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Landesamt für Umwelt und Geologie
Referat 32 – Grundwasser, Altlasten
Fachkonzept
zur Berechnung des Wasserhaushalts
für den Fest- und Lockergesteinsbereich in Sachsen
mit dem Schwerpunkt Grundwasserhaushalt
(„Grundwasserhaushalt Sachsen“)
Bericht
Bearbeiter:
Technische Universität Dresden
Institut für Hydrologie und Meteorologie
Lehrstuhl für Hydrologie
Würzburger Str. 46
01187 Dresden
Dr. Werner Dröge
Dipl.-Ing. (FH) Jutta Hofmann
Dipl.-Hydrol. Verena Maleska
Dipl. Geol. Solveig Meister
Dipl.-Hydrol. Norbert Prange
Dr. Robert Schwarze (Projektleiter)
Cand. Hydrol. Sebastian Spitzer
Cand. Hydrol. Marco Tichatschke
Projektbegleitung: Landesamt für Umwelt und Geologie
Referat 32 – Grundwasser, Altlasten
Zur Wetterwarte 11, 01109 Dresden
Dipl.-Geol. Maren Zweig
Dresden, April 2008

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 2 -
Kurzfassung
Im vorliegenden Bericht wird ein fachliches
Feinkonzept für die Berechnung des Wasser-
haushalts
für den Fest- und Lockergesteinsbereich in Sachsen mit dem Schwerpunkt
Grundwasserhaushalt vorgestellt. Dieses Fachkonzept „Grundwasserhaushalt in Sachsen“
fußt auf der Anwendung mehrerer aktueller und wissenschaftlich basierter Verfahren zur
Berechnung vollständiger mittlerer Wasserhaushaltsbilanzen (auf Mittelwert- oder Tages-
wertbasis) Die vorgeschlagene Methodik ermöglicht Wasserhaushaltsberechnungen für be-
liebige Gebiete in Sachsen in einer Auflösung von 500 m x 500 m sowie Szenarienbetrach-
tungen bezüglich des Klimawandels und der Landnutzung.
Das Fachkonzept besteht aus einem Ensemble sich gegenseitig stützender, voneinander
unabhängiger Verfahren. Es umfasst sowohl Methoden, welche eine optimale Informations-
ausschöpfung durch Analyse der vorhandenen Datenreihen des Routinemessdienstes er-
möglichen, als auch Modelle, die den Wasserhaushalt direkt berechnen. Das bietet den Vor-
teil sich gegenseitig kontrollierender Methoden, welche das Risiko unsicherer, nicht belast-
barer Ergebnisse gegenüber der Verwendung nur eines Modells deutlich minimiert. Bei einer
sachsenweiten Umsetzung der Konzeption können flächendeckend konsistente Wasser-
haushaltsdaten erzielt werden. Für wesentliche Teile des vorgeschlagenen Berechnungsan-
satzes erfolgte eine Testsimulation in geeigneten sächsischen Regionen.
Im Rahmen der Erstellung des Feinkonzeptes werden die Ansätze in Frage kommender
konzeptioneller und/oder physikalisch begründeter Modellkonzepte und Methoden beschrie-
ben und hinsichtlich ihrer Eignung, Genauigkeit und Einschränkungen bewertet. Die Aus-
wahl geeigneter Modelle erfolgt primär über den Aspekt einer aufgabenbezogenen, realisti-
schen Prozessbeschreibung. Die Festlegung des sachsenweit anzuwendenden Verfahrens
erfolgt im Verlauf der weiteren Umsetzung des Konzeptes nach einem Modellvergleich, der
nicht nur Unterschiede zwischen den Berechnungsergebnissen feststellt, sondern auch die
Ursachen dieser Unterschiede aufdeckt.
Das Fachkonzept orientiert auf Modelle, welche physikalisch begründete und sachsenweit
verfügbare Parameter verwenden. Soweit konzeptionelle, nicht messbare Parameter ver-
wendet werden, müssen objektive und reproduzierbare Modelle zur Ableitung der Parameter
aus Gebietseigenschaften zum Einsatz gelangen. In der Konzeption werden auch Lösungs-
wege für die notwendigen Regionalisierungs-, Aggregierungs- und ggf. auch Disaggregie-
rungsschritte umrissen. Diese Schritte sind zur Ermittlung von unterschiedlichen, nutzerab-
hängigen Auflösungen wie z.B. Gebietsmittelwerten oder Werten für Kleinflächen notwendig.
Die Validierung kann flächendeckend nur an Messungen aus dem Routinemessnetz erfol-
gen (Pegel, Grundwassermessstellen). Für die Bewertung der Modelleignung und für die
Verifizierung der Ansätze müssen deshalb zusätzlich geeignete Sondermessungen einbe-
zogen werden (z.B. Lysimeter Brandis).
Um eine einfache und schnelle Nutzung zu sichern, setzt das Fachkonzept auf ein Recher-
chesystem über einer Datenbank mit vorab berechneten und validierten Ergebnisse, bietet
aber auch die Möglichkeit, Szenarien des Wasserhaushaltes (in einem gewissen Rahmen)
operativ durch den Nutzer online zu berechnen.
Anforderungen an die rechentechnische Umsetzung des Fachkonzeptes werden in einem
IT-Konzept formuliert. Für die Kommunikation ist eine GIS - gestützte Oberfläche und Da-
tenbank vorgesehen. Die Datenbank kann jederzeit aktualisiert und fortgeschrieben werden
(z.B. Ergebnisse für neue Klimaszenarien, Änderung/Verlängerung der Zeitreihen etc.).

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 3 -
Inhaltsverzeichnis
Kurzfassung......................................................................................................2
Inhaltsverzeichnis ............................................................................................3
Abbildungsverzeichnis....................................................................................6
Tabellenverzeichnis .........................................................................................8
Anlagenverzeichnis..........................................................................................9
Abkürzungsverzeichnis/Symbolverzeichnis................................................10
1
Ausgangssituation............................................................................14
2
Ziele und Anforderungen..................................................................16
3
Wasserhaushaltsmodellierung: Begriffsbestimmungen und
Methoden...........................................................................................16
3.1 Begriffsbestimmungen ........................................................................ 19
3.2 Kategorien hydrologischer Modelle..................................................... 20
4
Entwicklung eines Konzepts für die Berechnung des
Wasserhaushalts in Sachsen...........................................................25
4.1 Mögliche Lösungswege und Randbedingungen.................................. 25
4.2
Strategie zur Auswahl eines geeigneten Modells zur Beschreibung des
Grundwasserhaushalts .......................................................................28
4.3
Das Fachkonzept „Grundwasserhaushalt in Sachsen“ ....................... 30
5
Methodik und Umsetzung des Fachkonzeptes
„Grundwasserhaushalt in Sachsen“...............................................35
5.1
Säule A – Gebietswasserhaushaltsanalyse für den Ist-Zustand und
Parameterermittlung mittels breitenverfügbarer Daten........................ 35
5.1.1
Säule A – Anforderungen, Zielstellung, Konzeption............................35
5.1.2
Säule A – Überblick zu den Methoden der Säule A ............................ 38
5.1.3
Säule A – Bestimmung der Modellparameter...................................... 43
5.2
Säule B – Szenariofähiger Algorithmus zur Ermittlung von
Wasserhaushaltsgrößen im Maßstab der Berechnungseinheiten....... 47
5.2.1
Säule B – Anforderungen, Zielstellung, Konzeption............................47
5.2.2
Überblick zu den Methoden der Säule B............................................. 50
5.2.3
Modellbeschreibungen zu AKWA-M, ArcEGMO, J2000 und WaSiM-ETH
.........................................................................................................55
5.2.3.1 Überblick zu den Modellansätzen und zur Raum- und
Zeitdiskretisierung ...............................................................................55

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 4 -
5.2.3.2 Meteorologische Eingangsdaten.........................................................60
5.2.3.3 Verdunstung........................................................................................61
5.2.3.4 Interzeption .........................................................................................65
5.2.3.5 Schneemodul ......................................................................................66
5.2.3.6 Infiltration.............................................................................................68
5.2.3.7 Muldenspeicher...................................................................................70
5.2.3.8 Oberflächenabfluss .............................................................................70
5.2.3.9 Hypodermischer Abfluss .....................................................................71
5.2.3.10 Kapillarer Aufstieg...............................................................................72
5.2.3.11 Phänologiemodell................................................................................73
5.2.3.12 Abflusskomponenten Grundwasser ....................................................79
5.2.3.13 Abflusskonzentration/ Durchflussverlauf .............................................82
5.3
Säule C – Online Algorithmus zur Ermittlung von einfachen,
szenariofähigen Wasserhaushaltsgrößen im Maßstab der
Berechnungseinheiten ........................................................................84
5.3.1
Säule C – Anforderungen, Zielstellung, Konzeption............................ 84
5.3.2
Überblick zu den Methoden der Säule C............................................. 86
6
Datengrundlage Fachkonzept „Grundwasserhaushalt in Sachsen“
............................................................................................................91
6.1
Geodaten in Sachsen.......................................................................... 91
6.1.1 Digitales Gelände-/ Höhenmodell........................................................ 91
6.1.2 Landnutzung ....................................................................................... 92
6.1.3 Geologie.............................................................................................. 95
6.1.4 Boden.................................................................................................. 96
6.1.5 Einzugsgebietsgrenzen....................................................................... 99
6.1.6 Gewässernetz ..................................................................................... 99
6.2 Meteorologische und Klimadaten in Sachsen ..................................... 99
6.3 Hydrologische Daten in Sachsen ...................................................... 100
7
Ergebnisse.......................................................................................102
7.1 Ergebnisse Säule A........................................................................... 102
7.1.1
Parametermodell für SLOWCOMP - Pilotlösung Mulde....................102
7.1.2
Erfassung geeigneter Untersuchungsgebiete und Empfehlung eines
Untersuchungszeitraumes.................................................................110
7.1.3
Anwendung von DIFGA und SLOWCOMP für ausgewählte Gebiete im
Lockergestein und Randpleistozän Sachsens................................... 116
7.1.4
Zusammenstellung von DIFGA Ergebnissen für das Testgebiet
Hölzelbergbach und weiterer Gebiete...............................................124
7.2 Ergebnisse Säule B........................................................................... 125
7.2.1 Modellanwendung im Einzugsgebiet................................................. 127
7.2.1.1 Testgebiet Hölzelbergbach................................................................127
7.2.1.2 Eingangsdaten und Modellparameter ...............................................129
7.2.1.3 Ergebnisse der Wasserhaushaltsberechnungen mit AKWA-M,
ArcEGMO, J2000 und WaSiM-ETH..................................................132

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 5 -
7.2.2 Allgemeine Bewertung der Modelle AKWA-M, ArcEGMO, J2000 und
WaSiM-ETH......................................................................................148
7.3 Ergebnisse Säule C .......................................................................... 157
8
Vergleichende Bewertung der eingesetzten Wasserhaushalts-
modelle zur Berechnung des Grundwasserhaushaltes von Sachsen
..........................................................................................................162
9
Problemanalyse und alternative Bearbeitungsvorschläge für die
Gebiete in Sachsen, in denen die vorgestellte Konzeption nur
eingeschränkt einsetzbar ist..........................................................165
10
IT-Konzept für das Fachkonzept „Grundwasserhaushalt in
Sachsen“..........................................................................................167
11
Zusammenfassung und Ausblick..................................................170
12
Ablaufplan........................................................................................177
Literaturverzeichnis .....................................................................................180

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 6 -
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Wasserhaushaltskomponenten gemäß HAD (BMU 2000, 2001, 2003))..19
Abbildung 2: Gegenüberstellung hydrologische Modelle ..............................................21
Abbildung 3: Mögliche Lösungswege für das Modellkonzept........................................25
Abbildung 4: Bilanzebenen für die Berechnung der Grundwasserneubildung..............28
Abbildung 5: Modellstruktur für das Fachkonzept „Grundwasserhaushalt in Sachsen“ 31
Abbildung 6: Schematischer Aufbau Säule A................................................................35
Abbildung 7: Säule A – Schema Gebietsberechnung Wasserhaushaltsgrößen ...........36
Abbildung 8: Konzept für die Berechnung des Gebietswasserhaushaltes im
Gebietsmaßstab und für die regionale Bestimmung von Modellparametern
(aus S
CHWARZE, R. ET AL. 2004)................................................................37
Abbildung 9: Prinzipdarstellung des Durchflussganglinienanalyseverfahrens DIFGA (aus
D
YCK & PESCHKE 1995)............................................................................38
Abbildung 10: Grundwassermodul SLOWCOMP inklusive Verweilzeitberechnung......42
Abbildung 11: Grundwassermodul SLOWCOMP ohne Stofffluss.................................43
Abbildung 12: Rückgangskonstanten der langsamsten Abflusskomponente – Vergleich
der mittels DIFGA ermittelten und der mit dem Parametermodell
berechneten Werte (aus S
CHWARZE ET AL. 2004)...................................45
Abbildung 13: Schematischer Aufbau Säule B..............................................................47
Abbildung 14: Säule B - Schema Gebietsberechung Wasserhaushaltsgrößen............49
Abbildung 15: Modularer Aufbau AKWA-M (aus M
ÜNCH, 2007) ...................................55
Abbildung 16: Modularer Aufbau ArcEGMO (aus K
LÖCKING & SUCKOW, 2006)............56
Abbildung 17: Modularer Aufbau J2000 (aus K
RAUSE, 2001) .......................................57
Abbildung 18: Modularer Aufbau WaSiM-ETH (aus S
CHULLA & JASPER, 2006)............58
Abbildung 19: Modellschema Waldwachstumsmodell 4C (aus
KLÖCKING & SUCKOW,
2006)......................................................................................................74
Abbildung 20: Schema Grundwassermodell EGMO_GW (aus P
FÜTZNER, 2002).........79
Abbildung 21: Grundwassermodul mit SLOWCOMP Ansatz in ArcEGMO (aus
P
FÜTZNER, 2002) ...................................................................................80
Abbildung 22: Schematischer Aufbau Säule C .............................................................84
Abbildung 23: Säule C - Schema Gebietsberechung Wasserhaushaltsgrößen............85
Abbildung 24: Schematische Übersicht über den Modellablauf DISSE ........................86
Abbildung 25: Aktualität ATKIS Basis-DLM Sachsen
(http://www.landesvermessung.sachsen.de/inhalt/produkte/aktuell/aktuell.
html; 10.01.2008)...................................................................................93
Abbildung 26: Vergleich der Landnutzungskarten.........................................................94
Abbildung 27:Vergleich der Geologiekarten..................................................................96
Abbildung 28: Blattübersicht und Bearbeitungsstand der BK50
(http://www.smul.sachsen.de/lfug/images_content/bk50_uebersicht.jpg,
10.01.2008)............................................................................................97
Abbildung 29: Vergleich der Bodenkarten.....................................................................98
Abbildung 30: Vorhandene Pegel in Sachsen.............................................................100
Abbildung 31: Der SLOWCOMP Parameter SG1grenz in Abhängigkeit von der
Lithofazieseinheit und dem Jahresniederschlag für das Einzugsgebiet der
Mulde (aus S
CHWARZE ET AL. 2004).....................................................103

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 7 -
Abbildung 32: Mittlere Jahressumme des Niederschlags im Gebiet der Mulde bis zum
Pegel Golzern (Reihe 1981-1996 Klimadatensatz „Elbe-Ökologie“
ELBCLI PIK) (aus S
CHWARZE ET AL. 2004)..........................................104
Abbildung 33: Hydrogeologische Einheiten im Einzugsgebiet der Mulde (aus S
CHWARZE
ET AL
. 2004) .........................................................................................104
Abbildung 34: Karten der Rückgangskonstanten CG1 und CG2 im Einzugsgebiet der
Mulde (aus S
CHWARZE ET AL. 2004).....................................................105
Abbildung 35: Karten des Modellparameters SG1grenz für das Einzugsgebiet der Mulde
bis zum Pegel Golzern (aus S
CHWARZE ET AL. 2004) ..........................105
Abbildung 36: Die Neubildung der langsamen Grundwasserkomponente RG2 für
Gebiete im magmatischen Tiefengestein in Abhängigkeit von der
Jahresniederschlagssumme (aus S
CHWARZE ET AL. 2004)..................106
Abbildung 37: Die Neubildung der schnellen Grundwasserkomponente RG1 für Gebiete
im magmatischen Tiefengestein in Abhängigkeit von der
Jahresniederschlagssumme (aus S
CHWARZE ET AL. 2004)..................106
Abbildung 38: Die mittlere jährliche Direktabflusssumme RD für Gebiete im
magmatischen Tiefengestein in Abhängigkeit von der
Jahresniederschlagssumme (aus S
CHWARZE ET AL. 2004)..................107
Abbildung 39: Die Grundwasserneubildung RG2 in Abhängigkeit von Niederschlag und
hydrogeologischer Einheit (aus S
CHWARZE ET AL. 2004).....................107
Abbildung 40: Die Grundwasserneubildung RG1 in Abhängigkeit von Niederschlag und
hydrogeologischer Einheit (aus S
CHWARZE ET AL. 2004).....................108
Abbildung 41: Direktabfluss RD in Abhängigkeit von Niederschlag und
hydrogeologischer Einheit (aus S
CHWARZE ET AL. 2004).....................108
Abbildung 42: Karten der Grundwasserneubildung RG2, des schnellen unterirdischen
Abflusses RG1 und des Direktabflusses RD im Einzugsgebiet der Mulde
(aus S
CHWARZE ET AL. 2004) ...............................................................109
Abbildung 43: Schema zur Auswahl geeigneter DIFGA-Gebiete................................111
Abbildung 46: Abhängigkeit der Grundwasserneubildung RG2 vom Niederschlag in den
untersuchten Gebieten im Lockergestein............................................116
Abbildung 47: Vergleich der empirischen Verteilungsfunktion des auf seinen Mittelwert
normierten Grundwasserabflusses QG2 aus verschiedenen
hydrogeologischen Einheiten (aus S
CHWARZE ET AL. 2004) ................121
Abbildung 48: Vergleich des Abflusskomponentenregimes im Trockenjahr 1976
(aus S
CHWARZE ET AL. 2004) ...............................................................122
Abbildung 49: Wasserhaushaltsbilanz für das Jahr 1976 Pegel Ammern/Unstrut......123
Abbildung 50: Wasserhaushaltsbilanz für das Jahr 1976 Pegel Elend/Kalte Bode ....123
Abbildung 51: Wasserhaushaltsbilanz für das Jahr 1976 Pegel Wiesa/Pöhlbach ......124
Abbildung 52: Wasserhaushaltsbilanz für das Jahr 1976 Pegel Schönau/Klosterwasser
.............................................................................................................124
Abbildung 53: Einzugsgebiet Pegel Hölzelbergbach auf Basis von Google Earth
Satellitenbildern und ATKIS-DGM (4fach überhöht)............................127
Abbildung 54: Landnutzung (ATKIS-DLM) im Einzugsgebiet Hölzelbergbach............128
Abbildung 55: Schema für die Definition von Berechnungseinheiten..........................131
Abbildung 56: Jahressummen des Niederschlags ......................................................134
Abbildung 57: Mittlere Monatssummen des Niederschlags ........................................135
Abbildung 58: Vergleich Jahressummen Niederschlag abzüglich Interzeption...........136
Abbildung 59: Vergleich mittlere Monatssummen Niederschlag abzüglich Interzeption
.............................................................................................................136

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 8 -
Abbildung 60: Vergleich Jahressummen der tatsächlichen Verdunstung ...................137
Abbildung 61: Vergleich mittlere Monatssummen der tatsächlichen Verdunstung .....138
Abbildung 62: Jahressummen der Schmelzwasserabgabe aus der Schneedecke.....138
Abbildung 63: Vergleich mittlere Monatssummen der Schmelzwasserabgabe aus der
Schneedecke .......................................................................................139
Abbildung 64: Vergleich Jahressummen des Infiltrationsdargebotes..........................140
Abbildung 65; Vergleich mittlere Monatssummen des Infiltrationsdargebotes............140
Abbildung 66: Jahressummen des Direktabflusses ....................................................141
Abbildung 67: Vergleich mittlere Monatssummen des Direktabflusses.......................142
Abbildung 68: Jahressummen der potentiellen Grundwasserneubildung ...................142
Abbildung 69: Vergleich mittlere Monatssummen der potentiellen
Grundwasserneubildung......................................................................143
Abbildung 70: Jahressummen des schnellen Grundwasserabflusses ........................144
Abbildung 71: Mittlere Monatssummen des schnellen Grundwasserabflusses ..........144
Abbildung 72: Jahressummen des langsamen Grundwasserabflusses......................145
Abbildung 73: Mittlere Monatssummen des langsamen Grundwasserabflusses........145
Abbildung 74: Jahressummen des Gesamtabflusses .................................................146
Abbildung 75: Mittlere Monatssummen des Gesamtabflusses ...................................147
Abbildung 76: Monatssummen der aktuellen Evapotranspiration für den Zeitraum
1.11.1980 bis 31.10.1997....................................................................158
Abbildung 77: Jahressummen der aktuellen Evapotranspiration für den Zeitraum
1.11.1980 bis 31.10.1997....................................................................159
Abbildung 78: Monatssummen des Sickerwassers für den Zeitraum 1.11.1980 bis
31.10.1997...........................................................................................160
Abbildung 79: Sonderflächen mit beeinflusstem Wasserhaushalt ..............................165
Abbildung 80: Grobstruktur der IT-Lösung zur Berechnung der Ergebnisdatenbank .169
Abbildung 81: Modellstruktur für das Fachkonzept „Grundwasserhaushalt in Sachsen“
.............................................................................................................171
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Sensitivitätsuntersuchungen für den Parameter CG2 (Gneis) im
Einzugsgebiet Schwarze Pockau/Pegel Zöblitz...........................................41
Tabelle 2: Bilanzfehler bei der Vernachlässigung von Speichergliedern in Gleichung 3 ..
.....................................................................................................................45
Tabelle 3: Speicherkonstanten und Aufteilung der GWN im Modell SLOWCOMP.......46
Tabelle 4: Überblick zu den meteorologischen Eingangsgrößen..................................60
Tabelle 5: Eingangsdaten der Modelle zur Beschreibung der Vegetationsdynamik .....77
Tabelle 6: Digital verfügbare Datengrundlagen.............................................................91
Tabelle 7: Rückgangskonstanten der schnellen (CG1) und der langsamen
Grundwasserabflusskomponente (CG2) ausgewählter hydrogeologischer
Einheiten....................................................................................................103
Tabelle 8: Bearbeitungsschritte DIFGA-Analyse.........................................................110
Tabelle 9: Speicherkonstanten für den Lockergesteinsbereich...................................116
Tabelle 10: Überblick zu den Ergebnissen von DIFGA/SLOWCOMP in den
Untersuchungsgebieten in der Lockergesteinsregion................................118

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 9 -
Tabelle 11: Vergleich grundwasserrelevanter Wasserhaushaltsgrößen für das
Wasserhaushaltsjahr 1976 in den Gebieten Ammern, Elend, Wiesa und
Schönau ....................................................................................................121
Tabelle 12: Gebietsspezifische Kennwerte Hölzelbergbach .......................................129
Tabelle 13: Verwendete Teilmodelle für die Wasserhaushaltsberechnung im
Einzugsgebiet des Hölzelbergbaches........................................................133
Tabelle 14: Effektive Durchwurzelungstiefe aus ATV-DVWK-M 504, Tab 8.1b, S.104.....
...................................................................................................................157
Tabelle 15: Landnutzungsparameter f aus ATV-DVWK-M 504, Tab 8.1a, S.104.......157
Tabelle 16: Vergleich Modellierungsergebnisse mit Lysimetermessung Lysimeter 5.5....
...................................................................................................................159
Anlagenverzeichnis
Anlage 1: Geohydraulische Interpretation des Konzeptmodells Einzellinearspeicher und
Konsequenzen für die Modellierung des Grundwasserabflusses
Anlage 2: Überblickskarten zu den Testgebieten
Anlage 3: Übersicht der für die Anwendung von DIFGA geeigneten Einzugsgebiete
Anlage 4: Datenverfügbarkeit für die für DIFGA geeigneten Pegel
Anlage 5: Karte der für DIFGA geeigneten Gebiete in Sachsen
Anlage 6: Petrografische Karte Sachsen
Anlage 7: DIFGA - Untersuchungsgebiete im Lockergestein
Anlage 8: Zusammenstellung der mittleren Wasserhaushaltsbilanz berechnet mit DIFGA
für Einzugsgebiete im Pleistozän und im Randpleistozän
Anlage 9: DIFGA Berechnungsergebnisse Hölzelbergbach

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 10 -
Abkürzungsverzeichnis/Symbolverzeichnis
a
Abminderungsfaktor für ungesättigte Bedingungen [-]
AB
Reduktionsfaktor (AKWA-M; Bodenmodell „einzelner Grenzwertspeicher“)
a
P
empirischer Wert, der die Abnahme der Varianz der Niederschlagsintensität mit
zunehmendem Zeitschritt berücksichtigt
A
V
Beitragsfläche zur Infiltration
b
Parameter zur Berechnung, wieviel des Überschussanteils als hypodermischer
Abfluss deklariert wird (AKWA-M)
BHYS
Skalierungsfaktor für unterschiedliche Simulationsschrittweiten [%]
bio
gesamte zugewachsene Biomasse für einen Tag
BT Bodentemperatur
c
Parameter für Anteil hypodermischer Abfluss (AKWA-M)
c
0,1
temperaturabhängiger Schmelzfaktor
c
2
windabhängiger Schmelzfaktor
C
G
bodenspezifischer Parameter nach Glugla
CG
1
Speicherkonstante des schnellen Grundwasserspeichers
CG
2
Speicherkonstante des langsamen Grundwasserspeichers
c
p
spezifische Wärmekapazität der Luft bei konstantem Druck
c
rfr
Koeffizient für das Wiedergefrieren
d Schichtdicke
Def
MPS
absolutes Sättigungsdefizit des Mittelporenspeichers
e aktueller Wasserdampfdruck
E
I
Verdunstung aus dem Interzeptionsspeicher
e
s
Sättigungswasserdampfdruck bei aktueller Lufttemperatur
e
sat,14
-
e
14
Dampfdruckdefizit um 14 Uhr [hPa]
e
sat
-e Dampfdruckdefizit [hPa]
E
sub
Sublimation aus der Schneedecke
ET
0
Grasreferenzverdunstung [mm/d]
ET
a
Aktuelle Evapotranspiration [mm/d]
ET
max
Maximale Evapotranspiration [mm/d]
ETP potentielle Verdunstung
ETR reale Verdunstung
f
landnutzungsabhängiger Parameter [-]
F*
notwendiges Wärmebedürfnis bis zum Erreichen einer Phänophase
fak
Faktor zur Bestimmung der Interzeptionshöhe [-]
FC Feldkapazität
f
i
empirischer Faktor
F
inf
Kumulative Infiltrationsmenge [mm]
f
inf,j
Infiltrationsrate für Zeitschritt j [mm/d]
f
k
empirischer Korrekturwert, der alle nicht über Strahlung und Temperatur erfass-
baren Parameter berücksichtigt
fr
LAI,max
Fraktion des maximalen Blattflächenindexes, die zu der aktuellen HU dieser
Pflanze korrespondiert
fr
PHU
Anteil HU an PHU
fr
PHU,sen
Fraktion der PHU, an welcher der Alterungsprozess dominiert

