Die Gebietstypen des natürlichen Wasserhaushalts beschreiben einen quasinatürlichen Zustand des Wasserhaushalts über das Verhältnis der langjährigen Werte von Verdunstung, Versickerung und Abfluss (N=ET+Au+Ad). Grundlage für die Berechnung ist das Abflussmodell ABIMO (BAfG) kombiniert mit GWNEU (Meßer). Die Gebietstypen beziehen sich auf eine land- und forstwirtschaftliche Nutzung ohne Besiedlung mit den Waldgrenzen, den Klimabedingungen und den Böden von heute. Es werden 6 Typen ausgewiesen: - verdunstungsdominiert (ET > 81 %, Au < 14 %, Ad < 20 %) - versickerungsdominiert (ET < 81 %, Au > 14 %, Ad < 20 %) - abflussdominiert (ET < 81 %, Au < 14 %, Ad > 20 %) - Verdunstung und Versickerung (ET 73-81 %, Au 6-14 %, Ad 6-12 %) - Verdunstung und Abfluss (ET 73-81 %, Au < 6 %, Ad 13-20 %) - ausgewogen (ET < 73 % , Au < 14 %, Ad < 20 %) Die Modellergebnisse beziehen sich lediglich auf den obersten Meter der Erdoberfläche. Bei der Planung tiefliegender Regenwasseranlagen (z.B. Rigolen) ist dies zu berücksichtigen und muss ggf. neu geprüft werden.
Der Klimawandel ist ein globales Phänomen. Erhöhte Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre führen zu globalen Veränderungen des Klimas. Auf lokaler Ebene können Betroffenheiten entstehen. Es ist eine besondere Herausforderung, ausgehend von globalen Klimaveränderungen auf lokale Folgen, z. B. für die Wasserstraßen, zu schließen. In KLIWAS1 wird mit Hilfe einer Kette von Modellen das Klimaänderungssignal Schritt für Schritt auf kleinere räumliche Skalen übertragen. Am Anfang stehen verschiedene Emissionsszenarien die mögliche Zukünfte beschreiben. Ausgehend von diesen Emissionsszenarien wird der Klimawandel über globale Klimamodelle, regionale Klimamodelle und Abflussmodelle bis hin zu den Wirkmodellen bis zur lokalen Ebene der Wasserstraße transferiert. Kein Modell in dieser Kette repräsentiert die Natur perfekt. Die Ergebnisse jedes Modells basieren auf Annahmen und sind mit Unsicherheiten behaftet. Im Verlauf der Modellkette summieren sich die Unsicherheiten auf. Am Ende der Modellkette ist die Bandbreite der möglichen Folgen eines Klimawandels auf lokaler Ebene sehr groß. Für die deutschen Küstengebiete der Nord- und Ostsee einschließlich der Ästuare ist es aufgrund dieser Unsicherheiten schwierig, konkrete Aussagen zu den lokalen Auswirkungen und möglichen Betroffenheiten zu machen. Eine Möglichkeit mit diesen Unsicherheiten umzugehen sind Sensitivitätsstudien. Die wichtigsten physikalischen Parameter im Ästuar sind Wasserstand, Strömungsgeschwindigkeit, Salzgehalt, Temperatur und Schwebstoffgehalt. Wie sich diese Parameter in einem Ästuar entwickeln, ist abhängig von den Randbedingungen. Die Randbedingungen werden durch die Haupteinflussfaktoren Meeresspiegel in der Nordsee, Abfluss, Wind und Topographie bestimmt, die sich direkt oder indirekt durch die Folgen eines Klimawandels verändern können. Für die Sensitivitätsstudien werden die genannten Haupteinflussfaktoren, die die Randbedingungen dieser Studien