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unilogo Universität Stuttgart
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung - IWS

Abstract

 
   

"Problematische Aspekte der Kopplung von Grundwassermodellen mit hydrologischen Modellen auf der regionalen Skala "

Roland Barthel

Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart, roland.barthel@iws.uni-stuttgart.de

Kurzfassung

Die Kopplung von Modellen ist zu einem zent-ralen Thema der Wasserforschung geworden (Integrated Water Resources Management). Viele integrative Projekte arbeiten dabei flussgebietsbezogen bzw. einzugsgebietsweit, also regional, was oft auch in den Vorgaben der EU-Wasserrahmenrichtlinie begründet ist. Validierte, in Raum und Zeit übertragbare Kopplungskonzepte für die grundlegenden Prozesse des regionalen hydrologischen Kreislaufs existieren noch nicht. Gründe sind: Datenverfügbarkeit, fehlendes skalenbezogenes Prozessverständnis, Problem mit der effektiven Parametrisierung bei grober Diskretisierung, Rechenleistung, Kontextbezug bestehender Modelle (Gültigkeit nur für bestimmte Anwendungen und Skalen), Inkonsistenzen durch unterschiedliche Modelldomänen u.v.m. Einen Kern integrativer Modellierung stellt die Kopplung des Grundwassersystems mit der ungesättigten Zone und Oberflächengewässern, also die Kopplung von Grundwasserströmungsmodellen mit hydrologischen Model! len i.w.S. dar. Entscheidende Kopplungsparameter sind hier Grundwasserneubildung (GWN) und der Basis- oder grundwasserbürtigen Abfluss. In diesem Beitrag wird gezeigt, dass die derzeit verwendeten Modellkonzepte auf beiden Seiten nicht darauf ausgerichtet sind, diese Parameter wechselseitig in sinnvoller Weisemiteinander auszutauschen. Grund dafür sind u.a. unterschiedliche konzeptionelle Vorstellungen sowie die fehlende Berücksichtigung der Prozesse in der tieferen ungesättigten Zone. In konzeptionellen hydrologischen Modellen haben Basisabfluss und GWN keinen Bezug zu realen physikalischen Prozessen. Sie werden als Flüsse in Speicherkaskaden berechnet, die mit Hilfe von nicht-physikalischen Parametern an gemessene Abflüsse kalibriert werden. Da diese nur integral für Abflusspegel bekannt sind, kann eine Zuordnung zu einem Gebiet, Raum oder gar einem Grundwasserleiter i.d.R. nicht erfolgen. Physikalisch basierte, prozessorientierte hydrologische Modelle (z.B. SVAT [Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfer] Modelle) dagegen betrachten fast immer nur die Perkolation aus der Wurzelzone und lassen die tiefere ungesättigte Zone unberücksichtigt. Sehr häufig ist die Konsequenz, dass die berechnete GWN sehr viel höher ist, als diejenige, die den modellierten (regionalen) Grund-wasserleiter tatsächlich erreicht. Insbesondere in stark reliefiertem Gelände dominieren in der tieferen ungesättigten Zone horizontale Fliessprozesse mit Quellabfluss und deutlicher Minderung der GWN. Bei konzeptionellen Modellen ist dazu noch eine starke Skalen-, Kontext- und Gebietsabhängigkeit zu beobachten, die eine schlüssige Interpretation der Kopplungsparameter und eine Übertragbarkeit völlig unmöglich macht. Im Beitrag werden die Probleme diskutiert und Lösungen vorgeschlagen, die entweder in völlig neuen integralen Konzepten oder in angepassten Zwischenmodulen bestehen können.