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 11 -
fr
root
Fraktion der totalen Biomasse, die in das Wurzelwachstum eingeht
f
W
Windfunktion [mm/d/hPa]
G Bodenwärmefluss
gs
Strahlungsanteil [-], Eingabeparameter (0,55…0,65)
GW
sat
relative Wassersättigung des Grundwasserspeichers
h
c
Vegetationshöhe an einem gegebenen Tag
h
c,max
maximale Vegetationshöhe der Pflanze
h
d
Tageslänge
h
SI
maximale Schichtdicke des Wassers auf benetzter Oberfläche
I Infiltrationskapazität
I
max
maximale Interzeptionsverdunstung [mm/d]
k Leitfähigkeitsparameter
kA
Kapillarer Aufstieg [mm/d]
Kap Kapillarer Aufstieg
k
d
Koeffizient zur Dämpfung der Funktion
K
e
Effektive hydraulische Leitfähigkeit [mm/d]
kf
per
Leitfähigkeit der mächtigsten Bodenschicht
kf
sat
gesättigte hydraulische Leitfähigkeit
k
Hamon
monatsspezifischer Anpassungsfaktor
k
Haude
monatsspezifischer Anpassungsfaktor
K
korr
Skalierungsparameter zur Berücksichtigung ungesättigter Zustände und bevor-
zugter Fliesswege
K
s
gesättigte hydraulische Leitfähigkeit
k
TAU
Retentionskonstante in Abhängigkeit des Durchflusses
k
TW
Küstenfaktor
L
spezifische Verdunstungswärme [KJ/kg], die zur Verdunstung von 1kg Wasser
benötigt wird
LAI Blattflächenindex
L
F
Fließweg
L
n,d
Latente Verdunstungswärme
l
s
Sättigungstiefe
m Rückgangsparameter (WaSiM-ETH)
m
c
Tonanteil [%]
M
neg
negative Schmelze (wiedergefrierendes Wasser)
M
per
Mächtigkeit der größten Bodenschicht
m
s
Sandanteil [%]
n
Rauhigkeitsbeiwert nach Mannig-Strickler
n
a
auffüllbare Porosität
nFK nutzbare Feldkapazität
PAC
empirischer Parameter [5..10], Eingabeparameter für Teilflächen
PBOD
Bodenniederschlag (Niederschlag abzüglich Interzeption)
Per Perkolation
P
grenz
Niederschlagsintensität, oberhalb derer das Niederschlagswasser durch Makro-
poren schnell in tiefere Bodenschichten abfließt
P
grenz,1h
Grenzintensität für Zeitintervall Δt=1h

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 12 -
PHU
potentielle kumulierte HU für diese Pflanze am gegebenen Tag
PI Niederschlagsintensität
P
Schnee
Anteil Schnee am Niederschlag
PWP Permaneter Welkepunkt
Q Abfluss/Durchfluss
QB
Ablauf aus dem Boden (gesamt und Schicht 0…n)
QB
Rest
Restwasser in Bodenschicht
QG1
Abfluss aus dem schnellen Grundwasserspeicher SG1
QSS Schmelzwasserabgabe
Q
ZU
Zufluss
q
V
vertikaler Fluss - Versickerungsrate
r
Abminderungsfaktor der MINHAS – Formel im Disse – Ansatz [-]
r
a
Bulk-aerodynamischer Widerstand
R
A
extraterrestrische Strahlung
rBD relatives Bodenfeuchtedefizit
RDhor hortonscher Oberflächenabfluss
RDhyp
hypodermischer Abfluss im Boden
RDhys
hypodermischer Abfluss unter dem Boden (zwischen letzter Bodenschicht und
geolog. Untergrund)
rD
S
relative Sonnenscheindauer
R
f
tägliche Rate der ontogenetischen Entwicklung
R
G
Globalstrahlung
RG1
Zufluss zum schnellen Grundwasserspeicher SG1
RG1
pot
potentiell möglicher Zufluss zum schnellen Grundwasserspeicher SG1
RG2
pot
potentiell möglicher Zufluss zum Grundwassermodell
rH relative Luftfeuchte
r
kf
Anteil des perkolierenden Wassers
RMF
von Jahreszeit abhängiger Strahlungs-Schmelzkoeffizient
R
N
Nettostrahlung
R
N
*
Verdunstungsäquivalent der Nettostrahlung [mm/d]
R
O
Landoberflächenabflussintensität
r
s
Bulk-Oberflächenwiderstand
S Geländegefälle
S
0
Astronomisch mögliche Sonnenscheindauer
S
akt
aktueller Bodenwasserspeicherinhalt [mm]
SB
aktueller Inhalt des Bodenspeichers
SB
A
Anfangsbodenfeuchte [mm]
SB
max
maximale Kapazität des Bodenspeichers
S
c
Chilling
s
d,n
Steigung der Dampfdruckkurve
S
f
Austrieb
SG1 schneller Grundwasserspeicher
SG1
0
Anfangsfüllung des schnellen Grundwasserspeichers
SG1
1
Endfüllung des schnellen Grundwasserspeichers
SG1
max
maximal mögliche Speicherfüllung schneller Grundwasserspeicher

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 13 -
SI aktuelle Speicherfüllung Interzeptionsspeicher
SI
max
maximale Interzeptionsspeicherkapazität
S
max
maximal mögliche Sonnenscheindauer [h]
SSFAK Strahlungsfaktor
SW
aktueller Bodenwasserspeicherinhalt [mm]
T Temperatur
T
0,m
Grenztemperatur für Einsetzen der Schneeschmelze
T
Bf
Basistemperatur für Austrieb
TGF Tagesgradfaktor
t
i
Zeit
T
R/S
Temperatur, bei der 50% des Niederschlags als Schnee fallen
t
s
Sättigungszeitintervall
T
SG
Schneeschmelzgrenztemperatur
T
trans
½ des Temperatur-Übergangsbereiches von Schnee zu Regen
u Windgeschwindigkeit
v Vegetationsbedeckungsgrad
v
2
Windgeschwindigkeit in 2m Höhe als Tagesmittel [m/s]
We Ausschöpfungstiefe [mm]
yr
cur
Alter der Bäume
yr
fulldev
Anzahl der Jahre bis zur vollständigen Entwicklung einer Baumart
z Tiefe
z
root
Wurzeltiefe
z
root,max
maximale Wurzeltiefe
α Albedo
γ
p
Psychrometerkonstante
Δ
Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve
Δbio
potenzielles Pflanzenwachstum an einem Tag
ΔSat
MPS
relatives Sättigungsdefizit
ΔΘ
Bodenfeuchteänderung an der Feuchtefront [mm/mm]
∆t Zeitschritt
η
Grenzwert für Bodenfeuchte, ab dem Reduktion ETR gegenüber ETP
Θ Wassergehalt
Θ
FK
Wassergehalt bei Feldkapazität
Θ
WK
Wassergehalt am Permanenten Welkepunkt
λ
latente Verdunstungswärme
ρ
Dichte der Luft
Φ
soil
Porosität des Bodens
ψ
f
Saugspannung an Feuchtefront

image
Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 14 -
Fachkonzept „Grundwasserhaushalt in Sachsen (Fest- und Lockergestein)“
einschließlich Ergänzung: Ganglinienanalysen mit dem Modell DIFGA
Auftraggeber:
Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie
Referat 32 – Grundwasser, Altlasten
Auftragnehmer:
Technische Universität Dresden Institut für Hydrologie und
Meteorologie Lehrstuhl für Hydrologie
Bearbeitungszeit:
24.10.2007 bis 31.3.2008
1 Ausgangssituation
Das Programmsystem GEOFEM (GABRIEL ET AL. 1987) wurde für die Berechnung langjähri-
ger mittlerer Wasserbilanzen im Festgesteinsbereich von Thüringen und Sachsen entwi-
ckelt. Mit der erweiterten Version GEOFEM
2004
(F+F 2006) wurde auch eine testweise An-
wendung im Lockergesteinsbereich durchgeführt.
Verschiedene Untersuchungen der AG „Grundwasserhaushalt Sachsen“ ergaben, dass das
Programm GEOFEM
2004
im Vergleich zu anderen Wasserhaushaltsmodellen ähnliche Er-
gebnisse für die Grundwasserneubildung berechnet. Ein Vergleich weiterer Teilgrößen des
Wasserhaushalts zeigte jedoch besonders bei der Berechnung des Gesamtabflusses und
der Sickerwasserrate größere Abweichungen. Für weitergehende Informationen sei an die-
ser Stelle auf den Abschlussbericht der AG Grundwasserhaushalt „Validierung von Grund-
wasserhaushaltsmodellen in Sachsen“ (LfUG 2007) verwiesen.
Für die Vergleichsrechnungen wurden folgende Programme/Ansätze herangezogen:
Hydrologischer Atlas Deutschland (BMU
2003)
BAGLUVA (G
LUGLA et al. 2003)
BOWAM (D
UNGER 2002)
STOFFBILANZ (G
EBEL, GRUNEWALD, HALBFAß 2005)
ABIMO (G
LUGLA, FÜRTIG 1997)
TUB-BGR (W
ESSOLEK et. al. 2004)
WaSiM-ETH (S
CHULLA, 1997, SCHERZER et al., 2006)
CoupModel (J
ANSSON, KARLBERG 2004)
AKWA-M (M
ÜNCH, 1994)
DIFGA/SLOWCOMP (S
CHWARZE 2004)
Die Vergleichsrechnungen dienten wesentlich der Frage, ob die Weiterentwicklung von
GEOFEM ein denkbarer Weg wäre. Da GEOFEM auf rein empirischen, weitestgehend sze-
nariounfähigen Ansätzen beruht, ist eine Weiterentwicklung nicht zielführend und wurde
durch die AG Grundwasserhaushalt nicht empfohlen.
Davon ausgehend wurde nunmehr untersucht, ob die für die Vergleichsrechnungen ver-
wandten Modelle an die Stelle von GEOFEM treten könnten. Für Berechnungen von Status
quo Szenarien lassen sich Modelle wie z.B. STOFFBILANZ, BAGLUVA, TUB-BGR und
ABIMO verwenden. Bei Anwendung dieser Modelle ist eine Kompatibilität zum hydrologi-
schen Atlas von Deutschland HAD gegeben. Weiterhin sind diese Methoden u. U. auch für
eine direkte Berechnung im Anwendungsfall geeignet. Dadurch hätte der Anwender die

image
Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 15 -
Möglichkeit, in gewissen Grenzen direkt die Auswirkungen z.B. von Landnutzungsänderun-
gen auf den Wasserhaushalt zu berechnen. Da diese Modelle aber weitgehend empirisch
sind, lassen sich Auswirkungen von Klimaänderungen nicht oder nur eingeschränkt berech-
nen. Deshalb ist eine unmittelbare Anwendung dieser Verfahren für die sachsenweite Be-
rechnung des Grundwasserhaushaltes nicht möglich. Ergebnisse dieser Verfahren (z.B. des
HAD) sollten jedoch wenn möglich in geeigneter Form in eine sächsische Lösung implemen-
tiert werden.
Aus Sicht der AG Grundwasserhaushalt erfüllen von den im Rahmen der Vergleichrechnun-
gen verwendeten Verfahren die Modelle WaSiM-ETH, CoupModel und AKWA-M weitgehend
und das Modell BOWAM mit Einschränkungen die im Abschnitt 2 genannten Anforderungen.
Als Fazit der Arbeiten in der AG Grundwasserhaushalt stand die Empfehlung, dass aufgrund
der Unstimmigkeiten in den Berechnungen des Gesamtwasserhaushalts mit dem Programm
GEOFEM
2004
und der fehlenden Szenariofähigkeit zur Ablösung dieses Programms ein neu-
es Fachkonzept entwickelt werden soll.

image
Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 16 -
2 Ziele und Anforderungen
Die Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie erfordert eine qualifizierte Planung und Kon-
trolle wasserwirtschaftlicher Maßnahmen. Dies setzt belastbare Daten zum Grundwasser-
haushalt voraus. Darüber hinaus sind prognostische Bewertungen des Grundwasserdarge-
botes notwendig, die die Klimaentwicklung und Landnutzungsänderungen (planmäßig oder
durch Klimaänderungen bedingt) berücksichtigen.
In der Vergangenheit wurde der Grundwasserhaushalt vielfach mehr oder minder losgelöst
von seiner Einbettung in den Gesamtwasserhaushalt betrachtet. Typisches Beispiel hierfür
sind z.B. Grundwasserspendenschlüssel bzw. empirische Verfahren zur Bestimmung der
Grundwasserneubildung in hydrogeologisch homogenen Einheiten. Als Beispiel seien hier,
absolut ohne Anspruch auf Vollständigkeit, die Arbeiten von K
RAFT & SCHRÄBER 1982,
S
CHRÄBER & SZYMCZAK 1984 und GABRIEL & ZIEGLER 2003 genannt. Das Grundproblem
derartiger Verfahren ist, dass sie nur Aussagen für den Ist-Zustand erlauben. Aussagen zur
Änderung des Grundwasserhaushaltes unter sich verändernden Rahmenbedingungen (Kli-
ma, Landnutzung etc.) sind, wie die Untersuchungen in der AG Grundwasserhaushalt (LfUG
2007) belegen, nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich.
Die Schlüsselgröße für den Grundwasserhaushalt ist die Grundwasserneubildung GWN, die
gemäß DIN 4049 jeglichen „Zugang von infiltriertem Wasser zum Grundwasser“ umfasst.
Um diesen Zugang flächendeckend in Abhängigkeit von klimatischen Faktoren und von der
Beschaffenheit der Landoberfläche (Boden, Pflanzen) zu berechnen, muss die GWN mittels
eines Bodenwasserhaushaltsmodells bestimmt werden, das in der Lage ist, die maßgebli-
chen Prozesse innerhalb der Boden-Pflanze-Atmosphäre-Interaktion realistisch abzubilden.
In Abhängigkeit von den Standortbedingungen (u. a. grundwasserfern/grundwassernah,
Wechselwirkung zu Oberflächengewässern) müssen neben der Perkolation (Sickerwasser-
rate) als maßgeblicher Größe weitere Flüsse wie z. B. Zehrung, kapillarer Aufstieg, GW-
Entnahmen und Zwischenabfluss berücksichtigt werden.
Im Fachkonzept "Grundwasserhaushalt in Sachsen“ soll die Basis für ein System sachsen-
weiter Wasserhaushaltsberechnungen gelegt werden, das diesen Ansprüchen gerecht wird.
Ziel ist die Erarbeitung einer wissenschaftlich basierten Methode oder die Kombination meh-
rerer geeigneter Methoden zur Berechnung vollständiger Wasserhaushaltsbilanzen (auf Mit-
telwert- und/oder Tageswertbasis) für beliebige Gebiete in Sachsen mit der Möglichkeit von
Szenarienbetrachtungen. Hierfür ist die Wasserhaushaltsbilanzierung in Sachsen auf eine
moderne wissenschaftliche Basis zu stellen. Diese Aufgaben erfordern den Einsatz von flä-
chendetaillierten Wasserhaushaltsmodellen, die regional anwendbar und mit vertretbarem
Aufwand umsetzbar sind.
An ein geeignetes Werkzeug für die Bilanzierung des Grundwasserhaushaltes in Sachsen
werden folgende Anforderungen gestellt:
Mit dem Modell sollen vollständige Wasserhaushaltsbilanzen einschließlich Angaben
zur Verdunstung und zu allen relevanten Abflussteilgrößen ermittelt werden.
Es soll eine frei verfügbare, für sächsische Verhältnisse anwendbare, möglichst phy-
sikalisch begründete Methodik verwendet werden.
Das Parametermodell muss auf messbaren und breitenverfügbaren Gebietsinforma-
tionen beruhen.
Das Verfahren muss sowohl im sächsischen Festgesteinsbereich als auch im Lo-
ckergesteinsbereich anwendbar sein.

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
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Das Verfahren soll für Einzugsgebietsebenen verschiedener Größe und beliebige
andere geometrische Flächen, möglichst rasterbasiert, einsetzbar sein.
Der Wasserhaushalt muss bei verschiedenen Einsatzmöglichkeiten realistisch und
reproduzierbar, mit möglichst geringen Unsicherheitsbereichen, berechnet werden.
Das Verfahren muss Angaben zu langjährigen Mittelwerten liefern, es sollte auch
Angaben zum Jahresgang (z.B. mittlere Monatswerte) ermöglichen.
Die erzielten Ergebnisse müssen validierbar sein.
Das Verfahren soll Aussagen für den Status quo und für Szenarien (Klima-, Landnut-
zungsänderungen) ermöglichen.
Das Modell soll auf regionalisierte Grunddaten zugreifen bzw. regionalisierte Daten
intern erstellen, so dass der Benutzer diese Daten nicht recherchieren muss.
Die Ergebnisse sollen digital in Form von GIS-Layern und Tabellen ausgegeben
werden.
Die Modellanwendung soll weitgehend automatisiert sein und relativ kurze Rechen-
zeiten benötigen, so dass das Modell auch von Nutzern ohne vertiefte hydrologische
Ausbildung im Routinebetrieb angewandt werden kann.
Damit wird deutlich, dass an das Modell sehr hohe Anforderungen gestellt werden. Das Mo-
dell bzw. Informationssystem soll einerseits möglichst einfach aufgebaut, universell an-
wendbar und robust sein, auf der anderen Seite sollen in jedem Anwendungsfall
auch zur
Untersuchung von Szenarien
belastbare Ergebnisse erzielt werden.
Die vorliegende Arbeit wurde ausgehend von der Aufgabenstellung des Landesamtes für
Umwelt und Geologie (LfUG), Referat 32 – Grundwasser, Altlasten vom 28.08.2008 (Az. 13-
0345.44/295) erstellt.
In den dieser Arbeit vorangegangenen Untersuchungen in der Arbeitsgemeinschaft „GW-
Haushalt Sachsen“ (LfUG 06/2007) wurden neun verschiedene Modelle zu Berechnung des
Wasserhaushalts miteinander verglichen. Die Ergebnisse dieser Modelle differierten sehr
stark. Eine Aussage, welches das „richtige“ Ergebnis ist, ist nicht ohne weiteres möglich. Die
Ursache dafür liegt darin, dass Modelle stets nur Stellvertreter der realen Prozesse sind.
Modelle werden für unterschiedliche Aufgabenstellungen entwickelt und weisen unterschied-
liche Abstraktionsgrade auf. Es gibt deshalb nicht das „richtige Modell“, sondern nur das für
die jeweilig zu lösende Aufgabe am besten geeignete Modell. Dabei darf die Auswahl des
Modells nicht ausschließlich unter dem Aspekt der Kalibrierbarkeit, sondern muss primär
über den Aspekt einer aufgabenbezogenen, realistischen Prozessbeschreibung erfolgen.
Eine der wesentlichen Ziele der vorliegenden Studie ist es deshalb, eine Strategie zur Aus-
wahl eines oder mehrerer geeigneter Verfahren zur Berechnung des Wasserhaushalts von
Sachsen zu formulieren. Dies geht nur über einen Modellvergleich, der gegenüber den bis-
herigen Vergleichen nicht nur Unterschiede feststellt, sondern auch die Ursachen dieser
Unterschiede aufdeckt. Die Strategie des Modellvergleichs wird in Abschnitt 4.2 im Detail
erklärt. Vor dem Hintergrund der Schwierigkeit zur Auswahl des „richtigen“ Modells sollte bei
dem Fachkonzept nach einer Lösung gesucht werden, welche aus einem Ensemble sich
gegenseitig stützender, voneinander unabhängiger Verfahren besteht. Dieses muss sowohl
Methoden umfassen, welche eine optimale Informationsausschöpfung durch Analyse der
vorhandenen Datenreihen des Routinemessdienstes ermöglichen als auch Modelle, die den
Wasserhaushalt direkt berechnen. Das bietet den Vorteil, sich gegenseitig kontrollierender
Methoden, welche das Risiko unsicherer, nicht belastbarer Ergebnisse gegenüber der Ver-
wendung nur eines Modells deutlich minimiert (vgl. 4.3). Durch gleichzeitige, sachsenweite
Anwendung des Methodenensembles wird ein konsistentes Ergebnis garantiert. Das ist bei
einer nicht koordinierbaren Anwendung verschiedener Verfahren zu unterschiedlichen Zeit-
punkten durch unterschiedliche Bearbeiter sachsenweit nicht zu gewährleisten.
Es ist auf Modelle zu orientieren, welche physikalisch begründete und sachsenweit verfüg-
bare Parameter verwenden. Soweit konzeptionelle, nicht messbare Parameter verwendet

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 18 -
werden, müssen objektive und reproduzierbare Modelle zur Ableitung der Parameter aus
Gebietseigenschaften zum Einsatz gelangen. Das ist eine wesentliche Voraussetzung, um
die vorab geforderten, sachsenweit vergleichbaren, reproduzierbaren und konsistenten Er-
gebnisse zu erlangen. Die weithin übliche Praxis einer ausschließlichen Kalibrierung derarti-
ger Parameter anhand beobachteter Durchflussreihen ist dahingegen nicht zielführend, da
nur Verfahren, für die objektive Parametermodelle existieren, szenariofähig sind. Bei der
Berechnung der Auswirkungen von Klimaänderungen auf den Wasserhaushalt z.B. ist eine
Kalibrierung von Modellparametern anhand von Beobachtungsdaten nicht möglich, da diese
für die Zukunft nicht vorliegen.

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
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3
Wasserhaushaltsmodellierung: Begriffsbestimmungen und
Methoden
3.1 Begriffsbestimmungen
Die Begriffsbestimmung der Wasserhaushaltskomponenten im Rahmen des Projektes er-
folgt in Anlehnung an die DIN 4049 gemäß dem Hydrologischen Atlas von Deutschland
(HAD). Die wesentlichen Komponenten und Prozesse des Gebietswasserhaushalts sind in
Abbildung 1 dargestellt.
Grundwasserneubildung
aus Sickerwasser
Abflussbildung
Grundwasser-
raum
Sickerraum
Verdunstungs-
beeinflusste
Bodenzone
Infiltration
Sickerwasser
Beregnung
Niederschlag
Evaporation
Transpiration
Interzeptions-
verdunstung
Oberflächen-
abfluss
Kapillarer Aufstieg
schneller
langsamer
Grundwasserabfluss
Zwischenabfluss
Abflusskonzentration
Vorfluter
Direktabfluss
Basisabfluss
Grundwasserneubildung
aus Sickerwasser
Abflussbildung
Grundwasser-
raum
Sickerraum
Verdunstungs-
beeinflusste
Bodenzone
Infiltration
Sickerwasser
Beregnung
Niederschlag
Evaporation
Transpiration
Interzeptions-
verdunstung
Oberflächen-
abfluss
Kapillarer Aufstieg
schneller
langsamer
Grundwasserabfluss
Zwischenabfluss
Abflusskonzentration
Vorfluter
Direktabfluss
Basisabfluss
Abbildung 1: Wasserhaushaltskomponenten gemäß HAD (BMU 2000, 2001, 2003)
Der Wasserhaushalt eines Gebietes wird durch das Zusammenwirken der Komponenten
Niederschlag P, Evapotranspiration ET, Abfluss R und Änderung der Wasserspeicherung
ΔS
in einer bestimmten Zeit und einem bestimmten Raum beschrieben. Im Allgemeinen wird
der Wasserhaushalt durch folgende Formel charakterisiert (D
YCK & PESCHKE, 1995):
P = ET + R +
ΔS
Nachfolgend seien wesentliche Aspekte des Prozessverlaufs vereinfacht dargestellt.
Der Niederschlag P wird zunächst durch Interzeption SI auf der Oberfläche von Pflanzen
bzw. als Benetzung SO auf anderen Oberflächen gespeichert. Dieses Wasser wird durch
Interzeptionsverdunstung EI bzw. Evaporation EO anschließend wieder verdunstet und ist
nicht abflusswirksam. Ist die Benetzungskapazität überschritten, gelangt der Niederschlag
direkt auf den Boden und infiltriert zunächst in den Untergrund. Wird die Infiltrationskapazi-
tät überschritten, verbleibt das nicht infiltrierte Niederschlagswasser auf der Oberfläche und
gelangt, ausreichendes Gefälle vorausgesetzt, als Oberflächenabfluss (R
O
) zum Vorfluter.
Das infiltrierte Wasser speist den Bodenwasserspeicher SB. Evapotranspiration ETR bringt
einen großen Teil dieses im Boden gespeicherten Niederschlagswassers wieder zurück in
die Atmosphäre.
Der Teil des Wassers, welcher nicht längere Zeit gegen die Schwerkraft im Boden gehalten
werden kann, fließt in tiefere Schichten und wird als Sickerwasserrate aus dem Boden
(SWR) oder Perkolation bezeichnet. Existieren im Bereich der ungesättigten Zone stauende
Schichten, kann ein mehr oder minder großer Teil dieses Sickerwassers lateral als Zwi-
schenabfluss (R
I
) abfließen. Laterale Abflüsse im Boden und/oder der ungesättigten Zone

image
Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
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werden häufig auch als hypodermischer Abfluss bezeichnet. Nur der in den wassergesättig-
ten Bereich des Gebietsuntergrundes (Grundwasserraum) gelangende Anteil des Sicker-
wassers ergibt die Grundwasserneubildung (GWN). In grundwassernahen Standorten ent-
spricht die Sickerwasserrate der Grundwasserneubildung. Der Basisabfluss (R
B
) umfasst die
grundwasserbürtigen Abflusskomponenten und speist den Vorfluter. Zwischen- und Basis-
abfluss können aus mehreren Teilströmen in verschiedenen Bereichen des durchströmten
Raumes zusammengesetzt sein. Der Umfang der Bodenwasserspeicherung und -bewegung
wird primär von der Verteilung der Porendurchmesser (maßgeblich für die Leitfähigkeit und
die wirkenden Kapillarkräfte) bestimmt. Kapillarer Aufstieg aus dem Grundwasser ermöglicht
bei Vorliegen eines in Richtung der Oberfläche gerichteten hydraulischen Gradienten einen
Wassertransport aus der gesättigten in die ungesättigte Zone. Dieses Wasser ermöglicht
dann z.B. die zusätzliche Versorgung der Vegetation auf grundwassernahen Standorten.
3.2 Kategorien hydrologischer Modelle
Ein hydrologisches Modell ist eine idealisierte und abstrahierte Beschreibung der Realität.
Ein Modell ist somit Stellvertreter der durch sie abgebildeten natürlichen Systeme und Pro-
zesse, hier im Speziellen hydrologischer Prozesse. Die Ursache-Wirkungs-Kette dieser Sys-
teme wird durch eine Vorstellung (Modell) abgebildet, welche die wirkenden (in der Hydrolo-
gie meist physikalischen) Grundgesetze (Erhaltungssätze, Kontinuitätsbedingungen, Zu-
standsgleichungen etc.), die Systemstruktur (z.B. Topologie) und die Parameter (Quantifizie-
rung von Eigenschaften, Zuständen, Elementen, Grenzbedingungen etc.) erfasst. Diese
Vorstellung muss in mathematische Algorithmen umgesetzt werden. Die Art der Umsetzung
hängt dabei vom Zweck der Modellanwendung und von der Art des modellierenden Prozes-
ses ab. Diese bestimmen den erforderlichen Grad der Kausalität des aufzustellenden Mo-
dells. Grundsätzlich wird hier zwischen deterministischen und stochastischen Ansätzen so-
wie Hybriden aus beiden Richtungen unterschieden. Für die meisten Anwendungen im Be-
reich der Beschreibung des Niederschlags-Abfluss-Prozesses kommen deterministische
Lösungen zum Einsatz. Da auch für das Fachkonzept Grundwasserhaushalt ausschließlich
deterministische Ansätze vorgesehen sind, wird im weiteren Verlauf nur auf diese näher
eingegangen. Aufgrund der Komplexität und/oder der großen Anzahl von Freiheitsgraden
können hydrologische Modelle i. d. R. nur mittels EDV berechnet und ausgewertet werden.
Die Berechnung basiert auf analytischen und/oder numerischen Verfahren. Die Anwendung
eines hydrologischen Modells erfolgt meist mit der Zielstellung der Prognose zu erwartender
Zustände (Vorhersage) bzw. zum Zweck der Analyse und des Verständnisses des System-
verhaltens (Was wäre wenn?). Zusätzlich muss unterschieden werden, ob die Modelle in
Echtzeit (z.B. operative HW-Vorhersage) oder im Szenariobetrieb ohne direkten Bezug zu
gerade stattfindenden hydrologischen Prozessen (z.B. Berechnung der zu erwartenden
Auswirkungen von Klimaänderungen auf die Grundwasserneubildung) betrieben werden.
Grundsätzlich sind die Modellergebnisse immer nur eine näherungsweise Lösung und wei-
chen mehr oder minder stark vom tatsächlichen, häufig nicht oder nur eingeschränkt mess-
und beobachtbaren Prozessverlauf ab. Weitere Ausführungen geben die meisten einschlä-
gigen Hydrologie-Lehrbücher.
Die nachfolgende Abbildung 2 gibt einen Überblick zu den hydrologischen Modellen nach
der Art der Prozessbeschreibung: empirisch - konzeptionell- physikalisch begründet.