bilden, einzeln und in Kombination variiert. Auf diese Weise können Aussagen darüber getroffen werden, wie sich im Ästuar Wasserstand, Strömung, Salzgehalt und Schwebstoffe an die veränderten Randbedingungen (Folgen des Klimawandels) anpassen. Dadurch ist es möglich, festzustellen, unter welchen Bedingungen ein Schwellenwert überschritten wird, der eine Betroffenheit auslöst. Gleichzeitig tragen diese Szenarien zum Prozessverständnis des physikalischen Systems Ästuar bei. Sensitivitätsstudien liefern klare Wenn-Dann-Aussagen. Für eine zeitliche Zuordnung können die Ergebnisse der Sensitivitätsstudien über die jeweils verwendeten Haupteinflussfaktoren mit den aktuellen Klimaszenarien in Beziehung gesetzt werden. (Text gekürzt)
Es ist dringend erforderlich, die relevanten hydrologischen Prozesse in montanen mediterranen Einzugsgebieten zu verstehen, um deren potentielle Änderungen in ihren Funktionen für die Wasserversorgung durch den Klimawandel und Landnutzungsänderungen zu kennen. Daher möchte ich zusammen mit meiner Gastinstitution, dem IDAEA-CSIC in Barcelona, untersuchen, wie die Vegetation, die Böden und das Grundwasser das Speichern, die Mischung, die Abflussbildung, sowie die Evapotranspiration in dem Einzugsgebiet Vallcebre im Nordosten Spaniens beeinflussen. Die Forscher des IDAEA -CSIC haben hydrometrische Daten und stabile Isotope (d2H, d18O) der verschiedenen hydrologischen Kompartimente des Einzugsgebiets gesammelt. Somit liegen Informationen über den Freiland- und Bestandniederschlag, Stammabfluss, Bach- und Grundwasser, sowie Wasser im Boden und der Vegetation vor. Ich plane, diesen umfangreichen Datensatz zur Bestimmung der Verweilzeiten mit neue Methoden anzuwenden, damit sich unser Verständnis von Wasserfluss und Stofftransport in Einzugsgebieten verbessert. Ich werde zunächst testen, wie mittels 'StorAge Selection functions' (Rinaldo et al. 2015) die Dynamik der Verweilzeiten des Abflusses und der Evapotranspiration beschrieben werden können. Des Weiteren habe ich als Ziel die neuen Konzepte der 'young water fraction' (Kirchner 2016) and 'new water fraction' (Kirchner 2017) anzuwenden, um besser die kurzfristige Komponente der Verweilzeiten beschreiben zu können. Diese Methoden sind noch nicht für Mediterrane Einzugsgebiete getestet worden, aber der umfangreiche Datensatz für die Vallcebre Einzugsgebiete ermöglicht die Untersuchung aktueller Fragen der Einzugshydrologie: Können Studien zur Verweilzeit verbessert werden mit höherer Rate der Probennahme von Niederschlag und Abfluss? Wie wirken sich neu erschlossene Daten über Bestandsniederschlag, Stammabfluss, Wurzelwasseraufnahme oder Bodenwasserfluss auf die Analysen aus? Zuletzt werde ich die Information von Tiefenprofilen der Isotopenzusammensetzung von Porenwasser einbeziehen, um hydrologische Modelle zu testen und die Verweilzeiten im Boden mit der Verweilzeit des Einzugsgebietsabflusses in Bezug zu setzen. Letzteres baut auf meine Dissertation und derzeitiger Postdoc-Studien auf.
