abbildung 5 zeigt das Ergebnis der Auswahl eines Teileinzugsgebietes der Müglitz. Es erscheint die Markierung des gewählten Gebietes in der Liste, der Karte und die Anzeige zusätzlicher Informationen im Portalbereich Gebietscharakteristik (5). Das Anzeigefeld Was wird gerade angezeigt? (6) enthält zusätzliche parameterabhängige Informationen zur aktuellen Auswahl. Parallel erhält der Nutzer im Seitenkopf (7) eine Kurzinformation über den gewählten Parameter im entsprechenden Szenario. 2.2 Layout und Bedienkonzept der Säule C Gebietsauswahl und Definition von Gebietsparametern erfordern eine Interaktion des Anwenders mit geographischen Inhalten. Um diese komfortabel zu gestalten, wurden diverse GIS-Werkzeuge bereitgestellt. Die Auswahl eines Objektes in der Karte ermöglicht z.b. ein automatisches Zoomen auf das selektierte Objekt. Um eine Wasserhaushaltsberechnung auszuführen, wird der Anwender durch die folgenden notwendigen Arbeitsschritte geführt: 1. Gebiet auswählen 2. Gebietsparameter definieren 3. Klimaszenario auswählen Das Layout der Web-GIS-Anwendung in der Startansicht zeigt Abbildung 6. Je nach Arbeitsschritt erfolgt die Anpassung des zentralen Bedienfelds der Weboberfläche. Die generelle Vorgehensweise und die erhaltenen Ergebnisse unterscheiden sich je nachdem, ob eine kleinräumige oder eine großräumige Berechnung gewünscht wird. Bei einer kleinräumigen Bearbeitung können Anpassungen für alle Elementarflächen in einem Teileinzugsgebiet erfolgen. Änderungen lassen sich somit lokal auf kleiner Skala vornehmen. Die Ergebnisausgabe erfolgt für 81

5 Fachartikel DOI: /HyWa _2016,1_5 Müller et al.: Das Wasserhaushaltsportal Sachsen... HW , H.1 steht hier also die nutzerfreundliche Änderung auf eher regionaler Ebene im Vordergrund. Ergebnisse stehen in der Auflösung Teileinzugsgebiet und Modellgebiet bereit. Auf die Bedienung in den einzelnen Arbeitsschritten wird im Folgenden detaillierter eingegangen. Abbildung 4 Übersichtskarte der prozentualen Abweichung der realen Verdunstung im Zeitraum 2071 bis 2100 zum Referenzzeitraum 1961 bis 1990 für WETTREG 2010 (Modellauf 66) im Teileinzugsgebiet Saidenbach im Einzugsgebiet der Mulde Map of the subcatchment Saidenbach (part of the river Mulde catchment) showing the percentage of deviation between real evapotranspiration in the period and the reference period for WETTREG 2010 (model run 66) Arbeitsschritt Gebiet auswählen Dem in der Säule C implementierten Vorgang zur Gebietsauswahl liegt die räumliche Struktur des verwendeten Modellierungskonzeptes in KliWES zugrunde. Diese lässt sich folgendermaßen skizzieren: Die kleinste im Modell berücksichtigte Raumeinheit, die Hydrotope oder EFL, verkörpern Flächen mit homogenen Gebietseigenschaften (Landnutzungstyp, Bodenart, SLOWCOMP-Parameter usw.). Die zur Modellierung von Sachsen ausgewiesene Zahl an EFL in allen ArcEGMO-Modellen beläuft sich auf insgesamt Die nächsthöhere Raumeinheit umfasst ca Teileinzugsgebiete, die, jedes für sich, eine bestimmte Anzahl Hydrotope aufweisen. Die oberste Raumeinheit beinhaltet 242 ArcEGMO-Modelle, welche wiederum mindestens ein Teileinzugsgebiet umfassen. Abbildung 5 Übersicht der Web-GIS-Anwendung der Säule B mit einem Kartenausschnitt des mittleren korrigierten Niederschlages ( ) Overview of the Web-GIS-application of section B showing a section of Saxony s map with the adjusted mean annual precipitation ( ) jede EFL und das gesamte Teilgebiet. Bei einer großräumigen Berechnung lassen sich ausschließlich generalisierte Änderungen, z.b. Umwandlung von Nadelwald in Mischwald auf allen EFL innerhalb eines oder mehrerer Einzugsgebiete, realisieren. Gegenüber der Möglichkeit, lokale Änderungen vorzunehmen, Lediglich für die Darstellung auf der KliWES-Webseite und im Wasserhaushaltsportal Sachsen ist die Raumeinheit der Flussgebiete vorgesehen. Insgesamt 6 Flussgebiete sind definiert: Mulde, Elbe, Weiße Elster, Neiße, Schwarze Elster und Spree. Dargestellt werden auch Flächen, für die keine Wasserhaushaltsberechnungen in der Säule C möglich sind (z.b. der Flussschlauch der Elbe im Bereich der Überflutungen beim Hochwasser August 2002 und Regionen mit großflächiger Beeinflussung durch den Braunkohlenabbau). Der räumlichen Struktur entsprechend besteht die Möglichkeit, bei der Gebietsauswahl zwischen einem klein- und einem großräumigen Berechnungsmaßstab zu wählen. Die kleinräumige Berechnung beschränkt die Auswahlmöglichkeit auf ein einzelnes Teileinzugsgebiet. Die großräumige Untersuchung ermöglicht die Berechnung des Wasserhaushalts auf der Ebene 82

6 HW , H.1 DOI: /HyWa _2016,1_5 Müller et al.: Das Wasserhaushaltsportal Sachsen... Fachartikel Abbildung 6 Gestaltung der Benutzeroberfläche der Säule C mit Startansicht des Expertensystems für die interaktive Berechnung des Wasserhaushalts Web design of the start-up-view of section C for the interactive calculation of the water balance Abbildung 7 Layout des zentralen Bedienfeldes zum Beginn des Arbeitsschrittes Gebiet auswählen mit den Teilschritten für die groß- und kleinskalige Berechnung Layout of the central control panel at the beginning of the working step area selection, showing the tasks for small and large-scale calculations von ArcEGMO-Modellen. Der Nutzer hat hier die Möglichkeit, ArcEGMO-Modellierungseinheiten einzeln und mit den zugehörigen Oberlieger-Modellen zu berechnen. Letzteres ermöglicht die Berechnung von Durchflüssen an Auslasspegeln mit allen Beiträgen aus Oberliegermodellen und die Modellierung des großflächigen Wasserhaushalts bis zur Flussgebietsebene. Die Gebietswahl selbst umfasst mehrere aufeinander folgende Schritte, die das Ablaufschema im rechten Teil des Gebietsauswahlfeldes veranschaulicht (Abb. 7). Das linke Feld des Gebietsauswahlmenüs beinhaltet eine kurze Hilfe zu den jeweiligen Schritten Arbeitsschritt Gebietsparameter definieren Das Menü Gebietsparameter definieren enthält Bedienelemente zur Änderung von Gebietseigenschaften (Abb. 8). Dem Nutzer stehen Werkzeuge zur Änderung von Landnutzungsklassen, Bodeneigenschaften und Drainagemaßnahmen zur Verfügung. Die Reihenfolge durchführbarer Änderungen ist mit Landnutzungen, Bodeneigenschaften und Drainagen vorgegeben. Die während der Bearbeitung aktuell aktive Änderungsoption ist rot markiert. Popup-Fenster geben jeweils vor dem Akzeptieren der Änderungen eine tabellarische Übersicht über die vorgenommenen Veränderungen. Landnutzungsklassen definieren Bei der Änderung der Landnutzungsklassen für kleinräumige Berechnungen besteht die Möglichkeit, die bestehende Landnutzungsklasse eines oder mehrerer EFL gleichzeitig zu ändern. Bei großskaligen Berechnungen sind nur pauschale Änderungen für alle einheitlichen EFL eines ArcEGMO- Modells möglich. Zur Auswahl stehen die Klassen: Industrie, Wohnfläche, Acker, Sonderkultur, Grünland, Laub-, Nadel-, Mischwald, Moor, vegetationslose Fläche, Wasser und gemischte Nutzung. In dem in Abbildung 8 gezeigten Beispiel ist jede EFL entsprechend der Landnutzungsklasse farblich kodiert. Das Bedienfeld Information bietet einen Überblick über alle Hydrotope des Gebiets. Eine statistische Gesamtübersicht enthält das Feld Alle Parameter, über das auch die simultane Änderung sämtlicher EFL einer entsprechenden Landnutzungsklasse möglich ist. Nach jeder Änderung wird die komplette Webdarstellung aktualisiert. Bodeneigenschaften definieren Die Charakterisierung der Bodeneigenschaften in Sachsen stützt sich in KliWES auf die Bodenkonzeptkarte BKkonz im Maßstab 1: und die Bodenkundliche Kartieranleitung (Ad-hoc-Arbeitsgruppe Boden 2005). Eine ausführliche Beschreibung der Parametrisierung der Bodeneigenschaften enthält SCHWARZE et al. (2015). Jede vorkommende Kombination von Parametern eines Bodens trägt eine eindeutige Identifikationsnummer (Aggregatnummer, AGGNR). Diese AGGNR wird als Label in der Karte sowie im Bereich Information und Alle Parameter auf der Benutzeroberfläche dargestellt. Das Menü zur Änderung der Bodeneigenschaften Lagerungsdichte und Humusgehalt erfolgt jeweils in einem separaten Fenster (Abb. 9). Bei kleinräumigen Berechnungen besteht wiederum die Möglichkeit, die Böden einzelner EFL als auch alle EFL mit einer bestimmten AGGNR simultan zu ändern. Bei großräumigen Berechnungen erfolgt die Auswahl der zu ändernden Böden über die Landnutzung. Die Anteile einer Landnutzung am jeweiligen Modell sind nach Abbildung 9 im Bedienfeld Alle Parameter zusammengefasst. Bei Auswahl einer Landnutzungsklasse erscheinen alle Böden, auf denen diese Landnutzungsklasse vorherrscht, nach ihrer AGGNR. Einzelne AGGNR lassen sich auswählen und anpassen, wobei jeweils neue Böden mit neuen AGGNR erzeugt werden. Der mögliche Funktionsumfang der Gebietsparameteränderungen unterscheidet sich dabei abhängig davon, ob der Nutzer eine klein- oder großräumige Berechnung durchführt. Auf Ebene der EFL erhalten hierbei nur diejenigen EFL neue Böden mit neuen AGGNR, die auch die jeweilige Landnutzungsklasse besitzen. Durch dieses Vorgehen ist die Modellierung von 83

7 Fachartikel DOI: /HyWa _2016,1_5 Müller et al.: Das Wasserhaushaltsportal Sachsen... HW , H.1 Nutzer kann zu jedem Hydrotop oder zu jeder ArcEGMO-Modellierungseinheit einen Drainagetyp hinzufügen und parametrisieren bzw. existierende Drainagen entfernen (Abb. 10). Großräumig können für alle EFL eines Modells mit einer Landnutzungsart neue Drainagen eingebracht, neue und bestehende Drainagen parametrisiert oder Drainagen gänzlich entfernt werden. Abbildung 8 Ansicht der Weboberfläche im Arbeitsschritt Gebietsparameter definieren während der Änderung der Landnutzungsklasse von Grünland nach Nadelwald Layout of the web-interface for the working step define catchment parameters during the change-over of the land use category from grassland to coniferous forest Arbeitsschritt Klimaszenario auswählen Für die Auswahl eines Klimaszenarios (Abb. 11) bestehen zwei Möglichkeiten: Erstens, die Auswahl eines der 13 vordefinierten Klimaszenarien für zukünftig mögliche Entwicklungen (Zeitraum ) bzw. eines aus Beobachtungswerten abgeleiteten Datensatzes für den Istzustand (Zeitraum ). Zweitens, die Verwendung eines nutzerdefinierten Klimaszenarios. Die zweite Option ist jedoch, wegen erforderlicher manueller Arbeitsschritte, Passwort geschützt und nur nach Anmeldung bei der zuständigen Behörde zugänglich. Der Berechnungszeitraum einer Wasserhaushaltsberechnung beträgt generell mindestens 10 Jahre. Abbildung 9 Ausschnitt der Weboberfläche im Arbeitsschritt Bodeneigenschaften definieren während der Änderung der Bodeneigenschaften für jede Schicht eines Bodens Section of the web-interface showing the menu for the definition of soil parameters while changing the soil parameters humus level and bulk density for each layer of a soil Szenarien denkbar, in dem z.b. ein Wald in Ackerfläche umgewandelt wird, was direkte Auswirkungen auf den Boden durch veränderte Humusgehalte und die Lagerungsdichten hätte. Drainageeigenschaften definieren Die Änderung von Drainageeigenschaften bei kleinräumigen Berechnungen erfolgt im Wesentlichen analog zur bereits beschriebenen Definition der Bodeneigenschaften. Die Drainageeigenschaften lassen sich durch den Drainagetyp (keine Drainage, Graben- oder Rohrdrainage), den Anschlussgrad und die Drainagetiefe parametrisieren. Auch hier ist jede Kombination von Parametern durch eine eindeutige ID-Nummer gekennzeichnet. Der Auslösen einer Berechnung und Zugriff auf die Ergebnisse Wurden alle erforderlichen Arbeitsschritte durchgeführt, kann der Auftrag zur Berechnung einer Wasserhaushaltsmodellierung über den Schaltknopf Auftrag abschicken ausgelöst werden. Nach der internen Prüfung aller notwendigen Angaben erscheint eine Zusammenfassung der vorgenommenen Änderungen. Nach dem Abschicken des Auftrages erhält der Anwender eine Bestätigung per mit einer seinem Auftrag zugewiesenen Auftrags- ID ( Jobnummer ). Nach einer erfolgreichen Wasserhaushaltsberechnung stellt ein per zugesandter Download-Link dem Nutzer die Ergebnisse einen Monat lang zur Verfügung. 3 Informationstechnische Umsetzung der Auftragsverarbeitung Die Systemarchitektur der Säule C besteht im Wesentlichen aus zwei Ebenen. Die erste Ebene beinhaltet Nutzer- und Serverseite der Webanwendung und ist primär für die Entgegennahme der 84

8 HW , H.1 DOI: /HyWa _2016,1_5 Müller et al.: Das Wasserhaushaltsportal Sachsen... Fachartikel Abbildung 10 Ausschnitt der Weboberfläche im Arbeitsschritt Drainageeigenschaften definieren während der Änderung der Drainageeigenschaft für eine Rohdrainage Section of the web-interface showing the menu for the definition of drainage properties while changing the drainage type, connection rate and drainage depth Abbildung 11 Das zentrale Bedienfeld der Webanwendung mit Einstellungsmöglichkeiten zum Arbeitsschritt Klimaszenario auswählen The central control panel of the web application with options for the working step climate scenario selection Berechnungsaufträge zuständig. Auf der zweiten Ebene findet die Verarbeitung der Berechnungsaufträge statt. Abbildung 12 illustriert den Ablauf der Auftragsverarbeitung in Säule C. Das Webinterface generiert mit dem Abschicken eines Berechnungsauftrags eine Auftragsbeschreibung im ASCII-Format. Diese enthält alle benötigten Parameter zur Simulation des Wasserhaushalts mit ArcEGMO sowie zur Interaktion mit dem Nutzer. Zunächst findet über eine Kommunikationsschnittstelle die Übergabe des Berechnungsauftrags vom Server des Webportals an den WHH-Simulationsserver statt. Ein Perl-Skript veranlasst den Versand einer an den Nutzer, um den Eingang des Auftrags zu bestätigen. Über die Kommunikationsschnittstelle wird dann ein weiteres Perl-Skript zur Auftragsverarbeitung als eigenständiger Kindprozess gestartet. Aus dem Archiv mit 242 vorparametrisierten ArcEGMO-Modellen erfolgt die Bereitstellung aller erforderlichen Dateien und Verzeichnisse für einzelne (kleinskalige Berechnung) oder mehrere (großskalige Berechnung) ArcEGMO-Modelle. Anhand der Nutzervorgaben in der Auftragsbeschreibung werden dann die Modelle angepasst. Dieser Schritt umfasst die Abänderung der Modellparameter (Boden, Landnutzung, Drainage, Klimadaten und Simulationszeiträume) in mehreren Konfigurationsdateien in den einzelnen Modulen über reguläre Ausdrücke sowie eventuelle zusätzliche Adaptionen zur Einhaltung von Randbedingungen. Für kleinräumige Berechnungen ist die Abarbeitung eines Auftrags trivial, da hier nur ein einzelnes ArcEGMO- Modell gestartet werden muss. Für die großräumige Berechnung muss zwischen den Berechnungsarten mit Oberlieger und ohne Oberlieger unterschieden werden. Für ohne Oberlieger erweist sich die Simulation ebenfalls als unproblematisch. Für eine Berechnung mit Oberliegergebieten ist in einem ersten Schritt die Baumstruktur des Gewässernetzes zu bestimmen, die die Abfolge der Modellberechnungen vorgibt. Nur bei einer Übergabe der Zeitreihen der simulierten Gebietsausflüsse von Oberliegermodellen an Unterliegermodelle ergeben sich stimmige Gesamtbilanzen für Modellgebiete. Existieren in der Baumstruktur mehrere gegenseitig unbeeinflusste Oberliegergebiete, lassen sich diese, zur Zeitersparnis, verteilt auf mehreren CPU-Kernen parallel berechnen. Der ermittelte Abfluss wird dann kaskadenweise an die entsprechenden Unterliegermodelle als Zuflusszeitreihe übergeben. Dieser Schnitt lässt sich so lange wiederholen, bis das vom Benutzer gewünschte Auslassgebiet mit Zuflüssen aus allen Oberliegermodellen berechnet ist. Im nächsten Schritt erfolgt eine Zusammenfassung der Modellausgaben. Die erzeugten Ergebnisse werden in einem Archiv gepackt. Ein Download-Link wird erzeugt, der dem Nutzer in einer abschließenden zugesandt wird. Über ebenfalls bereitgestellte Attributdateien und Shapes sind vorgenommene Änderungen per GIS-Anwendung für den Nutzer nachvollziehbar und die berechneten Modellgebiete und EFL verortbar. Eventuelle Fehler, die sich entlang der Berechnungskette ergeben könnten, lassen sich in einer Datenbank für jede Auftrags-ID erfassen. Eine manuelle Kontrolle und Korrespondenz mit dem Nutzer ist dann über die ebenfalls hinterlegte möglich. Das Bereitstellen des Wasserhaushaltsportals Sachsen für die Säulen A, B und C im Internet wird von der Technischen Universität Dresden mit dem Lehrstuhl für Hydrologie in Kooperation mit dem Zentrum für Informationsdienste und Hochleistungsrechnen (ZIH) übernommen. Die Kooperation gewährleistet über die angestrebte Laufzeit eine hohe Verfügbarkeit des Wasserhaushaltsportals. Hierzu wird die am Lehrstuhl zur Entwicklung genutzte Hardware am ZIH über Virtuelle Maschinen (VM) verfügbar gemacht (Abb. 13). Beide Systeme existieren parallel, 85

9 Fachartikel DOI: /HyWa _2016,1_5 Müller et al.: Das Wasserhaushaltsportal Sachsen... HW , H.1 Novell Suse Das Wasserhaushaltsmodell ArcEGMO benötigt als Operationssystem Microsoft Windows, der WHH-Simulationsserver arbeitet daher auf Basis von Windows-Server 2008 RC2. 4 Zusammenfassung Wasserwirtschaftsbehörden stehen vor der Anforderung, detaillierte regionale Daten, Informationen und Prognosen zur Entwicklung des Wasserdargebots in einer sich ändernden Umwelt zur Verfügung zu stellen. Abbildung 12 Schema zur schrittweisen automatischen Abarbeitung der eingehenden Berechnungsaufträge in der Säule C Schematic of the stepwise automatic processing of all incoming calculation jobs in section C Als leicht zugänglicher Informationskanal wurde das Wasserhaushaltsportal Sachsen erstellt und in einer ersten Ausbaustufe (Säule A) bereits im Mai 2012 freigeschaltet. Im Mai 2014 erfolgte die Freischaltung der Säule B. Seit dem entlastet das Wasserhaushaltsprotal das SMUL bei der Bereitstellung von flächendeckenden Daten zu Wasserhaushaltskomponenten und Modellparametern für ganz Sachsen sowohl für den Istzustand (Jahre ) als auch für Szenarien zukünftiger Klimaveränderungen und Landnutzungsänderungen (Jahre ). Nutzer aus Behörden, Ämtern, Organisationen, Forschungseinrichtungen, Ingenieurbüros sowie private Anwender können über das Internet diese Daten beziehen und eigene Auswertungen und Interpretationen vornehmen. Abbildung 13 Schema der hardwareseitigen Umsetzung zum Hosting des Wasserhaushaltsportal Sachsens mit den Säulen A, B und C Schematic of the hardware used for hosting the web-services of sections A, B and C of the Wasserhaushaltsportal Sachsen das explizite Bereitstellen geschieht jedoch über die VM am ZIH. Dieses Vorgehen ermöglicht neben einer hohen Ausfallsicherheit bei hardwareseitigen Störfällen vor allem eine hohe Stabilität auch bei länger anhaltenden Stromausfällen im öffentlichen Netz. Für den Fall, dass am ZIH selbst Probleme auftreten sollten und um eine Weiterentwicklung zu ermöglichen, stehen die Server am Lehrstuhl weiterhin zur Verfügung. Wie in Abbildung 13 ersichtlich, sind insgesamt drei Server für den Betrieb des Wasserhaushaltsportals erforderlich. Der Web- Eingangsserver Webserver Lehrstuhl ist aus Sicherheitsgründen dem eigentlichen System vorgeschaltet. Dieser Server sowie der Webserver Webportal der Säulen A, B und C basiert auf Das Anfang 2016 freigeschaltete interaktive Expertenwerkzeug der Säule C ermöglicht es fachlich versierten Anwendern darüber hinaus, Wasserhaushaltsberechnungen mit selbst gewählten Parametern und Eingangsdaten durchzuführen. Es lassen sich vordefinierte Landnutzungsklassen vergeben, Humusgehalte und Lagerungsdichten von Bodenschichten verändern und Drainagemaßnahmen implementieren, da diese nicht mit der Kalibrierung der 242 verfügbaren Wasserhaushaltsmodelle interferieren. Auf Servern der Technischen Universität Dresden werden dann nach den Vorgaben des Nutzers Modellläufe mit dem Wasserhaushaltsmodell ArcEGMO ausgeführt und Ergebnisse übergeben. Der hydrologisch versierte Nutzer ist mit dem Expertensystem somit in der Lage, auch großräumige Adaptionsmaßnahmen an Veränderungen des Wasserhaushalts durch Anpassung der 86

10 HW , H.1 DOI: /HyWa _2016,1_5 Müller et al.: Das Wasserhaushaltsportal Sachsen... Fachartikel Landnutzung, der Bodenbewirtschaftung und durch Hydromeliorationsmaßnahmen für den projizierten Klimawandel als auch für rezente Verhältnisse durchzuspielen. Der Leistungsumfang und die Konzeption des vorgestellten webbasierten, interaktiven Expertensystems der Säule C ist bisher einmalig in Deutschland. Summary Water authorities will be increasingly faced with the challenge of providing both experts and the general public with detailed regional data, information and projections on the development of water availability in a changing environment. To this end, a readily accessible information channel has been created, i.e. the Wasserhaushaltsportal Sachsen (water balance portal Saxony). It provides regional data on water balance components for the whole of Saxony for the recent past ( ) and for climate change projections ( ). The portal itself contains three web-gis-applications, which represent the three working fields (sections A, B and C) of the project KliWES. The primary focus of the section A and B websites is to publish the results of already performed investigations, i.e. water balance components and model parameters for the SLOWCOMP model, in the whole German federal state of Saxony. The website of section C furthermore allows online water balance modelling with user-defined parameters. Predefined land use classes can be exchanged, humus content and bulk densities of soil layers changed and new drainage measures implemented, thus allowing the assessment of new or adopted agricultural management strategies. The selected model parameters can be freely modified by the user, because they do not interfere with the existing calibrations of the 242 available water balance models. The online calculations with the water balance model ArcEGMO are performed on servers at the Technische Universität Dresden and results are reported back to the user by means of transfer. This expert system enables the user to easily perform