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TEC H N ISC H E U N IVER SITÄT DRESDEN FORSCHUNGSVERBUND ELBE-ÖKOLOGIE Auenwaldökologie E lbe- Auenwald- ökologie TU Dresden Eine Fördermaßnahme des BMBF Modellierung des Bodenwasserhaushaltes Einen Projektschwerpunkt stellt die Modellierung des Bodenwasserhaushaltes im Untersuchungsgebiet dar. Diese wird im wesentlichen durch folgende Aufgabenbereiche abgedeckt: Feldmessungen von Saugspannungen und Bodenfeuchten im Untersuchungsgebiet Ermittlung der bodenhydraulischen Charakteristika Weiterentwicklung eines vorhandenen Bodenwasserströmungsmodells zur Verarbeitung stochastischer Randbedingungen 1 Theorie der Bodenwasserströmung Für Böden, welche homogene und isotrope Eigenschaften besitzen, und deren Struktur unveränderlich ist, kann der ungesättigte Fluss unter isothermen Bedingungen durch das Buckingham-Darcy-Gesetz (Richards-Gleichung) beschrieben werden: Um den ungesättigten Wassertransport mit Hilfe der Richards- Gleichung modellieren zu können, müssen die Zusammenhänge Bodenfeuchte – Saugspannung und hydraulische Leitfähigkeit – Saugspannung des betrachteten Bodens bekannt sein. 2 Ermittlung der bodenhydraulischen Charakteristika Die Parameter der Saugspannung-Sättigungs-Beziehung (Retentionsvermögen) und der Saugspannung-Leitfähigkeits-Beziehung (Wasserleitvermögen) können auf verschiedenen Wegen gefunden werden. Ein flexibles Verfahren stellt die inverse Parameterbestimmung aus transienten Infiltrationsversuchen im Labor dar. Hierbei kann das Fließproblem für beliebige Anfangs- und Randbedingungen formuliert werden und mit entsprechenden analytischen oder numerischen Methoden gelöst werden. Eine Möglichkeit der inversen Parameterbestimmung ist die Annahme eines bodenhydraulischen Modells und die Bestimmung der Parameter dieses Modells unter Verwendung eines Optimierungsalgorithmus. Je nach Versuchsanordnung kann die Zielfunktion die Abweichung der berechneten von gemessenen Flüssen, Saugspannungen, Wassergehalten oder anderen Eigenschaften, welche den ungesättigten Fluss beschreiben, sein. Die inverse Parameterbestimmung erfolgt in zwei Schritten: 1. Vorwärtssimulation Unter beliebigen Anfangs- und Randbedingungen wird die Fließgleichung mit geschätzten Parametern für das bodenhydraulische Modell direkt gelöst. 2. Nachlaufrechnung In einer nichtlinearen Parameteroptimierung werden die Parameter solange verändert, bis der (beobachtete) Modellinput dem (berechneten) Modelloutput entspricht. Abbildung 3 verdeutlicht die Vorgehensweise bei der inversen Parameteridentifizierung. 4 Bodenwasserströmungsmodell Das vorhandene eindimensionale numerische Bodenwasserströmungsmodell wurde dahingehend modifiziert, dass eine zeitliche Stochastizität der Randbedingungen eingebracht werden kann. Vorerst werden der Wasserstand in der Elbe und der Niederschlag als stochastische Ereignisse angenommen. Andere Randbedingungen (z.B. Grundwasserstand, Verdunstung) werden deterministisch als Zeitreihe beschrieben. Eine flächenhafte Modellierung des Bodenwasserregimes wird möglich über einen quasi- zweidimensionalen Ansatz, indem Austauschprozesse zwischen benachbarten Profilen quantifiziert werden und als lateraler Fluss in den verschiedenen Bodenhorizonten in die Modellierung eingehen. Für die Realisierung transienter Infiltrationsversuche zur inversen Bestimmung der Bodenparameter wurde eine automatische Laborstation entwickelt (siehe Abb. 4). Mit dieser können Bodenmonolithen mit einem Volumen von etwa 700 cm³ in einstellbaren Druckstufen be- und entwässert werden. Saugspannungen werden in sechs, Bodenfeuchten in drei verschiedenen Tiefen gemessen. Nach eingehender Bodenansprache im Feld können Bodenmonolithe aus verschiedenen Tiefen entnommen werden und so für einzelne Bodenschichten repräsentative bodenhydraulische Parameter bestimmt werden. Durch Bodenentnahme an mehreren Stellen im Untersuchungsgebiet kann eine flächenhafte Aussage zu Retentions- und Leitfähigkeitscharakteristik getroffen werden. 