BAGLUVA. Wasserhaushaltsverfahren zur Berechnung vieljähriger Mittelwerte der tatsächlichen Verdunstung und des Gesamtabflusses.

BAGLUVA Wasserhaushaltsverfahren zur Berechnung vieljähriger Mittelwerte der tatsächlichen Verdunstung und des Gesamtabflusses BfG-134

Bundesanstalt für Gewässerkunde BfG-Bericht Nr. 134 Wasserhaushaltsverfahren zur Berechnung vieljähriger Mittelwerte der tatsächlichen Verdunstung und des Gesamtabflusses Bearbeiter: Dr.rer.nat. Gerhard Glugla Dipl.-Met. Petra Jankiewicz Dipl.-Math. Claudia Rachimow Dipl.-Ing. Klaus Lojek Dipl.-Hydr. Katharina Richter Met.Techn. Gisela Fürtig Dipl.-Met. Peter Krahe Koblenz 003 BfG-134 Vervielfältigungen oder Veröffentlichungen des Gutachtens auch auszugsweise bedürfen der schriftlichen Genehmigung der Bundesanstalt für Gewässerkunde.

Danksagung Wesentliche Voraussetzung für die breite Anwendbarkeit des hier beschriebenen Verfahrens war die Bereitstellung der Messreihen verschiedener Lysimeterbetreiber. Hierfür ist die Arbeitsgruppe an der Außenstelle Berlin der Bundesanstalt für Gewässerkunde unter der Leitung von Dr. Gerhard Glugla den Betreibern der Stationen zu großem Dank verpflichtet. Den Mitarbeitern des Geschäftsfeldes Hydrometeorologie Berlin-Buch des Deutschen Wetterdienstes sei für die zusätzlich erarbeiteten ergänzenden Klimadaten und für die unterstützenden Angaben zu Schnee- und Gewässerverdunstung ebenso gedankt, wie der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe für die Bereitstellung von über die HAD- Daten hinausgehenden Informationen und darüber hinaus beiden Institutionen für die gute Kooperation im Verlauf der Projektarbeiten. Besonderer Dank gilt außerdem der Deutschen Forschungsgemeinschaft, die durch die Förderung dieses Projektes diese umfangreiche Arbeit erst ermöglichte.

Inhaltsverzeichnis 1 Veranlassung und Zielstellung...1 Methodische Grundlagen des Wasserhaushaltsverfahrens BAGLUVA...3.1 Anforderungen...3. Methodenauswahl...5.3 Das BAGROV-Verfahren Haupteinflussgrößen und Weiterentwicklung des Verfahrens5.4 Wasserverfügbarkeit...7.4.1 Niederschlagsdargebot...7.4. Zusätzliches Wasserdargebot durch Beregnung...9.4.3 Zusätzliches Wasserdargebot durch Kapillarwasseraufstieg aus flurnahem Grundwasser...9.5 Energieverfügbarkeit...13.5.1 Gras-Referenzverdunstung...14.5. Grenzen der PENMAN-MONTEITH-Gleichung...14.5.3 Maximale Verdunstung...18.5.3.1 Einfluss der Schneedecke auf die maximale Verdunstung...19.5.3. Einfluss der Hangneigung und exposition auf die maximale Verdunstung...1.5.4 Bestimmung des landnutzungsabhängigen Standortparameters f....5.4.1 Versiegelte, teilversiegelte und vegetationslose Flächen...3.5.4. Vegetationsbedeckte Flächen...4.5.4.3 Einzugsgebiete...8.5.4.4 Optimierung des Parameters f...30.6 Bestimmung des Effektivitätsparameters n für das BAGROV-Verfahren...36.6.1 Interzeptionsspeicher...36.6. Bodenspeicher...38.6..1 Inverse Nutzung eines Bodenwasserhaushaltsmodells zur Bestimmung der Ausschöpfungstiefe...39.6.. Zusammenhang von Bodenwasserausschöpfung und Effektivitätsparameter n...4.7 Ergebnisse der Parameterbestimmungen für verschiedene Landnutzungsformen...43.7.1 Versiegelte und teilversiegelte Flächen...44.7. Vegetationslose Böden...44.7.3 Grünland und Grasflächen...46.7.4 Ackerland mit Fruchtfolgen...48.7.5 Bewaldete Flächen...50.8 Einfluss der Parallelität der Jahresgänge von Wasser- und Energieverfügbarkeit auf den Effektivitätsparameter n...61.9 Bedingungen für den Einsatz des BAGROV-Verfahrens zur Berechnung vieljähriger Mittelwerte des Wasserhaushalts...63 3 Anwendung des Wasserhaushaltsverfahrens BAGLUVA...65 3.1 Verfahrensgrundlagen und Algorithmen...65 3. Erforderliche Eingangsdaten und ihre Verfügbarkeit...66 3..1 Klimadaten einschließlich Schneedecke und Gewässerverdunstung...67 3.. Landnutzung...67 3..3 Digitales Höhenmodell...71 3..4 Bodenkenngrößen...71 3..5 Grundwasserflurabstand...7 3.3 Programmablauf...7 I

3.4 Beispielrechnungen mit verschiedenen Kombinationen der jeweiligen Eingangsdaten...75 3.5 Erstellung der HAD-Karten...78 3.5.1 Tatsächliche Verdunstungshöhe...78 3.5. Abflusshöhe...8 4 Testung im Gebiet...86 5 Zusammenfassung...89 6 Literatur...90 7 Anlagen...95 7.1 Berechnungsformeln für die einzelnen Größen der PENMAN-MONTEITH-Gleichung...95 7. Algorithmen zur Bestimmung der im Wasserhaushaltsverfahren BAGLUVA erforderlichen Parameter...99 II

Abbildungsverzeichnis Bild 1: Einflussfaktoren auf die Abflusshöhe...1 Bild : Beispiel für den Zusammenhang vieljähriger Mittelwerte der Wasserhaushaltsgrößen und für die Fehlerfortpflanzung (Annahme n =,0)...4 Bild 3: Maximaler relativer Fehler R von R bei angenommenem Fehler ±10 % für P korr und ETa...4 Bild 4: Graphische Darstellung der BAGROV-Beziehung, modifiziert nach GLUGLA u.a., und des Einflusses der Landnutzung (Effektivitätsparameter n)...6 Bild 5: Korrigierte Werte bei flüssigem Niederschlag an der Lysimeterstation Brandis unter der Annahme einer leicht geschützten Stationslage (Messung in 1 m Höhe: P 1, im Bodenniveau: P 0 )...8 Bild 6: Korrigierte Werte bei festem Niederschlag an der Lysimeterstation Brandis unter der Annahme einer leicht geschützten Stationslage (Messung in 1 m Höhe: P 1, im Bodenniveau: P 0 )...8 Bild 7: Schema zur Berechnung des kapillaren Wasseraufstiegs aus flurnahem Grundwasser...1 Bild 8: Kapillare Aufstiegsrate KR in Abhängigkeit vom Abstand z A zwischen Grundwasseroberfläche und Untergrenze der Ausschöpfungszone z We = b We für Sande unterschiedlicher nutzbarer Feldkapazität...1 Bild 9: Verlauf des Bestandeswiderstandes für zwei Getreidearten, aus Lysimetermessungen abgeleitet (LÖPMEIER, 1983)...15 Bild 10: Typische Abhängigkeiten des Stomatawiderstandes von Licht (photosynthetic photon flux density), Blattflächentemperatur T leaf, Sättigungsdefizit der Luft vdd a, CO - Konzentration, Blattwasserpotenzial (OKE, 1987)...15 Bild 11: Vertikale Windprofile über verschiedenen Flächen (BAUMGARTNER und LIEBSCHER, 1990)...17 Bild 1: Aerodynamischer Widerstand r a berechnet mit verschiedenen Parametrisierungsansätzen...17 Bild 13: PENMAN-MONTEITH-Verdunstung für Gras (α = 0,3, z B = 1 cm ET 0 ) und unter Variation der Albedo und der Vegetationshöhe ( ETa), berechnet anhand täglicher Klimadaten der Station Brandis, 1993 1997...18 Bild 14: Bestimmung einer fiktiven zusammenhängenden Schneeperiode aus den vorgegebenen Schneeinformationen...0 Bild 15: Faktoren f H zur Umrechnung der maximalen Verdunstung einer ebenen Fläche auf den Hang in Abhängigkeit von dessen Neigung und Exposition (GOLF, 1981)... Bild 16: Parameter f für vegetationslosen Boden in Abhängigkeit von der Volumenfeuchte der nutzbaren Feldkapazität Θ...3 Bild 17: Tageswerte der tatsächlichen Verdunstung ETa bei ausreichender Wasserverfügbarkeit, bezogen auf die Gras-Referenzverdunstung ET 0 (Brandis, Lysimetergruppe 10, Halmfrüchte, Pflanzenhöhe 30 bis 60 cm)...5 Bild 18: Tageswerte der tatsächlichen Verdunstung ETa bei ausreichender Wasserverfügbarkeit, bezogen auf die Gras-Referenzverdunstung ET 0 (Brandis, Lysimetergruppe 10, Halmfrüchte, Pflanzenhöhe 60 cm bis 90 cm)...5 Bild 19: Tageswerte der tatsächlichen Verdunstung ETa bei ausreichender Wasserverfügbarkeit, bezogen auf die Gras-Referenzverdunstung ET 0 (Brandis, Lysimetergruppe 10, Zuckerrüben, Pflanzenhöhe 45 bis 60 cm)...6 Bild 0: Tageswerte der tatsächlichen Verdunstung ETa bei ausreichender Wasserverfügbarkeit, bezogen auf die Gras-Referenzverdunstung ET 0 (Brandis, Lysimetergruppe 10, Kartoffeln, Pflanzenhöhe 30 bis 45 cm)...6 III

