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Abflussspenden Sachsen-Anhalt

 

Modellgestützte Regionalisierung der mittleren Abflussspen-
den der Zeitreihe 1971 bis 2002 für das Land Sachsen-Anhalt

  • Auftraggeber: Landesbetrieb für Hochwasserschutz und Wasserwirtschaft Sachsen-Anhalt
  • Bearbeiter: BAH-Berlin
SA

 

Für die Bearbeitung von Aufgaben der EU-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) müssen zur Einschätzung signifikanter Wasserentnahmen landesweit für die WRRL-relevanten Fließgewässer die quasi natürlichen Abflüsse ermittelt werden. Unter quasi natürlichen Abflüssen sind hierbei die Abflussverhältnisse zu verstehen, die sich anhand der aktuellen Landnutzungsstruktur ohne Bewirtschaftungsmaßnahmen (Entnahmen, Nutzungen o.ä.) einstellen würden. Vielfach sind diese Gewässer unbeobachtet, so dass als Grundlage für die Ermittlung dieser Abflüsse eine flächendifferenzierte, zeitlich hoch aufgelöste Modellierung des Niederschlag-Abfluss-Prozesses durchgeführt wurde.

Das Bearbeitungsgebiet umfasst die im Rahmen der bisherigen Bestandsaufnahme zur WRRL ausgewiesenen 449 Oberflächenwasserkörper (OWK). Da diese Wasserkörper sich nicht nur an der Landesgrenze, sondern auch an den oberirdischen Einzugsgebietsgrenzen orientieren, liegen Teile des Bearbeitungsgebiet (ca. 5.500 km²) außerhalb Sachsen-Anhalts, d.h. in Sachsen, Thüringen, Brandenburg und Niedersachsen. Die Gesamtfläche des  Bearbeitungsgebietes beträgt in etwa 27.000 km².

Aufgrund des flächendeckenden Modellierungsansatzes wurden auch anthropogen stark überprägte Gebiete (Braunkohletagebaue, Großstadtbereiche wie Halle und Magdeburg) mit modelliert, obwohl gemäß Aufgabenstellung diese Bereiche von der Modellierung hätten ausgeschlossen werden können, weil hier die zu ermittelnden quasi natürlichen Abflüsse nicht verifizierbar sind.

Für die Untersuchungen wurde das hydrologische Modellierungssystem ArcEGMO© verwendet, das auf Basis meteorologischer Eingangsgrößen und unter Berücksichtigung der Gebietseigenschaften den Gebietswasserhaushalt, Abflusskomponenten und den Gewässerabfluss simuliert.

Unter Nutzung dieses Systems wurde ein zeitlich und räumlich hoch aufgelöstes NA-Modell für das Untersuchungsgebiet aufgebaut, in das die derzeit fundiertesten Basisdaten für derartige, großräumige Untersuchungen eingeflossen sind, um eine möglichst gute Abbildung der räumlichen Verteilung der Wasserhaushaltsgrößen und der daraus resultierenden Abflussverhältnisse zu gewährleisten.

Dies sind räumlich sehr differenzierte Flächendaten zum Boden (VBK50), zur Landnutzung (CIR) und zur Oberflächenmorphologie (DGM10). Integriert wurden weiterhin das Gewässernetz (Auflösung ATKIS DLM10), die zugeordneten Einzugsgebiete in einer vergleichbaren Detaillierung und Punktdaten wie Klima- und Niederschlagsstationen. Alle Daten werden über das GIS-Datenmodell miteinander verknüpft und so für die Modellierung erschlossen.

Die Modellkalibrierung wurde mit dem Ziel durchgeführt, mit einer landesweit weitgehend einheitlichen Parametrisierung möglichst viele der vorgegebenen Validierungspegel hinsichtlich der mittleren Abflüsse abzubilden und gleichzeitig die Gesamtwasserbilanz des Landes ebenfalls in diesem Modell zu beschreiben.

Im Ergebnis lagen von den betrachteten 32 Validierungspegeln (ohne eingespeiste Pegel) die simulierten MQ-Werte von 26 Pegeln innerhalb eines Bereichs von ± 30%, 17 innerhalb eines Bereichs von ± 10% vom Beobachtungswert.

Größere Abweichungen waren vor allem auf nicht im Modell abgebildete anthropogene Überprägungen und durch die hydrogeologischen Gegebenheiten (Karstgestein im Südharz und Grundwasserentlastungsgebiete im Fläming) zurückzuführen, wodurch es zu Unter- und Überschätzungen der beobachteten Abflusswerte kommt. Diese Abweichungen wurden in Kauf genommen und nicht durch lokale Anpassungen der Modellparameter reduziert, um darüber ein Maß für die Abflusswirksamkeit der Versickerung im oberirdischen Einzugsgebiet zu erhalten.

Für den die Niedrigwasserverhältnisse charakterisierenden Kennwert MQAugust waren die Abweichungen etwas größer, weil sich hier Einflüsse wie eine Gewässerbewirtschaftung zur Niedrigwasseraufhöhung, Entnahmen und Einleitungen, Messfehler aber auch Modellunzulänglichkeiten hinsichtlich der Abbildung der Grundwasserkomponente wie auch Informationsdefizite zur Parametrisierung der Grundwasserkomponente wesentlich stärker auswirken als im Mittelwasserfall.

Nach der Modellkalibrierung und der Abweichungsanalyse wurden die Modellrechnungen für den gesamten Datenbestand, d.h. für insgesamt 23.383 Gewässerabschnitte und ca. 1,4 Mio. Elementarflächen durchgeführt. Für jeden Gewässerabschnitt wurde eine 32-jährige Reihe mit Tagesabflüssen erzeugt, die anschließend hinsichtlich der zu ermittelnden Kennwerte (MQ, MQAugust) einer Primärstatistik unterzogen wurde. Für die Elementarflächen wurden die Wasserhaushaltsgrößen als Mittelwerte über den Betrachtungszeitraum ermittelt, und zwar das Niederschlagsdargebot und die potenzielle Verdunstung als meteorologischer Input und die reale Verdunstung, Versickerung und Landoberflächenabfluss als Ergebnisgrößen.

Alle Ergebnisse wurden gemeinsam mit den Eingangsgrößen (Boden, Landnutzung, DGM) und weiteren Themen, insbesondere zur Hydrogeologie in eine GIS-Applikation integriert, mit der der Nutzer unter Einbeziehung seiner lokalen Kenntnisse an beliebigen Gewässerquerschnitten MQ-Werte und Angaben zu den Niedrigwasserverhältnissen (MQAugust) abfragen kann.

Wichtige Zusatzinformation zur Bewertung der Berechnungswerte stellen die Pegelbeobachtungen bzw. die Modellabweichungen an den Pegeln dar, die ebenfalls für die im Projekt verwendeten 40 Pegel mitgeliefert wurden. Diese Information kann ergänzt werden  durch die Einbeziehung weiterer Pegel, die zwar von vorn herein für die Modellanpassung aus verschiedensten Gründen vom Projektbegleiter nicht ausgewählt worden sind, die aber dennoch wichtige Hinweise für eventuell notwendige Korrekturen der berechneten Modellwerte liefern können.

 

 

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