Die Modellierung von komplexen Systemen, wie dem Untergrund, ist ein Hilfsmittel zur Beschreibung der in der Realität ablaufenden Prozesse. Die Durchführung von Experimenten an einem Modell, um qualitative Aussagen über ein reales System zu erhalten, wird als Simulation bezeichnet. Dabei können vielfältige Modelle, wie z.B. physikalische und mathematische, zum Einsatz kommen. Die ungesättigte Bodenzone (vadose Zone) bezeichnet den Bereich zwischen der Landoberfläche und dem Grundwasserspiegel, innerhalb dessen der Wassergehalt geringer als bei Vollsättigung, und der Druck geringer als der Atmosphärendruck ist. Dieser Bodenbereich hat für die Landwirtschaft, Geobiologie, aerobe Abbauprozesse und Grundwasserneubildung eine große Bedeutung. Für die Nachbildung von Strömungs- und Stofftransportprozessen der ungesättigten Bodenzone existieren numerische Simulationsprogramme. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine umfangreiche Validierung des Programms PCSiWaPro® (entwickelt an der TU-Dresden, Institut für Abfallwirtschaft und Altlasten) für unterschiedliche Anwendungsfälle. Ein weiteres Ziel der Arbeit besteht in der Untersuchung der Anwendbarkeit des aktuellen Stands des Simulationsprogramms PCSiWaPro® auf unterschiedliche Praxisfälle bei Kombination der ungesättigten Bodenzone mit technischen Anlagen. Vier Anwendungsfälle mit unterschiedlichen Zielen wurden dafür im Rahmen dieser Arbeit untersucht: die Simulation von dezentraler Abwasserversickerung (Kleinkläranlage - KKA) anhand entsprechender Säulen- und Feldversuche, die Berechnung der Grundwasserneubildung am Beispiel von Lysimetern, der Wasserhaushalt von Erddämmen und die Modellierung von Deponieabdeckungssystemen. Die Anwendungsfälle unterscheiden sich durch den Zweck der Simulation, die Geometrie, die Größe, die festgelegten Anfangs- und Randbedingungen, die Simulationszeit, die Materialien, das Koordinatensystem sowie die Ein- und Ausgabewerte. Die Simulationsergebnisse konnten eindeutig zeigen, dass das Programm PCSiWaPro® für alle im Rahmen der vorliegenden Arbeit untersuchten Fälle, mit unterschiedlichen Strömungsregimen, Stofftransport-Parametern, Randbedingungen, Koordinatensystemen sowie Raum- und Zeitdiskretisierungen anwendbar ist. Die Simulationsergebnisse der Säulenversuche am Beispiel dezentraler Abwasserversickerung zeigten eine sehr gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und mittels PCSiWa-Pro® berechneten Werten des Wasser- und Stoffhaushaltes (Druckhöhe, Abfluss und Stoff-konzentration) der untersuchten Bodentypen B3 (schwachschluffiger Sand), B4 (Grobsand) und B5 (mittelschluffiger Sand). Die Wurzel des mittleren quadratischen Fehlers (RMSE) betrug für die Berechnung der Druckhöhe 1,84 cm bei B5, 3,61 cm bei B3 und 1,27 cm bei B4. Die relative Abweichung betrug für die Berechnung der Druckhöhe 2,19 % bei B5, 1,3 % bei B3 und ca. 5,3 % bei B4. Die Durchführung der Sensitivitätsanalyse der für die Modellierung relevanten Parameter zeigte eine sehr hohe Sensitivität der VAN GENUCHTEN-Parameter und der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit des Bodens. Darüber hinaus führten die Parameter nach DIN 4220 und die mithilfe von Pedotransferfunktionen aus Siebanalysen genommenen Parameter zu unterschiedlichen Ergebnissen. Im Rahmen des am Institut für Abfallwirtschaft und Altlasten durchgeführten Projektes EGSIM wurden die Programme SENSIT und ISSOP (in Zusammenarbeit mit DUALIS GmbH IT Solution) entwickelt und zur Parameteridentifikation/-kalibrierung benutzt. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse konnten nachweisen, unter welchen Bedingungen eine Nachklärung des vollbiologisch gereinigten Abwassers innerhalb der Bodenzone möglich ist, so dass am Ort der Beurteilung (Grundwasseroberfläche) kein unzulässiger Schadstoffeintrag erfolgt. In Bezug auf die KKA-Feldmodelle ist die Anwendung des rotationssymmetrischen Koordinatensystems als Voraussetzung der Realität besser zu entsprechen und nicht als Option zu betrachten. Darüber hinaus wurden anhand der Feldmodelle verschiedene Szenarien mit kontinuierlicher und diskontinuierlicher Versickerung sowie zwei unterschiedlich großen Einleitflächen durchgeführt. Das Programm PCSiWaPro® ist sowohl für ungesättigte als auch für variabel-gesättigte porösen Medien anwendbar. Dies wurde im Rahmen der Simulation des Wasserhaushaltes eines Erddamms nachgewiesen. Die durchschnittliche relative Abweichung zwischen gemessenen und mittels PCSiWaPro® berechneten Wasserständen des entsprechenden Beobachtungspunkts im untersuchten Dammkörper lag bei 0,08 % (entspricht 5,8 cm bei einer Müchtigkeit von ca. 70 m) und das Bestimmtheitsmaß (R2) betrug 0,987. Die Simulation des Wasserhaushaltes unterschiedlicher Deponieabdichtungssystemen mittels PCSiWaPro® zeigte im Allgemeinen ein funktionierendes Ableiten des auf Deponien anfallenden Regenwassers (auch bei Starkregenereignissen). Darüber hinaus haben die durchgeführten Bewuchs-Modelle nachweisen können, dass die Vegetation der Deponieoberflächen den Wassergehalt, durch Pflanzenwurzelentzug bzw. Evapotranspiration, reduzieren können. Die Simulationsergebnisse der durchgeführten Szenarien des Wasserhaushaltes von Lysimetern zur prognostischen Berechnung der Grundwasserneubildung mittels PCSiWaPro® konnten nachweisen, dass das Programm für die Berechnung der Grundwasserneubildungsrate für diesen Zweck anwendbar ist. Die relativen Abweichungen der be-rechneten von den gemessenen Grundwasserneubildungsraten sind auf die verwendeten Materialparameter sowie auf Vernachlässigung der möglicherweise in Lysimetern sich befin-denden Makroporen (duale Porosität) zurückzuführen. / The modelling of complex systems such as the underground is a means to describe the processes occurring in the reality. The conducting of experiments on a model to obtain qualitative evidence about a real system is referred to as a simulation. Thereby, various models (e.g. physical and mathematical models) can be used. The unsaturated zone (vadose zone) is the region between the land surface and the water table, in which the water content is less than full saturation, and the pressure is lower than the atmospheric pressure. The unsaturated zone is very significant for agriculture, geobiology, aerobic degradation processes and groundwater recharge. The processes of water flow and solute transport in the unsaturated zone can be described by means of numerical simulation programs. The aim of the present work is a comprehensive validation of the simulation program PCSiWaPro® (developed at the TU-Dresden, Institute of Waste Management and Contaminated Site Treatment) for different applications. Another aim of this work is to investigate the applicability of the current version of PCSiWaPro® for different cases of a combination between the unsaturated zone and technical facilities. Four application cases with different