Bild 1: Monatsmittelwerte von f M = ET maxm / ET0 für Halm- und Hackfrüchte sowie für M Fruchtfolgen auf tiefgründigem Löß (Brandis, Lysimetergruppe 10)...7 Bild : Optimierung des Parameters f für Wald und Grünland/Acker aus dem Vergleich berechneter und gemessener Abflusshöhen...30 Bild 3: Gesamtheit der Abhängigkeiten zwischen den Standortparametern...3 Bild 4: Berechnungsbeispiel (Lysimeter Gießen) für den Zusammenhang der Parameter f, n und We....33 Bild 5: Parameter f für Acker mit Fruchtfolgen in Abhängigkeit von der Volumenfeuchte der nutzbaren Feldkapazität Θ (Kurzzeichen an den Punkten kennzeichnen die Lysimeterstationen gemäß Tabelle 6)...34 Bild 6: Parameter f für Gras in Abhängigkeit von der Volumenfeuchte der nutzbaren Feldkapazität Θ (Kurzzeichen an den Punkten kennzeichnen die Lysimeterstationen gemäß Tabelle 6)...34 Bild 7: Berechnungsbeispiel der täglichen Interzeptionshöhe I aus korrigierten Tagesniederschlägen P korr (Interzeptionskapazität I max )...37 Bild 8: Reduktionsbeziehung nach DISSE (1995), modifiziert durch den Bezug auf die maximale Verdunstung bei Vernachlässigung der Interzeption...39 Bild 9: Effektivitätsparameter n bzw. n* in Abhängigkeit vom Wasservorrat bei nutzbarer Feldkapazität Θ We (Die Buchstaben bezeichnen die ausgewerteten Lysimeter gemäß Tabelle 6)...43 Bild 30: Effektivitätsparameter n für vegetationslosen Boden in Abhängigkeit von der Volumenfeuchte Θ der nutzbaren Feldkapazität...45 Bild 31: Θ We in Abhängigkeit von der nutzbaren Feldkapazität Θ für Gras mit 1 cm Höhe...47 Bild 3: Θ We in Abhängigkeit von der nutzbaren Feldkapazität Θ für Fruchtfolgen...49 Bild 33: 3-jährige gleitende Mittelwerte von P korr, ET max und ETa (Interzeptionsverdunstung enthalten) in Abhängigkeit vom Bestandesalter, Lysimeter Eberswalde-Britz (1974-1997), Kiefer...50 Bild 34: Effektivitätsparameter n nach BAGROV in Abhängigkeit vom Bestandesalter und zugehörige 3-jährige gleitende Mittelwerte von P korr, Lysimeter Eberswalde-Britz (1974-1997) und Colbitz-Letzlinger Heide (1973-1996), (Kiefer)...51 Bild 35: Effektivitätsparameter n nach BAGROV in Abhängigkeit vom Bestandesalter eines Kiefern-Baumholzes, Lysimeter Eberswalde-Liepe (1974-1997)...5 Bild 36: Effektivitätsparameter n nach BAGROV in Abhängigkeit vom Bestandesalter (3-jährige gleitende Mittel bzw. Mittelwert für die angegebene Zeitspanne)...5 Bild 37: Verallgemeinerte Werte des Effektivitätsparameters n nach BAGROV in Abhängigkeit vom Bestandesalter für Kiefer und Buche...53 Bild 38: Optimierte Werte des Parameters f für Nadelwald in Abhängigkeit vom Bestandesalter...53 Bild 39: Gegenüberstellung verschiedener Wasserhaushaltsgrößen in Abhängigkeit vom Bestandesalter...55 Bild 40: Parameter f für Nadel- und Laubwald auf verschiedenen Böden in Abhängigkeit vom Umtriebsalter (UA)...58 Bild 41: Effektivitätsparameter n in Abhängigkeit vom Umtriebsalter von Laub- und Nadelwald für bindige Böden (schwarze Linien) und sandige Böden (blaue Linien)...58 Bild 4: We* als Funktion des Umtriebsalters von Laub- und Nadelwald für bindige und sandige Böden...58 IV

Bild 43: Korrektur des Effektivitätsparameters n nach BAGROV unter Berücksichtigung des Niederschlages im Sommerhalbjahr und bei Beregnung...6 Bild 44: Einfluss der Länge des Mittelungszeitraumes auf die Abhängigkeit des Quotienten ETa / ET max von P korr / ET max (Brandis, Lysimeter 5)...64 Bild 45: Schema zur Berechnung der mittleren jährlichen tatsächlichen Verdunstung und des mittleren jährlichen Gesamtabflusses nach dem Wasserhaushaltsverfahren BAGLUVA (GLUGLA, 1999b;)...73 Bild 46: Programmablaufplan BAGLUVA...74 Bild 47: Nutzung von HAD-Daten zur Ermittlung der mittleren jährlichen tatsächlichen Verdunstungs- und Abflusshöhe...78 Bild 48: Tatsächliche Verdunstungshöhe für Deutschland...80 Bild 49: West-Ost-Schnitt der Rasterfelder mittlerer jährlicher tatsächlicher Verdunstungshöhen ( -- ) und der Gras-Referenzverdunstung ( -- ) des Bezugszeitraums 1961-1990 in 51,8 nördlicher Breite...81 Bild 50: Nord-Süd-Schnitt der Rasterfelder mittlerer jährlicher tatsächlicher Verdunstungshöhen ( -- ) und der Gras-Referenzverdunstung ( -- ) des Bezugszeitraums 1961-1990 in 10,6 östlicher Länge...81 Bild 51: Tatsächliche Verdunstungshöhen für verschiedene Landnutzungen auf unterschiedlichen Böden...8 Bild 5: Abflusshöhe für Deutschland...83 Bild 53: West-Ost-Schnitt der Rasterfelder mittlerer jährlicher Abflusshöhen ( -- ) und der Klimatischen Wasserbilanz ( -- ) des Bezugszeitraums 1961-1990 in 51,8 nördlicher Breite...84 Bild 54: Nord-Süd-Schnitt der Rasterfelder mittlerer jährlicher Abflusshöhen ( -- ) und der Klimatischen Wasserbilanz ( -- ) des Bezugszeitraums 1961-1990 in 10,6 östlicher Länge...85 Bild 55: Ausgewählte Testgebiete zur Validierung berechneter Abflusshöhen...86 Bild 56: Berechnete und aus Messungen ermittelte Abflusshöhen...88 V

Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Korrekturvorschrift für bodengleiche Niederschlagsmessungen (nach RICHTER,1997) 7 Tabelle : Kapillare Aufstiegsrate KR (mm d -1 ) in Abhängigkeit vom Abstand z A (dm) zwischen Grundwasseroberfläche und Unterkante der Ausschöpfungszone b We (dm) für Bodenarten und ausgewählte Θ -Werte (Vol.%)...10 Tabelle 3: Mittlere tägliche Schneeverdunstung E S nach RACHNER (1999) und sich daraus ergebende Monatswerte und Jahreswerte für die Verdunstung einer Schneedecke...19 Tabelle 4: Ausgewählte Einzugsgebiete zur Optimierung der Parameter f für Wald und Grünland aus dem Vergleich berechneter und gemessener Abflusshöhen...8 Tabelle 5: Einzugsgebiete des Voralpenraumes Deutschlands zur Optimierung des Parameters f...30 Tabelle 6: Liste der in die Untersuchungen einbezogenen Lysimeterstationen...1 Tabelle 7: Ausschöpfbarer Bodenwasservorrat Θ We und Ausschöpfungstiefe We für die Lysimeter der Station Brandis (Lysimetergruppen nach wachsender Speicherkapazität geordnet)...41 Tabelle 8: Wasserhaushaltsgrößen nach Beobachtungsergebnissen wägbarer Lysimeter und nach Literaturrecherchen...44 Tabelle 9: Parameterwerte f, n und We...44 Tabelle 10: Algorithmen zur Berechnung des Parameters f = ET max / ET0, der Ausschöpfungstiefe We in dm, mit We 0 und des Effektivitätsparameters n der BAGROV-Gleichung, n > 0, Θ in Vol.%...45 Tabelle 11: Parameterwerte f, n, We sowie Θ We in Abhängigkeit von der Volumenfeuchte Θ der nutzbaren Feldkapazität für ausgewählte Werte...45 Tabelle 1: Wasserhaushaltsgrößen von Standorten in Tagebaugebieten...46 Tabelle 13: Berechnungsbeispiel des Wasserhaushalts nach dem BAGROV-Verfahren für ausgewählte Werte von Θ, P korr und ET 0 unter Berücksichtigung der Tabelle 11 und von Abschnitt.7.3...46 Tabelle 14: Algorithmen zur Berechnung des Parameters f = ET max / ET0, der Ausschöpfungstiefe We in dm, mit We 0 und des Effektivitätsparameters n der BAGROV-Gleichung, n > 0, Θ in Vol.% für Landnutzungseinheit Grünland/Gras (mittlere Höhe 1 cm)...47 Tabelle 15: Algorithmen zur Berechnung des Parameters f = ET max / ET0, der Ausschöpfungstiefe We in dm, mit We 0 und des Effektivitätsparameters n der BAGROV-Gleichung, n > 0, Θ in Vol.% für die Landnutzungseinheit Grünland/Gras (variable Höhe)...48 Tabelle 16: Algorithmen zur Berechnung des Parameters f = ET max / ET0, der Ausschöpfungstiefe We in dm, mit We 0 und des Effektivitätsparameters n der BAGROV-Gleichung, n > 0, Θ in Vol.% für die Landnutzungseinheit Ackerland...49 Tabelle 17: Ergebnisse der Parameteroptimierung ( f, n, We ) nach Berechnungen für Interzeptions- und Bodenspeicher ( f, n*, We * ) bzw. nach Berechnungen für den Bodenspeicher ohne Interzeptionsverdunstung E I...56 Tabelle 18: Ergebnisse der Parameteroptimierung ( f, n, We ) nach Berechnungen für Interzeptions- und Bodenspeicher ( f, n*, We *) bzw. nach Berechnungen für den Bodenspeicher ohne Interzeptionsverdunstung E I...57 Tabelle 19: Algorithmen zur Berechnung des Parameters f = ET max / ET0, der Ausschöpfungstiefe We in dm, mit We 0 und des Effektivitätsparameters n der BAGROV-Gleichung, n > 0, Θ in Vol.% für Wald...59 VI

Tabelle 0: Festlegung des Umtriebsalters UA bewaldeter Flächen (nach MÜLLER,1999)...66 Tabelle 1: CORINE Land Cover Nomenklatur der Bodenbedeckungen...68 Tabelle : Anteile der im Wasserhaushaltsverfahren BAGLUVA verwendeten Landnutzungseinheiten an den Landnutzungsarten der CORINE-Nomenklatur (s. Tabelle 1 und Text)...1 Tabelle 3: Zuordnung der Legendennummer (BÜK1000) zu Θ der Bodenarten...7 Tabelle 4: Beispiel 1 - Berechnung der mittleren jährlichen Verdunstung ETa und des Gesamtabflusses R für ausgewählte Berechnungsvarianten (Varianten 1 bis 9) nach dem Wasserhaushaltsverfahren BAGLUVA...76 Tabelle 5: Charakteristika ausgewählter Testgebiete zur Validierung berechneter Abflusshöhen...87 VII

Definitionen Begriffe, Symbole, Einheiten und Abkürzungen Formelzeichen a physikalische Einheit Bedeutung Parameter zur Modifikation des Effektivitätsparameters n der BAGROV-Beziehung B mm Beregnung, bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a c p J kg -1 K -1 spezifische Wärme der Luft bei konstantem Druck (= 1005 J/(kg K)) D d Hauptwachstumszeit d m Verdrängungshöhe E mm Verdunstung allgemein (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) E I mm Interzeptionsverdunstung (= Verdunstungshöhe von Interzeptionswasser) (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) E S mm Evaporation schneebedeckter Flächen (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) E W mm Evaporation freier Wasserflächen (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) Ea mm tatsächliche (reale) Evaporationshöhe (actual evaporation) (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) Emax mm landnutzungsabhängige maximale Evaporationshöhe (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) ET 0 mm Gras-Referenzverdunstung (FAO-Standard) (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) ET 0 * mm Gras-Referenzverdunstung (aus Klimadaten mittels Kalibrierung) (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) ETa mm tatsächliche Evapotranspirationshöhe (actual evapotranspiration) (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) ETa* mm um die Interzeptionsverdunstung verminderte Werte von ETa (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) ETmax mm landnutzungsabhängige maximale Evapotranspirationshöhe (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) ETmax* mm um die Interzeptionsverdunstung verminderte Werte von ETmax (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) Etp / Ep mm potentielle Evapotranspirationshöhe (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) e hpa Dampfdruck der Luft e S (T) hpa Sättigungsdampfdruck der Luft bei der Temperatur T, auch für Luft mit Wasseroberflächentemperatur T = Tw 0; teilweise auch als e s bezeichnet e S(T) e hpa Sättigungsdefizit VIII