3 Feldmessungen Die Feldmessungen von Bodenfeuchten und Saugspannungen konzentrieren sich an mehreren Standorten, die sich durch ihre Geländehöhe und damit das Grundwasser- und Überflutungsregime unterscheiden. Die Messungen erfolgen an jedem Standort in drei für das Wasserspeicher- und Leitfähigkeitsverhalten relevanten Bodenhorizonten: - Oberboden (Tiefen zwischen 15 und 30 cm), - Auenlehmdeckschicht (Tiefen zwischen 70 und 100 cm), - Sand (Tiefen zwischen 150 und 200 cm). Bodenfeuchten und Saugspannungen werden simultan in der gleichen Tiefe erfasst. Bodenfeuchten des Oberbodens werden zusätzlich durch wöchentliche Stichtagsmessungen, punktuell über die Untersuchungsfläche verteilt, gemessen. Abb. 3: Vorgehensweise bei der inversen Parameteridentifizierung. Tensiometer 1 - 6 Einbautiefen 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 cm von oben TDR 1- 3 Einbautiefen 6, 12, 18 cm Beregner 140 Kanülen über gesamte Querschnittsf läche Druckregelung untere Randbedingung Zu- und Abflußmessung Druckaufnehme r zur Überprüfung der unteren Randbedingung Bodenprob e Abb. 4: Laborstation zur Parameterbestimmung. Leiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Gerd H. Schmitz, Dr. Franz Lennartz; Bearbeiter: Heike Puhlmann, Alexander Hartung Einleitung Die Lebensbedingungen der Auenwälder werden in entscheidendem Maße durch die Langzeitdynamik eines Flusses bestimmt. Diese den Standort prägende Beeinflussung geht von dem gesamten hydrologischen Regime aus, umfasst also sowohl Überschwemmungs- wie Trockenperioden und Mittelwasserbedingungen. Da im Auenbereich der Flusswasserspiegel und der Grundwasserspiegel in enger Wechselwirkung stehen, beeinflusst demzufolge der Flusswasserstand die Standortbedingungen. In diesem Zusammenhang stellen insbesondere Perioden mit, für das Pflanzenwachstum, kritischen Bereichen des Bodenwassergehaltes einen grundlegenden Einflussfaktor dar. Die Analyse der Wachstumsbedingungen für eine nachhaltige Renaturierung der Auenwälder erfordert deshalb eine Quantifizierung der Zusammenhänge zwischen Bestandesentwicklung und der Dauer und Häufigkeit bestimmter Oberflächen-, Grund- und Bodenwasserregime. 1 Ziel Die Erfassung des gekoppelten hydrologischen Regimes von Oberflächen-, Boden- und Grundwasser soll erlauben, standortprägende langfristige hydrologisch / meteorologische Charakteristika - im Sinne von Standorttypen - abzuleiten. Im Mittelpunkt steht eine Synthese aus einer, im Rahmen der finanziellen Möglichkeiten umfassenden Messkampagne (Feld- und Labormessungen) mit der Modellierung des langfristigen Bodenwasserhaushaltsregimes und seinen natürlichen Schwankungen. Die Modellierung erfolgt auf der Basis physikalisch begründeter numerischer Strömungsmodelle. Meteorologische Randbedingungen (z.B. Niederschlag) sowie hydrologische Randbedingungen (z.B. Flusswasserstand, Grundwasserstand) gehen dabei mit ihrer natürlichen, für die Aue charakteristischen, Variabilität (Stochastizität) in die Modellierung ein. Für die hydrologisch / meteorologischen Standortbedingungen der Elbe-Auenwälder werden die standortprägenden hydrologischen Regime in Form von Erwartungswerten und Varianzen abgeleitet. 