Die Modellierung aller auf der gesamten Einzugsgebietsebene relevanten Abflussbil-dungsprozesse ist unter aktuellen Fragestellungen unumgänglich. Ziel dieser Arbeit ist die quantitative Analyse und Abbildung der Wechselwirkungen zwischen Oberflächen- und Grundwasser mit Hilfe von gekoppelten Modellen, die vor allem bei der Simulation von Wassermangelsituationen eine wesentliche Rolle spielen. Dazu wurden die notwendigerweise zu berücksichtigenden Prozesse und die Anforderungen seitens der Modellierung diskutiert. Es wurde herausgestellt, dass Rückkopplungen und Wechselwirkungen einerseits zwischen Grund- und Oberflächengewässer, andererseits zwischen Grund- und Bodenwasser unter Einbeziehung der saisonal wechselnden Vegetationswirkung im Modell berücksichtigt werden müssen. Aus einer großen Modellvielzahl wurde das Modellierungssystem ArcEGMO-PSCN-ASM als geeignet ausgewählt und für diese Fragestellung weiterentwickelt. Die Interaktionen zwischen Oberflächen- und Grundwasser wurden anhand verschiedener Modellsimulationen analysiert. Der Austausch zwischen Fließgewässer und Grundwasser, sowie die Rückwirkung der Grundwasserstände auf das Oberflächenwasser zeigte den größten Einfluss auf die Modellergebnisse. Die Wasserstandsdynamik in den Fließgewässern und der Kapillaraufstieg zeigten nur lokale Effekte. Die Praxistauglichkeit des gekoppelten Modells wurde in zwei Fallbeispielen getestet, die sich mit verschiedenen Lösungen zur Bekämpfung von Wassermangelsituationen beschäftigen. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen deutlich, dass mit Hilfe des gekoppelten Modells Bewirtschaftungsmaßnahmen im Gewässer selbst sowie im ober- und unterirdischen Einzugsgebiet adäquat abgebildet und quantitative Aussagen mit einer hohen Praxisrelevanz gewonnen werden können. Diese Arbeit leistet damit sowohl einen wissenschaftlichen Beitrag zum Modellverständnis als auch den Nachweis einer praktikablen Modellanwendung in unterschiedlichen Einzugsgebieten. / The modeling of all relevant runoff processes in a catchments area is indispensable considering the actual questions (like Water Framework Directive and climatic change). This investigation aims the quantitative analysis and demonstration of surface- and subsurface water interactions, which are relevant for simulating northeastern German regions with water scarcity, by using coupled models. Therefore processes, which necessarily must be considered, and requirements on the part of the modeling, were discussed. It was exposed / presented that feedbacks and interactions of surface water and subsurface water on one hand and (oder besser: as well as?) groundwater and soil water including seasonal vegetation development on the other hand must be considered in the model. The modeling system ArcEGMO-PSCN-ASM was chosen / selected out of a huge amount of models as appropriate for this task. It was further adopted / developed to this task in co-operation with Dr. Pfützner (BAH-Berlin). The interactions of surface water and groundwater where analyzed by various simula-tions. The exchange between stream water and groundwater as well as the feedback of groundwater levels to surface water had the most influence to the model results. Dynamic stream water levels and capillary rise had only local effects and low impact on the catchments average. The suitability for practical use of this coupled model where tested at two sample areas, with various solutions to deal with water scarcity. The model results illustrate clearly that using coupled models water management treatments as well in the river itself as in surface and subsurface catchment areas can be shown adequately and quantitative statements with a high practice relevance can be achieved. The results of the present study contribute both a scientific contribution to the model understanding and the proof of a practicable application of models in different catchment areas.