image
Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
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System-
Eingabe
operator
Ausgabe
Physiographische Faktoren
Modell parameter
Modell struktur
Physikalische Gesetze
Natur des Systems
Eingabe
Ausgabe
System-
operator
Black-Box-Modelle
konzeptionelle Modelle
physikalisch begründete
Modelle
Modelle mit empirischem Systemoperator
Prozessbeschreibende Modelle
Abbildung 2: Gegenüberstellung hydrologischer Modelle
Empirische Modelle (Black-Box-Modelle, Modelle mit empirischem Systemoperator)
Diese Modelle betrachten nur den System-In und –Output. Sie enthalten keine Abbildung
der ablaufenden Prozesse. Das Transformationsmodell (Systemoperator) ist eine formale
mathematische Routine ohne erkennbaren Bezug zur Physik des Prozesses.
Empirische Modelle basieren auf einer Vielzahl von Beobachtungen von Ereignissen in der
Natur. Mittels mathematischer Gleichungen werden Zusammenhänge zwischen den Ein-
gangsgrößen, z. B. dem Niederschlag, und den Ausgangsgrößen, z. B. dem Abfluss, abge-
bildet. Dabei werden nicht die zugrunde liegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten mit-
tels entsprechender Gleichungen nachgebildet, sondern z. B. einfache Regressionsbezie-
hungen (Schlüsselkurven) oder Exponentialfunktionen, Differential- und Integralfunktionen
angewandt. Häufig wird der Systemoperator mittels inverser Methoden aus bekannten Input-
Output-Paaren abgeleitet.
Haude-Verfahren zur Berechnung der ETP
SCS-Verfahren zur Berechnung des Oberflächenabflusses (Infiltrationsüberschuss)
BAGROV-GLUGLA-Verfahren zur Berechnung der GWN
Einheitsganglinienverfahren zur Transformation von Starkregen in Hochwassergang-
linien (Faltungsoperation, unit-hydrograph-method)
Beispiele für bei der Berechnung des Grundwasserhaushaltes angewendete empirische
Modelle sind GEOFEM und TUB-BGR.
Empirische Modelle bilden die zu beschreibenden Prozesse nicht nach („Black-Box-
Modelle“), sind stets nur eingeschränkt oder nicht auf abweichende Rahmenbedingungen
übertragbar.

image
Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
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Prozessbeschreibende Modelle
Zu den prozessbeschreibenden deterministischen Modellen (
Prozessmodelle
) gehören
physikalisch begründete
sowie
konzeptionelle Modelle
. Ihre grundlegende Struktur zeigt
die rechte Seite von Abbildung 2. Im Gegensatz zu den empirischen Modellen wird die Pro-
zesskausalität bei der Formulierung des Systemoperators explizit berücksichtigt. Dies ist die
Vorraussetzung dafür, dass prozessbeschreibende Modelle auch in unbeobachteten Gebie-
ten anwendbar und übertragbar sind.
Den Prozessmodellen stehen in der Hydrologie
Parametermodelle
gegenüber. Sie dienen
der Ableitung von Gebietseigenschaften, welche durch Parameter in Modellen charakteri-
siert werden, aus zur Verfügung stehenden Informationen. Beispielsweise kann der Parame-
ter „hydraulische Leitfähigkeit“ aus der BK50 (Bodenkarte im Maßstab 1:50.000) über das
Parametermodell der Bodenkundlichen Kartieranleitung, 4. Auflage (KA 4) bestimmt werden.
Physikalisch begründete Modelle (White-Box-Modell)
Diese Modelle stützen sich auf die Grundgesetze der Physik und bilden die Hydro- und
Thermodynamik der abzubildenden Prozesse möglichst exakt ab. Sie erlauben damit eine
realistische Prozessbeschreibung auf der Basis definierter messbarer Parameter. Viele phy-
sikalisch begründeten Modelle sind jedoch auf kleiner Skala (z. B. Bodensäule) entwickelt
worden, erfordern eine hohe Anzahl an Ausgangsdaten und Parametern, sind meist sehr
komplex und basieren auf nichtlinearen, häufig analytisch nicht lösbaren Differentialglei-
chungen (DGL). Daraus resultieren ein hoher Aufwand und häufig auftretende numerische
Probleme. Beispiele für physikalisch begründete Modelle sind:
PENMAN-MONTEITH-Verfahren zur Berechnung der ETP
Grundwasserströmungsmodelle nach DARCY
RICHARDS-Modell der ungesättigten Wasserbewegung
Saint-Venant-Gleichung für instationäre Strömungsprozesse in Oberflächengewäs-
sern
Ein Hauptproblem bei der Anwendung physikalisch begründeter Modelle ist der Skalenüber-
gang. So sind Modelle, die z.B. die 1D-Wasserbewegung in einer Bodensäule im Labor-
maßstab (mikroskalige Prozesse) physikalisch weitgehend exakt beschreiben, nicht ohne
weiteres im Einzugsgebietsmaßstab (meso- bis makroskalige Prozesse) z.B. zur Berech-
nung der GWN anwendbar. Ein weiteres Problem ist die Parametrisierung der Modelle. Zwar
sind die Parameter prinzipiell messbare Eigenschaften oder Zustandsgrößen, insbesondere
im meso- und makroskaligen Bereich sind die Parameter aber oft nicht in der notwendigen
räumlichen und zeitlichen Auflösung bestimmbar. Das liegt am unverhältnismäßig hohen
Aufwand und/oder an der Unmöglichkeit bestimmter Messungen im Gebietsmaßstab.
Konzeptionelle Modelle (Grey-Box-Modell, systemtheoretische Modelle)
Konzeptmodelle stützen sich gleichfalls auf die Grundgesetze der Physik, bilden diese je-
doch in vereinfachter Form (Analogiemodell und/oder Modellreduktionen) ab und beinhalten
u. U. ein gewisses Maß an Emperie.
Typisches Beispiel ist die in der Hydrologie sehr häufig verwendete Speicher- und Translati-
onsanalogie. So wird dann z. B. die Bodenwasserbewegung nicht mit der Richards-DGL
sondern mit einem wesentlich leichter handhabbaren linearen Speichermodell beschrieben,
welches auf der Analogie zum laminaren Ausfluss aus einem Gefäß (Gesetz von Hagen-
Poiseuille) beruht.
Ein Beispiel für die Modellreduktion ist z.B. die Vereinfachung der Saint-Venant-Gleichung
zum Diffusionswellenansatz oder zur kinematischen Welle.
Werden physikalisch begründete Modelle außerhalb ihres aus der Ableitung definierten
Raum- und Zeitmaßstabes angewendet (so dieses möglich ist), mutieren sie i.d.R. ebenfalls

image
Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 23 -
zu Konzeptmodellen. Dies kann am Beispiel der Richards-DGL gezeigt werden. Als typi-
sches mikroskaliges Modell beschreibt dieses, physikalisch zutreffend, durch Kombination
von Darcy-Gesetz und Kontinuitätsgleichung den effektiven Wasserfluss in einem repräsen-
tativen Einheitsvolumen (REV) eines porösen Mediums (Boden) bei Anliegen eines definier-
ten hydraulischen Gradienten. Aussagen zum Wasserfluss in einer einzelnen Strom-
bahn/Pore innerhalb des REVs sind damit nicht möglich. Hier müsste die Navier-Stokes-
Gleichung angewendet werden. Bei Anwendungen im Einzugsgebietsmaßstab verlassen wir
das REV. In diesem Fall wird durch die parallele Anwendung auf vielen Teilflächen versucht,
das REV-Konzept zu halten. Problematisch dabei ist aber, dass beim Übergang von der
Bodensäule zum Gebietsmaßstab die Richards-Gleichung nicht mehr alle physikalischen
Prozesse der Bodenwasserbewegung umfasst (Übergang von 1D auf 2D/3D-Fließprozess,
Wechselwirkungen zwischen den REVs, weitere wirkende Prozesse wie Druckfortpflanzung,
bevorzugte Fließwege, starke Heterogenität etc. etc.).
Wesentliches Merkmal konzeptioneller Modelle ist, dass im Gegensatz zu den physikalisch
begründeten Ansätzen nicht mehr alle Modellparameter physikalisch definiert sind. Viele
dieser Konzeptparameter sind deshalb auch nicht direkt messbar. Darum benötigen Kon-
zeptmodelle in den meisten Fällen zusätzlich Parametermodelle zur Bestimmung der Kon-
zeptparameter. Diese Parametermodelle sind sehr häufig empirisch. Die Modellparameter
werden z. B. über empirische Zusammenhangsanalysen aus messbaren Gebietseigenschaf-
ten abgeleitet, ohne dass dieser Zusammenhang physikalisch interpretiert wird. Vielfach
muss dieser Zusammenhang deshalb im Rahmen der Modellkalibrierung für jeden Anwen-
dungsfall erneut aufgestellt werden, was die Anwendbarkeit von Konzeptmodellen in unbeo-
bachteten Gebieten u. U. stark einschränkt. Ein besserer Weg ist es deshalb, die Konzept-
parameter physikalisch zu interpretieren. So konnte z.B. gezeigt werden, dass für die Spei-
cherkonstante des linearen Speichermodells ein physikalisch begründeter funktionaler Zu-
sammenhang zur Gebirgsdurchlässigkeit, drainablen Porosität, Aquifermächtigkeit und
Fließlänge besteht (S
CHWARZE ET AL. 1999A, HENNIG & SCHWARZE 2000). Dadurch lassen
sich regionale Parametermodelle ausschließlich auf der Basis messbarer Gebietseigen-
schaften aufstellen, was die Anwendung dieses Speicherkonzeptes auch ohne Kalibrierung
an hydrologischen Messungen ermöglicht. Ein weiteres Beispiel stellen Pedotransferfunktio-
nen dar, die den grundlegenden Zusammenhang zwischen Matrixpotential und Wasserge-
halt z. B. nach van Genuchten beschreiben, diesen aber entsprechend der Korngrößenver-
teilung und Trockendichte an den konkreten Boden anpassen.
Die meisten für die Berechnung des Grundwasserhaushalts genutzten Modelle sind Kon-
zeptmodelle. Hierzu gehören z.B. AKWA-M, BOWAM und DIFGA. Weitere Modelle sind
Konzeptmodelle, die physikalisch begründete Teilmodule und/oder physikalisch begründete
Parametermodelle beinhalten. WaSiM-ETH (Richards-Version), CoupModel sowie SLOW-
COMP sind dieser Kategorie zuzuordnen.
Der Unterschied zwischen empirischen und physikalisch begründeten Modellansätzen soll
anhand eines Vergleiches der Ansätze zur Berechnung der potentiellen Verdunstung nach
HAUDE und PENMAN-MONTEITH verdeutlicht werden. Das HAUDE-Verfahren schätzt die
potentielle Verdunstung anhand der Ausgangsgrößen Temperatur und Luftfeuchte. Eine
Vielzahl von hydrologischen Messungen zeigte jedoch, dass diese beiden Größen nicht aus-
reichen, um das komplexe Wirkungsgefüge zwischen Atmosphäre und Landoberfläche hin-
sichtlich der potentiellen Verdunstung rechnerisch zu beschreiben. Deshalb wurden sto-
chastische HAUDE-Faktoren abgeleitet, mit deren Hilfe möglichst viele der Messergebnisse
annähernd nachgebildet werden können. Die HAUDE-Faktoren gelten jedoch nur für dieje-
nigen konkreten Randbedingungen, anhand derer sie abgeleitet wurden (Jahreszeit, Be-
wuchstyp, geografische Region).
Mit dem PENMAN-MONTEITH-Verfahren wird dagegen versucht, die für die potentielle Ver-
dunstung wesentlichsten physikalischen Zusammenhänge zwischen Atmosphäre und Land-
fläche in eine Gleichung zu integrieren. So wird neben der Lufttemperatur und -feuchte (Sät-
tigungsdefizit der Atmosphäre) auch die Strahlungsbilanz und die Luftbewegung berücksich-
tigt. Die Wirkung der Rauigkeit der Landoberfläche und des konkreten Bewuchses geht in
Form von Verdunstungswiderständen in die Berechnung ein. Damit wird das physikalisch

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 24 -
begründete Verfahren nach PENMAN-MONTEITH universell anwendbar und kann als Stan-
dardverfahren der FAO (Food and Agriculture Organization of the United Nations) unabhän-
gig von der geografischen Lage weltweit angewandt werden.

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 25 -
4
Entwicklung eines Konzepts für die Berechnung des
Wasserhaushalts in Sachsen
4.1
Mögliche Lösungswege und Randbedingungen
Für das Modellkonzept sind grundsätzlich die folgenden Lösungswege (Abbildung 3) denk-
bar:
Entwicklung einer Modellsoftware, welche unter Verwendung der GIS - gestützten
Benutzeroberfläche zunächst die notwendigen Inputdaten einliest bzw. anfordert, die
Berechnungen für Ist-Zustand und Szenarien online durchführt und die Ergebnisse
ausgibt (
direkter Betrieb des hydrologischen Gebietswasserhaushaltmodells
bei jeder Anwendung).
Entwicklung eines
Fachinformationssystems
(FIS), welches regionalisierte Ergeb-
nisse hydrologischer Berechnungen enthält. Im FIS sind bereits Berechnungsergeb-
nisse für den Ist-Zustand und Szenarien, Vergleichsmesswerte, Angaben zur Genau-
igkeit etc. in der für den Nutzer notwendigen räumlichen und zeitlichen Auflösung
enthalten. Sie werden bei jeder Anwendung zur Ermittlung von Gebietswerten ge-
nutzt.
Entwicklung einer
Hybrid-Lösung
, welche eingebettet in ein Fachinformationssys-
tem innerhalb gewisser Grenzen auch den direkten Betrieb geeigneter Wasserhaus-
haltsmodelle ermöglicht.
Hybridlösung
Vorabberechnung
Ist-Zustand
Vorabberechnung
Szenarien
Direkte
Modellanwendung
Fachinformationssystem
Abbildung 3: Mögliche Lösungswege für das Modellkonzept
Der erstgenannte Weg, der ausschließliche, direkte Betrieb eines hydrologischen Modells,
ist für eine sachsenweite flächendeckende Anwendung nicht zu empfehlen. Es existieren
durchaus Modelle, die unter einer GIS - Oberfläche betrieben werden können, wie z.B. das
GIS - basierte hydrologische Einzugsgebietsmodell ArcEGMO (P
FÜTZNER, 2007). Ein sol-
ches System wäre aber nur mit großem Aufwand durch speziell qualifiziertes Personal zu
bedienen. Weiterhin müssen bei jeder Anwendung relativ lange Rechenzeiten in Kauf ge-
nommen werden. Dies gilt insbesondere für Modelle, welche auf Tagesbasis oder zeitlich
noch höher aufgelöst arbeiten (z.B. WaSiM-ETH, CoupModel, Daisy, Brook, SWAT). Derar-
tige Modelle sind entsprechend zu parametrisieren und erfordern i. d. R. eine Kalibrierung

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 26 -
bei jeder Anwendung sowie eine erneute Validierung. Der direkte Modellbetrieb ist für Fall-
studien geeignet und notwendig. Für ein flächendeckendes effizientes Informationssystem
zum Einsatz in der wasserwirtschaftlichen und behördlichen Praxis ist dieser Weg allerdings
ungeeignet.
Für den zweiten Weg, die Erstellung bzw. Anwendung eines geografischen Fachinformati-
onssystems, sind bereits die beiden Informationssysteme GEOFEM
2004
(F+F GmbH) und
STOFFBILANZ (G
EBEL, GRUNEWALD, HALBFAß 2005) verfügbar. Auch ABIMO (GLUGLA, FÜR-
TIG
1997) ist eine Kombination von GIS - Grunddaten und einem Algorithmus zur Gebietsbe-
rechnung. Der Hydrologische Atlas von Deutschland HAD (G
LUGLA ET AL. 2001b) stellt eben-
falls ein Informationssystem zur Quantifizierung des Gebietswasserhaushaltes dar. Bei der
Anwendung werden lediglich Ergebnisse hydrologischer Berechnungen aus einer GIS -
verknüpften Datenbank oder einem Kartenwerk extrahiert und mittlere Gebietswerte be-
rechnet. Die zugrundeliegenden hydrologischen Berechnungen werden bei der Anwendung
nicht wiederholt. Szenarienberechnungen, Veränderung der betrachteten Zeitreihen, Be-
rücksichtigung von Klima- und/oder Landnutzungsänderungen sind mit diesen Informations-
systemen allerdings nur sehr eingeschränkt bzw. gar nicht möglich. Aus diesem Grund soll-
ten ausgewählte Ergebnisse in ein zu erstellendes Fachinformationssystem mit eingebettet
werden, ihre alleinige Anwendung würde aber den unter Abschnitt 2 genannten Anforderun-
gen nicht gerecht.
Für die Entwicklung eines aktuellen flächendetaillierten Wasserhaushaltsmodells wird fol-
gendes Lösungskonzept vorgeschlagen, das die oben genannten Varianten in einer hybri-
den Lösung (Lösungsweg 3) kombiniert:
Es erfolgt der
Aufbau eines FIS
, für welches die Wasserhaushaltsdaten für den ge-
genwärtigen Zustand und für verschiedene Szenarien jeweils mit veränderten
Grunddaten und/oder Randbedingungen flächendeckend berechnet werden. Die Be-
rechnungen erfolgen vorab. Die Ergebnisse werden anschließend validiert, regionali-
siert und in einer
Datenbank
abgelegt. Diese Datenbank steht über eine
GIS-gestützte Rechercheoberfläche als Schnittstelle für die Anwendungen zur Ver-
fügung. Das System ist so zu konzipieren, dass es fortgeschrieben werden kann
bzw. neue Szenarien implementierbar sind. Das Berechnungsmodell sollte aus mög-
lichst einfachen Routinen bestehen, die bei einer sachsenweiten Anwendung aus-
schließlich mit breitenverfügbaren Daten auskommen. Es soll eine frei verfügbare,
für sächsische Verhältnisse anwendbare, möglichst physikalisch begründete Metho-
dik verwendet werden. Es können bereits vorhandene Modelle verwendet oder Be-
standteile verschiedener konzeptioneller und/oder physikalisch begründeter Modelle
kombiniert werden. Bei der Verwendung von Konzeptmodellen muss ein transparen-
tes, reproduzierbares und (nach Möglichkeit) physikalisch interpretiertes Modell zur
Bestimmung der Parameter vorliegen. Die Berechnungsansätze sind so zu wählen,
dass Veränderungen in den Randbedingungen prinzipiell im Rahmen einer Neube-
rechnung der Regionalisierungsgrundlage berücksichtigt werden können.
Für Berechnungen, z. B. Variantenbetrachtungen bei der Flächennutzungsplanung
oder einfache Klimaszenarien, soll ein zusätzliches Modul bereitgestellt werden, das
die
online - Berechnung von einfachen Szenarien
ermöglicht. Die Ergebnisse
werden an die Datenbank übergeben.
Die Berechnung des mittleren Gebietswasserhaushaltes (gegenwärtiger Zustand und
Szenarien) erfolgt über eine GIS-Oberfläche mit Zugriff auf die Datenbank. Diese Da-
tenbank enthält Grunddaten und bereits vorab berechnete und/oder online ermittelte
Wasserhaushaltsgrößen, die mit validierten Berechnungsverfahren bestimmt wur-
den. Diese Ergebnisse werden für den Nutzer aufbereitet. Der Anwender gibt nur das
Berechnungsgebiet vor, für das gebietsbezogene Wasserhaushaltsdaten aus den
rasterbezogenen Daten der Datenbank berechnet werden. Hierzu müssen Werkzeu-
ge zur
Regionalisierung der Daten
eingesetzt werden. Die Benutzeroberfläche

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 27 -
muss es ermöglichen, sowohl raum-zeitbezogene Einzelergebnisse zu recherchieren
als auch aus dem Vergleich der vorhandenen Szenarien Trendaussagen abzuleiten.
Eine anspruchsvolle Aufgabe ist die Lösung von Fragen der
Regionalisierung
, der Aggre-
gation und ggf. auch Disaggregation sowie des Skalenwechsels. Das äußert
sich z. B. bei
der Ermittlung von Gebietswerten (Mittelwertbildung). Das hydrologische Modell, dessen
Ergebnisse in der Datenbank archiviert werden, liefert seine Aussagen in einer bestimmten
Raum- und Zeitstruktur (z.B. Raster mit 0,5 km Kanten und Δt=1 d), welche sich i. d. R. von
der Raum- und Zeitstruktur, in welcher der Nutzer Aussagen erwartet, mehr oder minder
stark unterscheidet. Somit muss mit Methoden der hydrologischen Regionalisierung, auf die
an dieser Stelle nicht in allen Einzelheiten eingegangen werden kann, der Übergang zwi-
schen beiden Auflösungen berechnet werden. Da nicht alle Wünsche der Nutzer im Vorfeld
bekannt sein werden, muss das FIS in der Lage sein, Ergebnisse in einer bestimmten
Spanne zu liefern (z.B. von der einzelnen Rasterfläche in Δt=1 d bis zum langjährigen Mittel
über eine 100 km² große Fläche). Dies muss im konkreten Anwendungsfall durch einen Re-
gionalisierungsansatz direkt berechnet werden. Dabei kann aus Gründen des Aufwandes
nicht das hydrologische Modell erneut gerechnet werden, sondern es müssen die vorliegen-
den Ergebnisse regionalisiert werden. Dabei muss, auch wenn die Regionalisierung von
validierten Modellergebnissen ausgeht, das regionalisierte Ergebnis stets erneut validiert
werden. Diese Aufgabe ist alles andere als trivial und mit erheblichen Fehlerquellen verbun-
den, wie z.B. K
LEEBERG ET AL. (1999) belegen.
Bei der Erarbeitung des Modellkonzeptes wird Wert darauf gelegt, dass
Szenarien
bezüg-
lich vieler relevanter Einflussfaktoren des Wasserhaushaltes betrachtet werden können.
Dieser Forderung steht entgegen, dass auf der Anwenderebene nur Szenarien abgerufen
werden können, welche zuvor in der Entwicklerebene erstellt wurden. Anzustreben ist des-
halb, dass neben einem zuerst erstellten Status-quo-Szenario (Ist-Klima, Ist-Landnutzung)
insbesondere Szenarien für zu erwartende Klimaänderungen erstellt werden. Hierfür sollten
die mittels Downscaling ausgehend von den IPCC-Szenarien (IPCC 2001, z.B. A2, A1B, B1)
erzeugten regionalen Klima-Datensätze (z.B. 50 bzw. 100-jährige Reihen aus STAR oder
REMO) Verwendung finden. Die Ergebnisse der durch das LFUG initiierten Vorhaben CLI-
SAX und KLIWEP (LfUG 2007) müssen hierbei einbezogen werden.
Essenziell für die Berechnung der Auswirkungen derartiger Klimaänderungen ist, dass die
verwendeten Methoden in der Lage sind, die Reaktion der Vegetation auf diese Klimaände-
rungen abzubilden. Die für die Wasserhaushaltsberechnung verwendeten Ansätze zur Be-
rechnung der Pflanzenverdunstung müssen in der Lage sein, klimabedingt veränderliche
phänologische Daten des Pflanzenwachstums und Wasser-Energie-Stress abzubilden. Der-
artige Ansätze existieren und sind in einer Reihe von Modellen auch bereits integriert. Um
hier zu geeigneten Lösungen zu kommen, ist ein Modellvergleich an Datensätzen von Lysi-
metern und Kleinsteinzugsgebieten erforderlich.
Das dargestellte Konzept liefert Aussagen zur Wasserhaushaltsbilanz. Hydrodynamische
Prozesse, z. B. Veränderungen des Grundwasserstandes und der Grundwasserströmung,
können und sollen damit nicht berechnet werden.
Hinsichtlich der Berechnung der Grundwasserneubildung werden die folgenden Bilanzebe-
nen vorgeschlagen:

