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Sächsisches Staatsministerium für Umwelt und Landwirtschaft
vertreten durch das
Sächsische Landesamt für Umwelt und Geologie
Abschlussbericht
zum
Forschungs- und Entwicklungsvorhaben Nr. 13-8802.3529/38
KliWEP – Abschätzung der Auswirkungen
der für Sachsen prognostizierten Klimaveränderungen
auf den Wasser- und Stoffhaushalt
im Einzugsgebiet der Parthe
Teil 2:
Weiterentwicklung von WaSiM-ETH
sowie Durchführung von Testsimulationen
Jörg Scherzer, Hannaleena Pöhler, Karsten Jasper, Dietrich Sames
Durchführende Institutionen:
UDATA
Umweltschutz und Datenanalyse
Boden- und Grundwasserschutz - Simulationsmodelle - Messwertverwaltung
UDATA, Inh.: Dr. Jörg Scherzer
Maconring 98a, 67434 Neustadt/Wstr.
Buchstr. 27, 09599 Freiberg
Tel.: 06321 / 354379 Fax: 06321 / 921541 info@udata.de
www.udata.de
IBGW
®
LEIPZIG
INGENIEURBÜRO für GRUNDWASSER GmbH
_____________________________________________________________________________
04229 Leipzig, Nonnenstraße 9
Dr. Karsten Jasper, Postweg 11, CH 8143 Stallikon
Projektleiter Dr. Jörg Scherzer
08. Dezember 2006

Seite 2
KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
Berichtskennblatt
1. Zwischen- bzw. Abschlussberichts-Nr.:
Abschlussbericht KliWEP Teil 2
2. Berichtszeitraum
Juli 2005-November 2006
3. Titel des Berichts
KliWEP – Abschätzung der Auswirkungen der für Sachsen prognostizierten Klimaveränderungen auf den Was-
ser- und Stoffhaushalt im Einzugsgebiet der Parthe - Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durch-
führung von Testsimulationen
4. Autoren
5. Abschlussdatum
Dr. Jörg Scherzer
30.11.2006
Dr. Hannaleena Pöhler
Dr. Karsten Jasper
Dr. Dietrich Sames
6. Durchführende Institution(en), Projektleiter
7. Aktenzeichen
UDATA, Inh.: Dr. Jörg Scherzer (federführend)
13-8802.3529/38
Maconring 98a, 67434 Neustadt/Wstr.
Buchstr. 27, 09599 Freiberg
Tel.: 06321/35 43 79 Fax: 06321/92 15 41
info@udata.de
www.udata.de
Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH (Unterauftragnehmer)
Nonnenstraße 9, 04229 Leipzig
Dr. Karsten Jasper (Unterauftragnehmer)
Postweg 11, CH 8143 Stallikon
Projektleiter: Dr. Jörg Scherzer
8. Fördernde Institution(en)
9. Gesamtlaufzeit
Sächsisches Staatsministerium für Umwelt und Landwirtschaft
25.07.2005-30.11.2006
Vertreten durch das
Sächsische Landesamt für Umwelt und Geologie
10. Zusätzliche Angaben, Sonstiges
11. Seitenzahl
151
12. Tabellen (Anzahl)
26
13. Abbildungen (Anzahl)
76
14. Anlagen (Anzahl)
1
15. Kurzfassung:
Das Wasserhaushaltsmodell für Flusseinzugsgebiete WaSiM-ETH wurde um prozessorientierte Komponenten
und ein online-Kopplungsmodul zu einem externen Grundwassermodell (hier: PCGEOFIM
®
) erweitert. Die neue
Modellversion ermöglicht eine verbesserte Berücksichtigung komplexer Vegetationsstrukturen (z. B. Oberbe-
stand, Strauch- und Krautschicht in Wäldern) und differenzierter Bodeneigenschaften. Das erweiterte Modell
wurde zunächst auf Grundlage bodenhydrologischer Messdaten von Monitoringstandorten des Staatsbetriebes
Sachsenforst, der Staatlichen Umweltbetriebsgesellschaft und der Landesanstalt für Landwirtschaft getestet. Die
Teststandorte repräsentieren ein weites Spektrum an Bodeneigenschaften, Klimabedingungen und Landnutzun-
gen. Die Funktion des neuen Kopplungsmoduls wurde durch eine Online-Kopplung mit dem Grundwassermo-
dell PCGEOFIM
®
auf Tagesschrittweite am Beispiel des Einzugsgebietes des Schnellbachs, einem Parthezufluss
südlich von Leipzig, getestet. Die Testsimulationen für das Schnellbachgebiet wurden für den Zeitraum 1980–
2004 durchgeführt und die Simulationsergebnisse sowohl insgesamt als auch für die einzelnen Modellkomparti-
mente (Vegetation, Boden, Grundwasser, Abfluss) ausgewertet.
16. Schlagwörter, Deskriptoren
Simulationsmodell, WaSiM-ETH, Modellentwicklung, Schnellbach, Parthe, Wasserhaushalt, Testsimulationen,
Einzugsgebiet, Modellkopplung, PCGEOFIM
®
, Geofim, Vegetationsstrukturen, differnzierte Bodeneigenschaf-
ten
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KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
Seite 3
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis.................................................................................................................................3
Tabellenverzeichnis..............................................................................................................................5
Abbildungsverzeichnis.........................................................................................................................6
Anlagenverzeichnis............................................................................................................................10
Abkürzungsverzeichnis......................................................................................................................11
1
Aufgabenstellung................................................................................................................................14
2
Datengrundlage..................................................................................................................................16
2.1
Datenübergabe.........................................................................................................................16
2.2
Datenprüfung...........................................................................................................................17
3
Modellbeschreibungen .......................................................................................................................19
3.1
WaSiM-ETH............................................................................................................................19
3.1.1
Übersicht..................................................................................................................................19
3.1.2
Modellstruktur.........................................................................................................................20
3.1.3
Modellumgebung.....................................................................................................................21
3.1.4
Modellkomponenten................................................................................................................22
3.1.5
Güte der Modellierung.............................................................................................................23
3.2
PCGEOFIM
®
...........................................................................................................................24
3.2.1
Physikalische Grundlagen........................................................................................................24
3.2.2
Die numerische Lösung der Strömungsgleichung ...................................................................27
3.2.3
Programmsystem PCGEOFIM
®
..............................................................................................29
4
Weiterentwicklung von WaSiM-ETH................................................................................................31
4.1
Modellkopplung WaSiM-ETH mit PCGEOFIM
®
...................................................................31
4.1.1
Prinzipielle Vorgehensweise....................................................................................................31
4.1.2
Physikalisch korrekte Übernahme der Grundwasseroberfläche...............................................33
4.1.3
Ausweisung der Grundwasserneubildung als Grid..................................................................35
4.1.4
Kopplung des oberirdischen Abflusses und des Interflows .....................................................35
4.1.5
Struktur des WaSiM-ETH Moduls zur externen Kopplung.....................................................36
4.1.6
Aufruf von WaSiM-ETH durch Geofim..................................................................................37
4.1.7
Zugriff auf WaSiM-ETH-interne Parameter der Wasserhaushaltsbilanzierung ......................37
4.1.8
Erweiterung der Landnutzungtabelle für beliebig viele phänologische Phasen.......................39
4.2
Erweiterung von WaSiM-ETH um differenzierte Bodeneigenschaften...................................41
4.2.1
Ausgangssituation....................................................................................................................41
4.2.2
Wasserretention (pF-Kurve)....................................................................................................45
4.2.3
Hydraulische Leitfähigkeit ......................................................................................................45
4.2.4
Oberflächenabfluss..................................................................................................................47
4.2.5
Makroporenfluss......................................................................................................................47
4.3
Erweiterung von WaSiM-ETH um komplexe Vegetationsstrukturen .....................................49
4.3.1
Ausgangssituation....................................................................................................................49
4.3.2
Erweiterung der Landnutzungstabelle für komplexe Vegetationsstrukturen ...........................50
4.3.3
Potenzielle Evapotranspiration................................................................................................51
4.3.4
Interzeption..............................................................................................................................52
4.3.5
Transpiration............................................................................................................................52
4.3.6
Evaporation..............................................................................................................................54
5
Testsimulationen mit WaSiM-ETH für Untersuchungsstandorte in Sachsen.....................................55
5.1
Untersuchungsstandorte...........................................................................................................55
5.2
Eingangsdaten und Parametrisierung des Modells ..................................................................55
5.2.1
Parametrisierung der Vegetation..............................................................................................55
5.2.2
Parametrisierung des Bodens...................................................................................................56
5.2.3
Kalibrierung.............................................................................................................................58
5.2.4
Bilanzierung.............................................................................................................................58
5.3
Laußnitz (Kiefernbestand auf stark podsoliger Braunerde, Düben-Niederlausitzer
Altmoränenland) ......................................................................................................................59
5.3.1
Bodenparameter.......................................................................................................................59
5.3.2
Vegetationsparameter ..............................................................................................................60
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(federführend), Maconring 98a, 67434 Neustadt/Wstr.
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Seite 4
KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
5.3.3
Simulationsergebnisse: Bestandesniederschlag/Interzeption .................................................. 60
5.3.4
Simulationsergebnisse: Bodensaugspannung.......................................................................... 60
5.3.5
Simulationsergebnisse: Bilanzkomponenten des Wasserhaushalts......................................... 62
5.4
Colditz (Eichenbestand auf Pseudogley, Sächsisch-Thüringisches Löss-Hügelland)............. 64
5.4.1
Bodenparameter...................................................................................................................... 64
5.4.2
Vegetationsparameter.............................................................................................................. 64
5.4.3
Simulationsergebnisse: Bestandesniederschlag/Interzeption .................................................. 65
5.4.4
Simulationsergebnisse: Bodensaugspannung.......................................................................... 65
5.4.5
Simulationsergebnisse: Bilanzkomponenten des Wasserhaushalts......................................... 65
5.5
Klingenthal (Fichte auf Podsol-Braunerde, Westliches Oberes Erzgebirge) .......................... 68
5.5.1
Bodenparameter...................................................................................................................... 68
5.5.2
Vegetationsparameter.............................................................................................................. 68
5.5.3
Simulationsergebnisse: Bestandesniederschlag/Interzeption .................................................. 69
5.5.4
Simulationsergebnisse: Bodensaugspannung.......................................................................... 69
5.5.5
Simulationsergebnisse: Bilanzkomponenten des Wasserhaushalts......................................... 70
5.6
Lüttewitz................................................................................................................................. 72
5.6.1
Bodenparameter...................................................................................................................... 72
5.6.2
Vegetationsparameter.............................................................................................................. 72
5.6.3
Simulationsergebnisse: Bodensaugspannung, Bodenwassergehalt......................................... 72
5.6.4
Simulationsergebnisse: Bilanzkomponenten des Wasserhaushalts......................................... 72
5.7
Lysimeterstation Brandis ........................................................................................................ 74
5.7.1
Bodenparameter...................................................................................................................... 74
5.7.2
Vegetationsparameter.............................................................................................................. 75
5.7.3
Simulationsergebnisse: Evapotranspiration ............................................................................ 76
5.7.4
Simulationsergebnisse: Bodensaugspannung, Bodenwassergehalt, Sickerwassermenge ....... 80
5.7.5
Simulationsergebnisse: Bilanzkomponenten des Wasserhaushalts......................................... 82
6
Testsimulationen des gekoppelten Modells (WaSiM-ETH/PCGEOFIM
®
) für das
Schnellbachgebiet.............................................................................................................................. 85
6.1
Auswahl eines Teileinzugsgebietes der Parthe als Testgebiet................................................. 85
6.2
Eingangsdaten für WaSiM-ETH............................................................................................. 85
6.2.1
Meteorologische Stationsdaten (Tageswerte) ......................................................................... 88
6.2.2
Hydrologische Stationsdaten................................................................................................... 88
6.2.3
Räumliche Daten für das Parthe-Einzugsgebiet als 125 m-Gitterdaten (Grids)...................... 88
6.2.4
Anpassung der bestehenden KliWEP1-Parametrisierung für das Schnellbachgebiet ............. 90
6.2.5
Makroporen............................................................................................................................. 95
6.2.6
Drainagen................................................................................................................................ 95
6.3
Eingangsdaten für PCGEOFIM
®
- das Teilmodell Schnellbachgebiet ................................... 96
6.4
Simulationsergebnisse für die ungesättigte Zone, gekoppeltes Modell WaSiM-ETH/
PCGEOFIM
®
.......................................................................................................................... 97
6.5
Simulationsergebnisse Grundwasser und Abfluss mit Lysimeterdaten (PCGEOFIM
®
stand alone)........................................................................................................................... 103
6.6
Simulationsergebnisse Grundwasser und Abfluss, gekoppeltes Modell PCGEOFIM
®
/
WaSiM-ETH......................................................................................................................... 113
7
Zusammenfassung........................................................................................................................... 121
8
Literatur........................................................................................................................................... 123
9
Anhang............................................................................................................................................127
9.1
Laußnitz................................................................................................................................ 127
9.2
Colditz................................................................................................................................... 128
9.3
Klingenthal............................................................................................................................ 129
9.4
Lüttewitz............................................................................................................................... 130
9.5
Brandis .................................................................................................................................. 132
9.5.1
Lysimeter 5/6........................................................................................................................ 132
9.5.2
Lysimeter 8/6........................................................................................................................ 135
9.5.3
Lysimeter 7/4........................................................................................................................ 137
9.6
Schnellbach........................................................................................................................... 139
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KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
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Tabellenverzeichnis
Tabelle 1:
Datengrundlage für KliWEP2.............................................................................................16
Tabelle 2:
WaSiM-ETH Modellkomponenten und implementierte Ansätze .......................................23
Tabelle 3:
Komponenten des Programmsystems PCGEOFIM
®
..........................................................30
Tabelle 4:
Realisierte Erweiterungen in der Online-Kopplung Geofim/WaSiM-ETH ........................31
Tabelle 5:
Online-Kopplung Geofim/WaSiM-ETH.............................................................................32
Tabelle 6:
Bisherige Defizite in der Parametrisierung der ungesättigten Bodenzone..........................45
Tabelle 7:
Charakterisierung der Untersuchungsstandorte für dieTestsimulationen im Unter-
suchungszeitraum...............................................................................................................55
Tabelle 8:
Bilanzkomponenten des Wasserhaushalts am Standort Laußnitz .......................................64
Tabelle 9:
Bilanzkomponenten des Wasserhaushalt am Standort Colditz ...........................................66
Tabelle 10:
Bilanzkomponenten des Wasserhaushalt am Standort Klingenthal ....................................71
Tabelle 11:
Bilanzkomponenten des Wasserhaushalt am Standort Lüttewitz........................................73
Tabelle 12:
Charakterisierung der Lysimeter 5/6, 8/6 und 7/4 der Lysimeterstation Brandis................75
Tabelle 13:
Lysimeter 5/6, Bilanzkomponenten des Wasserhaushalts ..................................................83
Tabelle 14:
Lysimeter 7/4, Bilanzkomponenten des Wasserhaushalts ..................................................84
Tabelle 15:
Lysimeter 8/6, Bilanzkomponenten des Wasserhaushalts ..................................................84
Tabelle 16:
Charakteristische Daten für das Einzugsgebiet des Schnellbachs.......................................91
Tabelle 17:
Parametermodifikationen im Rahmen der Neukalibrierung des Modells ...........................91
Tabelle 18:
Waldtypen im Einzugsgebiet des Schnellbachs..................................................................92
Tabelle 19: Schnellbach, Charakterisierung der Bodenarten, Angaben nach der Bodenkonzept-
karte 1:50 000 ....................................................................................................................94
Tabelle 20:
Kontrollplots für die Modellierung des Einzugsgebiets des Schnellbachs..........................98
Tabelle 21:
Bilanzkomponenten des Wasserhaushalts für Kontrollplot 9 (Kiefernmischwald auf
Parabraunerde).................................................................................................................102
Tabelle 22: Bilanzkomponenten des Wasserhaushalts für Kontrollplot 10 (Wintergetreide auf
Pseudogley-Parabraunerde)..............................................................................................102
Tabelle 23: Überprüfung der Bilanz für des EZG des Schnellbachs am Beispiel des Zeitraums
2000–2003, gekoppeltes Modell, ungesättigte Zone (WaSiM-ETH)...............................104
Tabelle 24:
Bilanz Einzugsgebiet des Schnellbaches..........................................................................109
Tabelle 25: Fehlerbetrachtung für das Gesamtsystem: Ausweis der von WaSiM-ETH berech-
neten und von Geofim übernommenen Grundwasserneubildung ....................................113
Tabelle 26:
Bilanz für das Einzugsgebiet des Schnellbaches im gekoppelten Modus ........................113
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KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Relative Sonnenscheindauer (SSD) bei KliWEP1 sowie im Rahmen von KliWEP2
korrigierte Werte............................................................................................................... 18
Abbildung 2: Beobachtete und anhand der Inputdateien von KliWEP1 simulierte Durchflüsse am
Pegel Großbardau im Jahr 1986 ........................................................................................ 18
Abbildung 3: Modellkomponenten und Datenflüsse in WaSiM-ETH .................................................... 20
Abbildung 4: Simulation der vertikalen Bodenwasserflüsse in WaSiM-ETH-2 ..................................... 21
Abbildung 5: Topographische Analyse des digitalen Höhenmodells mit TANALYS ............................... 22
Abbildung 6: Schematische Darstellung eines Grundwasserstockwerkes mit zwei geschichteten
Grundwasserleitern............................................................................................................ 25
Abbildung 7: Schematische Darstellung der Grundwasserbilanz in einem finiten Volumenelement..... 26
Abbildung 8: Horizontale und vertikale Kopplungen eines Restlochs an den Aquifer........................... 27
Abbildung 9: Diskretisierung des Grundwasserstockwerkes in finite Volumen ..................................... 28
Abbildung 10: Das finite Volumenelement ijk mit den Verbindungen zu den Nachbarn......................... 29
Abbildung 11: Online-Kopplung Geofim und WaSiM-ETH .................................................................... 33
Abbildung 12: Prinzipielle Möglichkeiten der Datenübergabe von Geofim an WaSiM-ETH.
A) Grundwasseroberfläche (GWO) von Geofim zum Zeitpunkt t liegt unterhalb der
von WaSiM-ETH berechneten,
B) umgekehrter Fall; Θ = akt. Bodenwassergehalt, Θ
sat
= Bodenwassergehalt bei
Sättigung ........................................................................................................................... 34
Abbildung 13: Aufbau der Übergabedatei von WaSiM-ETH zu Geofim, hier: Oberflächenabfluss ........ 36
Abbildung 14: Aufbau des Parameterblocks [External Coupling] in der WaSiM-ETH-Steuerdatei......... 36
Abbildung 15: Bisherige Parametrisierung der Landnutzung in WaSiM-ETH (KliWEP1)...................... 39
Abbildung 16: Erweiterte Parametrisierung der Landnutzung in WaSiM-ETH. Oben: „multi-line“
Format (Parametrisierung mit Zeilenumbruch), unten: „single-line“ Format
(Parametrisierung ohne Zeilenumbruch)).......................................................................... 40
Abbildung 17: Bisherige Parametrisierung der Bodenarten (Methode 2) in WaSiM-ETH....................... 44
Abbildung 18: Erweiterte Bodentabelle in WaSiM-ETH mit Definition von 2 Bodenprofilen. Oben:
„multi-line“ Format (Parametrisierung mit Zeilenumbruch), unten: „single-line“
Format (Parametrisierung ohne Zeilenumbruch)............................................................... 46
Abbildung 19: Parametrisierung des Makroporenflusses in der erweiterten Bodentabelle....................... 49
Abbildung 20: Erweiterte 2-teilige Landnutzungstabelle in WaSiM-ETH ............................................... 51
Abbildung 21: Abhängigkeit der Transpiration vom Bodenwassergehalt. nFK: nutzbare
Feldkapazität, DW: Drainwasser (oder Gravitationswasser), PWP: permanenter
Welkepunkt, FK: Feldkapazität, Sat: Sättigung, HReduDry: Grenzwert für den
Beginn von Trockenstress, TReduWet: Grenzwert für den Beginn von Nässestress,
LimitReduWet: max. Reduktion der Transpiration infolge Nässestress ........................... 53
Abbildung 22: Standort Laußnitz: pF-Kurven. Punkte: Messwerte .......................................................... 59
Abbildung 23: Laußnitz, gemessener und simulierter Bestandesniederschlag; oben: kumulierte
Tageswerte; unten: kumulierte Abweichungen zwischen gemessenen und
simulierten Werten............................................................................................................ 61
Abbildung 24: Laußnitz: gemessene und simulierte Saugspannungen. Horizontabfolge und
Horizontmächtigkeiten entsprechen den Vorgaben, Courant-Kriterium wird verletzt...... 62
Abbildung 25: Laußnitz: gemessene und simulierte Saugspannungen unter Einhaltung des Courant-
Kriteriums. Horizontabfolge und Horizontmächtigkeiten wurden modifiziert................. 63
Abbildung 26: Standort Colditz: pF-Kurven. Punkte: Messwerte............................................................. 65
Abbildung 27: Colditz, gemessener und simulierter Bestandesniederschlag; oben: kumulierte
Tageswerte; unten: kumulierte Abweichungen zwischen gemessenen und
simulierten Werten............................................................................................................ 66
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Seite 7
Abbildung 28: Gemessene und simulierte Saugspannungen in den drei Untersuchungstiefen in
Colditz................................................................................................................................67
Abbildung 29: Colditz: Zusammenhang zwischen Direktabfluss und Freilandniederschlag.....................68
Abbildung 30: Standort Klingenthal: pF-Kurven. Punkte: Messwerte ......................................................68
Abbildung 31: Klingenthal. Gemessener und simulierter Bestandesniederschlag: kumulierte
Tageswerte sowie die kumulierten Abweichungen zwischen gemessenem um
simulierten Werten.............................................................................................................69
Abbildung 32: Gemessene und simulierte Saugspannungen in den drei Untersuchungstiefen in
Klingenthal.........................................................................................................................70
Abbildung 33: Klingenthal: Vergleich der kumulierten Direktabflüsse mit und ohne Makroporen..........71
Abbildung 34: Lüttewitz: Gemessene und simulierte Saugspannungen in 30 cm und 60 cm Tiefe ..........73
Abbildung 35: Lüttewitz: Gemessener und simulierter Wassergehalte in 30 cm und 60 cm Tiefe ...........74
Abbildung 36: Brandis, pF-Kurven. a) Lysimeter 5/6, b) Lysimeter 7/4, c) Lysimeter 8/6.......................76
Abbildung 37: Lysimeter 5/6, Jahresverlauf der ETR, 1997-2000 ............................................................77
Abbildung 38: Lysimeter 5/6, oben: Summenkurven der gemessenen und modellierten
Evapotranspiration, unten: kumulierte Differenzen ...........................................................79
Abbildung 39: Lysimeter 7/4, oben: Summenkurven der gemessenen und modellierten
Evapotranspiration, unten: kumulierte Differenzen ...........................................................79
Abbildung 40: Lysimeter 8/6, oben: Summenkurven der gemessenen und modellierten
Evapotranspiration, unten: kumulierte Differenzen ...........................................................80