Die Untersuchung von Klimaszenarien ergab, dass die Grundwasserneubildung in Nordostdeutschland abnehmen könnte. Um Süßgewässer zu erhalten müssen neue Strategien entwickelt werden. Im Gebiet des Lietzengrabens wird Klarwasser eingeleitet, um Feuchtgebiete und Seen zu erhalten. Diese Strategie wurde durch eine Szenarioanalyse erarbeitet, die sich auf das hydrologische iterative Modell ArcEGMO-ASM stützte. In dieser Arbeit wurde das voll integrierte Modell HydroGeoSphere genutzt, um den Fluss von Wasser an der Oberfläche und im Untergrund zu simulieren. Basierend auf dieser Simulation wurden Fließpfade und Aufenthaltszeiten abgeschätzt. Die Ergebnisse beider Modelle wurden analysiert und verglichen. Mit beiden Modellen war es möglich, die Abfluss- und Grundwasserdynamiken im Einzugsgebiet zu reproduzieren. Bei der Anwendung von HydroGeoSphere fehlten Möglichkeiten zur Berücksichtigung von z.B. Schneefall und Wehren, welche in ArcEGMO-ASM vorhanden sind. Die Kalibrierung des Modells lieferte Parameterwerte, die eine Reproduktion der Dynamiken erlaubten. Allerdings könnte HydroGeoSphere nur eingeschränkt nutzbar sein, da die Werte teils unrealistisch waren. HydroGeoSphere ermöglichte aber die Abschätzung von unterirdischen Fließpfaden und Aufenthaltszeiten. Weiter wurde der Austritt von Grundwasser in einen Bachabschnitt durch Messungen bestimmt und mit Simulationsergebnissen verglichen. Keines der Modelle war geeignet, die räumlichen Muster auf dieser Skala zu reproduzieren. Die simulierten Exfiltrationsraten wichen von den beobachteten ab. Der Vergleich von ArcEGMO-ASM und HydroGeoSphere zeigte die Vorteile und Grenzen der Modelle auf. Der Einsatz von HydroGeoSphere bei Untersuchungen von Bewirtschaftungsstrategien macht sich noch nicht bezahlt, vergleicht man den Aufwand mit den Vorteilen. Da HydroGeoSphere weiterentwickelt wird und die Rechenkapazitäten zunehmen, könnte das Modell in der nahen Zukunft in der Praxis nutzbar sein. / Analysis of climatic scenarios for North-East Germany showed that groundwater recharge could decline. In order to sustain freshwaters, new strategies must be developed. At the Lietzengraben catchment treated wastewater is discharged to sustain wetlands and lakes in the catchment. This management strategy was developed previously by scenario analysis, performed by the hydrological iterative model ArcEGMO-ASM. In this work, the fully integrated model HydroGeoSphere was used to simulate the surface and subsurface water flow in the catchment. Based on the simulation results, flow paths and residence times were estimated. The results of the simulations by both models were investigated and compared. It was possible to reproduce the catchment dynamics regarding discharge and groundwater heads reasonably well with both models. The application of HydroGeoSphere was limited due to the inability of the model to represent features like snowfall and weirs, which are represented in ArcEGMO-ASM. The calibrated parameter values enabled the model to reproduce the catchment dynamics reasonably well. HydroGeoSphere may be limited in its use since the obtained values are partially unrealistic. HydroGeoSphere allowed the approximation of subsurface flow paths and residence times. The exfiltration of groundwater to a stream reach was estimated by measurements and compared to simulation results. Both models were not able to reproduce the spatial patterns on a sub-reach scale and the calculated exfiltration rates did not match the observed rates. The comparison of ArcEGMO-ASM and HydroGeoSphere showed the advantages and limitations of both models. Comparing the overall additional effort to the benefits, however, the application of HydroGeoSphere to investigations regarding management strategies or scenario analyses may not pay off. Since HydroGeoSphere is under steady development and computational resources improve, the use of HydroGeoSphere may be applicable in the near future.

