Teilprojekt 6

 

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Bereitstellung raum-zeit-bezogener Modellierungsparameter unter Einbeziehung von Fernerkundungsdaten

Bearbeiter: S. Itzerott - GFZ Potsdam, K. Kaden - Universität Potsdam

Konkrete Zielstellung

Um den tatsächlichen Landschaftswasserhaushalt im Einzugsgebiet der Havel durch Modelle realitätsnah abzubilden, bedarf es einer deutlichen Verbesserung der Raum-Zeit-Auflösung der Inputdaten. Das betrifft insbesondere die derzeit gebräuchlichen Basisgrößen aus den Bereichen Flächennutzung, Naturraumausstattung und anthropogen beeinflusste Hydrodynamik, die bisher hauptsächlich als statische Größen in die Modellierung einfließen. Ziel des Teilprojektes ist es, Verbesserungen einerseits aus Bereitstellung von zeitreihenorientierten Kartierungen und in situ Messungen, andererseits durch die Einbindung von Fernerkundungsdaten zu erreichen. Mit der Verbesserung der Raum-Zeit-Auflösung wird (i) eine umfassendere Darstellung natürlicher und technischer Abläufe im Betrachtungsraum und dadurch (ii) eine Quantifizierung des Einflusses von Bewirtschaftungswandel in der Szenariobewertung möglich.

Geplante Arbeiten und Methoden

Verbesserung der Raum-Zeit-Auflösung von Modelleingangsgrößen

Das Teilprojekt bearbeitet drei der vier Landschaftskompartimente (Flächennutzung, Boden, Hydrologie, Klima), die in die im Projekt genutzten Modellansätze (TP 3, TP 4, TP 5) eingehen und zugleich wichtige Eingangsgrößen für die in TP 9 vorzunehmende naturräumliche Charakterisierung darstellen.

Flächennutzung

Bisher geht die Flächennutzung als statische Größe mit deutschlandweit 22 Klassen (Corine-Landcover-Klassifizierung) ein. Lediglich für Ackerflächen werden Fruchtwechsel simuliert, Bewirtschaftungszustände werden aber ausschließlich unabhängig von ihrer tatsächlichen Raum-Zeit-Varianz über standardisierte Werte berücksichtigt. Bisher stark vernachlässigt sind die für Auen typischen Grünländer, die sowohl hinsichtlich ihrer natürlichen Varianz als auch ihrer Bewirtschaftung kaum unterschieden werden. Sie besitzen einen hohen Flächenanteil und stellen somit für Bewirtschaftungsszenarien eine wichtige Komponente dar.

Das Teilprojekt wird aus der multitemporalen Analyse von Fernerkundungsdaten Bewirtschaftungszyklen mit Bezug zu den naturräumlichen Gegebenheiten ableiten. Grundlage dafür bildet die Ermittlung von Jahresspektren von Acker- und Grünlandkulturen, die von Phänologie und Bewirtschaftung geprägt werden. Die Spektren sollen durch die Auswertung von Landsat-TM Daten gewonnen werden. Dabei kann auf einen Datenfundus der Jahre 1994 bis 1996 aus dem Fokusgebiet Untere Havel zurückgegriffen werden, der allerdings einer Ergänzung durch Hinzunahme von Szenen der Jahre 1997 bis 2000 ( 6 bis 8 Szenen) bedarf. Diese Jahresgänge dienen zunächst der Präzisierung der biomassebezogenen und wachstumsbeschreibenden Modelleingangsgrößen. Ebenso bedeutungsvoll für die Validierung der Modelle und vor allem für die Entwicklung realitätsnaher Szenarien ist die Kenntnis mehrjähriger Bewirtschaftungsfolgen. Während bei Grünländern in der Regel der Jahreszyklus in die Dauernutzung übertragen werden kann, sind für Ackerkulturen Fruchtfolgen zu beachten. Um die dazu notwendige langjährige dichte Datenfolge für das gesamte Einzugsgebiet der Havel absichern zu können, muss ein Wechsel zu den zeitlich hochauflösenden und im mesoskaligen Bereich flächenabbildenden WiFS-Daten erfolgen. Sie besitzen eine Raumauflösung von 180 x 180 m und bilden das Einzugsgebiet der Havel in einer Szene vollständig ab. Bei einer Wiederholrate von 5 Tagen ist unter den humiden Klimabedingungen Deutschlands mit einer deutlichen Verbesserung der nutzbaren Datendichte zu rechnen. Mit der Berücksichtigung des roten und nahen infraroten Spektralbereiches werden die für die Vegetationscharakteristik wesentlichen Intervalle des Spektrums abgebildet. Insgesamt kann damit von einer guten Möglichkeit der Beschreibung von Fruchtfolgen ausgegangen werden. Die im ersten Abschnitt gewonnenen genormten spektralen Zyklen können so in einen konkreten Raum- und Zeitbezug für das Gesamtgebiet gesetzt werden. Durch einen Rückverschnitt mit den Landsat-Daten lassen sich die Ergebnisse für die Fokusgebiete in ihrer räumlichen Auflösung präzisieren.

Boden

Die für die Modellierung notwendigen pedologischen Eigenschaften werden bisher über Leitböden entsprechend der BÜK 1000 ermittelt. Speziell der Maßstab dieser Kartierung führt zu unzulässiger räumlicher Generalisierung, die realitätsnahen Szenarien entgegensteht. Zumindest für die Fokusgebiete soll deshalb eine Präzisierung erfolgen. Sie umfasst die Kartierung von Mikrochoren, die Ableitung von Leitbodentypen und die Spezifizierung der Bodenparameter für das niederschlagsärmere glazial geprägte Tiefland durch Feld- und Laboranalysen sowie die Integration von Kontrollmessungen der Bewirtschafter. Diese so ermittelten Bodeneigenschaften dienen zusätzlich auf der Gesamtebene der Verfeinerung der Merkmale der Leitbodentypen der BÜK 1000.

Hydrologie

Mesoskalige hydrologische Modelle beruhen oft nur auf der Implementierung statischer hydrologischer Eigenschaften. Sowohl natürliche als auch anthropogen bedingte Schwankungen des Grundwasserganges bleiben unberücksichtigt. Da besonders Niederungen aufgrund oberflächennah wechselnden Grundwasserflurabstandes einen variablen Wassertransfer besitzen, spielt die Grundwasserdynamik für die Modellierung eine nicht zu unterschätzende Rolle. Zur Lösung dieses Sachverhaltes liegen Erfahrungen und ein Algorithmus vor, der aus gemessenen Pegelständen und Stauzielen Wasserstandskurven konstruiert, die die Dynamik ausreichend differenzieren. Dieses Verfahren soll auf Fokusgebiete angewandt und dabei modifiziert und präzisiert sowie in die Modellierung eingebracht werden (TP3). Auen sind durch die oben beschriebenen spezifischen hydrologischen Verhältnisse eng mit Überflutungen verknüpft. Die Fernerkundungsdaten, die zur Kennzeichnung der Flächennutzung angewendet werden, lassen auch eine Nachzeichnung dieses Geschehens im Modell zu.

Bereitstellung von naturräumlich und technologisch geprägten Parametern zur quantitativen Szenariobewertung

Der Anspruch des Gesamtprojektes auf einen praxisrelevanten Raum-Zeit-Bezug muss sich auf allen Aussageebenen widerspiegeln. Auch bei der Bilanzierung von Szenarien zum Flächennutzungswandel müssen Fernerkundungsdaten diesen Bezug liefern. Das trifft für die Bewertung sowohl ökologischer als auch ökonomischer Konsequenzen zu (TP 2, TP 11). Für betriebswirtschaftliche Ansätze (Betriebsbasis, Kreisbasis, usw.) können über die Flächennutzungscharakteristik in Abhängigkeit von der Naturraumausstattung technologische Abläufe flächentreu zugeordnet und finanziell bilanziert werden. Dazu muss das Untersuchungsgebiet nach Bewirtschaftungseinheiten strukturiert werden. Somit können den Fruchtarten und -folgen Technikeinsatz, Düngemitteleinsatz, Saatgutmenge, Ernteeinbußen usw. zuordnet werden und der finanzielle Aufwand dafür die betriebswirtschaftliche Relevanz eines Szenarios bewertbar machen. Für Wasserbilanzansätze können aus simulierten Flächennutzungsänderungen über die Berücksichtigung des sich verändernden Verdunstungsverhaltens Auswirkungen auf den Wassertransfer interpretiert und durch die gegebene räumliche Konkretheit quantifiziert werden.

Angestrebte Ergebnisse und Zeitplan

Zur Weiterverarbeitung in den Modellierungen der Teilprojekte 3, 4 und 5 werden aus dem ersten Bearbeitungsschwerpunkt folgende Ergebnisse hervorgehen:

  1. Bereitstellung von präzisierten Modelleingangsgrößen als GIS-Coverage mit Attributtabelle für das Teilfokusgebiet Grütz-Dosse
  2. Bereitstellung von präzisierten Modelleingangsgrößen (Leitbodentypen auf Mikrochorenbasis B1, Einheiten der Hydrodynamik B2, Bewirtschaftungszyklen B3) als GIS-Coverage mit Attributtabelle für die Fokusgebiete (zunächst für Fokusgebiete, später für das Gesamtgebiet)
  3. Bereitstellung von Bewirtschaftungsfolgen als GIS-Coverage mit Attributtabelle für das Gesamteinzugsgebiet und als Präzisierung für die Fokusgebiete
  4. Verfeinerung der Merkmale der Leitbodentypen für Gesamteinzugsgebiet als Attributtabelle
  5. In Zusammenarbeit mit den Teilprojekten 2, 10 und 11 werden für die Szenarienbewertung geliefert:

  6. Mit der Flächennutzung verknüpfte Bilanzgrößen zur Bewertung der ökologischen und ökonomischen Konsequenzen von Handlungsoptionen für die Teilprojekte 2, 10 und 11

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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