Abbildung 41: Lysimeter 8/6: gemessene und modellierte Wassergehalte in den drei Tiefen 50 cm,
150 cm und 250 cm............................................................................................................81
Abbildung 42: Lysimeter 8/6: gemessene und modellierte Tensionen in den Tiefen 40 cm, 55 cm,
150 cm und 200 cm............................................................................................................82
Abbildung 43: Lysimeter 8/6, oben: Summenkurven der gemessenen und modellierten
Tiefensickerung, unten: kumulierte Differenzen................................................................83
Abbildung 44: Einzugsgebiet des Schnellbachs. Der Bildausschnitt zeigt etwa das untere Drittel des
Untersuchungsgebietes mit Blickrichtung nach Nordosten; (Datum der Aufnahme:
14.09.2005, Foto: J. Scherzer)...........................................................................................86
Abbildung 45: Schnellbach, etwa 1,7 km oberhalb Pegel; Blickrichtung flussaufwärts. Standort ist
ein Feldwegübergang unterhalb der Ortslage Großbuch; (Datum der Aufnahme:
14.09.2005, Foto: J. Scherzer) ...........................................................................................86
Abbildung 46: Diskretisierung im Modell Part2004 (500 m x 500 m) ......................................................87
Abbildung 47: Diskretisierung im Modell Part2005 (125 m x 125 m) ......................................................87
Abbildung 48: ober- und unterirdisches Einzugsgebiet der Parthe (311.4 km
2
bzw. 443.7 km
2
) und
extrahiertes Schnellbachgebiet (7.9 km
2
) sowie Lage der verfügbaren
meteorologischen Stationen...............................................................................................89
Abbildung 49: Ausgewählte Raumdaten vom Schnellbachgebiet im 125 m-Grid (Gridbox: 30 x 40
Zellen)................................................................................................................................90
Abbildung 50: Parametrisierung der Waldtypen am Beispiel einer Birken-, Kiefer-, Kraut und einer
Grassschicht im Einzugsgebiet des Schnellbachs. Oben: Blattflächenindex (LAI),
unten: Vegetationsbedeckungsgrad (vcf)...........................................................................93
Abbildung 51: Lage der Lupe 3 im Modell PART2005 (gelb eingefärbt: Einzugsgebiet des
Schnellbachs) .....................................................................................................................96
Abbildung 52: Beispiel für eine Exportrandbedingung..............................................................................97
Abbildung 53: Modellierte Saugspannungen an Kontrollplot 9, Kiefernmischwald auf
Parabraunerde ....................................................................................................................99
Abbildung 54: Modellierte Wassergehalte an Kontrollplot 9, Kiefernmischwald auf Parabraunerde .....100
Abbildung 55: Modellierte Saugspannungen an Kontrollplot 10, Wintergetreide auf Pseudogley-
Parabraunerde ..................................................................................................................101
Abbildung 56: Modellierte Grundwasserneubildung für Kontrollplot 9 (Kiefernmischwald auf
Parabraunerde) in den Jahren 1997-2003.........................................................................102
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KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
Abbildung 57: Vergleichende Auswertung der Jahreswerte von modellierter Interzeption und
Transpiration im Schnellbachgebiet, gekoppelter Modus WaSiM-ETH/
PCGEOFIM
®
. Interzeption: hoher Wert = 200 mm, niedriger Wert = 0 mm;
Transpiration: hoher Wert = 350 mm, niedriger Wert = 0 mm ....................................... 103
Abbildung 58: Vergleichende Auswertung des modellierten mittleren Grundwasserflurabstandes
sowie der mittleren jährlichen Direktabflusses im Schnellbachgebiet, gekoppelter
Modus WaSiM-ETH/PCGEOFIM
®
. Grundwasserflurabstand: hoher Wert = 0 m,
niedriger Wert = 9 m; Direktabfluss: hoher Wert = 208 mm, niedriger Wert = 1 mm.... 104
Abbildung 59: Bilanz Einzugsgebiet des Schnellbachs (blau: Grundwasservorrat, grün:
Grundwasserneubildung, zyan: See am Pegel Großbardau, rot: Summe Basisabflüsse
Schnellbach, braun: Abflüsse aus dem Einzugsgebiet); PCGEOFIM
®
stand-alone,
GWN auf Grundlage von Lysimeterdaten....................................................................... 105
Abbildung 60: GWN im Einzugsgebiet des Schnellbachs ermittelt auf der Basis von
Lysimeterdaten................................................................................................................ 106
Abbildung 61: Grundwasserneubildung bei einem Flurabstand von 0,5 m in Lysimeter 4 .................... 107
Abbildung 62: Grundwasserneubildung nach Gleichung 24 bei einem Flurabstand von 1,0 m in
Lysimeter 4...................................................................................................................... 107
Abbildung 63: Grundwasserneubildung nach Gleichung 24 bei einem Flurabstand von 1,5 m in
Lysimeter 4...................................................................................................................... 108
Abbildung 64: Grundwasserneubildung nach Gleichung 24 bei einem Flurabstand von 2,0 m in
Lysimeter 4...................................................................................................................... 108
Abbildung 65: Grundwasserneubildung nach Gleichung 24 bei einem Flurabstand von 0,5 m in
Lysimeter 4 mit veränderten Grenzen für fla in Gleichung 24........................................ 109
Abbildung 66: Abfluss am Pegel Großbardau (rot: Berechnungsergebnisse, schwarz: Messwerte);
PCGEOFIM
®
stand-alone, GWN auf Grundlage von Lysimeterdaten ........................... 110
Abbildung 67: Hydroisohypsen am 01.01.1984 im Einzugsgebiet des Schnellbachs; PCGEOFIM
®
stand-alone, GWN auf Grundlage von Lysimeterdaten; (Zahlenangaben für die
einzelnen GW-Pegel: Pegelnr., Spiegelhöhe in [m ü. NN] modelliert,
Beobachtungsdatum, Spiegelhöhe in [m ü. NN] gemessen) ........................................... 111
Abbildung 68: Hydroisohypsen am 01.01.2004 im Einzugsgebiet des Schnellbachs; PCGEOFIM
®
stand-alone, GWN auf Grundlage von Lysimeterdaten; (Zahlenangaben für die
einzelnen GW-Pegel: Pegelnr., Spiegelhöhe in [m ü. NN] modelliert,
Beobachtungsdatum, Spiegelhöhe in [m ü. NN] gemessen) ........................................... 112
Abbildung 69: GWN im Einzugsgebiet des Schnellbachs; gekoppeltes Modell Geofim/
WaSiM-ETH................................................................................................................... 114
Abbildung 70: Bilanz Einzugsgebiet des Schnellbachs (blau: Grundwasservorrat, grün:
Grundwasserneubildung, zyan: See am Pegel Großbardau, rot: Summe Basisabflüsse
Schnellbach, braun: Abflüsse aus dem Einzugsgebiet); PCGEOFIM
®
und
WaSiM-ETH gekoppelt................................................................................................... 114
Abbildung 71: Vergleich der berechneten Grundwasserneubildung bei Kopplung Geofim/
WaSiM-ETH Bearbeitungsstand 12/2005 (Bodenparametrisierung auf Grundlage
von KliWEP1) und 11/2006 (KliWEP2)......................................................................... 115
Abbildung 72: Flurabstände am 01.01.2004. Zyan: flurnah, hellbraun: 1-3 m, dunkelbraun: flurfern... 116
Abbildung 73: Abfluss am Pegel Großbardau (rot: Berechnungsergebnisse, schwarz: Messwerte);
gekoppeltes Modell Geofim/WaSiM-ETH, Endergebnis KliWEP2 ............................... 117
Abbildung 74: Hydroisohypsen am 01.01.1984 im Einzugsgebiet des Schnellbachs; gekoppeltes
Modell Geofim/WaSiM-ETH; (Zahlenangaben für die einzelnen GW-Pegel:
Pegelnr., Spiegelhöhe in [m ü. NN] modelliert, Beobachtungsdatum, Spiegelhöhe in
[m ü. NN] gemessen) ...................................................................................................... 118
Abbildung 75: Hydroisohypsen am 01.01.2004 im Einzugsgebiet des Schnellbachs; gekoppeltes
Modell Geofim/WaSiM-ETH; (Zahlenangaben für die einzelnen GW-Pegel:
Pegelnr., Spiegelhöhe in [m ü. NN] modelliert, Beobachtungsdatum, Spiegelhöhe in
[m ü. NN] gemessen) ...................................................................................................... 119
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Seite 9
Abbildung 76: Abfluss am Pegel Großbardau in mm/mon (rot: Berechnungsergebnisse, schwarz:
Messwerte); gekoppeltes Modell Geofim/WaSiM-ETH, niedrigwasserfokussierte
Kalibrierung, unter Vernachlässigung von prozessorientierter Modellierung in der
Bodenzone........................................................................................................................120
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Anlagenverzeichnis
Anlage 1:
Daten-CD
Inhaltsverzeichnis:
- Unterverzeichnis Bericht
digitale Versionen des vorliegenden Berichts:
- Abschlussbericht_KliWEP2.doc (editierbar)
- Abschlussbericht_KliWEP2.pdf (nicht editierbar)
- Unterverzeichnis Ergebnisse
Eingangsdateien für die Modellierung, aktuelle Modellversion und Ergebnisdateien
- Unterverzeichnis Brandis
- input-Ordner (alle Input-Dateien für die Modellierung)
- control-Ordner (alle im Bericht zitierten Steuerungsdateien)
- Ergebnis-Ordner (Ergebnisdateien zu den Steuerungsdateien)
- Unterverzeichnis Colditz
- input-Ordner (alle Input-Dateien für die Modellierung)
- control-Ordner (Steuerungsdatei)
- Ergebnis-Ordner (Ergebnisdatei)
- Unterverzeichnis Klingenthal
- input-Ordner (alle Input-Dateien für die Modellierung)
- control-Ordner (alle im Bericht zitierten Steuerungsdateien)
- Ergebnis-Ordner (Ergebnisdateien zu den Steuerungsdateien)
- Unterverzeichnis Laußnitz
- input-Ordner (alle Input-Dateien für die Modellierung)
- control-Ordner (alle im Bericht zitierten Steuerungsdateien)
- Ergebnis-Ordner (Ergebnisdateien zu den Steuerungsdateien)
- Unterverzeichnis Lüttewitz
- input-Ordner (alle Input-Dateien für die Modellierung)
- control-Ordner (Steuerungsdatei)
- Ergebnis-Ordner (Ergebnisdateien)
- Unterverzeichnis Schnellbach
- Unterverzeichnis WaSiM-ETH
- input-Ordner (alle Input-Dateien für die Modellierung)
- control-Ordner (Steuerungsdatei)
- Ergebnis-Ordner (ausgewählte Ergebnisdateien)
- Unterverzeichnis PCGEOFIM
®
- installier- und ausführbares PCGEOFIM-Modell, einschließ-
lich Parthe/Schnellbach-Modell („part2005“) und Doku-
mentation
- Unterverzeichnis WaSiM-ETH Version 7.2.7
ausführbare Version des erweiterten WaSiM-ETH-Modells, Doku-
mentation
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Abkürzungsverzeichnis
Θ
aktueller Wassergehalt [-]
α
empirischer Parameter [m
-1
]
ψ
Saugspannung [m]
τ
Tortuosität, Skalierungsfaktor
Θ
r
residualer Wassergehalt bei
k
(Θ) = 0 [-]
Θ
s
Sättigungswassergehalt [-]
Θ
Veränderung des Wassergehalts im Bodenspeicher [mm]
∆SI
Veränderung des Wassergehalts im Interzeptionsspeicher [mm]
∆SSTO
Veränderung des Wassergehalts im Schneespeicher [mm]
∆t
Zeitschritt [s]
∆x
räumlicher Knotenabstand [m]
AG Auftraggeber
AltDep
Verschiebung des JulDay pro Höhenmeter [-]
AN
Auftragnehmer
a
r
Verhältnis zwischen Dicke der Bodenschicht und Fläche einer Rasterzelle
a
scale
empirischer skalenabhängiger Parameter, der die Aggregatgeometrie erfasst
c
0
Tag-Grad-Faktor [mm/(°C * d)]
d
Schichtmächtigkeit [m]
d
1
Vegetationsbeginn
d
1,2,3,4
Stützstellen in Kalendertagen
d
1..4,400
Bezugswerte für 400 m ü. Meer
d
2
volle Entfaltung der Vegetation, d
3
: Beginn und d
4
: Ende des Laubwurfes bzw. Rück
gang der Vegetationsintensität
d
r
Drainagedichte für Interflow [1/m]
EI Interzeptionsverdunstung [mm/
∆t
]
ETP Grasreferenzverdunstung [mm/Zeitschritt]
ET
real
reale Evapotranspiration
fla Flurabstand [m]
FNS Freilandniederschlag
Geofim
Simulator des Programmsystems PCGEOFIM
®
GWN Grundwasserneubildung
GWN_LYSI
gemessene Lysimeterversickerung [mm/Zeitschritt]
GWO
Grundwasseroberfläche
H Standrohrspiegelhöhe [m]
h
h
hydraulische Höhe in Abhängigkeit vom Wassergehalt als Summe aus Saugspannung
ψ
(mit
ψ
≤ 0) und geodätischer Höhe
h
geo
[m]
h
M
Höhe über Meer [m]
HReduDry
Minimale Saugspannung, bei der Wasserstress auftritt
HW Hochwert
IBGW
Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Leipzig
IntercepCap
Dicke des Wassers auf den Blattoberflächen und in Muldenspeichern
I
real
reale Interzeption
JulDay
Eckdaten (in julianischen Tagen) für Veränderungen in der Vegetationsentwicklung
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k
(eff)
(effektive) hydraulische Leitfähigkeit [m/s]
k(θ)
ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit bei gegebenem Wassergehalt [m/s]
k
B
Rezessionskonstante für Basisabfluss (relevant für Simulationen ohne GW-Modell)
[m]
k
D
Speicherkoeffizient für Oberflächenabfluss [h]
k
f
gesättigte Wasserleitfähigkeit (kf-Wert) [m/s]
k
I
Speicherkoeffizient für Interflow [h]
KliWEP
Abschätzung der Auswirkung der für prognostizierten Klimaveränderungen auf den
Wasser- und Stoffhaushalt im Einzugsgebiet der Parthe
k
mat
maximale Leitfähigkeit der Bodenmatrix [m/s]
k
rec
Rezessionskonstante [-]
k
s
gesättigte hydraulische Leitfähigkeit [m/s]
k
s,z
gesättigte hydraulische Leitfähigkeit in der Tiefe
z
[m/s]
LAI
Leaf Area Index (Blattflächenindex) [m²/m²]
LfL
Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft
LfUG
Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie
LimitReduWet
Relativer minimaler Wert, um den die Transpiration bei Wassersättigung reduziert
werden kann
m
empirischer Parameter [-], nach Mualem (1976) gilt m = 1-1/n
x
mittlerer gemessener Abfluss
n
empirischer Parameter [-]
n
e
entwässerbare Porosität (-)
NN Normalnull
PCGEOFIM
®
Programsystem for Computation of GEOFIltration and geoMigration
pF
10
log (
ψ
)
PM_KORR korrigierter Niederschlag [mm/Zeitschritt]
PTF Pedotransferfunktion
q
Fluss zwischen zwei Diskretisierungsschichten [m/s]
Q
0
Skalierungsparameter für Basisabfluss (relevant für Simulationen ohne GW-Modell)
[mm/h]
Q
bas
Basisabfluss [mm/
∆t
]
q
bypass
vertikaler Wasserfluss in Makroporen zwischen den Bodenschichten bei z>0
Q
dir
Oberflächenabfluss [mm/
∆t
]
QD
snow
rel. Anteil oberflächlich abfließender Schneeschmelze [0..1]
Q
ges
Gesamtabfluss [mm/
∆t
]
Q
ifl
Zwischenabfluss [mm/
∆t
]
q
in
Zuflüsse in die betrachtete Bodenschicht [m/s]
q
out
Abflüsse aus der betrachteten Bodenschicht [m/s]
R
2
Korrelationskoeffizient
r
c
Verdunstungswiderstand [s/m]
rs_evap
Verdunstungswiderstand (Evaporation) [s/m]
rs_intercept Verdunstungswiderstand (Interzeption) [s/m]
rsc
Verdunstungswiderstand (Transpiration) [s/m]
RW Rechtswert
S
0
spezifischer Speicherkoeffizient [1/m]
S
Anfang
Summe aller Speicherfüllungen zu Beginn eines Bilanzierungszeitraumes
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KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
Seite 13
SBS Staatsbetrieb Sachsenforst (ehemals LFP)
S
Ende
Summe aller Speicherfüllungen zu Ende eines Bilanzierungszeitraumes
S
mat
Grenzwert, ab welchem Makroporenfluss entsteht
t
Zeit [s]
TReduWet
Relativer Wassergehalt des Bodens für beginnenden Wasserstress [-]
UBG Staatliche Umweltbetriebsgesellschaft
v
Geschwindigkeit [m/s]
V
A
Flächenstromdichte [m/s]
vcf
Vegetationsbedeckungsgrad
V
V
Volumenstromdichte [1/s]
WaSiM-ETH
Water Flow and Balance Simulation Model
x
i
gemessener Abfluss
y
i
simulierter Abfluss
z
Tiefe [m]
z
0
effektive Vegetationshöhe [m]
ZB Zwischenbericht
ΔS
Speicheränderung
Θ
Wassergehalt [m
3
/m
3
]
ψ
Saugspannung [mm]
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KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
1
Aufgabenstellung
Klimastudien zeigen für Sachsen gravierende Auswirkungen eines bereits beobachteten und noch zu
erwartenden Klimawandels. Für die Fachplanungen des Sächsischen Landesamtes für Umwelt und Geo-
logie (LfUG) und des Staatsbetriebes Sachsenforst (SBS) besteht die Notwendigkeit, die Folgen sowohl
von Klimaveränderungen als auch von Landnutzungsänderungen auf Wasser-, Land- und Forstwirtschaft
abzuschätzen. Zu untersuchen sind u. a. die Auswirkungen von Bewirtschaftungsmaßnahmen, Waldmeh-
rung und Waldumbau auf den Wasserhaushalt und das Abflussgeschehen in mikro- bis mesoskaligen
Gewässereinzugsgebieten. Hierfür stellen prozessorientierte Gebietswasserhaushaltsmodelle wie WaSiM-
ETH ein geeignetes Tool dar.
In einer Voruntersuchung des Sächsischen Landesamtes für Umwelt und Geologie (LfUG) wurde Wa-
SiM-ETH bereits für das Einzugsgebiet der Parthe kalibriert und eine erste Kopplung mit dem Grundwas-
ser-/Oberflächenwassermodell Geofim durchgeführt (Projekt „KliWEP1“). Hierbei ergab sich konkreter
Weiterentwicklungsbedarf für das Wasserhaushaltsmodell WaSiM-ETH. Zur standardisierten Anwen-
dung des Modells in den Geschäftsbereichen des Sächsischen Staatsministeriums für Umwelt und Land-
wirtschaft (SMUL) bedarf es prozessorientierter Weiterentwicklungen vor allem in den Modulen „Ver-
dunstung“ (Penman-Monteith-Ansatz) und „Boden“ (Richards-Ansatz) sowie an der Schnittstelle zum
Grundwassermodell.
Aus Wasserhaushaltsuntersuchungen zum Waldumbau und dem forsthydrologischen Monitoring des SBS
ist bekannt, dass die Evapotranspirationsdynamik von Wäldern in erheblichem Umfang von Strukturpa-
rametern der Bestände (u. a. Haupt- und Nebenbaumarten, Unterbau, Bestandeshöhe und -dichte) ab-
hängt. Ein zentraler Aspekt von KliWEP2 ist daher die Erweiterung von WaSiM-ETH für die Berücksich-
tigung derart komplexer Vegetationsstrukturen. Hierzu muss die verwendete Penman-Monteith-Methode
zur Evapotranspirationsberechnung so modifiziert werden, dass der Energiefluss konkret für diejenigen
Orte im Bestand berechnet wird, an welchen der Energieumsatz stattfindet bzw. die höchsten Widerstände
auftreten. Der bisher singuläre Interzeptionsspeicher wird im Rahmen der Erweiterung als Speicherkas-
kade unter Berücksichtigung artspezifischer Blattspeichereigenschaften sowie der Bedeckungsgrade der
einzelnen Vegetationskomponenten realisiert. Aufbauend auf die Modellerweiterungen sollen weitere
Ausgabeparameter realisiert und eine beliebige Anzahl phänologischer Phasen ermöglicht werden.
Ein weiteres Ziel von KliWEP2 sind prozessorientierte Modellerweiterungen im Bereich der Speicher-
und Transporteigenschaften der Böden, welche u. a. durch die vertikale Abfolge von Bodenhorizonten
sowie durch Makroporenabfluss entscheidend beeinflusst werden. Es ist daher eine horizontweise Para-
metrisierung der Retentionskurve (pF-Kurve) und der hydraulischen Leitfähigkeitsfunktion in WaSiM-
ETH zu implementieren. Diese Modifikationen ermöglichen zukünftig insbesondere auch eine verbesserte
Abbildung wald- und landwirtschaftsspezifischer Horizontabfolgen bei der Einzugsgebietsmodellierung
und der Abschätzung von Klimafolgen.
Darüber hinaus ist im Rahmen von KliWEP2 der Datenaustausch zwischen dem hydrologischen Einzugs-
gebietsmodell WaSiM-ETH und dem Grundwasserströmungs- und -transportmodell PCGEOFIM
®
(bzw.
dessen Simulator Geofim) entscheidend zu verbessern. Hierbei müssen insbesondere die Kopplungsme-
chanismen zwischen den beiden Modellen überarbeitet und erstmals eine echte online-Kopplung ermög-
licht werden, was eine entscheidende Verkürzung der Intervalle für den Datenaustausch mit sich bringt:
Während in KliWEP1 die Kopplung zwischen PCGEOFIM
®
und WaSiM-ETH auf Monatsschrittbasis
vollzogen wurde, hat nun der Datenabgleich zwischen den Modellen pro Rechenzeitschritt, d. h. auf Ta-
gesschrittbasis, zu erfolgen. Damit soll insbesondere gewährleistet werden, dass beide Modelle jeweils
mit identischen Grundwasseroberflächen rechnen. Darüber hinaus ist auch die Weitergabe des oberirdi-
schen Abflusses und des Zwischenabflusses an PCGEOFIM
®
zu optimieren.
Zum Nachweis der erfolgreichen Erweiterung von WaSiM-ETH um komplexe Vegetationsstrukturen und
prozessorientierte Bodeneigenschaften werden umfangreiche Testsimulationen auf Grundlage von boden-
physikalischen und bodenhydrologischen Messdaten von Level II - Standorten des SBS (Laußnitz, Col-
ditz, Klingenthal), dem Versuchsstandort Lüttewitz der LfL und drei Lysimetern der Station Brandis
durchgeführt. Abschließend wird das gekoppelte Modellsystem WaSiM-ETH / PCGEOFIM
®
, aufbauend
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Seite 15
auf einer erweiterten KliWEP1- Parametrisierung, an einem Teileinzugsgebiet der Parthe, dem ca. 8 km
2
umfassenden Schnellbachgebiet, getestet.
Durch die Implementierung bzw. Erweiterung der Modellkomponenten ist zu erwarten, dass die Progno-
sefähigkeit des Modellsystems WaSiM-ETH bzw. WaSiM-ETH / PCGEOFIM
®
hinsichtlich Klimawan-
del, Landnutzungsszenarien und Waldumbau wesentlich verbessert wird.
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Seite 16
KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
2
Datengrundlage
2.1
Datenübergabe
Wesentliche Grundlage für das Projekt KliWEP2 sind modell- sowie einzugsgebietsspezifische Daten aus
dem Projekt KliWEP1, welche zu Projektbeginn bzw. während der Projektlaufzeit vom Auftraggeber
(AG) an den Auftragnehmer (AN) übergeben wurden (vgl.
Tabelle 1).
Tabelle 1:
Datengrundlage für KliWEP2
lfd. Nr.
Daten-
träger
Datenbezeich-
nung
übergeben
am
übergeben
durch
Inhalt
1 CD KliWEP1 09.08.2005
Frau Dr. Kaltz
(LfUG)
Ordner „Bericht“, „Input“,
„Karten“
2 email wasimvcz.exe 18.08.2005
Frau Dr. Kaltz
(LfUG)
Wasimvcz.exe Version 4.0e
3
email
Anlagen 10 - 15
29.08.2005
Frau Dr. Kaltz
(LfUG)
Digitale Versionen der Anla-
gen 10 - 15 aus KliWEP Teil1
4 CD
Input-Ordner,
wasimvcz.exe
(Version 5.0,
„Revision 18“),
wasimvcz.ctm
29.08.2005
Frau Dr. Kaltz
(LfUG)
von IBGW zur Modellierung
im Rahmen von KliWEP Teil1
verwendete Daten
5 CD
LTV Gewässer-
profile Parthe
2004 CD 1 und 2
09.08.2005
Frau Dr. Kaltz
(LfUG)
Gewässerprofile der Parthe
6 DVD
Out-
put_2050_FN92_
mit Kopplung
31.08.2005
Frau Dr. Kaltz
(LfUG)
Ordner „output“; „save“,
„von_IBGW“
7 DVD
Out-
put_2050_FN205
0_mit Kopplung
31.08.2005
Frau Dr. Kaltz
(LfUG)
Ordner „output_FN2050_mit
Kopplung“; „sa-
ve_FN2050_mit Kopplung“,
„von_IBGW“
8 email Daten Lüttewitz 19.09.2005
Herr Schinde-
wolf (LfL)
bodenhydrologische Daten
und klimatische Daten LfL
Standort Lüttewitz
9 email
schnellbn.xls,
schnellbach.xls
13.10.2005
Frau Dr. Hafer-
korn über Herrn
Dr. Sames
Pegeldaten (Abflüsse)
Schnellbach 01/1980 –
07/2005
10 email Lüttewitz.xls 31.01.2006
Herr Dr. Zacha-
rias (LfL)
bodenhydrologische Daten
LfL Standort Lüttewitz
11 email Daten Brandis
10.02.2006
17.02.2006
23.02.2006
Frau Dr. Hafer-
korn (UBG)
bodenhydrologische Daten
Lysimeterstation Brandis
Fotodokumentati-
on (Leitz-Ordner
und CD), Kopien
Ordner,
CD
Frau Dr. Hafer-
korn (UBG)
12
27.02.2006
phänologische Daten Lysime-
terstation Brandis
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KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
Seite 17
2.2
Datenprüfung
Die aus dem Projekt KliWEP1 übernommenen Daten (vgl.
Tabelle 1) wurden intensiv auf Konsistenz und
auf ihre Eignung zur weiteren Verwendung im Projekt KliWEP2 geprüft.
Wasimvcz.exe-Versionen
Es wurden zwei unterschiedliche wasimvcz.exe-Versionen zur Verfügung
gestellt: (2) wasimvcz.exe (Version 4.0e) und (4) wasimvcz.exe (Version 5.0, „Revision 18“) [Hinweis:
die Zahlen in Klammern beziehen sich hier auf die „lfd. Nr.“ in
Tabelle 1]. Version (2) wurde bei Kli-
WEP1 für die WaSiM-ETH Simulationen verwendet (Herr Dr. Hertwig, BEAK Consultants GmbH, per-
sönl. Mitteilung vom 18.08.2005), Version (4) wurde bei IBGW GmbH zur Simulation mit dem gekop-
pelten Modell verwendet (Dr. Sames, IBGW GmbH, persönl. Mitteilung vom 29.08.2005). Version (2)
erwies sich in unseren Tests als inkompatibel mit allen uns aus KliWEP1 vorliegenden Steuerdateien.
WaSiM-ETH bricht jeweils mit der Fehlermeldung „error in control file, Writegrid Ausfluss fuer
snow_model not found!“ die Simulation ab. Bei Version (4) tritt dieser Fehler nicht auf. Version (4) ist
lauffähig, weist allerdings am Ende der Simulation auf den sogenannten „debug“-Modus hin.
Steuerdateien
Es wurden insgesamt vier Steuerdateien übergeben: (1) r125part_125.txt, (2) wa-
simvcz_Bericht_FN92_Kopplung.ctl, (3) wasimvcz_Bericht_FN2050_Kopplung.ctl und (4) wa-
simvcz.ctm. Steuerdatei (1) rechnet mit Landnutzungen und Böden von 2025, kann aber nicht kompiliert
werden (Bildschirmausgabe: „possible error in control file! undefied symbol at line 528“). Steuerdatei (2)
ist lauffähig und simuliert mit Landnutzungen und Böden von 1992. Steuerdatei (3) ist ebenfalls lauffähig
und verwendet Landnutzungen und Böden von 2050. Steuerdatei (4) ist identisch mit Steuerdatei (2). Die
Versionen (2) und (4) erwiesen sich nach (Um-)Definition einiger für die Simulation notwendiger Variab-
len als lauffähig.
Input-Ordner
Es wurden zwei Input-Ordner zur Verfügung gestellt (lfd. Nr. 1 und 4 in
Tabelle 1). Die
Inhalte der Ordner sind weitgehend identisch. U. a. ist in einem der Ordner die für die Berechnung von
Gütemaßen notwendige Datei „SpendePart.txt“ enthalten. Die an den Pegeln beobachteten Durchflüsse
sind hier in Form von Abflüssen (mm/d) angegeben und werden mit den von WaSiM-ETH gerouteten
Abflüssen verglichen (Datei qgkor125.sJahr). In den Steuerdateien (1) bis (4) ist allerdings die Ausgabe
der gerouteten Abflüsse in m³/s eingestellt. Für die Berechnung der Gütemaße werden somit Abflüsse
(mm/d) mit Durchflüssen (m³/s) verglichen. Der Abschlussbericht KliWEP1 (Seite 60, Abbildung 27)
zeigt u. a. die beobachteten Durchflüsse am Pegel Großbardau (Schnellbach) des Jahres 1986. Der AN
geht davon aus, dass es sich hierbei um die tatsächlich am Pegel gemessenen Durchflüsse (Urdaten) in
m³/s handelt. In der Datei „SpendePart.txt“ sind allerdings Abflüsse in mm/d enthalten. Diese wurden
ausgehend von einer Einzugsgebietsfläche von 8,6 km² aus den am Pegel beobachteten Durchflüssen
errechnet. Im Kapitel [routing_model] der Steuerdateien (1) bis (4) ist allerdings ersichtlich, dass modell-
intern mit einer abweichenden Einzugsgebietsgröße von lediglich 7,67 km² gerechnet wird (vgl. auch
Abschlussbericht KliWEP1, Seite 59). Es wurde deshalb im Rahmen von KliWEP2 eine erneute topogra-
phische Analyse durchgeführt, bei welcher eine Einzugsgebietsgröße von 7,88 km
2
berechnet werde.
Diese ergibt sich aus 504 Gridelementen zu jeweils 125 . 125 m (vgl. Kapitel
6.2.3). Für den Vergleich
gemessener und modellierter Spenden wurden in KliWEP2 deshalb die übergebenen Abflussspenden auf
die modellinterne Einzugsgebietsgröße von 7,88 km
2
umgerechnet.
Die Datei "ssd__80-50.tab" enthält in täglicher Auflösung die bei KliWEP1 verwendete relative Sonnen-
scheindauer für den Zeitraum 1980 – 2050. Die relative Sonnenscheindauer wurde hier offensichtlich auf
die Gesamtlänge eines Tages bezogen (24 h) (vgl.
Abbildung 1). WaSiM-ETH benötigt als Eingangsgrö-
ße allerdings Daten der relativen Sonnenscheindauer, bezogen auf die astronomisch mögliche Sonnen-
scheindauer. Als Folge davon wurde bisher durchgehend mit erheblich zu niedrigen Werten für die relati-
ve Sonnenscheindauer gerechnet (vgl.
Abbildung 1). Die aufgezeigte Diskrepanz zwischen angenomme-
ner und tatsächlicher Sonnenscheindauer hat Auswirkungen auf die Berechnung der Verdunstung nach
Penman-Monteith und führt in Abhängigkeit von der Vorgehensweise bei der Kalibrierung entweder zu
Fehlern bei der Abflussberechnung oder zu nur eingeschränkt realistischen Parameterannahmen im Be-
reich der Oberflächenwiderstände. Auch diese Daten wurden für die Berechnungen in KliWEP2 korri-
giert.
Output Ordner
Es wurden zwei undokumentierte DVDs mit Output-Ordnern übergeben: DVD (1):
"Output_2050_FN92_mit Kopplung", DVD (2): "Output_2050_FN2050_mit Kopplung"). Diese DVDs
verfügen über 16945 bzw. 12542 Dateien. DVD (1) enthält im Ordner "vonIBWG" Dateien, die geroutete
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Seite 18
KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
Abflüsse für jeweils den Dezember der Jahre 1980 bis 2004 enthalten. Allerdings enthält keine dieser
Dateien geroutete Abflüsse am Pegel Großbardau für das gesamte Jahr 1986 (wie sie im Abschlussbericht
KliWEP1, Abbildung 27, Seite 60 dargestellt sind) bzw. vollständige Darstellungen für andere Jahre des
Zeitraums 1980-2004.
Nachbildung der im Rahmen von KliWEP1 erzeugten Durchflüsse am Pegel Großbardau
Als Aus-
gangspunkt für das Projekt KliWEP2 wurde versucht, die modellierten Durchflüsse des Schnellbachs
(Abschlussbericht KliWEP1, Seite 60, Abbildung 27) nachzubilden. Dafür wurden die identischen Versi-
onen (2) bzw. (4) der Steuerdatei verwendet.
Trotz intensiver Bemühungen gelang es nicht, die im KliWEP1 – Abschlussbericht dargestellte Durch-
flusskurve auch nur näherungsweise zu reproduzieren. Die von uns auf Grundlage der vorliegenden Pa-
rametrisierung erzeugten Abflüsse weisen wesentlich höhere Spitzen und ein realitätsfernes Abklingver-
halten auf (vgl.
Abbildung 2). Auch ein vorgeschalteter Simulationslauf des Jahres 1985 mit anschließen-
dem Einlesen aller Speicherfüllungen vom 31.12.1985, 24 Uhr brachte lediglich eine geringfügige Verän-
derung der Ganglinie, aber keine Annäherung an die im KliWEP1 – Bericht dargestellte Durchflussgang-
linie.
