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Hydrologie II (MGÖK) WS 2014/15 - TU Bergakademie Freiberg

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Technische Universität
Bergakademie Freiberg
Institut für Geologie
Lehrstuhl für Hydrogeologie
Skript zum Modul
Hydrologie II
Foto: V. Dunger
Modulverantwortlicher: PD Dr. Volkmar Dunger
Vorwort:
Das Modul Hydrologie II ist Bestandteil verschiedener Masterstudiengänge. Unter anderem wird es im
Masterstudiengang Geoökologie als eines von insgesamt 3 Pflichtmodulen im Rahmen des Schwerpunkts
Flussgebietsmanagement angeboten. Der zeitliche Umfang der Lehrveranstaltung beträgt je 2
Semesterwochenstunden Vorlesung, Übung sowie Computerpraktikum. In Summe werden durch die
Studierenden 8 Leistungspunkte erworben.
Die Lehrveranstaltung Hydrologie II setzt hydrologisches Grundwissen voraus, das in dem im Bachelorstudium angebotenen Modul Hydrologie I vermittelt wurde und greift darüber hinaus neue praxisorientierte
Aspekte auf. Hauptziele der Lehrveranstaltung Hydrologie II sind die Vertiefung und eigenständige
Anwendung von hydrologischem Wissen für praxisrelevante Aufgaben.
Hauptinhalte der Vorlesungen Hydrologie II sind:
- regionale Hydrologie Deutschlands und Sachsens,
- Hydrologie in urbanen Räumen insbesondere unter dem Aspekt der hydrologischen Planung dezentraler
Versickerungsanlagen,
- Verfahren zur Ermittlung der Grundwasserneubildung und
- Modellansätze zur Quantifizierung des Boden-, Halden und Deponiewasserhaushalts.
Das vorliegende Skript soll einen Leitfaden darstellen. Es sind stichpunktartig und illustrativ die Schwerpunkte der einzelnen Vorlesungen zusammengefasst. Da es sich hierbei um ein internes Studienmaterial
handelt, wurde auf detaillierte Literaturhinweise (Zitate) verzichtet. Lediglich die Bildquellen sind kenntlich
gemacht, sofern sie nicht eigenen Arbeiten entnommen sind.
Bei der Ausarbeitung des Skriptes ist im Wesentlichen auf die bereits im Skript zur Vorlesung Hydrologie I
genannte Literatur zurückgegriffen worden. Am Ende eines jeden Themenkomplexes finden sich darüber
hinaus Informationen zu vertiefender Literatur. Daneben wurden Forschungsarbeiten des Lehrstuhls für
Hydrogeologie der TU Bergakademie Freiberg genutzt.
Ich hoffe und wünsche, dass das Skript dazu beiträgt, die Vorlesungen für den Studenten angenehmer zu
gestalten und dass die Zeit, die ansonsten nur zum Mitschreiben verwendet würde, der erhöhten
Aufmerksamkeit zugute kommt und damit dem besseren Verständnis dient.
Für Hinweise und Vorschläge, die der Verbesserung des Vorlesungsskriptes dienen, bin ich jederzeit
dankbar.
Freiberg, im Oktober 2014
Volkmar Dunger
Inhaltsverzeichnis
Seite
1.
Regionale Hydrologie Deutschlands und Sachsens
1.1.
1.2.
1.2.1.
1.2.2.
1.2.3.
1.2.4.
1.2.5.
1.2.6.
1.3.
1.4.
Kennzeichnungsgrößen der regionalen Hydrologie
Regionale Hydrologie Deutschlands
Variabilität des Niederschlages in Deutschland
Schneeverhältnisse in Deutschland
Variabilität der potentiellen Verdunstung
Durchfluss, oberirdisches Fließgewässernetz
Standgewässer
Hydropedologie
Regionale Hydrologie Sachsens
Vertiefende Literatur zur regionalen Hydrologie
5
5
5
10
12
13
15
16
18
20
2.
Dezentrale Versickerungsanlagen
21
2.1.
2.2.
2.3.
2.3.1.
2.3.2.
2.3.3.
2.3.4.
2.3.5.
2.4.
Ziel und Notwendigkeit dezentraler Versickerungsanlagen
Arten dezentraler Versickerungsanlagen
Hydrologische Bemessung dezentraler Versickerungsanlagen
Vorbemerkungen
Hydrologische Bemessung von Anlagen zur Flächenversickerung
Muldenversickerung
Rigolen- und Rohrversickerung
Schachtversickerung
Vertiefende Literatur zu dezentralen Versickerungsanlagen
21
22
25
25
27
27
28
30
35
3.
Grundwasserneubildung
36
3.1.
3.2.
3.2.1.
3.2.2.
3.2.2.1
3.2.2.2
3.2.2.3.
3.2.2.4.
3.2.2.5.
3.2.2.6.
3.2.2.7.
3.2.2.8.
3.2.3.
Definition und Bedeutung
Verfahren zur Ermittlung der Grundwasserneubildung
Überblick
Wasserhaushaltsmethoden
Wasserkreislauf, Wasserhaushalt
Ermittlung aus Lysimeterdaten
Schlüsselkurven nach GABRIEL und ZIEGLER
Schlüsselkurven nach KRAFT und SCHRÄBER
BAGLUVA-Verfahren
Nutzung von Wasserwerksdaten
Regressionsgleichung nach RENGER & WESSOLEK, TUB-BGR-Verfahren
Bodenwasserhaushaltsmodelle
Nutzung des Durchflussverhaltens von Fließgewässern zur Ermittlung der
Grundwasserneubildung
Berechnung auf Basis monatlicher Niedrigwasserdurchflüsse (MoMNQVerfahren nach WUNDT und KILLE)
Trockenwetterlinie nach WUNDT
Durchflussganglinien-Separationsverfahren
36
36
36
37
37
38
40
44
46
52
53
56
57
3.2.3.1.
3.2.3.2.
3.2.3.3.
5
57
58
59
3.2.3.4.
60
3.2.4.
3.2.4.1.
3.2.4.2.
3.3.
Voraussetzungen in Bezug auf die Nutzbarkeit von Informationen zum
Durchflussverhalten von Fließgewässern zur Ermittlung der Grundwasserneubildung
Einsatz von Markierungsstoffen
Prinzip der Tracermessung
Chloridmethode
Vertiefende Literatur zur Grundwasserneubildung
4.
Wasserhaushaltsmodellierung
65
4.1.
4.2.
65
67
4.2.1.
4.2.2.
4.2.3.
4.3.
4.3.1.
4.3.2.
4.4.
4.4.1.
4.4.2.
4.4.3.
4.4.4.
4.5.
Notwendigkeit von Wasserhaushaltsuntersuchungen
Das Modell BOWAM – ein Beispiel für die Modellierung des Bodenwasserhaushaltes
Modellinhalt
Beispiele für BOWAM-Modellkalibrierungen/-validierungen
Beispiele für BOWAM-Modellanwendungen
Modellierung des Haldenwasserhaushaltes
Halden des ehemaligen Uranerzbergbaus der Wismut
Modellanwendung und -kalibrierung am Beispiel der Kalihalde Bleicherode
Modellierung des Wasserhaushaltes von Deponien
Besonderheiten des Wasserhaushaltes von Deponiekörpern
Wasserhaushalt von Oberflächensicherungen
Beispiele für Wasserhaushaltmodellierungen von Oberflächensicherungen
Nachnutzung von Deponien
Vertiefende Literatur zur Wasserhaushaltsmodellierung
Anhang 1:
Übungen zum Modul Hydrologie II
Anhang 2:
Anleitung zur Projektarbeit Wasserhaushaltsmodellierung
61
61
62
63
67
68
73
74
74
78
79
79
80
92
114
117
Skript zum Modul Hydrologie II
5
1.
Regionale Hydrologie Deutschlands und Sachsens
1.1.
Kennzeichnungsgrößen der regionalen Hydrologie
* Größen, die die regionale Hydrologie kennzeichnen:
- Größen des Wasserhaushaltes (Niederschlag, Verdunstung, Abfluss, Schneebedingungen)
- oberirdisches Gewässernetz (Einzugsgebiete, Pegelnetz, Durchflussmengen)
- Boden- und Grundwasserhaushalt (Wasserspeicherungs- und -transportvermögen des Untergrundes,
Grundwasserneubildung, unterirdische Einzugsgebiete) Æ s. Modul Hydrogeologie
1.2.
Regionale Hydrologie Deutschlands
1.2.1. Variabilität des Niederschlages in Deutschland
* mittlere jährliche Niederschlagshöhen (alle Angaben unkorrigiert):
- Jahresmittelwert für Deutschland:
- alte Bundesländer:
- neue Bundesländer:
800 mm/a
837 mm/a
630 mm/a
* große regionale Variabilität:
-
Regenschatten Harz:
Alpen:
weite Teile im Tiefland Ostdeutschlands:
weite Teile im Tiefland Nordwestdeutschlands:
Minimum: Station Atzendorf (südöstliches Harzvorland):
Maximum: Station Balderschwang (Allgäu):
ca. 400 – 450 mm/a
ca. 1 200 – knapp 2 500 mm/a
ca. 500 mm/a
ca. 800 mm/a
399 mm/a
2 450 mm/a
* Einflüsse auf regionale Niederschlagsunterschiede:
a) zunehmende Kontinentalität von West nach Ost Æ abnehmende Jahressummen (Æ vgl. Bild 1.1):
Beispiel: St. Peter-Ording an der Nordsee: 810 mm/a
Marienleuchte/Ostsee:
560 mm/a
Æ beide Stationen auf gleichem Breitengrad
b) abnehmende Zyklonalität von Nord nach Süd (Æ weniger häufiges Auftreten von Tiefdruckgebieten
Æ theoretisch seltenere Niederschläge, aber: in Deutschland wegen c) wenig ausgeprägt)
c) zunehmende Orographie von Nord nach Süd (Æ Zunahme der Niederschlagshöhen) Æ vgl. Bild 1.2
d) Gebirgsausrichtung: Luv-/Leebereiche mehr oder weniger deutlich ausgeprägt Æ s. ebenfalls Bilder
1.1 und 1.2
* Schwankungsbreite der Jahresniederschläge:
- mittlere Schwankungsbreite: ca. " 20 % (mit regionalen Unterschieden)
- Einzeljahre: " 30 % (niederschlagsreichere Gebiete) ... 40 % (niederschlagsärmere Gebiete), in
Extremfällen noch darüber
- Beispiele Æ s. Tabelle 1.1 und Bild 1.3
Skript zum Modul Hydrologie II
Bild 1.1: Langjährig mittlere Jahresniederschläge (West-Ost-Schnitt in 51 E 50 ' n. Br., HAD, 2000)
Bild 1.2: Langjährig mittlere Jahresniederschläge (Nord-Süd-Schnitt in 10 E 10 ' ö. L., HAD, 2000)
6
Skript zum Modul Hydrologie II
Tabelle 1.1:
7
Mittlere und extreme Jahresniederschlagsmengen für ausgewählte Stationen (Zeitraum 1961 – 1990,
HAD, 2000)
Station
Mittelwert
[mm/a]
Maximum
[mm/a]
Abweichung
[%]
Arkona
Brocken
Cottbus
Erfurt
Feldberg/Schwarzwald
Breiburg i. Br.
Hamburg
Karlsruhe
Kassel
Köln
München
Zugspitze
521
1 814
563
500
1 909
955
770
770
698
803
967
2 003
658
2 338
864
671
2 494
1 222
988
1 022
1 086
1 078
1 201
2 724
126
129
153
134
131
128
128
133
155
134
124
136
Jahr
Minimum
[mm/a]
Abweichung
[%]
Jahr
1965
1981
1974
1987
1965
1965
1980
1965
1981
1966
1965
1981
331
1 080
335
296
1 345
682
542
462
496
510
796
1 476
64
60
60
59
70
71
70
60
71
63
82
74
1971
1963
1976
1982
1971
1971
1971
1971
1976
1976
1976
1963
Bild 1.3: Jahresniederschläge der Station Görlitz (Zeitraum 1858 – 1996, HAD, 2000)
Skript zum Modul Hydrologie II
8
* saisonale Niederschlagsschwankungen:
- Verhältnis Sommer-/Winterniederschläge von Bedeutung für Wasserbilanzierungen und wasserwirtschaftliche Planungen:
Æ Auffüllung der Wasserressourcen im hydrologischen Winterhalbjahr
Æ Aufbrauch im hydrologischen Sommerhalbjahr
- Verhältnis Sommer-/Winterniederschläge in Deutschland:
Æ hydrologisches Sommerhalbjahr: 54 % des Jahresniederschlages
Æ hydrologisches Winterhalbjahr: 46 % des Jahresniederschlages
- Besonderheiten der Sommerniederschläge:
Æ Überwiegen konvektiver Niederschläge (Schauerniederschläge) im Tiefland
Æ höheres Kondensationsniveau im Vergleich zum Winterhalbjahr
Æ advektive (Stau-)Niederschläge insbesondere im Hochgebirge (Alpen) und dessen Vorland,
wegen des hohen Kondensationsniveaus in den Mittelgebirgsregionen wenig ausgeprägt Æ vgl.
Bild 1.4
Bild 1.4: Langjährig mittlere Halbjahresniederschläge (Nord-Süd-Schnitt in 10 E 10 ' ö. L., HAD, 2000)
- Besonderheiten der Winterniederschläge:
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Überwiegen advektiver Niederschläge (infolge feuchter Meeresluftmassen)
geringeres Kondensationsniveau im Vergleich zum Sommerhalbjahr
ausgeprägte Luv-Lee-Einflüsse
infolge des geringen Kondensationsniveaus bereits Stauniederschläge infolge geringer
Erhebungen (Tiefland und Mittelgebirge) Æ vgl. Bild 1.5
o. g. Effekte überlagert durch zunehmende Kontinentalität mit wachsender Entfernung zum
Meer
Skript zum Modul Hydrologie II
Bild 1.5: Langjährig mittlere Halbjahresniederschläge (West-Ost-Schnitt in 51 E 10 ' n. Br., HAD, 2000)
* Niederschlagstypen in Deutschland:
Meerestyp:
-
Niederschlagsminimum im Frühjahr
Niederschlagsmaximum im Herbst
Ursache: verzögerte Abkühlung/Erwärmung des Meerwassers gegenüber dem Festland
keine ausgeprägten Starkregen kurzer Dauer
Vertreter: Nordwestdeutsches Tiefland
Sommerniederschlagstyp:
-
Niederschlagsminimum im Winter, Maximum im Sommer
Ursache: konvektive Niederschläge infolge der Erwärmung der Landflächen Æ s. auch Bild 1.6
z. T. sehr ausgeprägte Starkregen kurzer Dauer (Alpen)
Vertreter: Nordostdeutsches Tiefland, Mittelgebirgstäler, Alpen und
Alpenvorland
Mittelgebirgstyp:
-
zwei Niederschlagsmaxima im Sommer und im Winter (beide wenig
ausgeprägt)
Ursache: Wirken konvektiver/advektiver Niederschlagsprozesse sowie
Stauniederschläge
durchschnittliche Starkregenhöhen kurzer Dauer
Vertreter: mittlere und hohe Lagen der östlichen Mittelgebirge
Winterniederschlagstyp:
-
Niederschlagsminimum im Sommer
Niederschlagsmaximum im Winter
Ursache: Überwiegen der advektiven Niederschläge, verbunden mit
intensiven Stauerscheinungen
z. T. sehr ausgeprägte Starkregen kurzer Dauer (Schwarzwald)
Vertreter: mittlere und hohe Lagen der westdeutschen Mittelgebirge
9
Skript zum Modul Hydrologie II
10
Bild 1.6: Häufigkeit der Niederschlagsmengen in den Monaten Februar und Juli (HAD, 2000)
1.2.2. Schneeverhältnisse in Deutschland
* hydrologische Bedeutung:
- für Wasserhaushaltsbetrachtungen (Rücklage)
- Wasserfreisetzung (Schneeschmelze) Æ Abflussbildung
* hydrologisch relevante Parameter:
- mittleres Eintrittsdatum des ersten und letzten Schneedeckentages Æ mittlere Schneedeckendauer Æ
deutliche NN-Höhenabhängigkeit Æ vgl. Bild 1.7:
Æ mittleres Eintrittsdatum des ersten Schneedeckentages: ca. 4 Tage früher je 100 m Höhenzunahme
Æ mittleres Eintrittsdatum des letzten Schneedeckentages: ca. 7 Tage später je 100 m Höhenzunahme
- mittlere Schneedeckendauer:
Æ mittlere Schneedeckendauer im Tiefland:
Westdeutschland: < 20 d im Jahr
Ostdeutschland: ca. 40 d im Jahr
(mit großen Schwankungen von Jahr zu Jahr Æ Beispiel s. Bild 1.8)
Æ Kammlagen der Mittelgebirge: 150 – 200 d im Jahr
Æ Kammlagen der Alpen:
> 250 d im Jahr (Zugspitze: im Mittel 350 d im Jahr)
- mittleres Eintrittsdatum der maximalen Schneedecke:
Æ im Tiefland:
Mitte Januar
Æ Kammlagen der Mittelgebirge: Mitte bis Ende Februar
Æ Kammlagen der Alpen:
Mitte März
Skript zum Modul Hydrologie II
11
Bild 1.7: Schneedeckendauer in Abhängigkeit von der Geländehöhe (Naab-Regen-Einzugsgebiet, HAD,
2000)
Bild 1.8: Schneedeckendauer von Potsdam (Zeitraum 1901/02 - 1990/91, HAD, 2000)
Skript zum Modul Hydrologie II
12
- Äquivalentwassergehalt der Schneedecke:
Æ Anteil der Schneedecke (Äquivalentwassergehalt) am Jahresniederschlag:
Tiefland:
< 10 %
Mittelgebirge: 20 – 40 %
Alpen:
> 40 %, z. T. deutlich > 50 %
* Einfluss der Schneedecke auf das Abflussgeschehen in Deutschland (zwei unterschiedlich reagierende Gebiete):
a) westlich einer Linie Karlsruhe-Lübeck:
- keine nennenswerte Beeinflussung des Abflussgeschehens durch Schneerücklagen
- sofortige Wirkung von Niederschlägen auf die Abflussbildung
- Abflussmaxima in den Wintermonaten (Januar, Februar)
b) östlich einer Linie Karlsruhe-Lübeck:
- zunehmender Einfluss des Schneerückhaltes auf die Abflussbildung
- insbesondere in den Mittelgebirgen:
Æ regelmäßige Ausbildung einer Schneedecke
Æ Niedrigwasserperioden im Hochwinter
Æ Abflussmaximum i. d. R. im Frühjahr (März, April) infolge Schneeschmelze, häufig verbunden mit Regenfällen infolge einer zyklonalen Warmfront
- insbesondere in den Alpen:
Æ fast vollständige Zwischenspeicherung der Niederschläge in den Wintermonaten
Æ winterliches Abflussminimum infolge einer mehrmonatigen, ununterbrochenen Schneedecke
Æ sommerliches Abflussmaximum infolge Schneeschmelze und sommerlicher Starkregenereignisse
1.2.3. Variabilität der potentiellen Verdunstung
* Abhängigkeiten der potentiellen Verdunstung:
- von der Kontinentalität
- von der geodätischen Höhe
* potentielle Verdunstungswerte für Deutschland:
-
Maximalwerte: > 650 mm/a (Oberrheinebene bei Freiburg i. Br.)