2 Untersuchungsgebiet - Lage: NSG“ Saalberghau“ im Biosphärenreservat „Mittlere Elbe“ nordwestlich von Dessau, Elbe-km 265, Flussniederung mit alluvialen Ablagerungen - Geländehöhe: etwa 55 m über NN; weitläufig nur geringe Reliefausbildung; in Stromnähe Hochflutrinnen und Niederterrassen; 3 Datenerhebung Der eigentlichen Modellierung des Bodenwasserhaushalts im Untersuchungsgebiet muss eine Erfassung der aufgabenrelevanten physischen Charakteristika vorangehen, d.h. vor allem die Erhebung der bodenhydraulischen Kennwerte an mehreren Standorten.Weitere Grundlage für die Modellierung des Bodenwasserregimes ist die Erhebung von Messdaten, die der Beschreibung der Randbedingungen des Modells dienen. Im Untersuchungsgebiet NSG Saalberghau (Elbe-km 264.0 bis 264.4) werden umfangreiche Messungen durchgeführt, um - Wassergehalt und Saugspannungen in verschiedenen - Wasserstände in Elbe und Altwasser - Grundwasserstände - Klimatologische Größen (Niederschlag, Windrichtung, - geschwindigkeit, Lufttemperatur, -feuchte, Globalstrahlung) zu erfassen (siehe Abb. 2). Die Bestimmung der Parameter für den Feuchterückhalt und die Leitfähigkeit der Böden erfolgt vorrangig im Labor, wobei im Mittelpunkt die Anwendung der sogenannten “inversen Methode” steht. Dazu wurde eine automatische Laborstation entwickelt, in welcher natürliche Bodenmonolithe in beliebigen Druckstufen be- und entwässert werden können. Intensivmessfeld - Tensiometer und TDR- Sonden in verschiedenen Tiefen - zwei Grundwassermesstellen - Wasserstandsmessung im Grundwasserstands- und Flusswasserstandsmess ung Grundwasserstandsmessu ng Klimamessu ng Abb. 1: Übersichstkarte des Untersuchungsgebietes. Klima - Nutzung verfügbarer Niederschlagsreihen des DWD; - zusätzlich eigene Messungen im Untersuchungsgebiet (Niederschlag, Windgeschwindigkeit, -richtung, Luftfeuchte, -temperatur, Globalstrahlung, PAR-Strahlung) - Modellierung der Verdunstung mit Penman-Monteith-Ansatz Oberflächenwasser - Übertragung der am Pegel Dessau gemessenen Ganglinie ins Untersuchungsgebiet - zusätzlich zeitlich hoch aufgelöste Messungen im Untersuchungsgebiet (Wasserstand der Elbe und des Altwassers) Grundwasser - Messung des Grundwasserstandes in mehreren Beobachtungsrohren (stündlich bzw. wöchentlich) - Aufbau des analytischen Grundwassermodells Bodenmodell - Bestimmung der bodenhydraulischen Parameter in Felduntersuchungen und mit Hilfe von Labormethoden - Umbau des vorhandenen numerischen Bodenwasserströmungsmodells in Hinsicht auf Verarbeitung stochastischer Beschreibungen der Randbedingungen Vegetation - Einbeziehung pflanzenphysiologischer Werte anderer Teilprojekte zur Modellierung der Transpiration Abb. 2: Modellkomponenten - Datenerhebung und Modellerierungskonzept. Abb. 7: Kopplung der Einzelmodelle. Niederschlag, Verdunstung obere RB für GW-Modell untere RB für Bodenwasser- Modell seitliche RB für GW-Modell obere RB für Bodenwasser- Modell GIS Überflutungshöhe Bodenwasser-Modell GW-Neubildung GW-Modell GW-Stand Fluss-Modell Wasserstand im UG hangseitige r GW- Zustrom RB = Randbedingung GW = Grundwasser Modellierung der Grundwasseroberfläche Im Bereich der Grundwassermodellierung hat die Laplacegleichung eine zentrale Bedeutung. Ansätze zu deren analytischer Lösung existieren schon seit Anfang diesen Jahrhunderts, der erste stammt von Polubarinova-Kochina (1952). Um zu einer Lösung zu gelangen, verwendete sie, wie auch alle anderen Forscher nach ihr, einen vereinfachten Ansatz. Jetzt ist es gelungen, eine Lösung zu präsentieren, die keine vereinfachenden Annahmen mehr benötigt. Eine typische Problemstellung ist zum Beispiel die 2- dimensionale Modellierung eines homogenen und isotropen Grundwasserleiters, mit