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
01/86
02/86
03/86
04/86
05/86
06/86
07/86
08/86
09/86
10/86
11/86
12/86
relative Sonnenscheindauer
SSD Kliwep1
SSD Kliwep2
Abbildung 1: Relative Sonnenscheindauer (SSD) bei KliWEP1 sowie im Rahmen von KliWEP2 korri-
gierte Werte
Abbil
Großbardau im Jahr 1986
dung 2: Beobachtete und anhand der Inputdateien von KliWEP1 simulierte Durchflüsse am Pegel
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
01/86
02/86
03/86
04/86
05/86
06/86
07/86
08/86
09/86
10/86
11/86
12/86
m³/s
Messung
Simulation
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KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
Seite 19
3
Modellbeschreibungen
3.1
WaSiM-ETH
3.1.1
Übersicht
WaSiM-ETH ist ein rasterbasiertes flächendifferenziert arbeitendes hydrologisches Einzugsgebietsmo-
dell, welches sich durch ein hohes Maß an Elastizität und Flexibilität auszeichnet. Es wurde zwischen
1993 und 1996 von Jörg Schulla am Geographischen Institut (heute: Institut für Atmosphäre und Klima)
der ETH Zürich entwickelt (Schulla 1997). Die Arbeiten zur Entwicklung des Modells waren Bestandteil
des EU Projektes „Impact of Climate Change on Hydrological Regimes and Water Resources in the Eu-
ropean Community“ (Kwadaijk und Rotmans 1995) und zielten auf die Erfassung der Auswirkungen von
Klimaänderungen auf den regionalen Abfluss und Wasserhaushalt. Damaliges Zielgebiet für den Einsatz
von WaSiM-ETH war das voralpine/alpine Thurgebiet (1700 km
2
) in der Nordost-Schweiz.
logischer Aufg
. B. für die Bewässerungssteuerung in ariden und semi-ariden
Einzugsgebieten (Schulla et al. 1997), zur Untersuchung des Einflusses von Landnutzungsänderungen auf
Abfluss und Wasserhaushalt (Niehoff et al. 2002), zur gekoppelten Hochwasservorhersage (Jasper et al.
2002), zur Rekonstruktion von historischen Extremabflüssen (Reist et al. 2002) oder zur Simulation von
Gletscherschmelze und -abfluss (Klok et al. 2001, Verbunt et al. 2003). WaSiM-ETH wird in etwa 40
Institutionen angewendet, vor allem in Universitäten, Forschungsinstituten, Landesbehörden und Ingeni-
eurbüros. Diese Anwendungen haben sich in zahlreichen Veröffentlichungen niedergeschlagen. Derzeit
(Stand 11/2006) existieren mehr als 20 „peer reviewed“ Publikationen in internationalen Zeitschriften.
Darüber hinaus war WaSiM-ETH bereits Grundlage für mindestens 10 Dissertationen, 12 Diplomarbeiten
sowie zahlreiche weitere wissenschaftliche Beiträgen (u. a. auf Konferenzen).
Das Modell WaSiM-ETH kann in verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalenbereichen angewendet
werden. Bisherige Modellanwendungen erstrecken sich von Lysimeterstandorten (z. B.. Gurtz et al. 2003)
bis hin zu makroskaligen Anwendungen (z. B.. Schulla et al. 1999, Kleinn 2002). Zeitliche Auflösungen
reichen von Minuten bis zu mehreren Tagen. Prinzipiell können mit WaSiM-ETH sowohl Kurzfrist-
(Hochwasserereignisse) als auch Langfristsimulationen (langjährige Wasserhaushaltssimulationen)
durchgeführt werden. In Abhängigkeit von der allgemeinen Datenverfügbarkeit und der hydrologischen
Aufgabenstellung gestattet WaSiM-ETH die optionale Auswahl von Algorithmen für die Simulation
desselben Prozesses. Die minimalen Datenanforderungen an das Modell sind Zeitreihen von Niederschlag
und Temperatur sowie Rasterdaten zur Topographie, der Landnutzung und den Bodeneigenschaften.
Es sind 2 Modellvarianten von WaSiM-ETH verfügbar:
(1) Die ursprüngliche Variante, WaSiM-ETH-1, basiert auf der Anwendung des T
OPMODEL-Ansatzes
(Beven und Kirbky 1979) zur Simulation der Abflussbildung. Dementsprechend wird in WaSiM-ETH-1
das „Konzept der variablen Sättigungsflächen“ verfolgt, ein konzeptioneller Ansatz zur Beschreibung der
Abflusskomponenten zwischen und innerhalb der gesättigten und ungesättigten Bodenzone. Die Verwen-
dung dieses Ansatzes verlangt die Einführung einer Reihe von konzeptionellen (physikalisch nicht be-
gründbaren) Parametern, die im Zuge der Modellkalibrierung anzupassen sind.
(2) Der allgemeine Wunsch nach einem physikalisch besser begründeten Modell wurde schließlich mit
der Entwicklung von WaSiM-ETH-2 erfüllt. Diese erweiterte Modellvariante wurde ab 1998 entwickelt
und enthält als wesentlichen Unterschied zur Vorgängervariante ein verbessertes Bodenmodell, welches
auf der Anwendung der „Richards-Gleichung“ (Richards 1931) beruht. Gleichzeitig mit dem neuen Bo-
denmodell wurde auch ein zweidimensionales Grundwasserströmungs- und Transportmodul in WaSiM-
ETH-2 integriert. Gegenüber der T
OPMODEL-Variante ist die aktuelle Modellvariante (WaSiM-ETH-2)
um eine Vielzahl von Modellerweiterungen bereichert: z. B. erweiterte Interpolations-Routinen für mete-
orologische Daten oder Module zur Erfassung von Gletschern, Be- und Entwässerung, Stofftransport,
künstlichen Speichern sowie externen Zu-, Um- und Ableitungen.
In den Folgejahren wurde WaSiM-ETH fortlaufend erweitert und für die Lösung verschiedenster hydro-
abenstellungen eingesetzt, z
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Seite 20
KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
Grun
r im aktuellen Projekt KliWEP2 du
die
ante WaSiM-ETH-2 (Richards-Gl
dlage de
rchgeführten Weiterentwicklungen und Simulationen ist
Modellvari
eichung), welche zum Projektstart im Juli 2005 in der
Version 5.0 / Rev. 18 vorliegt.
utscher als auch in englischer Sprache voll dokumentiert (Schulla und Jas-
8, 2000)
er Entwicklergruppe, Dr. Jörg Schulla und Dr. Karsten Jasper, kostenfrei
zur Verfügung gestellt
(http://homepage.hispeed.ch/wasim/download.html).
WaSiM-ETH ist sowohl in de
per 199
und wird von d
3.1.2
Modellstruktur
Abbildung 3 veranschaulicht den modularen Aufbau von WaSiM-ETH. Es sind sowohl die Modellkom-
ponenten als auch die simulierten vertikalen und lateralen Wasserflüsse skizziert. Die Module im grau
unterlegten Bereich berechnen den Wasserfluss pro Gitterzelle, wohingegen Prozesse wie die Abfluss-
konzentration auf der Basis von Teilgebieten abgebildet werden.
Abschattungs- und
Expositionskorrektur für
Strahlung und Temperatur
potentielle and reale
Evapotranspiration
Interzeption
Abflussrouting
gesättigte Zone
Boden-(Wurzel)speicher
und ungesättigte Zone
(Schichten nur bei R
ICHARDS-Gleichung)
zellweise Berechnung
Evaporation von der
Schneeoberfläche
Evaporation aus dem
Interzeptionspeicher
Evapotranspiration
aus dem Boden und
von der Vegetation
Bildung von Ober-
flächenabfluss
Bildung von
Basisabfluss
Gesamtabfluss
Translations-Retentions-
Verfahren mit konstanten
Parametern
Infiltrationsmodell nach
Green
& Ampt (1911)
mit Sättigungszeit nach
Peschke
(1977, 1987)
LAI-abhängige Speicher-
kapazität; Entleerung durch
potentielle Evaporation
Kombinationsverfahren
nach Anderson (1973)
oder T-Index-Verfahren
Penman-Monteith nach
MORECS-Schema
(Thompson et al. 1981)
inverse distanzgewichtete
Interpolation (IDW) und/
oder höhenabhängige
Regression; Thiessen
Strahlungskorrektur
abhängig von Sonnenstand
und Hanggeometrie
Niederschlagskorrektur
windabhängige Korrektur
für Schnee und Regen
getrennt
Bildung von
Interflow
Stationswerte oder im
Einlesen der meteoro-
logischen Datensätze
Preprocessing berechnete
Höhenprofile
Interpolation der
meteorologischen
Eingangsdaten
TOPMODEL – Sättigungs-
flächenansatz nach Beven
& Kirkby (1979)
ODER
R
ICHARDS-Gleichung in
diskretisierten Schichten
und Kopplung an
2D-Grundwassermodell
Infiltration/Bildung von
Oberflächenabfluss
Schneeakkumulation
und Schneeschmelze
Gletscherabfluss
Abbildung 3: Modellkomponenten und Datenflüsse in WaSiM-ETH
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KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
Seite 21
Eine bedeutende Modellkomponente stellen Tools zur räumlichen Interpolation der meteorologischen
Daten auf das Modellgitter dar, welche in WaSiM-ETH mit unterschiedlich komplexen Verfahren durch-
geführt werden kann. Daneben
bietet das Modell auch Werkzeuge, um die Effekte von Hangneigung und
gime wird über ein separates
Teilmodell erfasst (Ansatz nach Hock 1999). Die Evapotranspiration wird vorzugsweise nach Penman-
ith sim
er alternativ auch über weniger datenintensive Verfahren wie den Ansät-
zen von Wendling (1975), Hamon (1961) oder Haude (1955) berechnet werden. Das Eindringen von
hung bilanziert (vgl. Abbildung 4). Für
as Abflussrouting im Gerinne verwendet WaSiM-ETH den kinematischen Wellenansatz.
Hangausrichtung auf Abschattung und einfallende Strahlung und Temperatur zu berücksichtigen (Ansatz
nach Oke 1987). Die Prozesse von Schneeakkumulation und Schneeschmelze können mit Hilfe von Tem-
peratur-Index-Verfahren oder einfachen Energiebilanz-Verfahren modelliert werden (Braun 1985). Der
Einfluss von vergletscherten Flächen auf die Wasserbilanz und das Abflussre
Monte
uliert. Sie kann ab
Wasser in den Boden wird durch das auf den Infiltrationsansatz nach Green und Ampt (1911) aufbauende
„Zweistufenmodell von Peschke“ beschrieben (1977, 1987). Dieses Infiltrationsmodell ist in WaSiM-
ETH-2 vollständig ins Modell der ungesättigten Bodenzone integriert. Die vertikalen Wasserflüsse zwi-
schen den Bodenschichten werden auf Basis der Richards-Gleic
d
Schichten mit unterschiedlicher
hydraulischer Leitfähigkeit
(unten: mit Drainage)
undurchlässige Schicht
Bodentiefe
GW-
Spiegel
GW
(gesättigte
Zone)
Schicht
j
Schicht
j
-1
Schicht
j
+1
q
upper
q
lower
Δ
q
Evaporation / Transpiration
Abbildung 4: Simulation der vertikalen Bodenwasserflüsse in WaSiM-ETH-2
Bei der Anwendung von WaSiM-ETH müssen jeweils nicht alle Teilmodelle zur selben Zeit aktiviert
sein. Vielmehr kann der Nutzer in Abhängigkeit von der Zielstellung seiner Anwendung und der Daten-
verfügbarkeit entscheiden, welche Teilmodelle durchlaufen werden. Eine sogenannte Steuerdatei teilt
dem Modell mit, welche aktuelle Modellkonfiguration zu nutzen ist. Diese Steuerdatei ist das zentrale
Instrument, mit dem der Anwender auf die Modellierung Einfluss nehmen kann (z. B. Festlegung der
Parameterwerte und Modellausgaben).
3.1.3
Modellumgebung
Es existieren zahlreiche WaSiM-ETH Zusatz-Tools, mit deren Hilfe der Anwender aufwändige Prozedu-
ren im Pre- und Postprocessing verkürzen kann (siehe Schulla und Jasper 1998, 2000). Hervorhebenswert
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sind Werkzeuge zur zeitlichen und räumlichen Interpolation von meteorologischen Stationsdaten (z. B.
Berechnung von Regressionsbeziehungen) sowie diverse Gridbearbeitungs- und -visualisierungstools,
darunter das topographische Analyse-Programm T
ANALYS. In Abbildung 5 ist die Funktionsweise dieses
Tools skizziert. Basierend auf einem digitalen Höhenmodell werden mit Hilfe von T
ANALYS automatisiert
verschiedene raumbezogene Datensätze generiert, von denen die grau hinterlegten Daten als Eingangsda-
tensätze für WaSiM-ETH genutzt werden können.
digitales Höhenmodell DHM
Gefälle
Exposition
Senken entfernen
korr. Fliessrichtungen
korr. Fliessakkumulation
korr. Fluss
Fliessrichtung
Fliessakkumulation
Flussnetz
netz
Profilwölbung
Planwölbung
Wölbung
Flussordnungen
Flussabschnittsnummern
korr Flussordnungen
korr. Flussnummern
Separieren best.
Flussordnungen
Fliesszeiten und
Fliesszeitsummen
Mündungspunkte
Pegelkoordinaten
Einzugsgebiete
Entwässerungsstruktur
mit Gerinneparametern
iterativ
iterativ
Horizont-
überhöhung
Flusstiefen
Flussbreiten
Routingstrecken
Abbildung 5: Topographische Analyse des digitalen Höhenmodells mit T
ANALYS
Die WaSiM-ETH Toolbox unterstützt den Anwender nicht nur bei der statistischen Analyse der Ein-
gangs- und Ausgabedaten, sondern stellt auch Werkzeuge zu deren Weiterverarbeitung und Visualisie-
rung bereit. Da WaSiM-ETH standardisierte Datenformate verwendet (z. B. Gridformat entsprechend
dem GIS Arc/Info), ist jedoch auch eine unkomplizierte Nutzung von externen Software-Produkten für
die Datenanalyse möglich. Prinzipiell ist WaSiM-ETH sowohl in einer Windows- als auch in einer Linux-
oder Unix-Systemumgebung lauffähig. Bedingung ist das Vorhandensein eines Ansi-C++ Compilers.
3.1.4
Modellkomponenten
Auf eine detaillierte Beschreibung der in WaSiM-ETH implementierten Teilmodelle wird in diesem Be-
richt bewusst verzichtet. Hierzu wird auf die ausführlichen Darstellungen im KliWEP1-Bericht 2004 (vgl.
s
d Jasper 1998, 2000) ver-
en mit den derzeit imple-
Kapitel 4.2.3) owie auf die umfangreiche WaSiM-Dokumentation (Schulla un
wiesen. Im Folgenden erfolgt lediglich eine Auflistung der Modellkomponent
mentierten Ansätzen.
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Tabelle 2:
WaSiM-ETH Modellkomponenten und implementierte Ansätze
Modellkomponente Verwendeter Ansatz
Niederschlagskorrektur
temperatur- und windabhängige Korrektur (Sevruk 1986); Korrek-
tur erfolgt getrennt für Regen und Schnee
Interpolation der meteorologi-
(1) inverse dis
schen Eingangsdaten
tanzgewichtete Interpolation (IDW)
(2) höhenabhängige Regression
(3) Kombination aus (1) und (2)
(4) Interpolation nach Thiessen-Polygon
(5) bilineare Interpolation
(6) bilineare Interpolation der Gradienten und Residuen
(7) bikubische Spline-Interpolation
(8) bikubische Spline-Interpolation der Gradienten und Residuen
Abschattungs-, Hangneigungs-
und Expositionskorrektur für
Strahlung und Temperatur
Oke (1987)
Evapotranspiration
(1) Penman-Monteith (Monteith und Unsworth 1990)
(2) Wendling (1975)
(3) Hamon (1961)
(4) Haude (1955)
Schneeakkumulation und Schnee-
schmelze
(1) (klassische) Temperatur-Index-Methode
(2) Temperatur-Wind-Index-Methode (Braun 1985)
(3) einfache Energiebilanz-Methode (Anderson 1973)
Gletscherschmelze und –abfluss
(1) (klassische) Temperatur-Index-Methode
(2) Hock (1999)
Interzeption einfaches Überlaufmodell
Bodenwasserdynamik
Infiltration nach Green und Ampt (1911) mit Erweiterung nach
vertikale Wasserbewegung in der ungesättigten Bodenzone basie-
Berechnung von (Mischungs-)Konzentrationen in allen Teilmodel-
len
Peschke (1977, 1987);
rend auf der Richards-Gleichung (1931) mit Parametrisierung
nach van Genuchten (1980)
Grundwasserdynamik Finite Elemente Methode;
iterative Lösung der Strömungs- und Transportgleichung;
Berücksichtigung geschichteter Grundwasserleiter
Stofftransport Berücksichtigung von radioaktiven und nichtradioaktiven Tracern;
Abflusskonzentration
ELS-Kaskade mit Berücksichtigung von Translationszeiten
Abflussrouting
kinematischer Wellenansatz (Lighthill und Witham 1955)
3.1.5
Güte der Modellierung
aSiM-ETH berechnet verschiedene Gütekriterien, um die Qualität der Modellierung einzuschätzen. Bei
diesen „goodness-of-fit“ Berechnungen werden die gemessenen und simulierten Abflussdaten miteinan-
der verglichen. Als Gütemaß wird das in der hydrologischen Modellierung weit verbreitete Effizienzkrite-
rium R
2
nach Nash-Sutcliffe (1970) verwendet. Es berechnet sich nach
W
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()
=
()
n
i
x
i
x
1
2
Gleichung 1
R
2
=
1−
In dieser Gleichung sind
x
i
der gem
=
i
x
i
y
i
1
n
2
essene Abfluss,
y
i
der simulierte Abfluss,
x
der mittlere gemessene
Abfluss und
n
die Anzahl der Interv
wischen minus unendlich
und 1 liegen. Werte nahe 1 signalisi
den gemes-
senen Abfluss. WaSiM-ETH ermitte
nzkriterium.
Während das lineare Kriterium vor
ird
durch
R
2
-log
eher die Anpassungsgü
von
H ausgegeben wird, ist das Maß der erklärten Varianz
alle, für die
R
2
berechnet wird.
R
2
kann z
eren eine rechnerisch gute Anpassung des simulierten an
lt sowohl das lineare als auch das logarithmische Effizie
allem die Wiedergabe der Hochwasserspitzen berücksichtigt, w
te für den Mittel- und Niedrigwasserbereich erfasst.
Ein weiteres Gütemaß, welches
(
EV
,
WaSiM-ET
explained variance coefficient). Gege
sie systematische Ordinatenversch
nüber
R
2
zeichnet sich die erklärte Varianz dadurch aus, dass
iebungen der modellierten gegenüber den gemessenen Daten erkennt
eliminiert.
PCGEOFIM
ndl
ist das Wasser, welche
sfüllt. Es unterliegt der Schwerkraft und
ewegung herrührenden
ndwasserleiter (Aquifer) bezeichnet man
der Hohlräum
er-
laubt. Er kann auch geschichtet sein,
lässige Materialien lagern übereinander (vgl.
Abbildung 6).
Mehrere Grundwasserleiter können
. Man
dwasserstockwe
r Grundwasserleiter werden mit Hilfe
-Wert) und d
r-
stand wird in Pegeln beobachtet, die
versehen
sind. Es stellt sich im Standrohr ein
höhe bezeichnet.
det den freien bzw. u
e
Berandung des Strömungsraumes du
e
beschreibt die Lage des wassergefüll
ereichs im Aquifer. Im zweiten Falle begrenzt eine undurchläs-
ungsraum. D
dwasser
n unserem Be
et unge-
undwasserleiter 2 b
und diesen Einfluss
3.2
®
3.2.1
Physikalische Gru
agen
Grundwasser
den aus der B
s Hohlräume im Gestein au
Reibungskräften. Als Gru
einen Gesteinskörper,
e enthält und so eine Wasserbewegung und Wasserspeicherung
d. h. verschieden durch
durch schlechter leitende Schichten voneinander getrennt sein
spricht dann von Grun
der Durchlässigkeit (k
rken. Die Eigenschaften de
em Speichervermögen (S
0
-Wert) charakterisiert. Der Grundwasse
im Grundwasserleiter verfiltert und mit einem Standrohr
Wasserspiegel ein, den man als Standrohrspiegel
f
Man unterschei
ngespannten und den gespannten Spiegel. Im ersten Fall ist die ober
rch den wassergefüllten Bereich gegeben. Die Standrohrspiegelhöh
ten B
sige Schicht den Ström
herrschenden Druck. I
ie Standrohrspiegelhöhe ist dann ein Maß für den im Grun
ispiel ist der Grundwasserleiter 1 bis auf das Zehrungsgebi
spannt und der Gr
is auf den Bereich der Verbindung immer gespannt.
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Abbildung 6: Schematische Darstellung eines Grundwasserstockwerkes mit zwei geschichteten Grund-
e Gesetz
mit
ρ
- Dichte des Grundwassers, n
e
- entwässerbare Porosität und q - Massenstromdichte. Die Kontinui-
tätsgleichung beinhaltet das physikalische Gesetz der Massenerhaltung: Die zeitliche Änderung des
Grundwasservorrates wird hervorgerufen von der Grundwasserströmung (mathematisch beschrieben
durch die Divergenz) und von Quellen (q > 0) und Senken (q < 0). Am Beispiel eines finiten Volumen-
elementes soll der physikalische Hintergrund der Kontinuitätsgleichung erläutert werden. In Abbildung 7
ist ein solches Element dargestellt. Es wurde ein Element mit freier Oberfläche ausgewählt. Die Vorrats-
änderung im finiten Volumenelement, die sich im Ansteigen oder Sinken des Grundwasserspiegels aus-
drückt, wird hervorgerufen durch Flüsse zu den Nachbarn im gleichen Grundwasserleiter, durch einen
Zu- oder Abfluss zu einem darunter liegenden Grundwasserleiter, durch die Grundwasserneubildung und
durch innere Quellen bzw. Senken. Ein Beispiel für innere Quellen sind Infiltrationsbrunnen, Förderbrun-
nen sind innere Senken. Die Kontinuitätsgleichung enthält implizit die Standrohrspiegelhöhe h(x,y,z,t) als
abhängige Variable, da die Dichte, das Speichervermögen und die Darcy-Geschwindigkeit als Funktion
wasserleitern
Die Bewegung des Grundwassers wird durch Standrohrspiegelhöhenunterschiede im Grundwasserleiter
bzw. im Grundwasserstockwerk bewirkt. Das Wasser bewegt sich vom höheren zum niedrigeren Stand-
rohrspiegel. Die Fließgeschwindigkeit hängt dabei ganz wesentlich von der Durchlässigkeit des Grund-
wasserleiters ab. Je größer die Durchlässigkeit ist, umso größer ist bei gleicher Potenzialdifferenz die
Fließgeschwindigkeit. Der französische Ingenieur Henry d'Arcy entdeckte 1856 für poröse Medien das
nach ihm benannt
v
Dar
= -k
f
grad h
Gleichung 2
mit h - Standrohrspiegelhöhe, k
f
- Durchlässigkeit und v
DAR
- die Darcy- bzw. Filtergeschwindigkeit. Die
Darcy-Geschwindigkeit ist eine fiktive Geschwindigkeit. Messbar sind nur der Volumenstrom und die
Abstandsgeschwindigkeit. Die Grundwasserströmung kann mathematisch durch die Kontinuitätsglei-
chung beschrieben werden:
n
e
∂ρ/∂t
+ div (ρv
Dar
) = q
Gleichung 3
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von h dargestellt werden können. Je nach dem, ob der Grundwasserspiegel gespannt oder ungespannt ist,
erhält man zwei verschiedene partielle Differenzialgleichungen zur Berechnung der Standrohrspiegelhö-
he. Sie sind Grundlage für alle Grundwassermodellierungen.
ungespannter Spiegel:
div ( k
f
h grad h ) = n
e
∂h
/
∂t
- V
A
Gleichung 4
gespannter Spiegel:
div ( k
f
grad h ) = S
0
∂h
/
∂t
- V
V
Gleichung 5
mit:
k
f
: kf-Wert [m/s]
n
e
: entwässerbare Porosität [-]
S
0
: spezifischer Speicherkoeffizient [1/m]
H: Standrohrspiegelhöhe [m]
V
A
: Flächenstromdichte [m/s]
V
V
: Volumenstromdichte [1/s]
Abbildung 7: Schematische Darstellung der Grundwasserbilanz in einem finiten Volumenelement
Aus der Mathematik ist bekannt, dass die Lösung einer partiellen Differenzialgleichung nur möglich ist,
wenn neben den Parametern der Differenzialgleichung auch die Anfangs- und die Randbedingungen
bekannt sind.
Anfangs- und Randbedingungen
Die Modellierung der Grundwasserströmung ist nur möglich, wenn im gesamten Untersuchungsgebiet die
Standrohrspiegelhöhe als Funktion des Ortes zu Beginn der Berechnung bekannt ist. Die bei einer Stich-
tagsmessung ermittelten Spiegelhöhen werden im Allgemeinen als Linien gleicher Grundwasserstände
(Isolinien) dargestellt und gehen als Anfangsbedingung in die Berechnung ein.
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(federführend), Maconring 98a, 67434 Neustadt/Wstr.
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Randbedingungen stellen die Kenntnis der Standrohrspiegelhöhe oder des jeweiligen Randzu- bzw. -
abflusses oder eine Kombination von beiden an den Rändern des Aquifers dar. Ohne die Kenntnis dieser
Randbedingungen als Funktion der Zeit ist die Lösung der Grundwasserströmungsgleichung
nicht mög-
gen beeinflussen die Lösung ganz wesentlich, so dass die Randbedingungen be-
rmulieren sind. Man unterscheidet:
- Randbedingunge
piegelhöhe), beispielsweise Wasse
Oberflächengewässern, die vom Grundwasser unbeeinflusst bleiben, weit entfernte Ränder, die von
der Grundwasserströmung im zu modellierenden Gebiet unwesentlich beeinflusst werden, künstlich
iale durch Infiltration oder Entnahme;
-
Randbedingunge
mung), beispielsweise ein von
speister Grundwasserstrom und die undurchlässige Barriere;
dbedingungen 3. Art (gemischte Randbedingung), beispielsweise kolmatierte Oberflächengewäs-
ser.
Die Rän
ss sich einfache Randbedingungen formulieren lassen,
diese be
von der Grundwasserströmung möglichst nicht
veränder
Im Prog
den hier aufgeführten Randbedingungen gekoppelte
dbed
um die zeitliche und örtliche Entwicklung des Grund-
asserstandes in einem vom Bergbau beeinflussten Gebiet modellieren zu können. Mit Hilfe gekoppelter
Randbedingungen 3. Art werden Vertikal- und Horizontalfilterbunnen, Stand- und Fließgewässer adäquat
beschrieben.
Am Beispiel Standgewässer soll die Vorgehensweise vorgestellt werden. Das Standgewässer geht mit
seiner Hohlform in die Berechnung ein. Das Restloch besitzt einen Wasserstand und ist, wie Abbildung 8
zeigt, über viele horizontale und vertikale Leitwerte mit dem Aquifer verbunden.
lich. Die Randbedingun
sonders sorgfältig zu fo
n 1. Art (Vorgabe der Standrohrs
rspiegel von
gestützte Potenz
n 2. Art (Vorgabe einer Zu- oder Abströ
außen einge-
-
Ran
der werden im Allgemeinen so gewählt, da
kannt sind oder gemessen werden können und
t werden.
rammsystem PCGEOFIM
®
sind neben
Ran
w
ingungen 3. Art implementiert worden,
Abbildung 8: Horizontale und vertikale Kopplungen eines Restlochs an den Aquifer
3.2.2
Die numerische
Lösung der Strömungsgleichung
ungen existieren analytische Lösungen der partiellen Differenzialglei-
rgibt sich aus der im Pro-
grammsystem PCGEOFIM implementierten Möglichkeit, das Gitternetz lokal durch Lupen zu verfei-
nern.
Nur für sehr einfache Problemstell
chung der Grundwasserströmung. Im Allgemeinen werden komplexe Problemstellungen numerisch ge-
löst. Die im Programmsystem PCGEOFIM
®
verwendete numerische Lösung basiert auf der Finite-
Volumen-Methode, einem sehr modernen numerischen Lösungsverfahren, das sich durch Bilanztreue und
relativ flexible Gitterstrukturen auszeichnet. Die Flexibilität der Gitterstruktur e
®
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Die Vorgehensweise soll an dem in Abbildung 6 dargestellten Beispiel erläutert werden. Das gesamte zu
untersuchende Gebiet wird in finite Volumen unterteilt. Die Größe der finiten Volumen wird so gewählt,
dass die Geometrie, die hydrogeologischen Eigenschaften der Grundwasserleiter und die Randbedingun-
gen genügend genau erfasst werden. In Abbildung 9 ist die Diskretisierung des eingangs vorgestellten
Beispiels visualisiert.
Abbildung 9:
Diskretisierung des Grundwasserstockwerkes in finite Volumen
F
bare Porosität,
ür jedes Volumenelement sind der Schwerpunkt, die Abmessungen, die Durchlässigkeit, die entwässer-
der spezifische Speicherkoeffizient, die Grundwasserneubildung, innere Quellen bzw.
Senken, der Anfangswasserstand und eventuell wirkende Randbedingungen vorzugeben. Die zu untersu-
chenden Gebiete erstrecken sich im Allgemeinen über viele Quadratkilometer und verfügen über mehrere,
teilweise gekoppelte Grundwasserleiter, so dass oft mehr als 100 000 finite Volumenelemente benötigt
werden, um das Geschehen im Aquifer mit ausreichender Genauigkeit beschreiben zu können.
