Herausforderungen und Perspektiven der hydrologischen ... · PDF filePeter Krahe Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz Am Mainzer Tor 1 56068 Koblenz Tel.: 0261/1306-5234, Fax:

Buhnenkolloquium – 23. und 24. März 2010 Seite 1

Herausforderungen und Perspektiven derhydrologischen Modellierung im Elbegebietim Zeichen des KlimawandelsTheresa Horsten, Maria Carambia, Claudia Rachimow, Bastian Klein, Enno Nilson, Peter KraheReferat Wasserhaushalt, Vorhersagen und PrognosenBundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz

mlob

Schreibmaschinentext

Quelle: http://www.bafg.de/cln_016/nn_162304/DE/05__Wissenstransfer/02__Veranstaltungen/2010/2010__03__23.html?__nnn=true


Einleitung

Foto: I. Leyer

Met Office, 2005


Pegel Neu Darchau / ElbeAbfluss -Hydrol. Winterhalbjahr

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

[m³/

s]

MQ(HyWi) MQ(HyWi)11a Linear (MQ(HyWi))

Pegel Neu Darchau / ElbeAbfluss - Hydrol. Sommerhalbjahr

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000[m

³/s]

MQ(HySo) MQ(HySo)11a Linear (MQ(HySo))

Mittlerer Abfluss am Pegel Neu-Darchau

im hydrologischen Winter- und Sommerhalbjahr

Beobachtung - Klima und Abfluss im Elbegebiet


Pegel Dresden / Elbe Variable MQ(m), Saisonalität

0.20.40.60.81.01.21.41.61.8

Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

01.01.1901-31.12.1925 01.01.1926-31.12.195001.01.1951-31.12.1975 01.01.1976-31.12.2000

Pegel Neu Darchau / Elbe Variable MQ(m), Saisonalität

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez

01.01.1901-31.12.1925 01.01.1926-31.12.195001.01.1951-31.12.1975 01.01.1976-31.12.2000

Beobachtung - Klima und Abfluss im Elbegebiet


Modellkette - hydrologische Klimafolgenforschung

Foto: I. Leyer

(2007)2009 - 2013


Hochauflösende Untersuchungen 1D/2D SOBEKHydraulische Prozesse

z.B Kurzschlussströmung

km 194 - 208 (Schwarze Elster)

km 222 - 240 (Mäanderstrecke Coswig)

FlussgebietsmodellElbe 1D SOBEK

Umweltaspekte:

Substrat-,

Struktur-,

Strömungsdiversität

Schifffahrtsaspekte:

Sohländerungen,

Wassertiefe,

Geschwindigkeiten

Morphodynamische Modellierung

Modellierung des fraktionierten Sedimenttransports/-haushaltsGeschiebe + suspendierter Sand

Korngrößen: 200 - 0.25 mm

12 Fraktionen nach van Rijn (2007)

Frachtänderungen im Flussgebiet

BfG- Referat M3


Durchflusssimulation - Elbe 1D SOBEK

Einbeziehung der Maßnahmen in Niedersachsen, Brandenburg und Mecklenburg-Vorpommern

Szenariendefinition unter Berück-sichtigung von Maßnahmen an der tschechischen Elbe

Auswirkungen von Reaktivierungen von zusätzlichen potentiellen Reserveräumen

Verbesserung der Schnittstelle Deutschland –Tschechien

Ziele im EU-Interreg ProjektLABEL


Das Elbegebiet

AbflussbilanzMQ_61/90 (CZ/D)~ 330 m³/sCZ ~ 38 %D ~ 62 %

Wasserhaushaltsmodellierung

MQ

~ 870 m³/s

Mittlerer Zuflussca. 330 m³/s

Neu Darchau

MQ 720 m³/s


Wasserhaushaltsmodellierung


Wasserhaushaltsmodelle

• Ermöglichen die Simulation der Wasserhaushaltsgrößen basierend auf der Wasserhaushaltsgleichung

• Unterscheiden sich hinsichtlich - der Komplexität bzgl. der Beschreibung von Teilprozessen

- der räumlichen Bezugseinheit> lumped (TEZG)> semi-distributiv (TEZG)> distributiv (Raster)

- des Zeitschritts> Jahreswerte (vielj.)> Monatswerte (vielj.)> Tageswerte> Stundenwerte

[�

[�

[�

[�[�

[�[� [�

[� [�[�[�

[� [�

[�

[�[�

[� [�

[�

AKEN

ZEITZ

BARBY

LAUCHA

LÖBEN

DRESDENOBERTHAU

TORGAU

WITTENBERG

WITTENBERGE

NEU DARCHAU

BAD DÜBEN

HADMERSLEBEN

TANGERMüNDE

CALBEGRIZEHNE

HAVELBERG

NAUMBURGGROCHLITZ

MAGDEBURG

RATHENOW

Hohnstorf HBV-D


Speicherinhalte

Bodenfeuchte

Regen/Schnee

Regen/Schneeschmelze

��

Evapotranspiration

Seeroutine

Schneeroutine

Verdunstungs- und Bodenfeuchteroutine

Abflusskomponenten- und Abflusskonzentrationsroutinen

Variante B:R0 = 1/k0 · (uz - uzl0)R1 = 1/k1 · (uz - uzl1)R2 = 1/k2 · (uz - uzl2)