folgenden Voraussetzungen: er ist horizontal unbegrenzt, er verfügt über eine ausreichende Mächtigkeit und ist nach unten hin durch eine undurchlässige Schicht begrenzt. An der Bodenoberfläche können sich beliebig viele Formen von In- oder Exfiltrationen (z.B. Gräben, Dränagen, Flüsse) in beliebigem Abstand befinden, diese werden als parallel und gleichförmig vorausgesetzt. Die Beschreibung der In/Exfiltration im Modell wird in Form eines Polygonzuges realisiert, damit natürliche Verhältnisse mit der größtmöglichen Flexibilität beschrieben werden können. Das neu entwickelte Modell verwendet die exakte analytische Lösung der 2-dimensionalen Laplacegleichung. Es kommt ohne Linearisierungen oder andere Vereinfachungen wie zum Beispiel die sehr häufig verwendete Dupuit-Annahme aus. Die Vorteile diese Vorgehens liegen dabei klar auf der Hand: Erstens erhält man durch die analytische Lösung ein stabil laufendes und sehr schnell rechnendes Programm, dass keine numerischen Unsicherheiten wie nicht konvergierende Iterationen mehr enthält. Zweitens ist die verwendete Laplacegleichung in ihrem Ansatz so allgemein, dass sie sich zur Beschreibung und Lösung vieler praktischer Probleme hervorragend eignet. Drittens zeigte das Modell in Testläufen eine problemlose Anpassung auch an sehr steile Gradienten der Grundwasseroberfläche. Dies wurde anhand von Laborversuchen mit einem sandgefüllten Gerinne als künstlicher Grundwasserleiter überprüft. Oft wechselnde Zustände von Infiltration und Exfiltration in Kombination mit natürlichen, also selten symmetrischen Formen sind charakteristisch für die Auen. Gerade für diese komplizierten Zusammenhänge eignen sich nur stabile Modelle, die die natürlichen Verhältnisse aber mit der nötigen Genauigkeit und Komplexität erfassen und auch simulieren können. 2D Laplace Gleichung: 0 2 2 2 2 z p x p Untere Randbedingung: 1 x p Obere Randbedingung: K= Durchlässigkeitskoeffizient N(x) = In/Exfiltrationsfunktion B eispielhafte B erechung derstationären G W -oberfläche -5,0 -4,0 -3,0 -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 -150,0-100,0 -50,0 0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0 Entfernung [m ] Höhe [m ] -5,0 -4,0 -3,0 -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 In/Exfiltration [m ³/d*m ] GW-oberfläche In/Exfiltration Abb. 5: Beispielberechnung GW- Modell. Stationäre GW-berechnung für den Elbe-km 261.2 Zeitraum: 23.08.1998 bis 10.06.1999 Ganglinie Elbe Ganglinie GW Abb. 8: Testberechnung GW- Modell. Abb. 6: Bodenfeuchteverlauf am altwassernahen Standort. Teilprojekt 2: Oberflächen- und Bodenwasserregime 1. M odellzurB eschreibung des Fließverhaltens 2. W ahlderzu optim ierenden Param eter derR etentions-und Leitfähigkeits- C harakteristik 3. Ausw ahlderM essw erte (z.B.Fluss, S augspannung,Bodenfeuchte) Festlegung derKalibrierungspunkte (örtlich,zeitlich) 4. Festlegung sinnvollerS tartw erte fürdie P arameter(z.B.über Ped otransferfunktionen) 5. Berechn ung derZielgröße (Vorwärtssim ulation) 6. Vergleich dergem essenen und m odellierten Zielgröße (Z ielfunktion) 7. U pdate derParam eter (M inim ierungsalgorithm us) Sensitivitätsanalyse m it synthetischen Versuchen Veränderung der Zielfunktion ? ja nein Ergebnis: lokales Optim um M esswertgewinnung Versuchskonzeption Ü berprüfen des lokalen O ptim um s m itleicht veränderten Startw erten 0 10 20 30 40 50 60 W assergehalt in % 0 5 10 15 20 25 Niederschlag in m m/d TDR4:Schluff,15 cm tief TD R 5:Ton,80 cm tief TD R 6:S and,200 cm tief N S [m m/d] 16.4.99 27.4.99 4.5.99 11.5.99 25.5.99 1.6.99 8.6.99 53.50 54.00 54.50 55.00 55.50 56.00 56.50 57.00 57.50 58.00

