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Jörg Neumann:

Flächendifferenzierte Grundwasserneubildung von Deutschland

Entwicklung und Anwendung des makroskaligen Verfahrens HAD-GWNeu

2009. 127 Seiten, 23 Tabellen, 46 meist farbige Abb., 21x30cm, 550 g
Language: Deutsch

(Sonderhefte Reihe C - Geol. Jahrb., Heft 6)

ISBN 978-3-510-95980-8, brosch., price: 34.80 €

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Keywords

hydrogeology groundwater groundwater formation rate

Contents

Kurzbeschreibung top ↑

Als wichtige Wasserbilanzgröße stellt die Grundwasserneubildung ein Maß für die natürliche Erneuerbarkeit der Grundwasserressourcen dar. Definitionsgemäß beschreibt sie den Niederschlagsanteil, der als Sickerwasser den Grundwasserraum erreicht. Da die Grundwasserneubildung im Gegensatz zu anderen Wasserhaushaltsgrößen nicht direkt gemessen werden kann, sind zu ihrer Ermittlung in allen Skalenbereichen modellgestützte Ansätze erforderlich. Eine makroskalige, deutschlandweit einheitliche Modellierung der Grundwasserneubildung wurde erstmalig für den Hydrologischen Atlas von Deutschland (HAD) vorgenommen. Aufgrund der Tatsache, dass die bestehenden Ansätze dazu nicht optimal geeignet erschienen, wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit speziell zu diesem Zweck der statistische Ansatz HAD-GWNeu neu entwickelt.

Das Konzept von HAD-GWNeu beruht auf den Vorgaben der DIN 4049-3, wonach der mittlere, pegelbezogene Niedrigwasserabfluss der Grundwasserneubildung des zugehörigen Einzugsgebietes entspricht. Die Kalibrierung des Regressionsansatzes wurde auf der Grundlage von Tageswerten des Gesamtabflusses (R) der Zeitreihe 1961/90 aus 106 Einzugsgebieten in Deutschland durchgeführt. Anhand dieser Zeitreihen wurden die Regressionszielgrößen Basisabfluss (RB) und der entsprechende Baseflow-Index (RB/R), basierend auf einer Modifikation des empirischen Separationsverfahrens von KILLE (1970), ermittelt. Als unabhängige Variablen wurden vor allem die digitalen Daten des HAD verwendet. Ziel der Regressionsanalysen war es, die signifikanten Zusammenhänge zwischen den beiden hydrologischen Zielgrößen und den gebietsbeschreibenden Kennwerten zu identifizieren. Die daraus resultierenden Algorithmen wurden dann mit dem makroskaligen Verdunstungsmodell BAGLUVA gekoppelt und zur flächendifferenzierten Ermittlung der Grundwasserneubildung eingesetzt. Die zweistufige Vorgehensweise HAD-GWNeu wurde unter der Maßgabe der statistischen Fehlerminimierung entwickelt und ermöglicht die datenspezifisch bestmögliche Anpassung des Verfahrens an die pegelbezogenen Referenzwerte.

Die räumliche Differenzierung der berechneten Grundwasserneubildungsraten zeichnet sich durch den großräumigen Einfluss des Niederschlags und die kleinräumig wirksamen Auswirkungen der Standortfaktoren Boden, Landnutzung, Relief und Hydrogeologie aus. Die Validierung der Modellergebnisse zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen den rasterbasierten Werten und den Basisabflusshöhen im Einzugsgebietsmaßstab. Zusätzlich zur Validierung wurden Parametersensitivitäten, Residuen und Modellunsicherheiten untersucht, die in Verbindung mit einem detaillierten Verfahrensvergleich die Plausibilität des Regressionsansatzes HAD-GWNeu und seiner deutschlandweiten Anwendung bestätigen.

In der vorliegenden Arbeit werden die methodischen Grundlagen und die Anwendung des neu entwickelten Verfahrens detailliert beschrieben. Die gewonnenen Erkenntnisse sind insbesondere auch im Hinblick auf die Anforderungen der EU-Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL) von Bedeutung.

Bespr.: Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 54, 2010, H. 1 top ↑

Das Konzept von HAD-GWNeu beruht auf den Vorgaben der DIN 4049-3, wonach der mittlere, pegelbezogene Niedrigwasserabfluss der Grundwasserneubildung des zugehörigen Einzugsgebietes entspricht. Die Kalibrierung des Regressionsansatzes wurde auf der Grundlage von Tageswerten des Gesamtabflusses (R) der Zeitreihe 1961/90 aus 106 Einzugsgebieten in Deutschland durchgeführt. Anhand dieser Zeitreihen wurden die Regressionszielgrößen Basisabfluss (RB) und der entsprechende Baseflow-Index (RB/R), basierend auf einer Modifikation des empirischen Separationsverfahrens von KILLE (1970), ermittelt. Als unabhängige Variablen wurden vor allem die digitalen Daten des HAD verwendet. Ziel der Regressionsanalysen war es, die signifikanten Zusammenhänge zwischen den beiden hydrologischen Zielgrößen und den gebietsbeschreibenden Kennwerten zu identifizieren. Die daraus resultierenden Algorithmen wurden dann mit dem makroskaligen Verdunstungsmodell BAGLUVA gekoppelt und zur flächendifferenzierten Ermittlung der Grundwasserneubildung eingesetzt. Die zweistufige Vorgehensweise HAD-GWNeu wurde unter der Maßgabe der statistischen Fehlerbestimmung entwickelt und ermöglicht die datenspezifisch bestmögliche Anpassung des Verfahrens an die pegelbezogenen Referenzwerte.

