Abflusshöhe Sickerwasserrate Grundwasserneubildung Drei Themen im Hydrologischen Atlas von Deutschland

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1 2 Jankiewicz/Neumann/Duijnisveld/Wessolek/Wycisk/Hennings: Abflusshöhe Sickerwasserrate... HW , H. 1 Abflusshöhe Sickerwasserrate Grundwasserneubildung Drei Themen im Hydrologischen Atlas von Deutschland Runoff Depth Rate of Percolation from the Soil Groundwater Recharge Three topics in the Hydrological Atlas of Germany von Petra J a n k i e w i c z, Jörg N e u m a n n, Wilhelmus H.M. D u i j n i s v e l d, Gerd W e s s o l e k, Peter W y c i s k und Volker H e n n i n g s Die Wasserhaushaltsgrößen Abflusshöhe, Sickerwasserrate und Grundwasserneubildung werden innerhalb des Hydrologischen Atlas von Deutschland (HAD) als eigenständige Themen in den Kapiteln Oberflächenwasser, Bodenwasser und Grundwasser behandelt. Dabei muss jedoch berücksichtigt werden, dass sie thematisch eng miteinander verknüpft sind und z.t. sogar dieselben Prozesse beschreiben. Die entsprechenden Kartendarstellungen beruhen auf voneinander unabhängigen, speziell für die Anforderungen des HAD neu entwickelten Methoden. Im vorliegenden Beitrag werden die unterschiedlichen Modellkonzeptionen vorgestellt sowie die daraus resultierenden Ergebnisse verglichen und diskutiert. The Hydrological Atlas of Germany (HAD) treats the water balance components Runoff Depth, Rate of Percolation from the Soil and Groundwater Recharge as independent topics in the chapters Surface Water, Soil Water and Groundwater. Nevertheless, they are interconnected and describe even similar processes. The three thematic maps base on specific methods, which have been developed especially for the intentions of the HAD. This paper presents these different methods, compares and discusses the results. 1 Einleitung Wissenschaftliche Kartenwerke wie der Hydrologische Atlas von Deutschland (HAD) (BMU 1998, 2001, 2003) dienen einem allgemeinen Informationsbedarf, der alle gesellschaftlichen Bereiche wie Forschung, Ausbildung, Wirtschaft und Politik umfasst. Auf Empfehlung des IHP/OHP-Nationalkomitees der Bundesrepublik Deutschland wird seit 1997 das Standardkartenwerk "Hydrologischer Atlas der Bundesrepublik Deutschland" (KELLER 1978) aktualisiert. Mit dem neuen Hydrologischen Atlas von Deutschland steht jetzt ein aktuelles und modernes Instrumentarium zur Verfügung, das neben Grundlagendaten und aggregierten Datensätzen auch Einblick in die hierfür neu entwickelten angewendeten wissenschaftlichen Methoden bietet (BUSSKAMP et al. 1999). Der Themenkomplex Wasserhaushalt nimmt innerhalb des HAD einen breiten Raum ein und wird nicht ausschließlich im gleichnamigen Abschnitt, sondern auch in den Bereichen Bodenwasser, Grundwasser und Oberflächenwasser behandelt. In diesem fachgebietsübergreifenden Kontext sind die Wasserhaushaltsgrößen Abflusshöhe (Gesamtabfluss), Sickerwasserrate und Grundwasserneubildung thematisch besonders eng miteinander verknüpft und beschreiben teilweise sogar dieselben Prozesse. Wesentliche methodische Aspekte der Berechnung und Regionalisierung in Verbindung mit der erforderlichen Datenbasis wurden bereits im Jahr 1996 anlässlich eines HAD-Workshops vorgestellt und diskutiert (LEIBUNDGUT & DEMUTH 1997). Auf der Grundlage der dort gewonnenen Erkenntnisse wurde für die entsprechenden Kartentafeln des Hydrologischen Atlas von Deutschland ein Konzept entwickelt, das den Anforderungen der beteiligten Fachdisziplinen Hydrologie, Bodenkunde und Hydrogeologie in gleicher Weise gerecht wird und inhaltlich konsistente, eigenständige Profile der drei Themen gewährleistet. Der vorliegende Beitrag ist als Ergänzung zu den recht knappen Erläuterungstexten innerhalb des HAD zu verstehen. Er dient dazu, die eigens zu diesem Zweck entwickelten Verfahren und die methodischen Grundlagen der Tafeln 3.5 Abflusshöhe, 4.5 Sickerwasserrate und 5.5 Grundwasserneubildung kurz darzustellen, zueinander in Beziehung zu setzen und die daraus resultierenden Ergebnisse vergleichend zu diskutieren. 2 Gebietswasserhaushalt und Abflussbildung Die wesentlichen Komponenten und Prozesse des Gebietswasserhaushalts werden im Folgenden erläutert, und es wird gezeigt, wie die Wasserhaushaltsgrößen der drei Tafeln inhaltlich miteinander verbunden sind (Abb. 1). Der Niederschlag wird durch Benetzung (Interzeption) von Pflanzen- und anderen Oberflächen zwischengespeichert, gelangt als Oberflächenabfluss (R O ) zum Vorfluter oder infiltriert direkt in den Untergrund. Ein Teil des infiltrierten bzw. gespeicherten Wassers kann durch Evaporation vom Boden, Transpiration von den Pflanzen bzw. Interzeptionsverdunstung von den Oberflächen in die Atmosphäre zurück gelangen, der Rest versickert und wird als Sickerwasserrate aus dem Boden (SWR) bezeichnet. Der an weniger durchlässigen Schichten gestaute Anteil tritt entsprechend dem Gefälle als Zwischenabfluss (R I ) an der Abbildung 1 Schematische Darstellung wesentlicher Zusammenhänge des Gebietswasserhaushalts: Einflussfaktoren auf Abflussbildung und -konzentration Scheme of the essential interconnections of the water balance: factors which influence runoff generation and runoff concentration

2 HW , H. 1 Jankiewicz/Neumann/Duijnisveld/Wessolek/Wycisk/Hennings: Abflusshöhe Sickerwasserrate... 3 Oberfläche oder in einem Vorfluter wieder aus. Zur Grundwasserneubildung (GWN) trägt nur der in den Grundwasserraum eintretende Anteil des Sickerwassers bei. Der Basisabfluss (R B ) umfasst die grundwasserbürtigen Abflusskomponenten und speist letztlich den Vorfluter auch in niederschlagsarmen Zeiten. Kapillarer Aufstieg aus dem Grundwasser kann die Vegetation auf grundwassernahen Standorten zusätzlich mit Wasser versorgen. Bei Flächeneinheiten ab 1km 2 Größe wird angenommen, dass Oberflächenabfluss, Zwischenabfluss und Grundwasserabfluss weitgehend in der Gesamtabflusshöhe (R) des Flächenelements enthalten sind. Die Gesamtabflusshöhe unterhalb des verdunstungsbeeinflussten Bereichs wird im vieljährigen Mittel der Differenz der hydrometeorologischen Größen korrigierte Niederschlagshöhe (P korr ) und tatsächliche Verdunstungshöhe (ETa) gleichgesetzt. Zusammengefasst gelten folgende Beziehungen: Gesamtabflusshöhe: R = P korr ETa (1) Sickerwasserrate: SWR = P korr ETa R O = R R O (2) Grundwasserneubildung: GWN = P korr ETa R D = R R D = R B (3) mit Direktabfluss: R D = Oberflächenabfluss R O + Zwischenabfluss R I = Summe schneller Abflusskomponenten 3 Methodische Grundlagen 3.1 Gesamtabflusshöhe Wie anhand von Gleichung (1) deutlich wird, repräsentiert die Gesamtabflusshöhe R den nicht verdunstenden und damit abflussrelevanten Anteil des Niederschlags. Das Wasserhaushaltsverfahren BAGLUVA (Verfahren nach Bagrov und Glugla zur Bestimmung vieljähriger Mittelwerte der tatsächlichen Verdunstungshöhe und der Abflusshöhe; GLUGLA et al. 2003) wurde im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Forschungsprojektes an der Bundesanstalt für Gewässerkunde entwickelt und für den HAD genutzt, um die Themen Mittlere jährliche tatsächliche Verdunstungshöhe und Mittlere jährliche Abflusshöhe zu bearbeiten (Atlastafeln 2.13 und 3.5, GLUGLA et al. 2001). In Abbildung 2 sind die für das Verfahren notwendigen Eingangsgrößen ersichtlich. Die diesen Eingangsgrößen zugrunde liegenden Informationen wurden größtenteils den für den HAD erstellten Grundlagendaten (wie Orohydrographie, Bodenbedeckung, Bodenübersicht, mittleres Andauerverhalten der Schneedecke usw.) entnommen, wodurch eine konsistente Darstellung innerhalb der HAD-Themen gewährleistet ist. Basis des Verfahrens ist die von GLUGLA et al. (2003) modifizierte Bagrov-Beziehung (BAGROV 1953) (Abb. 3), die basierend auf vieljährigen Mittelwerten wesentliche Zusammenhänge zwischen Wasser- und Wärmehaushalt beschreibt. Die tatsächliche Verdunstung ETa ist abhängig von der Wasserverfügbarkeit durch (korrigierten) Niederschlag (bei der Niederschlagsmessung auftretende Benetzungsund Verdunstungsverluste sind rechnerisch berücksichtigt, um das eigentliche, den Boden erreichende Niederschlagsdargebot zu erfassen), Beregnung sowie Wasseraufstieg aus flurnahem Grundwasser, zusammengefasst in P korr, der Energieverfügbarkeit in Form der maximalen Verdunstung ETmax sowie den Standortbedingungen, gekennzeichnet durch den Effektivitätsparameter n. Der Parameter n quantifiziert im Wesentlichen den Einfluss der Standortbedingungen hinsichtlich der zeitlichen und räumlichen Verfügbarkeit des stochastisch verteilten Niederschlags für die tatsächliche Verdunstung im Interzeptionsspeicher (Speicherinhalt beeinflusst durch Interzeptionskapazität, Häufigkeit der Niederschlagsereignisse...) und im Bodenspeicher (Speicherinhalt beeinflusst durch nutzbare Feldkapazität und Ausschöpfungstiefe...). ETmax ist die maximale Verdunstung der jeweiligen Landnutzung bei ausreichender Wasserverfügbarkeit. Die Höhe der maximalen Verdunstung wird zunächst durch das klimatologisch bedingte Energieangebot aus kurz- und langwelliger Strahlung und sensibler Wärme bestimmt. Dieses klimatologisch bedingte Energieangebot wird jedoch abhängig von den Standortbedingungen des Bodens und der Vegetation in unterschiedlicher Art und Höhe für die Verdunstung genutzt. Für eine Grasfläche wird sie gleich der Gras-Referenzverdunstung ET 0 gesetzt. Der Einfluss anderer Landnutzungsformen auf die jeweilige Energieausnutzung wird durch einen Faktor f, bestimmt durch Auswertung umfangreicher Lysimeterbeobachtungen als Funktion von Landnutzung und Boden, zur Gras-Referenzverdunstung ET 0 parametrisiert: ETmax = f. ET 0 (4) Die Berechnungen werden zunächst für die sieben Landnutzungseinheiten versiegelte, vegetationslose Flächen, Grünland, Ackerland, Laubwald, Nadelwald und Gewässer durchgeführt. Die für eine Grundflächeneinheit angegebene Klasse der CORINE-Daten (STATISTISCHES BUNDESAMT 1994) wird in diese verschiedenen Landnutzungen prozentual aufgeschlüs- Abbildung 2 Eingangsgrößen in das Verfahren nach Bagrov und Glugla und Flussdiagramm zur Bestimmung vieljähriger Mittelwerte der tatsächlichen Verdunstungshöhe und der Abflusshöhe (GLUGLA et al. 2003) Input and flow-chart to determine long-term means of actual evapotranspiration and runoff depth with the method after Bagrov and Glugla (GLUGLA et al. 2003)

3 4 Jankiewicz/Neumann/Duijnisveld/Wessolek/Wycisk/Hennings: Abflusshöhe Sickerwasserrate... HW , H. 1 selt, anschließend erfolgt eine flächenanteilig gewichtete Mittelung der berechneten Wasserhaushaltsgrößen für die in der Grundfläche vorkommenden Landnutzungseinheiten. Die Berechnung wird in folgenden Bearbeitungsschritten durchgeführt: 1. Für die im Mittel errechnete Zeit mit Schneedecke wird außer für Waldflächen für alle Landnutzungseinheiten entsprechend der Andauer die maximale Verdunstung gleich der Schneeverdunstung (also der tatsächlichen Verdunstung) gesetzt. 2. Für Zeiträume ohne Schneedecke wird mit dem Parameter f als Funktion von Landnutzung und Volumenfeuchte der nutzbaren Feldkapazität Θ nfk (wodurch der für die maximale Verdunstung entscheidende ausschöpfbare Wasservorrat des entsprechenden Bodens charakterisiert wird) sowie mit der Gras-Referenzverdunstung ET 0 die maximale Verdunstung ETmax berechnet. Bei geneigtem Gelände wird der Parameter f durch den von Hangneigung und -exposition abhängigen Parameter f H modifiziert: ETmax = f. H f. ET 0 (5) 3. Der Effektivitätsparameter n, wie f anhand von Lysimeterauswertungen quantifiziert, wird bei flurfernem Grundwasserstand festgelegt für versiegelte Flächen mit konstantem Wert 0,16, vegetationslose Flächen, Grün- und Ackerland in Abhängigkeit von der Volumenfeuchte bei nutzbarer Feldkapazität Θ nfk, Laub- und Nadelwald in Abhängigkeit vom Umtriebsalter UA, ferner wird nach zwei Bereichen von Θ nfk unterschieden (sandige, bindige Böden). Für jede Landnutzung kombiniert mit dem Boden werden somit spezifische Abhängigkeiten des Effektivitätsparameters von der nutzbaren Feldkapazität angewendet, die das unterschiedliche Widerstandsverhalten der jeweiligen Pflanzenarten berücksichtigen. 4. Bei gleichen Boden- und Landnutzungsbedingungen steigt die mittlere jährliche Verdunstung an, wenn der Anteil der sommerlichen Niederschläge (P korr,so ) am Jahresmittelwert größer wird, Gleiches gilt bei sommerlicher Beregnung (B) und Kapillarwasseraufstieg (KR) aus flurnahem Grundwasser. Hierbei wird der Effektivitätsparameter als Maß für Abbildung 3 Bagrov-Beziehung (BAGROV 1953, modifiziert nach GLUGLA et al. 2003): Darstellung der nichtlinearen Zusammenhänge zwischen Wasser- und Wärmehaushalt Bagrov-Relation (BAGROV 1953, modified by GLUGLA et al. 2003): presentation of the non-linear dependence between water and energy balances die Bodenwasserausschöpfung abhängig von den vorgenannten Größen und der Landnutzung (zusammengefasst im Parameter a) korrigiert: n K = a n (6) 5. Die Berechnung des mittleren Kapillarwasseraufstiegs KR in die Ausschöpfungszone erfolgt in Abhängigkeit vom Grundwasserflurabstand z G, von der Volumenfeuchte bei nutzbarer Feldkapazität Θ nfk und von b. We (We ist die Ausschöpfungstiefe, die sich als Mittel der maximalen monatlichen Ausschöpfungstiefe eines jeden Jahres aller Beobachtungsjahre ergeben hat, b berücksichtigt die in der Ausschöpfungszone We vorherrschende Saugspannung, die bei einer Bodenfeuchte 50 % von Θ nfk auftritt. Beziehungsgleichungen für We wurden über die Auswertung der Lysimetermessungen als Funktion von Landnutzung und Boden abgeleitet). 6. Durch Anwendung der BAGROV-Beziehung unter Nutzung der Größen korrigierter Niederschlag P korr sowie n bzw. n K werden ETa/ETmax bzw. ETa berechnet. Die Gewässerverdunstung E w wird separat nach einem Verfahren vom Deutschen Wetterdienst geliefert (DVWK 1996). 