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 28 -
Abbildung 4: Bilanzebenen für die Berechnung der Grundwasserneubildung
Die potentielle Grundwasserneubildung (Synonym Sickerwasserrate nach HAD) dient dabei
als Schnittstelle zwischen dem Bodenwasserhaushaltsmodell und dem Grundwassermodell.
Die Betrachtung von Grundwasserzuflüssen ist modellabhängig. Es muss geprüft werden,
inwieweit diese berücksichtigt werden können.
4.2
Strategie zur Auswahl eines geeigneten Modells zur Beschreibung
des Grundwasserhaushalts
Eine wesentliche Fragestellung bei der Erstellung des Fachkonzeptes liegt in der Auswahl
eines oder mehrerer geeigneter Modelle. Um die Prognosefähigkeit zu gewährleisten, muss
in diesem Zusammenhang primär die Güte der Prozessabbildung geprüft werden. Weiterhin
ist die verfügbare Datengrundlage zur Parametrisierung der Modelle in die Bewertung ein-
zubeziehen.
Ein Vergleich der Modelle untereinander ist notwendig, da für die geforderten Ausgabeteil-
größen des Wasserhaushaltes größtenteils keine Beobachtungswerte zum Vergleich vorlie-
gen. Insgesamt dient der Modellvergleich der Verifizierung beziehungsweise der Einschät-
zung der Modellgüte der jeweiligen Modelle.
Um das oder die geeignete(n) Modell(e) zu finden, muss eine umfassende Modelltestung an
geeigneten Objekten und Testgebieten erfolgen. Hierfür wird eine dreistufige Vorgehenswei-
se in verschiedenen Skalenmaßstäben vorgeschlagen:
Zehrung
kapillarer
Aufstieg
Grundwasserabfluss
Laterale Flüsse
Aktuelle Verdunstung
Laterale Flüsse
reale Grundwasserneubildung
Perkolation/Sickerwasserrate aus der durchwurzel-
ten und verdunstungsbeeinflussten Bodenzone
potentielle Grundwasserneubildung
meteorologisch - klimatologischer Input
Berechnung des Bodenwasserhaushaltes für
den Ist-Zustand und für sich verändernde
Klima- und Landnutzungsbedingungen
Transferzonenmodul
Fluss im ungesättigten Bereich zwischen
Boden und Grundwasser
Berechnung schneller unterirdischer Ab-
flusskomponenten
Grundwasser
Schnittstelle
Grundwasser-
haushalts-
modell
Bodenwasser-
haushalts-
modell

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 29 -
I
Standort
Anwendung der Modelle an Lysimetern (Kleinstmaßstab)
II
Berechnungseinheit 500 x 500 m
Anwendung der Modelle an Kleinstein-
zugsgebieten mit Pegeln (Einzugsgebietsfläche in der Größenordnung bis max.
10 km²)
III
Einzugsgebietsmaßstab
Anwendung der Modelle an Einzugsgebieten mit
Pegeln (Einzugsgebietsfläche in der Größenordnung bis zu mehreren 100 km²)
Die Modelle sollen dabei zunächst durch Anwendung auf Lysimetern und in Kleinsteinzugs-
gebieten auf ihre Eignung hin überprüft werden.
Der Einsatz auf Lysimetern dient der Beurteilung der Prozessabbildung insbesondere in den
Bodenwasserhaushalts- und Phänologiemodulen der verschiedenen Modelle und damit der
Einschätzung der Szenariofähigkeit der Modelle. Nur dort existieren entsprechende Messda-
ten für eine Gegenüberstellung simulierter Wasserhaushaltsteilgrößen mit beobachteten
Werten des Bodenwasserhaushalts in Abhängigkeit von der Landnutzung.
Beim Übergang zu Kleinsteinzugsgebieten mit Pegel im Maßstab einer Berechungseinheit
(500 x 500 m) können im Gegensatz zu den Lysimeterrechnungen auch laterale Abfluss-
komponenten mit einbezogen werden. Da für diese Kleinstgebiete lediglich Daten des Ge-
samtabflusses für den Abgleich mit den Modellergebnissen zur Verfügung stehen, können
die Berechnungen für Lysimeter dadurch lediglich ergänzt, aber nicht ersetzt werden. Bei
der Auswahl entsprechender Testgebiete sind sowohl die Einflüsse der Landnutzung/-
bedeckung (z.B. Acker/Wald) als auch der geologischen Einheit (Fest-/Lockergestein) zu
berücksichtigen.
Als letzter Schritt soll eine Anwendung im Einzugsgebietsmaßstab erfolgen, um die spätere
sachsenweite Anwendung besser beurteilen zu können.
In diesen vorgestellten drei Raumskalen (Lysimeter, Berechungseinheit mit Pegel, Einzugs-
gebietsmaßstab) muss nunmehr mit einer geeigneten Vorgehensweise die Auswahl des
oder der geeigneten Modelle für die sachsenweite Berechnung des Wasserhaushaltes erfol-
gen.
Folgende Strategie wird vorgeschlagen:
1. Anwendung aller Modelle ohne Kalibrierung für den Ist-Zustand
Um die Vergleichbarkeit der Simulationen zu gewährleisten, ist für alle Modelle eine einheit-
liche Datengrundlage zu schaffen. Dies betrifft neben den Geodaten auch die meteorolo-
gisch/klimatologischen und hydrologischen Eingangsdaten. Für die Erstellung dieser Daten-
grundlagen sind, ausgenommen die Lysimeteranwendung, ausschließlich Informationen zu
berücksichtigen, die auch für eine spätere sachsenweite Anwendung zur Verfügung stehen.
Im Falle vergleichbarer Parameter sind von allen zu testenden Modellen auch entsprechend
gleiche Parametermodelle zu verwenden (z.B. KA5 für Bodenparameter).
Innerhalb dieser ersten Stufe sollen ein derartiges Vorgehen und die sich anschließende
unkalibrierte Anwendung einen objektiven Vergleich der Modelle ermöglichen. Der Einfluss
des Bearbeiters soll minimiert, und allein die Güte der Prozessabbildung, sowie die Sensiti-
vität und Robustheit der Modelle bewertet werden.
2. Entwicklung einer Konzeption zur Kalibrierung und Validierung der Modelle
Bei der Entwicklung einer Konzeption zur Kalibrierung der Modelle ist vorgesehen, physika-
lisch begründete Parameter aus dem Kalibrierungsprozess herauszunehmen. Es ist daher
zunächst modellbezogen zu prüfen, welche Parameter für eine Kalibrierung zur Verfügung

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 30 -
stehen. Anschließend muss eine flächendeckend anwendbare Methodik entwickelt werden,
welche einen möglichst automatisierten Kalibrierungsprozess ermöglicht.
Eine Validierung der kalibrierten Modelle für Berechungen des Ist-Zustandes ist nur durch
den Vergleich mit Beobachtungsdaten des Durchflusses, mit Quellschüttungsmessungen
und ggf. mit Grundwasserständen möglich. Dabei sollten geeignete Analysewerkzeuge, wie
z.B. DIFGA (vgl. Abschnitt 5.1.2) einbezogen werden. Für Prognosezustände ist eine direkte
Validierung mangels Beobachtungsdaten nicht möglich. Die Ergebnisse sind daher zunächst
auf Plausibilität zu prüfen. Außerdem ist die Möglichkeit eines Vergleichs mit Verhältnissen
des Ist-Zustandes unter ähnlichen Rahmenbedingungen zu untersuchen.
3. Aufbau regionaler, physikalisch interpretierter und validierter Parametermodelle
Der Aufbau von Parametermodellen muss sich an der sachsenweiten Verfügbarkeit der Da-
tengrundlage orientieren (vgl. 2.). Zunächst sind die verfügbaren Parametermodelle zu re-
cherchieren und auf Ihre Eignung zu prüfen. Dies beinhaltet vor allem die physikalische In-
terpretierbarkeit, sowie eine Validierung. Anschließend muss eine modellspezifische Auf-
wandsabschätzung zur Erstellung der jeweils benötigten Parametermodelle erfolgen.
4. Auswahl eines geeigneten Modells/geeigneter Modelle
Anhand der zuvor besprochenen drei Stufen muss eine Bewertung der getesteten Modelle
bezüglich des angestrebten Verwendungszwecks erfolgen. Neben einer guten Prozessab-
bildung ist der Aufwand für den Aufbau entsprechender Parametermodelle, sowie die jewei-
ligen Kalibrierungs- und Validierungsmöglichkeiten zu berücksichtigen.
Die Auswahl mehrerer Modelle ist denkbar, sollte sich beispielsweise die besondere Eig-
nung einzelner Modelle für den Fest- oder Lockergesteinsbereich herausstellen.
4.3
Das Fachkonzept „Grundwasserhaushalt in Sachsen“
Unter Abwägung der Vor- und Nachteile der Verfahren, der Berechnungsalgorithmen, der
Geltungsbereiche und der Handhabbarkeit wurde ein aktuelles Wasserhaushalts-
Informationssystem für Sachsen erarbeitet. Das System arbeitet rasterbezogen mit GIS-
Anbindung und Zugriff auf eine Datenbank, in der die Grunddaten (meteorologische, geolo-
gische, geografische, Boden-, Landnutzungsdaten) und berechnete Wasserhaushaltsdaten
enthalten sind. Aus der Datenbank werden Ergebnisse bereitgestellt, die zuvor mit einem
validierten Berechnungsverfahren ermittelt wurden. Es ist eine GIS-Datenbank mit einfacher
Bedienungsoberfläche zu erstellen, welche regionalisierte Gebietswasserhaushaltsgrößen
enthält.
Die vorgeschlagene Lösung hat vier Bestandteile:
A) Auswertung des Informationsgehaltes langjähriger Datenreihen des hydrolo-
gisch/meteorologischen Messnetzes zur Ermittlung der Gebietswasserhaushaltsbi-
lanz für gegenwärtige Verhältnisse mit einem validierten Analyseverfahren und Er-
stellung eines regionalen Parametermodells für das Grundwasserhaushaltsmodul
(Datenbank mit Ergebnissen einer vorab erfolgten Analyse für den Ist-Zustand)
B) Szenariofähiges Wasserhaushaltsmodell für Berechnungseinheiten und Einzugsge-
biete bestehend aus Bodenwasser- und Grundwasserhaushaltsmodell zur sachsen-
weiten Anwendung (Datenbank mit Ergebnissen vorab erfolgter Berechnungen für
den Ist-Zustand und für vorab definierte Szenarien)
C) Einfaches Berechnungsverfahren zur Bestimmung des Wasserhaushaltes für Be-
rechnungseinheiten und Einzugsgebiete, das auf GIS-basierte Grunddaten zurück-

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greift, die Wasserhaushaltsdaten jedoch bei jeder Anwendung neu berechnet (Onli-
ne-Szenarienberechnung ohne Kalibrierung).
D) Informations- und Bibliotheksmodul. In diesem Baustein sollen vorhandene weiter-
führende Informationen (Studien, Gutachten etc.) recherchiert werden können. Ver-
knüpfung zu Inter- und Intranet. Einbindung weiterer digitaler hydrologischer Quellen
z.B. HAD.
Abbildung 5 zeigt einen Überblick über die Modellstruktur der Säulen A, B und C.
Datenbank: Grunddaten
A Teilmodell Istzustand
Informationssystem
mit Ergebnissen vorab erfolgter
Gebietswertberechnung einfaches
validiertes Berechnungsverfahren
DIFGA, Parameter SLOWCOMP
B Teilmodell Istzustand + Szenarien
Informationssystem
mit Ergebnissen aus Vielzahl vorab
erfolgter differenzierter
Modellrechnungen z.B. WASIM;
ARCEGMO; Daisy; Swat; SLOWCOMP
C Teilmodell einfache Szenarien
Online Berechnungsmodell
z.B. DISSE ggf. auch Modelle aus
B GIS - basierte direkte
Berechnung einfacher Szenarien
ohne Kalibrierung
Gebietsberechnung
Parameter-
modell
Gebietsberechnung
Regionalisierung aggregieren
• Wasserhaushalt
• Dauerlinien
• Speicherräume
Datenbank
Ergebnisse (Gebiet)
Datenbank: Grunddaten
Datenbank: Grunddaten
Gebietsberechnung
Regionalisierung aggregieren
Ergebnisse (Raster):
Wasserhaushalt
Boden-
wasser-
haushalts
modell
Ergebnisse (Raster):
Regionalisierung disaggregieren
Datenbank
Ergebnisse (Raster)
vorab
online
Berechnung
Abbildung 5: Modellstruktur für das Fachkonzept „Grundwasserhaushalt in Sachsen“
Die
Säule B
bildet den Kern der Lösung. Sie besteht gemäß Abbildung 5 aus einem Bo-
denwasserhaushaltsmodell und einem Grundwasserhaushaltsmodell. Für die Beschreibung
des Bodenwasserhaushaltes existiert eine Vielzahl von Modellen. Die dargestellte Grafik in
der Säule B stellt daher nur den Boden-Pflanze-Atmosphäre-Prozess (SVAT-Modell) als
Prinzip dar. Die konkrete Beschreibung des SVAT-Modells erfolgt in Abschnitt 5.2.3. Auf die
Strategie zur Modellauswahl gehen die Ausführungen im Abschnitt 4.2 detailliert ein. Nahe-
zu alle Wasserhaushaltsmodelle zeigen aber bei ihrer Anwendung ähnliche Probleme, deren
wesentliche Ursachen kurz genannt seien:
aufgrund ihrer Komplexität und ihres hohen fachlichen Anspruchs an den Betreiber
sind sie nicht oder nur sehr eingeschränkt im Rahmen eines FIS online anwendbar,
die Modelle bestehen (häufig entgegen der „Werbe“ - Versprechen der Entwickler)
nur zum Teil aus physikalisch begründeten Ansätzen und beinhalten mehr oder min-
der viele konzeptionelle oder auch empirische Ansätze,
die Modelle sind überparametrisiert,
die Parameter (auch die physikalisch begründeten und damit theoretisch messbaren)
sind flächendeckend häufig nicht mit ausreichender Genauigkeit und vertretbarem
Aufwand bestimmbar,

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
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für konzeptionelle und empirische Parameter, die oft nicht direkt messbar sind, exis-
tieren häufig keine flächendeckenden Modelle zur objektiven, reproduzierbaren und
szenariofähigen Ableitung der Parameter aus breitenverfügbaren Gebietseigenschaf-
ten und Messwerten,
die Modelle müssen kalibriert werden, wobei aufgrund der Überparametrisierung und
der wenigen zur Validierung verfügbaren Messwerte (meist nur Abfluss, ggf. Grund-
wasserstand) oft keine eineindeutigen Parametersätze erstellt werden können,
uneindeutige Parametersätze schränken die Szenariofähigkeit der Modelle ein, da
für prognostizierte Zustände keine erneute Kalibrierung mangels Messwerten aus
der Zukunft möglich ist.
Diese Probleme führen letztlich zur Unsicherheit der Modellaussagen und –ergebnisse.
Der Lösung dieser Probleme widmet sich weltweit die hydrologische Forschung. Es ist nicht
möglich und nicht zu erwarten, dass alle diese Fragen bei der Berechnung des Grundwas-
serhaushaltes von Sachsen gelöst werden können. Dennoch muss ein Konzept formuliert
werden, dass szenariofähig ist und die Ergebnisunsicherheit in akzeptablen Grenzen hält.
Deshalb wurde bei der Erstellung der Konzeption des Fachkonzeptes nicht der vielleicht zu
erwartende Vorschlag „Nimm Modell XY und rechne ganz Sachsen“ getroffen, sondern es
wird die in Abbildung 5 umrissene mehrstufige hybride Lösung empfohlen, welche nachfol-
gend begründet wird.
Die übliche Praxis ist, irgendein Wasserhaushaltsmodell, das gerade en vouge ist, zu neh-
men und flächendeckend anzuwenden. Dieses wird weitgehend automatisch unter Verwen-
dung von GIS und DGM/DHM strukturiert und unter Nutzung von Parameterdatenbanken
(z.B. KA5) parametrisiert. Da die mit einem derart parametrisierten Modell berechneten Er-
gebnisse in aller Regel relativ stark von Beobachtungswerten abweichen, erfolgt anschlie-
ßend die Kalibrierung. Gerne wird dann an der Aufteilung auf verschiedene Abflusskompo-
nenten und an Speicherkenngrößen als Stellschraube „gedreht“, da diese Parameter eine
sehr effiziente Anpassung von Berechnung und Beobachtung ermöglichen. Fast immer wird
als Vergleichsgröße mangels Alternativen nur der Gesamtabfluss eines Gebiets verwendet.
Bei der anschließenden Validierung treten dann oft wegen der Überparametrisierung der
Modelle und der daraus herrührenden nicht eindeutig bestimmbaren Parametersätze erneut
größere Abweichungen zwischen Berechnung und Beobachtung auf. Kommen nunmehr
noch Landnutzungs- und Klimaänderungen hinzu, besteht die Gefahr, nicht mehr ausrei-
chend belastbare Ergebnisse zu erlangen.
Auch in der Säule B muss ein Wasserhaushaltsmodell gerechnet werden. Da der Grund-
wasserhaushalt von Sachsen im Mittelpunkt stehen soll, sollte aber der Weg einer aus-
schließlichen und alleinigen Kalibrierung auf den Gesamtabfluss nicht gegangen werden.
Vielmehr muss das Bodenwasserhaushaltsmodell durch ein Grundwasserhaushaltsmodell
ergänzt werden, für das ein objektives und reproduzierbares Parametermodell existiert und
welches für sich allein validierbar ist. Dadurch wird der Spielraum für die Kalibrierung des
Gesamtmodells anhand von Abflusskomponenten und Speicherkenngrößen im Grundwas-
serbereich deutlich eingeschränkt. Das führt dazu, dass die Modellgüte, die Kalibrier- und
Validierbarkeit des Bodenwasserhaushaltsmodells in den Mittelpunkt tritt, in welchem auch
die aller überwiegenden Auswirkungen von Land- und Klimaänderung abzubilden sind. Bei
der Umsetzung des Konzeptes ist dann auch in einem ersten Schritt primär die Auswahl
eines geeigneten Bodenwasserhaushaltsmodells gemäß der Strategie aus Abschnitt 4.2
voranzutreiben.
Im Grundwassermodell wird primär das Translations- und Speicherverhalten der eingetra-
genen Grundwasserneubildung abgebildet. Zumindest auf grundwasserfernen Standorten
finden keine bilanzwirksamen Prozesse mehr statt. Die GWN wird lediglich räumlich und
zeitlich in Grundwasserabfluss überführt, d.h. Auswirkungen von Veränderungen beeinflus-
sen lediglich die GWN als Output des Bodenwasserhaushaltsmoduls. Auf grundwasserna-
hen Standorten ist Zehrung als bilanzwirksame Größe zu beachten.

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
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Hinsichtlich der Szenariofähigkeit ist das Grundwassermodul einfach zu handhaben. Die
Parametrisierung wird primär durch die hydrogeologischen Eigenschaften bestimmt. Diese
können auch bei Landnutzungs- und Klimaänderung mit ausreichender Genauigkeit als un-
veränderlich angesehen werden, so dass nur ein Parametersatz für den Status quo erforder-
lich ist.
Für den in Sachsen dominierenden Festgesteinsbereich ist die Anwendung von geohydrau-
lischen Grundwasserströmungsmodellen flächendeckend nicht möglich. Es wird deshalb
vorgeschlagen, ein konzeptionelles Speichermodell einzusetzen. Hierfür wird das Modell
SLOWCOMP empfohlen, da für dieses ein physikalisch interpretiertes regional anwendbares
Parametermodell existiert. Weiterhin ist dieses Modell bereits in vorhandene Wasserhaus-
haltsmodelle integriert (z.B. AKWA-M, ArcEGMO). SLOWCOMP ist auch für den Lockerge-
steinsbereich geeignet, wobei hier bei Bedarf durchaus auch andere Grundwassermodelle
einsetzbar sind. Lösungen existieren in Sachsen z.B. für die Kopplung ArcEGMO bzw. Wa-
SiM-ETH mit dem Modell PCGEOFIM. Der Einsatz von Grundwasserströmungsmodellen
sollte jedoch nur bei unbedingter Notwendigkeit (Sonderflächen z.B. Bergbaufolgeland-
schaft) erfolgen. Hierbei würde es sich innerhalb der Umsetzung des Fachkonzeptes GW-
Haushalt stets um eine zusätzliche optionale Leistung handeln, die ggf. unter Einbeziehung
geeigneter weiterer Bearbeiter zu leisten wäre.
Die
Säule A
wird für Zwecke der Kalibrierung und Validierung und als Grundlage für ein Pa-
rametermodell des Grundwassermoduls dem Wasserhaushaltsmodell in Säule B an die Sei-
te gestellt. Mit dem für die Säule A vorgeschlagenen Verfahren DIFGA soll eine maximale
Informationsausschöpfung langjähriger Beobachtungsreihen des Routinemessdienstes er-
folgen und diese Information für eine Verwendung in Säule B aufbereitet werden. Da es sich
hier ausschließlich um eine Datenanalyse handelt, braucht die Methode bei Vorliegen konsi-
stenter und homogener Messreihen nicht validiert zu werden. In der Säule A wird ausge-
hend von Niederschlag und Abfluss mit dem Analyseverfahren die Verdunstung als Rest-
glied in einer monatlichen Auflösung sowie als Mittelwert im Gebietsmaßstab berechnet.
Durch eine kontinuierliche Durchflussrückgangsanalyse, beginnend in extremen Trockenjah-
ren, kann der Grundwasserabflussanteil am Gesamtabfluss kontinuierlich detektiert werden.
Durch teilweise langjährige Anwendung isotopenhydrologischer Verfahren (Tritium-Methode,
stabile Isotope) in über 50 Gebieten konnte die Zuverlässigkeit von DIFGA bei der Bestim-
mung des Grundwasserabflussanteils mittels eines unabhängigen Verfahrens nachgewiesen
werden (SCHWARZE et al. 1995, 2004, 2004a, 2007). Die mit DIFGA berechnete abfluss-
komponentenbezogene Gebietswasserhaushaltsbilanz stellt ein zur Säule B unabhängiges
Ergebnis dar und kann, da ausschließlich Messdaten verwendet werden, auch zur Validie-
rung der Ergebnisse aus Säule B verwendet werden. Damit liefert DIFGA zusätzlich zum
sonst nur verwendeten Gesamtabfluss Angaben zur Bewertung der Ergebnisse aus der
Säule B. DIFGA kann und soll aber die Wasserhaushaltsberechnungen in der Säule B nicht
ersetzen, da:
geeignete Datenreihen benötigt werden, die nicht flächendeckend vorliegen,
die Ergebnisse integral für das Einzugsgebiet berechnet werden,
die Disaggregierung der Gebietswerte zu Werten für Berechnungseinheiten zwar
möglich ist, aber nicht die Auflösung einer standortbezogenen Berechnung des
Wasserhaushaltes aufweisen wird,
die Wasserhaushaltsgrößen mittels Regionalisierung auch auf unbeobachtete Ge-
biete übertragbar sind, dies aber nicht flächendeckend für ganz Sachsen möglich
ist und
DIFGA nicht szenariofähig ist, da nur Beobachtungsdaten des Status quo analy-
siert werden können.
In DIFGA integriert, erfolgt eine Parameterbestimmung für das Grundwassermodul SLOW-
COMP. Die Modellparameter lassen sich dank eines physikalisch begründeten Parameter-
modells (vgl. Abschnitt 5.1.2 und 5.1.3) nahezu flächendeckend bestimmen und müssen

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 34 -
dann im Grundwasserhaushaltsmodell der Säule B nicht mehr über Kalibrierung ermittelt
werden.
Die durch die Abflussanalyse in der Säule A ermittelten Abflusskomponenten ermöglichen
weiterhin eine Objektivierung der Parametrisierung zur Komponentenaufteilung in der Säule
B. Damit lassen sich für die zuvor bei der Schilderung der Säule genannten „Stellschrauben“
der Parametrisierung plausible und reproduzierbare Vorgaben treffen. Das hat den großen
Vorteil, dass durch die Übernahme von Ergebnissen aus Säule A in die Säule B dort nun-
mehr eine Konzentration auf die Kalibrierung und Validierung des Bodenwasserhaushalts-
modells erfolgen kann und muss. Das ist wesentlich für die Szenariofähigkeit und für die
Güte der Prozessabbildung im entscheidenden Bodenwasserhaushaltsmodell.
Sowohl die Säule A als auch B sind wegen ihrer Komplexität nicht online zu betreiben. Alle
Analysen und Berechnungen müssen vorab erfolgen und in eine aktualisierbare Datenbank
abgelegt werden.
Für operativ zu bearbeitende Fragestellungen wird dem Gesamtkonzept mit der
Säule C
ein
weiterer Baustein beigefügt. Da in der Säule B nicht alle für den künftigen Anwender inte-
ressanten Fragestellungen vorweg bearbeitbar sein werden, wird mit der Säule C ein Bau-
stein vorgesehen, der praktisch die gleiche Funktion wie B hat, nur dass er online Ergebnis-
se für einfache Anfrageszenarien beantworten soll. Da, wie bereits festgestellt, die üblichen
Wasserhaushaltsmodelle für eine Echtzeitanwendung in der Praxis einer Behörde eher we-
niger geeignet sind, wird ein einfaches Modell vorgeschlagen, das innerhalb eines bestimm-
ten Rahmens schnell und zuverlässig ohne erneute Kalibrierung anwendbar ist. Eine denk-
bare Möglichkeit ist das Verfahren nach DISSE (D
ISSE 1995). Dieses berechnet die aktuelle
Verdunstung ausgehend von der Grasreferenzverdunstung (szenariofähig, da für verschie-
dene Klimaprojektionen verfügbar) mittels landnutzungsabhängiger Reduktionsfunktionen,
eingebettet in ein einfaches Bodenwasserhaushaltsmodell für den Standort. Im Rahmen
einer Diplomarbeit wird derzeit dieses Modell getestet und mit dem Grundwassermodul
SLOWCOMP sowie weiteren Ansätzen zu einem Wasserhaushaltsmodell weiterentwickelt.
Im Rahmen der Umsetzung des Fachkonzeptes kann dann entschieden werden, ob dieser
Ansatz verwendet wird oder weitere Verfahren getestet werden müssen. Die derzeit bereits
vorliegenden Ergebnisse für das Testgebiet Hölzelbergbach und für Lysimeter in Brandis
deuten auf eine grundsätzliche Eignung. Die Ergebnisse sind valide, die Rechenzeit ver-
nachlässigbar.
Alternativ ist für C auch eine abgerüstete Modellversion aus der Säule B denkbar, welche
fertig kalibriert und validiert ohne eine erneute Kalibrierung für verschiedene Szenarien be-
trieben wird. Hierfür ist es entscheidend, den Rahmen, innerhalb dessen eine Modellanwen-
dung für Szenarien ohne erneute Kalibrierung und Validierung hydrologisch zuverlässig ist,
zu umreißen. Weiterhin kann derzeit noch nicht abgeschätzt werden, ab welchem Szenario-
umfang die Rechenzeiten für eine operative Anwendung zu groß werden.
Aufgrund des sachsenweiten Auftretens von Sonderflächen (Bergbau, urbane Gebiete etc.),
auf denen die Berechnung des dargestellten Konzeptes nicht bzw. nur eingeschränkt mög-
lich ist, wird unter Umständen eine externe Berechnung des Wasserhaushaltes notwendig
sein. Die Ergebnisse solcher externen Berechnungen sollen in das Konzept eingebunden
werden.
Das
Informations- und Bibliotheksmodul
ist als eine Art Säule D vorgesehen. Sie dient
der Anbindung weiterführender Informationen (Studien, Gutachten etc.).