Die Schriftenreihe informiert über die Fortschreibung des Projektes „Klimawandel und Wasserhaushalt in Sachsen“ (KlIWES-2.0) mit einem weiterentwickelten ARCEGMO- Modell- Konzept. Zunächst erfolgte eine Neuberechnung des IST- Wasserhaushaltes bis 2015. Ergänzend wurden mit acht ausgewählten WEREX-VI- Klima- Realisierungen künftige Wasserhaushalts- Entwicklungen (bis 2100) modelliert. Die Ergebnisse zeigen überwiegend ein weiter abnehmende Abfluss- Dargebots- Entwicklung in den Gewässereinzugsgebieten. Über das neue Anwendungs- Tool „KliWES-2.0“ sind die Ergebnisse im „Wasserhaushaltsportal Sachsen“ für einen breiten Nutzerkreis auch webbasiert verfügbar. Redaktionsschluss: 10.06.2022

This thesis describes the conception and implementation of the hydrological model ArcEGMO-URBAN and its application to the basin of the Havel river in north-eastern Germany. The model has been developed in order to make up the balance of nitrogen and phosphorus inputs from point sources in urban areas on the scale of river basins. The nutrient input can be calculated with a high spatial resolution and according to its seasonal variation. At the same time, the impact of the rainfall on the nutrient input is being focused on in this project. ArcEGMO-URBAN models rainfall-runoff processes and pollution-transport processes in urban areas taking natural, technological and social parameters into consideration. Input data are meteorological and terrestrial data with a high spatiotemporal resolution as well as statistic data on the scale of municipalities. The digitally available spatial data are being analysed with GIS functions before the actual modelling and later merged to areas with similar attributes. Technological and social parameters are assigned to these areas which were derived from statistic data. The diversity of the input data and their high spatial resolution allow for the description of relevant processes differentiated on the scale of urban patches. The model considers different urban water technologies and their determined matter fluxes as well as different sewer systems. With regard to rainfall-runoff processes the following sub-processes are considered for this model: the runoff-generation and runoff-concentration on sealed surfaces, the runoff-transformation and combination with the dry weather flow in the sewer system, and the split-up of the runoff in retention tanks and waste water treatment plants. Referring to pollution-transport processes the following sub-processes are taken into account: the atmospheric pollution and surface pollution dependent on the type of land use, and the matter transport in the sewer system. The sub-processes of matter accumulation and matter erosion on the land surface can be calculated by using mean values of pollution or, more detailed, by using special functions for processes of accumulation as well as erosion. In order to guarantee an easy application, the model's conception allows the use of input data and parameters of varying accuracy. Both, either measurements or statistical data can be used for the calculation dependent on the available data. The model is programmed in "C" and, therefore, usable on every established computer system. The model's validation succeeds for several sub-processes as well as sub catchments. Results of the model's application in the basin of the Havel river illustrate that the model calculates similar annual matter loads when compared to established other models. Furthermore, the results show the potential of the model to calculate the seasonal variation of matter loads and to calculate scenarios by using GIS based parameters. ArcEGMO-URBAN therefore is a capable tool for the identification of nutrient input from point sources on the scale of river catchments. / Diese Arbeit beschreibt die Konzeption und Realisierung des Modells ArcEGMO-URBAN sowie die Modellanwendung im Flussgebiet der Havel. ArcEGMO-URBAN wurde entwickelt um die punktuell in Gewässer eingetragenen Frachten von Gesamtstickstoff und Gesamtphosphor aus urbanen Räumen auf der Ebene von Flussgebieten zu bilanzieren. Die Nährstoffeinträge werden mit einer hohen räumlichen Auflösung und in ihrer innerjährlichen Dynamik berechnet, wobei der Einfluss des Niederschlagsgeschehens auf die Stoffeinträge besonders thematisiert wird. ArcEGMO-URBAN modelliert die Niederschlags-Abfluss- und die Schmutz-Transport-Prozesse