R3 = 1/k3 · uz

Variante A:

R0 = K · uz(alfa+1)

Perkolation

uzl2

uzl1

uzl0

uz

lzE P

Faltung

R4 = 1/k4 * lz

R3

R2

R1

R0

Geländehöhe

R4

Überschusswasser

Modellvorstellung HBV-D, HBV-96Semi-distributives konzeptionelles N-A Model HBV-96


Modellgüte - Hydrologie (HBV-D)

Vergleich der berechneten MQ-Werte entlang der Elbe

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 100 200 300 400 500 600

Flusskilometer ab Schöna

MQ

[m3/s

ec]

Elbe-DSS Parametrisierung

Kalibrierungspegel

MündungSchwarze Elster

MündungVereinigte Mulde

SaaleMündung

SpreeMündung


Nash-Sutcliff efficency Kalibrierungsperiode

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Dresden

Torgau

Wittenberg

Aken

Barby

Magdeburg

Tangermünde

Wittenberge

Neu Darchau

Löben

Bad Düben

Naumburg-Grochlitz

Calbe-Grizehne

Laucha

Zeitz

Oberthau

Hadmersleben

Rathenow

Havelberg

Nash-Sutcliff efficency

Modellgüte - Hydrologie (HBV-D)

∑∑

−−

−=)²QRQR(

)²QRQC(1²R

mean

MHQrec

MHQrecMHQcomp error peak

−=


Wasserhaushaltsmodelle Labe/Elbe

VerfügbarBAGLUVA – in BearbeitungWaBiMon – in Bearbeitung (Havel/Spree)Elbe-DSS / HBV-D – nur dt. Elbe

In VorbereitungLARSIM-ME (Mitteleuropa)

Extern – Elbe/LabeSWIM (PIK)LISFLOOD (JRC)

Extern – Teilgebietez.B.: ArcEGMO (BAH) – Havel/Spree,

Schwarze Elster, Mulde…


Verfügbare Modelle -BAGLUVA

Ziel:Wasserbilanzmodell zur Berechnung vieljähriger Jahresmittelwerte

Anwendung: Hydrologischer Atlas Deutschland (HAD)Elbe/Labe � Ziel: mit Klimaprojektionen

Datengrundlage:Vieljährige Jahres- und Halbjahresniederschlagshöhen, pot. Verdunstungshöhe, Schneebedeckung, DGM,(Gefälle/Ausrichtung), Landnutzung, Bodenkennwerte(nFK, We), Grundwasserflurabstand

Ergebnisgrößen:Reale Verdunstungshöhe, Abflusshöhe


Vorhandene Modelle -BAGLUVA


Hydrometeorologische Referenzdaten

HYRAS

1951-2006

~ 1 km x 1 km

5 km x 5 km

Tageswerte


Klimaprojektionen

Dynamisches DownscalingEU-FP6: ENSEMBLES

> 17 (23)regionale dynamische Klimamodelle> A1B, 1951-2100 (2050), ERA40> 25 km x 25 km

BMBF-DE: “klimazwei“> ECHAM5-CLM-Consortial (Lauf 1& 2)> A1B, A2, B1, 1961 - 2100> 18 km x 18 km

REMO-UBA, REMO-BfG> ECHAM5- (Lauf 1 & 2)> A1B, A2, B1, 1951 - 2100> 10 km x 10 km

Statistisches Downscaling> z. B. WETTREG, STAR und andere


Single Model Ansatz> Validierung, detailierte Prozessstudien

Multi Model Ansatz> Bandbreite (~ Unsicherheit) zukünftiger Änderungen

Bewertung und gezielte Auswahl von Klima- und Abflussprojektionen

> Anwendung für wasserwirtschaftliche Klimafolgenforschung & Anpassungsstrategien

Vulnerabilitätsanalysen und Anpassungsoptionen

Klima- und Abflussszenarien


Zusammenfassung und Ausblick

Welche WH-Modelle sind bereits vorhanden?> Gesamtgebiet/Teilgebiete?> Beschaffungs-/Aktivierungsaufwand?

Welche Qualitäten haben die Modelle (Kalibrierungs-undValidierungsstrategie)?

> Abgebildete Prozesse > Berücksichtigung von Landnutzugsszenarien> Auflösung (zeitlich/räumlich)> Berücksichtigung anthropogener Maßnahmen

WasserbewirtschaftungsmodelleGibt es ein Idealmodell?Inbetriebnahme & Erweiterung der vorhandenen ModelleWH-Modellvielfalt ist unbedingt erforderlichEnsembleansatz (Klimaprojektionen) ist notwendige Voraussetzung zur Ableitung von Klima- und Abflussszenarien


Vielen Dank für Ihre AufmerksamkeitPeter KraheBundesanstalt für Gewässerkunde, KoblenzAm Mainzer Tor 156068 Koblenz

Tel.: 0261/1306-5234, Fax: 0261/1306-5280E-Mail: [email protected]

Documents

Herausforderungen und Perspektiven der hydrologischen ... · PDF filePeter Krahe Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz Am Mainzer Tor 1 56068 Koblenz Tel.: 0261/1306-5234, Fax: