Die Hydrologie der Landoberfläche wirkt an der Schnittstelle zwischen Boden, Vegetation und Atmosphäre. Sie hat dadurch Auswirkungen auf Nahrungsmittelproduktion, Wasserverfügbarkeit und Extremereignisse, wie Dürren und Überschwemmungen. Die Wechselwirkungen zwischen Land (Hydrologie) und Atmosphäre (Wetter) sind bisher nur ungenügend verstanden. Es ist insbesondere unklar, ob sich die Einflüsse der Landoberfläche auf Vegetation und Wetter durch die globale Erwärmung verstärken werden. Darüber hinaus ist nur wenig bekannt bezüglich des Übergangs von einem energielimitierten Regime, wo die Atmosphäre (Temperatur und Einstrahlung) das Land (Vegetationsproduktivität, Bodenfeuchte) beeinflusst, hin zu einem wasserlimitierten Regime, wo das Land (auch) die Atmosphäre beeinflusst. Um das Verständnis der Land-Atmosphäre-Wechselwirkungen zu verbessern, wird ein multivariater Ansatz mit der Analyse von Daten über Bodenfeuchte, Matrixpotential, Bruttoprimärproduktion, Verdunstung, Temperatur und Landoberflächencharakteristiken vorgeschlagen. Mit dieser umfassenden Methodik werden Land-Atmosphäre-Wechselwirkungen in Bezug auf ihre kurz- und langfristige Variabilität, sowie auf ihre Veränderungen im Kontext des Klimawandels untersucht. Ausserdem werden potentiell stark betroffene Regionen bestimmt. Desweiteren wird ein kritischer Bereich der Bodenfeuchte und/oder des Matrixpotentials identifiziert und charakterisiert, ab dem eine Wasserlimitierung von Vegetation oder Evapotranspiration auftritt. Ein Ergebnis dieser Analyse wird die Identifizierung eines dritten charakteristischen Matrixpotentials neben dem permanenten Welkepunkt und der Feldkapazität sein. Als Grundlage für diese Untersuchungen wird mittels eines Landoberflächenmodells von geeigneter Komplexität ein langfristiger, qualitativ hochwertiger hydrologischer Datensatz berechnet, welcher anhand von multivariaten Beobachtungen kalibriert wird. Dabei werden auch die Unsicherheiten des Datensatzes, sowie der multivariaten Beobachtungen, thematisiert. Die Resultate dieser Arbeit können helfen das Management von Wasserressourcen zu verbessern. Beispielsweise können Prognosen des Matrixpotentials in Verbindung mit dem identifizierten kritischen Bereich für eine intelligente Bewässerung von Pflanzen und Feldern verwendet werden. Eine Analyse von langfristigen Trends in Matrixpotential-, Bodenfeuchte- und Abflussdaten kann als Grundlage für langfristige Anpassungsmaßnahmen dienen. In einer weiteren Analyse werden Größenordnungen und Auftrittshäufigkeiten von Extremereignissen, wie Dürren und Überschwemmungen untersucht und in Verbindung mit entstandenen Sach- und Personenschäden gebracht. Diese Arbeit trägt zu den Millenniums-Entwicklungszielen der Vereinten Nationen bezüglich der Bekämpfung von Hunger und einer nachhaltigeren Wassernutzung, den 'Europa 2020' Zielen der EU Kommission bezüglich nachhaltiger Energienutzung, und zum 'grand challenge' Wasserverfügbarkeit des Weltklimaforschungsprogramms bei.
Der Datensatz beinhaltet Daten vom LBGR über die Differenz der Wärmeleitfähigkeit Brandenburgs bei Feldkapazität (FK) - Permanentem Welkepunkt (PWP) und wird über je einen Darstellungs- und Downloaddienst bereitgestellt. Es werden die mittlere Wärmeleitfähigkeit mit Wassergehalten als Differenz aus Feldkapazität (FK) und Permanentem Welkepunkt (pF 4,2) dargestellt. Sie veranschaulicht die wassergehaltsabhängigen Unterschiede zwischen saisonal höchster und niedrigster Wärmeleitfähigkeit und vermittelt einen Eindruck der zu erwartenden jahreszeitlichen Dynamik der Wärmeleitfähigkeit an einem Standort. Die Differenzen werden in folgende Klassen unterteilt: Differenz λFK - λPWP [W/m*K] sehr gering ≤ 0,2 gering 0,21 - 0,40 mittel 0,41 - 0,65 hoch 0,66 - 0,91 sehr hoch 0,92 - 1,20 Die Wärmeleitfähigkeit (λ) bestimmt die Eigenschaft des Bodens, thermische Energie durch Konduktion zu transportieren. Sie ist die entscheidende Kenngröße für die Nutzung des Bodens als Wärmequelle und -speicher und muss u.a. bei der Anwendung oberflächennaher Geothermie (Erdwärmekollektoren) oder beim Bau erdverlegter Stromkabel berücksichtigt werden.
