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
”Unteren Havel Niederung“ 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
”Unteren Havel Niederung“
kalibriert. Die anschließende Validierung erfolgte für das gesamte Einzugsgebiet der
”Unteren
Havel“. 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 “Lower Havel river
basin“. 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 “Lower Havel river basin“. The subsequent validation of the model focused on the entire “Lower Havel
river basin“. 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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:348 |
| Date | January 2005 |
| Creators | Krause, Stefan |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Geoökologie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://opus.kobv.de/ubp/doku/urheberrecht.php |
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