Teilprojekt 4

 

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Erstellung eines komplexen Flussgebietsmodells für die Havel

Bearbeiter: B. Pfützner, BAH Berlin

Problemstellung

Insbesondere in sommerlichen Trockenperioden kommt es in der unteren Havel zu Stagnationsperioden, in denen der Durchfluss und die Fliessgeschwindigkeiten stark absinken. Folge dieser Wassermengenproblematik sind Einschränkungen in der Wasserqualität. Eine Möglichkeit, diese Niedrigwasserperioden zu mindern, liegt in einem Ausgleich der innerjährlichen Abflussschwankungen, d.h. einer Speicherung von "Überschusswasser" in Abflussbildungsperioden, vor allem im Winter, und der gezielten Wasserabgabe in Niedrigwasserperioden. Dazu können Speicherkapazitäten im Gewässersystem geschaffen bzw. vorhandene aktiviert oder der Rückhalt im Einzugsgebiet erhöht werden. Diese Vergleichmäßigung des Abflussregimes ist allerdings verbunden mit

  1. einer erhöhten Gebietsverdunstung durch ansteigende Grundwasserstände in den Auenbereichen und einer Vergrößerung der grundwassernahen Flächen,
  2. einer Verringerung der Abflussdynamik, vor allem in Überschussperioden,
  3. einer Verminderung von unplanmäßigen "Spüleffekten" im Hochwasserfall.

Die erhöhte Gebietsverdunstung hat Auswirkungen auf die Gesamtwasserbilanz, so dass insbesondere unter Berücksichtigung der gegebenen klimatischen Verhältnisse nur ein Teil des im Winter zurück gehaltenen Wassers im Sommer zum Ausgleich der Abflussdefizite zur Verfügung steht. Die verringerte Abflussdynamik hat Auswirkungen auf die Biotope im Auenbereich, die wechselnde Wasserstände bis hin zu Vorlandüberflutungen benötigen. Ein Ausbleiben der Spüleffekte führt - wie auch lang anhaltende Stagnation - u.a. zu Verschlammungen der Gewässersohle mit vielfältigen Auswirkungen auf den Stoffhaushalt und die Lebensbedingungen aquatischer Organismen. Eine Vergleichmäßigung des Abflussregimes ist also neben dem gewünschten Effekt einer Minderung der negativen Folgen sommerlicher Niedrigwasserperioden mit einer Reihe von negativen Auswirkungen auf die oberliegenden Gewässer und das Einzugsgebiet verbunden.

Konkrete Zielstellung

Das Ziel dieses Teilprojektes besteht in der modellmäßigen Abbildung der wasserwirtschaftlichen Verhältnisse im Haveleinzugsgebiet unter verschiedenen Randbedingungen. So sollen simuliert werden:

  1. der Referenzzustand für die Ableitung eines hydrologischen Leitbildes sowie des "guten ökologischen Zustandes" (Abflussdynamik),
  2. das gegenwärtige hydrologische Regime zur Ermittlung von Managementerfordernissen und
  3. die Auswirkungen von Bewirtschaftungsmaßnahmen (z.B. zur Vergleichmäßigung des Abflussregimes).

Geplante Arbeiten und Methoden

Voraussetzung für die vorgesehenen Untersuchungen ist die Erstellung eines komplexen Flussgebietsmodells für die Havel. Grundlage für dieses Flussgebietsmodell ist das im Elbeökologie-Projekt erstellte Niederschlag-Abfluss-Modell für die obere Havel, das z.Z. im Rahmen des GLOWA-Elbe-Projektes [vom Verfasser] weiterentwickelt wird. Der Zufluss aus dem bergbaubeeinflussten Spreegebiet inklusive des Berliner Einzugsgebiets können im Rahmen der GLOWA-Bearbeitung bereitgestellt und als Randbedingungen berücksichtigt werden. Dieses Basismodell beschreibt den gegenwärtigen Gebietswasserhaushalt. Es ist szenarienfähig, d.h. in der Lage, die Auswirkungen geänderter Flächennutzungen (oder auch geänderter klimatischer Randbedingungen) auf die Abflussbildung flächendifferenziert und in angemessener zeitlicher Auflösung (Tageswerte) über einen komfortablen Programmrahmen abzubilden. Als Grundlage für die Untersuchungen im vorliegenden Teilprojekt ist vorgesehen, dieses Basismodell wesentlich zu erweitern, um Managementmaßnahmen im Einzugsgebiet abbilden und ihre Auswirkungen auf die Abflussprozesse im Gewässersystem fundiert abschätzen zu können. Dazu wird das Modell im Rahmen der Bearbeitung um folgende Komponenten ergänzt/präzisiert:

bulletwesentliche Bewirtschaftungsmaßnahmen (Ein- und Überleitungen, Entnahmen, Ent- und Bewässerungen; vgl. TP 2) und Abbildung des Einflusses wasserwirtschaftlicher Bauwerke (Wehre, Speicher, Pump- und Schöpfwerke),
bulletGewässer- und Seeretention zur angemessenen Beschreibung der Fließ- und Speicherprozesse im Gewässersystem (hydrologisch/hydraulische Ansätze, Parametrisierung über Detailuntersuchungen in TP3),
bulletBerücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen Grund- und Oberflächenwasser als Grundlage zur Abschätzung der Effekte einer Erhöhung des Gebietsrückhaltes auf den Wasserhaushalt.