7. Die Abflusshöhe (Gesamtabfluss) ergibt sich schließlich als Restgröße: R = P korr ETa (7) 3.2 Sickerwasserrate aus dem Boden Die Sickerwasserrate aus dem Boden SWR ist als die Wassermenge definiert, die den Boden unter Berücksichtigung des kapillaren Aufstiegs abwärts verlässt. Im Unterschied zur Gesamtabflusshöhe schließt die Sickerwasserrate den auf den Oberflächenabfluss entfallenden Abflussanteil nicht mit ein. In Abbildung 1 und dem dazugehörigen Erläuterungstext wurden die hydrologischen Prozesse, die die Sickerwasserrate aus dem Boden beeinflussen, schon eingehend erläutert. Das dabei gebildete Sickerwasser verlässt den Boden als Zwischenabfluss und/oder füllt den Grundwasserspeicher auf. Die Sickerwasserrate wird nur für Böden ermittelt und ist deshalb für Wattflächen, versiegelte Flächen in städtischen Gebieten, Dauerschneegebiete und Felsen nicht berechnet und dargestellt. Als erster Schritt, vor der eigentlichen Ermittlung der Sickerwasserrate aus dem Boden, muss mit Hilfe eines empirischen Verfahrens der auf den Oberflächenabfluss entfallende Niederschlagsanteil abgeschätzt und vom mittleren korrigierten Jahres- bzw. Sommerniederschlag abgezogen werden. Zu diesem Zweck wurde für den Maßstab des HAD das Curve-Number-Verfahren (USDA-SCS 1972) gewählt, da es eine vielfach erprobte Methode darstellt, die in der Berechnung des Direktabflusses nach Landnutzung, Boden, Niederschlag und Hangneigung differenziert und daher der vorliegenden Datenlage angemessen ist. Das Verfahren in seiner derzeitigen vom DVWK (1984) veröffentlichten Form erfordert die interpretative Zuordnung aller Böden zu vier Klassen "hydrologischer Bodentypen", die eine halbquantitative Bewertung des Versickerungsvermögens widerspiegeln. Unter zusätzlicher Einbeziehung der Neigungsstufe und der langjährigen Häufigkeit definierter Starkregenereignisse kann der mittlere jährliche Oberflächenabfluss R O berechnet werden (MARTIN et al. 2004). Für die Ermittlung der Sickerwasserrate aus dem Boden wird nur Oberflächenabfluss auf ackerbaulich genutzten Flächen berücksichtigt, da eine Literaturauswertung von MARTIN et al. (2004) zeigte, dass echter Hortonscher Overland flow

4 HW , H. 1 Jankiewicz/Neumann/Duijnisveld/Wessolek/Wycisk/Hennings: Abflusshöhe Sickerwasserrate... 5 (= Oberflächenabfluss) bei Grünland und Wald im Wesentlichen auf anthropogen überprägten Flächen zu erwarten ist (Waldwege, Rodungsflächen und durch Viehtritt oder Maschinen verdichtete Böden). Für Grünland und Wald wird deshalb davon ausgegangen, dass Oberflächenabfluss eine untergeordnete Rolle spielt, da eine nahezu vollständige Infiltration des Niederschlags in dauerhaft ausgebildeten Makroporen bzw. in der Humusauflage angenommen werden kann. Als zweiter Schritt wird die Sickerwasserrate aus dem Boden berechnet. Dazu wurde im Rahmen des HAD gemeinsam von der Technischen Universität Berlin (TUB) und der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) das Berechnungsverfahren TUB-BGR entwickelt (WESSOLEK et al. 2004). Bei der Entwicklung des neuen empirischen Ansatzes wurde darauf geachtet, dass die Eingangsdaten (bodenkundliche und klimatologische Größen) einfach zu bestimmen sind bzw. routinemäßig vorgehalten werden, so dass eine breite Anwendung in der Praxis gewährleistet ist. Die neuen Regressionsgleichungen des TUB-BGR-Verfahrens (WESSOLEK et al. 2004) ermöglichen im Unterschied zu früheren Ansätzen (RENGER & WESSOLEK 1990) eine deutlich bessere Berücksichtigung der nichtlinearen Abhängigkeiten der Sickerwasserrate vom pflanzenverfügbaren Bodenwasser und den vorherrschenden klimatischen Einflüssen. Bei ackerbaulich genutzten Standorten mit Reliefeinfluss ist zu beachten, dass von den Niederschlägen der Oberflächenabfluss R O abgezogen werden muss (s.o.). Beim neuen Verfahren wird davon ausgegangen, dass das Verhältnis aus tatsächlicher und potenziell möglicher Verdunstung abhängig ist von der Menge des pflanzenverfügbaren Wassers (WV in mm) eines Standortes im Sommerhalbjahr. Die Faktoren, die diese Wasserversorgung der Pflanzen im Sommerhalbjahr bestimmen, sind: a) oberflächenabflussbereinigte Niederschläge, b) nutzbare Feldkapazität im effektiven Wurzelraum, c) kapillarer Aufstieg aus dem Grundwasser für Standorte mit Grundwassereinfluss. Der Berechnungsansatz geht davon aus, dass unterhalb einer kritischen Wasserversorgung (bei Grünlandnutzung liegt diese Grenze bei WV = 700 mm) die tatsächliche Verdunstung in erster Linie vom Wasserdargebot bestimmt wird. Beispielhaft für die Regressionsgleichungen des neuen TUB- BGR-Verfahrens (WESSOLEK et al. 2004) sind nachfolgend die Gleichungen für den Nutzungstyp Grünland bei grundwasserfernen Standortbedingungen (also ohne kapillaren Aufstieg) aufgeführt: für WV = nfkwe + P korr,so > 700 mm: SWR = P korr ET 0 1,20 [0,66 log(1/et 0 ) + 2,79] (8) für WV = nfkwe + P korr,so < 700 mm: SWR = P korr ET 0 [1,79 log(nfkwe + P korr,so ) 3,89] [0,66 log(1/et 0 ) + 2,79](9) mit WV: pflanzenverfügbare Wassermenge im Sommerhalbjahr (mm) nfkwe: nutzbare Feldkapazität im effektiven Wurzelraum (mm) P korr,so : mittlere korrigierte Niederschlagshöhe im Sommerhalbjahr (mm) P korr : mittlere korrigierte jährliche Niederschlagshöhe (mm/a) SWR: mittlere vieljährige Sickerwasserrate aus dem Boden (mm/a) ET 0 : FAO-Gras-Referenzverdunstung (mm/a) In Abbildung 4 ist als Beispiel die mit dem TUB_BGR-Verfahren berechnete tatsächliche Verdunstung ETa in Abhängigkeit von der pflanzenverfügbaren Wassermenge WV (= P korr,so + nfkwe) im Sommerhalbjahr für grundwasserferne Grünlandstandorte bei drei verschiedenen Gras-Referenzverdunstungen ET 0 dargestellt. Insgesamt bilden jeweils vier Regressionsgleichungen (Acker, Grünland, Nadelwald und Laubwald) für grundwasserferne und vier für grundwassernahe Standortbedingungen die Basis des neuen TUB_BGR- Verfahrens. 3.3 Grundwasserneubildung Die Grundwasserneubildung GWN stellt gemäß DIN (1994) den Zugang von infiltriertem Wasser zum Grundwasser" dar und beschreibt damit den Wasserüberschuss, der abzüglich der verdunstenden und schnell abfließenden Anteile vom Niederschlag P korr übrig bleibt (vgl. Kap. 2). Im vieljährigen Mittel kann dieser um den Direktabflussanteil reduzierte Gesamtabfluss dem aus dem Grundwasserspeicher stammenden Basisabfluss R B gleichgesetzt werden. Als Wasserhaushaltsgröße ist die Grundwasserneubildung ein Maß für die natürliche Regenerationsfähigkeit unserer Grundwasserressourcen und damit auch von großer wasserwirtschaftlicher Bedeutung. Besonders deutlich wird dies, wenn man berücksichtigt, dass ca. 75 % des gesamten Trinkwassers in Deutschland aus Grund- und Quellwasser gewonnen werden (STATISTISCHES BUNDESAMT 2003). Die Grundwasserneubildung wurde im Rahmen des HAD als eigenständiges hydrogeologisches Thema bearbeitet. Die Bestimmung mittlerer Werte basiert auf dem Ansatz HAD-GW- Neu, der an der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg im Auftrag der BGR speziell für eine deutschlandweite Anwendung innerhalb des HAD entwickelt wurde. Konzeptionell handelt es sich um ein mehrstufiges Regressionsverfahren (NEU- MANN 2005), das auf einer flächendifferenzierten Ermittlung der Gesamtabflusshöhe R aufsetzt. Für den HAD wurde hierzu der mit BAGLUVA ermittelte Gesamtabfluss (vgl. Kap. 3.1) herangezogen, in gleicher Weise hätten aber auch die Ergebnisse des TUB_BGR-Verfahrens (Kap. 3.2) in das Gesamtkonzept implementiert werden können. Zielgrößen der Regression sind der Baseflow-Index (BFI = R B /R) sowie der entsprechende Basisabfluss (MoMNQ red ) in Anlehnung an KILLE Abbildung 4 Die mit dem TUB-BGR-Verfahren berechnete tatsächliche Verdunstung ETa in Abhängigkeit von der pflanzenverfügbaren Wassermenge WV (= P korr,so + nfkwe) im Sommerhalbjahr für grundwasserferne Grünlandstandorte bei drei verschiedenen Gras-Referenzverdunstungen ET 0 The actual annual evapotranspiration rate of grassland with a deep groundwater table calculated with the TUB-BGR-method as a function of the amount of plant-available water in the summer half year WV (= mean corrected precipitation depth of the summer half year P korr,so + plant-available water in the effective root zone nfkwe) for three values of the potential Grass Reference Evapotranspiration ET 0