Auenwaldökologie Eine Fördermaßnahme des BMBF Modellierung des Bodenwasserhaushaltes Einen Projektschwerpunkt stellt die Modellierung des Bodenwasserhaushaltes

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TECHNISCHEUNIVERSITÄT

DRESDEN

FORSCHUNGSVERBUND ELBE-ÖKOLOGIE

AuenwaldökologieElbe-

Auenwald-

ökologie

TU Dresden

Eine Fördermaßnahme des BMBF

Modellierung des Bodenwasserhaushaltes

Einen Projektschwerpunkt stellt die Modellierung des Bodenwasserhaushaltes im Untersuchungsgebiet dar.Diese wird im wesentlichen durch folgende Aufgabenbereiche abgedeckt:Feldmessungen von Saugspannungen und Bodenfeuchten im UntersuchungsgebietErmittlung der bodenhydraulischen Charakteristika Weiterentwicklung eines vorhandenen Bodenwasserströmungsmodells zur Verarbeitung stochastischer Randbedingungen

1 Theorie der BodenwasserströmungFür Böden, welche homogene und isotrope Eigenschaften besitzen, und deren Struktur unveränderlich ist, kann der ungesättigte Fluss unter isothermen Bedingungen durch das Buckingham-Darcy-Gesetz (Richards-Gleichung) beschrieben werden:

Um den ungesättigten Wassertransport mit Hilfe der Richards-Gleichung modellieren zu können, müssen die Zusammenhänge Bodenfeuchte – Saugspannungund hydraulische Leitfähigkeit – Saugspannung des betrachteten Bodens bekannt sein.

2 Ermittlung der bodenhydraulischen CharakteristikaDie Parameter der Saugspannung-Sättigungs-Beziehung (Retentionsvermögen) und der Saugspannung-Leitfähigkeits-Beziehung (Wasserleitvermögen) können auf verschiedenen Wegen gefunden werden. Ein flexibles Verfahren stellt die inverse Parameterbestimmung aus transienten Infiltrationsversuchen im Labor dar. Hierbei kann das Fließproblem für beliebige Anfangs- und Randbedingungen formuliert werden und mit entsprechenden analytischen oder numerischen Methoden gelöst werden. Eine Möglichkeit der inversen Parameterbestimmung ist die Annahme eines bodenhydraulischen Modells und die Bestimmung der Parameter dieses Modells unter Verwendung eines Optimierungsalgorithmus. Je nach Versuchsanordnung kann die Zielfunktion die Abweichung der berechneten von gemessenen Flüssen, Saugspannungen, Wassergehalten oder anderen Eigenschaften, welche den ungesättigten Fluss beschreiben, sein.

Die inverse Parameterbestimmung erfolgt in zwei Schritten:1. VorwärtssimulationUnter beliebigen Anfangs- und Randbedingungen wird die Fließgleichung mit geschätzten Parametern für das bodenhydraulische Modell direkt gelöst.2. NachlaufrechnungIn einer nichtlinearen Parameteroptimierung werden die Parameter solange verändert, bis der (beobachtete) Modellinput dem (berechneten) Modelloutput entspricht.Abbildung 3 verdeutlicht die Vorgehensweise bei der inversen Parameteridentifizierung.

4 BodenwasserströmungsmodellDas vorhandene eindimensionale numerische Bodenwasserströmungsmodell wurde dahingehend modifiziert, dass eine zeitliche Stochastizität der Randbedingungen eingebracht werden kann. Vorerst werden der Wasserstand in der Elbe und der Niederschlag als stochastische Ereignisse angenommen. Andere Randbedingungen (z.B. Grundwasserstand, Verdunstung) werden deterministisch als Zeitreihe beschrieben. Eine flächenhafte Modellierung des Bodenwasserregimes wird möglich über einen quasi-zweidimensionalen Ansatz, indem Austauschprozesse zwischen benachbarten Profilen quantifiziert werden und als lateraler Fluss in den verschiedenen Bodenhorizonten in die Modellierung eingehen.

Für die Realisierung transienter Infiltrationsversuche zur inversen Bestimmung der Bodenparameter wurde eine automatische Laborstation entwickelt (siehe Abb. 4). Mit dieser können Bodenmonolithen mit einem Volumen von etwa 700 cm³ in einstellbaren Druckstufen be- und entwässert werden. Saugspannungen werden in sechs, Bodenfeuchten in drei verschiedenen Tiefen gemessen. Nach eingehender Bodenansprache im Feld können Bodenmonolithe aus verschiedenen Tiefen entnommen werden und so für einzelne Bodenschichten repräsentative bodenhydraulische Parameter bestimmt werden. Durch Bodenentnahme an mehreren Stellen im Untersuchungsgebiet kann eine flächenhafte Aussage zu Retentions- und Leitfähigkeitscharakteristik getroffen werden.

