Teilprojekt 3

 

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Eintrag und Transport von Wasser und Nährstoffen im Gewässersystem

Bearbeiter: A. Bronstert, Universität Potsdam

Konkrete Zielstellung

Die Arbeiten dieses Teilprojektes zielen auf die Quantifizierung des Eintrags und Transports von Wasser und Nährstoffen (Nitrat und Phosphat) im Gewässersystem des Einzugsgebietes. Unter Gewässersystem wird hier das System aus Fließgewässern und Seen verstanden. Diese Fragestellung erfordert die Bearbeitung zweier Themenkomplexe:

bulletErfassung der relevanten hydrologischen Prozesse bzgl. der Interaktion von Einzugsgebietsfläche und Gewässernetz und - darauf basierend - Quantifizierung des Wasser- und Nährstoffeintrags in die Gewässer hinein und des Rückhalts im Gebiet.
bulletErfassung des hydrodynamischen Systems der Tieflandflüsse und -seen im Havelgebiet und - darauf basierend - Quantifizierung des Abflussregimes unter verschiedenen Abfluss-/Ausbaubedingungen und Stauregelungen sowie der Nährstoffkonzentration und -fracht.

Dieses Teilprojekt liefert einerseits die Voraussetzungen zur Verknüpfung der Prozesse in der Einzugsgebietsfläche mit denen im Gewässersystem als auch für die Betrachtung des Transport- und Retentionsverhaltens im Gewässersystem selbst. Es nimmt dadurch auch eine starke Verbindungsfunktion ein für eine Reihe anderer Teilprojekte, insbesondere TP 4 (komplexes Flussgebietsmodell), TP 5 (Nährstoffeintrag), TP 6 (Parametrisierung) und TP 7 (Nährstoffsedimentation und -mobilisierung im Gewässer).

Geplante Arbeiten und Methoden

Für die quantitative Beurteilung des Wasser- und Nährstoffhaushaltes sind prozessorientierte Modelle erforderlich, die zudem spezifisch an die Fragestellung angepasst und - falls nötig - erweitert werden müssen. Der Bezug zu den relevanten Abflussbildungsprozessen wird durch die Aufarbeitung abgeschlossener Studien und eigene experimentelle Untersuchungen dieser Teilprozesse des Wasserkreislaufs in den typischen Landschaften des Gebietes hergestellt. Diese Prozessstudien werden aus Eigenmitteln durchgeführt und stellen die notwendige experimentelle Ergänzung zu den vorgesehenen Modellierungsarbeiten dar. Die Arbeiten setzen sich aus folgenden Komponenten zusammen:

bulletAnpassung und Anwendung eines physikalisch basierten und flächendetaillierten hydrologischen Modells zur Beschreibung des Landschaftswasserhaushaltes von flachen und Grundwasser dominierten Einzugsgebieten. Dafür kommt das Modell HYDRAIN (Bronstert et al., 1991) zum Einsatz. Dieses Modell ist spezifisch auf die hier relevanten Bedingungen ausgerichtet, indem die Grundwasserdynamik (vereinfachte numerische GW-Modellierung) mit der Abflussdynamik im Oberflächengewässer (voll hydrodynamisch) gekoppelt simuliert wird. HYDRAIN wurde - u.a. vom Antragsteller - bereits weltweit in einer Reihe von Tieflandeinzugsgebieten erfolgreich eingesetzt. Die Interaktion der Grundwasserfließ- und -retentionsvorgänge in Verbindung mit dem Abflussverhalten der Flüsse und Seen wird detailliert in den Fokusgebieten Hammerfließ und Döllnitz bearbeitet. Die Modellierungsarbeiten werden hier ergänzt von experimentellen Untersuchungen zur Abflussbildung, welche aus Eigenmitteln des Lehrstuhls für Hydrologie/Klimatologie finanziert werden.
bulletErweiterung des Modells HYDRAIN. Damit wird einerseits eine prozessortientierte Modellierung der ungesättigten Bodenzone erreicht. Diese wird zu großen Teilen aus dem Modell HILLFLOW (Bronstert, 1994) übernommen. Dadurch wird eine Beurteilung des Einflusses der Vegetation auf Verdunstung und Grundwasserneubildung ermöglicht. Außerdem wird dem Grundwassermodul ein Ansatz zur Berechnung des Nährstofftransportes hinzugefügt. Die Stoffeinträge werden dabei vom Teilprojekt 5 übernommen. Stoffabbau im Grundwasser selbst wird nicht spezifisch modelliert.
bulletAnpassung und Anwendung eines hydrodynamischen Modells zur Berechnung des Abflussverhaltens im Havelfluss, den Havelseen und den wichtigen Nebenflüssen (außer Spree). Auch dafür dient das Modell HYDRAIN als Grundlage - mit dem Schwerpunkt auf der hydrodynamischen Abflussberechnung (vollständige, 1-dimensionale St.-Venant-Gleichungen). Hiermit werden die Abflussbedingungen des Flusssystems unter unterschiedlichen Ausbauzuständen, Rauhigkeitsbedingungen und Stauregelungen simuliert. Im Prinzip beziehen sich diese Arbeiten auf das gesamte Gebiet, der Schwerpunkt liegt aber auf den Bedingungen in der Unteren Havel, da hier Rückstaufragen eminent wichtig sind und eine Reihe verschiedener Renaturierungspläne bestehen.
bulletErweiterung des hydrodynamischen Modells. Damit wird einerseits ein Modul zur Berücksichtigung der Seeretention verstanden, wobei die in der Hydrologie üblichen Speicheransätze angewendet werden. Andererseits soll das Abflussmodell mit einem einfachen Modul zur Berücksichtigung des Transportes und Retention von Nährstoffen (Ansätze werden z.B. in Orlob, 1983 oder Jokiel, 1995 vorgestellt) gekoppelt werden.
bulletParametrisierung der notwendigen Modelleingangsgrößen und deren Regionalisierung. Darunter werden u.a. folgende Parameter verstanden: Vegetationskennwerte, Bodenart, Grundwasserflurabstände, Geometrie (Querschnitte und Längsschnitt) und Rauhigkeit der Gewässer, hydraulische Kenngrößen der Staue und Wehre. Die Parametrisierung erfolgt durch die bzw. auf Basis der Ergebnisse von Teilprojekt 1 und 6.