Formelzeichen f f H f 0 physikalische Einheit Bedeutung Faktor zur Ableitung der landnutzungsabhängigen maximalen Evapotranspiration ETmax aus der Gras-Referenzverdunstung ET 0 Faktor zur Berücksichtigung von Hangneigung und -exposition auf die maximale Verdunstung Faktor zur Bestimmung der Verdunstung unbewachsener Flächen aus der Gras- Referenzverdunstung G W m - Bodenwärmestromdichte H W m - fühlbare Wärmestromdichte HE Hangexposition HN Grad Hangneigung h m Höhe über NN I mm Interzeptionshöhe, vorübergehend an Oberflächen gespeicherter Niederschlag (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) I max mm Interzeptionskapazität, maximal an Oberflächen haftendes Wasservolumen JT Tag des Jahres, Tageszählung ab Jahresbeginn (1...365/366) k Küstenfaktor KR mm d -1 kapillare Aufstiegsrate, Bewegung von Wasser aus dem Grundwasserraum in den Sickerraum entgegen der Schwerkraft KWB mm a -1 Klimatische Wasserbilanz (= korrigierter Niederschlag minus Gras-Referenzverdunstung) L* J kg -1 spezifische Verdampfungswärme (,45 10 6 J/kg bei 0 C) L J m - mm -1 spezielle Verdunstungswärme; Wärmemenge, die für die Verdunstungshöhe von 1 mm nötig ist LAI Blattflächenindex LE W m - latente Wärmestromdichte der Verdunstung als Produkt der Größen L und E ( 8,36 W m - entsprechen 1 mm d -1 Verdunstung) n, n*, n K Effektivitätsparameter nach BAGROV, unter Berücksichtigung der Interzeption, unter Berücksichtigung des Kapillarwasseraufstiegs n M Zahl der Monatstage P mm Niederschlagshöhe, gemessen (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) P grenz mm Niederschlagshöhe, bei der die Interzeptionskapazität I max erreicht wird (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) P korr mm Niederschlagshöhe nach Korrektur der systematischen Messfehler (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) P 0 mm Niederschlagshöhe gemessen im Bodenniveau (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) IX

Formelzeichen physikalische Einheit Bedeutung P 1 mm Niederschlagshöhe gemessen in 1 m Höhe (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) R mm Abflusshöhe (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) R Bestimmtheitsmaß (Quadrat des Korrelationskoeffizienten) R A W m - langwellige Ausstrahlung von der Land- oder Wasseroberfläche R A * mm d -1 Verdunstungsäquivalent der langwelligen Ausstrahlung von der Land- oder Wasseroberfläche R G W m - Globalstrahlung, auf der horizontalen Fläche auftreffende kurzwellige Strahlung als Summe aus direkter Sonnenstrahlung und diffuser Himmelsstrahlung R L W m - langwellige Gegenstrahlung der Atmosphäre R L * mm d -1 Verdunstungsäquivalent der langwelligen Gegenstrahlung der Atmosphäre R 0 W m - extraterrestrische Strahlung Rn W m - Strahlungsbilanz (Nettostrahlung) Rn* mm d -1 Verdunstungsäquivalent der Strahlungsbilanz (der Nettostrahlung) Rn K W m - kurzwellige Strahlungsbilanz der Oberfläche Rn K * mm d -1 Verdunstungsäquivalent der kurzwelligen Strahlungsbilanz (der Nettostrahlung) Rn L W m - langwellige Strahlungsbilanz der Oberfläche Rn L * mm d -1 Verdunstungsäquivalent der langwelligen Strahlungsbilanz (der Nettostrahlung) r DISSE-Parameter r a s/m aerodynamischer Widerstand r c s/m Verdunstungswiderstand des Pflanzenbestandes r c,min s/m minimaler Verdunstungswiderstand des Pflanzenbestandes S h Sonnenscheindauer S r relative Sonnenscheindauer S 0 h astronomisch mögliche Sonnenscheindauer SW mm Sickerwasserhöhe (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) s hpa K -1 e S / T, Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve T C Lufttemperatur T abs K absolute Temperatur (= T + 73,15) TL h Tageslänge Ta mm tatsächliche (reale) Transpiration (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) Tm C Mitteltemperatur eines Bezugszeitraumes Tp mm potentielle Transpiration (bezogen auf die jeweilige Zeiteinheit s, h, d, Monat, a) X

Formelzeichen physikalische Einheit Bedeutung t s, h, d Zeit U relative Luftfeuchte, Dampfdruck in Prozent des Sättigungsdampfdruckes UA a Umtriebsalter eines Waldes v z m/s Windgeschwindigkeit, Messhöhe z in m als Index W mm Wasservorrat allgemein W FK mm Bodenwasservorrat bei Feldkapazität (z. B. in der Bodenschicht bis 1 m Tiefe) W, We mm pflanzennutzbarer Bodenwasservorrat im effektiven Wurzelraum bei Feldkapazität W PWP mm Bodenwasservorrat bei permanentem Welkepunkt W pfl mm pflanzenverfügbarer Bodenwasservorrat als Summe aus W,We und der kapillaren Aufstiegsmenge W rel Relativwert des Wasservorrates einer Bodenschicht als Anteil des pflanzennutzbaren Bodenwasservorrates in % (relative Bodenfeuchte) We dm Ausschöpfungstiefe W mm Speicheränderung im Wasservorrat z m Höhe bzw. Tiefe über/unter der Erdoberfläche, auch als Index bei Messwerten angegeben z 0 m Rauigkeitshöhe, physikalischer Parameter zur Beschreibung der Unebenheit der Landnutzungen z 0m, z 0T,q m Rauigkeitshöhe für Impuls bzw. Wärme und Wasserdampf z A dm kapillare Aufstiegshöhe des Grundwassers z B m Bewuchshöhe, mittlere Höhe eines Pflanzenbestandes zum Termin z G dm Flurabstand der Grundwasseroberfläche z mv, z mt,q m Messhöhe der Windgeschwindigkeit bzw. der Lufttemperatur und -feuchte z We dm effektive Durchwurzelungstiefe Θ Θ FK Θ PWP Θ α Bodenfeuchte als Wasservolumenanteil in % des Bodenvolumens Volumenanteil des Wassers im Boden in % bei Feldkapazität, der in der ungesättigten Bodenzone maximal gegen die Schwerkraft gehalten werden kann Volumenanteil des Wassers im Boden in % bei permanentem Welkepunkt, der nicht mehr von den Pflanzen zur Transpiration genutzt werden kann Volumenanteil des Wassers im Boden in % bei nutzbarer Feldkapazität kurzwellige solare Albedo (Reflexionskoeffizient) der Oberfläche, abhängig von deren Beschaffenheit γ hpa K -1 Psychrometerkonstante (γ = 0,65 hpa K -1 ) γ* hpa K -1 modifizierte Psychrometerkonstante κ von Kármán-Konstante (κ = 0,41) XI

Formelzeichen λ physikalische Einheit Bedeutung geographische Länge ρ kg m -3 Dichte, auch in g cm -3, z. B. Luftdichte ρ L = 1,0 kg m -3 bei 0 C und 1013 hpa, Wasserdichte ρ W 1 g cm -3 σ W m - K -4 Stefan-Boltzmann-Konstante, σ = 5,67 10-8 W m - K -4 ϕ geographische Breite Erläuterungen zur Schreibweise der Formelzeichen: überstrichenes Formelzeichen (z. B. ETa ) bedeutet: vieljähriger Mittelwert einer Größe, hier mittlere jährliche tatsächliche Verdunstungshöhe, etwa für die Normalperiode 1961-1990 (z. B. W) bedeutet: zeitliche Änderung der Größe, hier des Wasservorrates W Zeitangabe als Index (z.b. e 14 ) bedeutet: Messwert der angegebenen Stunde, hier des Dampfdruckes um 14 Uhr XII