Der Datensatz beinhaltet Daten vom LBGR über die Potenzielle Standorteignung für Erdwärmekollektoren Brandenburgs - Landesmethode: Permanenter Welkepunkt (PWP) und wird über je einen Darstellungs- und Downloaddienst bereitgestellt. Die im Boden / oberflächennahen Untergrund gespeicherte Wärmeenergie kann über Wärmetauscher (sog. Erdwärmekollektoren) gewonnen und von Wärmepumpen für Heizzwecke genutzt werden (Boden-Geothermie). In der Karte zur potentiellen Standorteignung für Erdwärmekollektoren wird die Eignung des natürlich gelagerten, abgesetzten Bodens für diese Form der oberflächennahen, geothermischen Nutzung bewertet.
Der Datensatz beinhaltet Daten vom LBGR über die Potenzielle Standorteignung für Erdwärmekollektoren Brandenburgs - Bundesmethode: Permanenter Welkepunkt (PWP) und wird über je einen Darstellungs- und Downloaddienst bereitgestellt. Die im Boden / oberflächennahen Untergrund gespeicherte Wärmeenergie kann über Wärmetauscher (sog. Erdwärmekollektoren) gewonnen und von Wärmepumpen für Heizzwecke genutzt werden (Boden-Geothermie). In der Karte zur potentiellen Standorteignung für Erdwärmekollektoren wird die Eignung des natürlich gelagerten, abgesetzten Bodens für diese Form der oberflächennahen, geothermischen Nutzung bewertet.
Die Serie beinhaltet Daten vom LBGR über die Mittlere Wärmeleitfähigkeit Brandenburgs und wird über je einen Darstellungs- und Downloaddienst bereitgestellt. Die Karten basieren auf den Legendeneinheiten der Bodenübersichtskarte (BÜK300) mit entsprechender Zuordnung von parametrisierten Flächenbodenformen. Diese stellen je Legendeneinheit eine Bodenformengesellschaft dar. Die einzelnen Flächenbodenformen (FBF) wurden mit bodenphysikalischen Kennwerten belegt, die durch Gelände-und Laboruntersuchungen bestimmt wurden. Dazu wurden für gleiche Horizont-Substrat-Kombinationen (HSK) die Kennwerte Bodenart Trockenrohdichte, Gesamtporenvolumen, Wassergehalt bei Feldkapazität (FK) und Permanentem Welkepunkt (PWP), Humusgehalt statistisch abgeleitet (i.d.R. Medianwerte). Die Wärmeleitfähigkeit (λ) bestimmt die Eigenschaft des Bodens, thermische Energie durch Konduktion zu transportieren. Sie ist die entscheidende Kenngröße für die Nutzung des Bodens als Wärmequelle und -speicher und muss u.a. bei der Anwendung oberflächennaher Geothermie (Erdwärmekollektoren) oder beim Bau erdverlegter Stromkabel berücksichtigt werden. Zur Berechnung der Wärmeleitfähigkeit wurde die Pedotransferfunktion (PTF) nach Markert et al. (2017) unter Berücksichtigung der oben genannten Kennwerte verwendet. Diese PTF basiert auf umfangreichen Messungen der Wärmeleitfähigkeit für ein weites Spektrum der in Brandenburg vorkommenden Böden. Für jede HSK ist die Wärmeleitfähigkeit für die Wassergehalte bei FK und PWP bis in eine Tiefe von 2m berechnet worden. Bei HSK im Einflussbereich des Grundwassers (Gr-Horizonte) wurde die Wärmeleitfähigkeit für volle Wassersättigung veranschlagt. Auf Grund der Parametrisierung der PTF für ausschließlich mineralische Böden wurden folgende Anpassungen vorgenommen: für organische HSK (Torfe) wurde mit einer Wärmeleitfähigkeit von λFK = 0,4 W/m*K und λPWP = 0,2 W/m*K gerechnet (Vgl. Messwerte von Markert et al. 2017; VKR 1.32 AG Boden 2010), für tonige Böden sind auf Grund der geringen Datenlage die Parameter der lehmigen Böden verwendet worden, der Humusgehalt wurde durch λhumos = λmineralisch – Humusgehalt*0,05 berücksichtigt. Für HSK mit anthropogenem Ausgangsgestein war auf Grund unzureichender Messwerte und fehlender Angaben in der Literatur keine Berechnung der Wärmeleitfähigkeit möglich. Die Wärmeleitfähigkeit je Flächenbodenform ist in diesem Fall als gewichtetes harmonisches Mittel unter Berücksichtigung der Mächtigkeit aller Horizonte ermittelt worden. Zur besseren Übersichtlichkeit und Interpretierbarkeit der Ergebnisse wurden die gewichteten harmonischen Mittelwerte der Wärmeleitfähigkeiten in die folgenden 6 Klassen eingeteilt: Wärmeleitfähigkeit [W/m*K] extrem gering ≤ 0,4 sehr gering 0,41 - 0,90 gering 0,91 - 1,40 mittel 1,41 - 1,90 hoch 1,91 - 2,40 sehr hoch 2,41 - 2,90 Für die grafische Darstellung als Karte wurden je Legendeneinheit (LE) die Flächenbodenformen mit gleicher Wärmeleitfähigkeitsklasse zusammengefasst, deren Flächenanteile nach Tab. 66 (AG Boden 2005) je LE addiert und als eine aggregierte dominante, sowie eine aggregiert subdominante λ-FBF ausgewiesen. Bei einigen wenigen Flächen mit sehr heterogener Zusammensetzung der Flächenbodenformen sind drei λ-FBF angegeben.