Minimalwerte: ca. 300 mm/a (Alpen)
Norddeutsches Tiefland: ca. 525 – 575 mm/a
Berliner Raum, Sachsen, Sachsen-Anhalt und Rheintal: 575 – 650 mm/a
Mittelgebirge: 400 – 450 mm/a (Kammlagen z. T. darunter)
Alpen: < 350 mm/a – 400 mm/a
* Abnahme der potentiellen Verdunstung mit der Höhe:
- bis 100 m NN: um 32 mm/a je 100 m
- von 100 bis 700 m NN: um 14 mm/a je 100 m
Skript zum Modul Hydrologie II
1.2.4. Durchfluss, oberirdisches Fließgewässernetz
* Geschichte der Gewässerbeobachtungen in Deutschland:
- regelmäßige Wasserstandsmessungen seit dem 18. Jahrhundert:
ältester Pegel: Magdeburg (Elbe): 1727
weiter Elbpegel: Barby (1753), Meißen (1775), Dresden (1776), Hamburg (1786)
Rhein: Düsseldorf (1766), Köln (1770)
Oder: Stettin (1771), Küstrin (1778)
Havel: Berlin-Spandau (1811), Brandenburg (1811)
Nordsee: Wilhelmshaven, Alter Vorhafen (1854)
Ostsee: Wittow (1854), Stralsund (1846), Warnemünde (1848), Vitter Bodden (1853)
Donau: Passau Ilzstadt (1876), Hofkirchen (1901)
- Entwicklung des Pegelnetzes im 19. und 20. Jahrhundert Æ s. Bild 1.9
Bild 1.9: Entwicklung des Pegelnetzes im 19. und 20. Jahrhundert (HAD, 2000)
- Pegelanzahl 1995:
Æ insgesamt:
4 241
Æ davon:
561 Pegel des Bundes (Bundeswasserstraßen)
3 680 Pegel der Länder
- Pegeldichte (gegenwärtig):
Æ gesamte Bundesrepublik: 1 Pegel für ca. 100 km2 Einzugsgebietsfläche
Æ Pegeldichte: Rhein > Elbe > Donau > Weser/Ems > Oder > Küstengebiete
13
Skript zum Modul Hydrologie II
14
- Durchflussmessungen im 18. und 19. Jahrhundert:
Æ Schwimmermessung
Æ Wasserrad
Æ hydrometrisches Pendel
Æ Waage
- Durchflussmessungen im 20. Jahrhundert:
Æ hydrometrischer Messflügel
* Hauptflussgebiete Deutschlands: Æ s. Tabelle 1.2
Tabelle 1.2: Einzugsgebiete der Strom- und Küstengebiete (HAD, 2000)
Einzugsgebiet
Einzugsgebietsfläche in
Deutschland [km2 ]
Einzugsgebietsfläche
insgesamt [km2 ]
Flusslänge insgesamt
[km]
Rhein
104 660
185 300
1 320
Elbe
96 930
148 270
1 091
Donau
59 630
817 000
5 857
Weser
46 300
46 300
432
Ostsee
22 280
Ems
13 200
15 600
370
118 860
850
Nordsee
6 540
Oder
5 590
* Abflusswerte für Deutschland:
- Abflüsse sind Resultat des Wechselspiels von Niederschlag und realer Verdunstung und damit
abhängig von einer Vielzahl regionaler Gegebenheiten:
Æ Witterung und Klima
Æ vorrangige Gebietsnutzung
Æ Boden und geologischer Untergrund
- natürliche Abflüsse (ohne Bergbaubeeinflussung) schwanken in Deutschland zwischen < 50 mm/a
(Regenschatten Harz, Rheintalgraben südlich Mainz) und > 1 600 mm/a (Alpengipfel):
Æ westdeutsches Tiefland:
verbreitet 100 … 300 mm/a
Æ ostdeutsches Tiefland:
verbreitet 50 … 150 mm/a (Küstennähe bis 250 mm/a)
Æ westliche Mittelgebirge: 400 (Vorland) … 1 200 mm/a (Kammlagen)
Æ östliche Mittelgebirge:
300 (Vorland) … 900 mm/a (Kammlagen)
Æ Alpen:
400 (Vorland) … > 1 600 mm/a (Kammlagen)
- große Unterschiede im Abflussverhalten vor allem im hydrologischen Sommerhalbjahr:
Æ Tiefland: verbreitet < 100 mm/a, nicht selten (Ostdeutschland) < 50 mm/a
Æ östliche Mittelgebirge: nicht wesentlich höher
Æ westliche Mittelgebirge: bis ca. 400 mm/a (Schwarzwald)
Æ Alpen: in Kammlagen > 1 000 mm/a
Skript zum Modul Hydrologie II
15
* Durchflussverhalten:
- abhängig von der Abflussbildung (s. o.) sowie von der Abflusskonzentration und vom -verlauf
- gebräuchliche Größen zur Charakterisierung des Durchflussverhaltens (neben den Hauptzahlen des
Durchflusses, vgl. Abschnitt 5.5.2, Skript Hydrologie I):
Æ Verhältnis mittlerer Hochwasserdurchfluss MHQ zu mittlerem Niedrigwasserdurchfluss MNQ
Æ Verhältnis Sommer- zu Winterabfluss
- Verhältnis MHQ/MNQ:
Æ generelle Abhängigkeit: je größer das Einzugsgebiet (der Fluss), je kleiner MQH/MNQ
Æ große Flüsse (außer Quellgebiete): MHQ/MNQ = 5 – 10, Mündungsgebiete: Nahe 5
Æ kleinere Flüsse: MHQ/MNQ häufig 10 – 50, Bäche: nicht selten > 100
Æ Gebirgsbäche (Mittel- und Hochgebirge): nicht selten > 200
- Verhältnis Sommer- zu Winterabfluss:
Æ vgl. Zusammenhänge Niederschlag/Schneedecke, s. o.
Æ kleinere Flachland und Mittelgebirgsbäche bzw. -flüsse: überwiegend Winterabflüsse (Winter-/
Sommerabfluss: Faktor 1,5 ... 4)
Æ große Flüsse: i. d. R. ausgeglichenes Verhältnis
Æ alpine Bäche: überwiegend Sommerabflüsse (Sommer-/Winterabfluss: Faktor 1,5 ... > 2)
1.2.5. Standgewässer
* räumliche Verteilung:
Maß: Seedichte (in % bzw. km2 /km2 )
Parameter Seedichte in seereichen Gebieten (> 10 % Seedichte) bedeutsamer als Flussdichte
abhängig vor allem vom Einfluss eiszeitlicher Prozesse
höchste Seedichte in den Jungmoränengebieten (Mecklenburg-Vorpommern, Schleswig-Holstein
und Brandenburg) Æ Resultat der nordeuropäischen Inlandvereisung
- größte und tiefste Seen am nördlichen Alpenrand infolge der alpinen Vorlandvergletscherung
-
* Größenverteilung der Seen in Deutschland:
- von der Anzahl her überwiegen kleine Seen mit einer Fläche von < 0,25 km2
- Größenverteilung Æ s. Bild 1.10
Bild 1.10:
Verteilung der Seeflächen in Deutschland (HAD, 2000)
Skript zum Modul Hydrologie II
16
* Seenlandschaften in Deutschland:
- Norddeutsches Tiefland:
Æ im Bereich der Grundmoränen und Urstromtäler
Æ trotz unterdurchschnittlicher Niederschläge hohe Seedichte infolge relativ dichten Untergrundes, geringer Reliefenergie und hoher Grundwasserstände
Æ breites Spektrum hinsichtlich Seegröße
Æ flächenmäßig größte Seen: Müritz, Schweriner See
Æ meist sehr geringe Seetiefe (< 10 m)
Æ z. T. (insbesondere im Berliner Raum) stark durchflossen
- nördliches Alpenvorland:
Æ wegen der vergleichsweise hohen Reliefenergie Entstehung von großen und tiefen Seen
(Bodensee, Chiemsee, Starnberger See, Ammersee), selten von kleineren Seen
- Seen im Mittelgebirge:
Æ Mittelgebirgsvereisung Ævereinzelt kleinere Seen (z.B. Karseen)
Æ künstliche Stauseen in ehemaligen Tälern
Æ künstliche Wasserspeicher, z. T. bereits im Mittelalter an Bächen und kleineren Flüssen
angelegt (Fisch- und Mühlweiher, bergbauliche Speicher)
- Seen im Bereich großer Flüsse:
Æ natürliche bzw. künstliche Altwasserarme: charakteristische Bogenform, i. d. R. sehr flach,
rasche Verlandung
Æ Baggerseen (infolge Kiesabbau)
1.2.6. Hydropedologie
* Definition und Kennwerte:
- Hydropedologie = Einfluss des Bodens auf hydrologische Prozesse (insbesondere Abflussbildung
und Verdunstung)
- wesentliche Kennwerte:
Æ Tiefe des effektiven Wurzelraumes
Æ Feldkapazität (pF > 1,8) Æ charakterisiert Haftwasser
Æ nutzbare Feldkapazität (pF 1,8 ... 4,2) Æ charakterisiert pflanzenverfügbares Haftwasser
Æ Luftkapazität (pF < 1,8) Æ charakterisiert gravitativ entwässerbares Wasser
* Tiefe des effektiven Wurzelraumes = effektive Durchwurzelungstiefe (We):
- Tiefe, in der am Ende der Vegetationsperiode in niederschlagsarmen Jahren für grundwasserferne
Standorte gilt:
aktueller Wassergehalt - permanenter Welkepunkt = Feldkapazität - aktueller Wassergehalt
- Beispiel Æ s. Bild 1.11
- Maß für das mögliche Wurzeltiefenwachstum
- We abhängig von:
Æ bodenphysikalischen Eigenschaften (hohe We-Werte für Schluff- und Tonböden)
Æ Nährstoffangebot (-mangel)
Æ pH-Wert (limitierend: insbesondere niedrige pH-Werte)
Æ Vegetationsart (Unterteilung zumindest hinsichtlich Acker- und Grünland sowie Wald)
Skript zum Modul Hydrologie II
17
Bild 1.11:
Beispiel für die Ermittlung der effektiven
Durchwurzelungstiefe (AG BODEN, 2005)
- Gebiete in Deutschland mit hohen We-Werten (vorrangig landwirtschaftlich genutzt):
Æ Löß- und Sandlößgebiete Mitteldeutschlands
Æ Tertiärhügelgebiete im Alpenvorland
Æ Talauen der großen Flüsse
Æ Kalkmarschgebiete an der Nordseeküste
- Gebiete in Deutschland mit geringen We-Werten (vorrangig forstwirtschaftlich genutzt):
Æ leichte Sandböden des Altpleistozäns (Brandenburg)
Æ Moorstandorte (Niedersachsen, Mecklenburg-Vorpommern)
Æ flachgründige Waldböden der Mittelgebirge und der Alpen
* Feldkapazität (FK):
- FK = Maß für das Wasserspeichervermögen und das Rückhaltevermögen des Bodens in Bezug auf
den Stofftransport
- Gebiete in Deutschland mit hohen FK-Werten:
Æ Nieder- und Hochmoorgebiete (vor allem im Norddeutschen Tiefland)
Æ tonreiche Aueböden in den Flusstälern
Æ Lößgebiete Mitteldeutschlands
- Gebiete in Deutschland mit geringen FK-Werten:
Æ Mittel- und Hochgebirgsböden
Æ Sandböden im Bereich der Alt- und Jungmoränengebieten
* nutzbare Feldkapazität (nFK):
- nFK = Maß für das pflanzenverfügbare Haftwasser im Boden
- Gebiete in Deutschland mit hohen bzw. niedrigen nFK-Werten:
Æ analog den Gebieten mit hohen bzw. geringen We-Werten Æ s. o.
Skript zum Modul Hydrologie II
18
* Luftkapazität (LK):
- LK = Maß für das Wassertransportvermögen des Bodens
- Gebiete in Deutschland mit hohen bzw. niedrigen LK-Werten:
Æ LK verhält sich invers zur nFK und zum We
Æ hohe LK-Werte: Sandböden im Bereich der Alt- und Jungmoränengebieten sowie der pleistozänen Niederungen
Æ geringe LK-Werte: auf Mittel- und besonders Hochgebirgsböden
Ableitung von Aussagen zur regionalen hydrologischen Situation eines Gebiets in Deutschland Æ
Übungen 1 bis 3
1.3.
Regionale Hydrologie Sachsens
* Wasserbilanz Sachsens:
- Wasserhaushaltsgrößen für Sachsen Æ s. Tabelle 1.3
Tabelle 1.3: Wasserbilanz Sachsens (langjährige Jahressummen in mm/a)
Niederschlag
Reale Verdunstung
Abfluss
Sachsen
710
470
240
Ostdeutschland
630
480
150
Deutschland
800
510
290
- Schwankungsbereich der langjährig mittleren Niederschläge:
Æ Tiefland:
500 mm/a (Minimum: Station Gröditz: 486 mm/a)
Æ Kammlagen Erzgebirge: 1 200 mm/a (Maximum: Station Carlsfeld: 1 229 mm/a)
- Schwankungsbereich der langjährig mittleren potenziellen Verdunstung:
Æ ca. 400 mm/a (Kammlagen Erzgebirge) … ca. 650 mm/a (Nordsachsen. Lausitz)
- Schwankungsbereich der Abflüsse:
Æ ca. 30 mm/a (Elbtal im Raum Riesa/Strehla) … 910 mm/a (Westerzgebirge, Raum Carlsfeld)
* Fließgewässer:
- Pegeldichte (Stand: 2005):
Æ insgesamt 263 Messstellen, davon:
Basisnetz (Landesnetz): 176 Messstellen
Kontroll-, Steuer- und Sondermessnetz: 75 Messstellen
Hochwassermeldepegel: 108 Messstellen
- Charakteristik Abflussgeschehen:
Æ hohe Winterabflüsse
Æ geringe Sommerabflüsse
- Hauptzahlen ausgewählter sächsischer Pegel Æ Tabelle 1.4
* Standgewässer:
- Spezifik Sachsens: Vielzahl von Talsperren und Wasserspeichern im Zusammenhang mit der
Wasserversorgung und der Bergbautätigkeit (kleine Reservoire ... große Tagebaurestlöcher)
Skript zum Modul Hydrologie II
19
- Übersicht über Talsperren, Wasserspeicher und HW-Rückhaltebecken in Sachsen Æ Tabelle 1.5
Tabelle 1.4: Hauptzahlen ausgewählter sächsischer Pegel (alle Werte in m3 /s)
Gewässer (Pegel)
Messreihe
NQ
MNQ
MQ
MHQ
HQ
Elbe (Dresden)
1931 – 2009
22,5
106
326
1 460
4 580
Vereinigte Mulde (Golzern)
1911 – 2009
1,4
13,2
62,0
516
2 600
Lausitzer Neiße (Görlitz)
1913 – 1995
1,25
5,08
17,6
177
743
Zwickauer Mulde (Zwickau)
1928 – 2009
0,39
3,08
14,3
127
683
Spree (Bautzen)
1926 – 1995
0,10
0,83
2,61
35,5
130
Schwarze Elster (Trado 3)
1964 – 1995
0,00
0,13
0,78
8,17
15,9
Tabelle 1.5: Talsperren (inkl. Vorsperren), Wasserspeicher und Hochwasserrückhaltebecken in Sachsen
Anl.
insg.