scenarios for large-scale adaptation measures such as land use adaptations, soil conservation adaptations and adaptations by changes on drainage measures for various predefined and user-defined climate change scenarios and for recent conditions. Its scope of service and concept makes this web-based and interactive expert system of section C unique in Germany. Danksagung Die Arbeiten wurden durch den Freistaat Sachsen (Projekt Kli- WES, Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie) finanziert. Anschrift der Verfasser: Dr. R. Müller Dipl.-Ing. A. Gurova Dipl.-Geogr. P. Röhm Dr. P. Winkler Dr. R. Schwarze Dr. W. Dröge Prof. Dr. habil. N. Schütze Institut für Hydrologie und Meteorologie Technische Universität Dresden Bergstraße 66, Dresden ruben.mueller@tu-dresden.de Literaturverzeichnis Ad-hoc-Arbeitsgruppe Boden (2005): Bodenkundliche Kartieranleitung. Hrsg. Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe in Zusammenarbeit mit den Staatlichen Geologischen Diensten, 5. Aufl. Hauffe, C., R. Müller, P. Winkler, A. Baldy, R. Schwarze & M. Wagner (2016): Strategie zur Kalibrierung großräumiger Wasserhaushaltsmodelle sowie Ergebnisse für Ist-Zustand und Klimaszenarien in Sachsen. Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 60 (1), 57-77; DOI: /HyWa_2016, 1_4 IPCC (2007): Climate Change 2007: The Physical Science Basis, Summary for Policymakers. Fourth Assessment Report, Genf KREIENKAMP, F., A. SPEKAT & W. ENKE (2010): Ergebnisse eines regionalen Szenarienlaufs für Deutschland mit dem statistischen Modell WETTREG Climate & Environment Consulting Potsdam GmbH. Bericht an Umweltbundesamt, 48 S. Kreienkamp F., A. Spekat & W. Enke (2011): WEREX V Bereitstellung eines Ensembles regionaler Klimaprojektionen. Abschlussbericht der CEC Potsdam GmbH zum FuE- Projekt des LfULG, 150 S. LÜNICH, K., L. KRAUß, E. BÖHM & P. GRÜDL (2013): KliWES Auswahl von Landnutzungsszenarien Begründeter Vorschlag für die Auswahl geeigneter Landnutzungsszenarien für die Wasserhaushaltsberechnung im Rahmen des Projekts KliWES. Zwischenbericht. Hrsg. Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie (LfULG), Dresden PFÜTZNER, B., B. KLÖCKING & A. BECKER (2007): ArcEGMO GIS-gestützte hydrologische Modellierung. Hrsg. Büro für Angewandte Hydrologie (BAH), Berlin und Potsdam Roeckner, E., G. Bäuml, L. Bonaventura, R. Brokopf, M. Esch, M. Giorgetta, S. Hagemann, I. Kirchner, L. Kornblueh, E. Manzini, A. Rhodin, U. Schlese, U. Schulzweida & A. Tompkins (2003): The atmospheric general circulation model ECHAM5: Part I: Model description. Report Nr. 349, Max Planck Institut für Meteorologie, Hamburg, 127 S. SCHMIDT, W. (2003): Bodenschonende Bearbeitung. Informations - schrift Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft Schmidt, W. (2010): Konservierende Bodenbearbeitung und Direktsaat Wege zu einer bodenschonenden und wassersparenden Bewirtschaftung. REGKLAM-Workshop Nossen Schwarze, R., W. Dröge, M. Wagner, S. Spitzer, M. Maleska & K. Kuhn (2016): Untersuchung möglicher Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushalt in Sachsen Lösungsansatz, Analyse Ist-Zustand, Daten- und Parametermodell, Modelltest. Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 60 (1), 38-56; DOI: /HyWa_2016, 1_3 SCHWARZE, R., A. HERRMANN, A. MÜNCH, U. GRÜNEWALD & M. SCHÖNIGER (1991): Rechnergestützte Analyse von Abflusskomponenten und Verweilzeiten in kleinen Einzugsgebieten. Acta Hydrophys. Berlin 35 (2), SMUL (2014): Anpassungsmaßnahmen des sächsischen Pflanzenbaus an den Klimawandel. Sächsisches Staatsministerium für Umwelt und Landwirtschaft. Ergebnisse des BMBF Vorhabens REGKLAM Modul 3.3 Landnutzung 87