Klimamodellrechnungen und Grundwasserhaushalt - Auswertung und Validierung von Zeitreihen

Brandt Gerdes Sitzmann Umweltplanung GmbH Dr.- Ing. Heiko Gerdes, Christoph Euler, Dr.-Ing. Markus Kämpf: Klimamodellrechnungen und Grundwasserhaushalt - Auswertung und Validierung von Zeitreihen 1 Einführung 2 Skalen der Klimamodellierung, Hydrologie, Wasserwirtschaft und Grundwasserhydraulik 3 Grundwasserneubildung, Grundwasserstandsentwicklung und klimatische Wasserbilanz im Klimawandel 4 Ausblick

Verbundpartner mit den Teilprojekten: Brandt Gerdes Sitzmann Umweltplanung GmbH An der Eschollmühle 28 64297 Darmstadt Prozessbasierte Wasserhaushaltsmodellierung und modellgestützte Grundwasserbewirtschaftung, Koordination des Verbunds Hessenwasser GmbH & Co. KG Taunusstraße 100 64521 Groß-Gerau / Dornheim Wasserbedarf, Wasserversorgungsstrukturen und Steuerung der Grundwasserbewirtschaftung Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie Postfach 3209 65022 Wiesbaden Konzeptionelle Wasserhaushaltsmodellierung und dezentrale Wasserversorgung

Projektgebiet: Hessisches Ried und Odenwald Projektziele: Quantifizierung der Sicherheit von Wasserversorgungsstrukturen der Grundwasserstandsentwicklung der grundwasserverbundenen Nutzungskonflikte der Möglichkeiten eines Grundwassermanagements, Möglichkeiten und Grenzen eines integriertes Wassermanagements

Grundwasserverbundene Nutzungskonflikte

Räumliche Auflösung Klimamodelle Bsp.: Ostseeraum ECHAM5/MPI-OM T63L31: ca. 180 km Quelle: MPI-M

2. Dynamische regionale Klimamodelle CLM / REMO

Voraussichtliche Klimaänderung bis 2100 (Variante A1B) Temperaturerhöhung Niederschlagsverlagerung: Sommer -> Winter Quelle: Max Planck-Institut für Meteorologie (MPI) "MPI-M / UBA, 2007: Regionale Klimasimulationen für Deutschland, Österreich und die Schweiz" Andere Szenarien: A2, B1

Das wasserwirtschaftlich maßgebliche Wetter in räumlicher und zeitlicher Skala: Hochwasserschutz: Sicherheit gegenüber Hochwasser das 1mal in 50 (100, 200) Jahren auftritt: Maßgeblicher Niederschlag je nach Einzugsgebiet des Flusses: z.b. steiles Einzugsgebiet, ca. 30 km² 4 bis 9 h Regen mittleres Einzugsgebiet 24 h Regen flaches Einzugsgebiet, ca. 300 km² 48 h Regen und länger

Das wasserwirtschaftlich maßgebliche Wetter in räumlicher und zeitlicher Skala: Kanalisationsdimensionierung: keine Überlastung gegenüber Niederschlag, der 1mal in 3 (5) Jahren auftritt: Maßgeblicher Niederschlag auf 1-2 km² 30 bis 60 Min. - Regen

Auswirkungen auf die GW-Stände- Grundwassermodell Horizontalmodell Gewässerstruktur Fassungseinrichtungen Lage von geologischen Verwerfungen rd. 33.000 Knoten und 42.000 Elemente 3d-Modell Stockwerksgliederung Zuordnung der Entnahmetiefen Stationäre Datensätze Förder- und Infiltrationsmengen Gewässerwasserstände Odenwaldrandzustrom Instationäre Datensätze bis 2004 Klimadaten inkl. Regionalisierung Änderung in der Landnutzung Förder- und Infiltrationsmengen Wasserspiegellagen Gewässer

Erfasste Brunnen und Infiltrationsanlagen ca. 900 Brunnen ca. 130 Infiltrationseinrichtungen

Soil Classes

Groundwater recharge

(mm) 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 DWD-Station Frankfurt-Flughafen 1000 900 Niederschlag Jahresmittel 1968-2006 800 700 600 500 400 300 200 100 0

mm 300 275 250 225 JLU THD 200 175 150 125 100 75 50 25 0 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 Annual groundwater recharge totals for the entire model area

Klimatische Wasserbilanz = Niederschlag Potentielle Verdunstung Potentielle Verdunstung (DIN 4049 3): Verdunstungshöhe von Oberflächen bei gegebenen meteorologischen Bedingungen und unbegrenzt verfügbarem Wasservorrat (Maßzahl für atmosphärisches Energiedargebot, das in Verdunstungsprozessen wirksam wird)

GW-Stand (Abstich) [m] 1961 1965 1969 1973 1977 1981 1985 1989 1993 1997 2001 2005 1096-Tage-Summe der Klimatischen Wasserbilanz [mm] Klimatische Wasserbilanz - Grundwasserstand 5 1200 5.5 1000 800 6 600 400 6.5 200 7 0-200 7.5-400 8-600 8.5 9 KWB-Summe 1096 Beobachtung Frankfurt/Flughafen, kor. GW-Stand LHE-00-507139 -800-1000 -1200