Die räumliche Differenzierung der berechneten Grundwasserneubildungsraten zeichnet sich durch den großräumigen Einfluss des Niederschlags und die kleinräumig wirksamen Auswirkungen der Standortfaktoren Boden, Landnutzung, Relief und Hydrogeologie aus. Die Validierung der Modellergebnisse zeigt eine gute übereinstimmung zwischen den rasterbasierten Werten und den Basisabflusshöhen im Einzugsgebietsmaßstab. Zusätzlich zur Validierung wurden Parametersensitivitäten, Residuen und Modellunsicherheiten untersucht, die in Verbindung mit einem detaillierten Verfahrensvergleich die Plausibilität des Regressionsansatzes HAD-GWNeu und seiner deutschlandweiten Anwendung bestätigen.

In der vorliegenden Arbeit werden die methodischen Grundlagen und die Anwendung des neu entwickelten Verfahrens detailliert beschrieben. Die gewonnenen Erkenntnisse sind insbesondere auch im Hinblick auf die Anforderungen der EU-Wasserrahmenrichtlinie (EU-WRRL) von Bedeutung.

Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 54, 2010, H. 1, Seite 57

Inhaltsverzeichnis top ↑

Vorwort 7
1 Einleitung 8
2 Zielsetzung und Vorgehensweise 10
3 Stand der Wissenschaft 12
3.1 Fachterminologie und Definitionen 12
3.2 Makroskalige Wasserhaushaltsmodellierung 15
3.2.1 Methodische Rahmenbedingungen 15
3.2.2 Flächendifferenzierte Bilanzansätze 16
3.2.3 Einzugsgebietsbezogene Verfahren 18
4 Theoretische Grundlagen des Modellkonzeptes 21
4.1 Multiple lineare Regressionsanalyse 21
4.2 Datengrundlage und räumlicher Bezug 22
4.2.1 Raum- und zeitbezogene Daten 23
4.2.2 Auswahl der Untersuchungsgebiete 24
4.3 Einfluss von Modell- und Datenunsicherheiten 27
5 Methoden und Modellbildung 29
5.1 Erläuterungen zur Modellstruktur 29
5.2 Datenaufbereitung (Präprozessing) 30
5.2.1 Aufbereitung und Parametrisierung der Flächendaten 31
5.2.2 Ermittlung der Regressionszielgrößen – Abflussseparation 36
5.3 Integrative Nutzung raum- und zeitbezogener Daten 40
5.3.1 Verfahrensgang der Kalibrierung 40
5.3.2 Verfahrensgang der Regionalisierung 42
5.3.3 Verfahrensgang der Validierung 44
5.4 Beschreibung der Modellkomponenten 45
5.4.1 Ermittlung der Gesamtabflusshöhe – Das Modell BAGLUVA 45
5.4.2 Kalibrierung der Regressionsmodule 49
5.5 Zwischenergebnisse und resultierende Modellvarianten 52
5.5.1 Gesamtabflusshöhe und Baseflow-Index 53
5.5.2 Grundwasserneubildung – Modellvarianten 57
5.5.3 Kombination der Modellvarianten 59
6 Modellanwendung HAD-GWneu 61
6.1 Varianten und Modellergebnisse 61
6.1.1 Rasterbezogene Modellergebnisse 62
6.1.2 Mittlere Wasserbilanzwerte von Deutschland (1961/90) 64
6.2 Modellevaluierung und Plausibilitätsprüfungen 66
6.2.1 Einzugsgebietsbezogene Validierung 66
6.2.2 Untersuchung der Modellresiduen 68
6.2.3 Sensitivitätsanalysen 72
6.3 Vergleichende Darstellung der Ergebnisse 76
6.3.1 Regionale Methodenvergleiche 76
6.3.2 Deutschlandweite Methodenvergleiche 80
6.4 Diskussion der Ergebnisse 84
7 Die zeitliche Variabilität des Grundwasserhaushalts 87
7.1 Untersuchung langjähriger Zeitreihen 87
7.1.1 Die zeitliche Variabilität der Einzelgrößen 87
7.1.2 Ausgewählte Nass- und Trockenjahre 91
7.2 Flächendifferenzierte Untersuchung der Bandbreiten 93
7.2.1 Rasterbezogene Modellierung von Nass- und Trockenjahren 93
7.2.2 Regionale Bandbreiten der jährlichen Wasserbilanzwerte 98
8 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen 103
9 Literatur 105
ANHANG 117