5 6 Jankiewicz/Neumann/Duijnisveld/Wessolek/Wycisk/Hennings: Abflusshöhe Sickerwasserrate... HW , H. 1 (1970). Als unabhängige Variablen wurde auf die deutschlandweit flächendeckend verfügbaren Daten des HAD und die daraus abgeleiteten Parameter zurückgegriffen. Der Kalibrierung der beiden Regressionsgleichungen liegen Gebietsmittelwerte von vieljährigen Reihen täglicher Abflüsse aus mehr als 100 Einzugsgebieten in Deutschland (Abb. 6) zugrunde. Die Modellstruktur und die berücksichtigten Eingangsdaten sind in Abbildung 5 schematisch dargestellt und werden nachfolgend kurz beschrieben. Zunächst wird der flächendifferenzierte Baseflow-Index als Regressionszielgröße in Abhängigkeit von Boden, Hydrogeologie, Hangneigung, Landnutzung und Gewässernetzdichte ermittelt. Darauf aufbauend wurden aus Gründen der Fehlerminimierung zwei voneinander unabhängige Modellvarianten für die abflussarmen (R < 200 mm/a) und -reichen Wertebereiche (R > 200 mm/a) realisiert. Die Grundwasserneubildung des unteren Wertespektrums ergibt sich aus der Verknüpfung des rasterbasierten BFI mit dem flächendifferenzierten Gesamtabfluss nach BAGLUVA (Variante Multiplikation ). Für die höheren Werte wurde eine zweite Regressionsgleichung formuliert, die neben dem regressionsbasierten Baseflow-Index auch den BAGLUVA-Gesamtabfluss und den Grundwasserflurabstand (GW F ) als weiteren Input erfordert (Variante Addition ). Für R < 200 mm/a folgt: GWN = BFI. R (Variante Multiplikation)(10) bzw. für R > 200 mm/a folgt: GWN = fkt (BFI+R+ GW F ) (Variante Addition )(11) Aus beiden Modellvarianten resultiert letztlich die im HAD- Kartenbild dargestellte mittlere jährliche Grundwasserneubildung von Deutschland (NEUMANN & WYCISK 2003). Die räumliche Verteilung der beiden Anwendungsbereiche resultiert, wie oben beschrieben, aus der Flächendifferenzierung der Gesamtabflusshöhe (vgl. Abb. 9). Dies hat zur Folge, dass die Multiplikationsvariante überwiegend im trockenen Nordosten Deutschlands und im Rhein-Main-Gebiet sowie Teilen Frankens angewendet wurde. Im Gegensatz dazu bezieht sich die Regressionsvariante ( Addition ) auf den niederschlagsreicheren Süden und Westen sowie die Mittelgebirge. Insgesamt wird diese Variante auf etwa 2/3 der Gesamtfläche angewendet, während die Multiplikationsvariante lediglich ca. 1/3 des Untersuchungsraums Deutschland betrifft. Die flächendifferenzierten Modellergebnisse ergeben in Relation zu den pegelbezogenen Basisabflusswerten ein Bestimmtheitsmaß von R 2 = 0,8 und zeigen damit eine insgesamt gute Übereinstimmung (siehe Abb. 12). 4 Vergleichende Darstellung der Ergebnisse Die Ergebnisse der drei Wasserhaushaltsgrößen lassen sich auf unterschiedliche Weise gegenüberstellen. Erste überschlägige Aussagen sind möglich, wenn die Mittelwerte, bezogen auf das Untersuchungsgebiet Deutschland, verglichen werden. Soll darüber hinaus auch die räumliche Differenzierung der Unterschiede berücksichtigt werden, so kann in geeigneten Einzugsgebieten zusätzlich ein Vergleich mit den pegelbezogenen Werten erfolgen. Zu diesem Zweck wurden 106 repräsentative Einzugsgebiete in ganz Deutschland ausgewählt (Abb. 6). Nachfolgend werden zuerst die deutschlandweiten Mittelwerte dargestellt, bevor anschließend weitergehende Vergleiche auf Einzugsgebietsebene realisiert werden. In der Tabelle sind für die gesamte Bundesrepublik Deutschland die vieljährigen Mittelwerte der verschiedenen Wasserhaushaltsgrößen aufgeführt. Ausgehend von einem mittleren Niederschlagsinput von 859 mm/a ergeben sich auf der Grundlage der Verfahren TUB-BGR und BAGLUVA Verdunstungsraten von 540 mm/a bzw. 532 mm/a sowie mittlere vieljährige Abflusshöhen von 319 mm/a bzw. 327 mm/a für die Bundesrepublik Deutschland. Obwohl es im Detail deutliche methodische Unterschiede zwischen beiden Verfahren gibt (vgl. Kap. 3), ist die Übereinstimmung der Werte mit einem mittleren prozentualen Unterschied von weniger als 3 % insgesamt sehr gut. Der für die Sickerwasserrate maßgebliche Anteil an Oberflächenabfluss von unversiegelten Flächen beträgt in Deutschland im Mittel nur 7 mm/a, da angenommen wurde, dass Abbildung 5 Ermittlung der flächendifferenzierten Grundwasserneubildung auf der Basis des neu entwickelten Regressionsansatzes HAD- GWNeu (NEUMANN 2005) Determination of spatially-distributed groundwater recharge based on the new regression-method HAD-GWNeu (NEUMANN 2005) Abbildung 6 Übersicht über die 106 ausgewählten Einzugsgebiete für vergleichende Untersuchungen Overwiew of the 106 selected catchment areas for the comparison of methods

6 HW , H. 1 Jankiewicz/Neumann/Duijnisveld/Wessolek/Wycisk/Hennings: Abflusshöhe Sickerwasserrate... 7 Oberflächenabfluss nur auf Ackerflächen stattfindet (siehe 3.2). Der niedrige mittlere Oberflächenabfluss überrascht nicht, weil besonders Ackerflächen wegen der maschinellen Bearbeitung und der erhöhten Erosionsgefahr durch Oberflächenabfluss meist nur geringe Hangneigungen aufweisen. Sickerwasserrate und Gesamtabflusshöhe sind deshalb größenordnungsmäßig vergleichbar. Betrachtet man im Gegensatz dazu den für die Grundwasserneubildung bedeutsamen Direktabfluss, zeigt sich ein etwas anderes Bild. Ausgehend von einer Gesamtabflusshöhe von 327 mm/a liegt das deutschlandweite Mittel für den Direktabfluss bei 192 mm/a, so dass sich im Vergleich zur Sickerwasserrate eine verhältnismäßig geringe mittlere Grundwasserneubildung von nur ca. 135 mm/a ergibt. Dabei muss berücksichtigt werden, dass der Direktabfluss als Summengröße alle schnellen Abflusskomponenten umfasst und neben Oberflächen- und Zwischenabfluss auch schnell reagierende Anteile aus dem Grundwasserraum beinhalten kann. 4.1 Oberflächen- und Direktabfluss Wird auf der Grundlage der Gesamtabflusshöhe die Sickerwasserrate oder die Grundwasserneubildung ermittelt, stellen die Abflusskomponenten Oberflächen- und Direktabfluss wichtige Verlustgrößen innerhalb der Wasserbilanz dar. Beide Größen sind eng miteinander verknüpft, da der Oberflächenabfluss neben anderen schnellen Abflusskomponenten (Zwischenabfluss) ein wesentlicher Bestandteil der Summengröße Direktabfluss ist. Die beiden verwendeten Ansätze zur flächendifferenzierten Abflussseparation basieren auf empirischen Zusammenhängen zwischen den zu bestimmenden Abflussgrößen und maßgeblichen Einflussfaktoren. Das für die Ermittlung des Oberflächenabflusses verwendete Verfahren beruht auf der Annahme, dass Oberflächenabfluss von nicht-versiegelten Flächen grundsätzlich nur auf Ackerflächen auftreten kann. Für Grünland und Wald wird davon