Der Datensatz beinhaltet Daten vom LBGR über die Wärmeleitfähigkeit Brandenburgs bei Permanentem Welkepunkt (PWP) - im Spätsommer und wird über je einen Darstellungs- und Downloaddienst bereitgestellt. Es werden die mittlere Wärmeleitfähigkeit als gewichtetes Mittel bis 2m Tiefe mit Wassergehalten bei Permanentem Welkepunkt (pF 4,2) dargestellt. Sie entspricht den standortabhängigen, im Jahresverlauf niedrigsten Wärmeleitfähigkeiten wie sie im Spätsommer am Ende der Vegetationsperiode zu erwarten sind. Grundwasserstände wurden bei der Berechnung berücksichtigt. Die Wärmeleitfähigkeit (λ) bestimmt die Eigenschaft des Bodens, thermische Energie durch Konduktion zu transportieren. Sie ist die entscheidende Kenngröße für die Nutzung des Bodens als Wärmequelle und -speicher und muss u.a. bei der Anwendung oberflächennaher Geothermie (Erdwärmekollektoren) oder beim Bau erdverlegter Stromkabel berücksichtigt werden.
Mitte der 90er Jahre wurde in Kooperation mit der Bundesanstalt für Gewässerkunde, Außenstelle Berlin, ein Modell entwickelt, programmiert und angewendet, das die wichtigsten Größen des Wasserhaushaltes berechnet. Das von Glugla entwickelte Wasserhaushaltsmodell ABIMO ist auf der Grundlage bereits seit den 70er Jahren entwickelter Modelle zur Berechnung des Grundwasserdargebots entstanden, und um Bausteine erweitert worden, die der speziellen Situation in urbanen Gebieten Rechnung tragen. Diese Erweiterung wurde gutachterlich durch das Institut für Ökologie (Bodenkunde) der TU Berlin und durch eine Diplomarbeit am Fachbereich Geographie der FU Berlin unterstützt. Bei der rechentechnischen Realisierung, die durch ein externes Softwarebüro erfolgte, wurde es außerdem an die spezielle Datenlage in Berlin angepasst. Seit 2022 ist ABIMO als freie Software in der Version 3.2 unter https://github.com/umweltatlas/abimo verfügbar. Im Rahmen des Forschungsprojekts AMAREX wurde ABIMO 3.2 weiterentwickelt. Dabei erfolgte ein technischer Umbau der C++-Anwendung zu einer R-Anwendung. Diese Version ist unter https://github.com/KWB-R/kwb.rabimo ebenfalls frei verfügbar. Mit diesem weiterentwickelten Modell wurden die Karten 2022 aktualisiert. Eine Übersicht der Arbeitsschritte wird im Schema 2025 dargestellt. Das Berechnungsverfahren ermittelt zunächst die tatsächliche Verdunstung, um den Gesamtabfluss (Niederschlag minus Verdunstung) zu errechnen. Im zweiten Arbeitsschritt wird der Oberflächenabfluss als Teil des Gesamtabflusses bestimmt. Die Differenz aus Gesamtabfluss und Oberflächenabfluss bildet dann den Versickerungsanteil. Einen Eindruck von der Komplexität des Verfahrens vermittelt Abb. 2. Der Gesamtabfluss wird aus der Differenz der langjährigen Jahresmittelwerte des Niederschlags und der realen Verdunstung berechnet. Die reale Verdunstung, wie sie im Mittel tatsächlich an Standorten und in Gebieten auftritt, wird aus den wichtigsten Einflussgrößen Niederschlag und potentielle Verdunstung sowie den mittleren Speichereigenschaften der verdunstenden Flächen berechnet. Bei ausreichender Feuchtezufuhr zur verdunstenden Fläche nähert sich die reale Verdunstung der potentiellen. Die reale Verdunstung wird zusätzlich durch die Speichereigenschaften der verdunstenden Fläche modifiziert. Höhere Speicherwirkung (z. B. größere Bindigkeit des Bodens und größere Durchwurzelungstiefe) bewirkt eine höhere Verdunstung. Dem aufgezeigten Zusammenhang zwischen den mehrjährigen Mittelwerten der realen Verdunstung einerseits sowie des Niederschlags, der potentiellen Verdunstung und der Verdunstungseffektivität des Standorts andererseits genügt die Beziehung nach Bagrov (vgl. Glugla et al. 1971, Glugla et al. 1976, Bamberg et al. 1981 und Abb. 3). Die Bagrov-Beziehung beruht auf der Auswertung langjähriger Lysimeter-Versuche und beschreibt das nichtlineare Verhältnis zwischen Niederschlag und Verdunstung in Abhängigkeit von den Standorteigenschaften. Mit der Bagrov-Beziehung kann bei Kenntnis der Klimagrößen Niederschlag P und potentielle Verdunstung EP (Quotient P/EP) sowie des Effektivitätsparameters n der Quotient reale Verdunstung / potentielle Verdunstung (ER/EP) und somit die reale Verdunstung ER für Standorte und Gebiete ohne Grundwassereinfluss ermittelt werden. Zur Berechnung der grundwasserbeeinflussten Verdunstung wird ebenfalls das Bagrov-Verfahren