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 35 -
5
Methodik und Umsetzung des Fachkonzeptes
„Grundwasserhaushalt in Sachsen“
5.1
Säule A – Gebietswasserhaushaltsanalyse für den Ist-Zustand und
Parameterermittlung mittels breitenverfügbarer Daten
5.1.1 Säule A – Anforderungen, Zielstellung, Konzeption
Anforderungen
Die Säule A (siehe Abbildung 6) wurde
konzipiert, um eine maximale Ausnutzung
der Informationen aus Routinemessdaten
zu ermöglichen. Damit sind Aussagen für
den Ist-Zustand möglich. Szenarienbe-
trachtungen sind nicht möglich. Für die
Wasserhaushaltsberechnung des gegen-
wärtigen Zustandes auf Gebietsebene
wird die Nutzung des Verfahrens DIFGA
in Kombination mit dem Modell SLOW-
COMP (S
CHWARZE et al. 1989, 1991,
1994, 2005) empfohlen, da es auf der
Analyse von gemessenen Durchfluss-
ganglinien an langjährig beobachteten
hydrologischen Pegeln beruht und als
reines Analyseverfahren nicht validiert
werden muss. Als Eingangsdaten werden
nur Niederschlags-, Lufttemperatur- und
Abfluss-Messwerte auf Tagesbasis ver-
wendet.
Ziele
Die Berechnung wird vorab für alle (ge-
eigneten) ständig beobachteten Pegel in
Sachsen durchgeführt. Die Ergebnisse
sind auf das Pegeleinzugsgebiet bezogen
(Gebietswerte). Durch die Disaggregie-
rung der Gebietswerte lassen sich auch
Aussagen für Berechnungseinheiten
erstellen. Hinsichtlich der Regionalisie-
rungsmethodik können Ergebnisse aus
einer Reihe von Vorarbeiten verwendet
werden S
CHWARZE (2004). Ausgehend
von den DIFGA-Analysen wird ein physi-
kalisch begründetes regionales Parame-
termodell für das Grundwassermodell
SLOWCOMP erstellt. Die Ergebnisse sind
Referenz für die Modellberechnung in
Säule B.
A Teilmodell Istzustand
Informationssystem
mit Ergebnissen vorab erfolgter
Gebietswertberechnung
einfaches validiertes Berechnungs-
verfahren DIFGA, SLOWCOMP
Gebietsberechnung
• Wasserhaushalt
• Dauerlinien
• Speicherräume
Datenbank
Ergebnisse (Gebiet)
Datenbank: Grunddaten
Ergebnisse (Raster):
Regionalisierung disaggregieren
Abbildung 6: Schematischer Aufbau Säule A

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image
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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 36 -
Nutzung
Alle Ergebnisse (Gebietswerte aus den Untersuchungsgebieten, regionalisierte Ergebnisse
für Berechnungseinheiten) werden in einer Datenbank gespeichert. Die Nutzung der vorab
berechneten Ergebnisse erfolgt über den Zugriff auf die Datenbank.
Konzeption
Bei der Säule A handelt es sich um eine inverse Methode. Aus bekannten Messwerten (In-
put Niederschlag und Output Abfluss) wird auf die Eigenschaften eines „unbekannten Sys-
tems“ geschlossen, welches Input und Output in einer Ursache-Wirkungs-Beziehung verbin-
det. (vgl. Abbildung 7 )
Abbildung 7: Säule A – Schema Gebietsberechnung Wasserhaushaltsgrößen
Gemessener
Niederschlag P
beob
Gemessener
Abfluss Q
beob
Unbekanntes System
1. Vorgabe Modellstruktur gebietsunab-
hängig
2. Trennung Q
beob
in Abflusskomponenten Q
i
Abflussganglinienanalyse DIFGA
Keine Kalibrierung,
nur Analyse von Beobachtungswerten
aus Pegeleinzugsgebieten
3. Bestimmung der Modellparameter
Speicheranzahl?
Aufteilung auf die Speicher?
Speichergröße?
Speicherkonstante?
4. Prüfung Wasserhaushaltsbilanz
ΣQ
i
= Q
beob
• ETR= P
beob
- Q
beob
Restglied
Überführung in gebietsbezogene Modellstruktur
abflusskomponentenbezogene
Parameter
Wasserhaushaltsbilanz
5. gebietsbezogene Ergebnisse
Regionalisierung
mittels Disaggregierung
Aussagen für Bilanzeinheiten
flächendeckendes
Parametermodell für
Grundwassermodell
SLOWCOMP
6. Ergebnisse für Bilanzeinheiten
Abflusskomponenten-
bezogene Wasserhaus-
haltsbilanz
Säule A – Inverse Ermittlung Gebietswasserhaushalt aus Messwerten

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
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Der Vorteil der beschriebenen Methodik besteht in der unkomplizierten und schnellen An-
wendung, die jederzeit reproduzierbar ist. Da die Daten auf einem Analyseverfahren und
damit letztlich auf Messdaten beruhen, bestehen keine Unsicherheiten hinsichtlich einzelner
Berechnungsalgorithmen.
Voraussetzung für die Anwendung sind ausreichend auf Konsistenz und Homogenität ge-
prüfte Datenreihen von Niederschlag, Lufttemperatur und Abfluss (Δt = 1 d). Wesentlich für
die Genauigkeit ist eine zuverlässige Berechnung des Gebietsmittels des Wasserdargebotes
aus Niederschlägen. Hierfür sind die Niederschläge stationsweise auf Homogenität zu prü-
fen, zu korrigieren (R
ICHTER 1995) und die Wasserabgabe aus Schneedecken zu ermitteln.
Anschließend werden mit geostatistischen Verfahren (i. d. R. Kriging-Methoden) Gebietsmit-
tel berechnet. (vgl. Ableitung von Rasterdaten aus gemessenen und projizierten Klimazeit-
reihen für den Freistaat Sachsen, IHM TU Dresden)
Bei den Tagesmittelwerten des Abflusses müssen übliche Verfahren der Konsistenz- und
Homogenitätsprüfung angewendet werden. Das stellt i. d. R. kein Problem dar. Ungeeignet
sind Daten aus Einzugsgebieten mit starken Unterschieden zwischen ober- und unterirdi-
schem Einzugsgebiet sowie stark anthropogen beeinflussten Gebieten. Für diese Gebiete
müssen gesonderte Lösungen erarbeitet werden. Die bisherigen Erfahrungen zeigen aber,
dass in Sachsen zumindest im Festgesteins- und im Lößbereich ausreichend geeignete
Durchflussmessreihen existieren.
Die Ergebnisse sind zunächst einzugsgebietsbezogen und bilden z.B. bei der berechneten
GWN den Gebietsmittelwert ab. In einer Pilotstudie in S
CHWARZE (2004) für das Gebiet der
Mulde konnte gezeigt werden, dass die gebietsbezogenen Angaben zu mittleren monatli-
chen und jährlichen Wasserhaushaltsgrößen in Abhängigkeit von hydrogeologischer Klassi-
fizierung und Niederschlagshöhe regional disaggregiert werden können. Die Ergebnisse der
Regionalisierung liegen raster- oder hydrotopbasiert vor. Mit einer flächendeckenden An-
wendung von DIFGA in allen geeigneten Pegeleinzugsgebieten lassen sich weiterhin die
Parameter für das Modell SLOWCOMP berechnen. Die prinzipielle Vorgehensweise zeigt
die Abbildung 8.
Abbildung 8: Konzept für die Berechnung des Gebietswasserhaushaltes im Gebietsmaßstab und für
die regionale Bestimmung von Modellparametern (aus S
CHWARZE, R. ET AL. 2004)
DIFGA
Wasserhaushaltsgrößen
Dauerlinien
Speicherräume
Ergebnis Gebiet
P
Geol
RG2 RG1 RD
regionalisierte Ergebnisse
PERC Perkolation aus der Bodenzone
RG1=
f(SG1
grenz
)
RG2 = Perc - RG1
1/9 RG2
8/9 RG2
QG2
CG2
2
=1/9.CG2
1
SG1 mit CG1
Wenn PERC > RG1
QG1
Wasserfluss
SG2
2
mit CG2
2
SG2 mit CG2
1
PERC Perkolation aus der Bodenzone
RG1=
f(SG1
grenz
)
RG2 = Perc - RG1
1/9 RG2
8/9 RG2
QG2
CG2
2
=1/9.CG2
1
SG1 mit CG1
Wenn PERC > RG1
QG1
Wasserfluss
SG2
2
mit CG2
2
SG2 mit CG2
1
SLOWCOMP
CG2
CG
SG1
gren
Regionales Parametermodell
flächendeckende Anwendung
Entwicklerebene
Nutzerebene
Ergebnis Gebiet
Speicherkonstanten
Speichergrenzwerte

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 38 -
Hinsichtlich des in der Abbildung 8 dargestellten Konzeptes sei auf die umfassende Erklä-
rung und die physikalische Interpretation in S
CHWARZE, R. ET AL. 2004 (Anlage 1) sowie auf
die nachfolgenden Ausführungen im Abschnitt 5.1.2 verwiesen.
5.1.2 Säule A – Überblick zu den Methoden der Säule A
DIFGA
ist ein hydrologisches Modell, welches langjährige Beobachtungswerte des täglichen
Durchflusses bezüglich verschiedener Abflusskomponenten untersucht. Gleichzeitig wird
eine Wasserhaushaltsbilanz gerechnet, die für aktuelle Monatswerte sowohl das Neubil-
dungs- als auch das Abflusskonzentrationsverhalten für unterschiedlich schnelle Abflussan-
teile bestimmt. Das Prinzip ist in Abbildung 9 dargestellt.
DIFGA geht von den Modellvorstellungen aus, dass sich der unterirdische Abfluss aus dem
Einzugsgebiet als Superposition von mehreren parallel geschalteten Einzellinearspeichern
(ELS) darstellen lässt (vgl. Abb. 2 und HENNIG & SCHWARZE 2001). Die folgende
Grundgleichung gelangt zum Ansatz:
()
()
( (
)
() (1
(/)
))
11
(
/
)
tCj
j
n
j
n
j
t Cj
Q
beob
t
Q
j
t
Q
j
t
t
e
R t
e
−Δ
= =
Δ∗
−Δ
+
=
∑∑
= −
(1)
mit
Q
j
(t)
Ausfluss aus den Gebietsspeichern der j- ten Komponente
(Abflusskonzentration)
R
j
(t)
Zufluss zu den Gebietsspeichern der j- ten Komponente
(Abflussbildung)
C
j
Speicherkonstante der j- ten Komponente
n Anzahl der Komponenten
Δt Rechenzeitschritt (Δt = 1 Tag)
Abbildung 9: Prinzipdarstellung des Durchflussganglinienanalyseverfahrens DIFGA (aus DYCK &
PESCHKE 1995)

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
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Dabei bedeuten:
P
beobachteter Niederschlag bzw. Schneeschmelzwasserabgabe, korri-
giert nach R
ICHTER 1995
Q
beob
beobachteter Durchfluss am Gebietsauslass
RD1, RD2, RG1, RG2
abflusswirksamer
Niederschlagsanteil,
der,
aufgeteilt
auf
unterschiedlich schnelle Komponenten, in Gebietsspeichern
zurückgehalten wird (Abflussbildung)
QD1, QD2, QG2, QG2 Ausfluss aus den Gebietspeichern für unterschiedlich schnelle
Komponenten (Abflusskonzentration)
ETR
reale Evapotranspiration
W
nur durch Verdunstung ausschöpfbare Gebietsspeicherung
CD1, CD2, CG1, CG2
Durchflussrückgangskonstanten (Speicherkonstanten) verschieden
schneller Abflusskomponenten
Bis zu vier Abflusskomponenten werden unterschieden:
• schneller Direktabfluss
RD1, QD1
• verzögerter Direktabfluss
RD2, QD2
• kurzfristiger Grundwasserabfluss
RG1, QG1
• langfristiger Grundwasserabfluss
RG2, QG2.
Die beiden ersten Komponenten sind schnelle Abflusskomponenten und die beiden letzten
Abflüsse sind langsame Abflusskomponenten. Bei RD1 handelt es sich um den
Oberflächenabfluss, bei RG2 um den Grundwasserabfluss. Die Zuordnung der Komponenten
RG1 und RD2 zu unterschiedlichen Herkunftsräumen muss in Abhängigkeit von den konkreten
Gebietseigenschaften erfolgen. Bei RD2 handelt es sich in der Regel um Interflow aus dem
Boden. Die Komponente RG1 entsteht zum Beispiel am Übergang vom Boden zum
Festgestein, auf periglazialen Deckschichten oder in der Zersatzzone etc. Ob es sich dabei
noch um Interflow oder i. d. R. um Grundwasserabfluss aus schnell entwässerbaren (ggf. nur
temporären) Grundwasserspeichern handelt, ist nur gebietsbezogen zu entscheiden. Eine
genaue Beschreibung dieser vier Teilabflüsse enthält DYCK u. PESCHKE 1995.
Die Bestimmung der Komponentenzahl n sowie der zugehörigen Speicherkonstanten C erfolgt
bei DIFGA mittels eines rechnergestützten Separationsverfahrens. DIFGA ist ein inverses
Verfahren. Aus beobachtetem Input (Niederschlag P) und Output (Durchfluss Q) werden bei
Vorgabe einer Systemstruktur (Abbildung 7) die Parameter dieser Struktur (Anzahl Speicher,
Größe Speicherraum, Rezessionskonstanten) invers ermittelt und im Rahmen einer
Wasserhaushaltsbilanz validiert.
Dazu wird die Gleichung (1) zunächst vereinfacht. Untersucht werden Trockenperioden, in
denen es keine Abflussbildung gibt. R
j
(t) ist demnach Null. Weiterhin wird jede Komponente
einzeln betrachtet. Verwendet man zudem noch eine semilogarithmische Darstellung des
Durchflusses, so geht Gleichung (1) über in
j
j
j
C
t
t
Qt
Qt
t
(
)
ln( ())
ln( (
))
−Δ
= −Δ−
(2)
Aus den derart liniearisierten Durchflussrückgängen lässt sich der Parameter C
j
leicht aus der
Steigung der Ganglinie bestimmen.
Alternativ kann die Durchflussrückgangskonstante auch aus hydrogeologischen Gebietsei-
genschaften berechnet werden (SCHWARZE et al. 1997, 1999, HENNIG & SCHWARZE
2001). Mit geohydraulischen Ansätzen (analytische Lösung der B
OUSSINESQ-Gleichung
(BRUTSAERT 1994)) oder analytische Lösung der instationären Grabenanströmung) kann
gezeigt werden, dass es Lösungen gibt, die in Form eines linearen Faltungsintegrals dar-

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
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stellbar sind, dessen Impulsantwortfunktion durch eine Parallelschaltung von Impulsantwor-
ten des Einzellinearspeichers (ELS) gebildet wird.
Der Abfluss q(t) in mm/Zeit ergibt sich zu:
q(t) = q(
t
) B(t -
t
)+
A
p(
τ
)
g
j
(t -
τ
) d
τ
j
j=1
t
t
0
0
0
∫∑
(3)
mit
q(t
0
)
Abfluss zum Zeitpunkt t=t
0
B(t-t
0
)
Rückgangsterm
p(τ)
GWN - Rate in mm/Zeit
A
j
=8/(π²(2j-1)²)
Anteil der GWN an der j-ten
Komponente der Impulsantwort mit
Aj
= 1
g
j
(t-τ)=exp(-(t-τ)/K
j
)/K
j
j-te Komponente der normierten Systemfunktion,
entspricht der Impulsantwort eines
Einzellinearspeichers
Die folgenden Gleichungen beschreiben das Parametermodell von Gleichung (3):
K
(2 j - 1)
4
1
K=
2
j
2
π
Rückgangskonstante des Einzellinearspeichers der
Komponente j mit der Maßeinheit Zeit
(4)
M
L
k
n
K =
2
f
Gebietskennwert für die Rückgangskonstante mit der
Maßeinheit Zeit
(5)
mit
M Mächtigkeit des Aquifers in m
n drainable Porosität dimensionslos
k
f
Gebirgsdurchlässigkeit in m/Zeit
L Fließlänge in m
Als Ergebnis existiert ein physikalisch begründetes Parametermodell des Konzeptparame-
ters “Rückgangskonstante CG” für verschiedene hydrogeologische Einheiten basierend auf
dem Gebietskennwert K
, welcher ausschließlich von
hydrogeologischen
(Gebirgsdurchläs-
sigkeit, drainable Porosität) und
morphometrischen
(Hanglänge, Aquifermächtigkeit) Ge-
bietskennwerten abhängt. Ausgehend von Gleichung 4 und 5 lässt sich für die langsamste
mit DIFGA ermittelte Abflusskomponente RG2 die zugehörige Rückgangskonstante CG2 zu
CG2 ~ K
1
~ K
(6)
bestimmen.
Der Abflussrückgang über längere Zeitschritte ist auch bei semilogarithmischer Darstellung
nichtlinear. Die Ursache liegt in der Überlagerung verschiedener hydrologischer Prozesse,
welche letztlich zum Entstehen unterschiedlich schneller Abflusskomponenten führen. Dieses
Problem lässt sich durch eine abschnittsweise Anwendung der Gleichung (2) bewältigen.
Begonnen wird mit den Trockenwetterrückgängen extrem niederschlagsarmer Jahre, welche
mit meist mehrjährigen Abständen beobachtbar sind. Unter Verwendung der Gleichungen (2)
und (1) erfolgt durch DIFGA in den langjährigen Durchflussganglinien zunächst die Berechnung
der stark verzögerten unterirdischen Abflusskomponente QG2. Danach kann eine
Differenzganglinie (Q
beob
-QG2) berechnet und gleichfalls semilogarithmisch dargestellt werden.
In dieser neuen Ganglinie muss durch erneute Anwendung der Gleichungen (2) und (1) die
nächst schnellere Komponente analysiert werden. Dieses Vorgehen wird insgesamt n-mal
realisiert. Auf diese Art und Weise können in der Regel bis zu vier unterschiedliche

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
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Abflussanteile identifiziert werden. DIFGA kann in zwei Varianten genutzt werden. In der
Standardversion werden drei Komponenten RG2, RG1 und RD=RD1+RD2 bestimmt. In einer
erweiterten Version können auch die vier Komponenten RG2, RG1, RD1 und RD2 ermittelt
werden. Die Bestimmung von vier Komponenten wird nur empfohlen, wenn eine Überprüfung
anhand einer isotopenhydrologischen Direktabflussseparation vergleichend möglich ist.
Im Anschluss wird die Separation durch eine Bilanzierung überprüft. Die
Wasserhaushaltsbilanz baut auf zwei Grundgleichungen auf. Für jeden Monat i werden die
Bilanzgleichungen in der folgenden Form angesetzt:
Abflussbildungsbilanz:
Pi
- RG2i- RG1i - RD2i- RD1i=(
W
i
+
ETRi
)
(7)
Abflusskonzentrationsbilanz:
beob
i
Q
i
QD
i
QD
i
QG
i
QG
2
+
1+
2
+
1=
(8)
Diese Bilanzen werden durch DIFGA für aktuelle Monate und Jahre sowie als mittlere Bilanzen
für Monate, Halbjahre und Jahre berechnet und stehen zusätzlich zu den im Tagesschritt vor-
liegenden Abflüssen der verschiedenen Komponenten bereit. DIFGA liegt als Programm
DIFGA-2000 unter JAVA vor und ist über die TU Dresden Institut für Hydrologie und Meteoro-
logie (IHM) verfügbar.
Hinsichtlich der zu erwartenden Genauigkeit ist zu sagen, dass der rein methodisch beding-
te Schwankungsbereich der DIFGA-Ergebnisse selbst sehr gering ist, wie es das Beispiel
der Schwarzen Pockau dokumentiert. Selbst wenn die für die hydrogeologische Einheit
Gneis mögliche Spannweite der Rezessionskonstante (vgl. Tabelle 1) voll ausgeschöpft
wird, differieren z.B. die Ergebnisse für die berechnete GWN parameterbedingt nicht mehr
als 7% voneinander. Da DIFGA nur von Messwerten ausgeht, wird der Fehler des Ergebnis-
ses praktisch nicht vom Verfahren, sondern ausschließlich von der Güte der verwendeten
Daten bestimmt. Mittels Sensitivitätsuntersuchungen wurde der Einfluss dieser Parameter-
spannweite auf den mit SLOWCOMP berechneten Grundwasserabfluss bestimmt. Dafür wurde
SLOWCOMP innerhalb des Wasserhaushaltsmodells AKWA-M (M
ÜNCH, 1994) betrieben.
Tabelle 1 zeigt beispielhaft für den Parameter CG2 das Ergebnis für die Zöblitz.
Tabelle 1: Sensitivitätsuntersuchungen für den Parameter CG2 (Gneis) im Einzugsgebiet Schwarze
Pockau/Pegel Zöblitz
Komponente
Variante 1
CG2 = 300d
Variante 2
CG2 = 330 d
Variante 3
CG2 = 380 d
max.
Differenz
absolut
max.
Differenz
prozentual
RG2
187,1 mm/a
176,3 mm/a
174,3 mm/a
12,8 mm/a
7,3 %
RG1
302,1 mm/a
335,2 mm/a
325,5 mm/a
33,1 mm/a
10 %
RD1 + RD2
128,2 mm/a
107,5 mm/a
117,2 mm/a
20,7 mm/a
17 %
ETR
504,5 mm/a
502,9 mm/a
505,0 mm/a
2,1 mm/a
0,4 %
Für die berechneten Abflusskomponenten ergibt sich eine parametrisierungsbedingte
Schwankung von
±
5 bis 10 % um den Erwartungswert. Mit diesen Ergebnissen kann, vor
allem bei unbeobachteten Gebieten, beurteilt werden, ob die parameterbedingte Unschärfe
des Modellergebnisses ggf. größer ist als die zu erwartende Veränderung des Ergebnisses
infolge Landnutzungsänderungen (siehe S
CHWARZE ET AL. 2004).
Nachfolgend werden der Aufbau des Modells
SLOWCOMP
und die Methodik der Parame-
terbestimmung näher erklärt.

image
Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 42 -
PERC Wasser und Stickstoff
RG1=
f(SG1)
RG2 = Perc - RG1
1/9 RG2
8/9 RG2
QG2
CG2
2
=1/9.CG2
1
QG1+ N-Konz
SG1 mit CG1
Wenn PERC > RG1
QG1
QG2+ N-Konz
Wasserfluss
Stofffluss
SG2
2
mit CG2
2
SG2 mit CG2
1
c
N
c
N
V(SG1) mit T
QG1
V(SG2) mit T
QG2
Wasserfluss-
modul
Stofffluss-
modul
PERC Wasser und Stickstoff
RG1=
f(SG1)
RG2 = Perc - RG1
1/9 RG2
8/9 RG2
QG2
CG2
2
=1/9.CG2
1
QG1+ N-Konz
SG1 mit CG1
Wenn PERC > RG1
QG1
QG2+ N-Konz
Wasserfluss
Stofffluss
SG2
2
mit CG2
2
SG2 mit CG2
1
c
N
c
N
V(SG1) mit T
QG1
V(SG2) mit T
QG2
Wasserfluss-
modul
Stofffluss-
modul
Abbildung 10: Grundwassermodul SLOWCOMP inklusive Verweilzeitberechnung
(aus SCHWARZE, R. ET AL. 2004)
Das Modell SLOWCOMP wurde in SCHWARZE, R. ET AL. (2004) entwickelt, um mit einem Bo-
denwasser- und Stickstoffmodell berechnete Wasser- und Stickstoffabgabe aus der Wurzel-
zone in das Grundwassersystem zu überführen. Diese Perkolation PERC ist der Input in das
Modul SLOWCOMP zur Berechnung unterirdischer Abflusskomponenten (Abbildung 10).
Dabei werden die Speicher- und Translationsprozesse im Grundwasser simuliert. Für den
Festgesteinsbereich wird davon ausgegangen, dass Stickstoffumsatzprozesse im Grund-
wasser vernachlässigbar sind.
SLOWCOMP basiert auf der Annahme eines relativ kurzfristig und eines extrem langfristig
auslaufenden Speichers, die der Kürze halber als „mobiler“ und „immobiler“ Speicher be-
zeichnet werden. Zunächst wird der mobile Speicher berechnet. Die Perkolation PERC wird
als Grundwasserneubildung GWN in Form des Zuflusses RG1 auf den schnellen Speicher
SG1 und als langsamer Grundwasserabfluss RG2 auf den Speicher SG2 aufgeteilt. Beide
Abflusskomponenten stehen für unterschiedliche Fließwege (schnell: in Zersatz-, Störungs-
und Zerrüttungszonen, langsam: in Klüften und Poren). Sie werden im Modell durch Einzelli-
nearspeicher SG abgebildet. Diese Speicher verkörpern das mobile Wasservolumen im
Aquifer. Die Aufteilung der Perkolation auf die beiden Komponenten erfolgt in Abhängigkeit
von der Füllung des Speichers SG1. Die Speicher sind durch die Speicherkonstanten CG
definiert. QG1 und QG2 bilden den Ausfluss aus den Grundwasserspeichern eines Segmen-
tes und stehen für den Wassermengenumsatz des Aquifers. Die Aufteilung dieser Speicher
und ihre Parameter entsprechen der von DIFGA. Somit kann zur Parametrisierung direkt
eine DIFGA - Analyse eingesetzt werden. Für hydrologisch unbeobachtete Gebiete können
regionalisierte Parameter verwendet werden.
Neben diesem mobilen Volumen wird vom Modell ein nicht (oder nur extrem langsam) an
Strömungsvorgängen beteiligtes immobiles Wasservolumen betrachtet. Dieses spielt aber
für den Stofftransport eine entscheidende Rolle, da es z. B. über Diffusionsvorgänge zur
Stoffretention beiträgt. Das immobile Wasservolumen prägt somit maßgeblich die mittlere
Verweilzeit T eines einzelnen Wasserteilchens und der in ihm gelösten Stoffe im Aquifer.
Aussagen zur mittleren Verweilzeit können z.B. aus Datierungen mittels Tritium gewonnen
werden. Ein Maß für das mobile Volumen ist das langjährige Mittel der Perkolation. Das im-
mobile Volumen ergibt sich aus dem Produkt von mittlerer Verweilzeit T und dieser Perkola-
tion. In einem zweiten Schritt wird deshalb zunächst unter Verwendung der aktuellen Neu-
bildungsraten RG die Füllung des Aquifers (mobil + immobil) berechnet. Unter Annahme
einer vollständigen Durchmischung kann dann unter Verwendung der aktuell mit der Perko-
lation eingetragenen Stoffmenge die Stoffkonzentration N-Konz im Aquifer berechnet wer-

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 43 -
den. Das Produkt aus QG und N-Konz ergibt dann die unter Berücksichtigung der Fließwege
und Fließzeiten berechnete Stoffaustragsfracht aus einem Segment.
Für die Anwendung im Rahmen der Berechnung des Grundwasserhaushaltes in Sachsen
wird zunächst eine Variante von SLOWCOMP ohne Berücksichtigung des Stoffflussmoduls
empfohlen. Eine spätere Erweiterung des Konzeptes um ein Stofffluss- und Verweilzeitmo-
dul ist aber bei der Verwendung von SLOWCOMP leicht möglich. Abbildung 11 zeigt die
Struktur von SLOWCOMP, welche bei der sachsenweiten Berechnung des Grundwasser-
haushaltes eingesetzt werden soll.
PERC Perkolation aus der Bodenzone
RG1=
f(SG1
grenz
)
RG2 = Perc - RG1
1/9 RG2
8/9 RG2
QG2
CG2
2
=1/9.CG2
1
SG1 mit CG1
Wenn PERC > RG1
QG1
Wasserfluss
SG2
2
mit CG2
2
SG2 mit CG2
1
PERC Perkolation aus der Bodenzone
RG1=
f(SG1
grenz
)
RG2 = Perc - RG1
1/9 RG2
8/9 RG2
QG2
CG2
2
=1/9.CG2
1
SG1 mit CG1
Wenn PERC > RG1
QG1
Wasserfluss
SG2
2
mit CG2
2
SG2 mit CG2
1
Abbildung 11: Grundwassermodul SLOWCOMP ohne Stofffluss
(aus S
CHWARZE, R. ET AL. 2004)
5.1.3 Säule A – Bestimmung der Modellparameter
SLOWCOMP benötigt die Speicherkonstanten CG1 und CG2 sowie den Speichergrenzwert
SG1
grenz
. Bei der Abflusskomponentenanalyse für ein Pegeleinzugsgebiet berechnet DIFGA
die beiden Speicherkonstanten aus Durchflussrückgangsanalysen als Gebietsparameter
(vgl. Abschnitt 5.1.2).
Für die Bestimmung des Gebietsmittelwertes SG1
grenz
wird von DIFGA für jeden Zeitschritt
zunächst die Perkolation aus der Bodenzone über die Formel
PERC = RG1 + RG2
(9)
als Grundlage für die Berechnung des Speichergrenzwertes rückgerechnet. Unter Anwen-
dung des Moduls SLOWCOMP wird in DIFGA dann diese invers ermittelte Perkolation
PERC auf die unterirdischen Abflusskomponenten RG1 und RG2 aufgeteilt. Dabei wird der
Speichergrenzwert SG1
grenz
, welcher die Aufteilung der Perkolation auf die unterschiedlich
schnell entwässernden Grundwasserspeicher SG1 und SG2 steuert, durch eine Optimierung
berechnet. Die beiden Grundwasserspeicher werden dabei mit den Speicherkonstanten
CG1 und CG2 betrieben. Ziel ist es, SG1
grenz
so zu ermitteln, dass die Differenz zwischen
den von SLOWCOMP berechneten Ganglinien für QG1 und QG2 und den von DIFGA aus
der Separation erhaltenen QG1 und QG2 minimiert wird.