Die hierfür notwendigen Modellansätze werden auf die vorhandenen Datenbestände abgestimmt. Ein wesentlicher Grundgedanke ist hierbei, vor allem solche Modellansätze einzusetzen bzw. bedarfsweise zu entwickeln oder zu modifizieren, die mit den vorhandenen, i.d.R. in den Landesämtern vorgehaltenen Datenbeständen parametrisierbar sind. Die Detailliertheit dieses Modells wird damit maßgeblich von den vorhandenen Datenbestände abhängen. Diese Orientierung auf verfügbare Datenbestände erfordert generalisierte Betrachtungsweisen innerhalb des Gesamtmodells.

Zur Parametrisierung der vereinfachten Modellansätze werden detailliertere Einzugsgebietsmodelle für zwei Fokusgebiete (siehe Kap. 3) aufgebaut. Die Parametrisierung der detaillierten Einzugsgebietsmodelle erfolgt unter Einbeziehung der hydraulischen Detailuntersuchungen in TP3, zum anderen unter Nutzung hochaufgelöster Landnutzungsdaten (TP 6). Diese Fokusgebiete bilden gleichzeitig Gliederungseinheiten innerhalb des Gesamtmodells, so dass durch die Untersuchungen in zwei Maßstabsebenen eingeschätzt werden kann, welche Genauigkeits- oder Informationsverluste durch die reduzierten Modellansätze und die geringer aufgelösten Landnutzungsdaten verursacht werden.

Die programmtechnische Grundlage für die Untersuchungen bildet das hydrologische Modellierungssystem ARC/EGMO (Pfützner et al. 1998), das u.a. bei der Erstellung des Bewirtschaftungsplanes Salza ein grundlegendes Werkzeug zur Berücksichtigung der hydrologisch/wasserwirtschaftlichen Verhältnisse war. In ARC/EGMO integrierte Tools zum Postprocessing liefern niedrigwasserstatistische Kennwerte entsprechend DVWK-Richtlinien (121/1992), Dauerlinien und Gewässerkundliche Hauptzahlen (NNQ bis HHQ) - bei Bedarf für jeden im Modell berücksichtigten Gewässerabschnitt und weitere ökohydrologisch relevante Kennwerte (vgl. Richter et al. 2000). Diese Kennwerte stellen eine notwendige Grundlage zur Bewertung von Änderungen in der Abflussdynamik in Folge von Managementmaßnahmen dar.

Angestrebte Ergebnisse

Ein wesentliches Ergebnis der Untersuchungen ist neben der Entwicklung methodischer Grundlagen zur Umsetzung der WRRL, insbesondere zur Beschreibung des "guten ökologischen Zustandes" (Abflussdynamik), ein Flussgebietsmodell für das Havelgebiet, mit dem ein exemplarischer Teilbeitrag zur Komponente "Abfluss und Abflussdynamik" zur künftigen Bewirtschaftungsplanung in einem größeren nordostdeutschen Tieflandeinzugsgebiet durchgeführt werden kann. Auf dessen Grundlage sollen u.a. die Auswirkungen verschiedener Optionen zur Erhöhung des Gebietsrückhalts hinsichtlich ihrer Wirksamkeit zur Abflusserhöhung in Niedrigwasserperioden, aber auch hinsichtlich der geschilderten negativen Effekte einer Abflussvergleichmäßigung untersucht werden. Ermittelt werden u.a.:

bulletWasserhaushaltsgrößen auf Tages-, Monats- und Jahresbasis sowie für die Gesamtperiode,
bulletSimulierte Abflussreihen (Tageswerte), HQ- und NQ-statistische Kennwerte (HQ(T), NQ(T,D), Gewässerkundliche Hauptzahlen, Dauerlinien für interessierende Querschnitte für verschiedene Gebietszustände (Ist-Zustand, Referenzszenario) und Managementoptionen bzw. Entwicklungsszenarien,
bulletAbflusskomponenten in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung.

Nach Abschluss des Projektes kann das Gesamtmodell Havel bei den zuständigen Fachbehörden (v.a. LUA Brandenburg) Entscheidungshilfen durch Auswertung der bereits betrachteten sowie Simulation und Bewertung zusätzlicher Szenarien (TP 8) bieten.

Zeitplan

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über den zeitlichen Ablauf der geplanten Arbeiten.

  1. Datenbeschaffung, Datenaufbereitung für die Fokusgebiete
  2. Modellaufbau für die Fokusgebiete
  3. Datenbeschaffung, Datenaufbereitung für das Havelgebiet (ohne Spree)
  4. Modellaufbau für das Havelgebiet (ohne Spree)
  5. Modellparametrisierung für die Fokusgebiete (abhängig von TP 3, 6)
  6. Modellparametrisierung für das Havelgebiet (ohne Spree)
  7. Berechnungen zur Ermittlung von Leitbild/Zielvorgaben und zur Analyse des derzeitigen Zustandes
  8. Berechnungen zur Abschätzung der Auswirkung von Managementmaßnahmen (Szenario-Analysen), Kopplung mit GIS-Modell (TP 8), Zuarbeiten zum Maßnahmenprogramm

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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