in modifizierter Form genutzt, indem die mittlere Kapillarwasserzufuhr aus dem Grundwasser dem Niederschlag zugerechnet wird. Mit wachsendem Niederschlag P nähert sich die reale Verdunstung ER der potentiellen Verdunstung EP, d. h. der Quotient ER/EP nähert sich dem Wert 1. Bei abnehmendem Niederschlag P (P/EP geht gegen den Wert 0) nähert sich die reale Verdunstung ER dem Niederschlag P. Die Intensität, mit der diese Randbedingungen erreicht werden, wird durch die Speichereigenschaften der verdunstenden Fläche (Effektivitätsparameter n) verändert. Die Speichereigenschaften des Standorts werden insbesondere durch die Nutzungsform (zunehmende Speicherwirksamkeit in der Reihenfolge versiegelte Fläche, vegetationsloser Boden, landwirtschaftliche, gärtnerische bzw. forstliche Nutzung) sowie die Bodenart (zunehmende Speicherwirksamkeit mit höherer Bindigkeit des Bodens) bestimmt. Maß für die Speicherwirksamkeit des unversiegelten Bodens ist die nutzbare Feldkapazität als Differenz der Feuchtewerte des Bodens für Feldkapazität (Beginn der Wasserversickerung im Boden) und für den permanenten Welkepunkt (bleibende Trockenschäden an den Pflanzen). Weitere Landnutzungsfaktoren, wie Hektarertrag, Baumart und -alter, modifizieren den Parameterwert n. Der Parameter n wurde in Auswertung von Beobachtungsergebnissen zahlreicher in- und ausländischer Lysimeterstationen und von Wasserhaushaltsuntersuchungen in Flusseinzugsgebieten quantifiziert. Für Standorte und Gebiete mit flurnahem Grundwasser tritt infolge Kapillaraufstiegs von Grundwasser in die verdunstungsbeeinflusste Bodenzone je nach Grundwasserflurabstand und Bodeneigenschaften eine gegenüber grundwasserunbeeinflussten Bedingungen erhöhte Verdunstung auf. Die Abflussbildung vermindert sich. Übersteigt die reale Verdunstung den Niederschlag, tritt Wasserzehrung auf, und die Werte für die Abflussbildung werden negativ (z. B. Fluss- und Seeniederungen). Bei Gewässerflächen tritt infolge höheren Wärmeangebots (geringeres Reflexionsvermögen der Einstrahlung) eine gegenüber Landflächen erhöhte potentielle Verdunstung auf. Die tatsächliche Gewässerverdunstung wird näherungsweise dieser erhöhten potentiellen Verdunstung gleichgesetzt. Punktuelle Versickerung, z. B. durch die Grundwasseranreicherungsanlagen der Wasserwerke wurde nicht berücksichtigt. Bei gärtnerischer Nutzung (Kleingärten, Wochenendhäuser, Parks, Friedhöfe, Baumschulen/Gartenbau und z.T. bei Wohn- oder Gemeinbedarfs- und Sondernutzungen) wurde zum Niederschlag für die Bewässerung ein Näherungswert addiert (50 – 100 mm/Jahr). Nachdem der mittlere Gesamtabfluss als Differenz aus Niederschlag und realer Verdunstung berechnet wurde, wird nun in einem zweiten Arbeitsschritt der Oberflächenabfluss bestimmt. Auf Dachflächen, die in die Kanalisation entwässern, entspricht der Oberflächenabfluss dem Gesamtabfluss. Flächen, die nicht an die Kanalisation angeschlossen sind, erzeugen keinen Oberflächenabfluss. Unbebaut versiegelte Flächen infiltrieren abhängig von der Art der Oberflächenbeläge (Belagsarten) einen Teil des Abflusses in den Untergrund. Dieser Infiltrationsfaktor ist abhängig von der Breite, dem Alter und der Art der Fugen. Der nicht versickernde Abfluss wird – abhängig von dem Anschlussgrad an die Kanalisation – als Oberflächenabfluss über die Kanalisation abgeleitet oder versickert, sofern er nicht von der Kanalisation erfasst, am Rande der versiegelten Flächen. Ebenso versickern die Anteile der nicht an die Kanalisation angeschlossenen Dachflächen (vgl. Tab. 1). Die Differenz aus Gesamtabfluss und Oberflächenabfluss entspricht somit der Versickerung als Ausgangsgröße für die Grundwasserneubildung. Die Verdunstung der Block(teil)flächen wird dann aus der Differenz von korrigiertem Niederschlag (Korrigierter Niederschlag = Niederschlag multipliziert mit dem Faktor 1,09 pauschal für Berlin) und Gesamtabfluss berechnet. Für die Anwendung des Verfahrens für urbane Gebiete mussten die Parameter n und die Infiltrationsfaktoren für die unterschiedlichen Versiegelungsmaterialien bestimmt werden. Hierzu wurden sowohl Lysimeterversuche mit verschiedenen Versiegelungsmaterialien als auch Berechnungen zum Benetzungsverlust ausgewertet (vgl. Wessolek/Facklam 1997). Die gewählten Größen für die genannten Parameter sind in Tab. 2 aufgeführt. Die