RB
Dresd
RB
Chem
RB
Leipz
Anzahl
Mio. m3
Anzahl
Mio. m3
Anzahl
Mio. m3
Anzahl
Mio. m3
Trinkwasserspeicher
35
239,7
8
62,7
27
177,0
0
0,0
Brauchwasserspeicher
55
214,1
14
84,7
30
111,2
12
18,2
Betriebsspeicher (Restseen)
12
122,6
6
97,6
2
1,7
4
23,3
Hochwasserrückhaltebecken
17
68,9
12
8,0
0
0,0
5
60,9
119
645,3
40
253,0
58
289,9
21
102,4
Sachsen insgesamt
- bedeutende Talsperren in Sachsen:
Æ Eibenstock: 75,4 Mio. m3 Speicherinhalt
Æ Pöhl: 69,2 Mio. m3 Speicherinhalt
Æ Bautzen: 48,1 Mio. m3 Speicherinhalt
Æ Quitzdorf: 25,1 Mio. m3 Speicherinhalt
Æ Saidenbach: 22,4 Mio. m3 Speicherinhalt
Æ Lehnmühle: 21,9 Mio. m3 Speicherinhalt
Æ zum Vergleich: Talsperre Bleiloch/Harz (größter Speicher Deutschlands: 215 Mio. m3 )
- Speichervolumina ausgewählter Speicher ehemaliger Tagebaugebiete:
Æ Borna: 97,1 Mio. m3 Speicherinhalt
Æ Witznitz: 27,2 Mio. m3 Speicherinhalt
- bergbauliche Speicheranlagen:
Æ Speicherbauwerke bis in das frühe Mittelalter zurück reichend, Beispiel: Freiberger Kunstgrabenund Röschensystem (Kunstteiche mit fast 6 Mio. m3 Speicherinhalt in Summe)
Æ große wasserhaushaltliche Eingriffe in den Braunkohlengebieten Mitteldeutschlands (Lausitz,
Leipzig) Æ nirgends in Deutschland in solch großem Umfang:
Æ Beispiel Lausitz:
- Fläche des durch Grundwasserabsenkungen beeinflussten Gebietes: ca. 2100 km2 (entspricht
fast der Fläche des Saarlandes)
- Defizit an Grundwasser: > 9 Mrd. m3 (ca. 4 300 mm/a) Æ Wiederauffüllungszeitraum (ohne
künstliche Anreicherung: bei ca. 50 – 100 mm/a Æ ca. 50 – 100 a
- Nutzung von künstlichen Speicherräumen zur gezielten Grundwasseranreicherung:
Beispiel: Speicherbecken Lohsa II mit ca. 73 Mio. m3 Speicherraum (bei Endfüllung 2013)
Skript zum Modul Hydrologie II
1.4. Vertiefende Literatur zur regionalen Hydrologie
- Deutschland:
HAD Hydrologischer Atlas von Deutschland
Herausgeber: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit
Erscheinungsjahr: 2000 (ständig aktualisiert)
Gewässerkundliche Jahrbücher
Herausgeber: Bundesanstalt für Gewässerkunde
Erscheinungsjahr: jährlich
Starkniederschlagshöhen für Deutschland KOSTRA
Herausgeber: Deutscher Wetterdienst Offenbach
Erscheinungsjahr: 1997
- Westdeutschland:
Hydrologischer Atlas der Bundesrepublik Deutschland
Herausgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Erscheinungsjahr: 1978
- Ostdeutschland:
NAU Niederschlag-Abfluß-Unterschied-Karte über das Gebiet der DDR
Herausgeber: Institut für Wasserwirtschaft Berlin
Erscheinungsjahr: 1959
- Sachsen:
Umweltberichte: Berichte zur Entwicklung der Umwelt im Freistaat Sachsen
Herausgeber: Sächsisches Staatsministerium für Umwelt und Landesentwicklung
Erscheinungsjahr: aller 4 Jahre (1994, 1998, ...)
20
Skript zum Modul Hydrologie II
2.
21
Dezentrale Versickerungsanlagen
2.1. Ziel und Notwendigkeit dezentraler Versickerungsanlagen
* dezentrale Versickerungsanlagen:
- Anlagen zur Versickerung nicht schädlich verunreinigter Niederschlagswässer
- künstliche Erhöhung der sich erneuernden Grundwasserressourcen
- Gewährleistung eines ausreichenden Grundwasserschutzes
Æ quantitative und qualitative Aspekte
* Notwendigkeit einer dezentralen Versickerung:
- ständige Erhöhung der Oberflächenabflussmengen in der Vergangenheit bei gleichzeitiger Verringerung der Versickerungs- und Grundwasserneubildungsmengen infolge Flächenversiegelung
Æ zunehmende Hochwassergefahren
Æ Verknappung der unterirdischen Wasserressourcen
- Notwendigkeit entsprechender Ausgleichsmaßnahmen:
Æ Vermeidung/Minimierung der Bodenversiegelung bei der Planung (versickerungsfreundliche
Wege/Straßen, Dächer)
Æ gezielte Entsiegelung von bereits versiegelten Flächen (Flächenumgestaltung)
Æ Schaffung von zusätzlichen Versickerungsmöglichkeiten von versiegelten Flächen (dezentrale
Versickerungsanlagen)
* Voraussetzungen für eine dezentrale Versickerung von Niederschlagswasser:
- rechtliche Voraussetzungen
- hydrologisch/hydrogeologische Voraussetzungen
* rechtliche Voraussetzungen:
- keine Vorschriften für natürlich infiltrierende Niederschläge
- bei gezielter Versickerung von Niederschlagswasser Æ wasserrechtliche Erlaubnis (nach Wasserhaushaltsgesetz wegen des Faktes der Einleitung in ein Gewässer)
- Entscheidungskriterien in Bezug auf eine Erlaubnis:
Æ anthropogene Einträge über den Luftpfad (trockene und nasse Deposition) Æ Belastung des
Infiltrationswassers mit Schadstoffen
Æ Pufferwirkung der Auffang- und Infiltrationsflächen
Æ Pufferwirkung des Untergrundes (obere Bodenzone, Aerationszone)
Æ Berücksichtigung von stoff- und untergrundspezifischen (pedologischen) Eigenschaften:
- Transportverhalten der im Niederschlag enthaltenen Stoffe
- Reaktivität der im Niederschlag enthaltenen Stoffe
- pH-Wert, Aggregatgefüge, Humus- und Tonmineralgehalt des Bodens
- kf-Wert und Porenverteilung des Bodens (Feldkapazität, Saugspannung)
- mittlerer höchster Grundwasserstand: max. 1 m u. GOK (Mittel der Jahreshöchststände)
- Trinkwasserschutzzonen (generell keine Versickerung in der Schutzzone I, i. d. R. keine
Versickerung in der Schutzzonen II)
Skript zum Modul Hydrologie II
22
* hydrologisch/hydrogeologische Voraussetzungen:
- ausreichend großes Wassertransportvermögen der Schichten, die für die Versickerung genutzt
werden sollen (ausreichend großer kf-Wert in vertikaler Richtung: ca. 5 * 10-3 … 5 * 10-6 m/s)
- Mindestabstand der Versickerungsanlage zum Grundwasser (bei maximalem Grundwasserstand Æ
kleinster Grundwasserflurabstand: mindestens 1 m, Mittel der Jahresniedrigstwerte)
2.2. Arten dezentraler Versickerungsanlagen
* Überblick:
- hauptsächlich angewendete Versickerungsanlagen:
Æ Flächenversickerung
Æ Muldenversickerung
Æ Rigolen- und Rohrversickerung
Æ Schachtversickerung
- Anwendung je nach zu versickernden Niederschlagsmengen und Untergrundverhältnissen
* Gegenüberstellung der Verfahren: Æ s. Tabelle 2.1
Æ Es gibt kein Universalverfahren!
Tabelle 2.1: Gegenüberstellung dezentraler Versickerungsanlagen (GEIGER, DREISEITL, 1995)
Versickerungsanlage
Flächenversickerung
Muldenversickerung
Rigolenversickerung
Rohrversickerung
Schachtversickerung
kf-Wert
Oberfläche
++
+
+/-
Filterwirkung
++
++
---
Flächenbedarf
++
+
+/--
Aufwand/
Kosten
-+
+
++
* Flächenversickerung:
- Oberflächenversickerung ohne Wasseraufstau auf sehr gut wasserdurchlässigen Flächen:
Æ direkte Versickerung: Splitt, Kies, wasserdurchlässige Pflasterung
Æ indirekte Versickerung: in Randbereichen versiegelter Flächen (Sportplätze, Schulhöfe, …)
- prinzipieller Aufbau Æ s. Bild 2.1 (Beispiel: befestigter Weg)
Bild 2.1:
Vertikalaufbau eines befestigten Weges mit Flächenversickerung (GEIGER, DREISEITL,
1995)
Skript zum Modul Hydrologie II
23
- Vorteile:
Æ naturnahe Form der Versickerung direkt über die obere Bodenzone
Æ hohe natürliche Filterwirkung in der oberen Bodenzone (in Abhängigkeit von den Eigenschaften
insbesondere des Oberbodens)
Æ geringer Bauaufwand (bei günstigen Untergrundverhältnissen nur Profilierung notwendig)
Æ geringe Kosten
- Einsatzbereiche:
Æ Hofflächen, Zufahrten
Æ Wege: Park-, Fuß-, Radwege, ländliche Wege
Æ Campingplätze, Sportanlagen
* Muldenversickerung:
- Oberflächenversickerung in Mulden auf Flächen, bei denen die Wasserdurchlässigkeit gut, aber
geringer ist als der Niederschlagszufluss
- prinzipieller Aufbau Æ s. Bild 2.2
- zwischenzeitlicher Aufstau und Wasserspeicherung Æ vgl. auch Bild 2.2
Bild 2.2:
Vertikalaufbau einer
Anlage mit Muldenversickerung (GEIGER,
DREISEITL, 1995)
- Vorteile:
Æ ebenfalls naturnahe Form der Versickerung über die obere Bodenzone Æ hohe natürliche Filterwirkung
Æ meist noch geringer baulicher Aufwand Æ meist geringe Kosten
- Nachteil:
Æ ggf. hoher Flächenbedarf
- Einsatzbereiche:
Æ Grundstücke mit großen, nicht bewirtschafteten Grünflächen
Æ Fuß- und Radwege, ländliche Wege
Æ befestigte (versiegelte bzw. teilversiegelte) Plätze
Skript zum Modul Hydrologie II
24
* Rigolen- und Rohrversickerung:
- oberirdisch: Infiltration des Niederschlagswassers in einem kiesgefüllten Graben (Kiesrigole) u./o.
- unterirdisch: Versickerung über einen perforierten kieshinterfüllten Rohrstrang (Drainrohr)
- prinzipieller Aufbau Æ s. Bild 2.3
- zwischenzeitlicher Aufstau und Wasserspeicherung
- Vorteile:
Æ Einsatz auch auf Flächen mit nur mäßigem natürlichem Infiltrationsvermögen der Oberfläche
(Kiesrigole) oder gering mächtigen undurchlässige Schichten (Drainrohr) möglich
Æ Einsatz auf Flächen, auf denen die Versickerung aus Gründen des Grundwasserschutzes nicht
oberflächennah durchgeführt werden kann (z. B. bei oberflächennaher Bodenbelastung)
Bild 2.3:
Aufbau einer Rigolenversikkerungsanlage (hier in Kombination mit einer Muldenversickerung), GEIGER, DREISEITL
(1995)
- Nachteile:
Æ Abtrag oder Umgehen der oberen Bodenzone Æ keine Filterwirkung des Oberbodens
Æ geringerer Grundwasserschutz Æ ggf. vorherige Reinigung (Filter)
Æ höherer Bauaufwand gegenüber der Flächen- und Muldenversickerung Æ höhere Kosten
- Einsatzbereiche: ---> bei geringem Infiltrationsvermögen der Oberfläche und bei Altlasten
* Schachtversickerung:
- Versickerung des Niederschlagswassers durch einen Schachtbrunnen (Aufbau Æ s. Bild 2.4)
- zwischenzeitlicher Aufstau und Wasserspeicherung
- Vorteile:
Æ Einsatz auf Flächen, auf denen eine oberflächliche Infiltration unmöglich ist, der Untergrund aber
gute Versickerungsbedingungen aufweist (z. B. bei oberflächennaher Bedeckung)
Æ geringer Flächenbedarf
Æ Einsatz auf Flächen, auf denen die Versickerung aus Gründen des Grundwasserschutzes nicht
oberflächennah durchgeführt werden kann (z. B. bei oberflächennaher Bodenbelastung)
Skript zum Modul Hydrologie II
25
Bild 2.4:
Vertikalaufbau einer Schachtversickerungsanlage (DWA-A
138, 2005)
- Nachteile:
Æ Versickerung unterhalb der oberen Bodenzone Æ keine Filterwirkung des Oberbodens
Æ geringer Grundwasserschutz Æ vorherige Reinigung (Filter) angeraten
Æ hoher Bauaufwand Æ hohe Kosten
- Einsatzbereiche:
Æ in dicht bebauten Gebieten
Æ auf Flächen mit geringem Infiltrationsvermögen der Oberfläche
Æ in Talauen mit Auelehm über Kiesen/Sanden
Æ bei Altlasten
2.3. Hydrologische Bemessung dezentraler Versickerungsanlagen
2.3.1. Vorbemerkungen
* Bemessungsgrundlagen:
- Informationen zum Bemessungsregen
- Informationen zum kf-Wert der Oberfläche (ggf. der Schicht des Untergrundes, in der die Versickerung erfolgen soll) in vertikaler Richtung Æ Infiltrationsvermögen
- Informationen zur Geometrie (Flächenbedarf, Flächenverfügbarkeit)
* Informationen zum Bemessungsregen:
- Häufigkeit n (bzw. Wiederkehrsintervall T): meist angesetzt: n = 0,2 a-1 Æ T = 5 a
- Regendauer PD:
Æ für Versickerungsanlagen ohne Wasserzwischenspeicherung (Flächenversickerung): meist
angesetzt:
PD = 10 min (kleine, geneigte Flächen)
PD = 15 min (große u./o. flach geneigte Flächen)
Æ ansonsten:
PD = f(Speichervolumen) Æ Berechnung s. u.
im Rahmen der (überschlägigen) Vorbemessung: PD = 30 min
Skript zum Modul Hydrologie II
26
- Regenmenge P:
Æ Ausgangspunkt:
- für kleine Gebiete: Blockregen (konstante Regenspende während der Regendauer)
- für große, zusammenhängende Gebiete: zeitdiskrete Niederschlagswerte (Zeitdiskretisierung =
f(Gebietsgröße))
- Regenspende PS in l/(s ha):
Æ aus KOSTRA-Atlas des DWD
Æ aus Niederschlagsmengen-Dauer-Häufigkeits-Untersuchungen (Æ vgl. Skript Hydrologie
I, Abschnitt 3.5)
Æ Berechnung aus Basisbemessungsregenspende unter Verwendung der REINHOLD-Formel
(Æ vgl. ebenfalls Skript Hydrologie I, Abschnitt 3.5)
Æ Umrechnung der Niederschlagsspende in Zuflussmenge zur Versickerungsanlage:
QZ = 10 -7 PS * Ared
(2.1)
mit: QZ
- Zuflussmenge [m3 /s]
PS (PD , T) - Regenspende mit der Regendauer PD und dem Wiederkehrsintervall T [l/(s ha)]
Ared
- angeschlossene befestigte Flächen [m2 ]
* Informationen zum kf-Wert der Oberfläche (ggf. der Schicht des Untergrundes, in der die
Versickerung erfolgen soll) in vertikaler Richtung:
− Bestimmungsverfahren (Reihenfolge = Wertung):
- Infiltrometermessungen (Æ s. Skript Hydrologie I, Abschnitt 5.6.2)
Æ praktische Anwendung Æ s. Übung 5
- Schurfversickerung
- Bohrlochversickerung
- Durchströmungsversuch im Labor
- aus der Kornverteilungskurve
- Methodik der Bestimmung Æ s. Modul Hydrogeologie
- Vorsicht bei der Übertragung von Literaturwerten!
Æ gelten i. d. R. für den horizontalen Fluss im Grundwasserleiter Æ kf, h
Æ auf Grund der Anisotropie nicht auf den vertikalen Fluss (kf, v ) übertragbar
Æ kf, h i. d. R. mindestens um den Faktor 10 höher als kf, v
- Infiltrationsbereich befindet sich in der Aerationszone
Æ nicht kf,v sondern ku, v (ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit) entscheidend
Æ ku, v = f(Wassersättigung, Bodenart, Bodengefüge)
Æ ku, v < kf, v (Æ vgl. auch Skript Hydrologie I, Abschnitt 5.6.2)
Æ nichtlineare Zusammenhänge
Æ vereinfachender Ansatz: ku, v = 0,5 kf, v
- Berücksichtigung der Verringerung des ku, v-Wertes während der Betriebszeit (größte Unsicherheit
bei der Bemessung überhaupt!)
