Methodik
Um eine Bilanzierung der Grundwasserressourcen und damit die Entwicklung der Grundwasserstände abschätzen zu können, wird die Modellierung der Grundwasserströme zur Beantwortung der Fragestellung herangezogen. Die Realisierung jener Grundwasserströmungsmodellierung baut auf zwei relevanten Teilsystemen auf: Geologie/Hydrogeologie sowie Wasserwirtschaft.
Modelltechnische Schritte
Der wasserwirtschaftliche Teil der Modellkaskade gliedert sich in die Teilbereiche Klimabetrachtung, Bodenwasserhaushalt und numerische Strömungsmodellierung. Die Selektion und Analyse eines Ensembles spezifischer Klimaprojektionen stellt dabei die Grundlage für die anschließende Aufstellung der geeigneten Bodenwasserhaushaltsmodelle dar. Mit Hilfe dieser Modelle werden die relevanten Wasserbewegungen qualitativ und quantitativ erfasst und bilanztreu abgebildet. Die daraus gewonnene Grundwasserneubildung stellt ihrerseits eine essentielle Randbedingung für Aufbau und Betrieb der Grundwasserströmungsmodelle dar.
Klimaszenarien stellen Entwicklungstendenzen der klimatischen Kenngrößen unter Berücksichtigung definierter Emissions- und Entwichlungsszenarien für einen zukünftigen Zeitabschnitt dar.
Im Rahmen des KliWES-Projektes wurden, basierend auf den Emissionsszenarien des 4. IPCC-Sachstandsberichtes (Intergovernmental Panel on Climate Change) aus dem Jahr 2007, mögliche Veränderungen des Klimas in Sachsen bis 2100 simuliert.
Für das Projekt ResiBil wurde, ausgehend von den bereits realisierten und verfügbaren Szenarien aus dem Sächsischen Wasserhaushaltsportal, eine Selektion von Realisierungen in einem Ensemble zusammengeführt und als Antrieb für die (Boden-) Wasserhaushaltsmodellierung innerhalb der Fokusgebiete verwendet. Sowohl für den sächsischen als auch für den tschechischen Teil der Fokusgebiete stehen spezifisch angepasste Klimaszenarien des WEREX V Klimadatensatzes als Stationsdaten zur Verfügung. Diese Daten werden mittels spezifischem Interpolationsverfahren von der Punktinformation (Klimastation) in eine Flächeninformation übertragen. Als Basis dafür dienten der Klimabasisdatensatz des DWD sowie der angepasste Klima-Referenz-Datensatz, wie er über das regionale Klimasystem Sachsen (ReKIS) bereitgestellt wird. Details zur klimatischen Betrachtung und den verwendeten Klimaszenarien finden sich im Booklet Hydrogeologie, welches hier zu finden ist.
Literatur:
IPCC 2007: Zusammenfassung für politische Entscheidungsträger. In: Klimaänderung 2007: Wissenschaftliche Grundlagen. Beitrag der Arbeitsgruppe I zum Vierten Sachstandsbericht des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen (IPCC), Solomon, S., D. Qin, M. Manning, Z. Chen, M. Marquis, K.B. Averyt, M. Tignor und H.L. Miller, Eds., Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom und New York, NY, USA. Deutsche Übersetzung durch ProClim-, österreichisches Umweltbundesamt, deutsche IPCC-Koordinationsstelle, Bern/Wien/Berlin, 2007.
Der Bodenwasserhaushalt stellt eine Zusammenfassung aller Eingangs-, Ausgangs und Umsatzgrößen des Mediums Wasser in der ungesättigten Bodenzone dar. Im Projekt ResiBil erfolgt die Betrachtung des Bodenwasserhaushaltes primär im Hinblick auf die räumliche und zeitliche Quantifizierung der Grundwasserneubildung innerhalb der Fokusgebiete.
Die Bilanzgröße Grundwasserneubildung dient im weiteren Projektverlauf als obere Randbedingung der Grundwasserströmungsmodellierung und stellt damit einen der wichtigsten Eingangsparameter für diesen Schritt der Modellkaskade dar.
Für den sächsischen Teil des Untersuchungsgebietes wurden im Rahmen des Projektes KliWES bereits umfangreiche Untersuchungen mit dem Modell ArcEGMO durchgeführt. ArcEGMO basiert auf dem Mehr-Ebenen-Modellansatz, welches in fünf Modellebenen gegliedert ist: Meteorologie, Abflussbildung in Vegetation und Boden, Direktabfluss, Grundwasserabfluss und Gewässerabfluss. Die verfügbaren Daten aus KliWES werden für ResiBil partiell übernommen und an die spezifischen Anforderungen des Projektes adaptiert.
Für den Bereich des Fokusgebietes Lückendorf wurden im Rahmen des Projektes KliWES bereits umfangreiche Untersuchungen mit dem Modell ArcEGMO durchgeführt. ArcEGMO basiert auf dem Mehr-Ebenen-Modellansatz, welches in fünf Modellebenen gegliedert ist: Meteorologie, Abflussbildung in Vegetation und Boden, Direktabfluss, Grundwasserabfluss und Gewässerabfluss. Die verfügbaren Daten aus KliWES wurden für ResiBil partiell übernommen und an die spezifischen Anforderungen des Projektes adaptiert.