ausgegangen, dass Oberflächenabfluss eine untergeordnete Rolle spielt, da eine nahezu vollständige Infiltration des Niederschlags in dauerhaft ausgebildeten Makroporen bzw. in der Humusauflage angenommen werden kann. Im Gegensatz dazu sind die regressionsbasierten Direktabflussanteile nicht an bestimmte Landnutzungskategorien gebunden und können flächendeckend ermittelt werden. Betrachtet man die räumliche Differenzierung beider Abflusskomponenten, so ergibt sich das in Abbildung 7 dargestellte Bild (siehe 3.2 und MARTIN et al. 2004). Die Karte des Oberflächenabflusses (Abb. 7) spiegelt ebenso wie die des Direktabflusses die naturräumliche Gliederung von Deutschland wider: Im Bereich der quartären Sedimente Nord- und Ostdeutschlands, auf den Böden der Kölner Bucht, des Rheingrabens, der Münchener Schotterebene sowie des Alpenvorlandes sind die schnellen Abflüsse aufgrund der guten Infiltrationsfähigkeit der Böden und des schwach ausgeprägten Reliefs gering. Die höchsten Oberflächen- und Direktabflüsse werden für die Mittelgebirgslagen (u.a. das Rheinische Schiefergebirge, das Erzgebirge, die Schwäbische und Fränkische Alb) sowie für den Alpenraum berechnet. Hier treffen Böden mit geringerer Sickerleistung (z.b. Pelosolen, Parabraunerden, Pararendzinen) mit höheren Niederschlägen und stärkeren Geländeneigungen zusammen. Während der Oberflächenabfluss auf Ackerflächen in Deutschland im Wesentlichen unter 25 mm/a liegt, werden durch den zusätzlichen Einfluss der Lithologie gebietsweise deutlich höhere Direktabflüsse beobachtet. Da der Oberflächenabfluss die in den Boden eindringende und für die Evaporation und Transpiration zur Verfügung stehende Wassermenge verringert, wurde untersucht, inwieweit dieser eine geringere tatsächliche Verdunstung zur Folge hat. Dabei hat sich gezeigt, dass der Einfluss des Oberflächenabflusses auf die tatsächliche Verdunstung nur gering ist, da z.b. in Gebieten mit hohen Niederschlägen nach Abzug des Oberflächenabflusses immer noch ausreichend Wasser für nahezu maximale Verdunstung zur Verfügung steht oder in Gebieten mit geringeren Niederschlägen (Ostdeutschland) nur wenig Oberflächenabfluss stattfindet. Bei der räumlichen Verteilung des Direktabflusses fällt im Vergleich zum Oberflächenabfluss eine deutlichere klimatische Differenzierung auf. So zeichnet sich insbesondere der Osten Deutschlands durch sehr niedrige Direktabflussraten aus, was auf die verhältnismäßig hohe Verdunstung bei gleichzeitig geringen Niederschlägen zurückzuführen ist. Der abflussrelevante Rest dient dann primär der Füllung des Bodenund Grundwasserspeichers, so dass nur nach Starkniederschlagsereignissen schneller Abfluss zu erwarten ist. Bei besserer Wasserverfügbarkeit wie z.b. im Nordwesten Deutschlands ist wiederum eine schnellere Aufsättigung des Untergrundes möglich, so dass bei ansonsten vergleichbaren Standorteigenschaften rasch höhere Direktabflussanteile entstehen können. Abbildung 7 zeigt anschaulich die Auswirkungen dieser unterschiedlichen Abflussbildung. Insgesamt fällt trotz voneinander abweichender Wertebereiche erwartungsgemäß ein deutlicher Zusammenhang und eine hohe Korrelation zwischen Oberflächen- und Direktabfluss auf. So zeichnen sich die beschriebenen Flächen mit hohen Oberflächenabflussanteilen in gleicher Weise auch durch hohe Direktabflüsse aus. Betrachtet man außerdem die sensitiven Parameter beider Ansätze, fallen weitere Übereinstimmungen zwischen den beiden Ansätzen auf. In beiden Fällen sind Landnutzung, Hangneigung und Bodeneigenschaften als Modelleingangsgrößen von Bedeutung. Die ermittelten Unterschiede sind daher u.a. auf den zusätzlichen Einfluss der Lithologie für die Grundwasserneubildung und der Häufigkeit von Starkniederschlagsereignissen im Fall der Sickerwasserrate zurückzuführen. Insgesamt liefern die beiden empirischen Ansätze auch im direkten Vergleich plausible Ergebnisse der Abflusskomponenten Oberflächen- und Direktabfluss für den betrachteten Maßstabsbereich 1:1 Mio. Tabelle Berechnete vieljährige Mittelwerte der verschiedenen Wasserhaushaltsgrößen für Deutschland wie in den drei HAD-Tafeln dargestellt (alle Angaben in mm/a) Calculated long-term mean values of the different water-balance components for Germany as shown on the three HAD-maps (all values in mm/a) HAD Tafel 3.5: Abflusshöhe Tafel 4.5: Sickerwasserrate Tafel 5.5: Grundwasserneubildung Niederschlagshöhe, korrigiert P korr 859 tatsächliche Verdunstung ETa Sickerwasserrate aus dem Boden SWR Direktabfluss R D Gesamtabflusshöhe R Oberflächenabfluss R O Grundwasserneubildung GWN

7 8 Jankiewicz/Neumann/Duijnisveld/Wessolek/Wycisk/Hennings: Abflusshöhe Sickerwasserrate... HW , H. 1 Oberflächenabfluss Direktabfluss Abbildung 7 Gegenüberstellung von Oberflächenabfluss und Direktabfluss: Der Oberflächenabfluss wird im Rahmen der Sickerwasserermittlung berücksichtigt, während der Direktabfluss zusätzlich Zwischenabflussanteile umfasst und für die Grundwasserneubildung von Bedeutung ist. Comparison of surface runoff and direct flow: Surface runoff is important for the percolation rate, whereas direct flow influences groundwater recharge and includes interflow as an additional runoff component. Abbildung 8 Vergleich der mit den Verfahren BAGLUVA und TUB-BGR berechneten Gesamtabflusshöhen in den ausgewählten Einzugsgebieten Comparison of the mean annual runoff depth calculated with the BAGLUVA- and the TUB-BGR-methods for the selected catchment areas 4.2 Sickerwasserrate und Gesamtabfluss Die Diskussion der konzeptionellen und methodischen Grundlagen für die Atlastafeln Mittlere jährliche Abflusshöhe (GLUGLA & MÜLLER 1997) und Sickerwasserrate aus dem Boden (HENNINGS & DUIJNISVELD 1997) für den HAD während des HAD-Workshops in Freiburg 1996 hat gezeigt, dass die beiden Methoden konzeptionelle Unterschiede hinsichtlich der Berechnung der tatsächlichen Verdunstung aufweisen. Während das BAGLUVA-Verfahren stärker auf Lysimeter-Daten basiert, bilden bodenphysikalische Messungen und ein darauf aufgebautes Bodenwasserhaushaltsmodell die Grundlage des späteren TUB-BGR-Verfahrens. Die verschiedenen Herangehensweisen wurden ausführlich diskutiert und aufgrund der prinzipiellen Eignung beider Verfahren für eine Umsetzung innerhalb des HAD vorgesehen. Auf diese Weise sollten die unterschiedlichen Verfahrenstypen zur Ermittlung der tatsächlichen Verdunstung mit ihren Vor- und Nachteilen im Hinblick auf eine deutschlandweite Umsetzung angemessen dokumentiert werden. Vergleicht man die Ergebnisse der beiden Verfahren, so ist zu berücksichtigen, dass Tafel 4.5 (Sickerwasserrate, DUIJNIS- VELD et al. 2003) keine flächendeckenden Ergebnisse ausweist, sondern u.a. für Wattflächen, versiegelte Flächen in städtischen Gebieten, Dauerschneegebiete und Felsen keine Sickerwasserrate berechnet. Es wurde jedoch anhand der Tabelle deutlich, wie wenig die Differenz aufgrund der geringen Flächenanteile dieser Nutzungsarten im Mittel davon beeinflusst wird. Der direkte Vergleich der berechneten Gesamtabflusshöhen beider Verfahren (Abb. 8) in den ausgewählten 106 Einzugsgebieten bestätigt, dass die allgemeine Übereinstimmung zwischen den Verfahren insgesamt (R² = 0,982) sehr gut ist. Die dennoch auftretenden Unterschiede betreffen insbesondere folgende Aspekte: bei Gesamtabflusshöhen bis ca. 300 mm/a sind die Werte des TUB-BGR-Verfahrens meistens höher als die Werte des BAGLUVA-Verfahrens (Punkte liegen vorwiegend unterhalb der eingezeichneten 1:1-Linie), was bedeutet, dass das TUB-BGR-Verfahren in diesen Gebieten eine niedrigere tatsächliche Verdunstung berechnet als das BAGLUVA-Verfahren bei Gesamtabflusshöhen ab ca. 300 mm/a sind die mit dem BAGLUVA-Verfahren berechneten Werte höher als die des TUB-BGR-Verfahrens: in diesen Gebieten berechnet das BAGLUVA-Verfahren eine niedrigere tatsächliche Verdunstung als das TUB-BGR-Verfahren. Die Ursachen für diese systematischen Unterschiede müssen noch näher untersucht werden.