− Mindestdurchlässigkeiten:
- kf, v $ 2 * 10-5 m/s für direkte Flächenversickerung
- kf, v $ 6 * 10-5 m/s unter Rasengittersteinen (30 - 40 % durchbrochener Anteil)
Skript zum Modul Hydrologie II
27
- Kleinsteinpflaster ohne Fugenverbund:
kf, v $ 2 * 10 -5 / AF
mit: kf, v
AF
(2.2)
- minimale gesättigte hydraulische Leitfähigkeit in vertikaler Richtung [m/s]
- Anteil Fugenfläche/Gesamtfläche [ ]
- bei indirekter Versickerung in Randbereichen versiegelter Flächen:
Æ gleichmäßiger Übergang aus der versiegelten Fläche in die Versickerungsfläche
Æ Versickerungsfläche aus Gründen des Gewässerschutzes begrünen
Æ kf, v der begrünten Fläche:
kf, v $ (1 + x) * 2 * 10 -5
(2.3)
wobei: x = Ared / AS
(2.4)
mit: kf, v - minimale gesättigte hydraulische Leitfähigkeit in vertikaler Richtung [m/s]
Ared - angeschlossene befestigte Flächen [m2 ]
AS - Versickerungsfläche [m2 ]
* Informationen zur Geometrie (Flächenbedarf, Flächenverfügbarkeit):
- abhängig von der Art der dezentralen Versickerungsanlage
- Ermittlung Æ s. Abschnitte 2.3.2 bis 2.3.5
2.3.2. Hydrologische Bemessung von Anlagen zur Flächenversickerung
* Berechnungsgleichung (nur anwendbar, wenn Gleichung 2.3 erfüllt ist!):
Ared
AS = ──────────────────
10 7 kf, v / 2 PS (PD , T) – 1
mit: AS
Ared
kf, v
PS (PD , T)
(2.5)
- minimal notwendige Versickerungsfläche [m2 ]
- angeschlossene befestigte Flächen [m2 ]
- gesättigte hydraulische Leitfähigkeit in vertikaler Richtung [m/s]
- Regenspende mit der Regendauer PD und dem Wiederkehrsintervall T [l/(s ha)]
* Anwendung der Berechnungsgleichung:
- für alle direkten und indirekten Anlagen zur Flächenversickerung
2.3.3. Muldenversickerung
* Berechnungsgleichung:
- Muldenversickerung dann angewendet, wenn zur Verfügung stehende Versickerungsflächen nicht
ausreicht
Æ Versickerungsfläche As vorgegeben
Æ von Interesse: notwendiges Speichervolumen der Versickerungsmulde VS
Skript zum Modul Hydrologie II
28
- Speichervolumen der Versickerungsmulde VS ergibt sich aus der Differenz zwischen Niederschlagsvolumen während der Regendauer 3(QZ * PD ) und dem Infiltrationsvolumen 3(QS * PD )
Æ Anwendung der Kontinuitätsgleichung:
VS = (3 QZ – 3 QS ) PD * 60
= (Ared + AS ) * 10-7 * PS (PD , T) * PD * 60 – AS * PD * 60 * 0,5 kf, v
mit:
VS
QZ
QS
Ared
AS
PS (PD , T)
PD
kf, v
-
(2.6)
notwendiges Speichervolumen der Versickerungsmulde [m3 ]
Zuflussmenge [m3 /s]
Infiltrationsmenge [m3 /s]
angeschlossene befestigte Flächen [m2 ]
verfügbare Versickerungsfläche [m2 ]
Regenspende mit der Regendauer PD und dem Wiederkehrsintervall T [l/(s ha)]
Regendauer [min]
gesättigte hydraulische Leitfähigkeit in vertikaler Richtung [m/s]
* Anwendung der Berechnungsgleichung:
- da PS von PD abhängig ist und diese Größen VS beeinflussen, ist VS für verschiedene Regendauern
PD zu ermitteln Æ maximales VS maßgebend für die Bemessung
2.3.4. Rigolen- und Rohrversickerung
* Berechnungsgleichungen:
- wiederum (analog Muldenversickerung) Anwendung der Kontinuitätsgleichung
- Voraussetzungen bei der Berechnung:
Æ Vernachlässigung von Wasserstandsänderungen (Aufstauhöhe) in der Rigole bzw. im Versickerungsrohr beim hydraulischen Gefälle und folglich bei der Berechnung der ungesättigten Filtergeschwindigkeit vf, u :
vf, u = 0,5 kf
mit: vf, u - ungesättigte Filtergeschwindigkeit [m/s]
kf - gesättigte hydraulische Leitfähigkeit (Kf-Wert) [m/s]
- versickerungswirksame Rigolenfläche AS,W:
Æ Rigolenlänge L * wirksame Rigolenbreite bW
Æ wirksame Rigolenbreite bW:
- Breite der Rigole an der Sohle b
- (kurzzeitige) Füllung der Rigole wird berücksichtigt:
Æ Füllung = 0 Æ Füllung = vollständig = h Æ Füllung = 0
Æ Mittel: 0,5 h (h - Rigolenhöhe) Æ vgl. Bild 2.5
- insgesamt wirksame Rigolenbreite bW:
Æ Rigole in bindiger Schicht: bW = b (b – Rigolenbreite Æ vgl. Bild 2.5)
(2.7)
Skript zum Modul Hydrologie II
29
Bild 2.5:
Potentiale und Stromlinien bei
der Rigolenversickerung
Æ Rigole in nicht bindiger Schicht: bW = b + 0,5 h
mit:
(2.8)
bW - wirksame Rigolenbreite [m]
b - Sohlbreite der Rigole [m]
h - nutzbare Höhe der Rigole [m]
Æ versickerungswirksame Rigolenfläche AS,W:
AS, W = bW * L = (b + 0,5 h) L (nicht bindige Schicht) bzw. b * L (bindige Schicht)
(2.9)
mit: AS, W - versickerungswirksame Rigolenfläche [m2 ]
L
- Rigolenlänge [m]
(alle anderen Größen Æ s. Gleichung 2.8)
- Versickerungsmenge:
QS = vf, u * AS, W
mit:
QS -
(2.10)
Versickerungsmenge [m3 /s]
(alle anderen Größen Æ s. Gleichungen 2.7 - 2.9)
- notwendiges Speichervolumen der Rigole Æ durch Anwendung der Kontinuitätsgleichung:
Æ offene Rigole, nicht bindige Schicht:
VS = (Ared + AS ) * 10 -7 * PS (PD , T) * PD * 60 – bW * L * PD * 60 * 0,5 kf, v
(2.11 a)
Æ geschlossene Rigole, nicht bindige Schicht:
VS = Ared * 10 -7 * PS (PD , T) * PD * 60 – bW * L * PD * 60 * 0,5 kf, v
mit:
VS
Ared
AS
PS (PD , T)
PD
bW
L
kf, v
-
notwendiges Speichervolumen der Rigole [m3 ]
angeschlossene befestigte Flächen [m2 ]
verfügbare Versickerungsfläche [m2 ]
Regenspende mit der Regendauer PD und dem Wiederkehrsintervall T [l/(s ha)]
Regendauer [min]
wirksame Rigolenbreite [m] Æ Bestimmung s. o.
Rigolenlänge [m]
gesättigte hydraulische Leitfähigkeit in vertikaler Richtung [m/s]
(2.11 b)
Skript zum Modul Hydrologie II
30
* praktische Anwendung der Kontiniutätsgleichung):
- bei der hydrologischen Planung Æ b und h vorgegeben (resultierend aus Schachtmaßen)
Æ Zielgröße der Berechnung Æ notwendige Rigolenlänge L
Æ Berechnung von L unter Berücksichtigung der Tatsache, dass nur ein Teil des Rigolenvolumens
tatsächlich für die Wasserspeicherung zur Verfügung steht
Æ für die Wasserspeicherung zur Verfügung stehend: abhängig vom Speichervermögen s (Speicherkoeffizient)
Æ Kontinuitätsgleichung (spezielle, anwendungsorientierte Form):
Ared * 10 -7 * PS (PD , T) * PD * 60
L = ───────────────────────
b * h * s + bW * PD * 60 * 0,5 kf, v
(2.12)
mit: s - Speicherkoeffizient (verschieden für Rigolen- bzw. Rohrversickerung, s. u.) [ ]
(alle anderen Größen Æ s. Gleichungen 2.11a und 2.11 b)
* Anwendung der Berechnungsgleichung (Gleichung 2.12):
- Ermittlung des Maximums von L (analog zur Muldenversickerung Æ vgl. Abschnitt 2.3.3)
- da PS von PD abhängig ist und diese Größen L beeinflussen, ist L für verschiedene Regendauern
PD zu ermitteln Æ maximales L maßgebend für die Bemessung
- Speicherkoeffizient s verschieden für Rigolen- bzw. Rohrversickerung
- s für Rigolenversickerung:
s=n
mit:
(2.13)
s - Speicherkoeffizient [ ]
n - Gesamtporenanteil [ ]
- s für Rohrversickerung:
dN 2 * 0,25 π + n (b * h – dA2 * 0,25 π)
s = ──────────────────────────
b*h
mit:
s
dN
dA
n
b
h
-
(2.14)
Speicherkoeffizient [ ]
Innendurchmesser des Versickerungsrohres [m]
Außendurchmesser des Versickerungsrohres [m] (Innendurchmesser + Wandungsstärke d)
Gesamtporenanteil [ ]
Sohlbreite der Rigole, in der das Versickerungsrohr liegt [m]
nutzbare Höhe der Rigole, in der das Versickerungsrohr liegt [m]
2.3.5. Schachtversickerung
* hydraulische Annahmen für die Berechnung:
- Strömung (Stromlinien, Potentiale) bei der Schachtversickerung Æ Bild 2.6
- nicht versickerungswirksam: innere Sohlfläche des Schachtes (Kolmation infolge Feinstoffeintrages)
im Verlaufe des Betriebes
Skript zum Modul Hydrologie II
31
Bild 2.6:
Potentiale und Stromlinien bei der SchachtverSickerung (GEIGER, DREISEITL, 1995)
- versickerungswirksam: Kreisring um den Schacht herum (Æ vgl. Bild 2.6):
Æ Innenradius: = Schachtringaußendurchmesser
Æ Außenradius: Innenradius + 0,5 * Wasserstandshöhe über der Schachtsohle
Æ versickerungswirksame Fläche AS, W:
AS, W = π [(R + 0,5 z) 2 – R 2 ] = π (R * z + 0,25 z 2 )
mit:
AS, W
R
z
(2.15)
- versickerungswirksame Fläche des Schachtes [m2 ]
- Innenradius R1 + Wandungsstärke des Schachtes d [m]
- Wassertiefe im Schacht [m]
* Berechnungsgleichungen:
- Versickerungsmenge des Versickerungsschachtes:
QS = [kf, v (lS + z)/(2 lS + z)] π (R z + 0,25 z 2 )
mit:
QS lS -
(2.16)
Versickerungsmenge [m3 /s]
Abstand Schachtsohle/Grundwasserspiegel [m]
(alle anderen Größen Æ s. Gleichung 2.15)
- notwendiges Speichervolumen des Schachtes (Anwendung der Kontinuitätsgleichung in der allgemeinen Form für ein beliebiges Zeitintervall):
Speicheränderung = Zufluss – Versickerung
Skript zum Modul Hydrologie II
32
- Zeitintervall kann nicht, wie bei allen anderen dezentralen Versickerungsanlagen die Regendauer
sein, weil sich z und damit die Versickerung schnell ändern (ähnlich wie bei der Anwendung der
Kontinuitätsgleichung für die Speicherbemessung von Hochwasserrückhaltebecken Æ s. Abschnitt
6.5.4):
Æ meist Δt = 5 min für PD # 30 min
Æ meist Δt = 10 - 15 min für PD > 30 min
- schrittweise Anwendung der Kontinuitätsgleichung für jeden Zeitschritt i vom Beginn der Füllung
über die maximale Füllung bis zum Ende der Entleerung:
ΔVS = VS, i – VS, i - 1 = Δt * QZ,i – Δt [0,5 (QS, i + QS, i-1 )]
mit:
ΔVS
VS, i
VS, i - 1
Δt
QZ, i
QS, i
QS, i - 1
-
(2.17)
Änderung des Speichervolumens des Schachtes innerhalb von Δt [m3 ]
Speichervolumen des Schachtes am Ende des Zeitschrittes i [m3 ]
Speichervolumen des Schachtes zu Beginn des Zeitschrittes i [m3 ]
Zeitintervall [s]
Zufluss zum Schacht im Zeitintervall i - 1 bis i, QZ, i = const. [m3 ]
Versickerung aus dem Schacht am Ende des Zeitschrittes i [m3 ]
Versickerung aus dem Schacht am Ende des Zeitschrittes i - 1 [m3 ]
- Zuflussmengen QZ, i analog Gleichung 2.1 (Berechnung aus dem Bemessungsregen)
- im Ergebnis der Gleichung 2.17 kann wiederum z errechnet werden:
zi = VS, i / π * R1 2
mit:
zi
VS, i
R1
(2.18)
- Wasserspiegel im Schacht zum Zeitpunkt i [m]
- Speichervolumen des Schachtes am Ende des Zeitschrittes i [m3 ]
- Innenradius des Schachtes [m]
- z für jeden Zeitschritt i in Gleichung 2.16 einsetzen, QS berechnen, dann Gleichung 17 anwenden
usw., solange, bis VS (bzw. z) Æ Max.
- Algorithmus (vorheriger Anstrich) für verschiedene Regendauern PD durchführen, dann VS, max (bzw.
zmax ) für die einzelnen Regendauern miteinander vergleichen Æ größtes VS, max (bzw. größtes zmax )
der Bemessung des Schachtes zugrunde legen
* praktische Anwendung der Kontiniutätsgleichung:
- bei der hydrologischen Planung Æ Vereinfachungen des oben beschriebenen Algorithmus
- Näherungsverfahren:
Æ Bemessung grundsätzlich für ein Wiederkehrsintervall von 5 Jahren
Æ Vernachlässigung des Einflusses von lS (Abstand Schachtsohle zum Grundwasserspiegel)
Æ Verwendung genormter Schachtringe (DN 1 000, 1 200, 1 500 bzw. 2 000, d. h. mit Innendurchmessern von 1 – 2 m)
Æ angeschlossene befestigte Fläche Ared je Schacht: 200 - 400 m2 (Erfahrungswerte)
Æ unter diesen Voraussetzungen tabellarische Lösung möglich Æ s. Tabellen 2.2 - 2.5
Æ lineare Interpolation zwischen Ared = 200 und 400 m2 , Extrapolation bis 100 m2
Æ lineare Interpolation zwischen PS(15,1) = 100 und 200 l/(s ha), Extrapolation bis 80 l/(s ha)
Æ lineare Interpolation bei anderen als in den Tabellen 2.2 - 2.5 angegebenen kf, v-Werten
Æ Bemessung dezentraler Versickerungsanlagen mittels Näherungsverfahren Æ s. Übung 4
Skript zum Modul Hydrologie II
Tabelle 2.2:
Bemessung von Versickerungsschächten mit Schachtringen DN 1 000 (MAHABADI, 2001)
PS
kf, v
l/(s ha)
m/s
100
200
Tabelle 2.3:
33
Ared =
200 m2
Ared =
400 m2
z [m]
VS [m3 ]
QS [l/s]
PD[min]
z [m]
VS [m3 ]
QS [l/s]
PD[min]
5*10-3
1*10-3
5*10-4
1*10-4
5*10-5
1*10-5
5*10-6
1*10-6
0,86
1,93
2,50
3,89
4,43
5,41
5,70
6,06
0,63
1,52
1,96
3,06
3,48
4,25
4,47
4,76
5,77
3,59
2,67
1,12
0,70
0,20
0,11
0,02
5
10
15
30
40
85
125
> 150
1,47
3,24
4,33
6,94
8,06
10,22
10,92
11,97
1,16
2,54
3,40
5,45
6,33
8,03
8,58
9,40
11,95
8,17
6,75
3,20
2,13
0,68
0,39
0,09
5
10
10
20
30
65
90
> 150
5*10-3
1*10-3
5*10-4
1*10-4
5*10-5
1*10-5
5*10-6
1*10-6
1,47
3,24
4,33
6,94
8,06
10,22
10,92
11,97
1,16
2,54
3,40
5,45
6,33
8,03
8,58
9,40
11,95
8,17
6,75
3,20
2,13
0,68
0,39
0,09
5
10
10
20
30
65
90
> 150
2,35
5,40
6,98
11,86
14,06
18,82
20,49
23,25
1,85
4,24
5,48
9,31
11,04
14,78
16,09
18,25
24,34
20,08
16,19
9,11
6,42
2,33
1,39
0,36
5
5
10
15
20
45
65
145
Bemessung von Versickerungsschächten mit Schachtringen DN 1 200 (MAHABADI, 2001)
PS
kf, v
Ared =
200 m2
l/(s ha)
m/s
100
200
Ared =
400 m2
z [m]
VS [m3 ]
QS [l/s]
PD[min]
z [m]
VS [m3 ]
QS [l/s]
PD[min]
5*10-3
1*10-3
5*10-4
1*10-4
5*10-5
1*10-5
5*10-6
1*10-6
0,74
1,58
2,02
2,98
3,33
3,92
4,09
4,24
0,84
1,79
2,29
3,37
3,77
4,43
4,63
4,80
5,33
2,93
2,09
0,77
0,46
0,12
0,06
0,01
5
10
15
30
50
115
> 150
> 150
1,32
2,82
3,60
5,49
6,23
7,55
7,94
8,43
1,49
3,19
4,09
6,21
7,04
8,53
8,98
9,53
11,32
6,99
5,20
2,17
1,37
0,39
0,22
0,05
5
10
15
30
40
95
125
> 150
5*10-3
1*10-3
5*10-4
1*10-4
5*10-5
1*10-5
5*10-6
1*10-6
1,32
2,82
3,60
5,49
6,23
7,55
7,94
8,43
1,49
3,19
4,07
6,21
7,04
8,53
8,98
9,53
11,32
6,99
5,20
2,17
1,37
0,39
0,22
0,05
5
10
15
30
40
90
125
> 150
2,20
4,66
6,15
9,72
11,26
14,23
15,19
16,63
2,49
5,27
6,96
10,99
12,73
16,10
17,18
18,81
23,77
16,23
13,33
6,34
4,23
1,35
0,77
0,18
5
10
10
20
30
65
95
> 150
Skript zum Modul Hydrologie II
Tabelle 2.4:
Bemessung von Versickerungsschächten mit Schachtringen DN 1 500 (MAHABADI, 2001)
PS
kf, v
l/(s ha)
m/s
100
200
Tabelle 2.5:
Ared =
200 m2
Ared =
400 m2
z [m]
VS [m3 ]
QS [l/s]
z [m]
VS [m3 ]
QS [l/s]
5*10-3
0,58
1,02
4,63
5
1,08
1,91
9,96
5
1*10-3
1,20
2,11
5*10-4
2,28
15
2,19
3,87
5,29
15
1,49
1*10-4
2,63
1,52
20
3,75
4,86
3,73
20
2,09
3,68
0,49
50
3,96
6,99
1,33
40
5*10-5
2,28
4,03
0,28
70
4,38
7,74
0,79
55
1*10-5
2,59
4,58
0,07
> 150
5,08
8,98
0,20
125
5*10-6
2,67
4,72
0,04
> 150
5,27
9,31
0,11
> 150
1*10-6
2,73
4,82
0,01
> 150
5,44
9,61
0,02
> 150
5*10-3
1,08
1,91
9,96
5
1,92
3,39
21,75
5
1*10-3
2,19
3,87
5,29
15
3,90
6,89
12,99
10
5*10-4
2,75
4,86
3,73
20
4,92
8,69
9,61
15
1*10-4
3,96
6,99
1,33
40
7,29
12,89
3,68
30
5*10-5
4,38
7,74
0,79
55
8,20
14,49
2,41
45
1*10-5
5,08
8,98
0,20
125
9,80
17,32
0,68
100
5*10-6
5,27
9,31
0,11
> 150
10,27
18,16
0,37
140
1*10-6
5,44
9,61
0,02
> 150
10,82
19,12
0,08
> 150
PD[min]
PD[min]
Bemessung von Versickerungsschächten mit Schachtringen DN 2 000 (MAHABADI, 2001)
PS
kf, v
l/(s ha)
m/s
100
200
34
Ared =
200 m2
Ared =
400 m2
z [m]
VS [m3 ]
QS [l/s]
PD[min]
z [m]
VS [m3 ]
QS [l/s]
PD[min]
5*10-3
0,40
1,25
3,82
10
0,76
2,37
7,93
10
1*10-3
0,79
2,47
5*10-4
1,66
20
1,50
4,71
3,72
20
0,95
1*10-4
2,98
1,04
25
1,83
5,75
2,43
25
5*10-5
1,26
3,96
0,30
65
2,46
7,73
0,73
55
1,35
4,26
0,16
90
2,66
8,35
0,41
80
1*10-5
1,49
4,68
0,04
> 150
2,97
9,32
0,10
> 150
5*10-6
1,52
4,78
0,02
> 150
3,02
9,50
0,05
> 150
1*10-6
1,54
4,84
0,01
> 150
3,07
9,65
0,01
> 150
5*10-3
0,78
2,37
7,93
10
1,42
4,47
17,33
5
1*10-3
1,50
4,71
3,72
20
2,80
8,81
8,90
15
5*10-4
1,83
6,75
2,43
25
3,42
10,75
6,03
20
1*10-4
2,46
7,73
0,73
55
4,71
14,81
2,01
50
5*10-5
2,66
8,35
0,41
80
5,14
16,16
1,16
70
1*10-5
2,97
9,31
0,10
> 150
5,84
18,35
0,29
> 150
5*10-6
3,02
9,50
0,04
> 150
6,00
18,85
0,15
> 150
1*10-6
3,07
9,65
0,01
> 150
6,13
19,27
0,03
> 150
Skript zum Modul Hydrologie II
35
2.4. Vertiefende Literatur zu dezentralen Versickerungsanlagen
Arbeitsblatt DWA-A 138 (2005):
Planung, Bau und Bemessung von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser. DWA Deutsche
Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.