Die Betrachtung des Bodenwasserhaushaltes in den Fokusgebieten Déčinský Sněžník und Kirnitzschtal erfolgte auf Grundlage des Modellansatzes nach BILAN. Das BILAN-Modell ist ein durch Projektpartner VUV erstellter Ansatz zur Abflusskomponentendifferenzierung. Ausgehend von den Klimaeingangsgrößen Temperatur und Niederschlag werden die einzelnen Abflusskomponenten zeitlich und räumlich getrennt. Damit lassen sich gleichermaßen auch potentiell zukünftige Entwicklungen der Grundwasserneubildung ableiten und für die numerische Simulation der Grundwasserssituation verwenden. Detaillierte Informationen zum Ansatz und Aufbau der im Projekt verwendeten Modellansätze des Wasserhaushaltes finden sich im Booklet Hydrogeologie im Downloadbereich.
Literatur:
Schwarze, R., Hauffe, C., Baldy, A., Winkler, P., Dröge, W., Wagner, M., Röhm, P. 2014: KliWES Klimawandel und Wasserhaushalt in Sachsen - Wasserhaushaltsberechnungen für den Ist-Zustand und verschiedene Klima- bzw. Landnutzungsszenarien. Schriftenreihe des LfULG, Heft 32/2014.
Im Projekt ResiBil wurde eine grenzübergreifende, numerische Modellierung von Bewirtschaftungsszenarien, mit Rücksicht auf einen zunehmenden Trockenheitstrend durch den Klimawandel, umgesetzt. Im Hinblick auf den angestrebten Detailgrad und dem daraus resultierenden Aufwand für die Erstellung der Modelle wurden diese nur für die drei Fokusgebiete angefertigt.
Voraussetzungen für die numerische geohydraulische Modellierung sind grenzübergreifende Raummodelle, die eine hydrogeologische Gliederung in Grundwasserleiter, -geringleiter und -nichtleiter mit einer entsprechenden Parametrisierung aufweisen. Diese wurden aus geologischen Strukturmodellen abgeleitet, welche für die Fokusgebiete erarbeitet wurden.
Die numerische geohydraulische Modellierung des Fokusgebietes Lückendorf (Zittauer Gebirge) lag in der Verantwortung des LfULG. Die Modelle der Fokusgebiete Děčínský Sněžník und Kirnitzschtal wurden durch den Projektpartner VUV realisiert. Ziel war es, die Grundwasserstandsänderung in Abhängigkeit von Entnahme-, Entwicklungs- und Klimaszenarien zu untersuchen und deren Auswirkungen auf das Grundwasserdargebot zu quantifizieren.
Die anhand der numerischen Modelle berechneten Änderungen der Grundwasserstände geben Rückschluss auf potentielle Probleme für die zukünftige Entnahme und Bereitstellung von Grundwasser in den Fokusgebieten. Bei der Interpretation der Modellergebnisse müssen aber stets auch Unsicherheiten berücksichtigt werden, welche sich durch eine nur annäherungsweise Übertragung der realen Situation in das Modell ergeben. Je weiter der angenommene Vorhersagehorizont gewählt wird, desto unsicherer wird die Aussage. Es ist daher sinnvoll, immer einen Entwicklungskorridor zu betrachten, denn ein konkretes Entwicklungsszenario.
Auf Grundlage der erstellten, hydrogeologischen Strukturmodelle (Leiter-Stauer-Modelle) in den drei Untersuchungsgebieten (Děčínský Sněžník, Hřensko –Kirnitzschtal und Zittauer Gebirge / Lückendorf) und den darauf aufbauenden, konzeptionellen Modellen (Parametrisierung) wurden im Projekt numerische Grundwasserströmungsmodelle mit den Softwarepaketen FEFLOW und MODFLOW erstellt.
Dazu wurden die hydrostratigraphischen Einheiten der jeweiligen Strukturmodelle als Geometrien in die Programme überführt und diese mit ihren recherchierten Materialeigenschaften (hydraulischen Kennwerten) belegt. Weiterhin wurden äußere und innere Randbedingungen, wie Störungen, Randbedingungen 1.Art und 2.Art und Flussrandbedingungen implementiert.
Mit den jährlichen Entnahmen der Wasserversorgungsbrunnen und den Ergebnissen der Wasserhaushaltsmodelle BILAN und KLIWES, als obere Randbedingung wurden in den Untersuchungsgebieten stationäre Modelle kalibriert.
Die kalibrierten Grundwasserströmungsmodelle wurden zu instationären Modellen weiterentwickelt indem die jährlichen Zeitreihen der Entnahmemengen und Wasserhaushaltsdaten mit monatlichen Zeitreihen ersetzt wurden. Mit Hilfe der instationären Modelle wurden unterschiedliche Szenarien der Wasserentnahme und des Klimawandels simuliert.
Die Ergebnisse der Szenarien flossen in die Erstellung des “Leitfaden zur Quantifizierung des nutzbaren Grundwasser-Dargebotes im Festgestein mit Rücksicht auf klimatische Randbedingungen” für die öffentliche Wasserversorgung ein.