in urbanen Räumen unter Berücksichtigung von naturräumlichen, technologischen und sozialen Parametern. Eingangsgrößen sind meteorologische und terrestrische Daten mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung sowie statistische Angaben auf Gemeindeebene. Die digital vorliegenden Flächendaten werden vor der Modellierung mittels GIS-Funktionen ausgewertet und zu Flächen mit gleichen Eigenschaften zusammengefasst. Diesen Flächen werden technologische und soziale Parameter zugeordnet, welche aus den statistischen Angaben abgeleitet wurden. Durch die hohe inhaltliche und räumliche Auflösung der Eingangsdaten können relevante Prozesse teilflächendifferenziert beschrieben werden. Es können sowohl unterschiedliche Wasserver- und -entsorgungstechnologien und die durch sie induzierten Stoffströme als auch unterschiedliche Kanalisationsverfahren berücksichtigt werden. Bezogen auf den Niederschlags-Abfluss-Prozess werden die Abflussbildung und Abflusskonzentration auf befestigten Flächen, die Abflusstransformation und Überlagerung mit dem Trockenwetterabfluss im Kanalnetz und die Abflussaufteilung an Sonderbauwerken bzw. Kläranlagen berechnet. Für die Berücksichtigung der Stoff-Transport-Prozesse werden die durch die Atmosphäre und spezifische Nutzungen bedingten Stoffeinträge sowie der durch die Kanalisation bestimmte Stofftransport berechnet. Die auf der Oberfläche stattfindenden Teilprozesse von Stoffakkumulation und -abtrag können über mittlere Verschmutzungswerte oder detailliert über Akkumulations- und Abtragsfunktionen berechnet werden. Um ein weites Anwendungsspektrum zu gewährleisten, ist das Modell so konzipiert, dass eine Parametrisierung mit Eingangsdaten unterschiedlicher Qualität möglich ist. Abhängig von der verfügbaren Datenbasis werden entweder konkrete Messwerte oder statistische Größen verwendet. Das Programm ist in "C" programmiert und damit auf jeder Rechnerarchitektur lauffähig. Die Validierung des Modells gelingt für einzelne Teilprozesse aber auch für Teilgebiete gut. Die Ergebnisse im Flussgebiet der Havel belegen, dass das Modell ähnliche jährliche Nährstofffrachten wie bereits eingeführte Modelle berechnet. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse das Potenzial des Modells, die innerjährliche Dynamik punktueller Stoffeinträge abzubilden und durch die GIS-gestützte Parametrisierung aufwandsarm Szenarien zu berechnen. Damit ist ArcEGMO-URBAN ein geeignetes Modell zur Bestimmung von Nährstoffeinträgen aus punktuellen Quellen auf der Ebene von Flussgebieten.

This thesis describes the conception and implementation of the hydrological model ArcEGMO-URBAN and its application to the basin of the Havel river in north-eastern Germany. The model has been developed in order to make up the balance of nitrogen and phosphorus inputs from point sources in urban areas on the scale of river basins. The nutrient input can be calculated with a high spatial resolution and according to its seasonal variation. At the same time, the impact of the rainfall on the nutrient input is being focused on in this project. ArcEGMO-URBAN models rainfall-runoff processes and pollution-transport processes in urban areas taking natural, technological and social parameters into consideration. Input data are meteorological and terrestrial data with a high spatiotemporal resolution as well as statistic data on the scale of municipalities. The digitally available spatial data are being analysed with GIS functions before the actual modelling and later merged to areas with similar attributes. Technological and social parameters are assigned to these areas which were derived from statistic data. The diversity of the input data and their high spatial resolution allow for the description of relevant processes differentiated on the scale of urban patches. The model considers different urban water technologies and their determined matter fluxes as well as different sewer systems. With regard to rainfall-runoff processes the following sub-processes are considered for this model: the runoff-generation and runoff-concentration on sealed surfaces, the runoff-transformation and combination with the dry weather flow in the sewer system, and the split-up of the runoff in retention tanks and waste water treatment plants. Referring to pollution-transport processes the following sub-processes are taken into account: the atmospheric