objectives were investigated within the present work, which are: the simulation of decentralized wastewater infiltration with corresponding column and field experiments, the computation of groundwater recharge by means of lysimeters, the water balance of earth dams and the modelling of landfill covering systems. The application cases differ from each other by the objective of the simulation, the geometry, the size, the specified initial and boundary conditions, the simulation time, the applied materials, the coordinate system, the input and output data. The simulation results clearly showed that PCSiWaPro® is applicable for all investigated cases under consideration of different flow and solute transport regimes, parameters, boundary conditions, spatial and temporal discretization, and coordinate systems. The simulation results of the experimental soil columns for the decentralized treated wastewater infiltration case showed a very good agreement between measured and computed values of water and solute balance (pressure head, flow and solute concentration) of the investigated soil types B3 (slightly silty sand), B4 (coarse sand / gravel) and B5 (medium silty sand). The root of the mean squared error (RMSE) for the computation of the pressure head was 1,84 cm at B5, 3,61 cm at B3 and 1,27 cm at B4. The relative deviation in case of pressure head computation was 2,19 % at B5, 1,3 % at B3 and 5,3 % at B4. The implementation of the sensitivity analysis of the relevant parameters for the modelling showed a very high sensitivity of the VAN GENUCHTEN parameters and the saturated hydraulic conductivity of the soil. Moreover, the parameters according to DIN 4220 led to different results than the estimated ones according to pedotransfer methods based on sieve analysis. Within the project EGSIM, which was carried out at the Institute for waste management and contaminated sites treatment in collaboration with DUALIS GmbH IT Solution, the programs SENSIT and ISSOP were developed and used for parameter identification/ calibration. The results obtained in this Work showed under which conditions is a secondary treatment of full biologically treated wastewater in the soil possible, so that no unallowable pollutants entry in the groundwater occurs. With regard to the field models of this application the implementation of the rotationally symmetric coordinate system should be considered as a condition and not as an option for a better corresponding to the reality. Furthermore, different scenarios of the field models were carried out with continuous and discontinuous infiltration, as well as under different initiation areas. PCSiWaPro® could be applied for both unsaturated and variably-saturated porous media. This could be proven by the simulation of the water balance in an earth dam. The average relative deviation between measured and simulated water levels of the corresponding observation point in the investigated dam embankment was 0,08 % (corresponding to 5,8 cm at 70 m thickness) and the coefficient of determination (R2) was 0,987. In general, the simulation of the water balance using PCSiWaPro® of different landfill covering systems showed a successful draining of the falling rainwater (even under heavy rainfall). In addition, the implemented vegetation models have proven that the vegetation of the landfill surface can reduce the water content in the landfill by evapotranspiration and water uptake by roots. The water balance simulation results of the scenarios for the computation of groundwater recharge by means of lysimeters showed that the program is applicable for this case. The relative deviation of the simulated from the measured groundwater recharge rates occur due to the implemented material parameters as well as to the neglect of macro pores effects (dual porosity).

Diss. Univ. Zürich, 2007. / Literaturverz.

Die Bewirtschaftung der knappen Ressource sauberen Wassers setzt das Verständnis der Wasserhaushaltsprozesse voraus. Mit prozessorientierten Modellen können Wasserbilanzen für unterschiedliche Standortbedingungen berechnet werden, wenn die Modelle zuvor an repräsentativen Zeitreihen, die die notwendige hydrologische Information enthalten, kalibriert und die Sensitivität ihrer Parameter analysiert wurden. Am Groß-Lysimeter St. Arnold (Westfalen) werden seit 1966 neben den meteorologischen Parametern tägliche Sickerwasserraten gemessen, die für diesen Zweck hervorragend geeignet sind, weil sie integrale Bilanzgrößen über die je 400m² x 3,50m großen Podsol-Bodenkörper und ihre Vegetationsbestände darstellen. Auf den drei Lysimetern wachsen Gras, ein Eichen-/Buchen- bzw. ein Kiefernbestand. Für die Untersuchung der Wasserhaushaltsprozesse wird das "LYsimeter outFlow and Evapotranspiration model" LYFE, entwickelt. Es verknüpft die Richards-Gleichung mit einem Interzeptionsmodell, das den Niederschlag in Infiltration, Blatt- und Streuinterzeption aufspaltet. Die Evapotranspirations-(ET)-Raten werden alternativ mit der Penman- oder Monteith-Formel berechnet. Die Simulationen vollziehen die gemessenen täglichen Sickerwasserraten aller drei Lysimeter unter den Klimavariabilitäten des gesamten Zeitraums von 34 Jahren nach. Am Graslysimeter ist die Sensitivität der ET-Parameter gering, so dass unterschiedlich aufwendige Methoden zur Bestimmung der bodenhydraulischen Parameter verglichen und bewertet werden können: die statischen Stechzylindermessungen der Retention und gesättigten Leitfähigkeit, der Verdunstungsversuch und verschiedene Pedotransferfunktionen (PTF). Die Simulation mit den Parametern des Verdunstungsversuchs ergeben eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Sickerwasserraten, während die Parameter der statischen Messungen durch die inverse Modellierung mindestens eines Parameters angepasst werden müssen. Von den PTF erzielen die kontinuierliche und die Klassen-PTF von Wösten die besten Übereinstimmungen. Der Wasserhaushalt der Baumbestände wird von der Interzeption dominiert. Dies gilt insbesondere für die Interzeptionsverdunstung im Winterhalbjahr, die die Unterschiedlichkeit der Wasserbilanz von Laub- und Nadelbaumbeständen verursacht. Wenn die ET mit der Penman-Formel berechnet wird, können die Raten der Evaporation und Transpiration nur schlecht abgeschätzt werden und steigen nicht mit dem Wachstum der Bestände. Durch die Verwendung der Monteith-Formel werden diese Probleme behoben. Darüberhinaus zeigt das Modell die unterschiedliche Wirkung von Transpiration und Interzeptionsverdunstung auf den Jahresgang der Sickerwasserraten und ermöglicht so die Angabe ihrer jeweiligen Beiträge zum Wasserhaushalt. Mit dem kalibrierten Modell können die lysimetrischen Messungen auf andere Standorte übertragen werden, um die langfristige Wasserbilanz zeitlich hochaufgelöst zu bestimmen. Daher kann LYFE im Rahmen regionaler Wasserhaushaltsuntersuchungen eingesetzt werden.