Die der finiten Volumenmethode angepasste Darstellung der partiellen Differenzialgleichungen (vgl.
Gleichung 4) erhält man, wenn diese Gleichungen in die Integraldarstellung überführt werden:
h
∂/∂t ∫
z
∫∫
n
e
dF dz =
∫∫
k
f
grad h do + V
q ijk
(ungespannter Spiegel)
ΔF
ijk
ΔO
ijk
Gleichung 6
∂/∂t ∫∫∫
S
0
h dV =
∫∫
k
f
grad h do + V
q ijk
(gespannter Spiegel)
ΔV
ijk
ΔO
ijk
Gleichung 7
(Vorratsänderung = Zu- und Abflüsse + Quellen und Senken)
Die Vorratsänderung im finiten Volumenelement wird bewirkt durch Zu- und Abflüsse über die Beran-
nd durc
enelement ijk wird die Grundwasser-
aufges
fungen zu den Nachbarn in positiver
dung u
h innere Quellen und Senken. Für jedes finite Volum
bilanz
tellt. Die zeigt ein solches Element und die Verknüp
und negativer x- und y-Richtung und zum darunter liegenden Grundwasserleiter. In jedem finiten Volu-
menelement wird der Grundwasserstand zur Zeit t durch die Variable h(i,j,k,t) repräsentiert. Durch die
Verknüpfung zu den benachbarten, den darüber- und den darunter liegenden finiten Volumenelementen
entsteht so ein sehr großes Gleichungssystem zur Berechnung der Standrohrspiegelhöhen h(i,j,k,t+dt),
wenn der Zustand zur Zeit t und die Standrohrspiegelhöhen auf dem Rand bekannt sind. Ausgehend vom
Anfangszustand können so die Standrohrspiegelhöhen für jeden beliebigen Zeitpunkt danach berechnet
werden.
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Abbildung 10: Das finite Volumenelement ijk mit den Verbindungen zu den Nachbarn
ktion kurz
un
isierte Kopplung des Simula-
rs Geo
Kapitel vo
3.2.3
Programmsystem PCGEOFIM
®
Realisiert wurde der beschriebene Algorithmus im Programmsystem PCGEOFIM
®
. Es ist ein Programm-
system zur Berechnung der Geofiltration und der Geomigration (
P
rogramsystem for
C
omputation of
GEOFI
ltration and geo
M
igration). Unter Geofiltration wird die Grundwasserströmung verstanden. Geo-
migration charakterisiert den Transport, den Abbau und mögliche Wechselwirkungen (Reaktionen) von
löslichen Stoffen (in der Regel Wasserschadstoffen) im Wasser und mit der Bodenmatrix.
In
Tabelle 3 sind die zum Programmsystem gehörenden Komponenten aufgelistet und ihre Fun
erläutert.
Die im Rahmen
des Forschungs- und Entwickl gsvorhabens KliWEP real
to
fim mit dem Bodenwasserhaushaltsmodell WaSiM-ETH wird im nächsten
rgestellt.
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Tabelle 3:
Komponenten des Programmsystems PCGEOFIM
®
Komponente Funktion
Pcgedit dBASE™-Routine zur Redigierung von dBASE-Dateien für Nutzer, die kein dBASE besitzen.
Geofim
Mengenströmung:
Berechnung der Grundwasserströmung nach der Finite-Volumen-Methode, 1,
2- oder 3-dimensional, Grundwasserneubildung flurabstands- und zeitabhängig, Randbedingungen
1., 2. und 3. Art mit Beschränkungen, Berücksichtigung von Einzelbrunnen, Brunnengruppen,
Brunnengalerien, Kopplung von Grund- und Oberflächenwasser (Flüsse, Seen und Restlöcher),
Berechnung von Isochronen und Bahnlinien
Transport:
Berechnung des Transportes von bis zu 15 Migranden im Grundwasser nach dem
Front-Limitation-Algorithmus, Berechnung des Transportes eines Migranden im Grundwasser mit
Hilfe des Random-Walk-Verfahrens, Berechnung des reaktiven Stofftransports im Grundwasser
durch Kopplung mit PHREEQC
Parameteridentifikation:
Mit Hilfe der Sensitivitätsmethode werden die Parameter, welche die
Prozesse Strömung und Transport beschreiben, gezielt verändert, so dass die gemessenen Spiegel-
höhen oder Konzentrationen mit minimaler Abweichung widergespiegelt werden.
PCGEOFIM
®
Sammlung von 30 Tools zur Unterstützung des Anwenders bei der Erstellung der Datenbasis und
zur Auswertung von Ergebnissen. Eingabedaten und Ergebnisse können in tabellarischer und in
graphischer Form visualisiert werden. Die Ausgabe erfolgt am Bildschirm, auf Druckern und Plot-
tern und kann zu GIS mit Hilfe der AutoCAD™-Schnittstelle exportiert werden.
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4
W eiterentwicklung von WaSiM-ETH
M
Eines der zentr
serströmungs- u
zu verbessern.
überarbeitet we
ntervalle für den Datenaustausch ist vorzusehen.
Während in Kl
Geofim) und W
den Modellen
Minimierung d
werden. In der
fläche von Geo
vom Grundwas
Ta
teln 4.1.2-4.1.4
belle 4:
Neu (KliWEP2)
Bisher (KliWEP1)
odellkopplung WaSiM-ETH mit PCGEOFIM
®
4.1
alen Anliegen von KliWEP2 besteht darin, den Datenaustausch zwischen dem Grundwas-
nd -transportmodell Geofim und dem hydrologischen Einzugsgebietsmodell WaSiM-ETH
Dazu sollen insbesondere die Kopplungsmechanismen zwischen den beiden Modellen
rden. Eine signifikante Verkürzung der I
iWEP1 die Kopplung zwischen PCGEOFIM
®
(oder präziser formuliert seines Simulators
aSiM-ETH auf Monatsschrittbasis vollzogen wurde, soll nun der Datenabgleich zwischen
pro Rechenzeitschritt, d. h. auf Tagesschrittbasis, erfolgen. Damit soll insbesondere eine
er Unterschiede in den von beiden Modellen berechneten Grundwasseroberflächen erreicht
Aufgabenstellung zu KliWEP2 heißt es weiter, dass die Übergabe der Grundwasserober-
fim an WaSiM-ETH „physikalisch korrekt“, d. h. mit der notwendigen Anpassung aller
serstand beeinflussten Parameter, zu erfolgen hat.
Gegenüber der
lung die in
in KliWEP1 realisierten Kopplung Geofim/WaSiM-ETH enthält die aktuelle Modellkopp-
belle 4 benannten Erweiterungen (vgl. auch ausführlichere Darstellung in den Kapi-
).
Ta
Realisierte Erweiterungen in der Online-Kopplung Geofim/WaSiM-ETH
Geofim und WaSiM-ETH:
Datenaustausch pro Rechenzeitschritt (1 Tag) mit Hilfe von Syn-
chronisationsdateien (ohne Notwendigkeit von Modellneustarts)
Datenaustausch einmal pro Monat
mit jeweils neuen Modellstarts
WaSiM-ETH:
physikalisch korrekte Übernahme der von Geofim bereitgestellten
Grundwasseroberfläche; Mitführung eines Bilanzengrids
kein bilanzreiner Datenabgleich
zwischen Geofim und WaSiM-
ETH
WaSiM-ETH:
separate Ausweisung der Bodenwasserflüsse (1) Perkolation
(Grundwassernährung = positive Grundwasserneubildung), (2)
kapillarer Aufstieg (Grundwasserzehrung = negative Grundwasser-
neubildung) und (3) Netto-Grundwasserbildung
Ausweisung der Netto-
Grundwasserneubildung
WaSiM-ETH:
zeitschrittweise Bereitstellung von geroutetem Direktabfluss (ober-
irdischer Abfluss) und Interflow (an Teilgebietsauslässen) in sepa-
raten Statistik-Files
Berücksichtigung des ungerouteten
Direktabflusses und Interflow
4.1.1
Prinzipielle Vorgehensweise
Das Simulationsprogramm Geofim berechnet aus dem Parametermodell und dem Signalmodell die
Grundwasserstände und die Wasserstände in den Fließ- und Standgewässern. Das Einzugsgebietsmodell
WaSiM-ETH berechnet aus meteorologischen Daten, einem digitalen Geländemodell, der Bodennutzung,
der Bodenart und dem Grundwasserflurabstand den Oberflächenlandabfluss, den Interflow und die
Grundwasserneubildung.
Bei der Online-Kopplung übergibt das Programm Geofim dem Modell WaSiM-ETH die aktuelle Grund-
wasseroberfläche und übernimmt die drei Komponenten Grundwasserneubildung, Oberflächenlandab-
fluss und Interflow.
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In
st die realisierte Online-Kopplung Geofim/WaSiM-ETH
und
TH werden gleichzeitig gestartet. Die Synchronisation b
Tabelle 5 i
schematisch dargestellt. Geofim
WaSiM-E
eider Programme erfolgt über die
Synchronisations-Files geofim.inf und wasim.inf, die bei Existenz anzeigen, dass die Austauschdaten im
Exchange-Directory abgelegt worden sind.
Tabelle
5:
Online-Kopplung Geofim/WaSiM-ETH
Iteration Geofim WaSiM-ETH
Einlesen der Datenbasis
Einlesen der Steuerdatei und aller benötigten
Daten
Aufbau der internen Geofim-Strukturen
Aufbau der internen WaSiM-ETH-Strukturen
do t = ta, te, 1 d
Ausgabe Grundwasseroberfläche als binäres
Grid für den Zeitpunkt t:
home\wasim\exchange\gwstand.grd
Schreiben des Synchronisations-Files:
home\wasim\exchange\wasim.inf
Wait bis Synchronisations-File
home\wasim\exchange\wasim.inf
existiert. Löschen der Synchronisations-Files,
Übernahme der Grundwasseroberfläche
Simulation
des Bodenwasserhaushaltes für
home\wasim\exchange\geofim.inf
Oberflächenlandabflusses und des Interflow
Grid in [mm/d] für den Zeitraum t bis t+1 d:
home\wasim\exchange\gwn.grd
landabflusses und
des In
edes Einzugsge-
biet als ASCII-Tabelle für den Zeitraum t bis
t+1 d: home\wasim\exchange\qdir.tab, ho-
e\w
chre
home\wasim\exchange\geofim.inf
enddo
eventuell Ausgabe von Zwischenergebnissen
event
sgabe von Zwischenergebnissen
Endausgabe Endausgabe
einen Tag
Wait bis Synchronisations-File
Ausgabe Grundwasserneubildung als binäres
existiert. Löschen der Synchronisations-Files,
Übernahme der Grundwasserneubildung, des
Ausgabe des Oberflächen
terflow in [mm/d] für j
m
S
asim\exchange\qifl.tab
iben des Synchronisations-Files
Simulation der Grund- und Oberflächenwas-
serströmung für 1 d
uell Au
Nach dem Einlesen der benötigten Daten und dem Aufbau der inte
samte Betrachtungszeitraum in Tagesschritte unterteilt. Bevor die
mung erfolgt, wird ein binäres Gri
rn
rd der ge-
Simulation der Grund- und Oberflä-
d der Grundwasseroberfläche und die Synchronisations-
ula
d
t h
ofim
zeitig auf einem PC abgearbeitet werden.
en Geofim-Strukturen wi
chenwasserströ
datei wasim.inf im Exchange-Directory abgelegt. Die Geofim-Sim
Modell WaSiM-ETH mit Hilfe der von Geofim übergebenen Grun
neubildung, den oberirdischen Abfluss und den Interflow berechne
und WaSiM-ETH gleich
tion wird erst fortgesetzt, wenn das
wasseroberfläche die Grundwasser-
at. Abbildung 11 zeigt, wie Ge
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image
KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
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Abbildung 11: Online-Kopplung Geofim und WaSiM-ETH
4.1.2
Physikalisch korrekte Übernahme der Grundwasseroberfläche
Die Übernahme der Grundwasseroberfläche von Geofim in WaSiM-ETH erfordert eine umfassende An-
passung von Zustandsvariablen im Bodenmodell von WaSiM-ETH. Die
Durchführung dieser Anpassung
t nicht trivial. Innerhalb der KliWEP2-Bearbeitergruppe wurden die notwendigen Modifikationen von
WaSiM-ETH eingehend diskutiert und intensiv getestet. Hierbei musste berücksichtigt werden, dass
Geofim und WaSiM-ETH unterschiedliche Bodenmodelle (Struktur und Parametrisierung) nutzen und ein
unmittelbarer Datenaustausch nicht möglich ist. In den folgenden Kapiteln (Variante 1, Variante 2) sind
zwei mögliche Kopplungsalternativen und der Diskussionsprozess innerhalb der Bearbeitergruppe skiz-
ziert, welcher schließlich zu der Favorisierung von Variante 2 führte.
Variante 1
WaSiM-ETH übernimmt im Kopplungsmodus zu Beginn eines jeden Simulationszeitschrittes die von
Geofim im Exchange-Directory bereitgestellten Daten zur aktuellen Grundwasseroberfläche. Dieser Da-
tensatz wird mit der zuvor von WaSiM-ETH ermittelten Grundwasseroberfläche verglichen und die Dif-
ferenz aus beiden mit der entwässerbaren oder auffüllbaren Porosität multipliziert und in einen Volumen-
is
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strom umgerechnet. Mit Hilfe des Zeitintervalls kann dieser Volumenstrom anschließend auf ein absolu-
tes Volumen überführt werden.
Dieses Volumen entspricht der Wassermenge, welche neu in der Bodenwasserbilanz von WaSiM-ETH
berücksichtigt werden muss. Die Differenz zwischen der von Geofim übernommenen und von WaSiM-
ETH ermittelten Grundwasseroberfläche muss ausgeglichen werden; d. h. die zuvor ungesättigte Boden-
zone über der alten Grundwasseroberfläche (WaSiM-ETH) wird unter Berücksichtigung der auffüllbaren
Porosität in eine gesättigte Bodenzone überführt. Im anderen Fall, also wenn die von Geofim ermittelte
Grundwasseroberfläche unterhalb der von WaSiM-ETH berechneten liegt, muss ein zuvor vom Grund-
wasser gesättigter Bodenbereich teilweise entleert und in eine ungesättigte Bodenzone umgewandelt
werden (vgl. Abbildung 12). Für diesen Austauschvorgang werden Bodenwassergehalte verwendet, die
oberhalb der alten Grundwasseroberfläche anzutreffen waren.
GWO
t-1
(WaSiM)
GWO
t
(Geofim)
A)
Θ
t-1
< Θ
sat
, Θ
t
= Θ
t-1
Θ
t-1
= Θ
sat
, Θ
t
< Θ
sat
Θ
t-1
= Θ
t
= Θ
sat
GWO
t-1
(WaSiM)
GWO
t
(Geofim)
B)
Θ
t-1
< Θ
sat
, Θ
t-1
= Θ
t
Θ
t-1
< Θ
sat
, Θ
t
= Θ
sat
Θ
t-1
= Θ
t
= Θ
sat
Abbildung 12: Prinzipielle Möglichkeiten der Datenübergabe von Geofim an WaSiM-ETH. A) Grund-
wasseroberfläche (GWO) von Geofim zum Zeitpunkt t liegt unterhalb der von WaSiM-
alt, Θ
sat
= Bodenwas-
rukturierten Modelle WaSiM-ETH
(hochaufgelöste Parametrisierung des Bodens mittels Saugspannungs-Sättigungs-Beziehungen nach van
und Geofim (Beschreibung der ungesättigten Bodenzone auf Basis von Volumenelementen
ETH berechneten, B) umgekehrter Fall; Θ = akt. Bodenwassergeh
sergehalt bei Sättigung
Voraussetzung für die erfolgreiche Anwendung dieser Auffüllungs- und Entleerungsmechanismen ist die
Nutzung identischer bzw. weitestgehend ähnlicher (Speicher)kennwerte für den Untergrund durch die
beiden Modelle Geofim und WaSiM-ETH. Anderenfalls kann es zu größeren Abweichungen kommen,
und zwar nicht nur im projizierten Grundwasserstand, sondern auch in den vom Grundwasser beeinfluss-
ten Größen wie z. B. Abfluss, Grundwasserneubildung und Evapotranspiration. Dieser Umstand ist insbe-
sondere mit Blick auf die von WaSiM-ETH an Geofim zu übergebenden Parameter von Bedeutung.
Im Lauf der Projektbearbeitung zeigte sich, dass die unterschiedlich st
Genuchten)
und auffüllbaren Porositäten) eine Homogenisierung der relevanten Prozesse im Schnittstellenbereich der
ungesättigten Bodenzone nur sehr eingeschränkt zulassen. Dies hatte zur Folge, dass trotz technisch kor-
rekter Übernahme (Grundwasseroberfläche) und Anpassung (Wassergehalte in ungesättigter Bodenzone)
die von WaSiM-ETH an Geofim rückübergebenen Grundwasserneubildungsraten teilweise unrealistische
Werte annahmen.
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Die durchgeführten Kopplungstests zeigten darüber hinaus, dass die Höhe der Grundwasserneubildung
sensibel auf Unterschiede in den
auszutauschenden Grundwasseroberflächen reagiert. Wird beispielswei-
ie Erfahrungen aus Variante 1 nutzend, wurde nun eine direkte Übernahme der Grundwasseroberfläche
des externen Modells (Geofim) in WaSiM-ETH favorisiert (d. h. keine Berücksichtigung der Porosität
und der daraus berechneten Wasservolumen). Nunmehr werden unmittelbar nach dem Einlesen der exter-
nen Grundwasseroberfläche alle wichtigen Zustandsgrössen im WaSiM-ETH Bodenmodell angepasst
(Theta, hydraulische Höhen, Grundwasserstand etc.). Die notwendigen "Be- und Entwässerungen" des
Bodens, die für den Abgleich der internen Grundwasseroberfläche mit der externen notwendig sind, wer-
den in einem mitgeführten Bilanzengrid berücksichtigt, in dem die Differenzen fortlaufend aufsummiert
werden. Bei höherer externer Grundwasseroberfläche wird für die betroffenen Bereiche der aktuelle Bo-
denwassergehalt auf
θ
sat
erhöht. Im umgekehrten Fall wird der betroffene Bodenbereich entwässert. Die
Grundwasserneubildung wird ebenfalls neu berechnet. Sie wird nun nicht mehr als Bilanz zwischen altem
und neuem Grundwasserstand sowie seitlichen Zu- und Abflüssen, sondern als Fluss zwischen der letzten
ungesättigten und der ersten gesättigten Bodenschicht dargestellt.
Variante 2 erwies sich bei den Tests als der bessere Weg und wird nun für die Kopplung von WaSiM-
ETH und PCGEOFIM
®
genutzt.
4.1.3
Ausweisung der Grundwasserneubildung als Grid
In der im Rahmen von KliWEP2 erstellten erweiterten Modellversion ermöglicht WaSiM-ETH nicht nur
die Ausgabe der Grundwasserneubildung, sondern auch die ihrer gegenläufigen Komponenten Perkolati-
on (Grundwasserspeisung = positive Grundwasserneubildung) und kapillarer Aufstieg (Grundwasserzeh-
rung = negative Grundwasserneubildung). Die Grundwasserneubildung kann ebenso wie Perkolation und
kapillarer Aufstieg, zeitschrittweise oder als Summengrid ausgegeben werden. Dazu sind in der WaSiM-
ETH Steuerdatei im Kapitel [unsatzon_model] di gewünschten Ausgabeoptionen für die nach olgend
benannten Variablen zu definieren.
UPRISEgrid
PERCOLgrid
Versickerungswasser [mm]
se vom externen Modell (Geofim) eine wesentlich tiefer liegende Grundwasseroberfläche an WaSiM-
ETH zurückgegeben, wird diese Differenz von WaSiM-ETH intern in einen gesunkenen Grundwasser-
stand umgesetzt. Ehemals gesättigte Bodenwasserbereiche müssen sprunghaft in ungesättigte Bodenwas-
serbereiche (die zuvor unmittelbar über dem alten Grundwasserspiegel anzutreffen waren) überführt wer-
den. Letztere können jedoch aufgrund hoher Bodenwassergehalte Versickerung zulassen. Erreicht dieses
zusätzliche Versickerungswasser die Grundwasseroberfläche, so wird Grundwasserneubildung ausgewie-
sen. Dieser Vorgang kann in der Summe dazu führen, dass zu hohe Grundwasserneubildungsraten an
Geofim übergeben werden.
Variante 2
D
e
f
GWNgrid
Grid mit der effektiven Grundwasserneubildung [mm]
Grid mit der Menge an kapillarem Aufstiegswasser [mm]
Grid mit der Menge an
4.1.4
Kopplung des oberirdischen Abflusses und des Interflows
Die Ausweisung von Direktabfluss (Oberflächenabfluss) und Interflow auf Gitternetz- oder Gridzellenba-
sis ist in WaSiM-ETH aus konzeptionellen Gründen nur für den ungerouteten Zustand möglich. Entspre-
chend der in der Leistungsbeschreibung aufgeführten Alternativlösung werden daher in WaSiM-ETH
geroutete Abflüsse, d. h. Daten zur Abflusskonzentration auf der Landfläche und im Gerinne (Berück-
sichtigung von Translations- und Speichereffekten), auf Teilgebietsbasis bereitgestellt. WaSiM-ETH
erlaubt eine horizontale Gliederung von Einzugsgebieten in beliebig viele Teileinzugsgebiete. Es ist daher
theoretisch möglich, ein Flussgebiet beliebig fein zu untergliedern und für alle Teilgebietsauslässe gerou-
tete Daten zum Oberflächenabfluss und Interflow auszugeben.
Im gekoppelten Modus erhält Geofim von WaSiM-ETH somit am Ende eines jeden Berechnungszeit-
schrittes jeweils eine Datei zum gerouteten Oberflächenabfluss und zum gerouteten Interflow. Diese
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Dateien werden im Ascii-Tabellenformat übergeben. Dem Tabellenkopf folgen zeilenweise Einträge zu
den Wertepaaren {Teilgebiets-Code; aktueller Wert} (vgl. Abbildung 13).
direct discharge [mm per Zone] (QD) unsatzon_model; 4 zones
1 0.128897
2 1.3298
3 4.5257
4 2.14858
Abbildung 13: Aufbau der Übergabedatei von WaSiM-ETH zu Geofim, hier: Oberflächenabfluss
4.1.5
Struktur des WaSiM-ETH Moduls zur externen Kopplung
Die programmtechnische Realisierung der oben beschriebenen Modellkopplung ist in WaSiM-ETH über
die Implementierung eines zusätzlichen Modellbausteines (Moduls) vorgenommen worden. Das Modul
ist flexibel gestaltet und kann bei Bedarf leicht erweitert werden. Es kann sowohl mit als auch ohne Zu-
schaltung des WaSiM-Grundwassermoduls betrieben werden. Die Parametrisierung des Kopplungsmo-
duls erfolgt entsprechend der üblichen Vorgehensweise in der WaSiM-ETH-Steuerdatei. Hier findet sich
nun ein neuer Kapitel mit der Bezeichnung [ExternalCoupling]. Der Aufbau dieses Parameterblockes
(eingefärbt) ist in Abbildung 14 vorgestellt. Eine zeilenweise Erläuterung desselben schließt sich an.
Zeile
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
[ExternalCoupling]
1
# 0 = no coupling, 1 = coupling
$exchngpath//wasim.inf # name of the semaphore file provided by the external model
100
# wait interval [ms]
D
# Coupling mode
1440
# time interval used by the external model [min]
1
# number of grids provided by the external model
$exchngpath//gwtable.grd GWTableExtern 1 0
#$exchngpath//bh.grd
gw_boundary_fix_h_1 0 0
2
# number of grids written before next synchronisation can be done
$exchngpath//gwn.grd groundwater_recharge
$exchngpath//balance.grd Balance SumTotal_MY
#$exchngpath//gwstand.grd groundwater_distance
2
# number of subbasin-correlated statistics
$exchngpath//qdir.tab
# direct flow per subbasin/zone [mm]
$exchngpath//qifl.tab
# interflow per subbasin/zone [mm]
$exchngpath//geofim.inf # name of the semaphore file provided by wasim
geofim
# content of the semaphore file written by wasim
Abbildung 14: Aufbau des Parameterblocks [External Coupling] in der WaSiM-ETH-Steuerdatei
Zeile 1:
Schalter für die Aktivierung/Deaktivierung der externen Modellkopplung
u
ynchronisationsdatei
Zeile 3:
Warteintervall für das Scannen des Datenaustauschverzeichnisses (Exchange-Directory) nach
der
Zeile 4:
Kopplungsintervall pro I = Simulationszeitschritt, H = Stunde, D = Tag, M = Monat, Y = Jahr
= fill with nearest neighbour values;
Zeile 2:
Pfad nd Name der vom externen Modell bereitgestellten S
neuen Synchronisationsdatei
Zeile 5:
Simulationszeitschritt des externen Modells in Minuten. Diese Angabe ist wichtig, um Ände-
rungen im externen Grundwasserstand in bilanzreine WaSiM-ETH Flüsse umzurechnen.
Zeile 6:
Anzahl der Grids, die vom externen Modell für die Kopplung bereitzustellen sind, sobald die
Synchronisationsdatei wasim.inf vorliegt.
Zeile 7:
1. Eintrag: Pfad und Name der vom externen Modell bereitgestellten Datei der Grundwasser-
oberfläche; 2. Eintrag: modellintern benutzter Dateiname; 3. Eintrag: „Grid-Auffüllparameter“
(fillMissing parameter) mit den Optionen: 0 = no fill, 1
4. Eintrag: “Umbenennen_Löschen-Parameter” (rename_delete parameter) mit den Optionen:
1 = rename, 0 = delete
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(federführend), Maconring 98a, 67434 Neustadt/Wstr.
Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Nonnenstraße 9, 04229 Leipzig
Dr. Karsten Jasper, Postweg 11, CH 8143 Stallikon

KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
Seite 37
Zeile 8:
im Beispiel als Kommentarzeile deklariert (#). Prinzipiell können in dieser und nachfolgenden
Zeilen weitere Datensätze übergeben werden, z. B. Daten für
die Randbedingungen des
1. Grundwasserleiters oder aber auch Daten für veränderte Landnutzungen.
es Synchronisationszeitschrittes bereitzu-
fad und Name des Grids mit der Grundwasserneubildung; 2. Eintrag: modellintern
einame
sungen
wasser-
oberfläche; im Bilanzen-Grid sind zeitschrittweise aufsummierte Werte abgelegt); 2. Eintrag:
mo
= täglich, M = monatlich,
Y = jährlich; auch gekoppelte Ausgaben möglich, z. B. MY = sowohl monatliche als auch
uss;
2. Eintrag: modellintern benutzter Dateiname
5
und Name der Tabellendatei mit dem Interflow; 2. Eintrag: modellintern be-
e
ile 16
d Nam der vo
Synchronisationsdatei
ile 17
6
Rea
7
lanzierung
nden
Gleichung 8
T
und -bilanz
n zonenorientierten (z. B. gemittelte oder aggregierte Daten
inzu
.
a
Im Folgen
hne-
er
Speicherva
v dargestellte Zustandsvariablen stellen keine
d
ta
Zeile 9:
Anzahl der Grids, die von WaSiM-ETH am Ende d
stellen sind
Zeile 10: 1. Eintrag: P
benutzter Dat
Zeile 11: 1. Eintrag: Pfad und Name des Bilanzengrids (dieser enthält die durchgeführten Anpas
im WaSiM-ETH-Bodenwassergehalt infolge Übernahme der externen Geofim-Grund
dellintern benutzter Dateiname; 3. Eintrag: Ausgabeoption (D
jährliche Werte)
Zeile 12: im Beispiel als Kommentarzeile deklariert (#). Hier könnten weitere Ausgaben definiert wer-
den.
Zeile 13: Anzahl der von WaSiM-ETH zu übergebenden Statistik-Dateien. Diese Dateien werden nicht
im Gridformat, sondern in Tabellenform bereitgestellt
Zeile 14: 1. Eintrag: Pfad und Name der Tabellendatei mit dem Direkt- oder Oberflächenabfl
Zeile 1 : 1. Eintrag: Pfad
nutzter
Dateinam
Ze
: Pfad un
e
n WaSiM-ETH bereitgestellten
Ze
: Inhalt der von WaSiM-ETH bereitgestellten Synchronisationsdatei
4.1.
Aufruf von WaSiM-ETH durch Geofim
Die
lisierung des Aufrufs von WaSiM-ETH durch Geofim ist in Kapitel 4.1 dargelegt.
4.1.