mit dem Alterungsprozess durch Verdichtung und Verschlämmung der Fugen einhergehende Veränderung dieser Parameter wurde dabei berücksichtigt. Aufgrund nach wie vor unzureichender wissenschaftlicher Grundlagen sind die Angaben jedoch noch mit gewissen Unsicherheiten verbunden. Darüber hinaus wäre für hydrologische Fragestellungen eine andere Zusammenfassung der Belagsarten zu Belagsklassen wünschenswert. Für die Ermittlung der Versickerung ohne Berücksichtigung der Versiegelung (Karte 02.13.4) wurden die Eingangsdaten dahingehend verändert, dass die Versiegelung für alle Flächen auf 0 gesetzt und der Vegetationstyp Stadtparklandschaft mit einer Mischung aus begrünten und baumbestandenen Flächen angenommen wurde. Bei anderen realen Grünnutzungen wie z. B. Wald wurde sich nichts verändert. Trennung der Modellierung von Block(teil)- und Straßenflächen 2022 Das bestehende Wasserhaushaltsmodell 3.2 ist besonders auf die vorhandenen Daten Berlins und insbesondere auf den Raumbezug des Informationssystems Stadt und Umwelt (ISU) angepasst. Da in der ISU lange Zeit Straßenflächen nicht als eigenständige Flächen kartiert wurden, wurden die Straßenflächen anteilig in den Block(teil)flächen integriert und berücksichtigt. Für den ISU-Raumbezug 2020 stehen erstmals kleinteilige Straßenflächen mit entsprechenden Daten zur Verfügung. Innerhalb des Forschungsprojekts AMAREX wurde ABIMO so weiterentwickelt, dass die Straßenflächen getrennt von den Block(teil)flächen ausgewertet werden können. Dafür wurden die zu den Straßenanteilen bezogenen Spalten als optional für das Input Format definiert. Im neuen Datensatz besitzen die Straßenflächen die gleiche Datenstruktur als die restlichen Blockteilflächen und werden vom Modell gleich behandelt. Bei der Entwicklung dieser Trennung wurde auch ein Fehler behoben, der in der bisherigen Berechnung der Block(teil)flächen inklusive anteiliger Straßenflächen zur Überschätzung der Größe des unversiegelten Flächenanteils bei der Berechnung der Versickerung geführt hatte. Verwendung von individuellen Verdunstungsparametern 2022 Im Forschungsprojekt AMAREX wurde ABIMO so weiterentwickelt, dass die vorhandenen Daten der Grünvolumenzahl 2020 (vgl. Umweltatlaskarte 05.09 ) zur Bestimmung von individuellen Verdunstungsparametern pro Block(teil)- bzw. Straßenfläche verwendet wird. Dies ersetzt die pauschale Zuweisung über die Flächennutzung bzw. den Flächentyp im Modell. Dafür wurde basierend auf dem Verhältnis von Vegetationsvolumen zur unversiegelten Fläche aus dem Grundvolumen ein normierter Vegetationsindex berechnet. Dieser Index wurde anschließend linear auf den Wertebereich der ursprünglichen Vegetationsklassifikation skaliert, sodass typische Stadtblöcke Werte zwischen 20 und 30 und größere Parkanlagen Werte um 50 erreichten. Eine exponentielle Anpassung der Skalierung und eine Deckelung auf Maximalwerte (75, einem Wald entsprechend) sorgten für eine realitätsnahe Verteilung. Die Umsetzung wurde anhand mehrerer bekannten Parkanlagen (z. B. Tiergarten, Hasenheide) überprüft. Die resultierenden, skalierten Werte dienen nun als neue, differenzierte Eingangsgröße für die Verdunstungsmodellierung. Berücksichtigung des Einflusses begrünter Dächer auf die Daten zum Wasserhaushalt Durch die in der Umweltatlaskarte 06.11 Gründächer vorliegenden flächendeckenden räumlichen Daten zu begrünten Dachflächen konnten seit 2017 die Effekte der Gründächer auf den Wasserhaushalt mit berechnet werden. Im Forschungsprojekt AMAREX wurde die Berechnung in ABIMO integriert. Da das ursprüngliche ABIMO-Modell keine explizite Berücksichtigung von Gründächern vorsieht, wurde ein Verfahren entwickelt, um deren Effekte dennoch in die Bilanz einzubeziehen. Dazu wurde in ABIMO eine neue Flächenkategorie „Gründach“ eingeführt, der – analog zu anderen Kategorien – sowohl ein Bagrov-Wert (vgl. Abbildung 3) als auch ein Infiltrationsbeiwert (vgl. Tabelle 2) zugewiesen wurden. Wie bei der bestehenden Kategorie „Dach“ ist die Infiltration auf 0 gesetzt; ein abweichender Bagrov-Wert reguliert jedoch die Verdunstung und ermöglicht so die Abbildung des erhöhten Verdunstungsanteils von Gründächern. Zur Bestimmung dieses Bagrov-Wertes wurde das Wasserbilanzmodell WABILA (DWA, o. J.) herangezogen. WABILA erlaubt eine detaillierte Simulation von