Echtzeitvorhersagen von Abfluss und Überflutungen stellen eine große Herausforderung dar, auch weil Wettervorhersagen konvektive Starkregenereignisse auf der stündlichen Sub-Kilometerskala noch nicht mit ausreichender Qualität vorhersagen können. Das führt zu unvorhergesehenen Überflutungen und großen Schäden öffentlichen Eigentums und Infrastruktur und potentiell zu Todesopfern. Bekannte Beispiele in der Region des Geoverbundes ABC/J sind die Sturzfluten in Wachtberg am 3. Juli 2010 und am 6. Juni 2016. Das Projekt wird ein neuartiges, probabilistisches Echtzeitvorhersagesystem für Abfluss und Überflutungen in kleinen Einzugsgebieten (kleiner als 500 km2) entwickeln. Das Projekt konzentriert sich auf die Einzugsgebiete Wachtberg, Ammer und Bode. Wir werden QPE, QPN und QPF (quantitative Niederschlagsschätzung, Nowcasting und numerische Vorhersage), die Produkte von P1, P2 und P3 in dem Vorhersagesystem verwenden, um die erreichten Verbesserungen in RealPEP zu bewerten. Ein wichtiger Aspekt des Projektes ist die Verwendung verschiedener hydrologischer Modelle (konzeptionell und physikbasiert) für die Flutvorhersage. Wir werden den Mehrwert und die Limitierungen der verschiedenen Modelle (und Datenassimilierungsverfahren) identifizieren. Konzeptionelle Modelle profitieren hauptsächlich von der Optimierung/Kalibrierung des Abflusses und der Möglichkeit schnell, große Ensemble berechnen zu können; physikbasierte Modelle dagegen haben den Vorteil verschiedenartige Beobachtungsdaten verarbeiten zu können und Prozesse besser abzubilden, wodurch eine einfachere Übertragbarkeit auf andere Einzugsgebiete ohne Kalibration möglich ist. Schlussendlich werden wir untersuchen ob die verschiedenen Ansätze sich ergänzende Information zu Echtzeitvorhersage von Überflutungen liefern können.
Parallel zu einem rein statistischen Vorhersageverfahren wurde ein weitgehend deterministisches Flussgebietsmodell erarbeitet, das in Form einzelner hydrologisch-physikalischer Bausteine u.a. die Niederschlagskonzentration, die Abflussbildung und die Abflusstransformation beruecksichtigt. Nach Errichtung des Datenerfassungs- und Uebertragungssystems soll dieses deterministische Modell zunaechst fuer die taegliche Wasserstandsvorhersage am Pegel Maxau eingesetzt werden, wobei eine von der ETH Zuerich erstellte Wasserstandsvorhersage fuer den Pegel Rheinfelden einbezogen wird. Das Modell eignet sich auch zur Wasserstandsvorhersage waehrend fortschreitenden Ausbaus und bei kuenstlichen Abflussregulierungen. Es laesst sich daher vorrangig auch zur Steuerung von Hochwasserwellen einsetzen. Zur Zeit wird das Neckargebiet einbezogen und die Erweiterung auf den Rheinpegel Worms getestet.
Nach Einführung der heute aktuellen DIN 19700 im Jahre 2004 sind für Stauanlagen wie beispielsweise Talsperren oder Hochwasserrückhaltebecken in regelmäßigen zeitlichen Abständen vertiefte Sicherheitsüberprüfungen durchzuführen. Eine wesentliche Grundlage hierfür ist die Bereitstellung der hydrologischen Grundlagen auf dem aktuellen Stand bzgl. der meteorologischen und hydrologischen Daten und auch der abflussspezifischen Eigenschaften der betroffenen Einzugsgebiete. Nach den Vorgaben der DIN 19700 sind hydrologische Sicherheitsnachweise zu führen mit sehr extremen Hochwasserereignissen, deren Jährlichkeiten T bis zu T = 10 000 a reichen. Da so extreme Ereignisse nicht direkt anhand von Abflussbeobachtungen abgeleitet werden können, sind für jede Stauanlage gesonderte gebietsspezifische Betrachtung und Bewertung von Extremsituationen erforderlich. Das IWG Hydrologie wird aufgrund seiner langjährigen Erfahrung seit Jahren angefragt, für zahlreiche Stauanlagen die erforderlichen hydrologischen Grund entweder durch Anwendung geeigneter Niederschlag-Abfluss-Modelle zu ermitteln oder die Studien Dritter zu beurteilen. Eigene Modellierungen wurden beispielsweise durchgeführt für die Talsperren des Ruhrverbands Essen External Link, die Talsperre Kleine Kinzig in Baden-Württemberg External Link sowie zahlreiche Hochwasserrückhaltebecken in den Einzugsgebieten von Sulm, Neuenstadter Brettach, Weissach oder Leimbach im Auftrag der jeweiligen Wasserverbände oder Kommunen.