1 Veranlassung und Zielstellung Für die Karteninhalte Tatsächliche Verdunstungshöhe und Abflusshöhe des Hydrologischen Atlas von Deutschland (HAD) waren räumlich hoch aufgelöste (1 km -Raster) vieljährige Mittelwerte (1961/1990) dieser Wasserhaushaltsgrößen für ganz Deutschland zu bestimmen. Das anzuwendende Verfahren musste einerseits die physikalischen Prozesse, die die beiden Größen bestimmen, berücksichtigen, andererseits die deutschlandweite Verfügbarkeit der jeweiligen Einflussgrößen beachten. Verdunstung ist im Gegensatz zum Niederschlag ein kontinuierlicher Prozess, bei dem Wasser bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes von der flüssigen in die dampfförmige Phase überführt wird. Beide Wasserhaushaltsgrößen stehen in enger Wechselbeziehung zueinander. Die Wasserzufuhr durch den Niederschlag ermöglicht erst den Verdunstungsvorgang, der aufgrund des Energieangebots angeregt wird. Dieser Vorgang wird vom Tagesrhythmus (Temperatur, Strahlung) beeinflusst. Das verdunstete Wasser kann durch Konvektion in höhere Schichten der Atmosphäre transportiert werden, in denen es zur Wolkenbildung beiträgt, was wiederum Voraussetzung für die Niederschlagsentstehung ist. Der Niederschlag wird durch Benetzung von Pflanzenoberflächen zwischengespeichert (Interzeption), fließt als Oberflächenabfluss in den 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 (Bild 1). Niederschlag Transpiration Beregnung Evaporation Infiltration Interzeptionsverdunstung Oberflächenabfluss Sickerwasser Kapillarer Aufstieg Zwischenabfluss Vorfluter Grundwasserneubildung Abflussbildungsprozess Grundwasserabfluss Abflusskonzentrationsprozess Bild 1: Einflussfaktoren auf die Abflusshöhe Das Sickerwasser, das an weniger durchlässigen Schichten gestaut wird, tritt abhängig vom Gefälle als Zwischenabfluss an der Oberfläche oder in einem Vorfluter wieder aus. Zur Grundwasserneubildung trägt nur der Anteil des Sickerwassers bei, der in den Grundwasserraum eintritt. Der Grundwasserabfluss speist letztlich den Vorfluter auch in niederschlagsarmen Zeiten. Der kapillare Aufstieg aus dem Grundwasserraum kann zur verbesserten Wasserversorgung der Vegetation auf grundwassernahen Standorten beitragen. 1

Über mehrere Jahre betrachtet bestimmt die Differenz der beiden Größen Niederschlag und Verdunstung das Volumen des wasserwirtschaftlich maximal zur Verfügung stehenden Wassers, den Gesamtabfluss unterhalb des verdunstungsbeeinflussten Bereichs, also das Grundwasser. Die Nutzbarkeit aber ist durch Faktoren wie Ergiebigkeit, Beschaffenheit, ökologische Aspekte bzw. Speichermöglichkeit eingeschränkt. Die Gesamtabflusshöhe wird durch den korrigierten Niederschlag begrenzt. In niederschlagsarmen Gebieten und in Bereichen flurnahen Grundwassers kann die Verdunstung den korrigierten Niederschlag übertreffen, sodass negative Abflusswerte auf Zehrgebiete hinweisen. Bei Flächeneinheiten von 1 km Größe kann davon ausgegangen werden, dass Landoberflächenabfluss, Zwischenabfluss und Grundwasserabfluss weitgehend in der Gesamtabflusshöhe des Flächenelements enthalten sind. Die mittlere Abflusshöhe an der Messstelle des Vorfluters ergibt sich als arithmetisches Mittel der Werte der Gesamtabflusshöhe aller Flächeneinheiten des zugehörigen Einzugsgebietes. Die Verdunstung lässt sich im Gegensatz zum Niederschlag nur mit großem messtechnischen Aufwand erfassen. Wägbare Lysimeter stellen eine der wenigen Möglichkeiten dar, die Verdunstung für verschiedene Bodenarten und bestimmte Landnutzungen (zum Beispiel landwirtschaftliche Kulturen) kontinuierlich bzw. als Tageswert in mm d -1 ausreichend genau und vor allem direkt zu ermitteln. Für Waldflächen liefern nicht wägbare Lysimeter vieljährige Mittelwerte der Verdunstung als Jahressumme in mm a -1. Diese Messungen müssen aufgrund ihrer Komplexität auf einige wenige Versuchsstationen beschränkt bleiben. Indirekte meteorologische Verfahren, zu denen auch die Bestimmung der Gras-Referenzverdunstung zählt, basieren auf Energie- und Wasserbilanzbetrachtungen, wobei der Zusammenhang zwischen den direkt zu messenden meteorologischen Elementen und dem Verdunstungswärmestrom bzw. dem Wasserdampftransport in der bodennahen Luftschicht berücksichtigt wird. Zur flächendeckenden Bestimmung mittlerer Jahressummen der tatsächlichen Verdunstungshöhe ist die Übertragung der gewonnenen Ergebnisse vom Standort auf Gebiete ähnlicher Gebietseigenschaften erforderlich. Für jedes Rasterfeld von 1 km (siehe 3..1) lässt sich dann die Bilanz Abflusshöhe = korr. Niederschlagshöhe tatsächliche Verdunstungshöhe (in mm a -1 ) bestimmen. Beregnung auf landwirtschaftlichen Bewässerungsflächen wird an den entsprechenden Stellen dem Niederschlag zugeschlagen. Vorratsänderungen im Wasserspeicher werden nicht berücksichtigt. Die methodischen Grundlagen für das erforderliche Berechnungsverfahren wurden in dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt GL 4/1- Entwicklung von Verfahren zur Berechnung langjähriger Mittelwerte der flächendifferenzierten Abflussbildung erarbeitet und in einem Abschlussbericht dokumentiert (GLUGLA, ET AL., 1999 b). Für Methodik und Verfahren wurden umfangreiche Lysimeter- und Klimabeobachtungen ausgewertet und genutzt. Eine enge Kooperation erfolgte daher mit dem Geschäftsfeld Hydrometeorologie des Deutschen Wetterdienstes sowie mit den Betreibern der einzelnen Lysimeterstationen. Das Wasserhaushaltsverfahren BAGLUVA (Verfahren nach BAGROV und GLUGLA zur Bestimmung vieljähriger Mittelwerte von tatsächlicher Verdunstungs- und Abflusshöhe) wurde speziell zur Anwendung für den Hydrologischen Atlas Deutschland entwickelt und ist dementsprechend auf die vorliegenden Eingangsgrößen ausgerichtet. Lassen sich für andere Untersuchungen die jeweiligen Daten in derselben Form aufbereiten, so ist es vielfältig für weitere Wasserhaushaltsrechnungen anwendbar.

Methodische Grundlagen des Wasserhaushaltsverfahrens BAGLUVA.1 Anforderungen Angesichts der Vielfalt der Standortbedingungen bezüglich Klima, Boden und Landnutzung können standort- bzw. rasterbezogene mittlere tatsächliche Verdunstung und mittlerer Gesamtabfluss messtechnisch nur für ausgewählte Flächeneinheiten erfasst werden. Über Beziehungsgleichungen werden die durch Wechselbeziehungen zwischen den Einflussgrößen Klima, Boden, Landnutzung einerseits und den Wasserhaushaltsgrößen andererseits charakterisierten Flächeneinheiten mit jeweils ähnlichem hydrologischem Verhalten (Hydrotope) auf andere Hydrotopflächen übertragen. Der vieljährige Mittelwert des Gesamtabflusses R lässt sich aus der Differenz der Mittelwerte von korrigiertem Niederschlag Pkorr und tatsächlicher Verdunstung ETa ermitteln: R = P ETa (1) Eine Korrektur des systematischen Fehlers des gemessenen Niederschlags wegen Windeinfluss sowie Benetzungs- und Verdunstungsverlusten ist unerlässlich, damit dieser Fehler nicht auf die wasserhaushaltlich ermittelte tatsächliche Verdunstung übertragen wird. Der standortbezogenen Ermittlung der tatsächlichen Verdunstung ETa aus den Haupteinflussgrößen Klima, Boden, Landnutzung liegt ein methodisches Konzept zugrunde, das den Einfluss von Wasser und Energie einschließlich ihrer begrenzenden Verfügbarkeit auf die tatsächliche Verdunstung berücksichtigen muss. Folgende Randbedingungen sind zu erfüllen: bei begrenzter Wasserverfügbarkeit P korr 0 : ETa Pkorr bei sehr hoher Wasserverfügbarkeit P korr () ETa ET max bzw. bei begrenzter Energieverfügbarkeit ET max 0 ET max ist für die jeweiligen Standort- bzw. Gebietsbedingungen die mittlere maximale Verdunstung bei ausreichender Wasserverfügbarkeit. Sie entspricht der aus dem Energieangebot genutzten Energie und ist insbesondere von der Albedo und von den Bedingungen des Feuchteaustausches zwischen den Pflanzen (Art, Höhe und Dichte) und der Atmosphäre abhängig. Die Verfahrensparameter müssen physikalischen Bezug haben, damit Auswirkungen von Parameterveränderungen auf das Berechnungsergebnis voraussagbar sind. Die Verfahrensparameter werden anhand von in situ-beobachtungen (insbesondere Lysimetermessungen) festgelegt. An die Genauigkeit der Werte P korr und ETa müssen hohen Anforderungen gestellt werden, da sich infolge der Fehlerfortpflanzung bei der Ermittlung von R aus der Differenzbildung P korr ETa insbesondere bei geringen Gesamtabflüssen R hohe Werte des relativen und absoluten Fehlers ergeben. Ein Berechnungsbeispiel in Bild und 3 verdeutlicht diesen Tatbestand. Dabei beinhalten die angenommenen Fehler für die tatsächliche Verdunstung ETa auch Fehler bei der Bestimmung der maximalen Verdunstung. Auf Sensitivitätsanalysen in Abschnitt.5.4.4 wird verwiesen. korr 3