3 FeldmessungenDie Feldmessungen von Bodenfeuchten und Saugspannungen konzentrieren sich an mehreren Standorten, die sich durch ihre Geländehöhe und damit das Grundwasser- und Überflutungsregime unterscheiden. Die Messungen erfolgen an jedem Standort in drei für das Wasserspeicher- und Leitfähigkeitsverhalten relevanten Bodenhorizonten: - Oberboden (Tiefen zwischen 15 und 30 cm),- Auenlehmdeckschicht (Tiefen zwischen 70 und 100 cm), - Sand (Tiefen zwischen 150 und 200 cm).Bodenfeuchten und Saugspannungen werden simultan in der gleichen Tiefe erfasst.Bodenfeuchten des Oberbodens werden zusätzlich durch wöchentliche Stichtagsmessungen, punktuell über die Untersuchungsfläche verteilt, gemessen.

Abb. 3: Vorgehensweise bei der inversen Parameteridentifizierung.

Tensiometer 1 - 6Einbautiefen 3, 6, 9,

12, 15, 18, 21 cm von oben

TDR 1- 3Einbautiefen6, 12, 18 cm

Beregner 140 Kanülen

über gesamte Querschnittsfläche

Druckregelung untere RandbedingungZu- und Abflußmessung

Druckaufnehmer zur Überprüfung

der unteren Randbedingung

Bodenprobe

Abb. 4: Laborstation zur Parameterbestimmung.

Leiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Gerd H. Schmitz, Dr. Franz Lennartz; Bearbeiter: Heike Puhlmann, Alexander Hartung

Einleitung

Die Lebensbedingungen der Auenwälder werden in entscheidendem Maße durch die Langzeitdynamik eines Flusses bestimmt. Diese den Standort prägende Beeinflussung geht von dem gesamten hydrologischen Regime aus, umfasst also sowohl Überschwemmungs- wie Trockenperioden und Mittelwasserbedingungen. Da im Auenbereich der Flusswasserspiegel und der Grundwasserspiegel in enger Wechselwirkung stehen, beeinflusst demzufolge der Flusswasserstand die Standortbedingungen. In diesem Zusammenhang stellen insbesondere Perioden mit, für das Pflanzenwachstum, kritischen Bereichen des Bodenwassergehaltes einen grundlegenden Einflussfaktor dar. Die Analyse der Wachstumsbedingungen für eine nachhaltige Renaturierung der Auenwälder erfordert deshalb eine Quantifizierung der Zusammenhänge zwischen Bestandesentwicklung und der Dauer und Häufigkeit bestimmter Oberflächen-, Grund- und Bodenwasserregime.

1 ZielDie Erfassung des gekoppelten hydrologischen Regimes von Oberflächen-, Boden- und Grundwasser soll erlauben, standortprägende langfristige hydrologisch / meteorologische Charakteristika - im Sinne von Standorttypen - abzuleiten.Im Mittelpunkt steht eine Synthese aus einer, im Rahmen der finanziellen Möglichkeiten umfassenden Messkampagne (Feld- und Labormessungen) mit der Modellierung des langfristigen Bodenwasserhaushaltsregimes und seinen natürlichen Schwankungen. Die Modellierung erfolgt auf der Basis physikalisch begründeter numerischer Strömungsmodelle. Meteorologische Randbedingungen (z.B. Niederschlag) sowie hydrologische Randbedingungen (z.B. Flusswasserstand, Grundwasserstand) gehen dabei mit ihrer natürlichen, für die Aue charakteristischen, Variabilität (Stochastizität) in die Modellierung ein. Für die hydrologisch / meteorologischen Standortbedingungen der Elbe-Auenwälder werden die standortprägenden hydrologischen Regime in Form von Erwartungswerten und Varianzen abgeleitet.