Geiger, W. und H. Dreiseitl (1995):
Neue Wege für das Regenwasser. Handbuch zum Rückhalt und zur Versickerung von Regenwasser in
Baugebieten. Emschergenossenschaft und Internationale Bauausstellung Emscher Park [Hrsg.], München
Mahabadi, M. (2001):
Regenwasserversickerung in Stichworten – Planungsgrundsätze und Bauweisen. Bernhard Thalacker
Verlag Braunschweig
Wiederspahn, M. (1997):
Versickerung von Niederschlagswasser aus geowissenschaftlicher Sicht. Schriftenreihe des BDG
Bundesverband Deutscher Geologen, Geophysiker und Mineralogen, Bonn
Skript zum Modul Hydrologie II
36
3. Grundwasserneubildung
3.1. Definition und Bedeutung
* Grundwasserneubildung (GWN) nach DIN 4049-3 = „Zugang von infiltriertem Wasser durch den
Sickerraum zum Grundwasser“, vorrangige Prozesse: Infiltration/Versickerung von Niederschlägen
bzw. Uferfiltrat
− Maßeinheiten:
mm/Δt
Æ GW-Neubildungsmenge
l/(s * km2) Æ GW-Neubildungsspende
l/s, m3/s
Æ GW-Neubildungsvolumenstrom
* Bildung von GW durch die Prozesse:
-
Infiltration und Versickerung von Niederschlägen bzw. Uferfiltration Æ praktisch am bedeutsamsten
Kondensation Æ in ariden/semiariden Gebieten unter günstigen Bedingungen möglich
Auspressung von Wasser bei der Sedimentation Æ nur in geologischen Zeiträumen von Bedeutung
juvenile d. h. "jungfräuliche" Wässer (Entstehung z. B. bei der Differentiation des Magmas) Æ i. allg.
vernachlässigbar)
* Bedeutung der Grundwasserneubildung:
In Abhängigkeit von der wasserwirtschaftlichen Aufgabenstellung interessieren:
− langjährige Mittelwerte der GWN (Schwerpunkt):
- langfristige regionale Wassermengenbilanzen
- Quantifizierung des wasserwirtschaftlich nutzbaren Grundwasserdargebots
Æ GWN = nutzbare GW-Menge für längere Zeiträume (i. allg. Jahrzehnte)
− aktueller Jahresgang der GWN:
- jahreszeitliche Schwankungen der GWN
- operative Steuerung der GW-Entnahme
- bei gering speicherfähigem Aquifer (geringmächtig, Festgestein, kleines Einzugsgebiet …) bedeutsam (bei Nichtbeachtung: Gefahr des Leerpumpens des Aquifers in Zeiten eingeschränkter oder
fehlender GWN)
3.2. Verfahren zur Ermittlung der Grundwasserneubildung
3.2.1. Überblick
- Methodenüberblick Æ s. Bild 3.1
Bild 3.1:
Übersicht bezüglich der Methoden zur
Ermittlung der Grundwasserneubildung
Skript zum Modul Hydrologie II
37
3.2.2. Wasserhaushaltsmethoden
3.2.2.1. Wasserkreislauf, Wasserhaushalt
* Überblick Æ s. Bild 3.2
Bild 3.2:
Zusammenwirken hydrologischer
Prozesse des Wasserkreislaufs
(GLUGLA U. A., 2003)
* allgemeine Wasserhaushaltsgleichung:
Für ein beliebiges Gebiet (Æ s. Bild 3.3) gilt die Wasserhaushaltsgleichung:
P + ROi + RUi = RO + RU + ETR ± ΔS
(3.1)
P - Niederschlag auf das Gebiet
ROi - oberirdischer Zufluss in das Gebiet
RUi - unterirdischer Zufluss in das Gebiet
RO - oberirdischer Abfluss aus dem Gebiet
RU - unterirdischer Abfluss aus dem Gebiet
ETR - reale Verdunstung des Gebietes
ΔS - Speicheränderung (oberirdisch, Boden, Grundwasser)
Bild 3.3: Wasserhaushalt eines Gebietes (vereinfacht, schematisiert)
* Vereinfachungen der Wasserhaushaltsgleichung:
- bei Wasserhaushaltsbetrachtung über lange Zeitabschnitte (Jahrzehnte): ΔS Æ 0
- bei Bilanzierung für ein abgeschlossenes Einzugsgebiet: RUi + RUi = 0
P = ETR + RO + RU
(3.2)
(Symbole Æ s. Bild 3.3)
- RU entspricht teilweise (im Fall des Auftretens von hypodermischem Abfluss RH auf wasserstauenden Schichten innerhalb der Aerationszone) oder vollständig (bei RH = 0) der GWN
Skript zum Modul Hydrologie II
38
3.2.2.2. Ermittlung aus Lysimeterdaten
* Aufbau und Wirkungsweise von Lysimetern:
Lysimeter = Gerät zur Messung von Wasserhaushaltsgrößen
►Lysimeterarten:
- wägbare Lysimeter
- nicht wägbare Lysimeter
- natürliche Lysimeter (Großlysimeter)
►wägbare Lysimeter (wägbare Kleinlysimeter):
- meistgenutztes Gerät zur Messung der realen Verdunstung für landwirtschaftliche Kulturen
- Bodenmonolith, mit gleichen Bedingungen wie in der Umgebung (Boden, Vegetation), von der
Umgebung isoliert
- gemessene Verdunstungswerte sind nur für die unmittelbare Umgebung des Lysimeters repräsentativ
- konstruktive Gestaltung (Æ vgl. Bild 3.4):
Æ verschiedene Lysimeterdurchmesser, meist zwischen 0.5 m und 2.0 m
Æ Lysimeter sollte einen im Vergleich zur Umgebung wenig gestörten Bodenaufbau enthalten
Æ ähnliche thermische, wasserhaushaltliche und Bodeneigenschaften wie Umgebung
Æ Vegetation sollte der der Umgebung entsprechen (Höhe, Dichte, Aussehen)
Æ Messung der Sickerwassermengen und der Masseänderungen des Lysimeters (als Maß für
die Bodenspeicheränderung)
Æ häufige Konstellation: Lysimeterfelder mit 2 oder mehr Lysimetern (statistische Sicherheit)
Æ bei Lysimetereinsatz zur ETP-Bestimmung: ständiges Feuchthalten des Lysimeters
Æ Problem in der Vergangenheit: Messung von Masseänderungen im Grammbereich bei
Gesamtmassen der Lysimeter von einigen Tonnen Æ Problem gelöst durch den Einsatz von
pneumatischen und elektronischen Spezialgeräten (Genauigkeit: 0,05 mm)
Æ größte Anlagen: Oberflächen bis zu 8 m2 und 100 t Gesamtmasse
- Anwendungsbereich wägbarer Lysimeter begrenzt auf Vegetation, die mittels Bodenmonolith
erfassbar ist:
Æ z. B. geeignet für landwirtschaftliche Kulturen
Æ nicht geeignet für Waldstandorte Æ Großlysimeter (s. u.), Energiebilanzmethode
Bild 3.4:
Prinzip des wägbaren Lysimeters (Vertikalschnitt), aus
SCHRÖDER U.A, (1994)
Skript zum Modul Hydrologie II
39
- Anwendung der Wasserhaushaltsgleichung zur Bestimmung der Versickerung:
RU = P – ET
mit
RU
P
ET
(3.3)
- Sickerwassermenge (Versickerung) [mm/Δt], gemessen an der Lysimeterbasis
- Niederschlag [mm/Δt]
- reale (aktuelle) Evapotranspiration [mm/Δt]
► nicht wägbare Lysimeter (nicht wägbare Kleinlysimeter):
- konstruktive Gestaltung analog wägbaren Lysimetern, jedoch keine Wägung möglich
- Messung von P, RO und RU analog wägbarer Lysimeter
- Messung der Bodenspeicheränderung mittels Bodenfeuchtemessgeräten
- Anwendung der Wasserhaushaltsgleichung (3.1) zur Verdunstungsberechnung
► natürliche Lysimeter (Großlysimeter):
- Kleinlysimeter versagen bei Wald Æ Nutzung von größeren Gebieten als Lysimeter
- Voraussetzungen: horizontal und vertikal abgeschlossenes Gebiet (z. B. wasserundurchlässige
Abgrenzung nach unten durch entsprechende geologische Schichten im Untergrund)
- Messmethode analog nichtwägbaren Kleinlysimetern (s. o.)
►Fehlerquellen bei Lysimetermessungen (am Beispiel von Kleinlysimetern):
Æ Störung des natürlichen Bodenfeuchteverlaufes durch Kapillarkräfte an der Lysimeterbasis (Staunässe) Æ Verdunstungserhöhung (Abhilfe durch Einbau einer Kiesschicht an der Lysimetersohle
bzw. durch Absaugen des Kapillarwassers)
Æ Randeffekte (bevorzugte Sickerwege an der Lysimeterwandung)
Æ Lysimeterverdunstung = Punktwert Æ Fehler bei der Übertragung auf ein Gebiet
* In welchen Fällen sind Lysimeterdaten zur Ermittlung der Grundwasserneubildung geeignet?
- im Falle unbedeckter Grundwasserleiter
- im Lockergestein
* Ermittlung der Grundwasserneubildung aus Lysimeterdaten: Æ Abhängigkeiten s. Bild 3.5
Bild 3.5:
Jährliche Sickerwassermengen SW als
Maß für die Grundwasserneubildung
in Abhängigkeit vom Niederschlag N bei
verschiedenen Boden- und Bewuchsarten DYCK, CHARDABELLAS, 1963)
Anwendung von Lysimeterdaten Æ Übung 6
Skript zum Modul Hydrologie II
40
3.2.2.3. Schlüsselkurven nach GABRIEL und ZIEGLER
* Methodik:
- Verfahren speziell zur Ermittlung der GW-Neubildung der Trias
- Bestimmung der langjährigen (mittleren) GW-Neubildung mittels Schlüsselkurven
* Arbeitsschritte:
- zuverlässige Abgrenzung des unterirdischen Einzugsgebietes (entsprechend Hydroisohypsenplan),
näherungsweise genügen die oberirdischen Einzugsgebietsgrenzen)
- Ermittlung der Teileinzugsgebietsflächen
- Aushalten der Teilflächen mit jeweils ähnlichem hydrologischem Verhalten (Hydrotope) Æ Grundlage: geologische Karten, Bodenkarten:
Æ Teilgebiete mit schwerdurchlässiger Bedeckung
Æ Teilgebiete mit Mittlerem (gut wasserdurchlässig) und Oberem (stauend) Buntsandstein
Æ Teilgebiete mit Muschelkalk (im Prinzip undurchlässig, aber geklüftet)
- Verwendung mittlerer Jahresniederschlagsmengen
- Ermittlung des Oberflächenabflusses Æ Schlüsselkurven
- Ermittlung der GW-Neubildung Æ Schlüsselkurven
* Erläuterung der Arbeitsschritte am Beispiel der Ermittlung der GWN im Bereich eines Wasserwerkes im Gebiet der Finne:
-
Lage: zwischen Bad Bibra und Eckhartsberga (Berandung: Finnestörung)
Entwässerung durch den Biberbach mit insgesamt 4 Teileinzugsgebieten Æ s. Bild 3.6
geologische Übersichtskarte Æ s. Bild 3.7
mittlerer Jahresniederschlag : 540 mm/a (unkorrigiert)
Gesamteinzugsgebietsfläche: 60,09 km2, davon (Æ Lage s. Bilder 3.7 bzw. 3.8):
Æ Teileinzugsgebiet A 1: 16,32 km2
Æ Teileinzugsgebiet A 2: 19,84 km2
Æ Teileinzugsgebiet A 3: 6,68 km2
Æ Teileinzugsgebiet A 4: 17,25 km2
Abhandlung der Arbeitsschritte am Beispiel des Teileinzugsgebietes A 1:
a) Aushalten unterschiedlicher geologischer Einheiten (hier 4 geologische Einheiten):
- ca. 15 % Unterer Muschelkalk
- ca. 5 % Oberer Buntsandstein
- ca. 40 % Mittlerer Buntsandstein (sandige Fazies)
- ca. 40 % quartäre Lehmböden
b) Hydrotopeinteilung:
- Oberer Buntsandstein und Lehmböden reagieren hydrologisch gesehen sehr ähnlich (Stauer) Æ
Zusammenfassen zu einem Hydrotop möglich Æ 4 geologische Einheiten werden 3 Hydrotope
Æ ca. 15 % Unterer Muschelkalk (Hydrotop 1)
Æ ca. 40 % Mittlerer Buntsandstein (Hydrotop 2)
Æ ca. 45 % Stauerbedeckung (Hydrotop 3)
Skript zum Modul Hydrologie II
41
Bild 3.6: Abgrenzung der Teileinzugsgebiete des Biberbaches (nach BOLDUAN, DUNGER, 1993)
Bild 3.7: Geologische Übersichtskarte der Teileinzugsgebiete des Biberbaches (nach BOLDUAN, DUNGER,
1993)
Skript zum Modul Hydrologie II
42
c) Ermittlung des Effektivniederschlages (PEFF ):
- Effektivniederschlag bei GABRIEL/ZIEGLER definiert als Infiltrationsmengen in den Boden
unter Berücksichtigung der Niederschlagskorrektur sowie des Oberflächenabflusses:
Peff = PUNKORR + 0,1 PUNKORR - RO = PKORR - RO
(3.4)
Æ RO aus Schlüsselkurven:
- RO für Muschelkalk (Hydrotop 1) und Buntsandstein (Hydrotop 2) Æ s. Bild 3.8
- RO für Stauerbedeckung (Lehmboden, Hydrotop 3) Æ s. Bild 3.9
- PEFF für die 3 Hydrotope:
Æ Hydrotop 1: 540 mm/a + 54 mm/a - 70 mm/a = 594 mm/a - 70 mm/a = 524 mm/a
Æ Hydrotop 2: 540 mm/a + 54 mm/a - 40 mm/a = 594 mm/a - 40 mm/a = 554 mm/a
Æ Hydrotop 3: 540 mm/a + 54 mm/a - 30 mm/a = 594 mm/a - 30 mm/a = 564 mm/a
d) Ermittlung des langjährigen Mittelwertes der GW-Neubildung:
- Angabe als Grundwasserneubildungsmenge in mm/a bzw. Grundwasserneubildungsspende in l/(s *
km2 )
- Ermittlung für die einzelnen Hydrotope
- Verwendung von Schlüsselkurven
Æ für Hydrotop 1 (mu) Æ s. Bild 3.10
Æ für die Hydrotope 2 (sm) und 3 (lehmige Bedeckung) Æ s. Bild 3.11
- GWN für die 3 Hydrotope:
Æ Hydrotop 1: GWN = 134 mm/a = 4,3 l/(s * km2)
Æ Hydrotop 2: GWN = 81 mm/a = 2,6 l/(s * km2)
Æ Hydrotop 3: GWN = 59 mm/a = 1,9 l/(s * km2)
Bild 3.8:
Schlüsselkurven zur
Ermittlung des Oberflächenabflusses der
Trias (Bildgrundlage:
GABRIEL, ZIEGLER,
1977)
Skript zum Modul Hydrologie II
43
Bild 3.9:
Schlüsselkurven zur
Oberflächenabflussermittlung für verschiedene Hauptbodenarten
