Universiẗat, Diss., 2004--Jena.

Universiẗat, Diss., 2004--Jena.

Universiẗat, Diss., 2004--Freiburg (Breisgau).

In der Habilitationsschrift sind die Ergebnisse einer über 20-jährigen Entwicklungstätigkeit zusammengefasst, die zum Deponie- und Haldenwasserhaushaltmodell BOWAHALD geführt haben. Beim Modell BOWAHALD handelt es sich um ein anwendungsorientiertes Mehrschichtenboxmodell, das die wesentlichen in Oberflächensicherungen ablaufenden hydrologischen Prozesse quantifiziert. Die Hauptanwendungsbereiche des Modells BOWAHALD sind Wasserhaushaltsuntersuchungen zum Istzustand einer Halde bzw. Deponie, Planungsszenarien in Bezug auf die wasserhaushaltliche Optimierung einer Oberflächensicherung, Sickerwasserprognosen von Halden-/Deponieflaechen, Beurteilung der Chancen für eine ausreichende Vegetationsentwicklung sowie eine qualitative Einschätzung der Langzeitbeständigkeit vorhandener bzw. zu planender Sicherungsmaßnahmen. Mit dem Modell BOWAHALD liegt ein hierfür praktikables Instrumentarium vor, das den Nutzer in die Lage versetzt, mit vertretbarem Aufwand bezüglich Daten- und Parameterhandling anwendungsorientierte Lösungen zu erarbeiten. Zahlreiche Modellanwendungen für die verschiedensten wasserhaushaltlichen Problemstellungen, die mit Oberflächensicherungen im Zusammenhang stehen, belegen dies und sind mit Sicherheit ein wesentlicher Grund dafür, dass das Modell BOWAHALD insbesondere in Sachsen eine weite Verbreitung und Anerkennung gefunden hat.

Das Projekt KliWES untersucht die Auswirkungen der prognostizierten Klimaänderungen auf den Wasser- und Stoffhaushalt in den Einzugsgebieten sächsischer Gewässer. Teil 1 beinhaltet die Erstellung flächendeckender und homogener Datengrundlagen und die Berechnung des Ist-Zustands des Wasserhaushalts mit dem Differenzenganglinienanalyseverfahren DIFGA. Ein umfangreicher Test der Wasserhaushaltsmodelle AKWA-M®, ArcEGMO, MIKE SHE und WaSiM-ETH bestätigte die prinzipielle Eignung aller vier Modelle für die sachsenweite Anwendung. Die vier Modelle wurden anhand definierter, unterschiedlich gewichteter Testkriterien verglichen und bewertet. Im Ergebnis wurde aufgrund geringfügiger Vorteile dem Modell ArcEGMO der Vorrang gegeben. Um die in KliWES berechneten Wasserhaushaltsdaten einem breiten Nutzerkreis zur Verfügung zu stellen, wurde eine benutzerfreundliche, interaktive Web-Anwendung mit GIS-Anbindung vorbereitet. Die Projektergebnisse sollen künftig in der zentralen Datenbank »Wasserhaushalt und Klimawandel in Sachsen« verwaltet und im Internet unter »Wasserhaushaltsportal Sachsen« abgerufen werden können.

Nebel, Tau, Reif, Raureif und Raufrost können mit den üblichen Verfahren der Niederschlagsmessung nicht erfasst werden. Dies ist besonders in der Erzgebirgsregion problematisch. Es wurde daher eine Niederschlagskorrektur für Sachsen erarbeitet. Mit dieser Methode kann der abgesetzte bzw. abgefangene Niederschlag quantifiziert und ein bilanzreiner Wasserhaushalt berechnet werden. Die nebelkorrigierten Daten stehen im Wasserhaushaltsportal Sachsen zur Verfügung. Die Untersuchung erfolgte im Rahmen des Projektes KliWES – Klimawandel und Wasserhaushalt.