Regenwasserbewirtschaftungsmaßnahmen und liefert entsprechend präzise Wasserbilanzwerte. Es wurde jeweils mit ABIMO und WABILA die Verdunstung berechnet und anschließend der Bagrov-Wert (Faktor) gewählt, der für die meisten Klimaszenarien die Verdunstungsergebnisse angeglichen hat. Möglichkeit zur Integration der Effekte von Versickerungsmulden 2022 Es besteht der Bedarf, Maßnahmen der Regenwasserbewirtschaftung im Wasserhaushaltsmodell zu berücksichtigen. Dies konnte im Verlauf des Forschungsprojektes AMAREX für Versickerungsmulden umgesetzt werden. Da für die Gesamtstadt jedoch keine flächendeckenden Daten zu Versickerungsmulden vorliegen, wurden diese für die Karten 2022 nicht berücksichtigt. Im AMAREX Webtool ( https://amarex-staging.netlify.app/amarex ) besteht jedoch die Möglichkeit, Versickerungsmulden für die Planung zu berücksichtigen. Dafür wird der Anteil der abflusswirksamen Fläche, die einer Mulde angeschlossen ist, als weiterer Inputparameter angegeben. Es wird angenommen, dass die Versickerungsmulde ideal funktioniert, das heißt, ein kleiner Teil des Zuflusses wird in Verdunstung umgewandelt, der verbleibende Anteil versickert vollständig. Der genaue Anteil der Verdunstung wird über einem Parameter in der Konfigurationsdatei definiert und beschreibt den Bruchteil des zufließenden Wassers, der in Verdunstung übergeht. Delta-W: Abweichung vom natürlichen Wasserhaushalt 2022 Die Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (DWA) formuliert als Zielsetzung, „die Veränderungen des natürlichen Wasserhaushalts durch Siedlungsaktivitäten in mengenmäßiger und stofflicher Hinsicht so gering zu halten, wie es technisch, ökologisch und wirtschaftlich vertretbar ist“ (DWA, 2022). Im Forschungsprojekt AMAREX wurde aus diesem Anlass den Parameter Delta-W (ΔW) eingeführt: der die Abweichung von einem ideellen natürlichen Zustand beschreibt. Dabei werden die drei Wasserhaushaltskomponenten – Verdunstung/Evapotranspiration (ev), Versickerung/Infiltration (ri) und Oberflächenabfluss (rs) – jeweils mit ihren natürlichen Referenzwerten verglichen. Das Ergebnis wird als Zahl zwischen 0 und 100 % angegeben. Als Referenzszenario für einen natürlichen Wasserhaushalt wird eine unversiegelte und unbebaute Fläche in einer Stadtparklandschaft mit einer Mischung aus begrünten und baumbestandenen Flächen (Ertragsklasse = 50) angenommen. Technische Neuerungen im Modell 2022 Im Rahmen des Forschungsprojekts AMAREX wurde ABIMO 3.2 weiterentwickelt. Im Folgenden wird kurz auf die technischen Neuerungen im Modell eingegangen: Technischer Umbau der C++-Anwendung zu einer R-Anwendung. Der Modell-Code wurde auf Englisch übersetzt. Diese Version ist unter https://github.com/KWB-R/kwb.rabimo frei verfügbar. Zur Verbesserung der Übertragbarkeit auf andere Städte wurde die Modelllogik generalisiert. Berlinspezifische Eingangsgrößen wie der Stadtstrukturtyp oder die Nutzungskategorie wurden aus dem Modell-Code entfernt. Stattdessen werden nun daraus abgeleitete Größen, wie z. B. Ertrag und Beregnung, direkt über die Inputdaten bereitgestellt. Auch zuvor fest im Modell verankerte Parameter, wie etwa die potenzielle Verdunstung, wurden aus dem Modellkern gelöst und können nun flexibel über die Eingabedaten definiert werden. Dadurch konnte das Modell auch in Köln angewendet werden. AMAREX Webtool Das AMAREX Webtool ( https://amarex-staging.netlify.app/amarex ) ist ein Prototyp eines Planungstools, mit dem im Berliner Stadtgebiet für eine individuelle Gebietsauswahl verschiedene Maßnahmen (Entsiegelung, Dachbegrünung, Anschluss an Mulden) ausgewählt werden können. Für die gewählte Maßnahmenplanung werden anschließend die Wasserhaushaltsgrößen des Status quo und nach Umsetzung der Planungsszenarien aufgezeigt. Die Ergebnisse können gespeichert, neu geladen sowie als Report gedruckt werden. Nutzerinnen und Nutzer können dafür in zwei Modi arbeiten: Quartiersebene: Hier können mehrere Block(teil)- und Straßenflächen gleichzeitig ausgewählt werden. Die Maßnahmen werden dann mithilfe von Schiebereglern pauschal auf das gesamte Auswahlgebiet angewendet. Dabei wird darauf geachtet, dass die Maßnahmen automatisch sinnvoll verteilt werden. Beispielsweise führt die Festlegung eines Zielwerts von 30 % für begrünte Dachflächen nicht dazu, dass bereits stärker begrünte Dächer „verschlechtert“ werden, sondern lediglich un- oder weniger begrünte Dächer ergänzt werden. Lokale Ebene: In diesem Modus kann gezielt eine einzelne Fläche ausgewählt werden. Auf dieser lassen sich vordimensionierte Maßnahmen an spezifischen Stellen platzieren, wodurch eine detaillierte und ortsgenaue Planung ermöglicht wird. Der genaue Ort der Platzierung innerhalb der Fläche hat allerdings keinen Einfluss auf die Modellberechnung und dient lediglich der besseren Veranschaulichung im Planungstool. Endergebnis Im Ergebnis der Berechnungen liegen für ca. 25.000 Block(teil)flächen und ca. 32.000 Straßenflächen aktualisierte langjährige Mittelwerte für den Gesamtabfluss, die Verdunstung, den Oberflächenabfluss und die Versickerung inkl. der Berücksichtigung der Gründächer vor. Die Werte wurden klassifiziert in mm/Jahr in den vorliegenden Karten dargestellt; die Gesamtmengen in m³/Jahr wurden ebenfalls errechnet und bilanziert. Es muss beachtet werden, dass die dargestellten Werte Mittelwerte über die als einheitliche Flächen dargestellten Block(teil)- und Straßenflächen sind, die in der Realität inhomogene Strukturen aufweisen. Die Abflüsse versiegelter und unversiegelter Flächen werden hier zu einem Durchschnittswert pro Fläche gemittelt. Aus den Karten kann z. B. nicht abgelesen werden, wie hoch die Versickerungsleistung eines Quadratmeters unversiegelten Bodens ist. Hierzu ist daher eine ebenfalls flächendeckende und blockbezogene Berechnung mit veränderten Randparametern – also unter der Annahme gänzlich unversiegelter Verhältnisse – vorgenommen worden, deren Ergebnisse in der Karte 02.13.4 dargestellt sind. Erstmals wird auch Delta-W, die Abweichung vom natürlichen Wasserhaushalt dargestellt.
Klimafolgenindikatoren Sachsen-Anhalt Indikatorkennblatt Indikator A4 Bodenfeuchte Nr. des Indikators Bezeichnung Themenfeld Unterindikator 1) Unterindikator 2) Unterindikator 3) Räumliche GliederungA4 Bodenfeuchte unter Gras Klima Bodenfeuchte zum Beginn der Vegetationsperiode 1 (01.04.) Bodenfeuchte zum Ende der Vegetationsperiode 1 (30.06.) Bodenfeuchte zum Ende der Vegetationsperiode 2 (30.09.) Oberharz, Unterharz, nördliches Sachsen-Anhalt, Börde, östliches Sachsen-Anhalt, südliches Sachsen-Anhalt Bearbeitungsstand08.04.2024 Definition und BerechnungsvorschriftGrundlagen für die Auswertungen sind modellierte Tageswerte der Bodenfeuchte in Prozent der nutzbaren Feldkapazität in einer mächtigen und von kurz gehaltenem Gras bedeckten Bodenschicht an folgenden Wetterstationen: Brocken, Harzgerode, Gardelegen, Bernburg-Strenzfeld, Wittenberg und Bad Lauchstädt. Diese sind in der Reihenfolge repräsentativ für die Regionen Harz (obere Lagen), Harz (untere Lagen), nördliches Sachsen-Anhalt, Börde, östliches Sachsen-Anhalt und südliches Sachsen-Anhalt. Bei der Modellierung wurde das beim DWD verfügbare Bodenwasserhaushaltsmodell METVER eingesetzt. Die unterschiedlichen Standortbedingungen hinsichtlich der Bodenphysik sind über die Verwendung der entsprechenden Werte aufgrund vorliegender Kartierungen berücksichtigt. Ausgewertet wurde die Bodenfeuchte zu drei wichtigen Zeitpunkten der landwirtschaftlichen Vegetationsperiode: am Beginn der Vegetationsperiode 1 (01.04.), zum Ende der Vegetationsperiode 1, die gleichzeitig Beginn der Vegetationsperiode 2 (30.06.) ist, und zum Ende der Vegetationsperiode 2 (30.09.). Datenquelle, AufbereitungDWD (ohne Bad Lauchstädt) UFZ: Meteorological data of Bad Lauchstädt, Helmholtz Centre for Environmental Research GmbH - UFZ, Department of Soil Physics (Alle Rechte beim UFZ, Department Bodenphysik. Kopieren und Weitergabe, auch auszugsweise, sind nicht gestattet. Anforderungen sind an das UFZ zu richten). BedeutungDie Bodenfeuchte in Prozent der nutzbaren Feldkapazität (%nFK) beschreibt den Füllstand des pflanzenverfügbaren Bodenwasserspeichers (nutzbare Feldkapazität) unter Berücksichtigung der bodenbezogenen Standorteigenschaften. Die Bodenfeuchte liefert somit eine Aussage, wie gut die Pflanzen ihren Wasserbedarf aus dem Bodenwasserspeicher decken können. Als Beispiel wurde hier eine kurz gehaltene, grasbedeckte Bodenoberfläche gewählt. Bei Verwendung anderer Pflanzen kann es je nach Entwicklungsstand zu Unterschieden im Hinblick auf den Vergleich mit dem Grasbewuchs kommen. Generell gilt aber, dass Bodenfeuchtewerte