Die Veränderungen des Klimas sind heutzutage weitgehend unbestritten. Der urbane Raum ist davon besonders betroffen. Zum einen werden die Klimaänderungen durch die Siedlungsstruktur noch verstärkt und zum anderen sind hier, bedingt durch die Zunahme der Stadtbevölkerung, besonders viele Menschen von den negativen Folgen des Klimawandels betroffen. Ziel aktueller Forschungsarbeit muss es also sein, die Zusammenhänge und Auswirkungen des Klimawandels zu verstehen und dabei die natürlichen Ursachen von den anthropogen induzierten Einflüssen zu trennen. Erst das Verständnis des Zusammenwirkens der verschiedenen Faktoren ermöglicht es, Handlungsempfehlungen abzuleiten, um auf die Folgen der Klimaänderung zu reagieren oder diese zu vermeiden. Die Fernerkundung ermöglicht die flächendeckende Beobachtung klimatischer Veränderungen auf verschiedenen maßstäblichen Ebenen. Die rasante Entwicklung der Satellitentechnologie ermöglicht dabei einen immer detaillierteren Blick auf unsere Erdoberfläche. Diese geometrisch hochaufgelösten Daten bieten die Chance, bestehende Modelle zum Klimawandel, zum Wasserhaushalt oder zur Siedlungsentwicklung zu verdichten und die Konsequenzen des menschlichen Handels auf der Erdoberfläche zu analysieren. Die Aufgabe dieser Arbeit bestand darin, die Einsatzmöglichkeiten geometrisch hochauflösender Fernerkundungsdaten, am Beispiel von IKONOS-Daten, zur Informationsgewinnung für hydrologische Modelle, die im urbanen Raum anwendbar sind, zu prüfen. Dazu wurden zunächst die besonderen klimatischen Bedingungen des urbanen Raumes untersucht. Des Weiteren wurde der Einsatz von Fernerkundungsdaten zur Beobachtung von Klimaparametern untersucht und verschiedene Fernerkundungsmethoden zur Bestimmung der einzelnen hydrologischen Variablen vorgestellt. Für die Modellierung des Energie- und Wasserhaushalts urbaner Räume sind nicht nur geeignete klimatisch-hydrologische Modelle, sondern auch entsprechend verdichtete Inputdaten notwendig. Dies bezieht sich nicht nur auf Parameter wie Niederschlag und Bodenfeuchte, sondern auch auf die Landnutzung. Gerade in urbanen Räumen, deren Flächennutzung häufig sehr heterogen ist und innerhalb kleiner Flächen einem häufigen Wechsel unterliegt, sind besonders detaillierte Informationen zur Landnutzung und zur Oberflächenbedeckung notwendig, um auch für kleinere Gebiete, wie Stadtteile oder Quartiere, valide Aussagen über die klimatischen und hydrologischen Bedingungen treffen zu können. Ausgehend von bereits existierenden hydrologischen Modellen wurde zunächst ein für den urbanen Raum angepasstes Modell vorgestellt und die entsprechenden Anforderungen an den Parameter Landnutzung definiert. Am Beispiel des Untersuchungsgebietes Heidenau konnte gezeigt werden, dass geometrisch hochauflösende Daten, in diesem Fall IKONOS, differenzierte Flächennutzungsinformationen zur Anwendung hydrologischer Modelle im Bezugsraum Stadt bereitstellen können.

Durch die Stilllegung der Kali-Gewinnung und -Produktion zwischen 1990 und 1993 sowie die begonnene Rekultivierung der Kali-Rückstandshalden haben sich die Salzfrachteintragsbedingungen für die Fließgwewässer im "Südharz-Kalirevier" in Thüringen zum Teil deutlich verändert. Aufgrund erheblich geringerer Salzeinträge in die Vorfluter Wipper und Bode ist es möglich geworden, zu einer ökologisch verträglichen Salzfrachtsteuerung überzugehen. Die Komplexität der zugrunde liegenden Stofftransportprozesse im Einzugsgebiet der Wipper macht es jedoch unumgänglich, den Steuerungsvorgang nicht nur durch reine Bilanzierungsvorgänge auf der betrachteten Steuerstrecke zu erfassen (so wie bisher praktiziert), sondern auch die Abflussdynamik im Fließgewässer und den Wasserhaushalt im Gebiet mit einzubeziehen. <br><br> Die Ergebnisse dieser Arbeit dienen zum einen einer Vertiefung der Prozessverständnisse und der Interaktion von Wasserhaushalt, Abflussbildung sowie Stofftransport in bergbaubeeinflussten Einzugsgebieten am Beispiel der Unstrut bzw. ihrer relevanten Nebenflüsse. Zum anderen sollen sie zur Analyse und Bewertung eines Bewirtschaftungsplanes für die genannten Fließgewässer herangezogen werden können. Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung eines prognosetauglichen Steuerungsinstrumentes, das für die Bewirtschaftung von Flusseinzugsgebieten unterschiedlicher Größe genutzt und unter den Rahmenbedingungen der bergbaubedingten salinaren Einträge effektiv zur Steuerung der anthropogenen Frachten eingesetzt werden kann. <br><br> Die Quellen der anthropogen eingeleiteten Salzfracht sind vor allem die Rückstandshalden der stillgelegten Kaliwerke. Durch Niederschläge entstehen salzhaltige Haldenabwässer, die zum Teil ungesteuert über oberflächennahe Ausbreitungsvorgänge direkt in die Vorfluter gelangen, ein anderer Teil wird über die Speichereinrichtungen gefasst und gezielt abgestoßen. Durch Undichtigkeiten des Laugenstapelbeckens in Wipperdorf gelangen ebenfalls ungesteuerte Frachteinträge in die Wipper. Ein weiterer Eintragspfad ist zudem die geogene Belastung. <br><br> Mit Hilfe detaillierter Angaben zu den oben genannten Eintragspfaden konnten Modellrechnungen im Zeitraum von 1992 bis 2003 durchgeführt werden. Durch die Ausarbeitung eines neuartigen Steuerungskonzeptes für das Laugenstapelbecken Wipperdorf, war es nun möglich, die gefasste Haldenlauge entsprechend der aktuellen Abflusssituation gezielt abstoßen zu