Zugriff auf WaSiM-ETH-interne Parameter der Wasserhaushaltsbi
Die bilanzreine Simulation der Wasserflüsse lässt sich über die Lösung der folgenden grundlege
Bilanzgleichung überprüfen:
∑ Zuflüsse - ∑ Abflüsse - ∑ Speicheränderungen = 0
WaSiM-E H gestattet dem Anwender die Überprüfung der Modellergebnisse und damit der Wasserflüsse
en über die optionale Ausgabe vo
für Teile
gsgebiete) und gerasterten Datensätzen (Grids, Stacks) sowie über Kontrollpunktausgaben
Die Ausg ben können für jeden individuellen Simulationszeitschritt oder aber für aggregierte bzw. gemit-
telte Zeitschritte abgespeichert werden.
den werden die WaSiM-ETH-Modellausgaben gelistet, die für eine Überprüfung der berec
ten Wass flüsse und -speicher genutzt werden können. Die Ausgabeparameter sind nach Flussvariablen,
riablen und Zustandsvariablen unterteilt. Kursi
Elemente er Wasserhaushaltsbilanzierung dar, sondern beschreiben entweder die Geländestruktur oder
die Vege tionsentwicklung und wirken daher nur indirekt auf den modellinternen Wasserkreislauf ein.
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Seite 38
KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
Ausgang age
sherigen Version 5.0 (KliWEP1) können durch WaSiM-ETH folgende relevante Ausgabegrö-
Wasserhaushaltsbilanzierung bereitgestellt werden (ohne Berücksichtigung
sl
In seiner bi
ßen für die
der Ausgaben vom
Flussvariabl
-
B
mm/∆t]
-
po
-
re
-
In
-
Di
-
In
gesättigten Bodenzone (als Gridausgabe nicht geroutet) [mm/∆t]
-
Infiltrationsüberschuss [mm/∆t]
-
Drai
la
Speicherva
-
Inhalt des Landoberflächenspeichers (pond storage) [mm]
relativ
Bodenzone [0..1]
relat
sättigten Bodenzone [0..1]
-
Grundwasserstand unter Gelände [m]
Bode
-
hydraulische Höhe an der Bodenschichtgrenze [m]
höhe [m]
plementierte Erweiterungen
Gegenüber
tuelle Version (WaS
7) die
lgenden zu
tung für Vegetationskomponenten [mm/∆t]
-
vertikaler Grundwasserspeisung (Perkolation) [mm/∆t]
-
vertikale Grundwasserzehrung (kapillarer Aufstieg) [mm/∆t]
-
tiefendifferenzierte Entnahme von Bodenwasser durch Transpiration [mm/∆t]
-
tiefendifferenzierter Interflow [mm/∆t]
-
Makroporeninfiltration [mm/∆t]
Gletscher-Modul):
en:
-
Niederschlag [mm/∆t]
estandesniederschlag [
-
Schneedeckenausfluss (Niederschlag + Schneeschmelze) [mm/∆t]
-
Schneeschmelze [mm/∆t]
tenzielle Evapotranspiration [mm/∆t]
ale Evapotranspiration (ohne Interzeptionsverdunstung) [mm/∆t]
terzeptionsverdunstung [mm/∆t]
rektabfluss (Oberflächenabfluss als Gridausgabe nicht geroutet) [mm/∆t]
terflow aus der un
-
Basisabfluss (Grundwasserabfluss, nicht geroutet) [mm/∆t]
-
Infiltration vom Gerinne ins Grundwasser oder in die ungesättigte Bodenzone [mm/∆t]
-
Exinfiltration vom Grundwasser ins Gerinne [mm/∆t]
nageabfluss [mm/∆t]
-
Netto-Grundwasserneubildung als Summe aus vertikalem Grundwasserzu- und -abfluss und aus
teralem Grundwasserfluss [mm/∆t]
-
Flüsse zwischen den Bodenschichten [m/s]
riablen:
-
Schneespeicher (fest) [mm]
-
Schneespeicher (flüssig) [mm]
-
Inhalt des Interzeptionsspeicher [mm]
-
e Bodenfeuchtigkeit in der durchwurzelten
-
ive Bodenfeuchtigkeit in der gesamten unge
-
mittlerer Wassergehalt für jede Bodenschicht [0.01 Vol %]
Zustandsvariablen:
-
nschichtindex der Grundwasserspiegellage [-]
-
durch Infiltration gesättigte Flächen (1 = gesättigt, 0 = ungesättigt)
-
geodätische Gelände
Im
der in KliWEP1 genutzten Modellversion weist die ak
sätzlichen Ausgabeoptionen auf:
iM-ETH 7.2.
fo
Flussvariablen:
-
Regen (flüssiger Niederschlagsanteil) [mm/∆t]
-
Schnee (fester Niederschlagsanteil) [mm/∆t]
-
Schneeverdunstung [mm/∆t]
-
Bestandesniederschlag für Vegetationskomponenten [mm/∆t]
-
potenzielle Interzeptionsverduns
-
reale Interzeptionsverdunstung für Vegetationskomponenten [mm/∆t]
-
potenzielle Evapotranspiration für Vegetationskomponenten [mm/∆t]
-
reale Transpiration für Vegetationskomponenten [mm/∆t]
-
Infiltration in die oberste Bodenschicht [mm/∆t]
-
potenzielle Evaporation aus der obersten Bodenschicht [mm/∆t]
-
reale Evaporation aus der obersten Bodenschicht [mm/∆t]
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Seite 39
Speichervariablen:
-
Interzeptionsspeicherfüllung für Vegetationskomponenten [mm/∆t]
-
Schneespeicher (gesamt) [mm/∆t]
-
Bodenwassergehalt integriert über das gesamte Bodenprofil [mm/∆t]
-
Bilanz aller
Bodenwassergehaltsänderungen durch die Kopplung mit Geofim [mm/∆t]
n:
eodätischen Höhenangaben (im Kopplungsmodus) [m üNN]
4.1.
ogische Phasen
Die Lan
für den Energie-, Stoff- und
Was rh
en dar. Nach Seidler (1996) beeinflusst sie beispielsweise
erzeption,
rminolo-
Infolge
shaltsmodelle die Landnutzung möglichst detailliert erfas-
sen d
EP2 bestand daher darin, die Möglichkeiten für die
r Landnutzung in WaSiM-ETH zu verbessern. Dazu sollte die in WaSiM-ETH integ-
riert
t einer (z. B. Albedo), vier (z. B. Blattflächenindex) bzw. zwölf
(Verdun
iele Stützstellen erweitert werden, um dadurch den jahreszeitli-
chen Ga
gigen Parameter wie z. B. den Blattflächenindex oder die
effe
ve
In d
fasst und parametri-
siert er
ruktur zu erfolgen.
verlangt.
Zustandsvariable
-
Grundwasserstand mit g
8
Erweiterung der Landnutzungtabelle für beliebig viele phänol
dnutzung oder Landbedeckung stellt eine maßgebliche Steuergrösse
se aushalt von terrestrischen Ökosystem
-
den meteorologischen Input in die Bodenzone durch Strahlungs- und Niederschlagsint
-
den Entzug von Energie und Wasser durch Transpiration,
-
das Verhältnis von Oberflächenabfluss und Infiltration,
-
das Verhältnis Hoch- und Mittelabfluss (Anm. der Autoren: in der hier verwendeten Te
gie entspricht dies „Oberflächenabfluss und Interflow“)
-
die mikrometeorologische Zirkulation,
-
den Stoffkreislauf durch Entzug, Streufall, Humusbildung und Mineralisierung.
ihrer Bedeutsamkeit sollten Wasserhau
un parametrisieren können. Ein Ziel von KliW
Parametrisierung de
e Landnutzungstabelle von derzei
stungswiderstand) auf beliebig v
ng für die erfassten landnutzungsabhän
kti
Bewuchshöhe detaillierter beschreiben zu können.
er bisherigen Landnutzungstabelle können beliebig viele Landnutzungstypen er
w den. Die Parametrisierung hat dabei nach einer fest vorgegebenen
Tabellenst
Pro
Landnutzungstyp werden die in Abbildung 15 gezeigten Parametereinträge
# In the real file, the land-use table has too long lines to show them here as complete lines.
# Consequently word wrap is done by arrows in this documentation only!
[landuse_table]
10
# number of following land-use codes; per row one land-use type
#Co name of the
albe- surface resistances rsc as monthly values
Julian day for
#de land-use type do
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
the param.-sets
#-- -------------- ----- ----------------------------------------------- ----------------
1 water
0.05 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 110 150 250 280
2 settlements
0.1 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 110 150 250 280
3 pine_forest
0.12 80 80 75 65 55 55 55 55 55 75 80 80 110 150 250 280
4 decidous_forest 0.17 100 100 95 75 65 65 65 65 65 85 100 100 110 150 250 280
5 mixed_forest
0.15 90 90 85 70 60 60 60 60 60 80 90 90 110 150 250 280
6 agriculture
0.25 80 80 75 75 65 65 65 65 65 75 90 90 110 150 250 255
7 grass
0.25 90 90 75 65 50 55 55 55 60 70 90 90 110 150 250 280
8 bushes
0.20 80 80 70 70 50 50 50 55 55 70 80 80 110 150 250 280
15 rock
0.12 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 110 150 250 280
19 horticulture
0.25 100 100 90 70 60 60 60 60 60 80 100 100 110 150 250 280
# second part of the landuse table
LAI
(eff. veg. height) veg. covering root depth [m]
Param. root h-value
1 2 3 4
z01 2 3 4
1 2 3 4 1
2
3
4 distribution. etp-red
-------------
--------------- --------------- ------------------ ------------- -------
-----
1 1 1 1
.01 .01 .01 .01 .1 .1 .1 .1 0.01 0.01 0.01 0.01
1.0
3.45
1 1 1 1
10 10 10 10
.5 .5 .5 .5 0.2 0.2 0.2 0.2
1.0
3.45
8 12 12 8
10 10 10 10
.9 .9 .9 .9 1.2 1.2 1.2 1.2
1.0
3.45
.5 8 8 .5
.3 10 10 .3
.7 .95 .95 .7 1.4 1.4 1.4 1.4
1.0
3.45
2 10 10 2
3 10 10 3
.8 .92 .92 .8 1.3 1.3 1.3 1.3
1.0
3.45
1 5 3 1
.05 .5 .2 .05 .3 .8 .7 .3 0.05 0.4 0.3 0.05
1.0
3.45
2 4 4 2
.15 .4 .3 .15 .95 .95 .95 .95 0.4 0.4 0.4 0.4
1.0
3.45
3 5 5 3
1.5 2.5 2.5 1.5 .9 .95 .95 .9 0.5 0.5 0.5 0.5
1.0
3.45
1 1 1 1
.05 .05 .05 .05 .8 .8 .8 .8 0.1 0.1 0.1 0.1
1.0
0.5
.5 5 5 .5
.4 3 3 .4
.75 .75 .75 .75 0.8 0.8 0.8 0.8
1.0
3.45
Abbildung 15: Bisherige Parametrisierung der Landnutzung in WaSiM-ETH (KliWEP1)
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KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
Im Vergleich zur bisherigen WaSiM-ETH-Landnutzungstabelle enthält die modifizierte Tabelle einige
wes li
risierung der Vegetation er-
mög h
Landnutzungstyp eine individuelle und beliebige Anzahl an
Stüt
terpoliert; ebenso wird die
letz St
ng eines
ann sowohl mit als auch ohne Zeilenumbrüche vorgenommen werden. Jeder landnut-
zun
p
tergruppen
sind durch Strichpunkte voneinander getrennt. Der Methodenbezeichner „VariableDayCount“ signalisiert
-ETH
en (vari-
Einträg
ent che Erweiterungen, die dem Modellnutzer eine flexiblere Paramet
lic en. Es ist nun möglich, für jeden
zstellen zu vergeben. Zwischen den Stützstellen wird weiterhin linear in
te ützstelle eines Jahres mit der ersten des Folgejahres interpoliert. Die Parametrisieru
Landnutzungstyps k
gss ezifische Parameterblock beginnt und endet mit einer geschweiften Klammer. Parame
WaSiM
, dass ein erweiterter Landnutzungseintrag einzulesen ist. Das Format der erweitert
ablen)
e in der Landnutzungstabelle ist in Abbildung 16 dargestellt.
[landuse_table]
1
# number of following land-use codes
#co- name of the
#de land-use type
#-- ---------------
7 grass {method = VariableDayCount;
RootDistr
= 1.0;
TReduWet
= 0.95;
LimitReduWet
= 0.5;
HReduDry
= 3.45;
IntercepCap
= 0.75;
Juldays
= 15
46
74
105 135 166 196 227 258 288 319 349;
Albedo
= 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25;
rsc
= 90
90
75
65
50
55
55
55
60
70
90
90;
rs_interception = 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5;
rs_evaporation = 130 130 130 130 130 130 130 130 130 130 130 130;
LAI
= 2
2
2
2
3
4
4
4
4
2
2
2;
z0
= 0.15 0.15 0.15 0.15 0.3 0.4 0.4 0.3 0.3 0.15 0.15 0.15;
VCF
= 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95;
RootDepth
= 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4;
AltDep
= 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 -0.02 -0.02 -0.02 -0.02 -0.02 -0.02;}
[landuse_table]
1
# number of following land-use codes
#co- name of the
#de land-use type
#-- ---------------
7 grass {method = VariableDayCount; RootDistr = 1.0; ... ; AltDep = 0.02 ... -0.02;}
Abbildung 16: Erweiterte Parametrisierung der Landnutzung in WaSiM-ETH. Oben: „multi-line“ For-
mat (Parametrisierung mit Zeilenumbruch), unten: „single-line“ Format (Parametrisie-
rung
ohne Zeilenumbruch))
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Seite 41
Die verwendeten Abkürzungen in Abbildung 16 bezeichnen:
# Englische Beschreibung
RootDistr
: parameter for root density distribution
TReduWet
: relative theta value for beginning oxygen stress [-]
LimitReduWet
: relative reduction factor of real transpiration for water-saturated soils [-]
HReduDry
: hydraulic head for beginning dryness stress [m]
Juldays
: Julian days for all following rows
Albedo
: albedo (snow free) [0..1]
rsc
: leaf surface resistance [s/m]
rs_interception : interception surface resistance [s/m]
rs_evaporation : soil surface resistance (for evaporation only) [s/m]
LAI
: leaf area index [m
2
/m
2
]
z0
: aerodynamic roughness length [m]
VCF
: vegetation covered fraction [0..1]
RootDepth
: root depth [m]
AltDep
: shift per metre altitude [Julian day]
# Deutsche Beschreibung
RootDistr
: Parameter für die Wurzeldichteverteilung
TReduWet
: Grenzwert der relativen Bodenfeuchte (nahe Sättigung), bei dem eine Reduktion des
transpirativen Bodenwasserentzugs infolge Sauerstoffmangel beginnt [-]
LimitReduWet
: max. relative Reduktion des transpirativen Bodenwasserentzugs bei Sättigung [-]
HReduDry
: Grenzwert der Saugspannung, bei dem eine Reduktion des transpirativen
Bodenwasserentzugs infolge Trockenheitsstress beginnt [m]
Juldays
: Stützstellen der phänologischen Entwicklung in Kalendertagen (gültig für alle
folgenden Zeilen)
Albedo
: Albedo für die schneefreie Zeit [0..1]; gilt für erste (= oberstgelegene)
Vegetationskomponente
rsc
: Oberflächenwiderstand der Vegetation [s/m]
rs_interception : Oberflächenwiderstand des interzipierten Wassers [s/m]
rs_evaporation : Evaporationswiderstand der Bodenoberfläche [s/m]
LAI
: Blattflächenindex [m /m ]
22
z0
: aerodynamische Rauhigkeitslänge [m]
VCF
: Vegetationsbedeckungsgrad [0..1]
RootDepth
: Wurzeltiefe [m]
AltDep
: Verschiebung der Stützstelle pro Meter Höhendifferenz [Julian day]; positiver
Wert: Stützstelle wird nach „hinten“ verschoben, negativer Wert: Stützstelle wird
nach „vorn“ verschoben. Einschränkung: Wenn zwei Stützstellen aufeinander treffen,
dann erfolgt keine weitere Verschiebung.
Die erweiterte Landnutzungstabelle kann in gemischter Form verwendet werden; d. h. es können in einer
en.
erigen (alten)
4.2
Erweiterung von WaSiM-ETH um differenzierte Bodeneigenschaften
4.2.1
Ausgangssituation
Anwendung der diskreten Richards-Gleichung
Die vertikale Bodenwasserbewegung kann in WaSiM-ETH-2 seit Version 2 (Schulla und Jasper 1998,
2000) auf Grundlage der allgemeinen Fließgleichung für Wasser im ungesättigten Boden, der sogenann-
ten Richards-Gleichung (Richards 1931), modelliert werden. Die Richards-Gleichung beruht auf einer
Erweiterung des Darcy-Gesetzes (Buckingham 1907) auf nichtstationäre Verhältnisse unter Einbeziehung
der Kontinuitätsgleichung. Sie beschreibt den Zusammenhang zwischen der Veränderung des Wasserge-
haltes eines Bodenvolumens in einer Zeiteinheit und dem Fluss, der durch einen Potenzialgradienten
hervorgerufen wird. Bei der Richards-Gleichung handelt es sich um eine parabolische, nichtlineare par-
tielle Differenzialgleichung zweiter Ordnung, die in den meisten Anwendungsfällen numerisch gelöst
werden muss. In WaSiM-ETH wird dafür ein eindimensionales Finite-Differenzen-Verfahren angewandt.
Bei diesem approximativen Lösungsansatz wird das Raum-Zeitkontinuum in ein diskretes Analogon
überführt. Entsprechend wendet WaSiM-ETH die Richards-Gleichung in ihrer diskreten Form an (siehe
auch Schulla & Jasper 2000):
Tabelle sowohl Landnutzungen im „single-line“ als auch im „multi-line“ Format parametrisiert werd
Darüber hinaus ist die aktuelle WaSiM-ETH Modellversion auch in der Lage, mit den bish
Landnutzungstabellen zu arbeiten, oder beide Varianten parallel zu nutzen. Aus Gründen der Übersicht-
lichkeit empfehlen die Autoren jedoch die Nutzung eines einheitlichen Parametrisierungsformates.
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in
out
Δ
t
Δ
z
q
q
q
=−
Δ
=
ΔΘ
Gleichung 9
/s]
ittlun
hängigkeiten der hydraulischen Bodenparameter
gehal
q
zwischen zwei Schichten mit den Indizes
u
(upper) und
l
(low
mit
Θ
Wassergehalt [m/m]
3
3
t
Zeit [s]
q
spezifischer Fluss [m/s]
z
Vertikalkoordinate [m]
q
in
Zuflüsse in die betrachtete Bodenschicht [m
q
out
Abflüsse aus der betrachteten Bodenschicht [m/s]
Bei der Erm
g der Flüsse
q
in
und
q
out
werden die Ab
vom Wasser
t des Bodens berücksichtigt. Für den Fluss
er) gilt:
qk
hh
hu h l
= ⋅
(Θ)− (Θ)
dd
eff
05
.
⋅+
(
u l
)
Gleichung 10
und
1
d
1
d
1
k ddk ddk
ul
+
(ΘΘ
)
+
( )
u
l
=⋅+⋅
eff l u u l
Gleichung 11
e Para
In WaSiM-ETH können die hydraulischen Eigenschaften des Bodens bisher auf zwei unterschiedlichen
n param
Meth e 1
mit
q
Fluss zwischen zwei Diskretisierungsschichten [m/s]
k
(eff)
(effektive) hydraulische Leitfähigkeit [m/s]
h
h
hydraulische Höhe in Abhängigkeit vom Wassergehalt als Summe aus Saugspannung
ψ
(mit
ψ
≤ 0) und geodätischer Höhe
h
geo
[m]
d
Schichtmächtigkeit [m]
Gemäß Gleichung 12 wird k
eff
als harmonisches Mittel der Leitfähigkeiten beider Schichten gebildet,
wobei unterschiedliche Schichtdicken über die Fraktion der jeweiligen Schicht an der Gesamtdicke beider
Schichten berücksichtigt werden. Somit können beliebige Schichtdicken genutzt werden.
Bisherig
metrisierung der Bodeneigenschaften
Wege
etrisiert werden:
od
: Es können für jede Bodenart beliebig viele Wertepaare [Θ,
ψ
(Θ)] und [Θ,
k
rel
(Θ)] in Tabel-
lative hydraulische Leitfähigkeit in Abhängigkeit vom
trägen wird vom Modell linear interpoliert. Diese
lenform angegeben werden.
k
rel
ist dabei die re
Sättigungsgrad des Bodens. Zwischen den Tabellenein
Methode bietet den Vorteil, dass das Verhalten von
ψ
und
k
rel
optimal an Messwerte angepasst werden
kann. Nachteilig ist hingegen der hohe Datenbedarf. Die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit k
s
kann bei
dieser Methode für jede Bodenschicht gesondert angegeben werden.
Methode 2: Es wird die Beziehung nach van Genuchten (1980) genutzt, um die gesuchten bodenartspezi-
fischen Kennlinien zu ermitteln.
ψ
α
(Θ)
ΘΘ
ΘΘ
=
⎟−
1
1
1
1
r
sr
m
n
Gleichung 12
UDATA - Umweltschutz und Datenanalyse
(federführend), Maconring 98a, 67434 Neustadt/Wstr.
Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Nonnenstraße 9, 04229 Leipzig
Dr. Karsten Jasper, Postweg 11, CH 8143 Stallikon

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Seite 43
und
k
k
ΘΘ
= ⋅
⎥⋅−
1
s sr
r
r
sr
m
m
()Θ
ΘΘ
ΘΘ
ΘΘ
⎡−⎤
12
1
2
1
Gleichung 13
it
m
empirischer Parameter [-], nach Mualem (1976) gilt m = 1-1/n
wassergehalt [-]
k
s
gesättigte hydraulische Leitfähigkeit [m/s]
Unter Nutzung von Gleichung 12 kann die Bere nung des Wassergehaltes in Abhängigkeit v
aktuellen Saugspannung dargestellt werden:
m
ψ
Saugspannung [m]
α
empirischer Parameter [m
-1
]
n
empirischer Parameter [-]
Θ
aktueller Wassergehalt [-]
Θ
r
residualer Wassergehalt bei
k
(Θ) = 0 [-]
Θ
s
Sättigungs
ch
on der
ΘΘ
= Θ+ Θ−
+
rsr
n
m
()
( )
1
1
ψα
Gleichung 14
ege a
ethode 1) erlaubt die Methode 2
Verände
g (Ab
z
it
k
s,z
gesättigte hydraulische Leitfähigkeit in der Tiefe
z
[m/s]
k
s
gesättigte hydraulische Leitfähigkeit an der Bodenoberfläche [m/s]
schaften werden in der WaSiM-ETH Steuerdatei durch entsprechende
Im
ns tz zur Parametrisierung nach „erweiterter Werteta
keine schichtwei
G
belle“ (M
se Definition von k
s
, sondern ermittelt anhand eines funktionalen Zusammenhangs die
run
nahme) von k
s
mit zunehmender Bodentiefe.
k kk
sz
,
s rec
=
Gleichung 15
m
k
rec
Rezessionskonstante [-]
z
Tiefe [m]
Die bodenphysikalischen Eigen
Einträge in der Bodenartentabelle repräsentiert (vgl. Abbildung 17).
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# Like for the landuse table, in the real file the soil table has too long lines to show them here as
# complete lines. The arrows should indicate that fact for this documentation!
[soil_table]
14
# number of following entries; per row one soil texture
#Code name
FC
mSB
ksat
suction Readpar
#
[Vol.%]
[Vol.%] [m/s]
[mm]
1=par 2=tab
#---- ----------------
---------- --------- -------- ------- -----------
1 Sand_(S)
6.21
38.5
8.25E-5
385
1
2 loamy_sand_(LS)
10.91
37.3
4.05E-5
373
1
3 sandy_loam_(SL)
12.28
34.5
1.23E-5
345
1
4 silty_loam_(SIL)
22.58
38.3
1.25E-6
383
1
5 loam_(L)
12.90
35.2
2.89E-6
352
1
6 sandy_clay_(SC)
19.43
28.0
3.33E-7
280
1
7 silty_clay_(SIC)
27.65
29.0
5.56E-8
290
1
8 clay_(C)
29.12
31.2
5.56E-7
312
1
9 moor_(M)
47.31
75.0
8.25E-5
750
1
10 settlements_rock_(R)
14.00
15.0
1.00E-9
50
1
11 clay_loam_(CL)
21.24
31.5
7.22E-7
315
1
12 silt_(SI)
28.17
42.6
6.94E-7
426
1
13 silty_clay_loam_(SICL)
28.16
34.1
1.94E-7
341
1
14 sandy_clay_loam_(SCL)
13.35
29.0
3.64E-6
290
1
theta_sat theta_res alpha n layer thick maxratio
k-recession
[1/1]
[1/1] [1/m] [-] [-] [m] ko_rel/ku_rel per m ku/ko
--------- --------- ----- ----- ----- ----- ------------- -----------
.43
.045 14.5 2.68 31 .3333
90
.7
.43
.057 7.00 1.70 31 .3333
90
.7
.41
.065 7.50 1.89 31 .3333
90
.7
.45
.067 2.00 1.41 31 .3333
90
.7
.43
.078 3.60 1.56 31 .3333
90
.7
.38
.100 2.70 1.23 31 .3333
90
.7
.36
.070 0.50 1.09 31 .3333
90
.7
.38
.068 0.80 1.09 31 .3333
90
.7
.80
.200 4.00 1.23 31 .3333
90
.7
.20
.040 8.00 1.80 31 .3333
90
.7
.41
.095 1.90 1.31 31 .3333
90
.7
.46
.034 1.60 1.37 31 .3333
90
.7
.43
.089 1.00 1.23 31 .3333
90
.7
.39
.010 5.90 1.48 31 .3333
90
.7
Abbildung 17: Bisherige Parametrisierung der Bodenarten (Methode 2) in WaSiM-ETH
Die verwendeten Abkürzungen in Abbildung 17 bezeichnen:
# Die folgenden Parameter werden ausschliesslich für die Parametrisierung der WaSiM-
# ETH Topmodel-Variante benötigt.
FC
: nutzbare Feldkapazität [Vol. %]
mSB
: maximaler Bodenwasserspeicher [Vol. %]; entspricht dem Wassergehalt zwischen per-
manenten Welkepunkt und Porosität
suction
: Saugspannung an Feuchtefront (nach Peschke 1977, 1987) [mm]
# Nun folgen die Parametereinträge mit Relevanz für WaSiM-ETH Richards-Gleichung.
ksat
: gesättigte hydraulische Leitfähigkeit, k
s
[m/s]
theta_sat : Sättigungswassergehalt, Θ
s
[0.01 Vol. %]; Θ
s
entspricht nicht der Porosität, son-
dern ist in der Regel 5-10% kleiner wegen des im Bodenwasser gelösten Luftanteils
(van Genuchten et al. 1991).
theta_res
: residualer Wassergehalt, Θ
r
[0.01 Vol. %]; Θ
r
ist ein extrapolierter Parameter, der
nicht notwendigerweise den kleinstmöglichen Wassergehalt im Boden repräsentieren
muss (van Genuchten et al. 1991). Er ist damit auch nicht mit dem Wassergehalt
beim permanenten Welkepunkt gleichzusetzen.
alpha
: empirischer Parameter, α [1/m] (Formparameter der van Genuchten-Kurve)
n
: empirischer Parameter [-] (Formparameter der van Genuchten-Kurve)
# Anmerkung: Die Literatur weist für die van Genuchten-Parameter (Θ
s
, Θ
r
, α, n) keine
# einheitlichen Werte aus. Die Werte in Abb. 15 entstammen den Angaben nach Carsel &
# Parrish (1988). Der Ansatz nach van Genuchten ist für die Modellierung von sehr
# trockenen Verhältnissen (Bereich zwischen Welkepunkt und Adorptionswasserbereich)
# als eher ungeeignet einzustufen.
layer
: Anzahl der Bodenschichten
thick
: Schichtmächtigkeit, d [m]
maxratio ku_rel/ko_rel : maximaler Leitfähigkeitssprung zwischen zwei benachbarten Bodenschichten
zur Flussberechnung [-]
k-recession
: Rezessionsparameter k
rec
zur Beschreibung der k
sat
-Abnahme mit zunehmender Bodentiefe
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Defizite in der Bodenparametrisierung (KliWEP1)
Die bisherige Parametrisierung der Bodeneigenschaften (vgl. Abbildung 17) ist mit verschiedenen verein-
ewegung nur
i
von
iert.
fachenden Annahmen verbunden, die eine prozessorientierte Simulation der Bodenwasserb
bedingt zulassen (vgl. Tabelle 6). Deshalb wurde in KliWEP2 die erweiterte Parametr
sierung
WaSiM-ETH um differenzierte Bodeneigenschaften als ein vordringliches Projektziel formul
Tabelle 6:
Bisherige Defizite in der Parametrisierung der ungesättigten Bodenzone
Annahmen
→ Limitierungen
homogenes Bodenprofil mit „mittleren“ oder
keine Möglichkeit, Bodenprof
„effektiven“ van Genuchten-Parameter
zontweise zu parametrisieren
einheitliche Schichtmächtigkeiten
keine Möglichkeit, spezifische
folgen und –mächtigkeiten zu de
Abnahme von k
s
mit zunehmender Tiefe
keine Möglichkeit, k
sen zuzuordnen
homogene, monoporöse Bodenprofile mit do-
keine Möglichkeit, expl
ile hori-
Horizontab-
finieren
izit Makroporen-
s
-Werte horizontwei-
minierendem Matrixfluss
fluss zu simulieren
4.2.2
Wasserretention (pF-Kurve)
Zur Erfüllung der Vorgabe einer horizontweisen Parametrisierung der Bodeneigenschaften wurde die in
andnutzungstabelle
ohne Zeilenumbrü-
gefasst, Parameter-
ons“
ng 18).
denprofile mit beliebigen Horizontabfolgen
parametrisieren. Dem Modellanwender ist es nun möglich, horizontspezifische Parameterwerte für die
asserretentio
tuellen Bode
on horizontbezogenen Bodenschichten definieren.
odelltech
wählte Gesamttiefe des
-
alls können
Grundwassermodells auftreten, wenn
H
setzung
tion (k
s
bzw.
it
echenden Er-
eiterungen vo
ls Folge die
bnahmefunkt
r Anwender
ntweise vorgeben. Eine Deaktivierung der k
s
-
e wird
eters k_recession auf den Wert 1.0 erreicht. Die effektive
de
Abbildung 17 dargestellte Bodenartentabelle analog zur Struktur der erweiterten L
umgeformt. Nun können Parametrisierungen von Bodeneinheiten sowohl mit als auch
che vorgenommen werden. Jeder Parameterblock ist von geschweiften Klammern ein
gruppen sind durch Strichpunkte voneinander getrennt. Der Methodenbezeichner „MultipleHoriz
signalisiert WaSiM-ETH, dass ein erweiterter Tabelleneintrag einzulesen ist (vgl. Abbildu
In der erweiterten Bodentabelle lassen sich beliebig viele Bo
W
nskurve (van Genuchten-Parameter) zu vergeben. Zudem kann er die Mächtigkeit des
ak
nhorizonts über die Anzahl und Dicke v
Aus m
nischen Gründen ist es erforderlich, dass alle Bodenprofile die gleiche Anzahl an Boden-
schichten haben. Aufgrund unterschiedlicher Schichtdicken können die Profiltiefen von Gridzelle zu
Gridzelle variieren. Bei der Parameterfestlegung ist darauf zu achten, dass die ge
Bodenprofils nicht oberhalb der Oberfläche des obersten (ungespannten) Grundwasserleiters liegt. An
dernf
Konflikte während des Betriebes des WaSiM-ETH
der Grundwasserspiegel unter die letzte Bodenschicht absinkt.