8 HW , H. 1 Jankiewicz/Neumann/Duijnisveld/Wessolek/Wycisk/Hennings: Abflusshöhe Sickerwasserrate... 9 Gesamtabfluss (BAGLUVA) Grundwasserneubildung (HAD-GWNeu) Abbildung 9 Gegenüberstellung der Absolutwerte von Gesamtabfluss (BAGLUVA) und Grundwasserneubildung (HAD-GWNeu) auf der Grundlage einer einheitlichen Werteskala Comparison of the mean annual runoff depth (BAGLUVA) and the groundwater recharge (HAD-GWNeu) using the same scale Stellt man in den 106 Einzugsgebieten die mit BAGLUVA und TUB-BGR berechneten Gesamtabflüsse zusätzlich den am Pegel gemessenen Werten gegenüber, so ergibt sich das in Abbildung 11 dargestellte Bild (vgl. Kap. 4.4). Anteile: GW-Neubildung/Gesamtabfluss Abbildung 10 Prozentualer Anteil der Grundwasserneubildung bezogen auf die mittlere jährliche Gesamtabflusshöhe (GWN/R) Groundwater recharge as percentage of the mean annual runoff depth (GWN/R) 4.3 Grundwasserneubildung und Gesamtabfluss Die Grundwasserneubildung bzw. der aus dem Grundwasser stammende Basisabfluss werden als residuale Anteile der Gesamtabflusshöhe ermittelt. In diesem Sinne erfolgt modellseitig eine standortbezogene Reduktion des Gesamtabflusses um die spezifischen Direktabflussanteile. Wie die Werte in der Tabelle bereits verdeutlicht haben, trägt im Mittel durchschnittlich weniger als die Hälfte des abflussrelevanten Niederschlagsanteils zur Grundwasserneubildung bei. Der räumlich differenzierte Vergleich von Gesamtabfluss und Grundwasserneubildung (Abb. 9) zeigt insgesamt eine hohe Korrelation der Werte. So sind in beiden Fällen die großräumigen klimatischen Muster ebenso erkennbar wie einzelne subskalige Landnutzungs- und Bodeneinflüsse. Trotz dieser deutlichen Übereinstimmungen muss berücksichtigt werden, dass die prozentualen Anteile der einzelnen Abflusskomponenten (R B /R = GWN/R: siehe Abb. 10) regional stark variieren können und nicht räumlich konstant sind. Am Einzelstandort sind Basisabfluss- bzw. GWN-Anteile von < 10 % bis > 90 % grundsätzlich möglich. Bei Betrachtung der prozentualen Anteile der Grundwasserneubildung an der Gesamtabflusshöhe (Abb. 10) fällt eine Überlagerung unterschiedlicher Einflüsse auf. Einerseits ist eine klare Differenzierung zwischen Locker- und Festgesteinsregionen z.b. im Bereich des Rheingrabens, des norddeutschen Tieflandes oder des Molassebeckens erkennbar. Diese räumlichen Strukturen werden teilweise überprägt durch Landnutzung, Relief und bodenspezifische Auswirkungen. Als Beispiele sei auf die gut erkennbaren Marschen oder einzelne Flussauen mit hohen Direktabflussanteilen hingewiesen. Andererseits wird aber auch eine klimatische Raumgliederung deutlich, bei der sich der trockene Nordosten wiederum deutlich vom lithologisch vergleichbaren Nordwesten unterscheidet. Die Ursachen dafür wurden bereits im vorhergehenden Kapitel im Zusammenhang mit der Direktabflussbildung thematisiert. Insgesamt ist bezeichnend, dass sich die Lockergesteinsregionen zwar durch merklich höhere Basisabflussanteile als die Festgesteinsbereiche auszeichnen, aber im Gegensatz zu traditionellen Annahmen immer noch deutliche Anteile an Direktabfluss beinhalten können. Eine weitestgehende Überein-

9 10 Jankiewicz/Neumann/Duijnisveld/Wessolek/Wycisk/Hennings: Abflusshöhe Sickerwasserrate... HW , H. 1 stimmung von Gesamtabfluss und Grundwasserneubildung mit Anteilen von mehr als 75 % ist nur an wenigen stark durchlässigen, grundwasserfernen und ebenen Standorten wie z.b. im Oberrheingraben oder Teilbereichen der Lüneburger Heide zu verzeichnen (Abb. 10). Abbildung 11a, b Darstellung der berechneten Gesamtabflusshöhen nach BAGLU- VA (a) und TUB-BGR (b) in Relation zu den entsprechenden gemessenen Pegelwerten The calculated mean annual runoff depths of the BAGLUVA- (a) and the TUB-BGR-methods (b) compared with the measured long-term mean runoff values of the 106 selected catchment areas Abbildung 12 Gegenüberstellung von berechneten Grundwasserneubildungsraten (HAD-GWNeu) und aus Abflussmessungen abgeleiteten Basisabflüssen Comparison of calculated recharge rates (HAD-GWNeu) with baseflow separated from measured runoff data 4.4 Zusammenfassender Vergleich Stellt man die Ergebnisse aller drei Atlastafeln in den ausgewählten Einzugsgebieten den an den Abflusspegeln ermittelten Vergleichswerten (Gesamtabfluss, Basisabfluss) gegenüber (Abb. 11), so lassen sich die zuvor getroffenen Aussagen bestätigen. Die in Abbildung 11a und b dargestellten Werteverteilungen machen deutlich, dass sowohl der Ansatz BAGLUVA als auch das TUB-BGR-Verfahren eine verhältnismäßig geringe Streuung und somit hohe Korrelation zwischen gemessenen und berechneten Gesamtabflusshöhen zeigen. Zieht man das Bestimmtheitsmaß R 2 als Gütekriterium heran, so zeigen sich nahezu keine Unterschiede zwischen den beiden Modellansätzen. Die Aussage von Abbildung 8, wonach das BAGLUVA-Verfahren insgesamt etwas höhere Werte als das TUB-BGR-Verfahren liefert, lässt sich auch anhand von Abbildung 11 gut nachvollziehen. Weiterhin fällt auf, dass beide Verfahren gegenüber den als Referenzwerten verwendeten Pegelabflüssen eine leichte Tendenz zur Überschätzung zeigen. Die Ursachen für diesen Effekt sind vermutlich systematischer Natur und können sowohl in Unsicherheiten der regionalisierten Niederschlagsdaten als auch der am Pegel gemessenen Abflussdaten begründet sein. Die mit Hilfe von HAD-GWNeu ermittelten Grundwasserneubildungsraten zeigen im Vergleich zum Basisabfluss mit einem Bestimmtheitsmaß R 2 von 0,80 ebenfalls nur eine relativ geringe Streuung (Abb. 12). Auch wenn das Gütekriterium R 2 hier niedriger liegt als bei den beiden oben genannten (Gesamtabfluss-)Werten, kann dennoch von einer guten Übereinstimmung gesprochen werden. Dabei muss grundsätzlich berücksichtigt werden, dass die Grundwasserneubildung die akkumulierten Einzelfehler aller Eingangsdaten (inklusive Gesamtabfluss) umfasst und auch die entsprechenden Pegelwerte mit zusätzlichen, methodisch bedingten Unsicherheiten (Abflussseparation) behaftet sind. Vor diesem Hintergrund ist der in Abbildung 12 erkennbare Trendverlauf zwischen Modell- und Pegelwerten grundsätzlich positiv zu werten. Wie bereits angedeutet wurde, basieren alle drei Wasserhaushaltsgrößen auf der Niederschlagshöhe und umfassen unterschiedliche Anteile der daraus abgeleiteten Summengröße Gesamtabflusshöhe. Um