können. Neben der modelltechnischen Erfassung der aktuellen hydrologischen Situation und der Vorgabe eines Chlorid-Konzentrationssteuerzieles für den Pegel Hachelbich, mussten dabei weitere Randbedingungen (Beckenkapazität, Beckenfüllstand, Mindestfüllstand, Kapazität des Ableitungskanals, usw.) berücksichtigt werden. <br><br> Es zeigte sich, dass unter Anwendung des Steuerungskonzeptes die Schwankungsbreite der Chloridkonzentration insgesamt gesehen deutlich verringert werden konnte. Die Überschreitungshäufigkeiten bezüglich eines Grenzwertes von 2 g Chlorid/l am Pegel Hachelbich fielen deutlich, und auch die maximale Dauer einer solchen Periode konnte stark verkürzt werden. Kritische Situationen bei der modelltechnischen Frachtzusteuerung traten nur dann auf, wenn Niedrigwasserverhältnisse durch die Simulationsberechnungen noch unterschätzt wurden. Dies hatte deutliche Überschreitungen der Zielvorgaben für den Pegel Hachelbich zur Folge. <br><br> Mit Hilfe des Steuerungsalgorithmus konnten desweiteren auch Szenarienberechnungen durchgeführt werden, um die Auswirkungen zukünftig zu erwartender Salzfrachten näher spezifizieren zu können. Dabei konnte festgestellt werden, dass Abdichtungsmaßnahmen der Haldenkörper sich direkt positiv auf die Entwicklung der Konzentration in Hachelbich auswirkten. Durch zusätzlich durchgeführte Langzeitszenarien konnte darüber hinaus nachgewiesen werden, dass langfristig eine Grenzwertfestlegung auf 1,5 g Chlorid/l in Hachelbich möglich ist, und die Stapelkapazitäten dazu ausreichend bemessen sind. / As a consequence of general closure and conversion of potash-industries between the years 1990 and 1993 and due to the beginning of recultivation activities on the potash stockpiles the load of dissolved potassium salt of rivers in the "Südharz-Kalirevier" in the German federal state of Thuringia has considerably changed. The extremely decreased salt inputs into the tributaries of Wipper and Bode were accompanied by a change in salt load management towards a system controlled with respect to river ecology. Due to the high complexity of salt transport processes in the Wipper catchment, the existing operation rules cannot comply with the present requirements, so that a comprehensive knowledge of water balance processes and river flow dynamics have to be included in management strategies. <br><br> On the one hand this investigation aims to analyse the processes and the interaction of water balance, runoff generation and solute transport in catchment areas influenced by salt mining activities such as the case in the river Unstrut and its relevant tributaries. On the other hand the results of this study can help to analyse and assess sustainable management plans for the above mentioned river basins. Thus the main objective of this study is to develop an integrated, predictive management tool, that can be applied for catchment areas of different spatial scales and for the effective use of controlled discharge of anthropogenic salt solution taking into account the basic input conditions from salt mining activities. <br><br> The most important sources of anthropogenic salt inputs into the river stream are the salt loads from the potash stockpiles near the disused mines. Due to usual precipitation salt solution leaches from the stockpiles, which partly reaches the river streams uncontrolled by lateral interflow processes. Another part is being gathered in reservoirs and than discharged according to special system operation rules. As well dissolved salt loads comes into the Wipper by leakage processes out of the reservoir in Wipperdorf. Furthermore geogenic input is another important emission pathway. <br><br> With detailed information about these different emission pathways, model simulations were performed within the period from 1992 to 2003. After the technical implementation of a new management strategy for the reservoir in Wipperdorf, now it was possible to push off the stored lye according to the actual runoff situation in the river stream. Beside a fully modell aided description of the whole actual hydrological situtation and provided control values for chloride concentration at the gauging station in Hachelbich, also other boundary conditions had to be considered for this purpose (such as reservoir capacity, actual fill level, minimum fill level, drain capacity etc.). <br><br> It turned out, that the application of the new management strategy led to a clear decreased range in chloride concentration. Frequencies of exceeding a critical value of 2 g chloride/l at gauging station in Hachelbich enormously declined and the maximum duration of such periods could rigorously be shortened. Particluar critical situations in calculating potential lye discharge only occured when measured flow discharge was underestimated through model simulations. In this case control values for the gauging station in Hachelbich could not be achieved. <br><br> With this new management tool scenario simulations were executed to analyse the effects of expected amounts of lye in future. These theoretical studies showed the decreasing trend in chloride concentration if restorations measures at the stockpiles would be continued. Longterm scenario runs also showed, that a threshold value of 1,5 g chloride/l in Hachelbich could be achieved and existing storage capacities therefor will be sufficiently dimensioned.