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Bericht März 2008
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Für die regionale Anwendung in hydrologisch unbeobachteten Gebieten müssen die von
SLOWCOMP benötigten Modellparameter, die nicht gemessen werden können, mit einem
physikalisch interpretierbaren Modell zur objektiven und reproduzierbar aus Gebietseigen-
schaften abgeleitet werden. Das Modul SLOWCOMP lässt sich geohydraulisch interpretie-
ren (vgl. Abschnitt 5.1.2). Somit existiert ein regional anwendbares Parametermodell, wel-
ches die benötigten Parameter für hydrologisch unbeobachtete Gebiete liefern kann und in
der Lage ist, die im Abschnitt 5.1.2 bestimmten Gebietsparameter zu disaggregieren.
Die Bestimmung der Parameter erfolgt in folgenden Schritten:
1.
Identifikation des Untersuchungsgebietes
• Bestimmung von Teileinzugsgebieten mit homogenen hydrogeologischen Einhei-
ten,
• Ermittlung von morphometrischen Kenngrößen für jedes Teileinzugsgebiet durch
ein digitales Geländemodell.
2.
Geohydraulische Interpretation des Einzellinearspeicherkonzepts
Es wurde bereits dargelegt, dass es eine analytische, geohydraulische Beschreibung für den
Grundwasserabfluss in Form eines linearen Faltungsintegrals gibt, dessen Impulsantwort-
funktion durch eine Parallelschaltung von Impulsantworten des Einzellinearspeichers (ELS)
gebildet wird. Der Abfluss ergibt sich in mm (l/m²) je Zeiteinheit durch Lösen dieses Fal-
tungsintegrals (Gleichung 3), in das folgende Faktoren eingehen:
• die Abflussveränderung im vorangegangenen Zeitschritt,
• die GWN-Rate je Zeiteinheit und ihr Anteil an der aktuellen Reaktion des Gebietes so-
wie
• das Ausflussverhalten der die verschiedenen Abflusskomponenten „erzeugenden“
ELS, deren charakteristische Reaktion (normierte Systemfunktion = Impulsantwort)
durch Gebietskennwerte (Parameter) bestimmt wird.
Als Ergebnis existiert ein physikalisch begründetes, regional anwendbares Parametermodell
des Konzeptparameters “Rückgangskonstante CG” für verschiedene hydrogeologische Ein-
heiten, basierend auf dem Gebietskennwert K, welcher ausschließlich von hydrogeologi-
schen (Gebirgsdurchlässigkeit, entwässerbare Porosität) und morphometrischen Gebiets-
kennwerten (Hanglänge, Aquifermächtigkeit) abhängt. Ausgehend von den Gleichungen (4)
bis (6) lassen sich die Rückgangskonstanten CG2 bzw. CG1 regional ermitteln.
In SCHWARZE ET AL. 1999 A, 2004 ist dokumentiert, dass die auf diese Weise für konkrete
Einzugsgebiete ermittelten Werte und die mit DIFGA bestimmten Rückgangskonstanten gut
übereinstimmen (Abbildung 12). Das bestätigt die Eignung des Einzellinearspeicherkonzep-
tes für die Analyse von Grundwasserabflusskomponenten im Einzugsgebietsmaßstab.

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Abbildung 12: Rückgangskonstanten der langsamsten Abflusskomponente – Vergleich der mittels
DIFGA ermittelten und der mit dem Parametermodell berechneten Werte (aus SCHWARZE ET AL. 2004)
Für praktische Anwendungen von SLOWCOMP war die Frage zu beantworten, wie viele
Einzellinearspeicher benötigt werden, um eine akzeptable Genauigkeit zu erzielen. In dem
geohydraulischen Modell (Gleichung 3) ergibt sich das Leerlaufgesetz als Parallelschaltung
von unendlich vielen Speichern. DIFGA dagegen verwendet nur bis zu drei Speicherebenen.
Eine Antwort lässt sich durch Anwendung der Gleichungen 3 und 4 geben.
Für die Speicherkonstante K
j
ergibt die Berechnung der Gleichung 4, dass K
2
1/9 von K
1
, K
3
nur noch 1/25 von K
1
etc. beträgt.
Für die Aufteilung der GWN auf die einzelnen Speicher muss die in der Ergänzung zu Glei-
chung 3 genannte Formel zur Berechnung des Anteils A
j
angewandt werden.
Die Ergebnisse dieser Berechnung der Gleichung 3 für die ersten 5 Speicher zeigt die
Tabelle 2.
Tabelle 2: Bilanzfehler bei der Vernachlässigung von Speichergliedern in Gleichung 3
Index
Speicheranzahl
j
Speicher-
konstante
K
j
Anteil
an der
GWN
A
j
kumulativer
Anteil an
der GWN
∑A
j
“Fehler”
1- ∑A
j
Genauig-
keitszuwachs
1 K
1
=K
1
/1 81,06% 81,06% 18,94% -
2 K
2
=K
1
/9 9,01% 90,06% 9,94% 9,01%
3 K
3
=K
1
/25 3,24% 93,31% 6,69% 3,24%
4 K
4
=K
1
/49 1,65% 94,96% 5,04% 1,65%
5 K
5
=K
1
/81 1,00% 95,96% 4,04% 1,00%

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
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Zusammenfassend lässt sich die Frage wie folgt beantworten:
• Alle Rückgangskonstanten K
j
können für beliebig viele Speicher j aus dem Gebiets-
kennwert K berechnet werden (siehe Gleichung 4).
• Wird ein Fehler von 10% akzeptiert, kann die langsamste Abflusskomponente mit nur
zwei Einzellinearspeichern beschrieben werden. Dieser Fehler hat keinen Einfluss auf
den berechneten Gesamtabfluss, sondern nur auf die Aufteilung der Perkolation auf
die Komponenten RG1 und RG2.
In der Tabelle 3 sind die Aufteilung der GWN und die Speicherkonstanten bei Verwendung
eines Modells mit zwei Speichern für die langsame Grundwasserabflusskomponente darge-
stellt. Dieser Ansatz bildet die Grundlage für den Aufbau des Modells SLOWCOMP, wie er
in den Abbildungen 8 bzw. 9 ersichtlich ist. Die Details zu dieser Untersuchung enthält der
Abschnitt 2 in der Anlage 1.
Tabelle 3: Speicherkonstanten und Aufteilung der GWN im Modell SLOWCOMP
Index
Speicheranzahl
j
Speicherkonstante
K
j
Anteil an der
GWN
gemäß Gl. 3
A
j
Anteil an der GWN
inkl. proportionaler Auftei-
lung des Anteils der nicht
berücksichtigten Speicher
A
j
Anteil an der
GWN in
SLOWCOMP
A
j
1 K
1
81,06% 89,11% 8/9
2 K
2
=1/9
.
K
1
9,01%
10,89% 1/9
Alle Parameter und Aufteilungsoperatoren sind somit physikalisch interpretierbar und aus
Gebietseigenschaften bzw. breitenverfügbaren Messungen ableitbar. Das Modul SLOW-
COMP ist damit regional auch für hydrologisch unbeobachtete Gebiete anwendbar.
Das Modell SLOWCOMP ist bisher primär im Festgesteinsbereich angewendet worden. Er-
fahrungen in der flächendeckenden Anwendung existieren (SCHWARZE et al. 2004,
PFÜTZNER, KLÖCKING; HALBING 2008). Das Parametermodell für SLOWCOMP ist auf-
grund der verwendeten geohydraulischen Ansätze (vgl. Abschnitt 5.1.2) grundsätzlich auch
für den Lockergesteinsbereich anwendbar (vgl. Abschnitt 7, ausgewählte Ergebnisse siehe
Tabelle 12).
Als Beispiel ist die Ableitung der Modellparameter für das Einzugsgebiet der Mulde im Ab-
schnitt 7 dargestellt.

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
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5.2
Säule B – Szenariofähiger Algorithmus zur Ermittlung von
Wasserhaushaltsgrößen im Maßstab der Berechnungseinheiten
5.2.1 Säule B – Anforderungen, Zielstellung, Konzeption
Die Anwendung von DIFGA innerhalb
Säule A, dargestellt in Abschnitt 4.3, er-
gibt, wie in Abbildung 5
ersichtlich, ein-
zugsgebietsbezogene Ergebnisse sowie
daraus abgeleitete regionalisierte Ergeb-
nisse.
Bedingt durch die Methode handelt es
sich bei den Ergebnissen um regionalisier-
te Gebietsmittel, welche primär den Ein-
fluss des Niederschlags und der hydro-
geologischen Eigenschaften abbilden.
Insbesondere standortbezogene Beson-
derheiten (Boden, Landnutzung etc.) sind
nur integral enthalten.
Um für Berechnungseinheiten (z.B.
500x500 m) Aussagen zu erhalten, muss
auf diesen eine Wasserhaushaltsberech-
nung erfolgen. Diese ist in der Abbildung
13
schematisch dargestellt.
Anforderungen
Die Konzeption der Säule B erfolgte in
erster Linie vor dem Hintergrund zukünfti-
ger Klima- und Landnutzungsänderungen.
Im Hinblick auf die Szenariofähigkeit der
Wasserhaushaltsberechungen ist eine
möglichst physikalisch begründete Abbil-
dung der Prozesse im System Boden-
Pflanze-Atmosphäre notwendig. Außer-
dem wird ein vertretbarer Aufwand für die
Parametrisierung, Kalibrierung und Vali-
dierung der Modellkonzeption gefordert.
B Teilmodell Istzustand + Szenarien
Informationssystem
mit Ergebnissen aus Vielzahl vorab
erfolgter differenzierter
Modellrechnungen z.B. WASIM;
ARCEGMO; Daisy; Swat; SLOWCOMP
Gebietsberechnung
Regionalisierung aggregieren
Datenbank: Grunddaten
Datenbank
Ergebnisse (Raster)
Abbildung 13: Schematischer Aufbau Säule B
Szenariofähigkeit
Um die Szenariofähigkeit zu gewährleisten, müssen neben der technischen Verarbeitung
projizierter Klimareihen und Flächenumwidmungen bzw. Bewirtschaftungsszenarien auch
Rückkopplungen auf den Energie- und Wasserhaushalt berücksichtigt werden. Die Auswir-
kungen werden primär über die Wasserhaushaltsgröße Evapotranspiration gesteuert und
müssen daher mittels adaptiven Pflanzenwachstums abgebildet werden. In diesem Zusam-

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
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menhang ist vor allem die Simulation von Wasser-, Temperatur- und Nährstoffstress, aber
auch die Anpassung der Vegetation an geänderte CO
2
-Gehalte in der Atmosphäre denkbar.
Mögliche Modellansätze zur Beschreibung dieses adaptiven Pflanzenwachstums bestehen
einerseits in sogenannten Wachstumsmodellen. Der Energie- und Stoffhaushalt der Pflan-
zen wird dort physikalisch begründet berechnet. Andererseits existieren Phänologiemodelle.
Sie gehen von der konzeptionellen Vorstellung aus, dass das Pflanzenwachstum allein in
Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Energie abläuft. Entsprechende Ansätze ver-
wenden meist Wachstumsalgorithmen, welche auf sogenannten Temperatursummenverfah-
ren basieren.
Ziele
Ausgehend von der Berechung des Ist-Zustandes soll innerhalb der Säule B auch die Ermitt-
lung der Wasserhaushaltsgrößen für Prognosezustände ermöglicht werden. Dazu sind Pro-
zessmodelle auszuwählen, welche geeignet sind, entsprechende Klima- und Landnutzungs-
änderungen abbilden zu können. Es ist daher ein Algorithmus für die Vorab-Berechnung des
Gebietswasserhaushaltes zu formulieren, der sowohl eine Abbildung des Ist-Zustandes, als
auch Szenarienberechnungen ermöglicht. Dabei wird auf vorhandene Modelle zur Beschrei-
bung der Prozesse im System Boden-Pflanze-Atmosphäre sowie der unterirdischen Ab-
flussprozesse zurückgegriffen. Im Ergebnis soll anschließend eine rasterbasierte Ausgabe
der geforderten Teilgrößen des Wasserhaushaltes im Monatszeitschritt erfolgen.
Nutzung
Die Nutzung der vorab berechneten Ergebnisse erfolgt über den Zugriff auf eine Datenbank,
in welcher die Ergebnisse ausgewählter Szenarien einzupflegen sind.
Konzeption
Die Berechnung der Wasserhaushaltsgrößen wird als Wirkung eines hydrologischen Sys-
tems durch reine Vorwärtsrechung aus bekannter Ursache berechnet. Die Zielgrößen wer-
den dabei im Gegensatz zur Konzeption in Säule A nicht invers allein aus der Analyse von
Beobachtungsdaten bestimmt (vgl. Abbildung 14), sondern entstehen synthetisch als Resul-
tat der Eingangsdaten.
Das System selbst muss dabei mit Hilfe geeigneter Prozess- und Parametermodelle anhand
abzuleitender hydrologisch relevanter Systemeigenschaften beschrieben werden. Physika-
lisch nicht begründete Modellparameter können mit Hilfe von Beobachtungsdaten zunächst
kalibriert und anschließend validiert werden, wodurch auch die Extrapolationsfähigkeit der
Modelle gewahrt bleiben soll.

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meteor./klimat.
Input
Wasserhaus-
haltsgrößen
Prozessmodell &
Parametermodell
Bodenwasserhaushalts- &
Grundwassermodell
Berechung der Wirkung des hydro-
logischen Systems aus bekannter
Ursache und Systemeigenschaften
(Ist-Zustand + Prognose)
Regionalisierung
mittels Aggregierung Aussagen für
beliebige Bilanzeinheiten
7. Ergebnisse für Berechungseinheiten
vollständige Wasserhaushaltsbilanzen
gebietsbezogene
Ergebnisse
Säule B – Vorab-Berechnung des Gesamtwasserhaushaltes
1. Vorgabe der Eingangsdaten
meteorologische Daten (Niederschlag,...)
2. Ableiten hydrologisch relevanter
Systemeigenschaften
Landnutzung
Boden
Geländegefälle
Exposition
3. Auswahl geeigneter Modellansätze
Bodenwasserhaushalt, Grundwasser
4. Beschreiben der
Systemeigenschaften mittels
geeigneter Parametermodelle
z.B. Grundwasserabfluss:
SLOWCOMP Parametermodell
5. Kalibrierung des Modells
Aneichen von physikalisch nicht
begründeten Parametern
6. Validierung des Modells
Kontrolle, ob gewählte
Parameterkombination
auch für andere Eingangsdaten gültig
Ergebnisse pro
Bilanzeinheit
(500mx500m)
Säule A
flächendeckendes
Parametermodell
für Grundwassermodell
SLOWCOMP
Abbildung 14: Säule B - Schema Gebietsberechung Wasserhaushaltsgrößen
Umsetzung
Die Berechnung des Gesamtwasserhaushaltes innerhalb der Säule B wird sich in zwei
grundlegende Kompartimente untergliedern:
Berechnung des Bodenwasserhaushaltes (System Boden-Pflanze-Atmosphäre,
Oberflächenabfluss, ggf. hypodermischer Abfluss/Anteil Zwischenabfluss)
Berechnung unterirdischer Abflusskomponenten
Der Übergang zwischen beiden Kompartimenten wird als Schnittstelle definiert. Dadurch
lassen sich verschiedene Bausteine aus unterschiedlichen Modellen besser miteinander
koppeln, was die Flexibilität der Lösung erhöht. Als Schnittstelle bietet sich die Perkolation
(Versickerung) aus der verdunstungsbeeinflussten Bodenzone an. Diese Größe wird von
allen gängigen Bodenwasserhaushaltsmodellen berechnet und kann als Input für ein
Grundwassermodell genutzt werden (vgl. auch Abbildung 4).

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Bericht März 2008
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5.2.2 Überblick zu den Methoden der Säule B
Als Grundlage für die Säule B des Gesamtkonzeptes müssen prozessbeschreibende Bo-
denwasserhaushaltsmodelle zum Einsatz gelangen. Diese sollten Pflanzenwachstumsmo-
delle enthalten, ohne die eine adäquate Abbildung von Klimaänderungen auf den Grund-
wasserhaushalt nicht möglich ist. Es wird empfohlen, mindestens die folgenden Modelle in
die Untersuchung einzubeziehen:
AKWA-M 4.6.12.0: konzeptionelles Wasserhaushaltsmodell mit Ausrichtung auf die
Erfassung von Landnutzungsänderungen, feuchte und strahlungsabhängige Phäno-
logie, weitere Pflanzenmodelle können implementiert werden (M
ÜNCH, 2005)
Das Wasserhaushaltsmodell AKWA-M nutzt sowohl konzeptionelle als auch physika-
lisch begründete Modellansätze. Es besitzt einen modularen Aufbau mit jeweils ver-
schiedenen Ansätzen für die Prozessebenen Interzeption, Transpiration, Bodenver-
dunstung, Perkolation, Markoporenversickerung, Grundwasser- und Gerinneabfluss.
Eine detaillierte Modellbeschreibung erfolgt in Abschnitt 5.2.3. Eine Untersuchung
von AKWA-M bezüglich der Eignung als Bodenwasserhaushaltsmodell innerhalb
Säule B bietet sich an, da bereits eine Kopplung zum präferierten Grundwassermo-
dell SLOWCOMP besteht.
ArcEGMO 4.1: GIS-gestütztes, konzeptionelles Wasserhaushaltsmodell mit PSCN-
Modul (Plant-Soil-Carbon-Nitrogen Model) (P
FÜTZNER, 2002, 2007; BECKER ET AL.,
2002).
PSCN berücksichtigt den Einfluss von Feuchte, Temperatur und (wahlweise) Pflan-
zennährstoffen. Die Erfassung klimabedingten Stresses ist möglich. Für Waldstand-
orte ist das Waldwachstumsmodell 4C implementiert. Eine detaillierte Beschreibung
der Modellansätze kann Abschnitt 5.2.3 entnommen werden. Das Modell wurde für
eine ausführliche Untersuchung berücksichtigt, da entsprechende Klima- und Land-
nutzungsänderungen berücksichtigt werden können und bereits eine Kopplung zum
Grundwassermodell SLOWCOMP besteht. Weiterhin wurde das Modell bereits für
die flächendeckende Berechung des Wasserhaushaltes in Sachsen-Anhalt und
Brandenburg eingesetzt. Bei Eignung und Einsatz des Modells könnten Synergien
mit der durch die Lausitzer und Mitteldeutsche Bergbau-Verwaltungsgesellschaft
mbH beauftragten Modellierungen der sächsischen Bergbaufolgelandschaften ent-
stehen.
BROOK90 4.0: Modell zur detaillierten Simulation des Wasserhaushaltes von Wald-
beständen und kleinen Wassereinzugsgebieten (F
EDERER et. al. 2003).
BROOK90 ist ein deterministisches hydrologisches Standortmodell mit dem die meis-
ten Landoberflächen in Tagesschrittweite modelliert werden können. Die prozessori-
entierten Ansätze können auf kleine homogene Flächen angewendet werden. Die
Berücksichtigung einer räumlichen horizontalen Verteilung der Parameter, sowie die
Simulation von lateralem Abfluss zu benachbarten Flächen sind nicht möglich.
BROOK90 konzentriert sich auf eine detaillierte Simulation der Evapotranspirati-
onsprozesse und den vertikalen Wasserfluss.
Das Modellsystem berücksichtigt Interzeptions- und Transpirationsprozesse, welche
aus einer einschichtigen Vegetationsbedeckung abgeleitet werden. Die Berechnung
der Transpiration erfolgt auf Basis des Blattwiderstandes. Sie wird reduziert, wenn
die Wasserversorgung durch den Pflanzenwiderstand, den Wurzelwiderstand oder
das kritische Blattwasserpotential begrenzt wird.
Außerdem werden Schneeakkumulation und -schmelze, Boden- und Schneevapora-
tion simuliert. Die Prozesse der Bodenwasserdynamik können auf Basis der physika-

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
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lisch begründeten Richards-Gleichung für ein- und mehrschichtige Böden simuliert
werden. Das Modell enthält Wasserspeicherkomponenten für Schnee, Wurzelzone,
ungesättigte Zone unterhalb der durchwurzelten Zone und Grundwasser.
Das Modell BROOK90 benötigt eine Vielzahl von Parametern, welche allesamt ex-
tern bereit gestellt werden müssen. Aufgrund der physikalischen Interpretierbarkeit
der meisten Parameter ist eine Kalibrierung nicht notwendig.
Die ausführbare Version von BROOK90 ist frei verfügbar, der Quellcode kann vom
Modellentwickler angefordert werden (Visual Basic 6). Die Ein- und Ausgabe erfolgt
über Textdateien.
BROOK90 wird für eine detailliertere Untersuchung des Wasserhaushaltes und der
Wasserdynamik vorgeschlagen, da die Mehrzahl der verwendeten Parameter physi-
kalisch interpretiert werden kann. Das Modell kann so auch als Maßstab zur Ein-
schätzung der Prozessabbildungsgüte anderer Modelle herangezogen werden. Wei-
terhin empfiehlt sich das Modell durch die Betonung einer physikalisch begründeten
Prozessabbildung bezüglich Evaporation und vertikalem Wasserfluss in der Boden-
zone. Eine bestmögliche Abbildung dieser Prozesse ist im Hinblick auf die primäre
Zielgröße Grundwasserneubildung unter dem Gesichtspunkt von Klima- und Land-
nutzungsänderungen von besonderer Bedeutung.
Daisy 4.29: dynamisches 1D-Bodenwasser-und Stofftransportmodell gekoppelt mit
physiologischem Pflanzenwachstumsmodul (A
BRAHAMSEN & HANSEN 2000).
Daisy ist ein mechanistisches, modular aufgebautes Modell zur Simulation der physi-
kalischen und biologischen Prozesse auf Ackerflächen. Dabei können der Wasser-
und Wärme- und Stoffhaushalt im System Boden-Pflanze-Atmosphäre, in welchem
die Entwicklung von Ackerpflanzen verschiedenen Anbaustrategien unterworfen wird,
abgebildet werden.
Es wird sowohl der Bodenwasserhaushalt als auch der Oberflächenwasserhaushalt
betrachtet. Der Oberflächenwasserhaushalt umfasst Modelle zur Schneeakkumulati-
on und -schmelze, Interzeption, Infiltration und Oberflächenabfluss. Das Bodenwas-
sermodul beschreibt den Matrixfluss auf Basis der physikalisch begründeten Ri-
chards-Gleichung. Daneben existieren Modellansätze zur Beschreibung von Makro-
porenfluss, Drainagen sowie zur Wasseraufnahme der Pflanzen.
Der Modellteil zur Beschreibung des Stoffhaushaltes umfasst Transport-, Sorptions-
und Umwandlungsprozesse. Ein Schwerpunkt liegt in der Beschreibung der Stick-
stoffdynamik. Es kann aber auch die Dynamik anderer Stoffe, wie beispielsweise
Pestiziden, beschrieben werden. Durch die sequenzielle Simulation von Wasser- und
Stoffhaushalt kann bei Bedarf auch nur eine Simulation des Wasserhaushaltes erfol-
gen.
Das Pflanzenwachstum einschließlich der Akkumulation von Stickstoff und Trocken-
substanz in verschiedenen Pflanzenteilen kann simuliert werden. Weiterhin erfolgt
eine dynamische Entwicklung des Blattflächenindexes und der Verteilung der Wur-
zeldichte. Außerdem kann die Konkurrenz verschiedener Pflanzenarten um Licht,
Wasser und Nährstoffe abgebildet werden. Das landwirtschaftliche Management-
Modul erlaubt dabei den Aufbau komplexer Bewirtschaftungsszenarios.
Daisy ist zunächst ein reines Standort Modell, das von homogenen Flächen ausgeht.
Aufgrund des offenen Systems kann der Programmcode aber beliebig angepasst
und erweitert werden (C++). Für flächenhafte Anwendungen kann das Modell so
durch Parallelschaltung mehrerer Bodensäulen betrieben werden. Entsprechende
Kopplungen bestehen beispielsweise mit dem Einzugsgebietsmodell MIKE/SHE. Die
Eingabe und Ausgabe für Daisy erfolgt über Textdateien.
Eine eingehende Untersuchung des Modells Daisy empfiehlt sich vor allem im Hin-
blick auf Landnutzungs- und Klimaänderungen. Durch die detaillierte Simulation des
Pflanzenwachstums scheint das Modell geeignet, Rückkopplungen einer sich verän-
dernden Vegetation auf den Wasserhaushalt abbilden zu können. Aufgrund der mo-