den räumlichen Zusammenhang zwischen Niederschlags- und Gesamtabflusshöhe sowie den daraus resultierenden Größen Sickerwasserrate und Grundwasserneubildung abschließend zu verdeutlichen, sind in Abbildung 13 die flächendifferenzierten Anteile der Abflusshöhe am Niederschlag dargestellt. Der Anteil des Gesamtabflusses am Niederschlag bringt die regionalen Verdunstungsverhältnisse deutlich zum Ausdruck. In Bereichen mit geringem Niederschlagsinput verdunstet ein Großteil des verfügbaren Wassers, so dass der verbleibende Rest nur noch einen geringen Anteil am Gesamtniederschlag umfasst. Insbesondere der Osten Deutschlands, aber auch Teile Unterfrankens und der Pfalz sind mit Niederschlagssummen von 700 mm/a und weniger sowie Verdunstungsraten über 600 mm/a charakteristische Beispiele dafür. Auf der anderen Seite wirken sich in den niederschlagsreichen Mittelgebirgen ähnliche bzw. niedrigere Verdunstungsraten in der Weise aus, dass prozentual hohe Anteile abflusswirksam sind. Das Kartenbild ähnelt einer inversen Darstellung von Abbildung 10 (GWN/R). So treten geringe Grundwasserneubildungsanteile bezogen auf den Gesamtabfluss insbesondere

10 HW , H. 1 Jankiewicz/Neumann/Duijnisveld/Wessolek/Wycisk/Hennings: Abflusshöhe Sickerwasserrate in Regionen mit hohen Gesamtabflussanteilen am Niederschlag auf und umgekehrt. Dies hat zur Folge, dass in Deutschland nur zwischen ca. 2 % und 30 % (Mittelwert: 13 %) des Niederschlags tatsächlich zur Grundwasserneubildung beiträgt. Im Hinblick auf das tatsächlich nutzbare Grundwasserdargebot muss jedoch berücksichtigt werden, dass neben dem Niederschlag lokal auch andere Prozesse, wie etwa infiltrierendes Oberflächenwasser (Influenz), eine Rolle spielen können. Darüber hinaus wirkt sich auf die potentielle Nutzbarkeit eines Grundwasservorkommens auch das regionale Speichervermögen des Aquifers aus. Diese wasserwirtschaftlich relevanten Zusammenhänge werden innerhalb des HAD im Rahmen der Atlastafel 5.2 Ergiebigkeit der Grundwasservorkommen (MUELLER et al. 2001) dokumentiert. Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Mit dem Hydrologischen Atlas Deutschland liegen die drei Wasserhaushaltsgrößen Gesamtabfluss, Sickerwasserrate und Grundwasserneubildung erstmals als eigenständige Themen flächendeckend vor. Methodisch basieren sie auf den speziell zu diesem Zweck entwickelten Ansätzen BAGLUVA, TUB_BGR und HAD-GWNeu. Ausgehend von Niederschlag und Verdunstung beschreiben sie den Wasserhaushalt räumlich differenziert und liefern damit die Grundlage für diverse fächerübergreifende Fragestellungen. Die entsprechenden Kartendarstellungen sind als Grundlage auf Bundes- und Länderebene ebenso nutzbar wie im Hinblick auf die Zusammenarbeit innerhalb der Europäischen Union auf dem Gebiet von Wasser- und Umweltschutz (EU-Wasserrahmenrichtlinie EU- WRRL; LAWA 2002). Trotz ihres engen Zusammenhanges sind die Anwendungsbereiche der einzelnen Größen recht differenziert und lassen sich wie folgt charakterisieren: Die Gesamtabflusshöhe ist die einzige der drei Größen, die direkt am Pegel gemessen werden kann. Sie wird maßgeblich durch die verdunstungsrelevanten Wechselbeziehungen zwischen den Einflussgrößen Klima, Boden, Landnutzung bestimmt und erlaubt Aussagen über das maximal verfügbare Wasserdargebot eines Standorts. In diesem Zusammenhang stellt sie auch die obere Randbedingung für Sickerwasserrate und Grundwasserneubildung dar. Als Modellgröße wird die Gesamtabflusshöhe im Rahmen hydrologischer, wasserwirtschaftlicher, geoökologischer sowie agrar- und forstwissenschaftlicher Fragestellungen verwendet. Die Sickerwasserrate aus dem Boden steuert in entscheidender Weise den Ablauf bodenbildender Prozesse sowie die Verlagerung und Auswaschung von Nähr- und Schadstoffen. Deshalb ist für qualitative Aspekte des Gewässerschutzes die Sickerwasserrate eine entscheidende Eingangsgröße. Die Höhe der Sickerwasserrate aus dem Boden kann z.b. benutzt werden, um die Auswaschungsgefahr von Nähr- oder Schadstoffen für die verschiedenen Regionen der Bundesrepublik Deutschland zu berechnen und zu bewerten. Die Grundwasserneubildung stellt ein Maß für die Regenerationsfähigkeit der Grundwasserressourcen dar und ist damit von großer Bedeutung für eine nachhaltige Grundwasserbewirtschaftung. Diesem Sachverhalt werden u.a. auch die Vorgaben der EU-Wasserrahmenrichtlinie gerecht (LAWA 2002). Der im vieljährigen Mittel als Äquivalentwert zu betrachtende Basisabfluss ist darüber hinaus ein wichtiger Niedrigwasserkennwert und deshalb ebenfalls für zahlreiche wasserwirtschaftliche Belange relevant. Die Höhe der Grundwasserneubildung wird u.a. bei der Berechnung der Schutzfunktion der Grundwasserüberdeckung benötigt (HÖLTING et al ) Der vorliegende Beitrag sollte ergänzend zu den HAD-Erläuterungstexten die methodischen Parallelen und Unterschiede zwischen den drei Atlastafeln herausarbeiten und die jeweiligen Herangehensweisen erläutern. Insgesamt wurde im Rahmen dieser vergleichenden Untersuchungen deutlich, dass alle Verfahren auch bei direkter Gegenüberstellung plausible Ergebnisse liefern, was auf die Richtigkeit der Ansätze hinweist. Zusammenfassend lassen sich folgende Aussagen treffen: Die beiden Wasserhaushaltsverfahren BAGLUVA und TUB-BGR liefern vergleichbare Ergebnisse für Verdunstung und Gesamtabfluss mit einer sehr guten Übereinstimmung im Vergleich zu pegelbezogenen Abflusswerten. Die mit BAGLUVA und TUB-BGR ermittelten Gesamtabflusshöhen können beide als Modellinput für das Regressionsmodell HAD-GWNeu zur Ermittlung der Grundwasserneubildungsrate genutzt werden. Der Ansatz HAD-GWNeu nimmt eine standortbezogene Reduzierung der flächendifferenzierten Gesamtabflusshöhe vor und orientiert sich dabei an pegelbezogenen Basisabflusswerten. Während das BAGLUVA- und das TUB-BGR-Verfahren standortbezogen angewendet werden können, sind der HAD-GWNeu-Ansatz zur Bestimmung des Direktabflusses und das Curve-Number-Verfahren zur Bestimmung des Oberflächenabflusses nur für kleinmaßstäbige Anwendungen geeignet. Die mittleren Größenordnungsbereiche der drei Größen weisen in Deutschland folgende Differenzierung auf: Gesamtabfluss Sickerwasserrate => Grundwasserneubildung Regional sind allerdings große Abweichungen von diesem Grundmuster möglich. Alle drei eingesetzten Verfahren sind insbesondere auch für die Umsetzung der EU-WRRL gut geeignet (Maßstab 1: ). Weitergehende Untersuchungen im entsprechenden Maßstabsbereich sollten zukünftig insbesondere auch die klimatisch bedingte zeitliche Dynamik der Wasserhaushaltsgrößen Anteile: Gesamtabfluss/Niederschlag Abbildung 13 Prozentualer Anteil der Gesamtabflusshöhe (BAGLUVA) bezogen auf die mittlere jährliche korrigierte Niederschlagshöhe. Die dargestellte Größe ist ein Maß für die maximale Wasserverfügbarkeit und repräsentiert die theoretische Obergrenze von Sickerwasserrate und Grundwasserneubildung. Runoff depth (BAGLUVA) as percentage of the mean annual corrected precipitation. The parameter shown describes the maximum available amount of water and represents the upper boundary condition of the percolation rate as well as groundwater recharge.