Niederschlag [mm] 1965 1969 1973 1977 1981 1985 1989 1993 1997 2001 2005 1096-Tage-Summe der Klimatischen Wasserbilanz [mm] Klimatische Wasserbilanz, 3-Jahres-Summe - Beobachtungsdaten (1960-2001) 120 Beobachtungsdaten, korrigiert Niederschlag KWB-Summe 1096 1200 1000 100 800 600 80 400 200 60 0-200 40-400 -600 20-800 -1000 0-1200

Niederschlag [mm] 1961 1965 1969 1973 1977 1981 1985 1989 1993 1997 1096-Tage-Summe der Klimatischen Wasserbilanz [mm] Klimatische Wasserbilanz, 3-Jahres-Summe - WETTREG (1960-2000) 120 100 Frankfurt/Flughafen - WETTREG T-A1-77 Niederschlag KWB-Summe 1096 1200 1000 800 600 80 400 200 60 0-200 40-400 -600 20-800 -1000 0-1200

Niederschlag [mm] 1961 1965 1969 1973 1977 1981 1985 1989 1993 1997 2001 2005 2009 2013 2017 2021 2025 2029 2033 2037 2041 2045 2049 2053 2057 2061 2065 2069 2073 2077 2081 2085 2089 2093 2097 2101 1096-Tage-Summe der Klimatischen Wasserbilanz [mm] Klimatische Wasserbilanz, 3-Jahres-Summe - WETTREG (1960-2100) 120 100 Frankfurt/Flughafen WETTREG T-A1-77 Niederschlag KWB-Summe 1096 1200 1000 800 600 80 400 200 60 0-200 40-400 -600 20-800 -1000 0-1200

Niederschlag [mm] 2004 2008 2012 2016 2020 2024 2028 2032 2036 2040 2044 2048 2052 2056 2060 1096-Tage-Summe der Klimatischen Wasserbilanz [mm] Klimatische Wasserbilanz, 3-Jahres-Summe - STAR (2001-2056) 120 100 Frankfurt/Flughafen - STAR S-A1 Niederschlag KWB-Summe 1096 1200 1000 800 600 80 400 200 60 0-200 40-400 -600 20-800 -1000 0-1200

Klimatische Wasserbilanz - Statistik KWB-Summe 1096 1960-2000 - Frankfurt Flughafen Zeitreihe Min Max Mittel StdAbw Max. Andauer mit KWB1096>200 Max. Andauer mit KWB1096<-200 Beobachtungsdaten -528,5 1018,0 64,2 349,6 2064 1452 Transient A1-00 -713,2 267,3-347,5 209,7 83 4004 Transient A1-11 -752,8 95,0-300,7 212,5 0 3970 Transient A1-22 -745,3 222,8-188,7 163 14 1242 Transient A1-33 -652,3 190,5-240,3 159,4 0 2368 Transient A1-44 -582,0 166,3-229,9 146,2 0 1418 Transient A1-55 -828,2 209,6-260,5 199,8 6 4157 Transient A1-66 -712,6 101,5-297,3 156,2 0 3207 Transient A1-77 -615,9 352,4-271,1 167,8 127 2807 Transient A1-88 -836,6 0,0-381,1 154,2 0 3454 Transient A1-99 -660,2 96,3-274,1 158,5 0 2233 KWB-Summe 1096 2004-2055 - Frankfurt Flughafen Zeitreihe Min Max Mittel StdAbw Max. Andauer mit KWB1096>200 Max. Andauer mit KWB1096<-200 Beobachtungsdaten -528,5 1018,0 64,2 349,6 2064 1452 Transient A1-00 -971,1 249,0-436,3 201,9 33 7321 Transient A1-11 -910,4 122,1-407,2 213,3 0 4795 Transient A1-22 -765,6 56,0-403,3 159,8 0 6800 Transient A1-33 -772,1 36,2-318,2 148,7 0 3091 Transient A1-44 -1014,6 0,0-390,2 172,5 0 7261 Transient A1-55 -755,6 306,3-379,5 166,6 189 4269 Transient A1-66 -680,2 259,9-331,9 165,4 45 4429 Transient A1-77 -842,5 266,3-410,8 215,7 110 6412 Transient A1-88 -781,9 139,6-395,4 174,1 0 6943 Transient A1-99 -801,6 191,9-396,8 192,2 0 5360 STAR A1-716,5 851,7-118,4 309,3 1096 3301 * 1960-2000

Klimatische Wasserbilanz - Modelle im Vergleich

Klimatische Wasserbilanz Zeitreihen im Vergleich 1200 Zeitreihen Beobachtung STAR Transient 00 Transient 11 Transient 22 Transient 33 Transient 44 Transient 55 Transient 66 Transient 77 Transient 88 Transient 99 1000 600 400 200 0-200 -400-600 -800-1000 2101 2097 2093 2089 2085 2081 2077 2073 2069 2065 2061 2057 2053 2049 2045 2041 2037 2033 2029 2025 2021 2017 2013 2009 2005 2001 1997 1993 1989 1985 1981 1977 1973 1969 1965-1200 1961 1096-Tage-Summe der Klimatischen Wasserbilanz [mm] 800

Niederschlagscharakteristik 1