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Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Wasserhaushaltsprozesse und Stofftransportvorgänge innerhalb der grundwassergeprägten Talauenlandschaften von Tieflandeinzugsgebieten am Beispiel der im Nordostdeutschen Tiefland gelegenen Havel. Die Arbeiten in verschieden skaligen Teileinzugsgebieten der Havel beschäftigen sich dabei zum einen mit der experimentellen Untersuchung und vorrangig qualitativen Beschreibung der Wasserhaushaltsdynamik, zum anderen mit der Entwicklung eines zur quantitativen Analyse von Wasserhaushalts- und Stofftransportprozessen geeigneten Modells und der anschließenden Modellsimulation von Wasserhaushalt und Stickstoffmetabolik im Grundwasser sowie der Simulation von Landnutzungs- und Gewässerstrukturszenarien.<br><br> Für die experimentelle Untersuchung der Abflussbildung und der Wasserhaushaltsprozesse in den Talauenlandschaften des Haveleinzugsgebiets wurde Einzugsgebiet der &#8221;Unteren Havel Niederung&#8220; ein umfangreiches Messnetz installiert. Dabei wurden an mehreren Messstationen und Pegeln meteorologische Parameter, Bodenfeuchte sowie Grundwasserstände und Abflüsse beobachtet. Die Analyse der Messergebnisse führte zu einem verbesserten Verständnis von Wasserhaushaltsprozessen in der durch das oberflächennahe Grundwasser und die Oberflächengewässerdynamik beeinflussten Talauenzone. Darüber hinaus konnten durch die Implementierung der Messergebnisse konsistente Anfangs- und Randbedingungen für die Wasserhaushalts- und Grundwassermodellierung im Modellkonzept IWAN realisiert werden. Mit dem Modell IWAN (Integrated Modelling of Water Balance and Nutrient Dynamics) wurde ein Werkzeug geschaffen, welches die Berücksichtigung spezifischer hydrologischer Eigenschaften von Tieflandauen, wie z. B. den Einfluss des oberflächennahen Grundwassers bzw. der Dynamik von Oberflächenwasserständen auf den Wasserhaushalt, ermöglicht. Es basiert auf der Kopplung des deterministischen distribuierten hydrologischen Modells WASIM-ETH mit dem dreidimensionalen Finite-Differenzen-basierten Grundwassermodel MODFLOW. Die Modellierung der Stickstoffmetabolik im Grundwasser erfolgt durch das mit Grundwassermodell gekoppelte Stofftransportmodel MT3D. Zur modellbasierten Simulation des Wasserhaushalts der Tieflandauenlandschaften wurde das Modellkonzept IWAN für verschieden skalige Teileinzugsgebiete an der Havel für Simulationszeiträume von 2 Wochen bis zu 13 Jahren angewandt. Dabei wurden die Teilmodelle für Wasserhaushalts- und Grundwassermodellierung in zwei unterschiedlichen Teileinzugsgebieten der &#8221;Unteren Havel Niederung&#8220; kalibriert. Die anschließende Validierung erfolgte für das gesamte Einzugsgebiet der &#8221;Unteren Havel&#8220;. Die Unsicherheiten des Modellansatzes sowie die Anwendbarkeit des Modells im Untersuchungsraum wurden geprüft und die Limitierung der Übertragbarkeit auf andere grundwasserbeeinflusste Tieflandeinzugsgebiete analysiert. Die Ergebnisse der Wasserhaushaltssimulationen führen einerseits zum erweiterten Prozessverständnis des Wasserhaushalts in Flachlandeinzugsgebieten, andererseits ermöglichten sie durch die Quantifizierung einzelner Prozessgrößen die Beurteilung der Steuerungsfunktion einzelner Wasserhaushaltsprozesse. Auf der Basis lokaler Simulationsergebnisse sowie geomorphologischer und gewässermorphologischer Analysen wurde ein Algorithmus entwickelt, welcher die Abgrenzung des direkten Eigeneinzugsgebiets der Havel als Raum der direkten Interaktion zwischen Oberflächengewässer und umgebendem Einzugsgebiet beschreibt. Durch Simulation des Wasserhaushalts im Eigeneinzugsgebiet mit dem Modell IWAN konnten die Interaktionsprozesse zwischen Fluss und Talauenlandschaft quantitativ beschrieben werden. Dies ermöglichte eine Bewertung der Abflussanteile aus dem Eigeneinzugsgebiet sowie eine Quantifizierung der zeitlich variablen Retentionskapazität der Auenlandschaft während Hochwasserereignissen. Zur Abschätzung des Einflusses veränderter Landnutzung und angepassten Managements auf den Wasserhaushalt der Talaue wurden Szenarien entwickelt, welche Änderungen der Landnutzung sowie der Gewässergeometrie implizieren. Die Simulation des Wasserhaushalts unter jeweiligen Szenariobedingungen ermöglichte die detaillierte Analyse sich ändernder Randbedingungen auf den Gebietswasserhaushalt und auf die Austauschprozesse zwischen Grundwasser und Oberflächengewässer. Zur Untersuchung der Stickstoffmetabolik im Grundwasser der Talauenlandschaft wurde das im Modellkonzept IWAN integrierte Stofftransportmodell MT3D für das Eigeneinzugsgebiet der Havel angewandt. Dies ermöglichte eine Bilanzierung der aus dem Grundwasser des Eigeneinzugsgebiets stammenden Nitratfrachtanteile der Havel sowie von Nitratkonzentrationen im Grundwasser. Szenariensimulationen, welche verminderte Nitrateinträge aus der durchwurzelten Bodenzone annehmen, ermöglichten die Quantifizierung der Effizienz von Managementmaßnahmen und Landnutzungsänderungen in Hinblick auf die Minimierung von Einträgen in Grundwasser und Oberflächengewässer. / For a sustainable