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 52 -
dularen Struktur des Modellsystems und der freien Verfügbarkeit des Programmco-
des, kann das Modell außerdem beliebig angepasst und erweitert werden. Daisy
kann dabei auch zur Einschätzung der Prozessabbildungsgüte anderer Modelle he-
rangezogen werden.
HYDRUS: Simulation von Strömung, Wärme- und Stofftransportprozessen in drei-
dimensionalen gesättigten und teilgesättigten porösen Medien (Š
IMŮNEK et al., 2005).
HYDRUS ist ein Finite Elemente Modell zur Simulation von zwei- und dreidimensio-
nalen Wärme- und Stofftransportprozessen in variabel gesättigten Medien. HYDRUS
basiert auf einer numerischen Lösung der Richards-Gleichung zur Beschreibung des
Stoffflusses. Für den Transport von Wärme und gelösten Stoffen wird eine Konvekti-
ons-Dispersionsgleichung verwendet. Die Wärmetransportgleichung berücksichtigt
dabei sowohl Wärmeleitung als auch Konvektionsprozesse mit dem Stofffluss.
Das Programm kann genutzt werden, um die Wasserdynamik in beliebig gesättigten
porösen Medien zu analysieren.
Durch die numerische Lösung der physikalisch begründeten Richards-Gleichung
eignet sich das Programm HYDRUS hervorragend zur Beurteilung der Prozessabbil-
dungsgüte anderer Modelle und sollte daher in die Untersuchung mit einbezogen
werden.
J2000 (Jams): weitestgehend physikalisch begründetes Wasserhaushaltsmodell
(K
RAUSE 2001).
Die Berechnung der Wasserhaushaltskomponenten in J2000 ist weitgehend physika-
lisch begründet. Die Prozesse der Abflussbildung, Abflusskonzentration und der
Durchflussverlauf werden modular bestimmt. Im Vordergrund steht die flächendiffe-
renzierte Modellierung der Abflussbildung und der daran beteiligten Prozesse. Das
Modell J2000 wurde in erster Linie für Einzugsgebiete >1000 km² entwickelt. Durch
die Einführung der hydrologisch homogenen Einheiten können aber auch Einzugs-
gebiete geringerer Größe modelliert werden. Durch eine entsprechende Disaggregie-
rung kann der Raumbezug gewahrt werden. Eine detaillierte Modellbeschreibung
kann Abschnitt 5.2.3 entnommen werden. Es wird vorgeschlagen, das Modell einge-
hend zu untersuchen, da weitgehend physikalisch begründete Modellansätze ver-
wendet werden. Zudem empfiehlt sich das Modell aufgrund seiner Konzeption für
große Einzugsgebiete auch für eine sachsenweite Anwendung
MIKE/SHE: physikalisch begründetes Wasserhaushaltsmodell (REFSGAARD et al.
1995).
MIKE/SHE ist die Weiterentwicklung eines durch ein europäisches Forschungs-
Konsortium konzipierten europäischen Simulationsmodells SHE (System Hydrologi-
que Europeen). Es handelt sich um ein umfassendes kommerzielles Softwarepaket
zur Modellierung aller wichtigen hydrologischen Prozesse im Einzugsgebietsmaßstab
mit Schwerpunkt auf dem Grundwasser. Es kann als deterministisches, physikbasier-
tes, rasterbasiertes Modellsystem beschrieben werden.
Die hydrologischen Prozesse, welche mit dem modular aufgebauten Modell abgebil-
det werden können, umfassen Interzeption, Evapotranspiration, Schneeschmelze,
Oberflächenabfluss, Wasserdynamik in der ungesättigten Bodenzone, Grundwasser-
abfluss, sowie Abflusskonzentration im Gewässer.
Ein Ansatz basierend auf der Finiten Differenzen Methode wird zur Lösung der par-
tiellen Differenzialgleichungen eingesetzt, die zur Beschreibung der oberirdischen
Abflussprozesse auf Basis der Saint-Vernant-Gleichungen verwendet werden. Glei-
ches gilt für die Lösung der eindimensionalen Richards-Gleichung zur Beschreibung
des ungesättigten Flusses in der Bodenzone, sowie der dreidimensionalen Boussi-

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 53 -
nesq-Gleichung zur Abbildung des Grundwasserflusses. Interzeption, Schnee-
schmelze und Evapotranspiration werden mit Hilfe analytischer Gleichungen berech-
net.
Die Eingabe erfolgt mittels graphischer Benutzeroberfläche, die Ausgabe ist sowohl
räumlich als auch zeitlich möglich. MIKE/SHE wird für eine eingehende Untersu-
chung vorgeschlagen, da neben den unterirdischen Abflusskomponenten auch der
Oberflächenabfluss physikalisch begründet beschrieben werden kann. Weiterhin be-
stehen vielfache Kopplungen zu Teilmodellen, wie beispielsweise Daisy zur Simulati-
on der Vegetationsdynamik.
SWAT 2005 (Soil & Water Assessment Tool): weitgehend physikalisch begründetes
Modell zur Simulation von Stofftransport im Einzugsgebietsmaßstab (N
EITSCH et al.,
2001)
Das Soil & Water Assessment Tool (SWAT) wurde vom USDA (United States De-
partment of Agriculture) entwickelt, um die Auswirkungen unterschiedlicher Bewirt-
schaftungsmethoden auf den Wasser- und Stoffhaushalt zu untersuchen. Das Modell
enthält neben konzeptionellen teilweise auch physikalisch begründete Ansätze.
SWAT beinhaltet eine Vielzahl von Modulen, die unterschiedliche Reaktionsräume
und Prozesse im Einzugsgebiet abbilden. Dabei können hydrologische, chemische
und ökologische Prozesse, sowie Bewirtschaftungsstrategien in Einzugsgebieten ab-
gebildet werden.
Die Wassermengensimulation umfasst die Prozesse Niederschlag, Evapotranspirati-
on, Oberflächen-, hypodermischer, Grundwasser- und Gerinneabfluss. Das Landnut-
zungsmodul erlaubt eine detaillierte Beschreibung der Vegetationsdynamik. Es ba-
siert auf einem Ansatz, der dem Modell EPIC (W
ILLIAMS et al. 1984; ENGEL et al.
1993) entnommen und vereinfacht wurde. Dabei können optimales (potentielles)
Pflanzenwachstum und Nährstoffaufnahme sowie tatsächliches Pflanzenwachstum
und Nährstoffaufnahme berücksichtigt werden.
Eine ausführbare Version des Programms ist frei verfügbar.
Das Modellsystem SWAT wird besonders im Hinblick auf Klima- und Landnutzungs-
änderungen für eine eingehende Untersuchung empfohlen, da das Modell die Vege-
tationsdynamik und entsprechende Rückkopplungen auf den Wasserhaushalt in Ab-
hängigkeit der klimatischen Randbedingungen und Bewirtschaftungsstrategien detail-
liert beschreibt.
WaSiM-ETH 7.9.11 (SCHULLA, 1997, SCHERZER et al., 2006): rasterbasiertes flä-
chendifferenziert arbeitendes hydrologisches Einzugsgebietsmodell mit Erweiterun-
gen (Zeitschrittsteuerung, Pflanzenwachstumsmodell, horizontweise Parametrisie-
rung der Bodenfunktionen, Kopplung mit dem Grundwasserströmungs- und -
transportmodell PCGEOFIM, Speicherbewirtschaftung.
Das Wasserhaushalts-Simulations-Modell WaSiM-ETH bietet durch seinen modula-
ren Aufbau die Möglichkeit, je nach Aufgabenstellung maßgebende Prozesse und
Zusammenhänge zu berücksichtigen. Weiterhin kann innerhalb der Module zwischen
mehreren Berechnungsmethoden gewählt werden.
Die Besonderheit von WaSiM-ETH liegt im Bodenmodell, wobei zwischen dem kon-
zeptionellen Topmodel-Ansatz und dem physikalisch begründeten Richards-Ansatz
gewählt werden kann. Eine Neuentwicklung stellt das Phänologiemodul dar, mit dem
Entwicklungserscheinungen von Pflanzen betrachtet werden können. Auch die Be-
trachtung einer Speicherbewirtschaftung ist möglich. Eine ausführliche Beschreibung
der Modellansätze erfolgt in Abschnitt 5.2.3.

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Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
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Aufgrund der physikalisch begründeten Prozessbeschreibung und des neu entwickel-
ten Phänologiemoduls zur Abbildung von Vegetationsdynamik wird empfohlen, das
Modell WaSiM-ETH in die Untersuchung mit einzubeziehen. Das Modell wurde be-
reits im Rahmen von KLIWEP (S
CHERZER et al., 2007) eingesetzt.
Die aufgeführten Modelle müssen sowohl für die Berechnung des Ist-Zustandes als auch für
Zukunfts-Szenarien anwendbar sein. Als erster notwendiger Schritt ist daher eine umfas-
sende Testung der Modelle bezüglich ihrer Eignung und Güte vorzunehmen. Eine entspre-
chende Methodik wurde bereits in Abschnitt 4.2 erläutert.
Sowohl aufgrund ihrer Komplexität als auch aufgrund der hohen Anforderungen an die Pa-
rametrisierung, Kalibrierung und Validierung ist ein Onlinebetrieb im Rahmen der Anwen-
dung eines Fachinformationssystems allerdings nicht oder nur mit starken Einschränkungen
möglich. Die Modelle müssen deshalb extern für alle interessierenden Szenarien vorab ge-
rechnet und die Ergebnisse in einer erweiterbaren Datenbank gehalten werden.
Im Ergebnis der Anwendung der oben aufgeführten prozessbezogenen Bodenwasserhaus-
haltsmodelle liegen Zeitreihen der Perkolation vor. Diese müssen mit einem Modell in ver-
schiedene unterirdische Abflusskomponenten aufgeteilt werden. Bei der Aufteilung erfolgt
keine Veränderung der Wasserhaushaltsbilanz mehr. Es wird ausschließlich die Aufteilung
des Sickerwassers auf unterschiedlich schnelle unterirdische Abflusskomponenten berech-
net. Hierfür bietet sich das Modell SLOWCOMP an, für welches das zuvor schon dargestell-
te physikalisch interpretierte, regional anwendbare Parametermodell existiert (vgl. Säule A).
Kopplungen von SLOWCOMP mit ArcEGMO und AKWA-M sind bereits vielfach angewen-
det worden. Die in Abbildung 5
dargestellte Konzeption ist in der Kombination DIFGA, regio-
nales Parametermodell für SLOWCOMP, Bodenwasserhaushalt mit ArcEGMO und/oder
ABIMO für die flächendeckende Berechnung der GWN in Sachsen-Anhalt erfolgreich ange-
wendet worden (P
FÜTZNER & KLÖCKING, 2005). Die dafür notwendige Parametrisierung für
SLOWCOMP wurde an der TU Dresden, Institut für Hydrologie und Meteorologie erstellt.
Das dargestellte Konzept ist sowohl für Festgesteinsbereiche als auch für Lockergestein
anwendbar. Für den Lockergesteinsbereich ist allerdings die Datenlage für die Anwendung
von DIFGA und damit für die Parametrisierung von SLOWCOMP deutlich schlechter. Hierbei
muss gegebenenfalls auf Einzugsgebiete in benachbarten Bundesländern (speziell Bran-
denburg) zugegriffen werden, um ausreichende Grundlagen für die Parametrisierung zu
erlangen.
Bei grundwasserfernen Standorten im Lockergesteinsbereich muss ggf. ein zusätzliches
Modul für die Berechnung des Wasserflusses in einer ungesättigten Transferzone verwen-
det werden, um die potentielle Grundwasserneubildung von der Ebene der Perkolation aus
der durchwurzelten Zone in die Grundwasser-Ebene zu transferieren. Hierfür existieren di-
verse Ansätze, die von konzeptionellen Modellen (z.B. BOWAM) bis zu physikalisch be-
gründeten Ansätzen (z.B. HYDRUS) reichen.
Als Ergebnis der Säule B entstehen Vorabberechnungen der geforderten Teilgrößen des
Wasserhaushaltes, wobei Säule A und B des Fachkonzeptes interagieren und sich ergän-
zen. Im Gegensatz zu Säule A können in Säule B neben dem Ist-Zustand auch Wasser-
haushaltsberechungen für vorzugebende Prognoseszenarien, sowie unbeobachtete Ein-
zugsgebiete durchgeführt werden. Aus Säule A wird ein physikalisch begründetes Parame-
termodell für das Grundwassermodul SLOWCOMP bereitgestellt. Außerdem können die in
Säule B flächendetailliert berechneten Wasserhaushaltsgrößen zu Gebietswerten für Pegel-
einzugsgebiete aggregiert und mit den Ergebnissen aus Säule A validiert werden.
Gemäß vorliegender Erfahrungen in weiteren deutschen Bundesländern mit ähnlichen hyd-
rogeologischen Verhältnissen lässt die Anwendung der Modelle AKWA-M, ArcEGMO, J2000
und WaSiM-ETH belastbare Ergebnisse zum Grundwasserhaushalt von Sachsen erwarten.

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Ohne einem umfassenden Modellvergleich vorweggreifen zu wollen, wurden diese vier Mo-
delle im Rahmen der Erarbeitung der Konzeption einer ersten intensiven Testung in einem
Pilotgebiet unterzogen.
5.2.3 Modellbeschreibungen zu AKWA-M, ArcEGMO, J2000 und WaSiM-ETH
Die folgenden Kapitel enthalten die wertfreien Beschreibungen der in den jeweiligen Model-
len zur Verfügung stehenden Ansätze. Konkrete Vergleiche und Bewertungen der Einflüsse
können aus Zeitgründen erst in der Gesamtstudie erfolgen.
Aus Übersichtsgründen wurde auf eine Erklärung der verwendeten Parameter in den fol-
genden Abschnitten verzichtet. Sie können dem Symbolverzeichnis entnommen werden.
5.2.3.1
Überblick zu den Modellansätzen und zur Raum- und
Zeitdiskretisierung
AKWA-M
Das Wasserhaushaltsmodell AKWA-M (M
ÜNCH 2007) simuliert Hochwasserabflüsse und
den Wasserhaushalt von Einzugsgebieten unter Nutzung physikalischer und konzeptioneller
Modellansätze.
Es erfolgt eine horizontale Untergliederung des zu modellierenden Einzugsgebietes in
Hydrotope (Teilflächen), welche zusätzlich vertikal gegliedert werden. Die horizontale Unter-
gliederung beinhaltet eine flächendifferenzierte Betrachtung des Gebietes, wobei Wechsel-
wirkungen zwischen den horizontalen Einheiten i.d.R. nicht erfasst werden.
In der vertikalen Untergliederung können Prozesse wie die Interzeption, Transpiration, Bo-
denverdunstung, Perkolation, Markoporenversickerung usw. in AKWA-M über verschiedene
Verfahren berechnet sowie ein- und ausgeschaltet werden. Damit wird eine nutzerorientierte
Anwendung ermöglicht.
Die Abbildung 15 gibt einen Überblick über den Aufbau des Programms.
Abbildung 15: Modularer Aufbau AKWA-M (aus MÜNCH, 2007)

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ArcEGMO
Das Modellsystem ArcEGMO kann sowohl als Wasserhaushalts- als auch als Nieder-
schlags-Abfluss-Modell betrieben werden. In Abhängigkeit der Aufgabenstellung und ver-
fügbarer Datenbasis kann mit unterschiedlich detaillierten Teilmodellen in verschiedenen
Raum- und Zeitdiskretisierungen gearbeitet werden.
Das Konzept ist weitgehend modular und offen angelegt, so dass Komponenten des Sys-
tems zur Anbindung anderer Modelle an die GIS-Daten genutzt werden können (P
FÜTZNER
2002).
PSCN (Plant-Soil-Carbon-Nitrogen Model) ist ein Abflussbildungsmodul im Rahmen der
hydrologischen Toolbox ArcEGMO. Es entstand durch die Kopplung komplexer Wachs-
tumsmodelle für Wald und landwirtschaftliche Kulturen mit einem detaillierten Bodenmodell
und simuliert neben der Wasserdynamik im System Vegetation-Boden auch den Boden-
wärmehaushalt, den Kohlenstoff- und Stickstoffhaushalt sowie die Biomasse und Ertrags-
entwicklung (K
LÖCKING & SUCKOW, 2006).
Abbildung 16
gibt einen schematischen Überblick über die Modellkomponenten und deren
Zusammenwirken.
Abbildung 16: Modularer Aufbau ArcEGMO (aus KLÖCKING & SUCKOW, 2006)

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J2000
Das hydrologische Modell J2000 basiert auf der Unterteilung des Einzugsgebietes in hydro-
logisch homogene Einheiten. Die Berechnung der Wasserhaushaltskomponenten ist weit-
gehend physikalisch begründet.
Die Prozesse der Abflussbildung, Abflusskonzentration und der Durchflussverlauf werden
modular bestimmt. Im Vordergrund steht die flächendifferenzierte Modellierung der Abfluss-
bildung und der daran beteiligten Prozesse.
Das Modell J2000 wurde in erster Linie für Einzugsgebiete >1000 km² entwickelt. Durch die
Einführung der hydrologisch homogenen Einheiten können aber auch Einzugsgebiete gerin-
gerer Größe modelliert werden. Durch eine entsprechende Disaggregierung kann der
Raumbezug gewahrt werden.
Abbildung 17 zeigt den modularen Aufbau des Modells J2000.
Abbildung 17: Modularer Aufbau J2000 (aus KRAUSE, 2001)

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WaSiM-ETH
Das Wasserhaushalts-Simulations-Modell WaSiM-ETH bietet durch seinen modularen Auf-
bau die Möglichkeit je nach Aufgabenstellung maßgebende Prozesse und Zusammenhänge
zu berücksichtigen. Weiterhin kann innerhalb der Module zwischen mehreren Berech-
nungsmethoden gewählt werden.
Die Besonderheit von WaSiM-ETH liegt im Bodenmodell, wobei zwischen dem konzeptionel-
len T
OPMODEL-Ansatz und dem physikalisch begründeten RICHARDS-Ansatz gewählt werden
kann. Eine Neuentwicklung stellt das Phänologiemodul (KLIWEP 2007) dar, mit dem Ent-
wicklungserscheinungen von Pflanzen betrachtet werden können.
Abbildung 18 zeigt den grundlegenden Aufbau von WaSiM-ETH aus dem Jahre 1997.
Abbildung 18: Modularer Aufbau WaSiM-ETH (aus SCHULLA & JASPER, 2006)

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Räumliche Diskretisierung
AKWA-M
Das Modell AKWA-M ist hydrotopbasiert und kann Flächen unterschiedlichster räumlicher
Auflösung und Größe berechnen. Teilflächen (Hydrotope) mit gleichen Informationen kön-
nen dabei mit oder ohne Lagebezug zusammengefasst werden. Als kleinste Berechnungs-
einheit wäre die Ausweisung von einzelnen Rasterzellen als Hydrotop denkbar. Die Simula-
tion und Ausgabe der Ergebnisse kann sowohl für Teilflächen, Teilgebiete (mehrere Teilflä-
chen mit Auslasspegel) und auch Bilanzgebiete (mehrere Teilgebiete mit Gebietsauslass)
erfolgen.
ArcEGMO
Die räumliche Diskretisierung beruht auf der Verschneidung aller Flächeninformationen zu
sogenannten Elementarflächen. Diese können anschließend durch entsprechende Attribut-
zuweisung räumlich aggregiert werden. Dabei werden folgende Raumeinheiten unterstützt:
Hydrotop, Hydrotopklasse, Teileinzugsgebiet, Gesamtgebiet, Zwischengebiet, Gewässerab-
schnitt, Abflusskaskade, Kaskadensegment. Die Berechnung innerhalb der einzelnen Teil-
module kann dabei mit unterschiedlichen Raumbezügen erfolgen, wobei den nachfolgenden
Prozessebenen kein höher aufgelöster Raumbezug zugeordnet werden kann. Dabei wird
zwischen lateralen und vertikalen Prozessen getrennt.
J2000
Das Programm J2000 unterstützt sowohl eine rasterbasierte als auch teileinzugsgebietsba-
sierte Abbildung von Flächen. Am Ende steht in jedem Fall die Ausweisung von hydrolo-
gisch homogenen Einheiten (HRU) zur Bestimmung der Abflussbildung. Diese werden durch
Disaggregierung in diskrete Teilflächen untergliedert und dienen der Regionalisierung punk-
tueller Eingangsdaten. Die HRUs werden weiterhin zu Teileinzugsgebieten disaggregiert,
um die Abflusskonzentration im Einzugsebiet zu bestimmen.
WaSiM-ETH
WaSiM-ETH ist ein rasterbasiertes Wasserhaushaltsmodell. Die Größe des Rasters ist ab-
hängig von der Datensituation und kann beliebig gewählt werden.
Zeitliche Diskretisierung
AKWA-M
Bezüglich der zeitlichen Auflösung kann das Modell für eine Betrachtung des Wasserhaus-
haltes lediglich in Tagesschrittweite angewendet werden. Limitierend wirkt sich hierbei die
tageweise Betrachtung der Verdunstungsprozesse aus. Die Ausgabegrößen werden in Da-
tenschrittweite, als auch für längere Zeiträume (Monate, Halbjahre, Jahre) angegeben.
ArcEGMO
Die zeitliche Diskretisierung wird generell durch die Auflösung der meteorologischen Ein-
gangsdaten bestimmt. Es ist eine Berechnung auf Basis von Minuten-, Stunden- und Ta-
geswerten möglich. Eine modellinterne Disaggregierung der Daten ist nicht vorgesehen. Die
Rechnung innerhalb einzelner Teilmodelle kann mit unterschiedlicher Auflösung erfolgen.
Für die Bildung der Abflusskonzentration kann beispielsweise ein separater Rechenzeit-
schritt angegeben werden. Die zeitliche Diskretisierung kann dort bis auf Sekunden verfei-

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nert werden. Für die Phänologieansätze erfolgt die Berechnung generell in täglicher Auflö-
sung.
J2000
Die zeitliche Auflösung der Eingangsdaten ist auf Tageswerte beschränkt.
WaSiM-ETH
Die zeitliche Diskretisierung des Modells WaSiM-ETH wird durch die meteorologischen Ein-
gangsdaten bestimmt. Die Basisintervalllänge für die Modellierung beträgt eine Minute. Im
Bodenmodell mit dem R
ICHARDS-Ansatz kann das Modell auf eine kleinere variable Diskreti-
sierung (Zeitschrittsteuerung) zurückgreifen. Stunden- und tageswertbasierte Berechnungen
sind mit WaSiM-ETH möglich.
5.2.3.2 Meteorologische Eingangsdaten
Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die benötigten Eingangsgrößen in den jewei-
ligen Modellen, sowie deren Möglichkeit zur Korrektur und Interpolation.
Diese Daten können sowohl für Berechnungen im Status quo als auch zur Berechnung der
Auswirkungen auf den Wasserhaushalt infolge des Klimawandels herangezogen werden.
Tabelle 4: Überblick zu den meteorologischen Eingangsgrößen
AKWA-M ArcEGMO J2000 WaSiM-ETH
Klimagrößen
Niederschlag
Temperatur
Windgeschwin-
digkeit
Sonnenschein-
dauer o. Global-
strahlung
relative Luft-
feuchte
Niederschlag
Temperatur
Windstärke o.
Windgeschwin-
digkeit
Sonnenschein-
dauer o. Global-
strahlung
Dampfdruck o.
relative Luft-
feuchte
Niederschlag
Maximumtem-
peratur
mittlere Luft-
temperatur
Minimumtempe-
ratur
Windgeschwin-
digkeit
Sonnenschein-
dauer
absolute Luft-
feuchte
relative Luft-
feuchte
gemessener
Durchfluss
Niederschlag
Temperatur
Windgeschwin-
digkeit
Globalstrahlung
Sonnenschein-
dauer
Dampfdruck
oder relative
Luftfeuchtigkeit
Korrektur
Niederschlag
Richter
Nebelnieder-
schlag
Windgeschwin-
digkeit nach
Wendling
Niederschlag
Richter
Regressions-
analyse
Niederschlag
Richter
Wind Sevruk
Wind Richter
Niederschlag
Strahlung topo-
graphiebedingt
Temperatur
Interpolation
höhenabhängig
räumlich
höhenabhängig
Quadrantenver-
fahren, räumlich
höhenabhängig
räumlich
höhenabhängig
räumlich