von 80 %nFK und mehr eine Überversorgung signalisieren, die bremsend auf die Pflanzenentwicklung wirkt. Werte von 50 bis 80 %nFK sind optimal, Werte zwischen 30 und 50 %nFK werden als zu gering betrachtet und die Pflanzen reduzieren ihre Leistungen. Unterhalb von 30 %nFK können die Pflanzen ihren Wasserbedarf nur noch sehr schwer decken und es kommt zu Wachstums- und Reproduktionseinschränkungen. Unterhalb von 20 %nFK spricht man von Bodendürre. Intervall der Zeitreihe01.01.1961 bis 31.12.2024 Aktualisierungjährlich, jeweils zum Ende des ersten Quartals Seite 1/18 Erstellt im Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt Indikatorkennblatt Klimafolgenindikatoren Sachsen-Anhalt Indikator A4 Bodenfeuchte 1) Kommentierung des Indikatorverlaufs Bodenfeuchte zum Beginn der Vegetationsperiode 1 (01.04.)Im Mittel liegt die Bodenfeuchte bezogen auf ein Tiefenintervall von einem Meter am Beginn der Vegetationsperiode 1 auf einem Niveau, das eine sehr gute Wasserversorgung zeigt. Dies hat sich in der vergleichenden Betrachtung der beiden Zeitintervalle auch nur unwesentlich geändert. Allerdings gibt es auch Einzeljahre, vermehrt seit 2019, die mit einem deutlich geringeren Bodenwassergehalt in die Vegetationsperiode starten. Bei den minimalen Werten deutet sich im Süden und in der Mitte des Landes eine Verschiebung hin zu suboptimalen Werten an. 2) Kommentierung des Indikatorverlaufs Bodenfeuchte zum Ende der Vegetationsperiode 1 (30.06.)Zum Ende der Vegetationsperiode 1 erreicht der Bodenwasservorrat in einer Schicht bis einem Meter Tiefe unter Gras in allen Regionen mit Ausnahme der oberen Harzlagen im Zeitintervall von 1961 bis 1990 noch optimale Versorgungsgrade von mehr als 50 Prozent der nutzbaren Feldkapazität. Es zeigt sich aber, dass sich im Norden, Osten, Süden und in der Mitte Sachsen-Anhalts im Mittel in der Periode von 2001 bis 2023 sehr suboptimale Verhältnisse eingestellt haben. Im extrem trockenen Fall sinkt der pflanzenverfügbare Bodenwasservorrat in der genannten Schicht sogar in den Bereich unter die Grenze zur Bodendürre (20 %nFK). Im Osten des Landes und sogar in den unteren Harzlagen sank 2018 der Wert bis zum permanenten Welkepunkt ab. Das heißt, der Boden war so weit ausgetrocknet, dass die meisten Pflanzen irreversibel welkten. 2019 geschah dies im Süden des Landes. In den Jahren 2020 und 2021 nahm der Wassergehalt im Osten des Landes vorübergehend zu, um 2022 wieder abzusinken. Jedoch bleibt der Wassergehalt im südlichen Gebiet bis 2023 weiterhin suboptimal. 3) Kommentierung des Indikatorverlaufs Bodenfeuchte zum Ende der Vegetationsperiode 2 (30.09.)Das Ende der Vegetationsperiode 2 ist durch im Mittel gerade noch optimale Bodenwassergehalte unter Gras bis einem Meter Tiefe gekennzeichnet. Dieser ist auch im Vergleich der beiden betrachteten Zeitintervalle kaum verändert. Sowohl im Zeitabschnitt 1961 bis 1990 als auch im Zeitabschnitt 2001 bis 2023 gab es jedoch auch mehrfach minimale Bodenwassergehalte, die im Bereich unter der Bodendürregrenze oder gar im Bereich des permanenten Welkepunktes registriert werden mussten. Gerade am Ende der Vegetationsperiode 2 gibt es in den Tieflandregionen und im Unterharz eine maximale Schwankungsbreite. Aber auch im Oberharz nimmt die Schwankungsbreite in den jüngeren Jahren tendenziell zu. Seite 2/18 Erstellt im Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt Klimafolgenindikatoren Sachsen-Anhalt Indikatorkennblatt Indikator A4 Bodenfeuchte Unterindikator 1)Bodenfeuchte zum Beginn der VP 1 (01.04.) Bezeichnung für DiagrammBodenfeuchte unter Gras in einer Schicht bis 1 m Tiefe in Prozent der nutzbaren Feldkapazität zum Beginn der VP 1 - alle Stationen Bodenfeuchte unter Gras in %nFK 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 2006 2011 2016 2021 2026 Bad Lauchstädt Gardelegen Bezeichnung für Diagramm Bernburg Harzgerode Brocken Wittenberg Bodenfeuchte unter Gras in einer Schicht bis 1 m Tiefe in Prozent der nutzbaren Feldkapazität zum Beginn der VP 1- Station Bad Lauchstädt Bodenfeuchte unter Gras in %nFK 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 2006 2011 2016 2021 2026 Bad Lauchstädt linearer Trend (Bad Lauchstädt) Seite 3/18 Erstellt im Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt
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