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Wasserdargebot im Unstrutgebiet

 

Ermittlung des Wasserdargebotes im Unstrutgebiet unter sich verändernden Bedingungen

  • Auftraggeber: Bundesministerium für Forschung und Technologie
  • Bearbeiter: BAH-Berlin
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Diese Aufgabe war Bestandteil des Teilprojektes „Die Wirkung des globalen Wandels im Unstrutgebiet“ innerhalb des BMBF-Verbundvorhabens „GLOWA Elbe“, das durch das Dresdner Grundwasserforschungszentrum koordiniert wurde.

Die hier vorgestellten Untersuchungen wurden im Einzugsgebiet der Oberen Unstrut bis zum Pegel Nägelstedt (716 km²) durchgeführt. Dieses Teileinzugsgebiet umfasst die charakteristischen Nutzungsformen (Wald, Landwirtschaft im Speisungsgebiet, Landwirtschaft in der Aue) und geomorphologisch-geologische Gegebenheiten im Thüringer Becken. Für die Untersuchungen können innerhalb dieses Gebietes langjährige Messergebnisse zur Menge und Beschaffenheit des Oberflächen- und Grundwassers, Messergebnisse zum Retentionsverhalten der Auen bzw. zur Grundwasserbeschaffenheit sowie die Boden- und Sickerwassermessungen in den Lysimeter-anlagen und den Bodendauerbeobachtungsflächen der TLL genutzt werden.

Folgende Ziele bzw. Fragestellungen wurden mit den Modelluntersuchungen verfolgt:

  • Charakterisierung des derzeitigen hydrologischen Regimes (flächendifferenzierte Wasserhaushaltsanalysen, gewässerabschnittsbezogene Abflusscharakteristik);
  • Ermittlung der klimainduzierten Änderungen im hydrologischen Regime;
  • Ermittlung landwirtschaftlicher Erträge unter geänderten Randbedingungen (klimatisch, Anbauverhältnisse, Flächenbewirtschaftung);
  • Ermittlung des daraus resultierenden, geänderten Wasserbedarfs verschiedener Kulturpflanzen, Aufzeigen von Defiziten in der Wasserbereitstellung aus dem „normalen“ Niederschlagsdargebot (unter geänderten Klimabedingungen), Aufzeigen und Wirksamkeitsabschätzung von Minderungsstrategien (Änderung der Kulturpflanze, Bereitstellung von Beregnungswasser);
  • Berechnung des Stickstoffaustrages aus der wechselfeuchten Bodenzone bei verschiedenen Formen der Flächenbewirtschaftung und des daraus resultierenden Nitrateintrages in die Gewässer;
  • Analyse der Nutzungsmöglichkeiten der im Gebiet befindlichen Talsperren und Speicher (Konflikt: Bereitstellung von Beregnungswasser vs. Maximierung des Hochwasserstauraums bei geänderten Starkregenhäufigkeiten).

Als Werkzeuge zur Beantwortung dieser Fragestellung wurden die verschiedenen Teilmodelle zu Modellkampagnen verknüpft, die sich  je nach Zielstellung der Modelluntersuchung hinsichtlich der Art des mathematischen Modells (Modelldetailliertheit), der Modellparametrisierung und der Art der Modellanwendung unterscheiden.

Für die verschiedenen Modellkampagnen wurde ein gemeinsames, sehr komplexes GIS-Datenmodell für alle Modellierungsräume aufgebaut. Es berücksichtigt u.a. 182 Niederschlags- und 72 Klimastationen, 58 Durchfluss- bzw. Wasserstandspegel und 5 Talsperren bzw. Speicherbecken unterschiedlicher Funktion. Es besteht aus 292.786 Hydrotopen durch die Verschneidung von Landnutzung, Boden und Topographie, 1.048 Teileinzugsgebiete und 3.100 Fließgewässerabschnitten.

Je nach Modellierungsraum werden entweder das gesamte GIS-Datenmodell oder nur Teilbereiche genutzt. Je nach Zielstellung und eingesetzten Teilmodellen erfolgen die Simulationen direkt für Hydrotope. Es kann aber auch eine Informationsaggregation für Teileinzugsgebiete bzw. Hydrotopklassen innerhalb von Teileinzugsgebieten durchgeführt werden, die dann als Bezugseinheiten für die Modellrechnungen genutzt werden.