4.2.3
ydraulische Leitfähigkeit
Die Um
der horizontweisen Parametrisierung der hydraulischen Leitfähigkeitsfunk
k
θ
) ist eng m der Implementierung horizontspezifischer pF-Kurven verknüpft. Die entspr
w
n WaSiM-ETH wurden daher bereits im vorherigen Kapitel 4.2.2 beschrieben.
A
ser Erweiterung wurde der Anwendungsbereich der bisherigen tiefenbedingten k
s
-
A
ion (vgl. Gleichung 15) vom Gesamtbodenprofil auf Einzelhorizonte verlagert. So kann
de
nun die k
s
-Abnahme interaktiv horizo
Abnahm
durch eine Festlegung des Param
Leitfähigkeit wird nun automatisch von der Schicht genommen, die den größeren k-Wert besitzt und nicht
mehr anhand
s geometrischen Mittels
berechnet
(vgl. Gleichung 11).
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[soil_table]
2
# number of following soil codes
#co- name of the
#de soil profile
#-- ---------------
1 profile_1 {method = MultipleHorizons;
PMacroThresh = 5.0;
MacroCapacity = 4.0;
CapacityRedu = 1.0;
MacroDepth
= 1.5;
horizon
= 1
2
3;
Name
= SL
SC
L;
ksat
= 1.2e-5 3.3e-7 3.0e-6;
k_recession
= 0.4
0.4
0.8;
theta_sat
= 0.41
0.38
0.43;
theta_res
= 0.065 0.10
0.078;
alpha
= 7.50
2.70
3.60;
Par_n
= 1.89
1.23
1.56;
Par_tau
= 0.5
0.3
0.5;
thickness
= 0.10
0.20
0.40;
layers
= 3
2
25;
}
2 profile_2 {method = MultipleHorizons;
PMacroThresh = 0.0;
MacroCapacity = 0.0;
CapacityRedu = 0.0;
MacroDepth
= 0.0;
horizon
= 1
2
3
4;
Name
= SL
SC
L
SICL;
ksat
= 4.0e-5 1.0e-7 3.0e-6 2.0e-7;
k_recession
= 1.0
1.0
1.0
1.0;
theta_sat
= 0.43
0.39
0.43
0.43;
theta_res
= 0.057 0.10
0.078 0.089;
alpha
= 7.50
5.90
3.60
1.00;
Par_n
= 1.89
1.48
1.56
1.23;
Par_tau
= 0.5
0.3
0.5
0.5;
thickness
= 0.15
0.10
0.20
0.50;
layers
= 2
1
3
24;
}
[soil_table]
2
# number of following soil codes
#co- name of the
#de soil profile
#-- ---------------
1 profile_1 {method = MultipleHorizons; ... ; thickness = 0.10 0.20 0.40; layers = 3 2 25;}
2 profile_2 {method = MultipleHorizons; ... ; thickness = 0.15 0.10 0.20 0.50; layers = 2 1 3 24;}
Abbildung 18: Erweiterte Bodentabelle in WaSiM-ETH mit Definition von 2 Bodenprofilen. Oben: „mul-
ti-line“ Format (Parametrisierung
mit Zeilenumbruch), unten: „single-line“ Format (Pa-
rametrisierung
ohne Zeilenumbruch)
Die verwendeten Abkürzungen in Abbildung 18 bezeichnen:
horizon
: Bodenhorizont, Horizontcodierung (von links nach rechts) entspricht der aktuellen
Horizontabfolge (von oben nach unten)
Name
: Name/Symbol des Horiontes
k_recession
: Abnahme von ksat mit der
ksat
: gesättigte hydraulische Leitfähigkeit [m/s]
theta_sat
: Sättigungswassergehalt [0.01 Vol. %]
theta_res
: residualer oder Restwassergehalt [0.01 Vol. %]
alpha
: empirischer Parameter [1/m]
Par_n
: empirischer Parameter [-]
Par_tau
: Porenkonnektivitätsparameter in der Wassergehalts-Leitfähigkeits-Funktion nach
Mualem / van Genuchten
thickness
: Schichtmächtigkeit [m]
layers
: Anzahl der Bodenschichten
Im Vergleich zur alten Version entfällt in der erweiterten Bodentabelle der Parameter zur Beschreibung
des maximalen Leitfähigkeitsprungs zwischen benachbarten Bodenschichten (maxratio ku_rel/ko_rel). Da
die Versickerung jetzt nur noch vom k-Wert der Ausgangsschicht abhängt, wird der Versickerungsvor-
gang nun gleichmäßiger und schneller als bisher simuliert. Überdies trägt die neue Methode dazu bei,
dass sich die Gefahr von Schwingungen in den Flüssen zwischen den Schichten reduziert.
Die neue Bodentabelle enthält im Gegensatz zur alten einen zusätzlichen
Form-Parameter für die ungesät-
tigte
Leitfähigkeitsfunktion. Während in der bisherigen Modellversion der sogenannte Mualem-Parameter
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Tau
(Porenkonne
dwert 0.5 fixiert war (Empfehlung von Mualem
aSiM-ETH nun eine flexiblere Parametrisierung der
igkeitsfunktion auf Grundlage von Pedotransferfunktionen (z. B. Wösten, vgl. Kapi-
ss
apitel 4.2.3) lassen sich beliebige Horizontmäch-
effekte und damit verknüpfter Oberflächenabfluss
h t werden, dass eine sehr feine Diskretisierung des
ulationsintervalls einherzugehen hat. Insbesondere
g g, welche eine numerisch stabile Lösung der Ri-
ise erfüllt wird. Das Courant-Kriterium
Co
wird
ktivitätsparameter) auf den Standar
(1976)), ist dieser nun
interaktiv wählbar. So ist in W
hydraulischen Leitfäh
tel 5.2) möglich.
4.2.4
Oberflächenabflu
Mit der erweiterten Bodentabelle (vgl. Kapitel 4.2.2, K
tigkeiten definieren und somit auch Verschlämmungs
simulieren. Bei der Anwendung sollte jedoch beac te
Oberbodens mit einer Überprüfung des aktuellen
Sim
ist zu prüfen, dass die sogenannte Courant-Bedin un
chards-Gleichung garantiert, zumindest näherungswe
durch folgende Gleichung beschrieben:
≤1
Δ⋅
=
tv
Co
Δ
x
Gleichung 16
ach Umformung von Gleichung 16 ergibt sich:
bzw.
mit
Zeitschritt [s]
v
Geschwindigkeit [m/s]
∆t
∆x
räumlicher Knotenabstand [m]
N
Δ
x
≥ Δ
t
v
v
x
t
Δ
Δ ≤
Gleichung 17
der Modellglei
Die Courant-Bedingung hat weitreichende Konsequenzen für die räumliche und zeitliche Diskretisierung
Simulation der Wasserbewegung in einer
Bodenschicht mit der Dicke ∆x = 0.1 m und einer angenommenen Leitfähigkeit von k = 3.33e-4 m/s ein
n. Verschlämmte Oberböden mit k = 1.0e-7
risch stabil modellieren lassen.
Schicht an der Bodenoberfläche,
he einer hohen zeitlichen Dynamik
5-
-
iner Zeitschrittweiten (∆t ≤ 1 Stunde) erfolgen.
u der sich
Setzt man für
∆x
die Dicke der jeweiligen Bodenschicht, für
∆t
den Simulationszeitschritt und für
v
die
hydraulischen Leitfähigkeit ein, so ergeben sich die Randbedingungen, in denen die numerische Lösung
chung stabil bleiben sollte.
einer Modellanwendung. So wäre nach
Gleichung 17 für die
∆t von ≤ 5 Minuten erforderlich, während für ∆x = 0.03 m und k = 8.3e-6 m/s ein ∆t von 1 Stunde genü-
gen würde, um
die
Courant-Bedingung erfüllen
zu könne
sollten sich hingegen sogar mit ∆x = 0.01 m und ∆t = 1 Tag nume
Verschlämmungseffekte, d. h. die Bildung einer geringdurchlässigen
sind erfahrungsgemäß häufig mit Starkniederschlägen
verknüpft, welc
unterliegen. So ind nach Roth et al. (1995) Starkniederschläge mit einer Intensität von mindestens
10 mm/h Auslöser für Verschlämmung. Simulationen des Oberflächenabflusses infolge von Verschläm
s
mung sollten deshalb unter der Verwendung kle
4.2.5
Makroporenfluss
Die Berücksichtigung von Makroporenabfluss war bisher nur in der Topmodel-Version von WaSiM-ETH
möglich (Niehoff 2001). In dieser Modellversion werden Makroporen als zusätzlicher Speicherraum
aufgefasst, der sowohl zur Bodenoberfläche als auch zur Bodenmatrix Kontakt hat. Das Fassungsvermö-
gen der Makroporen errechnet sich aus der
Makroporosität
des Bodens sowie der
Tiefe
, bis z
(die nach der Modellvorstellung vertikalen) Makroporen erstrecken. Diese beiden Grössen wurden bisher
in der WaSiM-ETH Landnutzungstabelle für jede Landnutzung getrennt erfasst. Die Füllung des Makro-
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porenraums erfolgt in der Topmodel-Version durch Infiltrationsüberschuss und Sättigungsüberschuss der
Bodenmatrix. Die Entleerung des Wassers aus den Makroporen in die Bodenmatrix erfolgt ausschließlich
in den Grobporenspeicher des Bodenmodells. Dabei ist die Abgabe von Wasser an den Grobporenspei-
cher abhängig vom
Bodenfeuchtedefizit
und der
Speicherkonstante
des Makroporenspeichers, die in der
Steuerdatei des Modells teilgebietsbezogen definiert wird.
WEP2
hiedene Konzepte zur Umsetzung von Makroporenfluss in richards-
basierten Modellen geprüft, u. a. auch das von Jansson und Karlberg (2001) entwickelte „Bypass-Flow-
mmen drei Parameter zur Anwendung: Makroporentiefe, Makro-
orenkapazität und Reduktion der Makroporenkapazität pro Meter Bodentiefe (vgl. Abbildung 19). An-
hand dieser Parameter lässt sich für jede Schicht im Bodenprofil ein maximal möglicher Zufluss aus den
Makroporen ableiten (potenzieller Makroporen uss). Über einen vierten Parameter (
PMacr
festgelegt, ab welcher Niederschlagsintensität das Makroporensystem in der betrachteten Bodensäule
aktiviert werden soll. Nur nach Überschreiten einer definierten Niederschlagsintensität (Angabe in
poren infiltrieren und Makroporenabfluss gebildet werden. Die tat-
ngt dann von der aktuellen Wasseraufnahmekapazität der
. Wasser, welches diese Aufnahmekapazität über-
enommen werden. Im Rahmen dieser modellseitigen
roporenzufluss auf die Bodenschichten verteilt werden
smenge von unten nach oben auf die angrenzenden
odenschichten aufgeteilt, und zwar immer so, dass die gerade betrachtete Bodenschicht bis zur Sätti-
gung aufgefüllt wird. Der verbleibende Makroporenzufluss wird zum Auffüllen der jeweiligen darüber-
liegenden Schicht verwendet. Das in die Makroporen infiltrierte Wasser wird dabei immer n
Zeitschritt auf die Bodenschichten aufgeteilt. Da der Makroporenversickerung von der Wasseraufnahme-
apazität des Bodens abhängig ist, kann der aktuelle Makroporenfluss gegenüber dem potenziellen redu-
In Kli
wurden zunächst versc
Konzept“. Nach diesem konzeptionellen Ansatz wird der Makroporenfluss innerhalb einer aktuellen Bo-
denschicht durch die Infiltrationsrate und dem vertikalen Fluss in den Makroporen der darüberliegenden
Bodenschicht bestimmt. Der in einer aktuellen Bodenschicht gebildete Makroporenfluss wird der darun-
terliegenden Schicht direkt und ohne zeitliche Verzögerung als Input zur Verfügung gestellt.
Im Rahmen von KliWEP2 wurde schließlich ein modifizierter Jansson-Karlberg-Ansatz zur Berechnung
von Makroporenfluss in WaSiM-ETH implementiert. Dieser modifizierte Ansatz erlaubt es, Makroporen
für Bodenprofile zu definieren. Dabei ko
p
fl
oThresh
) wird
[mm/h]) kann Wasser in die Makro
sächliche Menge an Makroporeninfiltration hä
an die Makroporen angrenzenden Bodenschicht ab
schreitet,
kann nicht mehr von den Makroporen aufg
Überprüfung wird auch untersucht, wie der Mak
kann. Dazu wird die verfügbare Makroporenzuflus
B
och im selben
k
ziert sein.
Die Parametrisierung der Makroporen in der WaSiM-ETH Bodentabelle ist optional. Werden vom An-
wender keine Einträge zu den Makroporen vorgenommen, so werden die Parameter modellintern wie
folgt gesetzt:
UDATA - Umweltschutz und Datenanalyse
(federführend), Maconring 98a, 67434 Neustadt/Wstr.
Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Nonnenstraße 9, 04229 Leipzig
Dr. Karsten Jasper, Postweg 11, CH 8143 Stallikon

KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
Seite 49
-
PMacroThresh = 1000
-
MacroCapacity = 0
-
CapacityRedu = 1.0
-
MacroDepth = 1.0
Die Festlegung von MacroCapacity auf den Wert Null bedeutet,
dass kein Makroporenfluss und damit
auch keine schnellere Verlagerung von Infiltrationswasser in tiefere Bodenschichten berechnet wird. In
diesem Fall ist das Makroporenmodul deaktiviert.
[soil_table]
1
# number of following soil codes
#co- name of the
#de soil profile
#-- ---------------
1 profile_1 {method = MultipleHorizons;
PMacroThresh = 5.0;
MacroCapacity = 4.0;
CapacityRedu = 1.0;
MacroDepth
= 1.5;
horizon
= 1
2
3;
Name
= SL
SC
L;
ksat
= 1.2e-5 3.3e-7 3.0e-6;
k_recession
= 0.4
0.4
0.8;
theta_sat
= 0.41
0.38
0.43;
theta_res
= 0.065 0.10
0.078;
alpha
= 7.50
2.70
3.60;
Par_n
= 1.89
1.23
1.56;
Par_tau
= 0.5
0.3
0.5;
thickness
= 0.10
0.20
0.40;
layers
= 3
2
25;
}
Abbildung 19: Parametrisierung des Makroporenflusses in der erweiterten Bodentabelle
Die in
Abbildung 19 verwendeten Abkürzungen bezeichnen:
PMacroThresh
: notwendige Niederschlagsintensität für die Bildung von Makroporenabfluss [mm/h]
MacroCapacity
: Kapazität der Makroporen [mm/h]
CapacityRedu
: Reduktion der Makroporenkapazität mit der Tiefe (Reduktion pro Meter) [-]
MacroDepth
: maximale Tiefe der Makroporen [m]
4.3
Erweiterung von WaSiM-ETH um komplexe Vegetationsstrukturen
4.3.1
Ausgangssituation
WaSiM-ETH verfügt in der bisherigen Modellversion über vier alternative Verfahren zur Bestimmung
der potenziellen Evapotranspiration (
ET
pot
):
-
Penman-Monteith (Monteith und Unsworth 1990)
-
Wendling (1975)
-
Hamon (1961)
-
Haude (1955)
Von diesen vier Verfahren stellt die Methode nach Penman-Monteith den am stärksten prozessorientier-
ten Ansatz dar. Im Gegensatz zu den drei letztgenannten Verfahren berücksichtigt sie das spezifische
Verdunstungspotenzial der Vegetation und lässt zudem die Berechnung von
ET
pot
in Zeitschritten <1 Tag
zu (z. B. ∆t = 1 h). Die Weiterentwicklung von WaSiM-ETH im Rahmen von KliWEP2 konzentriert sich
daher auf die Modifizierung/Erweiterung der Penman-Monteith-Methode sowie auf die verbesserte Wie-
dergabe von Vegetationsstrukturen.
Gemäß der Modellstruktur von WaSiM-ETH wird die räumliche und zeitliche Simulation der Vegetati-
onsentwicklung über eine sogenannte Landnutzungstabelle gesteuert, die wiederum über entsprechende
Codierungen einem x-y-orientierten Landnutzungsgrid zugeordnet ist (vgl. Kapitel 4.1.8). Die Landnut-
zungstabelle stellt die zentrale Plattform für die Verwaltung von vegetationsabhängigen Modellparame-
tern dar und beeinflusst über die darin definierten Parameterwerte (z. B. für Blattflächenindex, Verduns-
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tungswid
cheidend das Ausmaß und die Dynamik der simulierten Evapotranspi-
ratio I
abelle können beliebig viele Vegetationsarten und -typen definiert werden.
Eine er
hrschichtiger Vegetation ist bisher nicht möglich.
Die
K
geführten Erweiterungen zielen auf die Erfassung von komplexeren Vege-
esse der Evapotranspiration, d. h. Interzeption, Trans-
iration und Evaporation, getrennt ausgewiesen werden.
Er
le für komplexe Vegetationsstrukturen
ktu en wird urch eine Erweiterung der bisherigen
satzt elle realisiert, in der die Strukturkomponenten der
nen. Beide Landnutzungstabellen sind in der WaSiM-ETH Steuerdatei
ementierung ist in Kapitel 4.1.8 exemplarisch dargestellt. In der neuen
s des Landnut ngsgri komp entenbezogene Struktur-
duse_table] d niert, lche die grundlegenden
Vegetationsko ponenten enthält (vegetation lay-
e
ultilayer_landuse]-Tabelle beliebig viele Vegeta-
en. Bei der Festlegung der Vegetationsstrukturen
Einträge in der [multilayer_landuse]-Tabelle be-
ginnend mit der obersten Vegetationsschicht bzw. -komponente erfolgen, d. h. der erste (linksstehende)
Eintrag auf die
darunterliegende Komponente, usw.
gleiche Anzahl an Vegetationskom-
r-
999“ zu
Abbild
Neben den Code-Zuordnungen für die Vegetationskomponenten können für jede Landnutzung noch zwei
ale. Während der
ktionsko
eht, werden über
den Skalierungsfaktor LAI_scale die aerodynamischen Widerstände der Vegetationskomponenten im
d ange
l in Jansson und Karlberg 2001):
nde Beziehung nutzen:
_
,
i
k extinct LAI
i
VCF
i
R
n
e
=
⋅⋅
rahlung [Wh/m
2
]
erstände, Wurzeltiefe) ents
n. n der Landnutzungst
B ücksichtigung von me
im liWEP2-Projekt durch
tationsstrukturen ab. Entsprechend der Leistungsbeschreibung wird darunter vor allem die Abbildung
mehrerer Baumschichten im Oberbestand sowie Verjüngungs-, Strauch- und Krautschicht verstanden. Für
diese Vegetationskomponenten sollen die Teilproz
p
4.3.2
weiterung der Landnutzungstabel
Die Erfassung von komplexen Vegetationsstru r
d
WaSiM-ETH Landnutzungstabelle
um eine Zu
ab
Vegetation definiert werden kön
lokalisiert. Das Design der Impl
[multilayer_landuse]-Tabelle werden den Code
zu
ds
on
Codes zugeordnet. Diese Codes sind dann in der [lan
efi
ln
we
Informationen für die Parametrisierung der einze en
m
ers).
Prinzipiell können den Landnutzungseinträgen in d r [m
tionskomponenten der [landuse_table] zugeordnet werd
ist darauf zu achten, dass die komponentenbezogenen
Layer-Eintrag bezieht sich immer auf die oberste Vegetationskomponente, der zweite
Alle Landnutzungen in der [multilayer_landuse]-Tabelle müssen die
ponenten aufweisen. Landnutzungstypen, für die keine erweiterten Vegetationsstrukturen definiert we
den sollen, erhalten nur die für die Basiskomponente
gültigen Code-Zuordnungen. Die restlichen (in der
Tabelle weiter rechts stehenden) Vegetationskomponen
belegen (vgl.
ung 20).
ten sind mit dem Ignoranzparameter „-9
weitere Parameter vom Modellanwender vorgegeben werden, k_extinct und LAI_sc
Extin
effizient k_extinct in die Berechnung der Nettostrahlung im Bestand eing
Bestan
passt (vgl. CoupMode
Der Parameter
k_extinct
bezeichnet den Licht-Extinktionskoeffizient zur Reduktion der einfallenden
Strahlung bei ihrem Weg durch den Bestand. Der diffuse Strahlungsanteil wird hier nicht berücksichtigt.
Nach dem Lambert-Beer-Gesetz lässt sich folge
für i
=
1:
R
use
(1
)
2:
(
)(1
_
)
,
,1
i
k extinct LAI
für i
R
use i
VCF
i
R
n
R
use i
e
=
=
⋅−
Gleichung 18
3:
(
)(1
_
)
,
,2
,1
i
k extinct LAI
für i
R
use i
VCF
i
R
n
R
use i
R
use i
e
=
=
⋅−
⋅−
(entsprechende Vorgehensweise für i > 3)
mit
R
use
nutzbare Nettost
i
Vegetationskomponente mit i = 1 als oberstgelegene Komponente (z. B. Kronen-
raum)
R
n
verfügbare (Gesamt-)Nettostrahlung (gemessen oder simuliert) [Wh/m
2
]
VCF
Vegetationsbedeckungsgrad [-]
LAI
Blattflächenindex [m
2
/m
2
]
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[multilayer_landuse]
4
# count of multilayer landuse codes
1 urban_areas
{ Landuse_Layers = 7, -9999, -9999; k_extinct = 0.3; LAI_scale = 10; }
2 mixed_forest
{ Landuse_Layers = 8,
4,
3; k_extinct = 0.3; LAI_scale = 10; }
3 decidous_forest { Landuse_Layers = 9,
2,
1; k_extinct = 0.3; LAI_scale = 10; }
4 pasture
{ Landuse_Layers = 1, -9999, -9999; k_extinct = 0.3; LAI_scale = 10; }
[landuse_table]
7
# number of following land-use codes
#co- name of the
#de land-use type
#-- ---------------
1 grass_low {method = VariableDayCount;
RootDistr
= 1.0;
TReduWet
= 0.95;
LimitReduWet
= 0.5;
HReduDry
= 3.45;
IntercepCap
= 0.75;
Juldays
= 15
46
74
105 135 166 196 227 258 288 319 349;
Albedo
= 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25;
rsc
= 90
90
75
65
50
55
55
55
60
70
90
90;
rs_interception = 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5;
rs_evaporation = 130 130 130 130 130 130 130 130 130 130 130 130;
LAI
= 2
2
2
2
3
4
4
4
4
2
2
2;
z0
= 0.15 0.15 0.15 0.15 0.3 0.4 0.4 0.3 0.3 0.15 0.15 0.15;
VCF
= 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95;
RootDepth
= 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4;
AltDep
= 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 -0.02 -0.02 -0.02 -0.02 -0.02 -0.02;}
2 grass_high {method = VariableDayCount; RootDistr = 1.0; ... ; AltDep = 0.025 ... -0.025;}
3 fern
{method = VariableDayCount; RootDistr = 1.0; ... ; AltDep = 0.025 ... -0.025;}
4 shrubbery
{method = VariableDayCount; RootDistr = 1.0; ... ; AltDep = 0.025 ... -0.025;}
7 urban_grass {method = VariableDayCount; RootDistr = 1.0; ... ; AltDep = 0.025 ... -0.025;}
8 pine
{method = VariableDayCount; RootDistr = 1.0; ... ; AltDep = 0.025 ... -0.025;}
9 birch
{method = VariableDayCount; RootDistr = 1.0; ... ; AltDep = 0.025 ... -0.025;}
Abbildung 20: Erweiterte 2-teilige Landnutzungstabelle in WaSiM-ETH
Der empirische Parameter
LAI_scale
dient zur Berechnung des aerodynamischen Widerstandes ra,i > 1
unterhalb der Baumkrone (Vegetationskomponenten 2..n).
r
kum
a i
r
a i
+
LAI
_
scale
LAI
Gleichung 19
eter k_extinct und LAI_scale haben signifikanten Einfluss auf die Höhe der Evapotranspiration
im Bestand. Sie sind daher im Rahmen der Modellkalibrierung sorgfältig zu ermitteln. In der Literatur
werden für k_extinct Werte zwischen 0.25 und 0.85 angegeben (z. B. für Gras: 0,5). LAI_scale kann
(nach bisherigen Erfahrungen) zwischen 1 und 30 liegen.
4.3.3
Potenzielle Evapotranspiration
Die potenzielle Evapotranspiration
ET
bezeichnet die maximale Menge Wasser, die pro Zeiteinheit bei
en Bedingungen sowie optimaler Wasserversor-
ng aus
ode
die Wasserversorgu
eschränkt, dann ist die reale Evapotranspiration kleiner als die potenzielle
tion.
omponenten
ation aufgeteilt. Bei optimaler Wasserversorgung
assermangel) oder Wasserexzess (Sauerstoffstress für die
>
=
=1
,1
,
mit
r
a, i=1
aerodynamischer Widerstand für die Bestandeskomponente mit der größten Vegeta-
tionshöhe [s/m]
LAI
kum
kumulierter Blattflächenindex oberhalb der aktuellen Bestandeskomponente [m
2
/m
2
]
Die Defaultwerte für die oben beschriebenen Parameter sind: k_extinct = 0.3 und LAI_scale = 10. Diese
werden auch verwendet, wenn die Einträge in der [multilayer_landuse]-Tabelle nur Angaben zur Vegeta-
tionsschichtung enthalten.
Die Param
pot
gegebenen meteorologischen und pflanzenphysiologisch
gu
dem B
n direkt und/oder über die Pflanzen in die Atmosphäre transferiert werden kann. Ist
ng eing
Evapotranspira
Zur Berechnung der realen Evapotranspiration
ET
akt
wird
ET
pot
auf die K
Interzeptionsverdunstung, Transpiration und Evapor
sind
ET
pot
und
ET
akt
identisch. Wasserstress (W
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KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
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Vegetation infolge anaer
Vegetation infolge anaer
ober Bodenwasserverhältnisse) führen zu einer Reduktion von
ET
akt
gegenüber
e für Be-
hnet wird,
le
) erfüllt. Mit ihr ist es dem Modellnutzer möglich, mehrschichtige Bestandesstrukturen
standesstruktur veränderten Energieumsätze im
erden über eine Anpassung der Terme für die Nettostrahlung und für den aerodyna-
hnung von
ET
bzw.
ET
akt
kann im Modell in Zeitschritt-
en werden (vgl. Kapitel 4.3.1). Maßgebend für die im Mo-
Zeitschr ttweite der vorliegenden meteorologischen Inputdaten.
er-
ne
eis-
eiten
ions-
strukturen und waldspezifischer Bodeneigenschaften“ (Schramm & Scherzer 2004). Dementsprechend
der WaSiM-ETH [landuse_table] für jede
Bestandeskomponente spezifiziert werden (vgl. Kapitel 4.1.8, Kapitel 4.3.2).