(Bildgrundlage:
GABRIEL, ZIEGLER,
1977)
Bild 3.10:
Schlüsselkurven
zur
Ermittlung der mittleren GW - Neubildung im
Muschelkalk (Bildgrundlage: GABRIEL, ZIEGLER,
1977)
Bild 3.11:
Schlüsselkurven
zur
Ermittlung der mittleren GW - Neubildung im
Buntsandstein
(Bildgrundlage:
GABRIEL,
ZIEGLER, 1977)
Skript zum Modul Hydrologie II
44
e) Ermittlung der GW-Neubildung und der Abflussspende für das gesamte Teileinzugsgebiet A 1:
- Wichtung der GW-Neubildung entsprechend den Flächenanteilen (hier für 3 Hydrotope):
Æ Hydrotop 1:
GWN-Menge: GWN1 = 134 mm/a * 0,15 = 20,1 mm/a
GWN-Spende: GWN1 = 4,3 l/(s * km2) * 0,15 = 0,65 l/(s * km2)
Æ Hydrotop 2:
Æ Hydrotop 3:
GWN2 = 81 mm/a * 0,40 = 32,4 mm/a = 1,04 l/(s * km2)
GWN3 = 59 mm/a * 0,45 = 26,6 mm/a = 0,86 l/(s * km2)
Æ flächengewichtete GWN-Werte:
GWNGES. = 79 mm/a = 2,6 l/(s * km2)
f) durch Wasserwerke nutzbare GW-Neubildung (für GW-Leiter im Festgestein):
- im Festgestein fließt ein Teil des neugebildeten GW sofort auf Klüften und Spalten den Vorflutern
(Bächen, Flüssen) zu Æ ist folglich für eine Förderung nicht nutzbar Æ Reduktion der GWNeubildung in Abhängigkeit vom geologischen Untergrund (Klüftungsverhalten, Matrixporosität):
Æ hohe Reduktion im Falle des Altpaläozoikums: Reduktionsfaktor RF = 0,45 - 0,65
Æ vergleichsweise geringe Reduktion im Falle des Unteren und Mittleren Buntsandsteins:
RF = 0,6 – 0,8 Æ lediglich 60 – 80 % der GWN nutzbar (für das betrachtete Beispiel anzusetzen)
- nutzbar für das Teileinzugsgebiet A 1:
GW-Fördermenge:
RUNUTZB. = (0,6 ... 0,8) * GWNGES. = 47 ... 63 mm/a
GW-Förderspende:
RUNUTZB. = (0,6 ... 0,8) * GWNGES. = 1,5 ... 2,0 l/(s * km2)
Æ analoges Vorgehen (Punkte a – f) für alle übrigen Teileinzugsgebiete
Æ Vergleich mit den durch alle Wasserwerksbrunnen im Mittel geförderten Wassermengen
Æ ökologische Bewertung
* Schlussbemerkung zum GABRIEL-/ZIEGLER-Verfahren:
Verfahren wird gegenwärtig vor allem in Thüringen und Sachsen-Anhalt zur Berechnung langjährig
mittlerer Grundwasserneubildungsmengen verwendet (Programm GEOFEM)
Anwendung des GABRIEL/ZIEGLER-Verfahrens Æ Übung 6
3.2.2.4. Schlüsselkurven nach KRAFT und SCHRÄBER
* Methodik:
- Auswertung von Daten von Wasserfassungen (Fördermengen, Grundwasserstandsänderungen)
unterschiedlicher geologischer Einheiten Sachsens: Tafeldeckgebirge, Molassegebiete, Geosynklinaltyp, Grundgebirgstyp
- Datengrundlage: über 150 Grundwasserfassungen (Brunnen)
- Auswertung Æ Schlüsselkurven der GW-Neubildung
* Arbeitsschritte bei der Abarbeitung des Verfahrens:
a) notwendige Informationen, Gültigkeitsgrenzen des Verfahrens:
- notwendige Informationen:
Æ langjähriges Mittel des Jahresniederschlages (korrigiert)
Æ Gesteinstyp im Hinblick auf das Klüftungsverhalten
Æ Zerrüttungsgrad
Skript zum Modul Hydrologie II
45
- Gültigkeitsbereiche für messfehlerkorrigierte Jahresniederschläge P:
Æ 700 mm/a ≤ P ≤ 1200 mm/a (für reine Festgesteinsgebiete)
Æ 700 mm/a ≤ P ≤ 800 mm/a (für Festgesteins-GW-Leiter mit Lockergesteinsüberdeckung)
b) Klassifikation des Festgesteinstyps:
- Klassifikation hinsichtlich Klüftungsfreundlichkeit und Zerrüttungsgrad:
Æ klüftungsfreundliche und wenig klüftungsfreundliche Gesteine
Æ Zerrüttungsgrad des Gesteins: gering, mäßig, stark
- Einordnung der Gesteine hinsichtlich Klüftungsfreundlichkeit in 2 Gesteinsgruppen Æ s. Tabelle
3.1
- Maß für den Zerrüttungsgrad Æ Transmissivität T (Profildurchlässigkeit, Produkt aus kf-Wert
und durchströmter GW-Leitermächtigkeit) Æ Werte s. Tabelle 3.2
Tabelle 3.1: Gesteinsgruppen hinsichtlich Klüftungsfreundlichkeit (KRAFT, SZYMCZAK, 1993)
Gesteinsgruppe I:
wenig klüftungsfreundlich
Gesteinsgruppe II:
klüftungsfreundlich
- Schiefertone
- Tonschiefer
- Phyllite
- Glimmerschiefer
- kaolinitisch oder tonig verwitterte Gesteine
der Gesteinsgruppe II
- Konglomerate
- Sandsteine
- Kalksteine
- Dolomite
- Diabassteine
- Granite
- Porphyre
- Tuffe
- Gneisglimmerschiefer
- quarzreiche Glimmerschiefer
- Gneise
- Granulite
- Quarzite
- Kieselschiefer
Tabelle 3.2: Zerrüttungsgrad und Transmissivitäten T (KRAFT, SZYMCZAK, 1993)
Gesteinsgruppe I:
wenig klüftungsfreundlich
Gesteinsgruppe II:
klüftungsfreundlich
Zerrüttungsgrad
T [m2 /s]
T [m2 /s]
gering
mäßig
stark
< 10-5
10-5 # T # 10-4
> 10-4
< 10-4
10-4 # T # 10-3
> 10-3
c) Ermittlung der GW-Neubildung aus Schlüsselkurven:
- Schlüsselkurven für wenig klüftungsfreundliche Festgesteins-GW-Leiter (Gesteinsgruppe I) in
Abhängigkeit vom Zerrüttungsgrad Æ s. Bild 3.12
- Schlüsselkurven für klüftungsfreundliche Festgestein (Gesteinsgruppe II) Æ s. Bild 3.13
Skript zum Modul Hydrologie II
46
Bild 3.12:
Schlüsselkurven der Grundwasserneubildung für wenig
klüftungsfreundliches
Festgestein (Gesteinsgruppe I),
nach KRAFT, SZYMCZAK (1993)
Bild 3.13:
Schlüsselkurven der Grundwasserneubildung für klüftungsfreundliches
Festgestein (Gesteinsgruppe II), nach
KRAFT, SZYMCZAK, 1993
3.2.2.5. BAGLUVA-Verfahren
* Überblick über das Verfahren:
- Verfahren primär zur Ermittlung langjähriger Mittelwerte der realen Verdunstung ETR und des
Gesamtabflusses R ( R = RO + RH + RU) entwickelt
- unter bestimmten Voraussetzungen zur Ermittlung der Grundwasserneubildung als Teil des Gesamtabflusses R geeignet
- Wurzeln des Verfahrens gehen auf die 1950-er Jahre zurück (BAGROV-Ansatz)
- in der ehem. DDR vom Institut für Wasserwirtschaft Berlin (AG Glugla) ständig weiterentwickelt Æ
RASTER-Verfahren, EDV-Lösungen
- nach 1990 Weiterentwicklung durch die Bundesanstalt für Gewässerkunde, zunächst in Berlin, jetzt
in Koblenz Æ computergestützte Lösungen: ABIMO, BAGLUVA-Verfahren
Skript zum Modul Hydrologie II
47
- BAGLUVA-Verfahren u. a. im hydrologischen Atlas von Deutschland HAD angewendet
- Ausgangspunkt: Zusammenhang zwischen Wasserhaushalt und Energiehaushalt
* Anwendung des BAGLUVA-Verfahrens zur Ermittlung der Grundwasserneubildung:
- Anwendung der Wasserhaushaltsgleichung für wenig geneigtes Gelände (RO Æ 0)
- Bestimmung der realen Verdunstung als Restglied der Wasserhaushaltsgleichung
- reale Verdunstung ETR = f ┬ Atmosphäre (Energiedargebot ETP, Feuchtedargebot P)
└ Standortbedingungen ┬ Boden (Bodenart, Wasservorrat)
└ Nutzung (Nutzungs- und Pflanzenart)
- Umsetzung der allgemeinen Zusammenhänge Æ BAGROV-Gleichung:
d ETR
ETR
──── = 1 – [ ─── ] n
dP
ETP
mit
ETR
ETP
P
n
(3.5)
- langjähriges Mittel der realen Jahresverdunstung [mm/a]
- langjähriges Mittel der potenziellen Jahresverdunstung [mm/a]
- langjährige korrigierte Jahresniederschlagsmenge [mm/a]
- Effektivitätsparameter [ ] (standortabhängige Effektivität der realen Verdunstung, s.u.)
Æ Berücksichtigung des Energiedargebots (repräsentiert durch ETP)
Æ Berücksichtigung des Feuchtedargebots (repräsentiert durch P)
Æ Berücksichtigung der Standortbedingungen (repräsentiert durch n)
- Integration der BAGROV-Gleichung:
d ETR
ETR
P = ∫ ──────────
0
1 - (ETR / ETP) n
(3.6)
(alle Größen Æ s. Gleichung 3.5)
- Ergebnis der numerischen Integration Æ s. Bild 3.14
Bild 3.14:
Graphische Umsetzung der
BAGROV-Beziehung (nach
DYCK U. A., 1978)
Skript zum Modul Hydrologie II
48
►Ermittlung des Effektivitätsparameters n:
a) Einflussgrößen auf n:
- Landnutzung (Nutzungsform)
- Bodenart
- Grundwasserflurabstand
b) Nutzungsform:
- Einteilung der Nutzung des Gebietes in:
Æ Ackerland
Æ Waldflächen
Æ Gewässerflächen
Æ bebaute (versiegelte) Flächen
- s. topographische Karten, Messtischblätter, Luftbilder ...
c) Bodenart:
- Unterteilung in Hauptbodenarten entsprechend "Bodenkundlicher Kartieranleitung" in Sande (S),
Schluffe (U), Lehme (L) und Tone (T) jeweils mit Unterbodenart
- s. Bodenschätzungskarten, Karten der forstlichen Standortkartierung, Karten der Landwirtschaft,
eigene Untersuchungen
d) mittlerer langjähriger Grundwasserflurabstand:
- Berücksichtigung des Wasseraufstieges aus dem Grundwasser infolge Kapillarität
- Aufstiegsmengen abhängig von der Bodenart und von der Tiefe der Pflanzenwurzeln
- s. Grundwasserflurabstandskarten, Karten der Grundwasserstände (sog. Hydroisohypsenpläne)
Im Ergebnis der Punkte b) bis d) untergliedert man das Untersuchungsgebiet in Hydrotope
(Flächen mit vergleichbaren hydrologischen Eigenschaften).
e) Arbeitsschritte bei der Abarbeitung des Verfahrens:
- Überblick Æ s. Bild 3.15
Bild 3.15:Übersichtsschema des BAGLUVA-Verfahrens (GLUGLA U. A.., 2003)
Skript zum Modul Hydrologie II
-
49
Vielzahl von Einflussfaktoren
komplizierte Verknüpfungen
i. d. R. komplizierte Gleichungssysteme
horizontal / vertikale Informationsverschneidungen
Æ n, ETR und GWN nur computergestützt ermittelbar
Æ BAGLUVA-Software der BfG Koblenz
- Erläuterung der Herangehensweise bei der Abarbeitung des Verfahrens an Hand des methodisch
sehr ähnlichen Vorgängerverfahrens (BAGROV-GLUGLA-Verfahren):
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
Unterteilung des Gesamtgebietes hinsichtlich verschiedener langjähriger mittlerer Gebietsniederschlagswerte, ggf. Korrektur der Niederschlagswerte
Berücksichtigung von Wassermengen durch Beregnungsmengen WB (Beregnungsmengen
sind zu den Werten des korrigierten Niederschlages zu addieren)
Ermittlung der langjährigen mittleren potenziellen Verdunstung
Ermittlung der Landnutzung
Ermittlung der Bodenart
Ermittlung des mittleren langjährigen Grundwasserflurabstandes
Berechnung der mittleren langjährigen kapillaren Wasseraufstiegsmengen aus dem GW:
- Ermittlung der mittleren kapillaren Aufstiegshöhe zA:
zA = zG – zW
mit
zA
zG
zW
(3.7)
- mittlere kapillare Aufstiegshöhe [dm]
- mittlerer langjähriger Grundwasserflurabstand [dm]
- mittlere jährliche effektive Wurzeltiefe [dm] Æ s. Bild 16
- zA ist Grundlage für die Ermittlung der täglichen kapillaren Aufstiegsmengen
- Werte täglicher kapillarer Aufstiegsmengen WK(d) in Abhängigkeit von zA und der
Bodenart Æ s. Tabelle 3.3 Æ Werte in mm/d
- WK-Werte aus Tabelle 3.3 gelten für alle Tage während der Wachstumszeit, an denen
kein nennenswerter Niederschlag fällt (nur dann wirkt Kapillarität)
in der BRD:
Æ bei landwirtschaftlichen Kulturen: dK = 45 d (Halmfrüchte) - 90 d (Dauergrünland)
Æ bei Wald:
dK = 90 d
Bild 3.16:
Mittlere jährliche effektive Wurzeltiefe (DYCK, PESCHKE, 1995)
Skript zum Modul Hydrologie II
50
Tabelle 3.3: Mittlere tägliche kapillare Aufstiegsmengen aus dem Grundwasser Wd(d) für
ausgewählte Bodenarten und verschiedene mittlere kapillare Aufstiegshöhen (AG
BODEN, 2005)
Tägliche kapillare Aufstiegsmengen WK(d) [mm/d]
Mittlere kapillare Aufstiegshöhe zA [dm]
Bodenart
2
3
4
5
6
7
8
9
10
12
14
17
20
Sande:
gS (Grobsand)
mS (Mittelsand)
fS (Feinsand)
lS (lehmiger Sand)
uS (schluff. Sand)
tS (toniger Sand)
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
1,5
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
0,5
3,0
5,0
5,0
5,0
5,0
0,2
1,2
3,0
5,0
5,0
5,0
0,1
0,5
1,5
3,5
5,0
2,0
0,2
0,7
2,0
5,0
1,0
0,1
0,3
1,5
3,0
0,7
0,2
0,8
2,0
0,4
0,1
0,3
1,0
0,2
0,1
0,5
0,1
0,1
0,2
-
-
Schluffe:
U (Schluff)
sU (sandiger Schluff)
tU (toniger Schluff)
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
4,5
5,0
5,0
3,0
3,5
3,5
2,5
2,0
2,0
1,5
1,0
1,0
0,7
0,5
0,5
0,3
0,2
0,2
0,1
Lehme:
sL (sandiger Lehm)
uL (schluffiger L.)