management of lowland river basins, a comprehensive knowledge about floodplain water balance and nutrient transport processes is required. This investigation aims to analyse water balance processes and nutrient dynamics and transport within the groundwater influenced floodplains of lowland areas. Thus, the investigation was focused on the Havel river catchment at the Northeast German Lowlands, which is a typical example of a lowland floodplain. Experimental investigations were performed at different spatial scales for qualitative analysis of water balance. The complex model IWAN was developed which enables the simulation and quantitative analysis of water balance and nutrient dynamics. Furthermore it allows the scenario based simulation and analysis of changing landuse management and boundary conditions.<br><br> For experimental investigation of runoff generation and water balance processes within the floodplains of the Havel river an extensive measurement campaign was installed at several testsites of the 198 km2 catchment of the &#8220;Lower Havel river basin&#8220;. These testsites include stations and gauges for the observation of meteorological parameters, soil moisture, groundwater depths and river runoff. Analysis of the observed data led to an improved understanding of water balance processes within the specific part of the floodplain which is influenced by the dynamics of the uppermost groundwater and by the surface water dynamics. Furthermore the implementation of the observed data within the model concept realised the consistent definition of time variable, spatial distributed initial and boundary conditions. The IWAN model was developed as a tool which implements the speci- fic hydrological characteristics of floodplains within the concept of modelling water balance and nutrient dynamics. It is based on the coupling of the distributed deterministic hydrological model WASIM-ETH with the three-dimensional finite difference based numerical groundwater model MODLFOW. Simulation of the metabolism of nitrogen within the groundwater passage was realised by the nutrient transport model MT3D which was coupled with the groundwater model. For model based simulation of the water balance within lowland river floodplains the IWAN model was applied for different scaled subcatchments of the Havel river with varying sizes from 2 to 1000 km2 and simulation periods from 2 weeks up to 13 years. Calibration of the model was performed for two different sized subcatchments of the &#8220;Lower Havel river basin&#8220;. The subsequent validation of the model focused on the entire &#8220;Lower Havel river basin&#8220;. Uncertainties of the model approach and the limited applicability and transferability for further groundwater influenced floodplain landscapes were analysed. The results of the water balance simulations led to an improved understanding of the processes and dynamics within floodplains. It furthermore enabled the quantification and impact analysis of certain processes and interactions. Based on local simulation results and on the analysis of surface and groundwater morphology an algorithm was developed which was used for delineation of the direct catchment of the Havel river. This direct catchment is specified as the part of the floodplain which is characterised by the direct interaction between river and adjacent catchment. Water balance simulations with the IWAN model in the direct catchment led to the quantification of interaction processes between river and floodplain. This enabled the assessment of the runoff fraction from the direct catchment during the ecologically sensitive low flow periods in summer and of the retention capacity of the floodplain during flood events. For the evaluation of the influences of alternative landuse management on the water balance within floodplains, complex scenarios were developed which implemented alterations of landuse or changes of surface water geometries and drainage structures. Simulation of water balances for each scenario allowed the detailed analysis of changing boundary conditions on the floodplain water balance and on the interaction processes between groundwater and river. Modelling nitrogen metabolism within the groundwater: For investigation of the nitrogen metabolism within the groundwater of floodplains the nutrient transport and dynamics model MT3D, which considers also interactions between groundwater and surface waters, was integrated in the IWAN concept. The model was applied for the simulation of nitrate dynamics within the direct catchment of the Havel river.With this approach, the nitrate loads between groundwater and river could be quantified. In addition, nitrate concentrations within the groundwater were analised in dependence of surface water dynamics. Scenario simulations, assuming a decrease of incoming nitrate loads from the root zone, caused by landuse techniques, led to the quantification of the efficiency of landuse changes and advanced management strategies to inhibit pollution of groundwater and surface waters.

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