2.
Ausbau des singulären Interzeptionsspeichers zu einer Speicherkaskade unter Ber
des Bedeckungsgrades der einzelnen Vegetationskomponenten.
o
WaSiM-ETH Landn
er Modellanwender kann nun den bei der Interzeptionsverdunstung
n
enten in seiner zeitlichen Entwicklung auflösen und parametrisieren. Die Einführung des Oberflächen-
ET
pot
.
Die KliWEP2-Leistungsbeschreibung sieht eine Modifizierung der Penman-Monteith-Method
standeskomponenten vor, so dass der Energiefluss konkret für diejenigen Orte im Bestand berec
welchen der Energieumsatz stattfindet. Diese Vorgabe wird durch die 2-teilige Landnutzungstabel
standeskomponenten vor, so dass der Energiefluss konkret für diejenigen Orte im Bestand berec
an
welchen der Energieumsatz stattfindet. Diese Vorgabe wird durch die 2-teilige Landnutzungstabel
(vgl. Kapitel 4.3.2
zu definieren und
zu definieren und
zu parametrisieren. Die durch die Be
Bestandesinneren w
Bestandesinneren w
mischen Widerstand berücksichtigt. Die Berec
pot
weiten von 1 Minute bis zu 1 Tag o
m
i
weiten von 1 Minute bis zu 1 Tag o
m
i
v rgenom
mischen Widerstand berücksichtigt. Die Berec
pot
dell nutzbare Zeitschrittweite ist d
dell nutzbare Zeitschrittweite ist d
ie
4.3.4
Interzeption
Die Interzeption bezeichnet den Vorgang des Zurückhaltens von Niederschlagswasser auf Pflanzenob
flächen, von wo aus dieses Wasser anschließend verdunstet. Entsprechend bewirkt die Interzeption ei
Verringerung des auf die Bodenoberfläche auftreffenden Niederschlags. Die Interzeption ist stark vegeta-
tionsabhängig und vor allem für den Wasserhaushalt von Waldgebieten von erheblicher Bedeutung,
tionsabhängig und vor allem für den Wasserhaushalt von Waldgebieten von erheblicher Bedeutung,
da
durch sie alle folgenden hydrologischen Prozesse, wie z. B. Infiltration, Evapotranspiration und Grund-
wasserneubildung, maßgeblich beeinflusst werden.
wasserneubildung, maßgeblich beeinflusst werden.
Die Erweiterung von WaSiM-ETH hinsichtlich seines Interzeptionsmoduls orientiert sich an der L
tungsbeschreibung des LfUG sowie an den Detailvorgaben der „Vorstudie zu Erweiterungsmöglichk
es Gebietswasserhaushaltsmodells WaSiM-ETH für die Berücksichtigung differenzierter Vegetat
tungsbeschreibung des LfUG sowie an den Detailvorgaben der „Vorstudie zu Erweiterungsmöglichk
des
Gebietswasserhaushaltsmodells WaSiM-ETH für die Berücksichtigung differenzierter Vegetat
wurden die folgenden beiden Modellerweiterungen umgesetzt:
wurden die folgenden beiden Modellerweiterungen umgesetzt:
1.
Integration eines landnutzungsspezifischen Parameters
IntercepCap
(Angabe in [mm]) zur Be-
schreibung der maximalen Schichtdicke des Wassers auf der Vegetationsoberfläche.
Intercep-
Cap
kann entsprechend der überarbeiteten Struktur
1. Integration eines landnutzungsspezifischen Parameters
IntercepCap
(Angabe in [mm]) zur Be-
schreibung der maximalen Schichtdicke des Wassers auf der Vegetationsoberfläche.
Intercep-
Cap
kann entsprechend der überarbeiteten Struktur
ücksichtigung
ücksichtigung
Darüberhinaus erf lgte die Integration eines weiteren interzeptionsspezifischen Parameters in die
utzungstabelle. D
Darüberhinaus erf lgte die Integration eines weiteren interzeptionsspezifischen Parameters in die
utzungstabelle. D
wirksam werdende Oberflächenwiderstand (
rs_interception
) separat für beliebige Vegetationskompo-
n
widerstandes
rs_interception
erlaubt die Interzeptionsverdunstung prozessorientierter als bisher zu model-
lieren, da nun auch spezifische Merkmale des interzipierten Wassers (z. B. Halbkugelform der Tropfen
auf Blättern) berücksichtigt werden können.
widerstandes
rs_interception
erlaubt die Interzeptionsverdunstung prozessorientierter als bisher zu model-
lieren, da nun auch spezifische Merkmale des interzipierten Wassers (z. B. Halbkugelform der Tropfen
auf Blättern) berücksichtigt werden können.
Durch das erweiterte Interzeptionsmodul können die folgenden Wasserbilanzgrößen analysiert und als
Grids und Statistiken ausgegeben werden (vgl. Kapitel 4.1.7) (Ausgaben separat für einzelne Vegetati-
onskomponenten
und
Durch das erweiterte Interzeptionsmodul können die folgenden Wasserbilanzgrößen analysiert und als
Grids und Statistiken ausgegeben werden (vgl. Kapitel 4.1.7) (Ausgaben separat für einzelne Vegetati-
onskomponenten
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ober Bodenwasserverhältnisse) führen zu einer Reduktion von
ET
akt
gegenüber
e für Be-
hnet wird,
le
) erfüllt. Mit ihr ist es dem Modellnutzer möglich, mehrschichtige Bestandesstrukturen
standesstruktur veränderten Energieumsätze im
erden über eine Anpassung der Terme für die Nettostrahlung und für den aerodyna-
hnung von
ET
bzw.
ET
akt
kann im Modell in Zeitschritt-
en werden (vgl. Kapitel 4.3.1). Maßgebend für die im Mo-
Zeitschr ttweite der vorliegenden meteorologischen Inputdaten.
er-
ne
eis-
eiten
ions-
strukturen und waldspezifischer Bodeneigenschaften“ (Schramm & Scherzer 2004). Dementsprechend
der WaSiM-ETH [landuse_table] für jede
Bestandeskomponente spezifiziert werden (vgl. Kapitel 4.1.8, Kapitel 4.3.2).
2.
Ausbau des singulären Interzeptionsspeichers zu einer Speicherkaskade unter Ber
des Bedeckungsgrades der einzelnen Vegetationskomponenten.
o
WaSiM-ETH Landn
er Modellanwender kann nun den bei der Interzeptionsverdunstung
n
enten in seiner zeitlichen Entwicklung auflösen und parametrisieren. Die Einführung des Oberflächen-
pot
.
v rgenom
und als Integral oder Mittel über alle Komponenten):
-
potenzielle Interzeptionsverdunstung [mm/∆t]
-
reale Interzeptionsverdunstung [mm/∆t]
-
reale Interzeptionsspeicherfüllung [mm/∆t]
4.3.5
Transpiration
Der Transpiration kommt im interaktiven System Boden-Pflanze-Atmosphäre eine wichtige Bedeutung
zu. Das Saugspannungsgefälle zwischen Boden und Atmosphäre wirkt dabei als treibende Kraft des Was-
sertransportes durch die Pflanze (Transpirationssog). Die Transpiration erfolgt sowohl über die Stomata
(stomatäre Transpiration) als auch über die Blattoberfläche (kutikuläre Transpiration). Für den Wasser-
haushalt der Pflanzen ist die stomatäre Transpiration, also die Wasserdampfabgabe über aktiv regulierba-
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Seite 53
re Spaltöffnungen, entscheidend. Sie macht etwa 90-95 % der gesamten Transpiration aus (Dyck und
Peschke
1995). Aufgrund ihrer Bedeutung muss sie in der Modellierung des Wasserhaushalts berücksich-
Entsprechend den Anforderungen der KliWEP2-Leistungsbeschreibung wurde WaSiM-ETH so erweitert,
n dies
grenzwerte für das Einsetzen von Trocken- bzw. Nässestress (
HReduDry
und
TReduWet
) für jede einzelne Vegetationskomponente interaktiv vorgegeben werden können. Zusätzlich
enschaften über zwei vegetationsspezifische Parame-
hwankungen wünschenswert. In WaSiM-
ETH
r
kalisch-b
tigt werden.
Die in WaSiM-ETH implementierte Penman-Monteith-Gleichung verwendet mehrere vegetationsspezifi-
sche Parameter zur Berechnung der potenziellen Transpiration. Neben dem stomatären Widerstand
rsc
sind die Parameter Blattflächenindex
LAI
, Vegetationsbedeckungsgrad
VCF
, aerodynamische Rauhig-
keitslänge
z0
und Albedo
α
von Bedeutung. Die Wertezuordnung für diese Parameter wird in der [landu-
se_table] vorgenommen (vgl. Kapitel
4.1.8). Die reale Transpiration kann gegenüber der potenziellen
durch das verfügbare Bodenwasser limitiert sein. WaSiM-ETH berücksichtigte diesen Umstand bisher
durch die Einführung von Grenzwerten zum Trocken- und Nässestress, bei deren Erreichen die reale
Transpiration eingeschränkt bzw. (im Extremfall) eingestellt wird.
dass nu
e Bodenfeuchte
wurde ein vegetationsspezifischer Parameter
LimitReduWet
eingeführt, der die Reduktion des transpirati-
ven Bodenwasserentzugs bei Sättigung begrenzt. Auch dieser Parameter ist interaktiv veränderbar.
Abbildung 21 zeigt die Beeinflussung der Transpiration durch den Bodenwassergehalt.
Modelltechnisch gesehen findet die transpirative Bodenwasserentnahme ausschließlich im Bereich der
durchwurzelten Bodenzone statt. Deshalb müssen im Modell die Wurzeleigenschaften der Vegetation
bekannt sein. In WaSiM-ETH können die Wurzeleig
ter definiert werden: zum einen über die Durchwurzelungstiefe
RootDepth
(für zeitlich variabel definierte
Stützstellen), zum anderen über die Wurzeldichteverteilung
RootDist
(vgl. Kapitel 4.1.8).
Aufgrund der engen Verknüpfung von Transpiration und Bodenfeuchte ist eine möglichst physikalisch
begründete Modellierung der Bodenwasserdynamik unter Einbeziehung von Kapillarwasseraufstieg,
Perkolation, lateralem Abfluss (Interflow) und Grundwassersc
wi d durch die Anwendung der Richards-Gleichung (vgl. Kapitel 4.2) dieser Forderung nach physi-
asierter Bodenwassersimulation Rechnung getragen.
Bodenwassergehalt
Transpiration
100 %
0
PWP
HReduDry
FK
Sat
nFK
DW
TReduWet
LimitReduWet
rmanenter Welkepunkt, FK: Feld-
n Beginn von Trockenstress, TRe-
ässestress, LimitReduWet: max. Reduktion der
Im Rahmen der Modellerweiterung wurde die Ausgabe der folgenden Berechnungsergebnisse in WaSiM-
mpleme
Abbildung 21: Abhängigkeit der Transpiration vom Bodenwassergehalt. nFK: nutzbare Feldkapazität,
DW: Drainwasser (oder Gravitationswasser), PWP: pe
kapazität, Sat: Sättigung, HReduDry: Grenzwert für de
duWet: Grenzwert für den Beginn von N
Transpiration infolge Nässestress
ETH i
ntiert:
-
potenzielle Transpiration für einzelne Vegetationskomponenten sowie als Integral über alle
Komponenten (inkl. potenzieller Evaporation) [mm/∆t]
-
reale Transpiration für einzelne Vegetationskomponenten sowie als Integral über alle Kompo-
nenten (inkl. realer Evaporation) [mm/∆t]
-
transpirative Wasserentnahme pro Bodenschicht [mm/∆t]
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(federführend), Maconring 98a, 67434 Neustadt/Wstr.
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Dr. Karsten Jasper, Postweg 11, CH 8143 Stallikon

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KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
4.3.6
Evaporation
Die Hydrologie fasst unter dem Begriff Evaporation die nach physikalischen Gesetzmässigkeiten erfol-
iM-ETH Modell im Bereich der Bo-
gende Verdunstung der unbewachsenen Erdoberfläche (Boden-, Schnee- und Eisverdunstung), des auf die
Pflanzenoberflächen zurückgehaltenen Niederschlags (Interzeptionsverdunstung, vgl. Kapitel
4.3.4) und
von freien Wasserflächen (Gewässerverdunstung) zusammen (Dyck und Peschke 1995).
In WaSiM-ETH kann aus der obersten Bodenschicht dann Wasser verdunsten, wenn genug Energie nach
Interzptionsverdunstung und Transpiration der Pflanzen bleibt. Der Verdunstungswiderstand für die Eva-
portation konnte bisher nicht extern vorgegeben werden, sondern war intern auf 150 s/m festgelegt
(Schulla 1997).
Im aktuellen Projekt wurde gemäß der Aufgabenstellung das WaS
denverdunstung erweitert. Die Anpassungen (Erweiterungen) sahen u. a. eine prozessorientiertere Be-
rechnung der Bodenevaporation über eine modifizierte Penman-Monteith-Gleichung vor, bei der im Ge-
gensatz zur herkömmlichen Gleichung ein neu eingeführter landnutzungsabhängiger Bodenoberflächen-
widerstand
rs_evaporation
Berücksichtigung findet. Dieser Widerstand kann in der erweiterten WaSiM-
ETH [landuse_table] interaktiv für jede Vegetation als zeitlich variabler Wert vorgegeben werden (vgl.
Kapitel
4.1.8).
WaSiM-ETH berechnet sowohl eine potenzielle als auch eine reale Bodenevaporation. Gegenüber der
potenziellen Evaporation
EVAP
ist die reale Evaporation
EVAR
durch den nach der transpirativen Was-
serentnahme verbleibenden (und ausschöpfbaren) Wassergehalt der ersten Bodenschicht limitiert. Die
Ausgabe der Berechnungsergebnisse von
EVAP
und
EVAR
kann im Grid- und Tabellenformat erfolgen.
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Seite 55
5
Testsimulationen mit WaSiM-ETH für Untersuchungs-
standorte in Sachsen
5.1
Untersuchungsstandorte
Die Testsimulationen des erweiterten Modells wurden für die Level II-Flächen Laußnitz, Colditz, Klin-
genthal (SBS), Lüttewitz (LfL) und für drei Lysimeter in Brandis (UBG) durchgeführt. Diese Standorte
repräsentieren ein
weites Spektrum von typischen Klima- und Bodenbedingungen sowie Landnutzungen
in Sachsen (vgl.
Tabelle 7). Die gewonnen Erfahrungen bei der Parametrisierung der erweiterten Modell-
komponenten und bei der Berechnung verschiedener Wasserhaushaltskomponenten an den ausgewählten
Standorten werden anschließend bei der Modellierung des Einzugsgebiets des Schnellbachs (vgl. Kapi-
tel
6) umgesetzt.
Tabelle 7:
Charakterisierung der Untersuchungsstandorte für dieTestsimulationen im Untersu-
chungszeitraum
Standort HW RW Höhe
ü. NN
[m]
Bodentyp Land-
nutzung
Jahresmittel-
temperatur
[°C]
Mittlerer Jah-
resniederschlag
[mm]
Laußnitz 5680172 4627075 170 stark podsolige Kiefer 9,0 748,9
Braunerde
Colditz
5672430
4557709
185
Pseudogley
Eiche
9,3
753,1
Klingenthal 5587650 4538020 840 Podsol-
Braunerde
Fichte
5,8
1368,2
Lüttewitz 5666900 4586300 182 Parabraunerde-
Pseudogley
Acker
(Mulch)
9,4
578,8
Brandis
Lysimeter 5/6
5688180 4541620 136 erodierte
Braunerde
Acker
9,7
647,5
Brandis
Lysimeter 8/6
5688180 4541620 136 Parabraunerde-
Braunerde
Acker
9,7
647,5
Brandis
Lysimeter 7/4
5688180 4541620 136 Braunerde-
Pseudogley
Acker
9,7
647,5
5.2
Eingangsdaten und Parametrisierung des Modells
Für die Anwendung von WaSiM-ETH sind sowohl zeit- als auch raumbezogene Datensätze erforderlich.
Als Zeitreihen werden für die Modellierung der Standorte meteorologische Daten genutzt, als Raumdaten
müssen dem Modell Informationen zur Höhenverteilung, Landnutzung und zu den Bodeneigenschaften
bereitgestellt werden. Diese Daten wurden vom AG für die einzelnen Standorte zur Verfügung gestellt.
Da die Qualität der Eingangsdaten sehr großen Einfluss auf die Qualität der Ergebnisse nimmt, wurde der
präzisen Datenaufbereitung, d. h. dem Preprocessing, im Rahmen der Modellanwendung große Aufmerk-
samkeit gewidmet.
5.2.1
Parametrisierung der Vegetation
Durch die im Rahmen von KliWEP2 erfolgte Erweiterung von WaSiM-ETH (vgl. Kapitel 4.3.2) können
sowohl die vertikale Bestandesstruktur als auch die zeitliche Veränderung von Vegetationsparametern
deutlich besser als bisher berücksichtigt werden. Der jahreszeitliche Verlauf der Vegetationsparameter
Albedo, Stomatawiderstand der Vegetation (rsc, nun unterteilt nach rs_evaporation, rs_interception und
rsc für die Transpiration), Blattflächenindex (LAI), effektive Vegetationshöhe (z
0
), Vegetationsbede-
ckungsgrad (vcf) und Wurzeltiefe (RootDepth) kann nun über die Angabe beliebig vieler „Eckdaten“
dargestellt werden. Die genaue Bedeutung der verschiedenen Parameter ist in Kapitel 4.2.5 beschrieben.
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Alb
vcf und RootDepth konnten teilweise aus bereits vorliegenden Modellanwendungen
Tes
mit COUPMODEL (Scherzer 2005) bzw. aus Literatur- und Erfahrungswerten ü
Für den Standort Lüttewitz wu
edo, LAI,
für die
tstandorte
bernom-
men werden.
rden von der LfL Informationen zur Fruchtfolge und die
Zeitpunkte verschiedener Bearbeitungen, der Aussaat und Ernte sowie der mittlere Bedeckungsgrad für
jeden Kalendermonat zur Verfügung gestellt. Für die Lysimeter der Station Brandis liegen zur Abschät-
von LAI
ch phänologische Aufzeichnungen und eine umfangreiche Foto-
mentatio
n Entwicklungsstadien vor.
g des JulDays pro Höhenmeter) mit Null belegt. Für eine realistische Nachbildung von
Evaporation, Transpiration und Interzeption waren in der Regel bei den Parametern rsc, rsc_evap, vcf und
f das
Vorgehen bei d
er einzelnen Parameter wird in den nachfolgenden Kapiteln näher einge-
gangen.
5.2.2
Parametrisierung des B
ns
h
G
ggeber vorgelegten Profilbeschrei-
param
ü
-S
rt
ch
005). Bei waldbestockte
orten
us
c
nis
u
Model
sichtigt.
Für die Parametrisierung von pF-Kurven ex
rschiedene Ansätze u. a. von Brooks und Corey
lapp
b
8)
v
it dem M
ll nach va
chten
(1980) wird der gesamte Saugspannungsbere
ne
reiparametrige Funktion abgedeckt.
diesem
d
nau
h
ßere
eite von Retentionskurve
passt
ls mit anderen Konzepten, ist
l nach van Genuchten (1980) inzwischen der am
n verb
sa
sch
g
n. Die grundlegen
leichung h
t
zung
und vcf darüber hinaus au
doku
n der Vegetation in mehrere
Für alle Standorte und Vegetationskomponenten wurde eine exponentielle Abnahme der Wurzeldichte
mit der Tiefe angenommen (Parameter Rootdistr = 1). Der relative Wassergehalt des Bodens für begin-
nenden Wasserstress (TReduWet) liegt für alle Standorte und Vegetationskomponenten bei 0,95, der
relative minimale Wert, um den die Transpiration bei Wassersättigung reduziert werden kann (LimitRe-
duWet) bei 0,5 und die minimale Saugspannung, bei der Trockstress auftritt (HReduDry) je nach Standort
zwischen 1 m (98,1 hPa) und 3,45 m (338 hPa). Für die Standortsimulationen wurde der Parameter Alt-
Dep (Verschiebun
IntercepCap Nachjustierungen gegenüber Literatur- bzw.
first-guess-
Schätzungen erforderlich. Au
er Kalibrierung d
ode
Die Böden wurden horizontspezifisc auf rundlage der vom Auftra
bungen
etrisiert (f r die SBS tando e vgl. auch S erzer 2
n Stand
wurde ggf. z ätzlich au h die orga
che A flage im
istieren ve
l berück
(1964), C
und Horn erger (197 und an Genuchten (1
ich durch ei
980). M
einzige d
ode
n Genu
Da mit
werden kann a
Ansatz arüber hi s auc eine grö
das Model
Bandbr
n ange
weiteste
reitete An tz zur Be
eibun von pF-Kurve
de G
ierbei is
S
e
nm
(1 (
))
1
+ αψ
=
Gleichung 20
mit
α,
n
und
m
als empirische Parameter. Der van Genuchten-Parameter
α
entspricht in etwa dem Kehr-
wert des Lufteintrittspunkts (
ψ
a
). Für die Bestimmung der Parameter
n
und
m
wird in der Regel die
Restriktion
m = 1 - 1/n
verwendet.
Zur Bestimmung der Parameter der van Genuchten-Funktion aus gemessenen Retentionsdaten entwickel-
ten van Genuchten et al. (1991) das Programm RETC. Stehen keine gemessene Retentionsdaten zur Ver-
fügung, so werden die van Genuchten-Parameter häufig indirekt mit Hilfe von sogenannten Pedotransfer-
funktionen (PTF) aus
bodenphysikalischen Standard-Messgrößen (z. B. Korngrößenverteilung, Trocken-
rohdichte, Humusgehalt) abgeschätzt. Die indirekte Parameterbestimmung über PTF ist allerdings mit
herheiten
rwendung von über PTF bestimmten van Genuchten-
etern in
en erhebliche nichtlineare Fortpflanzungsfehler auftre-
Unsic
behaftet. Insbesondere bei der Ve
Param
Wasserhaushaltssimulationen könn
ten (Schramm et al. 2006). Soweit keine gemessenen Retentionsdaten vorlagen, wurde im Rahmen der
vorliegenden KliWEP2-Studie die PTF nach Wösten et al. (1999) verwendet. Diese PTF bietet Regressi-
onsgleichungen zur Ermittlung sowohl der van Genuchten-Parameter als auch des Mualem-Parameters
τ
aus absoluten Werten von Schluff, Ton, Trockenrohdichte und organischer Substanz an. Die Mualem-van
Genuchten-Parameter werden durch eine multiple Regressionsanalyse abgeleitet. Dabei wird zusätzlich
nach Ober- oder Unterboden unterschieden. Zum Einsatz kommen dabei Kombinationen der Basisdaten
und ihrer Ableitungen (reziproker und exponentieller Form) sowie Wechselbeziehungen dieser Parameter.
Der residuale Wassergehalt (θr) wird dabei nicht explizit regressiv definiert sondern gleich Null gesetzt.
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Nach Schramm et al. (2006) liefert die PTF nach Wösten insbesondere für Forstböden bessere Resultate
als zahlreiche andere PTFs.
Für die Modellierung des Wassertransportes in Böden benötigt man neben der Parametrisierung der pF-
Kurve auch den funktionalen Zusammenhang zwischen der hydraulischen Leitfähigkeit
K
und dem Was-
sergehalt bzw. dem Matrixpotenzial (auch als
K
-Funktion bezeichnet). Da die Messung der hydraulischen
Leitfähigkeit im ungesättigten Bereich schwierig und zeitaufwendig ist, wurden verschiedene Vorhersa-
getheorien zur Bestimmung der
K
-Kurve entwickelt (Childs und Collis-George
1950, Burdine 1953, Mil-
lington und Quirk 1961, Mualem 1976). Einen umfassenden Überblick gibt z. B. Durner (1991).
Die aktuell am häufigsten verwendete Funktion wurde von Mualem (1976) veröffentlicht. Die
K
-Funktion
ergibt sich dabei aus folgender Gleichung:
2
0
0
1
1
=
s
d
d
K
K
K
sat
m
m
r
θ
θ
τ
θ
ψ
θ
ψ
Gleichu
mit:
K
ng 21
absolute Leitfähigkeit [LZ
-1
]
K
sat
Leitfähigkeit bei Wassersättigung [LZ
-1
]
K
r
t [-]
τ
Tortuosität [-] (von Mualem in seiner Originalarbeit (1976) gleich 0,5 gesetzt)
d ergibt (van Genuchten
relative Leitfähigkei
Verknüpft man Gleichung 20 mit der van Genuchten-Funktion und legt den Parameter
m
durch die Ne-
benbedingung
m = 1-1/n
fest, lässt sich Gleichung 21 geschlossen lösen un
1980):
()
((
))⎟
Θ= Θ −−Θ
2
1
1/
1
m
m
K
K
sat
τ
Gleichung
22
mit:
hydraulische Leitfähigkeit als Funktion der effektiven Sättigung [
K
sat
gesättigte hydraulische Leitfähigkeit [LZ
-1
]
τ
Tortuositätsfaktor (empirisch) [-]
on Böden wurde bereits eine Reihe von Methoden dokumentiert.
1986). Neben in-situ- (z. B. Green et al. 1986) und Standard-
K
()
Θ
LZ
-1
]
m
=
1−1/
n
van Genuchten-Parameter [-]
Zur Bestimmung der
K(
θ
)
-Funktion v
Einen Überblick gibt z. B. Klute (
Labormethoden (Hartge und Horn 1992) gibt es auch Modelle zur Vorhersage der Leitfähigkeitsfunktion
aus der pF-Kurve (z. B. van Genuchten et al. 1991, Durner 1991), aus der Korngrößenverteilung (z. B.
Rawls und Brakensiek 1989, Schaap und Leij 1998, Wösten et al. 1999) oder aus inverser Simulation von
Laborsäulenversuchen (Schultze 1998). Der Parameter
τ
kann ebenfalls mit Hilfe des Optimierungspro-
gramms RETC durch Anpassung an gemessene Leitfähigkeitswerte abgeschätzt werden.
Für die Standorte Laußnitz, Colditz und Klingenthal liegen u. a. aus dem Projekt „Wasserhaushaltssimu-
lationen an acht Untersuchungsstandorten des Staatsbetriebes Sachsenforst für den Zeitraum 1997-2005“
(Scherzer und Schultze 2006) Informationen bezüglich Horizontabfolge und -mächtigkeit, Labor-pF-
Kurven und hydraulischen Leitfähigkeiten der einzelnen Monitoringflächen vor. Die van Genuchten-
Parameter konnten somit auf direktem Weg mit Hilfe des Programms RETC bestimmt werden. Für die
Böden der Lysimeterstation Brandis liegen keine gemessenen pF-WG-Beziehungen vor. Hier wurden die
van Genuchten-Parameter sowie der Mualem-Parameter
τ
daher mit Hilfe der PTF nach Wösten et al.
(1999) abgeschätzt. Für den Standort Lüttewitz stellte die LfL Werte für die van Genuchten-Parameter
der einzelnen Horizonte zur Verfügung.
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KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
Durch die Erweiterung von WaSiM-ETH um ein Makroporenmodul (vgl. Kapitel 4.2.5) können auch
präferenzielle Flüsse im Boden
dargestellt werden. Eine Anwendung dieses Moduls ist in Kapitel 5.5 für
ierungs-
sbesondere von geringmächtigen Bodenhorizonten oder von
öden mit hohen hydraulischen Leitfähigkeiten. Programmseitig ist daher ein sogenannter Iterationsalgo-
rithmus implementiert, welcher das Modell in die Lage versetzt, anwenderseitige Verletzungen des Cou-
rant-Kriteriums zumindest teilweise auszugleichen. Im Rahmen von KliWEP2 waren vor allem
sche Auflagen von Wäldern, welche sich durch hohe Wasserleitfähigkeiten auszeichnen, von dies
striktion betroffen. Da der Zeitschritt der Klimadaten (jeweils tägliche Auflösung, abweichend davon
üttewitz: stündliche Auflösung) vorgegeben war, konnte die Einhaltung des Courant-Kriteriums nur
npassung der
oder des kf-Wertes ermöglicht werden. Hierbei
t um kritische Parameter, da z. B. die
erringe
der hydrau
unerwünschtem Überstau und/oder
berfläc
bflu führt.
tandortes Lauß
ur
einer Verletzung des Courant-Kriteriums durchgeführt.
An allen Teststandorten konnte ein Vergleich simulierter Zustandsvariablen im Boden mit Messwerten
er Bodensaugspannung und/oder Wassergehalten aus mehreren Tiefen durchgeführt werden. Hierbei ist
zu beachten, dass die von WaSiM-ETH ausgegebene Saugspannung bzw. hydraulische Höhe („hhyd“) für
die Grenze zwischen zwei numerischen Modellkompartimenten gilt, während sich der Wass
„theta“ auf die mittlere Bodenfeuchte eines
den Standort Klingenthal beispielhaft dargestellt.
