Wasserhaushaltsmodellierung

Modellierung von Abflüssen und (Boden-)Wasserhaushalt

Probenahme am Pegel Hüttendorf an der Regnitz. Wasserhaushaltsmodelle bilden unter anderem das Abflussverhalten am Pegel Hüttendorf (Regnitz) nach; Foto: Marius Kernstock

Abflussmessungen geben zwar das tatsächliche Verhalten eines Gewässers in der Vergangenheit und Gegenwart wieder, doch sie erlauben keine Antwort auf die Fragen "Welcher Abfluss ergibt sich beispielweise, wenn

  • es größere Änderungen der Landnutzung im Einzugsgebiet gibt oder
  • die Wasserabgaben einer Talsperre anders gesteuert werden sollen oder
  • wenn der Klimawandel zu höheren Temperaturen führt, aber genauso viel Niederschlag fällt wie normal?"

Solche Fragen versucht das LfU durch Verwendung von Modellen zu beantworten. Diese nähern das tatsächliche Verhalten des Wasserhaushalts bestmöglich an, indem sie auf das bestehende Wissen zu Gebietseigenschaften, Messdaten für die Erstellung und auf physikalischen Zusammenhängen zurückgreifen. 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 kann man die Wasserhaushaltsmodelle mit gemessenen Daten antreiben. Dies nennt man Langzeitsimulation. Geht es um Aussagen zum zukünftigen Wasserhaushalt, treibt das LfU diese Modelle mit meteorologischen Eingangsdaten aus den regionalen Klimaprojektionen an und erzeugt damit Abflussprojektionen oder Projektionen des Bodenwasserhaushalts.

Wasserhaushaltsmodelle

Wasserhaushaltsmodelle errechnen, wie sich das Wasser, das als Niederschlag in einem Flusseinzugsgebiet fällt, wieder verdunstet, sich innerhalb des Gebietes verteilt und wieviel davon in den Bächen und Flüssen abfließt. Dazu enthält das Modell Angaben z.B. zum Relief, zum Boden, der Vegetation oder der Landnutzung innerhalb eines Einzugsgebietes. Entsprechend deren Eigenschaften wird dann aus meteorologischen Eingangsdaten (meist Niederschlag, Temperatur, relative Luftfeuchte, Globalstrahlung und Windgeschwindigkeit) ein Abfluss generiert.

Bayernkarte zur räumlichen Verteilung der rund 400 Modellierungspegel in 19 Flusseinzugsgebieten, 60 Pegel sind rot hervorgehoben. Pegel der Wasserhaushaltsmodellierung mit WaSiM, die roten Pegel werden standardmäßig für Zukunftsbetrachtungen genutzt

Ein dafür am LfU angewendetes Modell ist WaSiM. Mit ihm kann das LfU den (zukünftigen) Abfluss an bis zu 400 bayerischen Pegeln in 16 bayerischen (und 3 außerbayerischen) Flusseinzugsgebieten modellieren. Standardmäßig ausgewertet und kommuniziert werden davon in etwa 60 repräsentative Pegel (rote Markierung in Karte).

Zum Teil können die am LfU vorhandenen WaSiM-Modelle wasserwirtschaftliche Einflüsse berücksichtigen, wie Talsperren oder die Main-Donau-Überleitung. Sie sind aber nur begrenzt genau, da menschliche Einzelfallentscheidungen bei der Steuerung dieser Anlagen nicht in einem Modell erfasst werden können. Weiterhin geht man bei all diesen wasserwirtschaftlichen Nutzungen bei den aktuellen Untersuchungen meist vereinfachend davon aus, dass sie auch in der Zukunft bestehen und in der gleichen Weise funktionieren wie in der Vergangenheit.

Bodenwasserhaushaltsmodelle

Ist von Interesse, wie sich die Wasserbilanz, die Grundwasserneubildung oder die Trockenheit im Boden verhält, verwendet man Bodenwasserhaushaltsmodelle. In Bayern wird das Modell "GWN-BW" verwendet, um den Bodenwasserhaushalt und die Grundwasserneubildung aus Niederschlag zu berechnen. Es benötigt neben meteorologischen Eingangsgrößen auch physiografische Daten (abgeleitet aus einem Höhenmodell, der Landnutzung und einer Bodenkarte) und erzeugt flächenhafte Ergebnisse. Daraus lässt sich zum Beispiel die unterschiedliche Verteilung des Niederschlags in Bayern oder auch Regionen mit geringer oder hoher Grundwasserneubildung erkennen.