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5.2.3.3 Verdunstung
AKWA-M
Die Berechnung der Verdunstung ist ein wesentlicher Aspekt für die zukünftige Betrachtung
der Grundwasserneubildung in Zusammenhang mit dem Klimawandel und Landnutzungs-
änderungen. Zur Berechnung der potentiellen Evapotranspiration werden in Abhängigkeit
von niedriger und höherer Vegetation sieben verschiedene Ansätze angeboten:
1. T
URC/IVANOV
Der Turc-Ansatz wurde insbesondere in Frankreich und Nordafrika entwickelt und einge-
setzt, hat sich aber unter Verwendung von Korrekturfaktoren und durch die Ergänzung durch
den Ivanov-Ansatz für Temperaturen kleiner 5°C auch in Deutschland als praktikabel erwie-
sen.
15
0,0031 (
209,4)
+
=
⋅⋅
+
T
T
ETP
k
c
R
G
Turc Turc
für
T
5
°
C
0,00006 (
25)
2
(100
F
)
ETP
Ivanov
=
wen
T
+
für
T
<
5
°
C
2. P
ENMAN
Diese aus einem Energie- und einem aerodynamischen Term zusammengesetzte Kombina-
tionsgleichung beschreibt die Verdunstung einer stets feuchten Grasfläche.
ETP
=
(
R
G
) /
L
+ γ ⋅
f
(
e
Sat
e
)) /(Δ
+ γ
)
N
W
3. H
AMON:
Die Hamon-Formel ist ein einfacher Ansatz, der nur mit der Lufttemperatur auskommt. Als
Maß für die Dauer der Austauschprozesse dient die maximal mögliche Sonnenscheindauer,
hier verwendet als Verhältnis zum Wert bei Tag- und Nachtgleiche (12 h/d). An Tagen mit
hohen Windgeschwindigkeiten berechnet die Formel zu geringe Verdunstungswerte. Über
monatliche Faktoren kann sie auf regionale Verhältnisse angepasst werden. Die Formel wird
z.B. im Wasserhaushaltmodell BROOK (FEDERER & LASH 1983) eingesetzt.
T
e
ETP
k
S
Sat
Hamon
+
=
273,15
216,7
0,1651
max
/12
4. H
AUDE
Die Haude-Formel ist speziell für landwirtschaftliche Flächen entwickelt worden und geht
von den Sättigungsbedingungen in der bodennahen Luftschicht zum Zeitpunkt des größten
Energieangebotes aus. Daher sind Lufttemperatur und relative Luftfeuchte von 14 Uhr zu
verwenden.
ETP
k
(
e
Sat
,14
e
14
)
=
Haude

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5. WENDLING
Die W
ENDLING-Formel nimmt im PENMAN-Ansatz einige Vereinfachungen vor, um den Re-
chenaufwand zu senken (WENDLING 1991). So wird die Strahlungsbilanz pauschal mit
60 % der Globalstrahlung angesetzt, was nicht immer zu befriedigenden Ergebnissen führt.
AKWA-M® verwendet deshalb diesen Wert als variablen Eingabeparameter
gs
.
ETP
=
(
gs
R
/
L
)
+ γ ⋅
f
(
e
Sat
e
)
S
max
/12) /(Δ
+ γ
)
G
W
6. T
URC/WENDLING
Aus der Vereinfachung der Wendling-Formel wird eine modifizierte Turc-Formel erhalten.
Diese Turc-Wendling-Formel ist vor allem dann praktikabel, wenn keine Daten zur Windge-
schwindigkeit vorliegen.
(150
) (
123)
(
22)
(
93
)
+
+
+
=
+
k
T
T
ETP
R
k
d
G
TW
7.
PENMAN-MONTEITH
Monteith führt in die Penman-Gleichung an Stelle der Windfunktion den aerodynamischen
und den stomatären Widerstand ein, um den Übergang von Wasserdampf aus der Pflanze
in die Atmosphäre zu beschreiben.
ETP
R
G
c
e
e r
t
r r
a
L
=
(
Δ ⋅
(
N
)
+ ρ ⋅
P
(
Sat
)/
a
⋅ Δ
)/(Δ
+ γ ⋅
(1
+
s
/ )) /
Die reale Verdunstung wird dann mit Hilfe der Transpiration berechnet. Die Transpiration
kann separat für niedrige und höhere Vegetation berechnet werden. Es wird in AKWA-M
zunächst eine potentielle Transpiration TP errechnet. Bei ausreichender Bodenfeuchte ist
die tatsächliche Transpiration gleich der potentiellen (TR=TP), bei Trockenstress wird
TR<TP. Dafür stehen die folgenden zwei Ansätze zur Verfügung:
1. Restenergie: Die potentielle Transpiration ergibt sich aus der Restenergie ETP-EI.
TR
=
TP
f
(
SB
)
f
(
T
)
2. Penman-Monteith: Die potentielle Transpiration berechnet sich nach Penman-Monteith.
Der Stomatawiderstand rs wird über die Stomataleitfähigkeit gmax nach Lohammer ermittelt:
rs
=
1/(
LAI
G
/(
G
+
loh
1)
g
max/(1
+
(
e
S
e
) /
loh
2)
Zusätzlich kann in AKWA-M die eingeschränkte Transpiration bei niedrigen Temperaturen
über eine Funktion berücksichtigt werden.
Des Weiteren kann die Transpiration bei Trockenstress über drei verschiedene Ansätze re-
duziert werden. Die Reduktion erfolgt in Abhängigkeit der Unterschreitung eines Boden-
feuchtegrenzwertes:
linear ab 60% von NFK (nach KOITZSCH/GOLF)
linear ab bodenartspezifischem Grenzwert
nach der nichtlinearen DISSE-Funktion

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ArcEGMO
Die potentielle Verdunstung wird im ArcEGMO nach folgenden Verfahren berechnet:
1. H
AUDE
Für die Berechnung der potentiellen Verdunstung nach Haude müssen Dampfdruck und
Sättigungsdampfdruck als Terminwerte einer Messung um 14Uhr vorliegen. Über den Faktor
f
Haude
erfolgt eine jahreszeitliche Korrektur:
ETP f
()
e
S
e
=
Haude
2.
TURC/IVANOV
Die Berechnung der potentiellen Verdunstung nach TURC wird für Temperaturen kleiner
5°C um ein Korrekturglied zur Berücksichtigung der Luftfeuchte erweitert:
()
()( )
+
⇔<°
⇔≥°
+
+
=
T
rH
T
C
T
C
T
T
aR
b
ETP
G
0.000036 25
100
5
5
2
15
Zur Korrektur der Werte stehen programmintern monatsabhängige Faktoren nach Glugla,
1989 und Koitsch, 1990 zur Verfügung.
3.
PENMAN
Für die Berechnung der potentiellen Verdunstung nach P
ENMAN kann die physikalisch de-
terminierte Kombinationsformel entsprechend dem DVWK Merkblatt 238 genutzt werden:
ETP
R
1
*
()
e
S
e
*
f
(
u
)
p
N
p
Δ +
Δ
+−
Δ +
Δ
=
γ
γ
Die reale Verdunstung wird auf Basis der potentiellen Verdunstung berechnet und ergibt
sich als Summe der Interzeptionsverdunstung, der Sublimation der Schneedecke, der Ver-
dunstung des Oberflächenwassers und des unbedeckten Bodens sowie der Transpiration
der Vegetation.
Die einzelnen Verdunstungsanteile sind Bestandteil der jeweiligen Teilmodelle (Interzepti-
onsmodell, Schneemodell, Vegetationsmodell, Bodenfeuchtemodell) und werden innerhalb
dieser berechnet (Klöcking & Suckow, 2006).
J2000
Die potentielle Verdunstung im J2000 wird nach dem Ansatz von P
ENMAN-MONTEITH be-
rechnet. Pro Tag werden zwei Verdunstungswerte berechnet. Ein Tages- und ein Nachtwert.
()
(
)
24
1
1
S
0
r
r
s
r
e
e
s
R
G
c
L
ETP
a
s
d
a
s
d
d
N
d
p
d
d
d
d
d
+⋅+
+⋅
=
γ
ρ

image
Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 64 -
()
(
)
⋅−
+⋅
+
+⋅
=
24
1
1
1
S
0
r
r
s
r
e
e
s
R
G
c
L
ETP
a
s
n
a
s
n
n
Nn
n
p
n
n
n
n
γ
ρ
Dieses Vorgehen berücksichtigt die unterschiedliche Strahlungsbilanz zwischen Tag und
Nacht, sowie das Verdunstungsverhalten der Vegetation. Die Gesamtverdunstung ergibt
sich aus der Summe beider Teilverdunstungen.
Die reale Evapotranspiration wird über eine Reduktion der potentiellen Verdunstung durch
Verluste bei der Interzeption, der Infiltration und aus dem Bodenspeicher berechnet.
WaSiM-ETH
Das Modellsystem WaSiM-ETH bietet die Auswahl zwischen drei Ansätzen zur Bestimmung
der potentiellen Verdunstung.
1.
PENMAN-MONTEITH
Die Berechnung der potentiellen Verdunstung nach Penman-Monteith wird durch die folgen-
de Gleichung beschrieben:
() ()
s
a
p
s
i
a
p
N
p
rr
e
et
r
c
R
G
E
1
/
3.6
++
Δ
−⋅
+
Δ
=
γ
γ
ρ
γ
λ
Der Ansatz liefert die genauesten Ergebnisse zur potentiellen Verdunstung und wird emp-
fohlen (S
CHULLER & JASPER, 2006).
2.
WENDLING (1975)
Die Berechnung der potentiellen Verdunstung nach Wendling erfolgt durch:
()
()
150
()
123
22
1.1
93
+
+
=
+
T
T
ETP
R
f
k
G
α
Dieser Ansatz kann nur verwendet werden, wenn im Tagesschritt modelliert wird.
3.
HAMON
Der Berechnungsansatz nach Hamon verwendet zur Berechnung der potentiellen Verduns-
tung monatliche Korrekturwerte, die der Literatur entnommen werden müssen (S
CHULLER &
JASPER, 2006).
Die Berechnung erfolgt wie folgt:
273.3
216.7
0.1651
/12
+
=
⋅⋅
T
e
ETP
f h
s
i
d
Die Berechnung der realen Evapotranspiration erfolgt im WaSiM-ETH durch die Reduktion
der potentiellen Verdunstung nach zwei grundlegend unterschiedlichen Ansätzen.

image
Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 65 -
Reale Verdunstung mit TOPMODEL-Ansatz
Die Berechnung der realen Verdunstung wird im T
OPMODEL-Ansatz durch eine bodenfeuch-
teabhängige Reduktion der potentiellen Evapotranspiration vorgenommen. Fällt der Füll-
stand des Bodenspeichers unter einen spezifischen Anteil η des Maximalwertes, wird die
potentielle Verdunstung zur aktuellen Verdunstung reduziert.
(
)
ETR
ETP
ETR
ETP SB
SB
=
=
/η⋅
max
max
max
SB
SB
SB
SB
≥⋅
<⋅
η
η
Reale Verdunstung mit R
ICHARDS-Ansatz
Die Berechnung der realen Verdunstung im R
ICHARDS-Ansatz erfolgt durch die Reduktion
der potentiellen Verdunstung in Abhängigkeit von der Saugspannung des Bodens. Es kann
sowohl der reduzierende Einfluss durch zu hohe als auch durch zu niedrige Bodenfeuchte
betrachtet werden.
()
() ()
i i
()
sat
()
i
()
sat sat
i
i
i
i
i
wp
wp
i
ETR
ETP
ETR
ETP
ETR
ETP
ETR
g
=
⋅Θ −Θ
Θ − ⋅Θ
=
=
⋅Θ
−Θ
Θ
−Θ
=
ψ
η
ψ
ψ
/
/
0
()
()
sat
()
sat
sat
wp
wp
g
g
⋅Θ <Θ <Θ
Θ ≤ ⋅Θ
Θ
≤Θ
≤Θ
Θ
η
ψ
η
ψ
ψ
ψ
ψ
5.2.3.4 Interzeption
AKWA-M
Die Betrachtung der Interzeption und der daraus resultierenden Interzeptionsverdunstung
erfolgt ebenfalls getrennt für niederwüchsige und höherwüchsige Vegetation. Dabei kann für
beide Vegetationsvarianten ein einfacher Interzeptionsspeicher angenommen werden. Die
Größe des ausschöpfbaren Speichers kann über die Vegetationsentwicklung bestimmt wer-
den.
SI
akt
=
LAI
SI
spez
Die Berechnung der Interzeption für niederwüchsige Vegetation kann zusätzlich über den
Ansatz nach Hoyningen-Huene (1983) erfolgen. Die Größe des interzipierten Niederschla-
ges
RI
und die maximale Speicherkapazität
SIMAX
werden über die Größe des Blattflä-
chenindex
LAI
für niederwüchsige Vegetation bestimmt:
2
,0109
2
RI
= −0,42 +
0,245
P
+
0,2
LAI
0,0111⋅
P
+
0,0271⋅
P
LAI
0
LAI
,00575
2
SIMAX
=
0,935
+
0,498
LAI
0
LAI
Zusätzlich kann die Streuverdunstung für Wald berücksichtigt werden. Dafür ist ein über das
Jahr konstanter Streuspeicher je Waldteilfläche anzugeben.

image
Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 66 -
ArcEGMO
Die Interzeption wird mit Hilfe eines abflusslosen Speichers mit Überlauf beschrieben. Die
Ansätze zur Ermittlung der Kapazität des Interzeptionsspeichers variieren in Abhängigkeit
der Landnutzung. Neben einer statischen Parametrisierung kann für landwirtschaftliche Flä-
chen eine Berechnung in Abhängigkeit des Blattflächenindex nach H
OYNINGEN-HUENE
(1983) erfolgen.
Für Forstflächen kann die Interzeptionsspeicherkapazität außerdem aus der baumartspezifi-
schen Interzeptionskapazität, dem Blattflächenindex, und weiteren Bestandeseigenschaften
durch das externe Forstmodell berechnet werden (G
ROTE ET. AL., 1999).
J2000
Der maximale Interzeptionsspeicher wird in Abhängigkeit der Speicherkapazität pro m² Blatt-
fläche (niederschlagsabhängig) und dem Blattflächenindex der betreffenden Landnutzungs-
klasse berechnet.
WaSiM-ETH
Die maximale Interzeptionskapazität wird in WaSiM-ETH in Abhängigkeit von Vegetations-
bedeckungsgrad, Blattflächenindex und maximaler Schichtdicke des Wassers auf der be-
netzten Oberfläche bestimmt:
SI
max
=
v
LAI
h
SI
+
()
1−
v
h
SI
5.2.3.5 Schneemodul
AKWA-M
Das Schnee- und Eismodul in AKWA-M gliedert sich in 3 Teilbereiche, in denen unterschied-
liche Prozesse wiedergegeben werden:
1. Schneedeckenalterung
Dieses Teilmodul berücksichtigt die Abnahme der Albedo und des Flüssigwasserspeichers
aufgrund der Schneedeckenalterung. Wird das Modul eingeschaltet, reduziert sich die Albe-
do entsprechend einer e-Funktion.
2. Bodenfrostmodell
Das Modul simuliert den verstärkten Oberflächenabfluss auf gefrorenem Boden.
3. Schneeschmelze
Die Berechnung der Schneeschmelze erfolgt entweder über das Tagesgradverfahren:
QSS
=(
T
−)
T
SG
TGF
für
T
>
T
SG
Alternativ kann das Temperatur-Faktor-Verfahren gewählt werden:
QSS
=
(
T
T
SG
)
TGF
+
(0,1
+
S
/
S
max
)
+
SSFAK
⋅(
T
+10)

image
Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 67 -
ArcEGMO
Für die Modellierung der Schneedynamik kann auf zwei Ansätze zurückgegriffen werden. In
beiden Ansätzen wird zwischen Akkumulations- und Schmelzperioden unterschieden. Die
aktuelle Schneebedeckung ergibt sich zu:
S
(
t
) max[]
0,
S
(
t t
)
P
(
t
)
(
ETP
(
t
)
E
I
(
t
))
S
=
S
−Δ+
O
Der empirische Ansatz nach Weise & Wendling (1974) simuliert die Schmelzrate allein in
Abhängigkeit der Lufttemperatur:
S
(
t
) max[]
0,
S
(
t t
)
P
(
t
)
(
ETP
(
t
)
E
I
(
t
))
S
=
S
−Δ+
O
Der Ansatz nach Koitsch & Günther (1990) basiert auf der Energiebilanzgleichung und be-
rechnet neben der Schmelzrate auch Sublimation und Kondensation auf Basis des konvekti-
ven Wärmeübergangs. Wärmezufuhr aus dem Boden, sowie Speicherung des Schmelzwas-
sers in der Restschneedecke werden nicht berücksichtigt (Klöcking & Suckow, 2006).
J2000
Im Programm J2000 stehen zwei Möglichkeiten zur Berechnung der Schneeschmelze zur
Verfügung. Der einfachere Ansatz betrachtet die Prozesse der Schneeakkumulation und
Schneeschmelze analog.
Das komplexere Schneemodul (nach K
NAUF) berücksichtigt die Akkumulationsphase und die
Schneeschmelzphase, aber auch die Zustandsänderung der Schneedecke während ihrer
Lebensdauer. Dabei steht die Dichteänderung durch Schmelz- und Setzungsvorgänge im
Vordergrund (K
RAUSE 2001).
WaSiM-ETH
Das Schneemodul von WaSiM-ETH besteht aus zwei Teilen (S
CHULLER & JASPER, 2006).
Der erste Teil beschreibt die Schneeakkumulation. Mit Hilfe einer Temperaturgrenze wird
festgelegt, ob der Niederschlag als Regen oder Schnee fällt. Weiterhin ist es möglich einen
Übergangsbereich zu definieren, in dem ein Teil des Niederschlags als Schnee und der Rest
als Regen fällt:
trans
R S
trans
Schnee
T
T
T
T
P
+
=
2
/
(
T
R
/
S
T
trans
)
<
T
<
(
T
R
/
S
+
T
trans
)
Der zweite Teil des Schneemoduls dient zur Bestimmung der Schneeschmelze. Es stehen
drei Verfahren zur Verfügung:
1. Temperatur-Index-Verfahren
()
0
0,
24
t
M
c
T
T
m
Δ
=
T
T
,
m
>
0
2. Temperatur-Wind-Index-Verfahren
() ()
1
2
0,
24
t
M
c
cu
TT
m
Δ
=
+
⋅⋅
T
T
,
m
>
0

image
Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 68 -
3. Kombiniertes Verfahren nach Anderson
Dieses Verfahren bietet den Vorteil, das Wiedergefrieren des Schmelzwassers zu berück-
sichtigen:
()
0,
24
t
M
c
RMF T
T
m
neg
rfr
Δ
=
5.2.3.6 Infiltration
AKWA-M
Die Infiltration kann durch unterschiedliche Modellansätze mit einbezogen werden. Zur Aus-
wahl stehen:
1. Alles infiltriert
Mit dieser Einstellung ist die Entstehung HORTONschen Oberflächenabflusses ausgeschal-
tet (
RDhor =
0). Sie bietet sich an bei sehr sandigen Böden, hilft aber auch zur Kalibrierung
der hier benötigten Modellparameter. Diese Option zeigt, wieviel Oberflächenabfluss auf
einer Teilfläche mindestens entsteht. Die sehr hohen Infiltrationsraten führen zu einem Was-
serüberschuss im Boden, dessen Rückstau dann Sättigungsflächenabfluss hervorruft.
2. Variable Abflussfläche
Die abflussbildende Fläche nimmt mit steigender relativer Bodenfeuchte zu.
RDhor
=
PBOD
A
V
Die Bestimmung der Beitragsfläche A
v
(0...100 %) ergibt sich nach FEDERER & LASH (1983)
aus einer Exponentialfunktion, die die relative Füllung des obersten Bodenspeichers berück-
sichtigt (Systemzustand).
e
PAC SB
A
SB
Max
A
V
(
/
)
0,002
=
3. Variable Abflussfläche (erw.)
Dieser Ansatz bindet im Vergleich zum oben erwähnten das Prozessgeschehen des aktuel-
len Zeitschritts stärker ein.
e
PAC
e
PBOD
SD
SB
A
PBOD SB
MaX
A
V
((
/(24
))(
/
))
=
0,002⋅
+
+
4. Infiltrationsmodell SMINF
Das Infiltrationsmodell SMINF nach P
ESCHKE (1977) berechnet die Infiltration, den Zeitpunkt
der Sättigung und den abfließenden Überschuss (
RDhor
), indem Niederschlagsintensität
und hydraulische Leitfähigkeit
kf
der obersten Bodenschicht miteinander verglichen werden.
Zur genauen Beschreibung der Formeln wird auf D
YCK & PESCHKE (1995) verwiesen.
Das Eindringen von Wasser in den Boden über Makroporen kann in AKWA-M über ver-
schiedene Ansätze modelliert werden. Die Umsetzung kann entweder über einen Prozent-
anteil erfolgen. Dabei ist der Makroporenabfluss ein teilflächenspezifischer Anteil, des den

image
Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 69 -
Boden erreichenden Niederschlages (PBOD) oder die Steuerung erfolgt über einen Makro-
poren-kf-Wert. Der gebildete Oberflächenabfluss wird je nach Größe des Makroporen-kf-
Wertes infiltriert.
ArcEGMO
Die Infiltration wird auf Basis des empirischen Ansatzes nach H
OLTAN bei Überschreiten der
Muldenspeicherkapazität für nicht versiegelte Flächenanteile berechnet. Die Infiltrationska-
pazität ist abhängig von der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit des obersten Bodenhori-
zonts sowie dem Bodenfeuchtedefizit:
()
()
(2
()
2
+1)
I t
=
K
S
z
⋅ Δ
t
⋅ ⋅
rBD t
Daneben kann die Infiltration auch mit Hilfe des Makroporenansatzes gesteuert werden.
Dabei wird ein Kurzschluss mit tieferen Schichten erzeugt (P
FÜTZNER, 2002).
J2000
Das Wasser, was aus der Schneeschmelze resultiert, sowie der Nettoniederschlag gelangen
in das Infiltrationsmodul. Die Infiltrationskapazität des Bodens entscheidet darüber, ob das
Wasser vollständig versickert, kurzfristig an der Oberfläche gespeichert wird und von dort
dem Oberflächenabfluss oder dem Muldenspeicher zugeführt wird.
Die Berechnung der Infiltrationskapazität erfolgt vereinfacht. Es wird davon ausgegangen,
dass diese von der Wassersättigung im Boden abhängt und einen Grenzwert (maximale
Infiltrationsrate) nicht übersteigen kann.
WaSiM-ETH
Die Infiltration ist im WaSiM-ETH an das Bodenmodell angebunden. Die Berechnung erfolgt
im Zweistufenmodell nach G
REEN & AMPT. Der Matrixfluss dominiert den Makroporenfluss.
Es wird eine sprungförmige Feuchtefront angenommen. Die erste Stufe beinhaltet die Be-
rechnung der Sättigungszeit.
PI
PI K
PI
ln
t
s
f
s
a
s
/
−1
=
=
ψ
F
l n
t
S
PI
S
=
S
a
=
Bei ausreichender Niederschlagsintensität folgt dann die Bestimmung der kumulativen
Infiltration.
1/ 2
2
2
2
4
=
+
+
AB
+
F
S
A
A
F
(
)
S
a
f
S
S
BF
n
AKtt
=
+
⋅ψ
=
2
Nicht infiltrierender Niederschlag wird über den Oberflächenabfluss abgeführt.

image
Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 70 -
5.2.3.7 Muldenspeicher
AKWA-M
Ein Muldenspeicher ist im Programm AKWA-M nicht direkt integriert.
ArcEGMO
Die Kapazität des Muldenspeichers wird in Abhängigkeit des Geländegefälles direkt para-
metrisiert. Von dort kann es verdunsten oder wird zu späteren Zeitschritten erneut zur
Infiltration angeboten
J2000
Übersteigt bei der Infiltration die Wassermenge die maximale Infiltrationsrate, kommt das
überschüssige Wasser in einen Muldenrückhaltspeicher. Von dort kann es in den Grobpo-
renspeicher gelangen, zu einem späteren Zeitpunkt infiltrieren oder wird dem Oberflächen-
abfluss zugeführt.
WaSiM-ETH
Ein Muldenspeicher wird im Programm WaSiM-ETH nicht explizit betrachtet.
5.2.3.8 Oberflächenabfluss
AKWA-M
In AKWA-M wird sowohl die Bildung von HORTON’schem Oberflächenabfluss (Nieder-
schlagsintensität > Infiltrationsrate), als auch die Oberflächenabflussbildung durch Sättigung
der oberen Bodenschicht (Sättigungsflächenabfluss) berücksichtigt. Beide Abflussarten bil-
den zusammen die schnelle Komponente des Direktabflusses (QD1). Die Menge des gebil-
deten Oberflächenabflusses wird über den gewählten Infiltrationsansatz berechnet.
Die Konzentration des Oberflächenabflusses kann entweder durch einen Einzellinearspei-
cher ohne Translation oder durch eine geomorphologische Impulsantwort einbezogen wer-
den.
ArcEGMO
Der Oberflächenabfluss ergibt sich als Überlauf des Muldenspeichers nach Überschreiten
der Inflitrationskapazität.
Für die Konzentration des Oberflächenabflusses stehen zwei Ansätze zur Verfügung:
1. Ein einfacher Berechnungsansatz geht davon aus, dass die Konzentrationszeit kleiner als
der Berechnungszeitschritt ist und der Oberflächenabfluss im zugeordneten Vorfluter voll-
ständig abflusswirksam wird.
2. Alternativ kann die Konzentrationszeit auf Basis der MANNING-STRICKLER-Gleichung
berechnet werden (P
FÜTZNER, 2002):
()
()
()
0.4
0.3
0.6
Rt
S
nL
Tt
O
F
c
=

image
Fachkonzept Grundwasserhaushalt Sachsen
Bericht März 2008
- 71 -
J2000
Der Oberflächenabfluss wird über den Muldenrückhalt bzw. den Infiltrationsspeicher berech-
net.
WaSiM-ETH
Der Oberflächenabfluss wird im Programm WaSiM-ETH aus den Teilmodellen Schneeak-
kumulation/-schmelze, Infiltration und Boden gebildet.
5.2.3.9 Hypodermischer Abfluss
AKWA-M
Diese Abflussform tritt nur bei den Modellansätzen im Bodenmodell „einzelner Grenzwert-
speicher (2)“ und „geschichteter Grenzwertspeicher“ auf.
Ist in einer darunterliegenden Bodenschicht nicht genügend „Platz“ zur Aufnahme des versi-
ckernden Wassers (QB) oder ist der kf-Wert deutlich geringer, kann aus dem verbleibenden
Rest in der oberen Schicht potentiell hypodermischer Abfluss entstehen.
Re
st
RDhyp
=
QB c
In der untersten Schicht kann die Bedingung für die Entstehung hypodermischen Abflusses
nicht mehr angewendet werden. Hier erfolgt eine separate Betrachtung mit dem Modul „hy-
podermischer Abfluss unter dem Boden“, bei dem der Bodenausfluss anhand der hydrauli-
schen Bedingungen des geologischen Untergrundes gewertet wird. Dabei kann die hypo-
dermische Abflusskomponente
RDhys
entstehen. Ist das Modul ausgeschaltet, berechnet
sich die Versickerung
RV
aus dem Ausfluss des untersten Speichers („alles in Basisspei-
cher“).
Nach dem Modul „Basisspeicher-gesteuert“ errechnet sich RDhys wie folgt:
( /100 ( ))
b
RDhys
=
b BHYS
kf
⋅ −
QMAT QMAK
+
QMAT
+>
QMAK kf
Wert
()
Basisspeicher
Die Konzentration des hypodermischen Abflusses kann analog wie für den Oberflächenab-
fluss über einen Einzellinearspeicher ohne Translation oder die geomorphologische Impuls-