Im Rahmen einer umfassenden Modellvalidierung wurde einmal im Vergleich mit gemessenen Pegelabflüssen, zum anderen im Vergleich mit Lysimeterbeobachtungen die Nutzbarkeit des erstellten Gebietsmodells für die vorgesehenen Szenarioanalysen nachgewiesen.

Als Beispiel für die eingesetzten Modellkampagnen soll eine Konfliktanalyse zum Wasserbedarf unter geänderten Klimaverhältnissen erläutert werden.

Die Klimadaten wurden im Rahmen des BMBF-Projektes GLOWA Elbe im PIK erstellt, wobei die Randbedingungen durch ECHAM4/OPYC3 (MPI Hamburg) vorgegeben wurden
(s.www.glowa-elbe.de). Das Klimaszenario wird über 100 Realisierungen beschrieben, so dass schon in den Eingangsdaten für die hydrologischen Modellrechnungen Wahrscheinlichkeiten für bestimmte Entwicklungen, aber auch Prognoseunsicherheiten berücksichtigt wurden.

Abbildung 1 zeigt anhand des mittleren Jahresganges der klimatischen Wasserbilanz für die Perioden 2018 bis 2022 und 2048 bis 2052 ein Absinken dieser für den Wasserhaushalt entscheidenden Randbedingung gegenüber der schon im derzeitigen Zustand (1981 bis 1996) angespannten Situation. Die auf den ersten Blick geringe Änderung kumuliert zu einer beträchtlichen Abnahme von ca. 100 mm in der Jahressumme.

Gleichzeitig ist damit eine starke Reduktion der Grundwasserneubildung insbesondere im Winterhalbjahr verbunden. Dies führt zu starken Abflussrückgängen in allen Monaten und einer weiteren Verschärfung der Niedrigwassersituation (s. Abbildung 2). In beiden Abbildungen sind die Monatsmittelwerte mit ihren Eintrittswahrscheinlichkeiten dargestellt, die sich für die 100 Klimarealisierungen ergeben. Die stark gestauchte Form der Glockenkurve ist ein Maß für die Prognoseunsicherheit.

 

Abbildung 1: Mittlerer Jahresgang der klimatischen Wasserbilanz für das Einzugsgebiet bis zum Pegel Nägelstedt für verschiedene Bezugsperioden

Abbildung 2: Mittlerer Abflussjahresgang am Pegel Nägelstedt für verschiedene Bezugsperioden

Im landwirtschaftlich intensiv genutzten Unstrutgebiet wurden schon in den letzten Jahrzehnten Brauchwassertalsperren zur Bereitstellung von Zusatzwasser für die landwirtschaftliche Bewässerung genutzt. So stellt die Talsperre Seebach laut aktuellem Bewirtschaftungsplan 500 Tm3/Jahr für die Bewässerung von 1.200 ha Gemüse zur Verfügung. Für die Abschätzung der Auswirkungen möglicher Klimaänderungen war es interessant, wie sich die Bereitstellungssicherheiten für Bewässerungswasser bei der beschriebenen Reduktion des Dargebotes ändern. Zur Abschätzung dieser Auswirkungen wurde die Talsperre Seebach mit ihrem derzeitigen Bewirtschaftungsplan in das Unstrutmodell integriert. Anschließend wurden Langzeitsimulationen mit den 100 Klimarealisierungen durchgeführt und für jeden Monat registriert, ob der volle Bewässerungsbedarf abgegeben werden kann und wie groß eventuelle Defizite sind. Die nachstehende Abbildung zeigt, dass die Wahrscheinlichkeit, die volle Beregnungswassermenge abzugeben, auf Werte zwischen 10 und 40 % sinkt. Die dabei auftretenden Defizite liegen allerdings nur zwischen 10 und 40 Tm3/Jahr, also bei ca. 5% des Bedarfs, was auf beträchtliche Möglichkeiten zur Verbesserung des Bewirtschaftungsregimes hindeutet.

Abbildung 3: Mögliche künftige Defizite in der Nutzwasserbereitstellung am Beispiel der Talsperre Seebach

 

 

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