Bei WaSiM-ETH orientiert sich der interne Rechenzeitschritt an der zeitlichen Auflösung der antreiben-
den Klimadaten (z. B. Tage, Stunden, Minuten). Das Modell verfügt (bisher) über keine explizite
Zeitsschrittsteuerung. Im Rahmen der Modellparametrisierung und -kalibrierung muss sich der Anwender
daher intensiv mit dem sogenannten Courant-Kriterium (vgl. Gleichung 16) auseinandersetzen. Das Ver-
hältnis von gesättigter hydraulischer Leitfähigkeit und vertikaler Mächtigkeit einer Diskretis
schicht ist zumindest näherungsweise so zu wählen, dass die Diskretisierungsschicht nicht innerhalb eines
Zeitschritts durchflossen werden kann. Aus dieser Bedingung ergeben sich erhebliche Restriktionen bei
der prozessorientierten Parametrisierung in
B
organi-
er Re-
L
über eine A
Horizontmächtigkeiten und/
handelt es sich allerdings insbesondere im obersten Kompartimen
V
rung
lischen Leitfähigkeit unter Umständen zu
O
hena ss
Mögliche Folge ist eine ungenügende Simulationsqualität. Am Beispiel des
S
nitz w den daher eingehendere Untersuchungen zu numerischen Problemen infolge
5.2.3
Kalibrierung
d
ergehaltswert
Kompartiments bezieht.
ie Modellkalibrierung für die Standorte Laußnitz, Colditz und Klingenthal stützt sich auf Messungen
BS (Staat
ieb Sa
Tensio-
ieh auch
rzer
n Bran-
dis wurd
esswerte zu
gliche Sickerwasserraten und Eva-
potranspi tionsw rte (be
für den Zeitraum 1997-2004 bereitgestellt.
Grundlage der Modellanp
itz der Landesanstalt für Landwirtschaft waren
Messdaten der Wasserspannung und der Bodenfeuchte für den Zeitraum 1999-2004.
den Ergebnissen
D
des S
sbetr
chsenforst) im Zeitraum 1997-2004 (v. a. Bestandesniederschlag und
nen, s
e
Sche
und Schultze 2006). Für die Modellierung der drei Lysimeter der Statio
en M
Bodenfeuchte und Wasserspannung sowie tä
ra
e
rechnet aus der Lysimeterbilanz)
assung für den Standort Lüttew
5.2.4
Bilanzierung
Bei der Auswertung der Simulationsergebnisse auf Standortebene wurden zunächst die mit dem erweiter-
ten WaSiM-ETH-Modell berechneten sogenannten
Bilanzkomponenten des Wasserhaushalts
Interzeption,
Evaporation, Transpiration, Schneeverdunstung, Basisabfluss, Zwischenabfluss, Oberflächenabfluss und
Speicheränderung ausgewertet. Diese wurden auf Plausibilität geprüft, mit ggf. vorliegen
von Vorgängermodellierungen verglichen und im Fall von Brandis und Lüttewitz am 08.09.2006 auch
bereits vor Ort mit Vertretern des Projektbeirates und Experten der jeweiligen Monitoring- bzw. Ver-
suchsflächen diskutiert.
Zudem wurde auch die interne Wasserbilanz von WaSiM-ETH nach der Gleichung
FNS
(
EI
+
ETR
+
ETRS
+
Q
ges
+ ΔΘ + Δ
SI
+ Δ
SSTO
)
=
0
Gleichung 23
mit
FNS
Freilandniederschlag [mm/Berechnungsintervall]
EI Interzeptionsverdunstung
[mm/Berechnungsintervall]
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ETR Evapotranspiration [mm/Berechnungsintervall]
ETRS
Verdunstung von der Schneeoberfläche [mm/Berechnungsintervall]
Q
ges
Gesamtabfluss: Basisabfluss + Zwischenabfluss + Direktabfluss
ruck-Sättigungs-Beziehungen des SBS Modell-
funktionen nach van Genuchten bestimmt (vgl. Abbildung 22). Die von Scherzer und Schultze (2006)
menen Leitfä
Bereich 7,32.10
-5
m/s (Auflage) bis 2,31.10
-6
m/s (Cv-
nt).
[mm/Berechnungsintervall]
Δθ
Veränderung des Wassergehalts im Bodenspeicher [mm/Berechnungsintervall]
ΔSI
Veränderung des Wassergehalts im Interzeptionsspeicher
[mm/Berechnungsintervall]
ΔSSTO
Veränderung des Wassergehalts im Schneespeicher
[mm/Berechnungsintervall]
ausgewertet. Diese Betrachtung erlaubt die Kontrolle, ob das erweiterte Modell korrekt rechnet, alle rele-
vanten Wasserflüsse in der Bilanz berücksichtigt sind und insbesondere auch, ob im Verlauf der mehrjäh-
rigen Simulation kein Wasser verlorengeht oder dazukommt (Aufdeckung versteckter Quellen und Sen-
ken, Erkennung von Programmfehlern in der erweiterten Version usw.).
5.3
Laußnitz (Kiefernbestand auf stark podsoliger Braunerde, Düben-Niederlausitzer
Altmoränenland)
5.3.1
Bodenparameter
Das Bodenprofil am Standort Laußnitz umfasst 6 Horizonte. Für jeden dieser Horizonte wurden mit Hilfe
des Programms RETC auf Grundlage von gemessenen D
übernom
higkeiten liegen im
Horizo
1
10
100
1000
10000
Saugspannung (h
100000
1000000
Pa)
Auflage (0-7 cm)
Ahe (7-15 cm)
Bv1 (15-42 cm)
Bv2 (42-72 cm)
Bv/Cv (72-105 cm)
Cv (105-200 cm)
0 20 40 60 80
Wassergehalt (Vol-%)
Abbildung 22: Standort Laußnitz: pF-Kurven. Punkte: Messwerte
Die zunächst auf dieser Grundlage durchgeführte Parametrisierung von WaSiM-ETH führte allerdings zu
einer deutlichen Verletzung
des Courant-Kriteriums. Bei einer Mächtigkeit der obersten Diskretisie-
en Leitfähigkeit von
32.10 m/s bzw. 633 cm/d beträgt die Mindestverweildauer im ersten Kompartiment lediglich 0,01 d
zw. 16 min.
Aus diesem Grund wurde für den Standort Laußnitz eine zweite, modifizierte Parame
ltu
C urant-K
nt 1 und Horizont 2, die im
gt. Die Horizon-
rungsschicht (organische Auflage) von 0,07 m und einer gesättigten hydraulisch
7,
-5
b
trisierung unter
Einha ng des o
riteriums erstellt. Konkret wurden hierbei Horizo
Verhältnis zu ihrer Schichtmächtigkeit sehr hohe Leitfähigkeiten aufweisen, vernachlässi
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te 3-6 wurden mit den für diese Schichten ermittelten van Genuchten-Paramete
E
ng der Cou
edingung mussten darüber hinaus die Mächtigkeiten der numerische
sierungsschichten in
erbleibenden Horizonten auf 50 cm (Horizont 3, Horizont 4), 20
5) und 30 cm (Horizont 6) vergrößert werden. Eine tabellarische
v
eten
en
eter befindet sich in Anhang 9.1.
5.3.2
Vegetationsparameter
Der Blattflächenindex (LAI) der Kiefer wurde nach den An
rn parametrisiert. Zur
inhaltu
rant-B
n Diskreti-
den v
cm (Horizont
Übersicht aller für den Standort Laußnitz
erwend
Bod param
haltspunkten von Scherzer und Schultze
und Transpiration) wurde der
LAI schließlich auf einen Maximalwert von 4,5 m²/m² verringert. Der LAI der Krautschicht zeigt einen
Jahresverlauf zwischen 1 m²/m² und 3,5 m²/m². Als Optimalwerte für die Stomataleitfähigkeit wurden
te von 11
für
hi
Bedeckungsgrad der Kiefer (vcf) wurde mit 90 % und die Wurzeltiefe mit 1,25 m angenommen, der vcf
der Krautschicht variiert im Jahresverlauf zwischen 40 % und 70 %, für die Wurzeltiefe wurden im Jah-
lauf We
und 50 cm angenommen.
und der Evaporation. IntercepCap stellt somit also den einzigen freien Parameter
für die Kalibrierung der Interzeption dar. Der für Laußnitz als optimal befundene Wertebereich von ca.
0,6 mm wurde bei der Modellierung der anderen Standorte bestätigt. Es zeigte sich, dass der Parameter
IntercepCap in WaSiM-ETH allgemein relativ hoch eingestellt werden muss. Anhang 9.1 dieses Berichtes
enthält auch eine Übersicht aller Parametereinstellungen für das Kompartiment Vegetation.
5.3.3
Simulationsergebnisse: Bestandesniederschlag/Interzeption
Durch die oben dokumentierte inverse Optimierung der Interzeptionsparameter, insbesondere des Para-
meters IntercepCap, ließ sich eine gute Übereinstimmung zwischen gemessenem und simuliertem Be-
standesniederschlag erzielen (vgl. Abbildung 23). Die weitestgehende Deckung der Kurven in Abbildung
23 (oben) über den Gesamtzeitraum 1997-2004 konnte zudem ohne jährliche Variation einzelner Vegeta-
tionsparameter erreicht werden. Dies kann als Hinweis auf die Stabilität des Interzeptionsmoduls des
erweiterten WaSiM-ETH-Modells bzw. die Verlässlichkeit der BNS-Erfassung durch den SBS gewertet
werden.
5.3.4
Simulationsergebnisse: Bodensaugspannung
Die Simulationsergebnisse, welche unter Berücksichtigung aller vorgegebenen Bodenhorizonte bzw.
erzielt wurden, zeigen in den Untersu-
essenen Bodensaugspannungen am
re in den Wintermonaten 2000/01, 2003/04 sowie 2004/05 im Widerspruch zu den Mess-
(2006) zunächst auf 5,5 m²/m² festgesetzt. Da davon auszugehen ist, dass im Winter ein partieller Verlust
von ungefähr 10 % der Nadeln erfolgt, der im Frühjahr durch Zuwachs wieder ausgeglichen wird, wurde
der LAI zudem im Winter um ca. 10 % verringert und erst im Lauf des Frühjahrs wieder auf den sommer-
lichen Wert gesteigert. Im Rahmen der Modellkalibrierung (Interzeption
Wer
0 s/m innerhalb und 200 s/m außerhalb der Vegetationsperiode für die Kiefer und 20 s/m
die Krautsc cht ermittelt. rs_intercep wurde auf 0,5 s/m gesetzt, rs_evap auf 1000 s/m optimiert. Der
resver
rte zwischen 20 cm
Die Blattspeicherkapazität (IntercepCap) für die Kiefer wurde mit auf 0,55 mm optimiert. Die Schichtdi-
cke des Interzeptionsfilms auf der Krautschicht wurde mit 0,50 mm angenommen. Diese Werte sind im
Vergleich mit den Angaben von ca. 0,10-0,50 mm bei Schulla (1997) oder Jansson und Karlberg (2001)
relativ hoch. Im erweiterten WaSiM-ETH-Modell wird die Interzeptionskapazität der Vegetation durch
die Parameter vcf, LAI und IntercepCap gesteuert. Erstere beide Parameter beeinflussen u. a. auch die
Höhe der Transpiration
unter Nichteinhaltung des Courant-Kriteriums (vgl. Kapitel 5.2.2)
chungstiefen 27 cm und 67 cm eine realitätsnahe Wiedergabe der gem
Standort Laußnitz. Dies betrifft sowohl die transpirationsbedingte Austrocknungs- und Wiederbefeuch-
tungsdynamik als auch die Saugspannungen im sättigungsnahen Bereich in den Wintermonaten als Hin-
weis für die zutreffende Parametrisierung der Materialeigenschaften. In der untersten Messtiefe von
107 cm allerdings wird die Auswirkung des verletzten Courant-Kriteriums sehr deutlich: Bedingt durch
das „Vorbeifließen“ des Wassers an einzelnen Diskretisierungsschichten wird während der Sorptionspha-
se insbesonde
werten keine vollständige Durchfeuchtung des Bv/Cv bzw. des Cv-Horizontes erreicht.
UDATA - Umweltschutz und Datenanalyse
(federführend), Maconring 98a, 67434 Neustadt/Wstr.
Ingenieurbüro für Grundwasser GmbH, Nonnenstraße 9, 04229 Leipzig
Dr. Karsten Jasper, Postweg 11, CH 8143 Stallikon

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mm ku
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m.
Bestandesniederschlag Kiefer modelliert
Bestandesniederschlag Kiefer gemessen
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0
100
200
mm kum.
Differenz gemessen-modelliert
Abbildung 23: Laußnitz, gemessener und simulierter Bestandesniederschlag; oben: kumulierte Tages-
werte; unten: kumulierte Abweichungen zwischen gemessenen und simulierten Werten.
Die zweite Parametrisierungsvariante, in welcher durch Nichtberücksichtigung kritischer Bodenhorizonte
urch An
nhaltung des Courant-
um als
d in 107 cm Tiefe die Wie-
nden Bodenparametrisierung in Kauf genommen werden.
t zeigt der Vergleich dieser bei
etrisierun-
der Wasserhaushalt trotz deutlicher Verlet-
sowie d
passung der verbleibenden Kompartimentmächtigkeiten die Ei
Kriteri
vorrangiges Kriterium betrachtet wurde (vgl. Kapitel 5.2.2), wir
derbefeuchtung in den zuvor unbefriedigend simulierten Wintern durch die Simulation wesentlich besser
getroffen (vgl.
Abbildung 25). Diese positive Veränderung erfolgt allerdings zu Lasten der simulierten
Tensionsdynamik insgesamt: Sowohl in 27 cm als auch in 67 cm und 107 cm Bodentiefe liegen die simu-
lierten Bodensaugspannungen während der Wintermonate nun deutlich zu hoch. Zudem wird in 27 cm
Bodentiefe die gemessene sommerliche Austrocknung durch das Modell nun deutlich unterschätzt. Diese
negativen Veränderungen der Simulationsergebnise in
Abbildung 25 gegenüber Abbildung 24 müssen als
Folge der nun gegenüber der Profilbeschreibung und den experimentell bestimmten Materialfunktionen
abweiche
Insgesam
den mit unterschiedlichen Prämissen erstellten Param
gen, dass in den oberflächennahen Diskretisierungsschichten
zung des Courant-Kriterium besser abgebildet werden kann als dies bei Einhaltung des Kriteriums und
damit verbundener artifizieller Modifikation der Materialfunktionen der Fall ist. Für die Simulation der
Zustandsvariablen im Unterboden führt die Verletzung des Courant-Kriteriums dagegen zu erheblichen
Nachteilen.
Zur adäquaten Wiedergabe der Speicherungs- und Transportprozesse innerhalb der
Wurzelzone und insbesondere für die Abschätzung der Klimafolgen auf Boden und Vegetation
wäre es dringend zu empfehlen, eine explizite Zeitschrittsteuerung im Bodenmmodul zu implemen-
tieren.
Die in Kapitel
5.3.5 dargestellten Bilanzkomponenten für den Standort Laußnitz gründen auf der Modell-
parametrisierung unter Berücksichtigung aller in Laußnitz gemäß Scherzer und Schultze (2006) vorhan-
den Bodenhorizonte und den zugehörigen Materialfunktionen für pF-WG und K
(Θ)
.
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07/02
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hPa
Messwert 27cm
Simulation 33 cm
Simulation 24 cm
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07/04
hPa
Messwert 67cm
Simulation 72 cm
Simulation 62 cm
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hPa
01/
07/
01/
07/
01/
07/
01/
07/
01/
07/
01/
07/
01/
07/
01/
07/
Messwert 107cm
02
03
03
04
04
Simulation 105 cm
) stimmen hinsichtlich der Anteile von Evapotranspiration einerseits und Abflüssen ande-
der Abflusskompo-
nenten, d. h. Basisabfluss, Zwischenabfluss und Oberflächenabfluss. WaSiM-ETH modelliert im Ver-
gleich zu CoupModel einen deutlich höheren Direktabfluss und einen höheren Interflow. Grundsätzlich
Abbildung 24: Laußnitz: gemessene und simulierte Saugspannungen. Horizontabfolge und Horizont-
mächtigkeiten entsprechen den Vorgaben, Courant-Kriterium wird verletzt.
5.3.5
Simulationsergebnisse: Bilanzkomponenten des Wasserhaushalts
Die mit WaSiM-ETH ermittelten Bilanzkomponenten des Wasserhaushalts für den Zeitraum 1997-2004
(vgl. Tabelle 8
rerseits sehr gut mit den vorliegenden Ergebnissen von Scherzer (2005) bzw. Scherzer und Schultze
(2006), welche das Standortmodell CoupModel verwendeten, überein. Abweichungen zwischen den Si-
mulationsergebnissen beider Modelle ergeben sich insbesondere bei der Aufteilung
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sind in diesem Punkt sind die Ergebnisse beider Modelle plausibel. Eine Validierung der Anteile der
einzelnen Abflusskomponenten kann in der Regel lediglich auf der Ebene von Einzugsgebieten, z. B. mit
Hilfe einer Ganglinienseparation, erfolgen.
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hPa
Messwert 27cm
Simulation 50 cm
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01/03
07/03
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07/04
hPa
Messwert 67cm
Simulation 50 cm
Simulation 100 cm
-100
0
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07/03
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04
Messwert 107cm
07/
hPa
Simulation 100 cm
ung 25
altung des Courant-
Kriteriums. Horizontabfolge und Horizontmächtigkeiten wurden modifiziert.
Abbild
: Laußnitz: gemessene und simulierte Saugspannungen unter Einh
Die Auswertung der internen Modellbilanz nach
Gleichung 23 zeigt einen zu vernachlässigenden Bilanz-
fehler von -4,7 mm über den Zeitraum 1997-2004 bzw. im arithmetischen Mittel -0.6 mm pro Jahr. Ursa-
che sind Rundungsfehler bei der Zeitschrittweite von einem Tag. Dieser Fehler tritt bei einer Modellie-
rung in Stundenschritten (vgl. Kapitel
5.6) nicht auf.
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KliWEP Teil 2: Weiterentwicklung von WaSiM-ETH sowie Durchführung von Testsimulationen
Tabelle 8:
Bilanzkomponenten des Wasserhaushalts am Standort Laußnitz
FNS
I
real
Kiefer
I
real
Kraut
E
real
real
Kiefer
real
Kraut
dir
ifl
bas
T .
T
ETRS
Q
Q
Q
ΔS
[mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm]
1997 812.8 256.7 46.4 60.2 257.1 60.5 5.3 81.9 0.0 41.6 3.0
1998 896.5 296.5 52.3 66.9 267.9 67.7 12.5 39.2 0.0 47.5 45.9
1999 741.3 252.2 40.8 60.8 280.5 66.6 9.6 35.7 0.0 32.0 -36.8
2000 739.1 264.0 42.6 58.2 252.1 60.7 3.5 34.6 0.0 35.9 -12.5
2001 787.1 257.5 46.9 48.6 207.7 48.2 6.8 63.4 0.4 30.8 76.7
2002 882.4 227.5 42.7 51.5 229.8 50.6 5.6 69.1 44.2 70.9 90.5
2003 437.6 173.3 29.1 56.0 204.1 48.0 6.8 41.4 0.0 22.2 -143.3
2004 694.2 222.0 39.6 51.1 219.9 53.5 8.5 108.2 2.4 15.5 -26.4
Summe 5991.0 1949.7 340.3 453.3 1919.1 455.7 58.6 473.5 47.0 296.6 -2.9
Mittelwert 748.9 243.7 42.5 56.7 239.9 57.0 7.3 59.2 5.9 37.1 -0.4
COUP 749.2 240.1 42.7 58.6 240.0 55.5 123.2 0.0 0.0 -10.8
Differenz -0.4 3.6 -0.1 -1.9 -0.1 1.5
-64.0 5.9 37.1 10.4
FNS: Freilandniederschlag, I
real
: Reale Interzeption; E
real
: reale Evaporation; T
real
: reale Transpiration; ETRS:
Schneeverdunstung; Q
bas
: Basisabfluss, Q
ifl
: Zwischenabfluss, Q
dir
: Oberflächenabfluss; ΔS: Speicheränderung;
COUP: Mittelwert von 1997-2004 bei der Standortsimulation mit CoupModel (Scherzer 2005)
5.4
Colditz (Eichenbestand auf Pseudogley, Sächsisch-Thüringisches Löss-Hügelland)
5.4.1
Bodenparameter
Das Bodenprofil am Standort Colditz umfasst fünf Horizonte. Bei der Parametrisierung und Kalibrierung
des erweiterten WaSiM-ETH-Modells für diesen stauwasserbeeinflussten Standort waren komplexe Pa-
rameteradaptionen durchzuführen: Mit den unmittelbar auf Grundlage der gemessenen Druck-
Sättigungsbeziehung mit Hilfe von RETC bestimmten van Genuchten-Parametern modellierte WaSiM-
ETH zunächst deutlich zu viel Direktabfluss und als Folge davon zu wenig Infiltration und Zwischenab-
fluss. Dies drückte sich insbesondere in ungenügend nachsimulierten Tensionsverläufen aus (nicht darge-
stellt). Als Ursache wurden schließlich die Labormesswerte der pF-Kurve bei bei 300 cm und 1000 cm
identifiziert, welche mit dem Van Genuchten-Modell, das auf von einer monomodalen Porenverteilung
ausgeht, nicht in Einklang zu bringen sind (vgl. Abbildung 26). Diese Ausreißer bei den Labormesswer-
ten sind vermutlich eine Folge von Quellungs- und Schrumpfungsprozessen, welche bei der Laboranalyse
der sehr bindigen Stechzylinderproben des Standorts Colditz auftraten (Herr Sawinski, FIB Finsterwalde,
persönl. Mitteilung). Abbildung 26 zeigt die ohne Berücksichtigung der Messwerte bei 300 h Pa und
1000 hPa modifizierte pF-Kurve, welche schließlich für die Parametrisierung des Standorts Colditz ver-
wendet wurde.
5.4.2
Vegetationsparameter
Die Parametrisierung der Vegetation und die Kalibrierung der Modellparameter für den Standort Colditz
erfolgte analog zu der Vorgehensweise, wie sie am Standort Laußnitz ausführlicher dargestellt wurde.
IntercepCap wurde auf 0,75 mm optimiert, der rsc auf 200 s/m außerhalb und 100 s/m innerhalb der Ve-
sehr hohe Tran
chenbestand
Colditz auf 20 erhöht. Die invers optimierten Blattflächenindizes – zwischen 1-4,5 m²/m² (Eiche) und
listet.
getationsperiode und der rsc_evap wurde auf 1200 gesetzt. Da mit einem Lai_scale von 10 zunächst eine
spiration in der Krautschicht modelliert wurde, wurde dieser Wert für den Ei
1-3,5 m²/m² (Krautschicht) – entsprechen weitgehend den Erfahrungen in Scherzer (2005). Vegetations-
bedeckungsgrad und Vegetationshöhen wurden entsprechend der Vorgaben eingestellt. Die Wurzeltiefe
der Baumschicht wurde gegenüber den ursprünglichen Werten leicht erhöht auf 1,50 m. Die genaue Pa-
rametrisierung der Vegetation ist in Anhang
9.2 aufge
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%
)
00
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0
0 20 60 80
Saugspannung (cm
A (0-7 cm)
B1 (7-27 cm)
B2 (27-50 cm)
B3a (50-70 cm)
B3b (70-90 cm)
Wa serg
lt (Vol- )
Abbildung 26: Standort Colditz: pF-Kurven. Punkte: Messwerte
5.4.3
Simulationsergebnisse: Bestandesniederschlag/Interzeption
Der kumulierte Bestandesniederschlag stimmt zwischen Messung und Simulation gut überein (vgl.
ung 27
auflösende Betrachtung der „kumulierten Differenzen“ (vgl. Abbildung
ten) ve
eine Trendumkehr um das Jahr 2000: Während im Zeitraum 1997-1999
gesättigten Leitfähigkeiten erheblich geringer als in Laußnitz. Eine Verletztung der Cou-
rant-Bedingung ist hier daher kaum von Bedeutung bzw. kann durch den Iterationsalgorithmus von
-ETH
rden.
Abbild
, oben). Die höher
27, un
rdeutlicht allerdings
zunächst der gemessene Bestandesniederschlag etwas höher ausfällt als der simulierte, unterschätzt die
Simulation etwa ab dem Jahr 2001 die durchtropfende Wassermenge. Ursache ist ein Schädlingsbefall der
Eichen in den späten neunziger Jahren, der zum Absterben und anschließenden Entfernen einzelner Bäu-
me auf der Versuchsfläche führte (Dr. Andreae/Dr. Raben, SBS, persönliche Mitteilung). Im Rahmen der
KliWEP2-Testsimulationen mit WaSiM-ETH wurde diese singuläre Kalamität bewusst nicht bei der
Parametrisierung berücksichtigt.
5.4.4
Simulationsergebnisse: Bodensaugspannung
Die Messwerte der Bodensaugspannung an diesem Standort verlaufen zeitweise unterhalb 0 hPa, d. h es
herrschen wasserstauende Bedingungen. Dies konnte durch WaSiM-ETH gut nachempfunden werden
(vgl.
Abbildung 28), nachdem die gesättigten Leitfähigkeiten im Stauhorizont um eine Größenordnung
gegenüber den ursprünglichen, durch Scherzer (2005) invers bestimmten Werten, verringert wurden. In
Colditz sind die
WaSiM
vollständig kompensiert we
5.4.5
Simulationsergebnisse: Bilanzkomponenten des Wasserhaushalts
Die Bilanzkomponenten für den Zeitraum 1997 – 2004 entsprechen weitgehend denjenigen, die durch
Scherzer (2005) mit CoupModel ermittelt wurden (vgl.
Tabelle 9). Die Evapotranspiration wird bei den
Simulationen mit WaSiM-ETH etwas höher dargestellt, da so die Saugspannungsdynamik im Boden
besser abgebildet werden kann. Die Unterschiede zwischen den Modellen in der Aufteilung der Abfluss-
komponenten sind analog zu den Ausführungen am Beispiel des Standorts Laußnitz (vgl. Kapitel
5.3.5)
weniger von Bedeutung und auf Standortebene ohne aufwändige Messungen nicht zu verifizieren oder zu
widerlegen.
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mm kum.
Bestandesniederschlag modelliert Eiche
Bestandesniederschlag gemessen Eiche
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Differenz gemessen-modelliert
des Wasserhaushalt am Standort Colditz
Kiefer
Kraut
Kiefer
Kraut
ETRS
Q
dir
Q
ifl
Q
bas
ΔS
Abbildung 27: Colditz, gemessener und simulierter Bestandesniederschlag; oben: kumulierte Tageswer-
te; unten: kumulierte Abweichungen zwischen gemessenen und simulierten Werten
Tabelle 9:
Bilanzkomponenten
FNS
I
real
I
real
E
real
T
real
.
T
real
[mm] [mm]
[mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm]
1997 678.3 184.7 50.1 94.1 110.9 30.2 2.2 9.5 64.8 148.9 -17.1
1998 863.8 207.2 53.5 91.3 95.6 28.1 1.6 94.4 147.9 109.6 34.6
1999 777.6 190.2 55.3 97.8 118.4 32.1 2.1 58.2 87.7 189.5 -53.7
2000 705.8 195.4 58.6 97.8 130.5 32.9 2.5 83.1 102.7 69.3 -67.1
2001 845.9 215.7 57.6 87.7 105.0 27.9 7.5 12.4 74.5 97.4 160.4
2002 917.8 185.2 49.9 87.4
94.4 27.9 5.3 181.3 111.1 199.2 -24.1
2003 493.8 136.2 35.3 102.5 176.5 43.5 6.2 15.3 35.5 132.7 -189.8
.4 53.9 151.2
Summe 6024.6 1509.4 411.1 749.2 946.2 252.8 34.6 462.0 664.6 1000.5 -5.7
2004 741.6 194.9 50.8 90.5 114.9 30.1 7.2 7.7 40
Mittelwert 753.1 188.7 51.4 93.7 118.3 31.6 4.3 57.7 83.1 125.1 -0.7
COUP 753.2 177.5 60.5 27.6 119.5 29.9 24.1 27.6 201.9 -2.2
Differenz -0.1 11.2 -9.1 66.1 -1.2 1.7
33.6 55.5 -76.8 1.4
FNS: Freilandniederschlag, I
real
: Reale Interzeption; E
real
: reale Evaporation; T
real
: reale Transpiration; ETRS:
Schneeverdunstung; Q
bas
: Basisabfluss, Q
ifl
: Zwischenabfluss, Q
dir
: Oberflächenabfluss; ΔS: Speicheränderung;
COUP: Mittelwert von 1997 bis 2004 bei der Standortsimulation mit
CoupModel (Scherzer 2005)
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hPa
Messwert 22cm
Simulation 27 cm
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07/04
hPa
Messwert 62cm
Simulation 70 cm
Messwert 102cm
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0
100
200
300
600
700
01/97
07/99
01/01
07/01
01/03
07/04
hP
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500
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800
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/97
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07/98
01/99
01/00
07/00
01/02
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07/03
01/04
Simulation 100 cm
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ständig abgebildet werden, treten offensichtlich höhere Abweichungen in der Bilanz au