Die Arbeiten werden durch zwei Doktoranden am Lehrstuhl für Hydrologie und Klimatologie des Inst. für Geoökologie der Univ. Potsdam durchgeführt. Den ersten Arbeitsbereich bildet der Komplex Grundwasser-Oberflächenwasserinteraktion und Nährstoffeintrag, der zweite Bereich wird durch den Komplex Hydrodynamik, Seeretention und Nährstofftransport gebildet.

Angestrebte Ergebnisse

Dieses Teilprojekt liefert notwendige Informationen über Transport- und Rückhalteprozesse von Wasser und Nährstoffen im Havelgebiet. Dabei wird das Augenmerk einerseits auf den Eintrag in das Gewässersystem hinein und andererseits auf Transport und Rückhalt im Gewässersystem selbst gelegt. Durch den Einsatz prozessorientierter und an die Problemstellung angepasster Modelle werden quantitativ abgesicherte Beurteilungen der Wasser- und Stoffdynamik verschiedener Landschaftstypen im Havelgebiet erreicht. Im Einzelnen werden folgende Ergebnisse erwartet:

Prozessorientierte Modellierung von Abflussbildung und Nährstoffeintrag in das Gewässersystem (auf der Skala der Fokusgebiete):

bulletprozessorientierte Kopplung der Wasserdynamik in der ungesättigten Zone mit der Vegetation und den Grundwasserbedingungen bei Nutzung der Parametrisierung aus TP 6. Dadurch wird auch der Einfluss der Vegetation auf Verdunstung und Grundwasserneubildung quantifiziert;
bulletgekoppelte Modellierung von Grundwasserdynamik und Abflusssituation im Gewässersystem;
bulletHerstellung der Verbindung von Nährstoffeintrag in das Grundwasser (aus TP 5) mit Nährstoffaustrag in das Gewässersystem;
bulletProzessorientierte Beurteilung der Wasserrückhaltemöglichkeiten in den Fokusgebieten (durch Stauregelung des Gewässersystems und Grundwassermanagement).

Hydrodynamisches Abflussmodell für den Havelfluss und wichtige Nebenflüsse (auf der Skala des Gesamtgebietes, insbesondere für die Untere Havel):

bulletHydrodynamische Modellierung des Abflussverhaltens in den Hauptflüssen des Gebietes, insbesondere unter dem Einfluss von Rückstaueffekten und der Retentionswirkung der Havelseen. Grundlage zur Ableitung eines vereinfachten Ansatzes zur Berücksichtigung von Rückstau (TP 4);
bulletBeurteilung der Auswirkungen möglicher Veränderungen im Hauptflusssystem (wie z.B. naturnaher Umbau der unteren Havel und geänderte Staustufenregelung) auf die Abflussdynamik;
bulletVerbindung von Abflussdynamik mit Nährstofftransport bzw. -retention. Insbesondere Kopplung mit den Retentions- und Mobilisierungsvorgängen in den Seen (TP 7);
bulletSzenarienrechnungen zur Nährstoffkonzentration im Hauptflusssystem.

Zeitplan

  1. Datenbeschaffung und -aufbereitung für die Fokusgebiete
  2. Experimentelle Arbeiten zur Abflussbildung (Eigenleistung)
  3. Modellaufbau für die Fokusgebiete
  4. Modellerweiterungen bzgl. Dynamik ungesättigte Zone und Nährstoffeintrag ins Grundwasser
  5. Parametrisierung: Ist-Zustand und Szenarien
  6. Berechnungen Wasserhaushalt und Nährstoffe: Ist-Zustand
  7. Berechnungen Wasserhaushalt und Nährstoffe: Szenarien
  8. Datenbeschaffung und -aufbereitung für das Gewässersystem (ohne Spree)
  9. Modellaufbau für das Gewässersystem (ohne Spree)
  10. Modellerweiterungen bzgl. Seeretention und Nährstofftransport
  11. Parametrisierung für das Gewässersystem (ohne Spree): Ist-Zustand und Szenarien
  12. Berechnungen Abflussdynamik und Nährstofftransport: Ist-Zustand
  13. Berechnungen Abflussdynamik und Nährstofftransport: Szenarien
  14. Zusammenarbeit bzgl. Implementierung der Modellbausteine und -ergebnisse in das Gesamtsystem
  15. Dokumentation und Handbuch der Modelle

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Bei Fragen und Hinweisen wenden Sie sich bitte an W. Lahmer (werner@wernerlahmer.de oder  webmaster@havelmanagement.net)
Stand: 07. Februar 2005

Layout: W. Lahmer