2 Untersuchungsgebiet- Lage: NSG“ Saalberghau“ im Biosphärenreservat „Mittlere Elbe“ nordwestlich von Dessau, Elbe-km 265, Flussniederung mit alluvialen Ablagerungen- Geländehöhe: etwa 55 m über NN; weitläufig nur geringe Reliefausbildung; in Stromnähe Hochflutrinnen und Niederterrassen;

3 DatenerhebungDer eigentlichen Modellierung des Bodenwasserhaushalts im Untersuchungsgebiet muss eine Erfassung der aufgabenrelevanten physischen Charakteristika vorangehen, d.h. vor allem die Erhebung der bodenhydraulischen Kennwerte an mehreren Standorten.Weitere Grundlage für die Modellierung des Bodenwasserregimes ist die Erhebung von Messdaten, die der Beschreibung der Randbedingungen des Modells dienen.Im Untersuchungsgebiet NSG Saalberghau (Elbe-km 264.0 bis 264.4) werden umfangreiche Messungen durchgeführt, um- Wassergehalt und Saugspannungen in verschiedenen - Wasserstände in Elbe und Altwasser- Grundwasserstände- Klimatologische Größen (Niederschlag, Windrichtung, -geschwindigkeit, Lufttemperatur, -feuchte, Globalstrahlung)zu erfassen (siehe Abb. 2).Die Bestimmung der Parameter für den Feuchterückhalt und die Leitfähigkeit der Böden erfolgt vorrangig im Labor, wobei im Mittelpunkt die Anwendung der sogenannten “inversen Methode” steht. Dazu wurde eine automatische Laborstation entwickelt, in welcher natürliche Bodenmonolithe in beliebigen Druckstufen be- und entwässert werden können.

Intensivmessfeld - Tensiometer und TDR-Sonden in verschiedenen Tiefen- zwei Grundwassermesstellen- Wasserstandsmessung im Altwasser

Grundwasserstands- und Flusswasserstandsmessung

GrundwasserstandsmessungKlimamessung

Abb. 1: Übersichstkarte des Untersuchungsgebietes.

Klima- Nutzung verfügbarer Niederschlagsreihen des DWD; - zusätzlich eigene Messungen im Untersuchungsgebiet (Niederschlag, Windgeschwindigkeit, -richtung, Luftfeuchte, -temperatur, Globalstrahlung, PAR-Strahlung)- Modellierung der Verdunstung mit Penman-Monteith-Ansatz

Oberflächenwasser- Übertragung der am Pegel Dessau gemessenen Ganglinie ins Untersuchungsgebiet- zusätzlich zeitlich hoch aufgelöste Messungen im Untersuchungsgebiet (Wasserstand der Elbe und des Altwassers)

Grundwasser- Messung des Grundwasserstandes in mehreren Beobachtungsrohren (stündlich bzw. wöchentlich)- Aufbau des analytischen Grundwassermodells

Bodenmodell- Bestimmung der bodenhydraulischen Parameter

in Felduntersuchungen und mit Hilfe von Labormethoden

- Umbau des vorhandenen numerischen Bodenwasserströmungsmodells in Hinsicht auf

Verarbeitung stochastischer Beschreibungen der Randbedingungen

Vegetation- Einbeziehung pflanzenphysiologischer Werte anderer Teilprojekte zur Modellierung der Transpiration

Abb. 2: Modellkomponenten - Datenerhebung und Modellerierungskonzept.

Abb. 7: Kopplung der Einzelmodelle.

Niederschlag,Verdunstung

obere RB für GW-Modell

untere RB für Bodenwasser-

Modell

seitliche RB für GW-Modell

obere RB für Bodenwasser-Modell

GIS

Überflutungshöhe

Bodenwasser-Modell

GW-Neubildung

GW-Modell

GW-Stand

Fluss-Modell

Wasserstand im UG

hangseitiger GW-Zustrom

RB = RandbedingungGW = Grundwasser

Modellierung der Grundwasseroberfläche

Im Bereich der Grundwassermodellierung hat die Laplacegleichung eine zentrale Bedeutung. Ansätze zu deren analytischer Lösung existieren schon seit Anfang diesen Jahrhunderts, der erste stammt von Polubarinova-Kochina (1952). Um zu einer Lösung zu gelangen, verwendete sie, wie auch alle anderen Forscher nach ihr, einen vereinfachten Ansatz. Jetzt ist es gelungen, eine Lösung zu präsentieren, die keine vereinfachenden Annahmen mehr benötigt.

Eine typische Problemstellung ist zum Beispiel die 2-dimensionale Modellierung eines homogenen und isotropen Grundwasserleiters, mit folgenden Voraussetzungen:

• er ist horizontal unbegrenzt,

• er verfügt über eine ausreichende Mächtigkeit und

• ist nach unten hin durch eine undurchlässige Schicht begrenzt.