Kurzumtriebsplantagen (KUP) besitzen das Potenzial, beträchtliche Mengen Biomasse für die Versorgung mit erneuerbaren Energien und nachwachsenden Rohstoffen bereitzustellen. Es ist bekannt, dass KUP auf landwirtschaftlichen Flächen mehr Ökosystemdienstleistungen hervorbringen können als üblicherweise angebaute einjährige Ackerfrüchte oder Energiepflanzen wie Raps und Mais. Trotzdem gibt es nur wenige Informationen über den Wasserverbrauch und die Transpiration von Pappelarten und ihren Hybriden unter den spezifischen Standortsbedingungen in Deutschland. Darüber hinaus bestehen Wissenslücken für die Abschätzung langfristiger Auswirkungen von KUP auf bodenökologische Aspekte. Um diese Defizite zu minimieren wurden auf einem Standort im mittelsächsischen Löss-Hügelland Felduntersuchungen durchgeführt. Für die Untersuchung der Effekte von KUP auf die Bodenwasserbilanz wurden Saftfluss- und Bodenfeuchte-Messungen in einer 10jährigen Hybrid-Pappelplantage durchgeführt. Darüber hinaus wurden Biomasseakkumulation, Nährelementverteilung und bodenökologische Parameter erforscht. Die Daten wurden genutzt, um ein prozess-orientiertes Wasserhaushaltsmodell zu parametrisieren und zu kalibrieren. Das validierte Modell wurde danach für die Untersuchung und Bewertung des Einflusses von Pappel-KUP und Winterweizen auf die Wasserbilanz verschiedener sächsischer Standorte genutzt. Schließlich wurden die standortsspezifischen Biomasseerträge von KUP hergeleitet. Diese Informationen wurden mithilfe eines Geografischen Informationssystems (GIS) mit den Flächen verschnitten, auf denen der Anbau von KUP zu Synergien bzw. potenzielle Risiken für den Bodenschutz sowie den Natur- und Landschaftsschutz führen kann. Die Ergebnisse zeigen, dass Hybrid-Pappelplantagen deutlich mehr Wasser als Ackerkulturen und einheimische Forstbaumarten verbrauchen. Es kann daraus abgeleitet werden, dass die Anlage von KUP auf Ackerflächen den wassergebundenen Nährstoffaustrag sowie den Austrag von Schadstoffen reduziert. Auch das Erosionsrisiko würde verringert. Andererseits kann eine im vergleich zum Einzugsgebiet großflächige Anlage von KUP in Regionen mit negativer klimatischer Wasserbilanz zu einer geringeren Grundwasserneubildung führen. Eine ausreichende Wasserversorgung ist unverzichtbar, um die Wuchspotenziale von Pappel-Hochleistungssorten voll auszuschöpfen. Pappel-KUP können weitgehend ohne zusätzliche Düngung bewirtschaftet werden. Ehemals intensiv genutzte Ackerböden enthalten ausreichend Nährstoffe und Elemententzüge über die geerntete Biomasse werden durch atmosphärische Depositionen ausgeglichen. Auf lange Sicht kann der KUP-Anbau jedoch zu einer Verringerung des pH-Wertes und der Kationen-Austauschkapazität im Boden führen. Für die Vermeidung negativer Folgen für die Bodenfruchtbarkeit und das Pflanzenwachstum wären dann angepasste Konzepte für die Kalkung und Düngung notwendig. Die GIS-basierte Analyse unterstreicht, dass in Sachsen beträchtliche Flächenpotenziale für die Anlage von KUP existieren. Auf einem großen Teil würde die Anlage von KUP auch andere Ökosystemdienstleistungen aus dem Bereich Boden- und Naturschutz verbessern. Auch künftig sollte bei der Anlage von KUP-Flächen eine ökologische Begleitforschung erfolgen. Es besteht unter anderem der Bedarf, die ökologischen Aspekte von anderen schnell wachsenden Baumarten im Kurzumtrieb, zum Beispiel Robinie zu bewerten. Ein weiteres ziel könnte die Verbesserung von Anlage- und Rückumwandlungstechnologien sein, um die Stabilität von akkumulierter organischer Bodensubstanz zu erhalten. Es wird geschlussfolgert, dass die künftige praktische Bedeutung von KUP eher von den sozioökonomischen Rahmenbedingungen und der regionalen Umsetzung der gemeinsamen Agrarpolitik der Europäischen Union abhängen wird als von unzureichenden Standortsbedingungen. / Short rotation plantations and short rotation coppice (SRC) have the potential to contribute significant amounts of biomass to the sectors of green energy and of renewable raw materials. It is generally accepted that SRC may provide more ecosystem services on agricultural land than common annual arable or even energy crops like oil seed rape or maize do. However, only sparse information exists about the water demand and transpiration of poplar species and their hybrids for site conditions in Germany. Furthermore, there is a lack of knowledge about the long-term impact of short rotation plantations on soil ecology. To overcome these shortcomings, field investigations were conducted at a site in the hilly loess region of Saxony. To study effects of SRC on the soil water balance, sap flow and soil moisture measurements were conducted in a 10 years old hybrid poplar plantation. Moreover biomass accumulation, nutrient allocation and soil ecological parameters were determined. The data were used to parameterize and calibrate a process-oriented hydrological model. The validated model was subsequently used to determine and assess the impact of short rotation poplar plantations and winter wheat on the water balance of different sites in Saxony Finally, site specific yields of SRC were determined and areas with synergies and potential risks for soil protection, nature conservation at the regional scale were identified using Geographical Information Systems. The results show that hybrid poplar plantations consume significantly more water than arable crops and native tree species. Thus, it can be expected that the establishment of short rotation coppice may reduce the export of nutrients and pollutants or lower the risk of soil erosion. On the other hand, the large-scale establishment of short rotation coppice at catchments with negative climatic water balance may lead to a decrease of groundwater recharge. A sufficient water supply is indispensable in order fully to exploit the growth potential of high yielding polar clones. Short rotation plantations with poplar on arable land may be extensively managed without fertilization. Former intensively used agricultural soils provide sufficient nutrients and element exports by harvested biomass may be balanced by atmospherical deposition. However, it might be that in the long run cation exchange capacity and pH of the soils will decrease. This would require appropriated concepts for liming and fertilization. The GIS based analysis shows that there exist a substantial potential of arable land for the cultivation of SRC in Saxony. There, the establishment of SRC may improve other ecosystem services as soil protection and nature conservation too. Future research should be included into the ecological evaluation of new SRC plots. There is a need to asses ecological aspects of other fast growing tree species in SRC, in particular Black Locust. Another task could be the improvement of conversion practices to ensure the stability of accumulated soil organic matter during establishment and reconversion of SRC sites. It can be concluded that the future practical relevance of SRC is rather dependant on socio-economic framework conditions and the regional implementation of the common agricultural policy within the European Union than on insufficient site condition.

Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, den Einfluss der Rückkopplung zwischen Landoberfläche und Atmosphäre auf den regionalen Wasserhaushalt abzuschätzen. Dazu erfolgen Modellsimulationen mit dem gekoppelten Vegetations-Grenzschichtmodell HIRVAC (HIgh Resolution Vegetation Atmosphere Coupler) für das Einzugsgebiet Sperrgraben (Bayerische Alpen). Im Ergebnis wird der Zusammenhang zwischen dem Entkopplungsfaktor Omega und der Verdunstung als Wasserhaushaltsgröße für einen festgelegten Zeitraum untersucht. Die Kombination eines vertikal hochaufgelösten Grenzschichtmodells (HUB) mit einem mechanistischen Photosynthesemodell (PSN6) im Modell HIRVAC ermöglicht eine detaillierte physikalische Beschreibung der turbulenten Austauschprozesse innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht. Gleichzeitig werden die Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Atmosphäre für jede Modellschicht innerhalb des Bestandes und zu jedem Modellzeitschritt simuliert. Die Definition des Entkopplungsfaktors erfordert die Festlegung eines geeigneten Referenzniveaus über der Vegetationsobergrenze zur Ermittlung der Widerstände gegen den turbulenten Austausch von Wärme und Feuchte. Die Bestimmung dieser Modellschichthöhe wird nach Untersuchungen zur Ausbildung der dynamischen Grenzschicht sowie der Vertikalprofile der Transportwiderstände und des Omega-Faktors vorgenommen. Die dabei erzielten Ergebnisse zum höhenabhängigen Verlauf des Entkopplungsfaktors über der Wiesenfläche und dem Fichtenbestand zeigen, dass mit dem Modell HIRVAC das unterschiedliche Kopplungsverhalten von kleinen Beständen mit glatter Oberfläche (Oberflächenrückkopplung) und hohen, rauen Beständen (Grenzschichtrückkopplung) qualitativ und auch quantitativ sehr gut wiedergegeben werden kann. Die Sensitivitätsstudien für die Landnutzungsarten Fichte und Wiese verdeutlichen den Einfluss veränderter Bestandesparameter wie Bestandeshöhe, LAI und Kronenschlussgrad auf den Entkopplungsfaktor und die Evapotranspiration. Sehr gut ersichtlich wird außerdem das unterschiedliche atmosphärische Turbulenzspektrum durch die Verwendung verschiedener Schließungsansätze im Modell und deren Einfluss auf die turbulenten Diffussionskoeffizienten. Die Ergebnisse werden mit dem Ziel der Ableitung einfacher Zusammenhänge zu Landschaftskennziffern parametrisiert. Zur Bereitstellung von flächenhaften Klimadaten wird das Modell HIRVAC mit einem Geographischen Informationssystem (ArcView) gekoppelt. Das Modell HIRGIS bietet eine geeignete Basis für die Regionalisierung von Klimagrößen im kleinräumig strukturierten Gelände. Auf der Grundlage der digitalen Gelände- und Landnutzungsdaten können topoklimatisch beeinflusste Größen, wie z.B. Einstrahlung, Temperatur, Strahlungsbilanz und Verdunstung für Gebiete flächendeckend berechnet werden. In den Ergebniswerten sind die Rückkopplungseffekte zwischen Bestand und Atmosphäre in aktueller Form enthalten. Außerdem entfallen Generalisierungseffekte, wie sie bei statistischen Übertragungsmethoden (Interpolation von Messwerten) auftreten. Durch die Möglichkeit der messwertunabhängigen Modellierung kann HIRGIS prinzipiell für Regionen mit anderem Gebietscharakter eingesetzt werden. Bei der Anwendung von HIRGIS auf das Einzugegebiet Sperrgraben wird allerdings deutlich, wie wichtig eine präzise Anpassung der Modellparametrisierung, insbesondere der Vegetation, an den Standort ist. Die erzeugten Karten zu den Klimagrößen liefern dem Nutzer eine gute Grundlage für klimatologische Gebietsinformationen. Eine Quantifizierung des Einflusses der Rückkopplung auf die Verdunstung im Einzugsgebiet Sperrgraben erweist sich für den untersuchten Zeitraum als schwierig. Die Ergebnisse zur Verdunstung zeigen trotzdem eine sehr gute Übereinstimmung mit Transpirationswerten aus Saftflussmessungen für Buche und Fichte im Einzugsgebiet Sperrgraben und decken sich mit den Transpirationswerten aus der Literatur für vergleichbare Bestände.

Der Landschaftswasserhaushalt stellt die Integrationsebene der Geokomponenten Klima, Boden und Landnutzung dar und unterliegt aktuell einer intensiven Forschungstätigkeit. Die charakteristische Ausprägung des Landschaftswasserhaushaltes ist in der mitteleuropäischen Kulturlandschaft das Ergebnis einer von vielfältigen Triebkräften bestimmten komplexen Nutzung. Diese existierenden Nutzungsansprüche werden aber nicht gezielt zur Optimierung des Landschaftswasserhaushaltes koordiniert, da die handelnden Akteure teils völlig gegensätzlichen Zielrichtungen verfolgen. Insgesamt gesehen bietet die Optimierung der nicht besiedelten Landfläche auf Grund ihrer großen Flächeninanspruchnahme die größten Potentiale der Beeinflussung des Landschaftswasserhaushaltes. In der vorliegenden Arbeit werden mit der hydrologischen Modellierung und der funktionalen Landschaftsbewertung zwei völlig unterschiedliche methodische Ansätze zur Analyse hydrologischer Prozesse im Landschaftswasserhaushalt genutzt, um die Reaktion des Wasserhaushaltes auf Landschaftsveränderungen zu untersuchen. Es wird am Beispiel eines Flusseinzugsgebietes im Erzgebirge gezeigt, inwieweit sich durch ein Niederschlag-Abfluss-Modell Änderungen im Wasserhaushalt von Landnutzungsszenarien aufzeigen lassen, die auf der Grundlage von Landschaftsbewertungsverfahren erstellt wurden. Es sollen also mittels hydrologischer Modellierung die qualitativen Resultate eines deutlich einfacher zu realisierenden Planungsverfahrens quantifiziert werden. Auf der Basis der bewerteten Landschaftsfunktionen Abflussregulationsfunktion, Wassererosionswiderstand, Ertragspotential und physikochemisches Filtervermögen des Bodens wurden durch multikriterielle Optimierung mit der Software LNOPT zwei sich unterscheidende Szenarien, ein eher realistisch angelegtes Szenario (Realszenario) und ein Szenario mit möglichst hoher Retentionswirkung (Szenario Abflussminimierung) entwickelt. Beide Szenarien sind an die Realität angelehnt und nicht fiktiv, wodurch sich starke Einschränkungen hinsichtlich der optimierbaren Fläche ergeben. So stehen nur 36,5 % der Gesamtfläche zur Landnutzungsoptimierung zur Verfügung wovon nur 12,5 % der Fläche durch den Optimierungsprozess in ihrer Nutzung umgewidmet wird. Der Wasserhaushalt der entwickelten Landnutzungsszenarien wurde mit dem Wasserhaushaltssimulationsmodell WaSiM-ETH in zehn ausgewählten Teileinzugsgebieten modelliert. Die Gebietsanpassung erfolgte dabei an den Pegeln Lauenstein und Geising mit einem multi-response Ansatz, der auch Ergebnisse einer Ganglinienseparation und Vergleiche zu einer Arbeit im benachbarten Weißeritzeinzugsgebiet berücksichtigt. Im Ergebnis zeigte die Validierung eine gelungene Gebietsanpassung des Modells WaSiM-ETH mit geringen Schwächen im Winter und bei außergewöhnlichen Extremereignissen. Insgesamt zeigt sich in allen modellierten Teileinzugsgebieten ein Rückgang des Gesamtabflusses, allerdings in Größenordnungen, die sich räumlich sehr stark unterscheiden. Berechnet wurde dabei nur der Wasserhaushalt für das Szenario „Abflussminimierung“, da sich beide Szenarien in den