tL (toniger Lehm)
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
5,0
2,5
3,5
5,0
1,2
2,0
4,5
0,7
1,3
2,5
0,5
0,8
2,5
0,3
0,5
2,0
0,2
0,3
1,5
0,2
0,2
0,8
0,1
0,1
0,4
0,1
0,2
-
0,1
-
Tone:
generell (lT, T, uT)
4,0
2,0
1,1
0,7
0,5
0,4
0,4
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0,1
- Berechnung der mittleren jährlichen kapillaren Wasseraufstiegsmengen WK aus dem
Grundwasser:
WK = WK (d) * dK
mit
(3.8)
WK
- mittlere jährliche kapillare Wasseraufstiegsmenge [mm/a]
WK(d) - tägliche kapillare Aufstiegsmenge [mm/d]
dK
- Dauer des Kapillaraufstieges (Tage während der Wachstumszeit, an denen kein
nennenswerter Niederschlag fällt, s.o.) [d]
(8) Berücksichtigung der mittleren jährlichen kapillaren Wasseraufstiegsmengen (so vorhanden) Æ
Addition zur mittleren langjährigen Niederschlagsmenge (ggf. korrigiert und unter Berücksichtigung von Beregnungsmengen)
(9) Bestimmung des Effektivitätsparameters n:
- für Hydrotope mit forstlicher, landwirtschaftlicher, gärtnerischer Nutzung bzw. vegetationslosen Boden ohne Grundwassereinfluss (ohne kapillare Wasseraufstiegsmengen) in Abhängigkeit von der Bodenart mittels Bild 3.17
- für Hydrotope mit forstlicher, landwirtschaftlicher, gärtnerischer Nutzung bzw. vegetationslosen Boden mit Grundwassereinfluss (mit Kapillarwassermengen):
Æ Ermittlung ebenfalls mittels Bild 17 (ggf. Bild 3.18)
Æ Erhöhung von n (wegen GW-Einfluss höhere Effektivität der Verdunstung):
um 20 % für WK(d) < 1,5 mm/d (WK(d) Æ vgl. Tabelle 3.3)
um 50 % für WK(d) ≥ 1,5 mm/d
- für bebaute (versiegelte) Flächen:
n = 0,1 (unabhängig von Grundwassereinfluss und Bodenart geringe Effektivität der
Verdunstung, nur unmittelbar nach Niederschlag Verdunstung möglich)
Skript zum Modul Hydrologie II
51
Bild 3.17:
Nutzungsparameter n in Abhängigkeit von der Landnutzung und
der Bodenart (DYCK, PESCHKE,
1995)
-
im Falle forstlicher Nutzung kann bei Kenntnis des Baumalters eine detailliertere
Bestimmung von n vorgenommen werden (Æ s. Bild 3.18)
Bild 3.18:
Nutzungsparameter n für forstliche
Nutzung in Abhängigkeit von Bodenart und Baumalter BA [a] (DYCK,
PESCHKE, 1995)
(10) Ermittlung des X-Wertes der BAGROV-Beziehung (für Bild 3.14):
X = (Pkorr + WK + WB ) / ETP
mit Pkorr
WK
WB
ETP
- langjähriger mittlerer (korrigierter) Jahresniederschlag [mm/a]
- mittlere jährliche kapillare Wasseraufstiegsmenge [mm/a]
- langjährige mittlere Beregnungsmengen [mm/a]
- langjähriger mittlerer Wert der potenziellen Verdunstung [mm/a]
(11) Ermittlung des Y-Wertes der BAGROV-Beziehung mittels Bild 3.14
(3.9)
Skript zum Modul Hydrologie II
52
(12) Ermittlung des langjährigen mittleren Wertes der realen Verdunstung:
ETR = Y * ETP
(3.10)
mit ETR - langjährige mittlere reale Jahresverdunstung [mm/a]
Y - Y-Wert (Y = ETR / ETP aus Bild 3.14)
ETP - langjähriger mittlerer Wert der potenziellen Verdunstung [mm/a]
(13) Ermittlung der mittleren realen Gebietsverdunstung:
- Abarbeitung der Arbeitsschritte (1) bis (12) für jede Teilfläche (Hydrotop)
- Wichtung der ETR-Werte jedes Hydrotops entsprechend dem jeweiligen Flächenanteil
und Berechnung der mittleren realen Gebietsverdunstung ETRm :
n
ETRm = 3 ai * ETRi
(3.11)
i=1
mit ai = Ai / A
mit
ETRm
ETRi
ai
Ai
A
(3.12)
- mittlere reale Gebietsverdunstung [mm/a]
- langjährige mittlere reale Jahresverdunstung des Hydrotops i [mm/a]
- Wichtung des Hydrotops i
- Fläche des Hydrotops i
- Gesamtfläche des untersuchten Gebietes [gleiche Maßeinheit wie Ai ]
(14) Ermittlung des Gesamtabflusses R:
R = P – ETR
(3.13)
mit R
- langjährig mittlerer Jahresgesamtabfluss [mm/a]
P
- langjährig mittlerer korrigierter Jahresniederschlag [mm/a]
ETRi - langjährig mittlere reale Jahresverdunstung [mm/a]
(15) Ermittlung der Grundwasserneubildung GWN:
GWN = RU = P – ETR (gilt nur für RO = RH = 0)
(3.14)
mit GWN - langjährig mittlere Grundwasserneubildung [mm/a]
(alle anderen Größen Æ s. Gleichung 3.13)
Anwendung des BAGROV-GLUGLA-Verfahrens Æ Übung 7
3.2.2.6. Nutzung von Wasserwerksdaten
* Methodik:
- die GW-Neubildung ist im langjährigen Mittel dem Fördervolumen eines Wasserwerkes identisch
- Berechnung der GW-Neubildung nach Gleichung 3.15:
GWN = QWW / AE
mit: GWN - Grundwasserneubildung
QWW - Fördermenge des Wasserwerkes
- unterirdisches Einzugsgebiet des Wasserwerkes (Beispiel Æ vgl. Bild 3.19)
AE
(3.15)
Skript zum Modul Hydrologie II
53
* Voraussetzungen für die Anwendung des Verfahrens:
- unterirdisches Einzugsgebiet der Brunnen des Wasserwerkes muss bekannt sein
- GW-Stände sollten über mehrere Jahre stabil sein (kleinere, z. B. sommerliche Schwankungen
bleiben unberücksichtigt)
- es müssen auszuschließen oder quantifizierbar sein:
Æ ein Abstrom von GW zu natürlichen Vorflutern
Æ eine Infiltration aus Vorflutern
Æ zusätzliche GW-Entnahmen bzw. GW-Anreicherungen
Bild 3.19:
Beispiel für die Strömungsbedingungen im Umfeld eines fördernden
Wasserwerkes (nach ARBEITSKREIS
GRUNDWASSERNEUBILDUNG, 1977)
3.2.2.7. Regressionsbeziehung nach RENGER & WESSOLEK, TUB-BGR-Verfahren
Achtung! Sickerwassermengen aus dem Wurzelraum entsprechen nicht immer der GWN (nur im
Fall unbedeckter Grundwasserleiter)!
* Methodik:
- Ableitung einer Regressionsbeziehung in Auswertung von langjährigen Messungen
- Eingangsgrößen:
Æ Jahresniederschlag
Æ Jahreswert der potenziellen Verdunstung nach HAUDE
Æ pflanzenverfügbares Bodenwasser
Æ Nutzung (Bewuchs)
* Randbedingungen:
Æ keine Anwendung für innerjährliche Sickerwasserwerte
Æ Gleichung gilt für geringe Hangneigungen (RO Æ 0)
Æ Ermittlung der Sickerwasserrate für Einzeljahre, aufbauend darauf Berechnung des langjährigen
Mittels
Æ Annahme: Auffüllung des Bodenspeichers am Ende des Winters auf Feldkapazität Æ Jahreswerte
beziehen sich auf den Zeitraum 01.04. – 31.03. des Folgejahres
Skript zum Modul Hydrologie II
54
* Regressionsbeziehung nach RENGER & WESSOLEK:
SW = P – (a * PSO + b * PWI + c * log (WPFL) + d * ETP) + e)
(3.16)
mit SW
– Jahressumme der Sickerwasserbildung [mm/a] (für den Zeitraum 01.04. – 31.03. des
Folgejahres)
P
– Jahresniederschlagssumme [mm/a] (für den Zeitraum 01.04. – 31.03. des Folgejahres),
unkorrigiert
PSO
– Sommerniederschlag [mm] (Zeitraum 01.04. – 30.09.), unkorrigiert
PWI
– Winterniederschlag [mm] (Zeitraum 01.10. – 31.03. des Folgejahres), unkorrigiert
– pflanzenverfügbares Bodenwasser [mm] Æ s. Gleichung 3.17
WPFL
ETP
– potentielle Jahresverdunstung nach HAUDE [mm/a] (für den Zeitraum 01.04. – 31.03. des
Folgejahres) Æ Gleichung 3.18
a, b, c, d, e – Konstanten (tabellarische Werte für verschiedene Landnutzungen) Æ s. Tabelle 3.4
Tabelle 3.4: Konstanten a – e für die Regressionsgleichung nach RENGER & WESSOLEK (ermittelt für
ebene Lockergesteinsstandorte Norddeutschlands)
Landnutzung
a
b
c
d
e
Ackerland
0,39
0,08
153
0,12
-109
Grünland
0,48
0,10
286
0,10
-330
Nadelwald
0,33
0,29
166
0,19
-127
Berechnung des pflanzenverfügbaren Bodenwassers:
We
WPFL = ∑ nFK + WK
(3.17)
0
mit:
WPFL
nFK
We
WK
-
pflanzenverfügbares Bodenwasser [mm]
nutzbare Feldkapazität [mm] Æ s. Tabelle 3.5
effektiver Wurzelraum [mm], bodenart- und bewuchsabhängig Æ vgl. Tabelle 3.6
jährliche kapillare Wasseraufstiegsrate [mm] Æ Berechnung analog BAGLUVA-Verfahren
Tabelle 3.5: Nutzbare Feldkapazitäten für ausgewählte Bodenarten (bei geringer Lagerungsdichte)
Bodenart
Sande:
Grobsande
Mittelsande
Feinsande
lehmig-schluffig-tonige Sande
Schluffe
Lehme
Tone
humose Sande, Schluffe, Lehme, Tone (15 - 30 % organische Substanz)
Hochmoortorf
Niedermoortorf
nFK [mm je 100 mm
Schichtdicke]
6–8
8 – 10
10 – 16
18 – 26
26 – 28
19 – 24
19 – 21
ca. 37
55 – 75
60 – 65
Skript zum Modul Hydrologie II
55
Tabelle 3.6: Effektive Wurzelräume für einjährige Nutzpflanzen
Bodenart
We [mm]
500 – 900
Sande
Schluffe
1000 – 1100
Lehme
1000 – 1100
Tone
1000
humose Sande, Schluffe, Lehme, Tone (15 - 30 % organische Substanz)
1000
Hochmoortorf
200
Niedermoortorf
400
Festgesteinszersatz
100
ETPHaude = f [es (T) * (1 – RLF/100)]
mit ETPHaude
T
RLF
f
es
(3.18)
- potenzielle Evapotranspiration nach HAUDE [mm]
- Lufttemperatur zum Messzeitpunkt 14.00 Uhr MEZ [oC]
- relative Luftfeuchtigkeit zum Messzeitpunkt 14.00 Uhr MEZ [%]
- monatsabhängiger HAUDE-Faktor [mm/(hPa * d)], (vgl. Tabelle 3.7)
- Sättigungsdampfdruck der Luft über Wasser zum Messzeitpunkt 14.00 Uhr MEZ [hPa],
es temperaturabhängig (vgl. Gleichungen 3.19 und 3.20)
Tabelle 3.7: Monatsvariable HAUDE-Faktoren f [mm/(hPa * d)]
f
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
0,22
0,22
0,22
0,29
0,29
0,28
0,26
0,25
0,23
0,22
0,22
0,22
- Berechnung der Sättigungsdampfdruckkurve:
es = 6,11 * e (17,62 T / (243,12 + T))
es = 6,11 * e (22,46 T / (272,62 + T))
mit
für T ≥ 0 °C
für T < 0 °C
(3.19)
(3.20)
es - Sättigungsdampfdruck der Luft über Wasser [hPa]
T - Lufttemperatur zum Messzeitpunkt 14.00 Uhr MEZ [oC]
Anwendung des Verfahrens nach RENGER und STREBEL Æ s. Übung 7
* Weiterentwicklung und Verfeinerung: TUB-BGR-Verfahren nach WESSOLEK:
► Weiterentwicklungen und Verfeinerungen betreffen:
- Verwendung der Grasreferenzverdunstung (PENMAN-MONTEITH-Formel mit festen Bewuchsparametern für eine stets 12 cm hohen Grasvegetation) anstelle der HAUDE-Formel
- rechentechnische Umsetzung Æ EXCEL-Programm der TU Berlin Æ Ablaufschema s. Bild 3.20
► Beachte:
- auch TUB-BGR-Verfahren liefert Sickerwassermengen SW aus dem Boden
- SW = GWN, falls RH = 0
Skript zum Modul Hydrologie II
56
Bild 3.20:
Ablaufschema des TUB-BGRVerfahrens (WESSOLEK U. A..,
2004)
3.2.2.8. Bodenwasserhaushaltsmodelle
* Methodik:
- Kopplung von Bewegungs- und Kontinuitätsgleichung
- i. d. R. zeitlich hochauflösende Modelle (Minuten- ... Monatsintervall)
- Erfassung aller wesentlichen in der Aerationszone ablaufenden Prozesse, u. a. der GW-Neubildung
* Vorteile:
- prozessnahe Quantifizierung der hydrologischen Prozesse
- hohe räumliche (horizontal, vertikal) und zeitliche Auflösung
- hohe Komplexität Æ Koppelbarkeit mit anderen nichthydrologischen Prozessen (z. B. in Bezug auf
den Stofftransport
* Nachteile:
- i. allg. hoher Aufwand
- hohe Anforderungen an die Primärdaten
* Kalibrierungshilfen:
-
Bodenfeuchtemessungen
Grundwasserstandsmessungen
Drainagewasserauslaufmessungen
Abflussmessungen
* Beispiele für Bodenwasserhaushaltsmodelle Æ s. Abschnitt 4
Skript zum Modul Hydrologie II
57
3.2.3. Nutzung des Durchflussverhaltens von Fließgewässern zur Ermittlung der
Grundwasserneubildung
3.2.3.1. Berechnung auf Basis monatlicher Niedrigwasserdurchflüsse (MoMNQ-Verfahren nach
WUNDT und KILLE)
* Methodik: Mittlerer Niedrigwasserdurchfluss MoMNQ = Grundwasserneubildung GWN
* Datengrundlage: monatliche Niedrigwasserdurchflüsse einer mindestens 10-jährigen Reihe (je länger,
desto besser), Bezugsquelle z. B. Gewässerkundliche Jahrbücher
* Beispiel: 15-jährige Reihe des Biberbachs (Finne, Reihe 1961 – 1975) Æ s. Tabelle 3.8
Tabelle 3.8: Haupttabelle der Durchflüsse des Biberbaches 1961 – 1975 ( auszugsweise)
…
* Abarbeitungsschritte:
- Ordnen der MoNQ-Werte, Berechnung der Einzel- und Summenhäufigkeiten n, graphische
Darstellung der MoNQ-Werte mit den dazu gehörigen Summenhäufigkeiten Æ s. Bild 3.21
- Einzeichnen einer Ausgleichsgeraden durch die Punktfolge ohne Berücksichtigung des oberen ROund RH-beeinflussten Bereiches (vgl. Bild 3.21)
- Ermittlung des langjährig mittleren NQ-Wertes (MoMNQ) Æ entspricht dem MoNQ-Wert bei 0,5 n
- langjährig mittlerer MoNQ-Wert entspricht dem langjährigen Mittelwert der GW-Neubildung (es
kann im langjährigen Mittel nur soviel aus dem Grundwasser in die Vorflut abfließen wie sich im
gleichen Zeitraum an Grundwasser neu gebildet hat)
- Ergebnis für das Beispiel:
MoMNQ = GWN = 0,15 m3/s
Æ Umrechnung in Maßeinheiten, die in der Hydrologie gebräuchlich sind Æ in l/(s km2 ) bzw. mm/a:
GWN [l/(s km2 ] = GWN [l/s] / AE [km2 ] Æ hier: GWN = 150 l/s / 54,3 km2 = 2,8 l/(s km2 )
GWN [mm/a] = GWN [l/(s km2 ] * 31,5
Æ hier: GWN = 2,8 l/(s km2 ) * 31,5 = 87 mm/a
Anwendung des MoMNQ-Verfahrens Æ Übung 8
Skript zum Modul Hydrologie II
58
Bild 3.21:
Summenhäufigkeitsverteilung der MoNQWerte des Biberbaches (Finne), nach
BOLDUAN, DUNGER (1993)
3.2.3.2. Trockenwetterlinie nach WUNDT
* Methodik:
- Methode zur Ermittlung aktueller (kurzfristiger) GW-Neubildungswerte
- aktuelle GW-Neubildung interessiert immer dann, wenn die Speichereigenschaften des GW-Leiters
gering sind Æ schnelle Erschöpfung des GW-Leiters bei GW-Nutzung
- Grundüberlegung: in längeren Trockenperioden fließt ausschließlich Grundwasser der Vorflut zu
- Durchflussverhalten eines Vorfluters während Trockenperioden kann als Indikator für die GWNeubildung der Vergangenheit genutzt werden Æ mind. tägliche Durchflussmessungen notwendig
- Durchflüsse jedoch unter mitteleuropäischen Witterungsbedingungen auch in Trockenperioden
durch zwischenzeitliche Niederschläge gestört Æ Ziel des Verfahrens: Bereinigung der Störungen
durch Niederschläge
* Umsetzung der Methodik (graphisches Verfahren):
- Auswahl einer geeigneten Trockenwetterperiode (notwendige Voraussetzung: Durchflüsse mit der
Zeit müssen tendenziell kleiner werden)
- graphische Darstellung der Durchflusswerte in einem Koordinatensystem (y-Achse = Durchflüsse Q,
x-Achse = Zeit t, lineare Achseneinteilung)
- Verbinden der Messpunkte Æ Durchflussganglinie
- abschnittsweises Verschieben der Abschnitte der Durchflussrückgänge
Æ Beseitigung der Störungen der Durchflussganglinie durch Niederschlagsereignisse
Æ ausschließliche Betrachtung von Zeiten ohne Niederschlag (RO + RH = 0)
Æ Konstruktion der Trockenwetterlinie analog Bild 3.22
- Anlegen von Tangenten an die Anfangs- und Endbereiche der Trockenwetterlinie (am Beginn des
Rückganges und am Ende des Rückganges)
- Schnittpunkt der Tangenten = mittlere GW-Neubildungsmenge im betrachteten Zeitraum
Anwendung des Trockenwetterlinien-Verfahrens Æ Übung 9
Skript zum Modul Hydrologie II
59
Durchflussganglinie
Trockenwetterlinie
Trockenperiode
Bild 3.22:
Ermittlung der Trockenwetterlinie aus der Durchflussganglinie (Bildgrundlage: JORDAN U.
