Wasserhaushaltsmodellierung

Modellierung von Wasserhaushalt und Abflüssen

Die Auswertungen des Monitorings an den Pegeln der bayerischen Fließgewässer geben zwar das tatsächliche Verhalten eines Gewässers in der Vergangenheit und der Gegenwart wieder, doch sie erlauben keine Antwort auf die Fragen: Welcher Abfluss ergibt sich beispielweise, wenn

• sich die Landnutzung im Einzugsgebiet ändert,
• Talsperren anders gesteuert werden,
• die zukünftig steigenden Lufttemperaturen zu einer höheren Verdunstung sowie häufigeren Starkniederschlägen führen?

Solche Fragen versucht das LfU durch Verwendung von Wasserhaushaltsmodellen zu beantworten.

Wasserhaushaltsmodelle

In ein Wasserhaushaltsmodell fließen verschiedene Informationen zu Gebietseigenschaften ein. Es bildet die Wirklichkeit vereinfacht ab.

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Wasserhaushaltsmodelle bilden die Verteilung von Wasser in einem Flusseinzugsgebiet und das tatsächliche Verhalten des Wasserhaushalts anhand bekannter Zusammenhänge näherungsweise ab. Sie greifen auf das bestehende Wissen zu Gebietseigenschaften zurück und berücksichtigen Angaben über die Bodenschichten sowie das Relief der Erdoberfläche. Zudem fließen Informationen über die vorhandene Vegetation und die Landnutzung ein. Damit lässt sich ermitteln, wie sich Wasser, das als Niederschlag auf dem Boden auftrifft, innerhalb des Gebietes verteilt: Verdunstet es oder fließt es direkt oberflächlich ab und weiter in einen Bach oder Fluss, tritt es in den Boden ein, versickert es in tiefere Bodenschichten und landet es letztendlich im Grundwasser? Da die Modelle geeignet sind, die Verteilung des Wassers sowohl räumlich als auch zeitlich abzubilden, lassen sich damit auch zukünftige Hoch- und Niedrigwassersituationen abschätzen.

Ein Modell wird "angetrieben"

Um auf der Basis von Wasserhaushaltsmodellen mögliche Zukunftsszenarien zu erhalten, sind verschiedene Eingangsdaten nötig, die in das Modell eingespeist werden. Dieses Vorgehen bezeichnet man mit dem Ausdruck "das Modell wird durch die Daten angetrieben". Als meteorologische Eingangsdaten werden vor allem die Niederschlagsmenge und die Lufttemperatur, aber auch die relative Luftfeuchte, die Globalstrahlung sowie die Windgeschwindigkeit verwendet.

Je nachdem, welcher Teil des Wasserhaushalts betrachtet werden soll – die Wasserbilanz, der Abfluss oder die Wassertemperatur – können unterschiedliche Wirkmodelle zum Einsatz kommen.

• Zur Betrachtung der Vergangenheit werden die Wasserhaushaltsmodelle mit Daten angetrieben, die dem Monitoring der Messpegel entstammen. Man spricht hier von "Langzeitsimulation".
• Geht es um Aussagen zum zukünftigen Wasserhaushalt, werden diese Modelle mit meteorologischen Eingangsdaten aus den regionalen Klimaprojektionen angetrieben. Damit lassen sich sogenannte Abflussprojektionen oder Projektionen des Bodenwasserhaushalts erzeugen.

Modellierung von Abflüssen

Am Klimazentrum des Bayerischen Landesamtes für Umwelt simulierte Abflusspegel (links) und die Flusseinzugsgebiete für welche ein hydrologisches Modell vorliegt (rechts).

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Zur Modellierung von Abflüssen arbeitet das Bayerische Landesamt für Umwelt (LfU) mit dem Wasserhaushaltsmodell WaSiM. Mit diesem lassen sich die Abflüsse aktuell an bis zu 400 bayerischen Pegeln in 16 bayerischen sowie drei außerbayerischen Flusseinzugsgebieten modellieren. Für einen Überblick über Bayern werden davon etwa 60 repräsentative Pegel standardmäßig dargestellt (orange Markierung in Karte).

Zum Teil berücksichtigen die am LfU vorhandenen WaSiM-Modelle für die einzelnen Flussgebiete abflussverändernde oder -regulierende wasserwirtschaftliche Einflüsse. Dazu gehören beispielsweise die wichtigsten Talsperren oder die Main-Donau-Überleitung, mit der Wasser aus dem Donaugebiet in das Einzugsgebiet des Mains geleitet wird. Trotzdem enthalten die Modelle auch Unschärfen: Erstens wird die Steuerung dieser Anlagen häufig von Personen nach Einzelfall im Rahmen von Bewirtschaftungsplänen entschieden, unterliegen also nicht einer periodischen oder vorhersagbaren Regelmäßigkeit. Zweitens lässt sich, sofern Aussagen über zukünftige Wassermengen getroffen werden sollen, nicht sicher sagen, dass die Anlagen zukünftig noch in gleicher Weise genutzt bzw. bewirtschaftet werden. Vielmehr ist zu erwarten, dass eine Anpassung in irgendeiner Form stattfinden wird. Insofern lassen sich mit den Wasserhaushaltsmodellen trotz ausreichender Datengrundlage bei einer Beeinflussung durch wasserwirtschaftliche Anlagen oft keine exakten Aussagen über zukünftige Wassermengen treffen. Für Aussagen zu den Veränderungen des Wasserhaushalts in Bayern ist die Anwendung aber hinreichend genau.

Bodenwasserhaushaltsmodelle

Bodenwasserhaushaltsmodelle legen einen stärkeren Fokus auf den Eintritt des Wassers in die oberen Bodenschichten und in das oberste Grundwasserstockwerk. Wasserdurchgängigkeit der Bodenschichten, das Höhenmodell sowie die Landnutzung spielen eine besonders große Rolle und werden in höherer Auflösung abgebildet. In Bayern wird das Modell GWN-BW verwendet, um beispielsweise die jährliche Grundwasserneubildung aus Niederschlag zu berechnen.