hydrologisch ähnlichen Teileinzugsgebieten nur wenig unterscheiden. Die statistische Auswertung der Ergebnisse erfolgte mit Spearmans Rangkorrelations¬koeffizient und zeigte: • dass mit steigender Höhenlage die Möglichkeiten der Abflussminimierung durch Landnutzungsveränderungen abnehmen. Im Indikator Höhenlage spiegeln sich dabei mehrere Parameter wider, welche die sich mit der Höhe wandelnden Klima-, Boden- und Reliefbedingungen ausdrücken. • dass mögliche Abflussminderungen mit dem Ackeranteil eines Einzugsgebietes positiv signifikant korreliert sind. Die Abflussminderungspotentiale steigen also mit steigendem Ackeranteil an. • dass die absolute Niederschlagsmenge keinen direkten Einfluss auf die Abflussminderung hat, vielmehr ist die jährliche Niederschlagsverteilung bedeutsam für die Möglichkeiten des Wasserrückhaltes in der Fläche. Als Voraussetzung für die erfolgreiche Anwendung von LNOPT im Rahmen hydrologischer Fragestellungen sind die Berücksichtigung beziehungsweise Bearbeitung folgender Punkte: • Ermittlung der hydrologischen Senkenpotentiale zu Beginn des Planungsprozesses um sich auf Gebiete mit hohem hydrologischen Senkenpotential zu konzentrieren, • Planung von Landnutzungsveränderungen hinsichtlich Nutzungstyp, Nutzungsart oder Nutzungsintensität anhand von Bewertungsverfahren, welche die hydrologischen Differenzen gut widerspiegeln, • Einbeziehung der handelnden Akteure in den Planungsprozess um die möglichst vollständige Umsetzung der geplanten Maßnahmen zu ermöglichen. Mit der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass im Mittelgebirgsraum Abflussminderungspotentiale im Zuge von Landnutzungsveränderungen vorhanden sind, diese aber regional sehr stark differenziert ausgeprägt sind. Methodisch konnte demonstriert werden, dass das eingesetzte Verfahren der multikriteriellen Landnutzungsoptimierung zur Planungsunterstützung im Rahmen hydrologischer Fragestellungen genutzt werden kann, wenn die genannten Rahmenbedingungen beachtet werden. / The hydrological balance of a landscape integrates different geocomponents such as climate, soil and land use and is an object of intensive research activities. The specific characteristic of the hydrological balance of a landscape shows the result of a complex utilisation system which is caused by manifold driving forces. Due to different strategic objectives of thestakeholders, their demands are contrasting and therefore it is very difficult to coordinate these demands with respect to influencing the hydrological balance of a landscape. Changes of land use in non-settled areas have the highest potential of modifying the hydrological balance of a landscape due to the large extent of affected area. In this thesis two different methodical approaches are used to analyse the hydrological processes in the water balance of a landscape in order to investigate the effects of land use changes on the hydrological balance of a landscape. The applied methods are hydrological modelling and functional landscape assessment. Hydrological modelling quantifies the water balance of scenarios made by a much easier to realise planning method on the basis of a functional landscape assessment. Land use scenarios on the basis of a functional landscape assessment can be build through a multi-criteria optimisation process using the software LNOPT (“land use op-timisation”). By using this method, the hydrological balance of a landscape and the specific local conditions are described by the following landscape functions: runoff regulation, resistance against water erosion, biotic yield potential and physical-chemical cleaning potential of soils. On the basis of the assessment of these landscape functions, two land use scenarios were developed using the method of multi-criteria optimisation, namely, a more realistic scenario and one with the highest possible water retention potential. Even though both scenarios are different in their closeness to reality, they are both inspired by reality and not just fictitious. Due to different restrictions only 36.5 % of the entire catchment area could be used in the optimisation process. In the scenario with the highest possible water retention potential only 12.5 % of the land use was changed and in the more realistic scenario the changes were slightly smaller. The water balance simulation model WaSiM-ETH is well suited to quantify changes in the hydrological balance in the context of land-use changes at the meso-scale. The adaptations to the catchment area characteristics were done by the calibration on the gauges Lauenstein and Geising in a multi response approach considering results of a hydrograph curve separation and the results of a research in the neighbouring Weisseritz catchment. The validation shows a successful adaptation to the regional catchment area characteristics with minor shortcomings in winter and by extraordinary high precipitation events. In the whole investigated area possible changes of the hydrological balance are rather negligible due to only small land use changes. But in 10 selected subcatchments the hydrological modelling shows a decrease of discharge in the scenario with the highest possible water retention potential. The dimensions of the decrease in the discharge are regionally very different due to varying spatial characteristics. These differences get systemised through a statistical analysis using the Spearman’s Rank Correlation Coefficient. The following correlations were found: • The possibilities of a decrease in discharge through land use modification are getting smaller with an increase in altitude. The complex indicator “altitude” contains different parameters which reflect the shifting of climatic, soil and relief conditions with changing altitude. • The possibilities of a decrease in discharge are getting higher with the percentage of arable land in the subcatchments. • The amount of precipitation has no direct influence of the possible decrease in discharge in the subcatchments. The influence of the annual variation of precipitation is larger than the absolute annual amount of precipitation. For a successful application of LNOPT for the development of land use scenarios with a hydrologic context the following requirements have to be considered: • ahead of the planning process, pedological and geological potentials of the investigated area in terms of a decrease in discharge should be investigated • landscape functions which show hydrological differences in terms of land use types, the kind and the intensity of land use should be used • local steak holders should be integrated in the planning process to ensure the complete implementation of the planned measures as much as possible. In this thesis it could be shown that mountainous regions have a potential for a decrease in discharge caused by a land use change, but with substantial regional variations. The evaluation of the used methods demonstrated that the multi-criteria optimisation software LNOPT is well suited to support hydrological related planning processes if conditions mentioned above are considered.

Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, den Einfluss der Rückkopplung zwischen Landoberfläche und Atmosphäre auf den regionalen Wasserhaushalt abzuschätzen. Dazu erfolgen Modellsimulationen mit dem gekoppelten Vegetations-Grenzschichtmodell HIRVAC (HIgh Resolution Vegetation Atmosphere Coupler) für das Einzugsgebiet Sperrgraben (Bayerische Alpen). Im Ergebnis wird der Zusammenhang zwischen dem Entkopplungsfaktor Omega und der Verdunstung als Wasserhaushaltsgröße für einen festgelegten Zeitraum untersucht. Die Kombination eines vertikal hochaufgelösten Grenzschichtmodells (HUB) mit einem mechanistischen Photosynthesemodell (PSN6) im Modell HIRVAC ermöglicht eine detaillierte physikalische Beschreibung der turbulenten Austauschprozesse innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht. Gleichzeitig werden die Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Atmosphäre für jede Modellschicht innerhalb des Bestandes und zu jedem Modellzeitschritt simuliert. Die Definition des Entkopplungsfaktors erfordert die Festlegung eines geeigneten Referenzniveaus über der Vegetationsobergrenze zur Ermittlung der Widerstände gegen den turbulenten Austausch von Wärme und Feuchte. Die Bestimmung dieser Modellschichthöhe wird nach Untersuchungen zur Ausbildung der dynamischen Grenzschicht sowie der Vertikalprofile der Transportwiderstände und des Omega-Faktors vorgenommen. Die dabei erzielten Ergebnisse zum höhenabhängigen Verlauf des Entkopplungsfaktors über der Wiesenfläche und dem Fichtenbestand zeigen, dass mit dem Modell HIRVAC das unterschiedliche Kopplungsverhalten von kleinen Beständen mit glatter Oberfläche (Oberflächenrückkopplung) und hohen, rauen Beständen (Grenzschichtrückkopplung) qualitativ und auch quantitativ sehr gut wiedergegeben werden kann. Die Sensitivitätsstudien für die Landnutzungsarten Fichte und Wiese verdeutlichen den Einfluss veränderter Bestandesparameter wie Bestandeshöhe, LAI und Kronenschlussgrad auf den Entkopplungsfaktor und die Evapotranspiration. Sehr gut ersichtlich wird außerdem das unterschiedliche atmosphärische Turbulenzspektrum durch die Verwendung verschiedener Schließungsansätze im Modell und deren Einfluss auf die turbulenten Diffussionskoeffizienten. Die Ergebnisse werden mit dem Ziel der Ableitung einfacher Zusammenhänge zu Landschaftskennziffern parametrisiert. Zur Bereitstellung von flächenhaften Klimadaten wird das Modell HIRVAC mit einem Geographischen Informationssystem (ArcView) gekoppelt. Das Modell HIRGIS bietet eine geeignete Basis für die Regionalisierung von Klimagrößen im kleinräumig strukturierten Gelände. Auf der Grundlage der digitalen Gelände- und Landnutzungsdaten können topoklimatisch beeinflusste Größen, wie z.B. Einstrahlung, Temperatur, Strahlungsbilanz und Verdunstung für Gebiete flächendeckend berechnet werden. In den Ergebniswerten sind die Rückkopplungseffekte zwischen Bestand und Atmosphäre in aktueller Form enthalten. Außerdem entfallen Generalisierungseffekte, wie sie bei statistischen Übertragungsmethoden (Interpolation von Messwerten) auftreten. Durch die Möglichkeit der messwertunabhängigen Modellierung kann HIRGIS prinzipiell für Regionen mit anderem Gebietscharakter eingesetzt werden. Bei der Anwendung von HIRGIS auf das Einzugegebiet Sperrgraben wird allerdings deutlich, wie wichtig eine präzise Anpassung der Modellparametrisierung, insbesondere der Vegetation, an den Standort ist. Die erzeugten Karten zu den Klimagrößen liefern dem Nutzer eine gute Grundlage für klimatologische Gebietsinformationen. Eine Quantifizierung des Einflusses der Rückkopplung auf die Verdunstung im Einzugsgebiet Sperrgraben erweist sich für den untersuchten Zeitraum als schwierig. Die Ergebnisse zur Verdunstung zeigen trotzdem eine sehr gute Übereinstimmung mit Transpirationswerten aus Saftflussmessungen für Buche und Fichte im Einzugsgebiet Sperrgraben und decken sich mit den Transpirationswerten aus der Literatur für vergleichbare Bestände.

Ziel dieser Arbeit ist es, eine simulationsbasierte Untersuchung des Betriebs eines PEM-Brennstoffzellensystems mit besonderem Fokus auf den Wasserhaushalt zu ermöglichen. In PEM-Brennstoffzellen sind die Wechselwirkungen in Bezug auf den Feuchtehaushalt z.B. von Transportmechanismen, Degradation und Leistung abhängig. Im PEM-Brennstoffzellensystem werden die Wechselwirkungen der Feuchte durch eine mögliche Rezirkulation und/oder eine passive Befeuchtung der Kathode erweitert, Um diese Abhängigkeiten korrekt darzustellen, wurde ein PEM-Brennstoffzellen Stack-Modell entwickelt, das einerseits einen hohen Grad an Detailtreue und andererseits hohe Anforderungen an die Laufzeit erfüllt, um akzeptable Simulationszeiten für Brennstoffzellensystemsimulationen zu ermöglichen. Der Kern des Modells ist eine neuartige 2-D + 1-D Struktur, die flächenspezifische Bedingungen, wie z.B. trockene Kathodeneinlass- und feuchte Kathodenauslassbedingungen in Abhängigkeit von Gleich- oder Gegenstromstrukturen, löst. Um diesen Anforderungen an die Laufzeit gerecht zu werden, wurde ein numerischer Löser entwickelt, der speziell an die Struktur und den Inhalt angepasst ist. Das Brennstoffzellenmodell und dessen Möglichkeiten zur Integration in eine Systemsimulation werden in dieser Arbeit vorgestellt. / The aim of this work is to enable simulation based investigation of the operation of a PEM fuel cell system, with the special focus on its water management. For PEM fuel cells their multi-level interaction regarding humidity is characteristic depending e.g. on transport mechanisms, degradation and performance. In the PEM fuel cell system, the interaction of the humidity is further enhanced by a possible recirculation and passive humidification systems of the cathode. In order to display these dependencies correctly, a PEM fuel cell stack model has been developed, which on the one hand meets high degree of resulting details and on the other hand meets high requirements concerning its runtime, to enable acceptable simulation times for fuel cell system simulations. The core of the model is a novel 2-D + 1-D structure that resolves area specific conditions, such as dry cathode inlet and wet cathode outlet conditions in dependence of co- or counter flow fields. To meet those requirements regarding its runtime a numerical solver has been developed that is specially adapted to the structure and content. The fuel cell model as well as its possibilities with respect to the integration in system simulation is presented in this work.