pollution and surface pollution dependent on the type of land use, and the matter transport in the sewer system. The sub-processes of matter accumulation and matter erosion on the land surface can be calculated by using mean values of pollution or, more detailed, by using special functions for processes of accumulation as well as erosion. In order to guarantee an easy application, the model's conception allows the use of input data and parameters of varying accuracy. Both, either measurements or statistical data can be used for the calculation dependent on the available data. The model is programmed in "C" and, therefore, usable on every established computer system. The model's validation succeeds for several sub-processes as well as sub catchments. Results of the model's application in the basin of the Havel river illustrate that the model calculates similar annual matter loads when compared to established other models. Furthermore, the results show the potential of the model to calculate the seasonal variation of matter loads and to calculate scenarios by using GIS based parameters. ArcEGMO-URBAN therefore is a capable tool for the identification of nutrient input from point sources on the scale of river catchments. / Diese Arbeit beschreibt die Konzeption und Realisierung des Modells ArcEGMO-URBAN sowie die Modellanwendung im Flussgebiet der Havel. ArcEGMO-URBAN wurde entwickelt um die punktuell in Gewässer eingetragenen Frachten von Gesamtstickstoff und Gesamtphosphor aus urbanen Räumen auf der Ebene von Flussgebieten zu bilanzieren. Die Nährstoffeinträge werden mit einer hohen räumlichen Auflösung und in ihrer innerjährlichen Dynamik berechnet, wobei der Einfluss des Niederschlagsgeschehens auf die Stoffeinträge besonders thematisiert wird. ArcEGMO-URBAN modelliert die Niederschlags-Abfluss- und die Schmutz-Transport-Prozesse in urbanen Räumen unter Berücksichtigung von naturräumlichen, technologischen und sozialen Parametern. Eingangsgrößen sind meteorologische und terrestrische Daten mit einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung sowie statistische Angaben auf Gemeindeebene. Die digital vorliegenden Flächendaten werden vor der Modellierung mittels GIS-Funktionen ausgewertet und zu Flächen mit gleichen Eigenschaften zusammengefasst. Diesen Flächen werden technologische und soziale Parameter zugeordnet, welche aus den statistischen Angaben abgeleitet wurden. Durch die hohe inhaltliche und räumliche Auflösung der Eingangsdaten können relevante Prozesse teilflächendifferenziert beschrieben werden. Es können sowohl unterschiedliche Wasserver- und -entsorgungstechnologien und die durch sie induzierten Stoffströme als auch unterschiedliche Kanalisationsverfahren berücksichtigt werden. Bezogen auf den Niederschlags-Abfluss-Prozess werden die Abflussbildung und Abflusskonzentration auf befestigten Flächen, die Abflusstransformation und Überlagerung mit dem Trockenwetterabfluss im Kanalnetz und die Abflussaufteilung an Sonderbauwerken bzw. Kläranlagen berechnet. Für die Berücksichtigung der Stoff-Transport-Prozesse werden die durch die Atmosphäre und spezifische Nutzungen bedingten Stoffeinträge sowie der durch die Kanalisation bestimmte Stofftransport berechnet. Die auf der Oberfläche stattfindenden Teilprozesse von Stoffakkumulation und -abtrag können über mittlere Verschmutzungswerte oder detailliert über Akkumulations- und Abtragsfunktionen berechnet werden. Um ein weites Anwendungsspektrum zu gewährleisten, ist das Modell so konzipiert, dass eine Parametrisierung mit Eingangsdaten unterschiedlicher Qualität möglich ist. Abhängig von der verfügbaren Datenbasis werden entweder konkrete Messwerte oder statistische Größen verwendet. Das Programm ist in "C" programmiert und damit auf jeder Rechnerarchitektur lauffähig. Die Validierung des Modells gelingt für einzelne Teilprozesse aber auch für Teilgebiete gut. Die Ergebnisse im Flussgebiet der Havel belegen, dass das Modell ähnliche jährliche Nährstofffrachten wie bereits eingeführte Modelle berechnet. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse das Potenzial des Modells, die innerjährliche Dynamik punktueller Stoffeinträge abzubilden und durch die GIS-gestützte Parametrisierung aufwandsarm Szenarien zu berechnen. Damit ist ArcEGMO-URBAN ein geeignetes Modell zur Bestimmung von Nährstoffeinträgen aus punktuellen Quellen auf der Ebene von Flussgebieten.