1500 +10% R Pkorr, ETmax, ETa, R [mm/a] 1000 500 ETmax P korr ETa R -10% +10% -10% 0 0 500 1000 1500 P korr [mm/a] Bild : Beispiel für den Zusammenhang vieljähriger Mittelwerte der Wasserhaushaltsgrößen und für die Fehlerfortpflanzung (Annahme n =,0) 00% 180% 160% 140% R 10% 100% 80% 60% 40% 0% 0% 0 500 P korr [mm/a] 1000 1500 Bild 3: Maximaler relativer Fehler R von R bei angenommenem Fehler ±10 % für P und ETa korr Angesichts der hohen Genauigkeitsanforderungen müssen die über standortbezogene Beobachtungen ermittelten Verfahrensparameter nach Vergleichen von Mess- und Berechnungswerten des Gesamtabflusses geschlossener Flusseinzugsgebiete validiert bzw. nachgeeicht werden (Abschnitt 4). Der mittlere Gebietswert berechneter Abflüsse ist das (ggf. flächenanteilige) arithmetische Mittel der Abflusswerte aller standort- bzw. rasterbezogenen Teilflächen des Gebietes. Dabei wird vertikale Speisung des Fließgeschehens ohne laterale Vernetzung der Teilflächen (1 km ) vorausgesetzt. 4

. Methodenauswahl Der Wahl des methodischen Grundkonzeptes wurden vergleichende Untersuchungen von gängigen Verfahren zur Berechnung mehrjähriger Mittelwerte der tatsächlichen Verdunstung, der Grundwasserneubildung bzw. des Gesamtabflusses vorangestellt (GLUGLA und MÜLLER, 1997). Dabei zeigte sich, dass lineare Regressionsbeziehungen nicht den genannten Randbedingungen () genügen und die Gleichungen nur für einen begrenzten Anwendungsbereich (z. B. norddeutsches Tiefland) gelten. Dieser Anwendungsbereich ist klimatologisch weitgehend durch einen engen Bereich des Quotienten Wasserverfügbarkeit Pkorr Energieumwandlung und -verfügbarkeit ET max festgelegt. Unter den in Deutschland vorliegenden unterschiedlichen Bedingungen zeigt dieser Quotient jedoch einen breiten Schwankungsbereich: 0,7 < P korr / ET max < 8 Weitere Probleme bei der Anwendung der linearen Regressionsbeziehungen betreffen die bisher unzulänglichen Eingangsdaten: unkorrigierter Niederschlag, landnutzungsunabhängige potentielle Verdunstung. Auch bei den Verfahren mit nichtlinearen Beziehungen zwischen den Wasser- und Energiehaushaltsgrößen (BUDYKO, OLDEKOP, SCHREIBER, U.A.) wurde die Vielfalt der geographischen Bedingungen der Flusseinzugsgebiete nicht einbezogen. Dagegen berücksichtigte BAGROV (BAGROV, 1953, 1954) in seiner Berechnungsgleichung die unterschiedliche Wasserspeicherfähigkeit verschiedener geographischer Regionen in Rußland und führte den sog. Effektivitätsparameter n ein. Dieser regional gegliederte Parameter n wurde in den letzten Jahrzehnten für unterschiedliche Standortbedingungen spezifiziert sowie durch Lysimeterbeobachtungen quantifiziert und damit das Verfahren für Wasserhaushaltsuntersuchungen im Gebiet der neuen Bundesländer umfassend nutzbar gemacht (GLUGLA und KÖNIG, 1989; GLUGLA, ET AL., 1999). Als bewährtes Verfahren wurde das BAGROV-Verfahren letztlich favorisiert und für die Anwendung im Rahmen des HAD weiter entwickelt..3 Das BAGROV-Verfahren Haupteinflussgrößen und Weiterentwicklung des Verfahrens Grundlage des Verfahrens ist die von BAGROV konzipierte Differenzialgleichung in erweiterter Form n deta ETa = 1 (3) dp korr ET max Die Abhängigkeit des Quotienten ETa / ET max von P korr / ET max ist in Bild 4 bzw. in der Anlage, Bild 7.1, graphisch dargestellt. Wesentliche Einflussgrößen auf den vieljährigen Mittelwert der tatsächlichen Verdunstung ETa sind zunächst die Wasserverfügbarkeit aus dem mittleren korrigierten Niederschlag P korr und die Energieverfügbarkeit ausgedrückt durch die mittlere maximale Verdunstung ET max bei ausreichender Wasserverfügbarkeit. Bestimmend für die Wasserverfügbarkeit ist die Höhe der stochastisch verteilten Niederschläge, die durch den Bodenspeicher und teilweise durch den Interzeptionsspeicher für die Verdunstung längerfristig vorgehalten werden. 5

Die unterschiedlichen Standortbedingungen für die Nutzung des Wasser- und Energieangebots werden durch den Effektivitäsparameter n als weitere wesentliche Größe der BAGROV- Gleichung quantifiziert. Für den Parameter n sind vorrangig der Interzeptionsspeicher mit der Interzeptionskapazität und der Bodenspeicher mit der nutzbaren Feldkapazität bestimmend. Über weitere Einflüsse auf den Parameter n wird in Abschnitt.6 berichtet. Aus Bild 4 wird deutlich, dass sich die unterschiedlichen Standortbedingungen über den Parameter n am stärksten etwa im Bereich der Abszissenwerte Pkorr 0, 8 < < 14, ET max auf die Variabilität des Quotienten ETa / ET max auswirken. Für diesen Bereich werden daher vorrangig in situ-messungen zur Quantifizierung von n genutzt. Mit häufigeren und höheren Niederschlägen werden die Speicher insbesondere der Bodenspeicher so gefüllt, dass die Speicherkapazität immer weniger Einfluss auf die Wasserverfügbarkeit hat. Dieses führt zur Bündelung der BAGROV-Kurven bestimmten Parameterwertes n im Bereich ETa / ET max 1 (Bild 4). Die tatsächliche Verdunstung ETa nähert sich der maximalen Verdunstung ET max. Bei geringem Niederschlag bzw. hohem Energieangebot ( ET max ) bündeln sich die Kurven, sodass ETa / ET max Pkorr / ET max und somit ETa Pkorr wird. Fast der gesamte Niederschlag verdunstet in diesen Gebieten wieder. Die Randbedingungen () sind somit erfüllt. ETa 1 n = 8 5 3 ETmax 1,6 1,0 0,7 0,5 0,5 0,3 0, 0,1 BAGROV - Beziehung d d ETa P korr = 1 ETa ETmax n 0 P korr 0 1 3 ETmax Bild 4: Graphische Darstellung der von GLUGLA überarbeiteten BAGROV-Beziehung, und des Einflusses der Landnutzung (Effektivitätsparameter n nach BAGROV) 6

Die überstrichenen Formelzeichen stehen für vieljährige Mittel des korrigierten Niederschlages P korr, der maximalen Verdunstung ET max und der tatsächlichen Verdunstung ETa. Die BAGROV-Gleichung (BAGROV, 1953) wird genutzt, mit den Größen P korr, ET max und n die tatsächliche Verdunstung ETa zu berechnen. Die Gesamtabflusshöhe R ergibt sich dann aus Gleichung 1. Für die Anwendung des BAGROV-Verfahrens auf ganz Deutschland wurden die Verfahrensteile eingehend untersucht und erweitert, die bisher noch nicht ausgereift waren. Dieses betrifft u. a. die - Berücksichtigung der Niederschlagskorrektur und der veränderten Standortbedingungen bei Schnee, - landnutzungsabhängige Energieverfügbarkeit in Form der maximalen Verdunstung, - Spezifizierung des Parameters n in Abhängigkeit unterschiedlicher Speichereinflüsse (Interzeption, Boden...), - Quantifizierung der Verfahrensparameter durch Einbeziehung von Ergebnissen aus umfangreichen Lysimeterbeobachtungen, - Anwendung auf Hangstandorte..4 Wasserverfügbarkeit.4.1 Niederschlagsdargebot Der Niederschlag in flüssiger und fester Form ist die Hauptquelle der Wasserverfügbarkeit. Die im Routinemessnetz des Deutschen Wetterdienstes (DWD) mit dem Hellmann-Regenmesser in 1 m Aufstellungshöhe gemessenen Niederschläge (P 1 ) sind durch Wind- sowie Benetzungs- und Verdunstungsverluste mit systematischen Fehlern behaftet, die zu unterschätzten Niederschlagswerten führen. Daher wurden vom DWD die Niederschläge (P 1 ) nach dem Verfahren von RICHTER (1995) flächendeckend für die Messstellen in Deutschland korrigiert. An den Lysimeterstationen werden die Niederschläge überwiegend im Bodenniveau gemessen (P 0 ). Infolge des dadurch verminderten Windeinflusses auf die Messung ist der Messfehler nun insgesamt deutlich niedriger. Der Restfehler vor allem durch Benetzungs- und Verdunstungsverlust wird entsprechend einer Verfahrensvariante nach RICHTER (1997) korrigiert. Dazu werden die Tagessummen in Abhängigkeit von der Niederschlagsart (flüssiger, fester oder Mischniederschlag) und der Niederschlagsmenge je nach Jahreszeit um die folgenden Beträge erhöht: Tabelle 1: Korrekturvorschrift für bodengleiche Niederschlagsmessungen (nach RICHTER, 1997) Sommer (April bis September) Niederschlagsklasse [mm d -1 ] Korrektur [mm d -1 ] Winter (Oktober bis März) flüssiger oder Mischniederschlag fester Niederschlag Niederschlagsklasse Korrektur Niederschlagsklasse Korrektur [mm d -1 ] [mm d -1 ] [mm d -1 ] [mm d -1 ] 0,1-0,4 +0,1 0, - 1,7 +0,1 0,5 +0,1 0,5-1,7 +0, 1,8-6,7 +0, 1,8-4,4 +0,3 6,8 +0,3 4,5-8,7 +0,4 8,8 +0,5 7

Ein Vergleich der an Lysimeterstandorten parallel gemessenen und korrigierten Niederschläge in Bodenniveau (P 0 ) und in 1 m Aufstellungshöhe (P 1 ) zeigt sehr gute Übereinstimmung der jeweils korrigierten Werte für flüssige Niederschläge. Bei festen Niederschlägen treten etwas größere Abweichungen auf (Bilder 5 und 6, Station Brandis, Annahme einer leicht geschützten Stationslage). P1 [mm/d] 70 60 50 40 30 0 10 0 Flüssiger Niederschlag y = 0,990x - 0,0196 0 10 0 30 40 50 60 70 P O [mm/d] Bild 5: Korrigierte Werte bei flüssigem Niederschlag an der Lysimeterstation Brandis unter der Annahme einer leicht geschützten Stationslage (Messung in 1 m Höhe: P 1, im Bodenniveau: P 0 ) 14 1 10 8 6 4 0 Fester Niederschlag y = 1,1451x 0706 Als Messfehler identifiziert 0 4 6 8 10 1 14 P O [mm/d] Bild 6: Korrigierte Werte bei festem Niederschlag an der Lysimeterstation Brandis unter der Annahme einer leicht geschützten Stationslage (Messung in 1 m Höhe: P 1, im Bodenniveau: P 0 ) Niederschlagskorrekturen wurden für alle verwendeten Stationen mit wägbaren Lysimetern und täglichen Beobachtungen durchgeführt. Über die dabei gewonnenen Erfahrungen zur Korrektur von Lysimeterdaten bezüglich Niederschlag und tatsächlicher Verdunstung wurde ein gesonderter Bericht für den ATV-DVWK (Fachgruppe Verdunstung ) erarbeitet (JANKIEWICZ, 1998). Die Korrektur der Niederschlagsmessungen (Erhöhung des Messwertes) führt bei wägbaren Lysimetern zu einer adäquaten Erhöhung der sonst wasserhaushaltlich zu niedrig ermittelten Werte der Verdunstung. Damit wird ein Vergleich der mit Lysimetern ermittelten und korrigierten Verdunstung mit der nach klimatologischen Verfahren berechneten Verdunstung erst sinnvoll. Rasterbezogene (1 km ) Daten des korrigierten Niederschlags liegen für ganz Deutschland im digitalen Datenspeicher korrigierter Niederschlag des DWD als Monats- und Jahresmittel 1961/1990 vor bzw. sind als Jahres- und Halbjahreswerte in den Kartenblättern.5 (Mittlere 8

korrigierte jährliche Niederschlagshöhe) und.6 (Mittlere korrigierte Niederschlagshöhe der hydrologischen Halbjahre) zum Hydrologischen Atlas von Deutschland (HAD, 1998) dargestellt..4. Zusätzliches Wasserdargebot durch Beregnung Quellen zusätzlicher Wasserverfügbarkeit für die tatsächliche Verdunstung sind die Beregnung landwirtschaftlicher Nutzflächen. Gegenüber unberegneten Standorten ist die mittlere tatsächliche Verdunstung beregneter gärtnerischer und landwirtschaftlicher Kulturen insbesondere in niederschlagsarmen Gebieten deutlich höher. Dieses wird verursacht durch erhöhte Verfügbarkeit von Bodenwasser, höhere Interzeptionsverdunstung der Pflanzen, erhöhte maximale Verdunstung infolge größerer Pflanzendichte und -höhe, verbunden mit verminderter Albedo. Durch die erhöhte Speicherung und Verfügbarkeit von Wasser wird der Standortparameter n des BAGROV-Verfahrens modifiziert. Weitere Einflüsse auf den Parameter n ergeben sich daraus, dass zusätzlich Wasser zu Zeiten hoher Energieverfügbarkeit während des Sommerhalbjahres zur Verfügung steht. Über diese Einflüsse in Verbindung mit der Auswertung von Beobachtungen beregneter Lysimeter wird in Abschnitt.8 berichtet. In der Beregnungspraxis ist eine optimale Steuerung der Bodenfeuchte unterhalb Feldkapazität nicht möglich, da Niederschläge für mehrere Tage nicht mit Sicherheit voraussagbar sind. Daher bewirkt die Beregnung neben erhöhter Evapotranspiration auch erhöhte Versickerung ( Rückflussquote ). Bei gebietsbezogenen Wasserbilanzen sind Entnahmen für die Bereitstellung von Beregnungswasser somit mit erhöhter Evapotranspiration und erhöhter Versickerung unterhalb des verdunstungsbeeinflussten Bodenraumes zu verrechnen..4.3 Zusätzliches Wasserdargebot durch Kapillarwasseraufstieg aus flurnahem Grundwasser Bei der Verdunstungsberechnung ist die Menge des während des Sommerhalbjahres in die durch Evapotranspiration beeinflusste Ausschöpfungszone kapillar aufgestiegenen Wassers von der Oberfläche flurnahen Grundwassers [mm a -1 ] im Mittel zu bestimmen. Die kapillare Aufstiegsrate KR [mm d -1 ] bis zur Untergrenze der Ausschöpfungszone z We wird vom Abstand z A zwischen der Grundwasseroberfläche und dieser Untergrenze sowie von den Bodeneigenschaften (Boden-, Torfart, Lagerungsdichte) beeinflusst (7). Sie hängt vor allem von den Saugspannungsbedingungen und damit der Bodenfeuchte an der Untergrenze der Ausschöpfungszone ab. Nach bodenkundlichen Dokumentationen (HENNINGS, 1994, DVWK, 1996) werden für die Aufstiegsraten und die einzelnen Mineralböden folgende Saugspannungswerteϕ angenommen: Sande: Tone: Lehme: Schluffe: ϕ zwischen 100 und 300 hpa ϕ bei 700 hpa ϕ zwischen 350 und 600 hpa ϕ zwischen 50 und 300 hpa. 9

Die Bereiche von ϕ entsprechen für die Mineralböden einem Bodenfeuchtewert von etwa 50 bis 60 % der nutzbaren Feldkapazität. Die nutzbare Feldkapazität entspricht der Differenz der Volumenfeuchte bei Feldkapazität (ϕ 60 hpa) und permanentem Welkepunkt (ϕ 15000 hpa). Für die o.g. vier Mineralbodengruppen und für jeweils ausgewählte Θ -Werte wurden aus Wertetabellen (DVWK-Merkblatt 38, 1996, Tabelle 9.13) Abhängigkeiten zwischen der kapillaren Aufstiegsrate KR und dem Abstand z A zwischen der Untergrenze der Ausschöpfungszone und der Grundwasseroberfläche abgeleitet und algorithmiert. Bild 8 zeigt diese Abhängigkeiten für die Gruppe der Sande. Die Algorithmen für sämtliche Mineralböden und die Torfe sind in Tabelle zusammengestellt. Für die Torfböden (Nieder- bzw. Hochmoor) wird jeweils nur eine Abhängigkeit KR = Fkt (z A ) gewählt. Tabelle : Kapillare Aufstiegsrate KR (mm d -1 ) in Abhängigkeit vom Abstand z A (dm) zwischen Grundwasseroberfläche und Unterkante der Ausschöpfungszone b We (dm) für Bodenarten und ausgewählte Θ -Werte (Vol.%) Bodenart (Mineralböden) Θ (Vol.%) Berechnungsgleichung Sande 8 10 13 16 18 0 0, 8651 z KR = 14, 660 e A 0, 810 z KR = 19, 810 e A 0, 7577 z KR = 145, 360 e A 0, 671 z KR = 18, 000 e A 0, 5175 z KR = 81467, e A 0, 417 z KR = 69, 0 e A 0, 3897 z KR = 105, 870 e A Schluffe 1 3 6 0, 3459 z KR = 38, 183 e A 0, 3358 z KR = 60, 680 e A 0, 910 z KR = 7, 56 e A, 736 Lehme 14 KR = 105, 9 z A, 947 15 KR = 199, 09 z A,9481 16 KR = 300,31 za, 780 17 KR = 376, 37 z A 18,7407 KR = 583,58 za Tone < 15 15 Torfart (Organische Böden) Niedermoor Hochmoor KR = 3, 068 KR = 0, 104 z KR = 0, 103 z 1, 403 z A 1, 5103 z A KR = 10, 130 Berechnungsgleichung +, 5468 z 1535, z 3 A A A + +, 6357 z, 87 z 3 A A A + Anmerkung: Bei degradierten Mooren ohne Grundwasserbeeinflussung wird Θ 15 Vol.% gesetzt. 6, 1 67, 306 Für die auf die Randbedingung des Kapillarwasseraufstiegs bezogene mittlere Ausschöpfungstiefe zwe gilt zwe mit den angegebenen Parameterwerten von b, sodass = b We (4) 10

z A = z b We, (5) G wobei z G der mittlere sommerliche Grundwasserflurabstand und We die mittlere sommerliche Ausschöpfungstiefe sind. Durch den parallelen Jahresgang von z G und We mit Minimalwerten im Winter und Maximalwerten im Sommer entspricht der mittlere jährliche Differenzwert näherungsweise auch dem Differenzwert des Sommerhalbjahres. We ist die Ausschöpfungstiefe, die sich als Mittel der maximalen monatlichen Ausschöpfungstiefe eines jeden Jahres aller Beobachtungsjahre ergibt. Grundlage hierfür sind die Tageswerte der Ausschöpfungstiefe, die sich aus Lysimeterdaten für die Verdunstung ETa und aus Klimadaten sowie mit dem Parameter f für die maximale Verdunstung ETmax bei inverser Anwendung des DISSE-Modells (Bild 8) ergeben. Mit dem Quotienten ETa/ETmax aus Lysimeter- und Klimadaten wurde der Gang der Bodenfeuchte nach DISSE (1995) berechnet und hierzu die auf Θ (Vol.-%) bezogene Ausschöpfungstiefe We ermittelt. Im Ergebnis dieser Untersuchungen sind für die einzelnen Landnutzungseinheiten die Beziehungsgleichungen für die We -Werte in Abhängigkeit von Θ nf K, von der Pflanzenhöhe z B und vom Umtriebsalter UA ermittelt worden (Anhang 7., Tabelle 7.). Im Festgesteinsbereich wird durch We die Mächtigkeit der Lockergesteinsauflage über dem Festgestein begrenzt. Damit an der Unterkante der Ausschöpfungszone die für die Anwendung der Tabelle 9.13 des DVWK-Merkblattes 38 (1996) erforderliche Saugspannung von etwa 50 % der nutzbaren Feldkapazität Θ gilt, muß die mittlere maximale Ausschöpfungstiefe We etwa verdoppelt werden ( b We mit b~). Hierbei wird die Schicht We (ohne nutzbare Bodenfeuchte) mit der darunter liegenden Schicht gleicher Mächtigkeit (aber maximaler BodenfeuchteΘ FK ) zur wirksamen Ausschöpfungstiefe b We zusammengefasst (vgl. Bild 7). Im Einzelnen werden folgende b-werte verwendet: b = bei vegetationslosem Boden, Ackerland, Grünland b = 1,3 bei Wald b We = 4 dm bei Niedermoor b We = dm bei Hochmoor Die mittlere kapillare Aufstiegsmenge KR [mm] für die Hauptwachstumszeit D in Tagen [d] berechnet sich aus der kapillaren Aufstiegsrate KR [mm/d] zu KR = D KR (6) Bei einer Bodenfeuchte Θ FK im Bereich der Feldkapazität (Gleichgewichtszustand) im Winterhalbjahr und nach sommerlichen Starkniederschlägen tritt kein kapillarer Wasseraufstieg auf. Tage mit kapillarem Wasseraufstieg sind daher insbesondere Tage der Hauptwachstumsperiode ohne nennenswerte Niederschläge (z.b. Tage mit P korr < 5 mm d -1 ). Für die einzelnen Landnutzungseinheiten gelten in Mitteleuropa bei Abzug der Tage mit stärkeren Niederschlägen näherungsweise folgende Werte der mittleren Dauer der Hauptwachstumsperiode D : D D D D 60 d bei Halmfrüchten 90 d bei Hackfrüchten 70 d bei Ackerland 10 d bei Wald- und Dauergrünland 11