Die erwarteten zukünftigen Auswirkungen des Klima- und Landnutzungswandels auf den terrestrischen Wasserkreislauf verlangen Modellierungsansätze, die in der Lage sind, hydrologische Prozesse auf den für lokales und regionales Wassermanagement relevanten Skalen zu simulieren. Physikalisch-basierte hydrologische Modelle auf der Mesoskala sollten alle lokalen Gegebenheiten berücksichtigen, die zur Steuerung der räumlichen Differenzierung des Niederschlag-Abfluss Transformationsprozesses beitragen. Zur Etablierung eines Modells, welches das Verhalten hydrologischer Systeme realitätsnah simuliert, werden wir einen 'integrierten' multikriteriellen Kalibrationsansatz entwickeln, der neben dem Gebietsabfluss auch detaillierte räumliche Informationen über die dominierenden Abflussbildungsprozesse und Tagesraten der Evapotranspiration (ETa), abgeleitet aus hochauflösenden Fernerkundungsdaten, beinhaltet. Wir werden unseren Ansatz für drei ausgewählte Einzugsgebiete im Nahe-Tal (Südwestdeutschland) im Rahmen des flexibel anpassbaren WaSiM-ETH Models entwickeln, um ein beispielhaftes Verhalten-erklärendes (behavioural) Modell zu erstellen, das die raumzeitliche Dynamik des Niederschlag-Abfluss Prozesses in stündlichen Zeitschritten abbildet. Dazu werden fernerkundlich erfasste Landoberflächenparameter und aus Thermaldaten abgeleitete ETa Karten mit einer Pixelgöße vonca. 30-100 m eingebunden. Zur Erstellung dieser Karten auf Tagesbasis werden wir Multi-Sensor Datenfusionsansätze und Methoden zum sogenannten 'Downscaling' der Landoberflächentemperatur, welche die Vorteile räumlich hoch-auflösender Fernerkundungssysteme wie z.B. Landsat-8/Sentinel-2 mit zeitlich hochauflösenden Erdbeobachtungssystemen wie MODIS und VIIRS verknüpfen. ETa Raten werden mit einer Reihe von etablierten Energiebilanzmodellen (SEBAL, METRIC, SSEB) ermittelt. Diese Prozessierungskette ermöglicht die für die Kopplung mit räumlich-distributiven hydrologischen Modellen auf der Mesoskala notwendige Ableitung von LST und ETa Karten auf der Feldskala. Diese Fernerkundungsprodukte können unmittelbar zur Kalibration des hydrologischen Modells WaSiM-ETH eingesetzt werden. Etabliert werden sowohl manuelle als auch automatisierte Kalibrationsansätze, welche die raumzeitliche Dynamik der ETa Muster innerhalb der Einzugsgebiete mit einer Reihe von räumlichen Metriken erfassen. Die Kombination von fernerkundlich-abgeleiteter ETa bei wolkenfreien Bedingungen mit Simulationsergebnissen der hydrologischen Modellierung erlaubt uns die Erstellung lückenloser, hochauflösender ETa Zeitreihen. Darüber hinaus wird ein physikalisch-basiertes 'behavioural' Modell fähig sein, korrekt auf veränderte Randbedingungen hinsichtlich des Klimas oder der Landnutzung zu reagieren, und so zum Verständnis von Veränderungen im Wasserkreislauf im Rahmen globaler Klimaszenarien beitragen (z.B. das RCP6.0 oder das RCP8.5 Szenario, beide mit deutlichen Änderungen von Temperatur- und Niederschlagsmustern).