An der Bodenoberfläche können sich beliebig viele Formen von In- oder Exfiltrationen (z.B. Gräben, Dränagen, Flüsse) in beliebigem Abstand befinden, diese werden als parallel und gleichförmig vorausgesetzt. Die Beschreibung der In/Exfiltration im Modell wird in Form eines Polygonzuges realisiert, damit natürliche Verhältnisse mit der größtmöglichen Flexibilität beschrieben werden können.

Das neu entwickelte Modell verwendet die exakte analytische Lösung der 2-dimensionalen Laplacegleichung. Es kommt ohne Linearisierungen oder andere Vereinfachungen wie zum Beispiel die sehr häufig verwendete Dupuit-Annahme aus.

Die Vorteile diese Vorgehens liegen dabei klar auf der Hand:

• Erstens erhält man durch die analytische Lösung ein stabil laufendes und sehr schnell rechnendes Programm, dass keine numerischen Unsicherheiten wie nicht konvergierende Iterationen mehr enthält.

• Zweitens ist die verwendete Laplacegleichung in ihrem Ansatz so allgemein, dass sie sich zur Beschreibung und Lösung vieler praktischer Probleme hervorragend eignet.

• Drittens zeigte das Modell in Testläufen eine problemlose Anpassung auch an sehr steile Gradienten der Grundwasseroberfläche. Dies wurde anhand von Laborversuchen mit einem sandgefüllten Gerinne als künstlicher Grundwasserleiter überprüft.

Oft wechselnde Zustände von Infiltration und Exfiltration in Kombination mit natürlichen, also selten symmetrischen Formen sind charakteristisch für die Auen. Gerade für diese komplizierten Zusammenhänge eignen sich nur stabile Modelle, die die natürlichen Verhältnisse aber mit der nötigen Genauigkeit und Komplexität erfassen und auch simulieren können.

2D Laplace Gleichung:

02

2

2

2

z

p

x

p

Untere Randbedingung:

1

x

p

Obere Randbedingung:

K= DurchlässigkeitskoeffizientN(x) = In/Exfiltrationsfunktion

Beispielhafte Berechung der stationären GW-oberfläche

-5,0

-4,0

-3,0

-2,0

-1,0

0,0

1,0

2,0

-150,0 -100,0 -50,0 0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0

Entfernung [m]

Höhe [m]

-5,0

-4,0

-3,0

-2,0

-1,0

0,0

1,0

2,0

In/Exfiltration [m³/d*m]

GW-oberf läche In/Exfiltration

Abb. 5: Beispielberechnung GW-Modell.

Stationäre GW-berechnung für den Elbe-km 261.2

Zeitraum: 23.08.1998 bis 10.06.1999

Ganglinie Elbe

Ganglinie GW

Abb. 8: Testberechnung GW-Modell.

Abb. 6: Bodenfeuchteverlauf am altwassernahen Standort.

Teilprojekt 2: Oberflächen- und Bodenwasserregime

1. Modell zur Beschre ibung des Fließverhaltens

2. Wahl der zu optimierenden Parameter der Retentions- und Leitfäh igke its- Charakteristik

3. Auswahl der Messwerte (z.B. Fluss, Saugspannung, Bodenfeuchte ) Festlegung der Kalibrierungspunkte (örtlich, zeitlich)

4. Festlegung sinnvol ler Star twerte für d ie Parameter (z.B. über Pedotransferfunktionen)

5. Berechnung der Zie lgröße (Vorwär tssimulation)

6. Verg leich der gemessenen und modellie rten Zielgröße (Zielfunktion)

7. Update der Parameter (Minimierungsalgorithmus)

Sensitivitä tsanalyse mit synthetischen Versuchen

Veränderung der Zie lfunktion ? janein

Ergebnis:lokales Optimum

Messwertgewinnung

Versuchskonzeption

Überprüfen des lokalen Optimums mit leicht veränderten Startwerten

0

10

20

30

40

50

60

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%

0

5

10

15

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m/d

TDR4: Schluff, 15 cm tief TDR5: Ton, 80 cm tief TDR6: Sand, 200 cm tief NS [mm/d]

16.4.99 27.4.99 4.5.99 11.5.99 25.5.99 1.6.99 8.6.99

53.50

54.00

54.50

55.00

55.50

56.00

56.50

57.00

57.50

58.00