11 12 Jankiewicz/Neumann/Duijnisveld/Wessolek/Wycisk/Hennings: Abflusshöhe Sickerwasserrate... HW , H. 1 berücksichtigen. Außerdem haben die Arbeiten im Rahmen der HAD-Tafeln gezeigt, dass eine verbesserte Quantifizierung des Wasserhaushalts (insbesondere des kapillaren Aufstiegs) und der Grundwasserneubildung (BFI) von grundwassernahen Standorten notwendig ist und weitere Untersuchungen erfordert. In der Vergangenheit wurden die Begriffe Gesamtabflusshöhe, Sickerwasserrate und Grundwasserneubildung immer wieder als Synonyme verwendet, was häufig fachliche Missverständnisse zur Folge hatte. Mit den vorliegenden Atlastafeln wurde jetzt eine eindeutige Sprachregelung gefunden, die den drei Größen ein eigenständiges Profil gibt und damit unabhängig vom fachlichen Blickwinkel eine problemspezifische Verwendung der Modelle ermöglicht. Summary and Conclusions With the new Hydrological Atlas of Germany (HAD) the three water balance components mean annual runoff depth, mean annual rate of percolation from the soil and mean annual groundwater recharge are made available as analogue and digital maps on a nationwide scale for the first time. The results presented here are based on the methods BAGLUVA, TUB_BGR and HAD-GWNeu respectively, which were developed for the purposes of the new HAD. Based on rainfall, evapotranspiration, soils, topography and land use, the maps describe an important part of the water cycle and offer basic data for a wide variety of applications. The maps can be used on federal or state level in Germany as well as for the cooperation on water resources and environmental protection in the European Union (EC Water Framework Directive; LAWA 2002). Although the three hydrological processes are closely related, each of them has its own field of application: The mean annual runoff depth is the only parameter which can be directly measured at the outlet of catchment areas. It is influenced by climatic, soil, land use and topographic parameters and determines the available maximum amount of water in a catchment area. The runoff depth is the upper boundary condition for the percolation rate and the groundwater recharge and is used for hydrological and ecological issues. The mean annual rate of percolation from soil is one of the most important parameters influencing soil-formation processes. It also determines the leaching of plant nutrients and pollutants from the soil into the groundwater. Thus, for qualitative aspects of water conservation, the rate of percolation is a key parameter. One possible use is to estimate the risk of solute leaching from soil. The mean annual groundwater recharge is an important measure for the regeneration of the available groundwater resources and is of great importance for sustainable groundwater management according to the requirements of the EC Water Framework Directive (LAWA 2002). As a measure for the mean base flow of rivers, it may be used for different water management issues. The recharge amount is also used, when evaluating the protective function of the unsaturated zone above an aquifer. In addition to the texts accompanying the maps in the HAD, this paper compares the three approaches and points out parallels and differences. This comparison can be summarized as follows: The results of the methods BAGLUVA and TUB-BGR are comparable with regard to mean annual actual evapotranspiration and runoff depth. The calculated runoff depths of more than 100 catchments compare very well with the values measured at the outlets of these catchment areas. The results of the BAGLUVA-method as well as of the TUB- BGR-method can be used as input to the HAD-GWNeumethod to determine groundwater recharge. The HAD-GWNeu-method uses reduction functions to determine groundwater recharge from the calculated mean annual runoff depth. These area-specific reduction functions are based on a regression analysis of measured base flow and catchment properties. While the BAGLUVA-Method and the TUB-BGR-Method can also be used for a site-specific evaluation, the HAD- GWNeu-Method is only valid on a regional scale (1: and smaller). The three methods are suitable to meet the requirements of the EC Water Framework Directive. Future research on the scale considered in the HAD should be focused on the time dynamics of the investigated hydrological processes. Also in areas where the groundwater table is near the soil surface, new methods should be developed that allow a better quantification of capillary rise as well as an improved determination of the BFI (Base Flow Index) to calculate groundwater recharge. Danksagung Die Autoren danken in erster Linie den HAD-Koordinatoren für die wertvollen Diskussionen während der Entstehungsphase sowie für die Umsetzung der Ergebnisse in ein ansprechendes und informatives Kartenwerk. Außerdem bedanken wir uns bei all jenen, die durch die Bereitstellung von Daten einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung der verschiedenen Verfahren geleistet haben. Dazu zählen insbesondere der Deutsche Wetterdienst, die Betreiber der Lysimeterstationen sowie die gewässerkundlichen Dienste der Länder (Abflussdaten). Anschriften der Verfasser: Dipl.-Met. P. Jankiewicz Institut für Meteorologie Freie Universität Berlin Carl-Heinrich-Becker-Weg Berlin fu2470b4@zedat.fu-berlin.de Dipl.-Geol. J. Neumann Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft Lazarettstr München Joerg.Neumann@lfw.bayern.de Dr. W. H.M. Duijnisveld und Dr. V. Hennings Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe Stilleweg Hannover Wim.Duijnisveld@bgr.de, Volker.Hennings@bgr.de Prof. Dr. G. Wessolek Technische Universität Berlin Salzufer Berlin gerd.wessolek@tu-berlin.de Prof. Dr. P. Wycisk Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg Von-Seckendorff-Platz Halle peter.wycisk@geo.uni-halle.de Literaturverzeichnis Bagrov, N.A. (1953): O srednem mnogoletnem ísparenii s poverchnosti suši (Über den vieljährigen Verdunstungsdurchschnitt von der Oberfläche des Festlandes). Meteorologia i Gidrologia, Nr. 10, Leningrad, (russ.): BMU (Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit) (Hrsg. 1998, 2001, 2003): Hydrologischer Atlas von Deutschland. 1. Lieferung (1998), 2. Lieferung (2001) und 3. Lieferung