Wasserhaushalt

im WRRL-Pilotprojekt
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Veränderungen des Waldaufbaus und der Waldnutzung können sich auf den Zustand der Gewässer im Wald auswirken, indem sie die Menge und Dynamik der Abflussbildung beeinflussen. So kann durch den Baumartenwechsel oder durch Walderschließungsmaßnahmen die ausgleichende Wirkung der Wälder auf die Abflussdynamik nachhaltig verändert werden.

Zur Beschreibung des hydrologischen Prozessgeschehens in bewaldeten Einzugsgebieten liegen Informationen auf sehr unterschiedlichen Skalenebenen vor (großmaßstäbliche Informationen im Teileinzugsgebiet "Lange Bramke", mittlere Maßstäbe im Einzugsgebiet der Oker). Das hydrologische Modell muss in der Lage sein, die Daten skalenunabhängig zu verarbeiten. Grundlage der Wasserhaushaltsmodellierung bilden Flächendatensätze der Forst- und Umweltverwaltung sowie Zeitreihen des Klimas für den meteorologischen Antrieb.

Modellauswahl und Modellbeschreibung

Ziel des Projektes ist ein Instrumentarium zu schaffen, mit dem die Auswirkungen von forstlichen Bewirtschaftungsmaßnahmen auf die Quantität und Qualität der Oberflächen- und Grundwässer in bewaldeten Einzugsgebieten beschrieben werden kann. Mit Hilfe eines gebietsdifferenzierten hydrologischen Einzugsgebietsmodells können die komplexen Prozesse des Wasserhaushaltes abgebildet werden. Die wesentlichen Kriterien für die Modellauswahl sind:

skalenunabhängige Anwendbarkeit und Übertragbarkeit ("Lange Bramke" => Oker)
frei wählbare zeitliche und räumliche Auflösung der Modellparameter und frei wählbare räumliche Gebietsdiskretisierung
Ableitung der Modellparameter aus allgemein verfügbaren Datensätzen
‚open source'-Konzept (freie Verfügbarkeit des Modells inkl. Quellcode) und modulare Modellstruktur
bereits erfolgreiche Anwendung des Modells in anderen Untersuchungsgebieten
direkte oder indirekte Anbindung an ein Geographisches Informationssystem (GIS)
Implementierung von Modellbausteinen zur Schneeakkumulation und -schmelze, Grundwasserneubildung, Wellenverformung (Routing), Drainage und Bewässerung

Nach einer Vorauswahl wurden die Einzugsgebietsmodelle ARC/EGMO (Pfützner et al., 1997), WaSiM-ETH (Schulla, 1997) und SEROS (Mengelkamp et al., 1998) einer eingehenden Prüfung hinsichtlich der Eignung für die Projektziele unterzogen. Das Wasserhaushalts-Simulations-Modell WaSiM-ETH erwies sich dabei als am besten geeignet zur Erreichung der Projektziele, da es die hydrologische Prozesskette flächendifferenziert und physikalisch basiert nachbildet. Insbesondere die Verwendung der Richards-Gleichung zur Simulation der Bodenwasserflüsse in der ungesättigten Bodenzone ermöglicht eine wesentlich bessere Anpassung der Modellierung als dies bei konzeptionell ausgerichteten Modellen möglich wäre (s. Abb. 1).

Abb. 1: Modellschema WaSiM-ETH (Schulla, 1997).

Der Simulation vorgeschaltet ist eine windabhängige Korrektur der Stationsniederschläge. Der meteorologische Antrieb der Klimastationen wird mit Hilfe verschiedener Verfahren (IDW, höhenabhängige Regression), die vom Anwender ausgewählt und kombiniert werden können, auf das Flächenraster des Modells interpoliert. Weiterhin besteht die Möglichkeit einer topographiebedingten Strahlungskorrektur und Temperaturmodifikation. Eine wesentliche Erweiterung erfuhr das Modell außerdem durch die Integration von Stofftransportalgorithmen in allen Teilmodellen. Die aktuelle WaSiM-ETH-Version beinhaltet verschiedene Möglichkeiten der Bewässerungsmodellierung sowie ein Modul zur künstlichen Drainage. Auch kann der Überstau durch Wälle an Feldrändern und von in den Boden eingelagerten Stauschichten berücksichtigt werden. WaSiM-ETH berechnet die Wasserumsätze auf einem Modellgitter mit quadratischen Zellen und simuliert die Abflussganglinie im Gewässer mit Hilfe eines Routingschemas. Die Modellkalibrierung für das Einzugsgebiet der "Langen Bramke" erfolgt auf Grundlage der Jahre 1990 bis 1999 (s. Abb. 2). Der Validierungszeitraum umfasst den Zeitraum von 1980 bis 1989. Der gesamte Simulationszeitraum beginnt mit den Wiederaufforstungsmaßnahmen im Jahr 1950 und endet im Jahr 2000.

Abb. 2: Abflussganglinie am Pegel "Lange Bramke".

Ausblick und Szenarienentwicklung

Die Art und Intensität der Waldbewirtschaftung hat einen direkten Einfluss auf den Gebietswasserhaushalt. In Bezug auf den Wasserhaushalt in bewaldeten Einzugsgebieten bedeutet dies, dass mit Hilfe von Szenarienanalysen die Auswirkungen verschiedener Nutzungsstrategien zeitlich und räumlich quantifiziert werden müssen. Am Beispiel des Einzugsgebietes der "Langen Bramke" können die Folgen möglicher Nutzungsänderungen auf den Wasserhaushalt detailliert untersucht werden. Grundlage bildet das kalibrierte und validierte hydrologische Modell, das das hydrologische Prozessgeschehen in seinem jetzigem Zustand (Istzustand) beschreibt. Aus waldbaulicher Sicht sollen zunächst folgende drei Szenarien gerechnet werden, die eine direkte Anbindung an das Bestandesentwicklungsmodell BWINPro erfordert:

Langfristige Ökologische Wald-Entwicklung (LÖWE)
Potentielle Natürliche Vegetation (PNV)
maximaler Waldreinertrag

Die historische Bestandesentwicklung im Einzugsgebiet der "Langen Bramke" ermöglicht es, auch radikale Nutzungsänderungen, wie einen flächenhaften Kahlschlag (Ausgangssituation 1950), unter realen Randbedingungen nachzubilden. Denkbar sind aber auch Landnutzungsänderungen, die ursächlich mit globalen Klimaveränderungen in Bezug gesetzt werden müssen. Entsprechende Szenarien, beispielsweise des IPCC, müssen auf ihre Übertragbarkeit auf den Oberharz überprüft werden. Eine Kopplung mit dem Waldwachstumssimulator wäre wünschenswert, um eine möglichst realitätsnahe Bestandesentwicklung unter veränderten Klimabedingungen zu simulieren.

Literatur

Mengelkamp, H.-T., K. Warrach, E. Raschke, (1998):

SEWAB - a parameterization of the surface energy and water balance for atmospheric and hydrologic models, Advances in Water Ressources, 23, 2

Pfützner, B., Lahmer, W.; Becker, A. (1997):

ARC/EGMO Version 2.0 - Programmsystem zur GIS-gestützten hydrologischen Modellierung, Kurzdokumentation, 29 S.

Schulla, J. (1997):

Wasserhaushalts-Simulationsmodell WaSiM-ETH, Anwenderhandbuch, Geogr. Inst. ETH Zürich, unveröff.

Bearbeiter: Johannes Sutmöller