Niederschlag ist eines der wichtigsten Klimaelemente, welches komplexe atmosphärische Prozesse mit Wasserkreislauf, Schneebedeckung und Massenbilanz von Gletschern verknüpft. Niederschlag ist eine Schlüsselgröße im Umgang mit Wasserressourcen und in der Verhinderung von Hochwasser und Dürre. Dies gilt besonders für das Untersuchungsgebiet des Bündelprojektes PRIME, welches Hochasien, d.h. das Tibet-Plateau und seine umgrenzenden Gebirgsketten, umfasst. Die Forschung im Rahmen von PRIME zielt darauf ab, einen verbesserten, auf neuen Fernerkundungsverfahren und fortgeschrittenen Ansätzen regionaler numerischer Klimamodellierung (HAR*) aufbauenden, Rasterdatensatz für Niederschlag abzuleiten und zu validieren (i). Darauf aufbauend werden räumliche und zeitliche Muster, großräumige Antriebe und meso- bis lokalskalige Prozesse untersucht, die die Niederschlagsvariabilität bestimmen (ii). Die verbesserte Genauigkeit und das erweiterte Verständnis von Niederschlagstypus und -variabilität ermöglichen es, das Wissen über räumliche und zeitliche Variabilität der Gletschermassenbilanz, saisonale Schneedecken und Wasserspeicher in verschiedenen Teilregionen Hochasiens zu erweitern (iii). Das Teilprojekt PRIME-HYD befasst sich spezifisch mit dem Oberflächenwasserzyklus und wie dieser durch die Niederschlagsvariabilität und Temperatur beeinflusst wird. Für diesen Zweck wurden zwei Gebiete bestimmt: Das endorheische Einzugsgebiet des Pangong Sees (1) und jenes des Brahmaputra (2), zwei Systeme mit gemeinsamen Ursprung am Tibet-Plateau. Zur hydrologischen Modellierung wird ein verteiltes hydrologisches Modell erstellt, das durch ein Modul zur Darstellung der Gletscher und Schneedecke ergänzt wird. Das Modell wird von einem durch probabilisitsches downscaling verfeinertes Niederschlagsprodukt angetrieben, das durch die Bayessche Verbindung von Niederschlagsdaten aus der Fernerkundung und Atmosphärensimulationen HAR* an Bodenmessdaten konditioniert wird. Temperaturdaten aus der Fernerkundung und simulierte Temperaturdaten aus HAR*, die für die Simulation von Eis und Schnee erforderlich sind, können analog zu den Niederschlagsdaten verarbeitet werden. Nach der Eichung und Validierung des Modells anhand von Schnee und Abflussdaten, wird es zur Analyse von Einflüssen der Niederschlagsvariabilität auf die Abflüsse und die Seespiegelstände auf subdekadischen Zeitskalen angewandt. Die hydrologischen Zeitreihen die durch das Modell ausgegeben werden, werden anschliessend auf möglich periodische Variabilitätsmuster untersucht. Eines der wichtigen Produkte, welches durch das Projekt bereitgestellt wird, ist ein physikalisch-basiertes räumlich distribuiertes hydrologisches Modell in einem Gebiet am Tibet-Plateau, für das bisher keine wissenschaftlichen hydrologischen Modellinstrumente verfügbar sind. Die für das Vorhaben erforderlichen hydro-meteorologischen Daten werden durch das chinesische Ministerium für Wasserressourcen zugänglich gemacht.
Verbesserung der Prognosefähigkeit großräumiger Wasserhaushalts- und Niederschlag- Abflussmodelle zur Untersuchungen der Auswirkungen von Landnutzungs- und Klimaänderungen auf den Wasserhaushalt der großen Stromgebiete Deutschlands und das Abflussregime der Bundeswasserstraßen.
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