A., 1978)
3.2.3.3. Durchflussganglinien-Separationsverfahren
* Methodik:
- ebenfalls (analog Trockenwetterlinie) Methode zur Ermittlung aktueller (kurzfristiger) GWN-Werte
- Grundüberlegung: Die Abflusskomponenten Oberflächenabfluss RO, hypodermischer Abfluss RH
und Grundwasserabfluss RG reagieren unterschiedlich schnell auf Niederschläge und haben ein
unterschiedliches Abklingverhalten nach Niederschlagsereignissen (verschieden steile Rückgänge
des Durchflusses)
- es gilt: RG = GWN
- Rückgangsverhalten der Abflusskomponenten beschreibbar mit dem Leerlaufen eines Einzellinearspeichers:
Q(t) = Q(to) * e - α t
(3.21)
mit Q(t) - Durchfluss zum Zeitpunkt t
Q(to) - Durchfluss zu Beginn des Leerlaufens (Beginn des Durchflussrückgangs)
α
- Rückgangskonstante (1/α Æ Speicherkoeffizient S)
- Abflusskomponenten RO, RH und RG strecken sich bei halblogarithmischer Darstellung zu Geraden
mit verschiedenen (negativen) Anstiegen
* Umsetzung der Methodik (graphisches Verfahren):
- graphische Darstellung der Durchflusswerte in halblogarithmischem Papier (Durchfluss Q logarithmisch, Zeit t linear) Æ entsprechend Bild 3.23
Skript zum Modul Hydrologie II
60
Bild 3.23: Prinzip der Ganglinienseparation (GRUNSKE, 1975)
- Konstruktion von Ausgleichsgeraden der GW-Auslauflinien entsprechend Bild 3.23
Æ Ausgleich der flachen Rückgangsabschnitte (entspricht dem Anstieg der Abflusskomponente
RG) durch Geraden
Æ Verlängerung dieser Geraden nach links, bis sich der Schnittpunkt 1 mit der geradlinigen
Verlängerung des vorhergegangenen steilsten abfallenden Astes (entspricht dem Anstieg der
Abflusskomponente RO) ergibt
Æ Fällen der Lote von den Hochwasserscheiteldurchflüssen auf die x-Achse
Æ Verlängerung der RG-Ausgleichsgeraden bis zum Schnittpunkt mit dem Lot der Hochwasserscheiteldurchflüsse (Schnittpunkt 2)
Æ geradlinige Verbindung aller Schnittpunkte Æ Separation der schnellen Abflusskomponenten
(oberhalb der Trennlinie von der langsamen GW-Komponente (GW-Ganglinie)
- Ablesen der täglichen Ordinatenwerte des Durchflusses der GW-Ganglinie
- Mittelwertbildung der täglichen Werte des Durchflusses der GW-Ganglinie Æ GW-Neubildung für
den betrachteten Zeitraum
Anwendung des Durchflussganglinien-Separationsverfahrens Æ Übung 9
3.2.3.4. Voraussetzungen in Bezug auf die Nutzbarkeit von Informationen zum Durchflussverhalten von Fließgewässern zur Ermittlung der Grundwasserneubildung
- Störungen/Beeinflussungen des Durchflusses innerhalb eines Vorfluters müssen bekannt sein (z. B.
infolge Speicheranlagen, Wasserentnahmen und -einleitungen, Eisstand ...)
- keine nichtquantifizierbaren Fremdzu- und -abflüsse im Einzugsgebiet
- Wasserentnahmen und -einleitungen müssen bekannt sein
- Trockenwetterabfluss beginnt je nach Größe des Einzugsgebietes und dessen Retentionsfähigkeit
(Speichervermögen) frühestens 3 – 5 Tage nach einem Niederschlagsereignis
Skript zum Modul Hydrologie II
61
3.2.4. Einsatz von Markierungsstoffen (Tracern)
3.2.4.1. Prinzip der Tracermessung
* Methodik:
- Nutzung natürlicher bzw. künstlicher Markierungsstoffe (Tracer) zur Messung der Abstandsgeschwindigkeit in der Aerationszone
- Herangehensweise Æ s. Bild 3.24
Bild 3.24:
Methodik des Einsatzes
natürlicher bzw. künstlicher Tracer zur Ermittlung der Grundwasserneubildung
- Hauptvorteile: sehr präzise, GWN-Werte mit hoher zeitlicher Auflösung
- Hauptnachteil: i.d.R. sehr aufwändig
* Beispiel für den Einsatz eines künstlichen Tracers Æ Bild 3.25:
- Impfung der Bodenoberfläche mit einem geeigneten Tracer
- „Verfolgen“ des Tracers im Boden (Messung der Verlagerung)
- GW-Neubildung ist identisch mit der durch die Markierung nach unten verdrängten Bodenwassermenge
Bild 3.25:
Beispiel für den Einsatz
eines Tracers zur Ermittlung der GW-Neubildung
Skript zum Modul Hydrologie II
62
- Berechnung der GW-Neubildung für das Beispiel in Bild 3.25:
Æ Filtergeschwindigkeit vf = GWN
Æ Messgröße aus dem Tracerversuch: Abstandsgeschwindigkeit va, wobei va = s / t (Weg-ZeitGesetz)
Æ Zusammenhang zwischen vf und va:
vf = GWN = va * ne
mit
Æ
vf
GWN
va
ne
(3.22)
- Filtergeschwindigkeit [m/s]
- Grundwasserneubildung [m/s]
- Abstandsgeschwindigkeit [m/s]
- entwässerbare Porosität [ ]
vf = GWN = 1,5 m / 15 mon * 0,1 = 10 mm/mon = 15 mm/mon * 12 = 120 mm/a
* geeignete Markierungsstoffe:
- prinzipiell geeignet: Stoffe, die die Sickerwasserbewegung repräsentieren
- weitere Bedingungen:
Æ geringe Adsorptionsfähigkeit
Æ praktikable Anwendbarkeit (u. a. gute Messbarkeit)
Æ geringe ökologische Risiken (u. a. keine Giftigkeit)
Æ geringer Preis
* zur GWN-Ermittlung häufig verwendet:
- stabile Isotope (Deuterium, Sauerstoff-18)
- Farbstoffe (Uranin Æ für den Fall tonmineralarmer Böden)
- Elektrolyte (Bromidsalze, Cloridmethode)
3.2.4.2. Chloridmethode
* Methodik:
- Messung der Chloridkonzentration im Niederschlag und im Grundwasser
- chloridfreie Verdunstung eines Teils des Niederschlages
Æ Erhöhung der Chloridkonzentrationen im Sicker- und Grundwasser
Æ Konzentrationsunterschiede = Maß für die GW-Neubildung
* Voraussetzungen für die Anwendbarkeit der Methode:
- keine Beeinflussung durch landwirtschaftliche Düngung, durch Auftausalze ...
- Höhe des Oberflächenabflusses muss bekannt sein
- erhöhte Cl-Konzentrationen im Niederschlag Æ Anwendung begrenzt auf küstennahe Gebiete
* Berechnung:
- Wassermengenbilanz (Wasserhaushaltsgleichung):
P - RO = ETR + GWN
(3.23)
Skript zum Modul Hydrologie II
mit: P
RO
ETR
GWN
63
- Niederschlag
- Oberflächenabfluss
- Verdunstung (reale Evapotranspiration)
- Grundwasserneubildung
- Chloridkonzentrationsbilanz:
GWN * ClGW = (GWN + ETR) * ClP
(3.24)
mit: ClP - Chloridkonzentration im Niederschlag
ClGW - Chloridkonzentration im Niederschlag
(alle anderen Symbole Æ s. Gleichung 3.23)
- Umstellen von Gleichung 3.24:
GWN / (GWN + ET) = ClP / ClGW
(3.25)
(alle Symbole Æ s. Gleichung 3.24)
- unter Einbeziehung von Gleichung 3.23 ergibt sich:
GWN / (P - RO) = ClP / ClGW
(3.26)
(alle Symbole Æ s. Gleichungen 3.23 und 3.24)
- Auflösung der Gleichung 3.26 nach GWN:
(P - RO) * ClP
GWN = ──────────
ClGW
(3.27)
(alle Symbole Æ s. Gleichungen 3.23 und 3.24)
3.3. Vertiefende Literatur zur Grundwasserneubildung
BfG (2003):
BAGLUVA - Wasserhaushaltsverfahren zur Berechnung vieljähriger Mittelwerte der tatsächlichen
Verdunstung und des Gesamtabflusses Bundesanstalt für Gewässerkunde Koblenz, Bericht Nr. 1342
HGN Hydrogeologie Nordhausen (1993):
Kolloquium Hydrogeologie, Thema: Grundwasserneubildung, Vortragsband
HGN Hydrogeologie Nordhausen (2003):
Workshop Grundwasserneubildung, Vortragsband
Leibundgut, Ch. und S. Demuth (1997):
Grundwasserneubildung. Beiträge eines Workshops projektbegleitend zum „Hydrologischen Atlas von
Deutschland“. Freiburger Schriften zur Hydrologie, Band 5.
Skript zum Modul Hydrologie II
64
Matthes, G. und H. Ubell (1983):
Lehrbuch der Hydrogeologie, Band 1: Allgemeine Hydrogeologie, Grundwasserhaushalt. Gebrüder
Borntraeger, Berlin, Stuttgart
NATO ASI Series (1987):
Proceedings of the NATO Advanced Research Workshop on Estimation of Natural Recharge of
Groundwater. Turkey, 8-15 March, 1987, 508 pp
Neumann, J. (2005):
Flächendifferenzierte Grundwasserneubildung von Deutschland – Entwicklung und Anwendung des
makroskaligen Verfahrens HAD-GW Neu. Dissertation, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Wessolek, G., W.H.D. Duijnisveld und S. Trinks (2004):
Ein neues Verfahren zur Berechnung der Sickerwasserrate aus dem Boden: Das TUB-BGR-Verfahren.
In: Bronstert u. a. (Hrsg.): Wasser- und Stofftransport in heterogenen Einzugsgebieten. Forum für
Hydrologie Wasserbewirtschaftung, Heft 5/04, Beiträge zum Tag der Hydrologie, Band 1, Hennef, S.
135 – 145
Skript zum Modul Hydrologie II
65
4. Wasserhaushaltsmodellierung
4.1. Notwendigkeit von Wasserhaushaltsuntersuchungen
* Zielstellungen im Zusammenhang mit Wasserhaushaltsuntersuchungen:
- Untersuchungen zum Wasserhaushalt = eine der wichtigsten und zugleich kompliziertesten Aufgaben
in der Hydrologie
- Notwendigkeit von Wasserhaushaltsuntersuchungen:
Æ quantitative Erfassung der Wasserressourcen (z. B. von Grundwasserneubildungsmengen, Be- und
Entwässerungsmengen für die Landwirtschaft, Abfluss- und Verdunstungsmengen)
Æ Quantifizierung von wasserhaushaltlichen Veränderungen, verursacht durch natürliche und
anthropogene Veränderungen (u. a. Klima und Gebietsnutzung)
Æ hydrologische Begründung von Plänen, Projekten und Maßnahmen
Æ Bewirtschaftung der Wasserressourcen
Æ notwendige Voraussetzung für Untersuchungen zum Energie- und Stoffhaushalt
* zeitliche und räumliche Skalierung bei Wasserhaushaltsuntersuchungen:
- zeitliche Skalierung außerordentlich breit:
Æ reicht von langjährigen mittleren Wasserbilanzen bis zu zeitlich hochauflösenden Bilanzen im
Minutenbereich
Æ Bilanzen für hydrologisch interessante Perioden (Starkregen, Schneeschmelze, Trockenperiode ...)
Æ Vielfalt hinsichtlich Berechnungsverfahren
- räumliche Skalierung ebenfalls außerordentlich breit:
Æ globale Wasserhaushaltsuntersuchungen, Wasserhaushalt der Kontinente
Æ einzugsgebietsbezogene Wasserhaushaltsuntersuchungen (Gebietswasserhaushalt)
Æ Versuchsparzelle (Lysimeter, hydrologische Beobachtungsfläche ...)
* Besonderheit hochauflösender Wasserhaushaltsuntersuchungen:
- Erfassung und Quantifizierung einer Vielzahl von Prozessen (hydrologische, nichthydrologische) Æ s.
auch Bild 4.1
- Verknüpfung der Prozesse untereinander
- hohe Dynamik einzelner Prozesse (z. B. Abflussbildungsprozess)
Æ Notwendigkeit der Anwendung von hydrologischen Modellen
* Modellkonzepte zur Quantifizierung des Wasserhaushaltes mit hoher räumlicher und zeitlicher
Auflösung:
- Bodenwasserhaushaltsmodelle:
Æ simulieren primär die Wasserhaushaltsgrößen
Æ zumeist deterministische bzw. konzeptionelle Modellansätze
- Niederschlag-Abfluss-Modelle (N-A-Modelle):
Æ "Rückrechnen" der Wasserhaushaltsgrößen an Hand der Abflussreaktion eines Einzugsgebietes
infolge wechselnder Witterungsbedingungen
Æ Wasserhaushaltsteil ist Bestandteil des Abflussbildungsteilmodells
Skript zum Modul Hydrologie II
66
- Kalibrierungshilfen für Bodenwasserhaushalts- und N-A-Modelle:
Æ Bodenfeuchtemessungen
Æ Grundwasserstandsmessungen
Æ Drainagewasserauslaufmessungen
Æ Abflussmessungen
* Bodenwasserhaushaltsmodelle:
- Modellierung der hydrologischen Prozesse, die in der Aerationszone ablaufen Æ s. Bild 4.1
P - Niederschlag
RO - Oberflächenabfluss
EO - Evaporation
T - Transpiration
EI - Interzeption
SO - Oberflächenspeicher
SI - Interzeptionsspeicher
SB - Bodenspeicher
SG - GW-Speicher
ETG- Kapillaraufstieg
RB - hypodermischer Abfluss
RG - GW-Abfluss
Θ - Bodenfeuchte
z - Tiefe unter Gelände
t
- Zeit
d - GW-Neubildung
ΔH - GW-Standsänderung
f
- Infiltration
F - Feuchtestrom
Index i: in das Gebiet
Index o: aus dem Gebiet
Bild 4.1: Prozesse des Bodenwasserhaushaltes einschließlich der Klassifikation entsprechend
a) den wirkenden Kräften, b) dem Sättigungsgrad und c) der Wasserart (DYCK U. A., 1978)
a) Interzeption: Rückhalt des Niederschlages durch die Pflanzendecke
b) Muldenspeicherung: Wasserspeicherung auf der Bodenoberfläche
c) Infiltration: Eindringen des Wassers in den Boden
d) Versickerung: Transport des Wassers durch den Boden infolge Gravitation
e) GW-Neubildung: Sickerwassermenge, die den Grundwasserspiegel erreicht
f) Kapillaraufstieg: Grundwasseraufstieg in die Aerationszone infolge von Kapillarkräften
g) Evapotranspiration: Verdunstung = Summe aus Evaporation und Transpiration
h) Oberflächenabfluss: Abfluss auf der Bodenoberfläche
i) hypodermischer Abfluss: bodeninnerer, lateraler Abfluss auf Stauhorizonten
j) GW-Abfluss: Abfluss aus dem Grundwasserleiter
k) Schneespeicherung: Äquivalentwassergehalt der Schneedecke
l) Änderung der Bodenfeuchtespeicherung: Folge der unter a - d, f - i und k genannten Prozesse
Skript zum Modul Hydrologie II
4.2.
67
Das Modell BOWAM - ein Beispiel für die Modellierung
des Bodenwasserhaushaltes
4.2.1. Modellinhalt
- BOWAM = Bodenwasserhaushaltsmodell, Modellart: konzeptionelles Boxmodell (zu Modellgruppen
vgl. Skript Hydrologie I, Abschnitt 5.6.3, insbesondere Bild 5.39) Æ hydrotopweise anzuwenden
- Modelleingabegrößen Æ s. Tabelle 4.1
- Modellinhalt Æ s. Bild 4.2
- Modellkalibrierungen/-validierungen seit > 25 Jahren an > 10 Standorten vorrangig in Sachsen
Tabelle 4.1: Eingabedaten und -parameter des Modells BOWAM
Geographisch-morphometrische Parameter
Meteorologische Daten
- geographische Breite
- mittlere Geländehöhe
- dominante Exposition
- mittlere Hangneigung
- Temperatur, Luftfeuchtigkeit
- Globalstrahlung oder Sonnenscheindauer
- Niederschlagsmenge
- Windgeschwindigkeit
Pedologische Parameter
Bewuchsparameter
- kf-Wert
- Sättigungswassergehalt
- Bereich der Feldkapazität
- permanenter Welkepunkt
- kapillare Steighöhe
- Bodenschichtanzahl und -mächtigkeit
- Vegetationsanteile:
Ödland (unbewachsen), Ackerland, Wald,
Gewässer, versiegelte Flächen
- Vegetationsbedeckungsgrad
- maximale Durchwurzelungstiefe
- Bereich der maximalen Wurzeldichte
Bild 4.2: Wesentlichen hydrologischen Teilprozesse und Modellansätze im Modell BOWAM
Skript zum Modul Hydrologie II
68
- Simulationsergebnisse:
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Infiltrations- und Sickerwassermengen (einschließlich Grundwasserneubildung)
Oberflächen- und hypodermischer (bodeninnerer, lateraler) Abfluss
Wassermengen infolge kapillaren Aufstieges
potenzielle und reale Evapotranspiration (einschließlich Interzeption)
räumlich vertikaler und zeitlicher Verlauf der Bodenfeuchte
Schneeakkumulation (Aufbau der Schneedecke) und -ablation (Schneeschmelze)
4.2.2. Beispiele für BOWAM-Modellkalibrierungen/-validierungen
* Beispiel 1: Standort Wildacker:
-
Lage des Standortes: Tharandter Wald, Repräsentativfläche der TU Dresden
Testperiode: April - August 1983
Nutzung: Gras
Bodenart: sandiger Lehm
Messung aller meteorologischer Werte vor Ort
Messung der Bodenfeuchte: im Zeitraum Juni - Juli 1983 zweimal wöchentlich (gravimetrisch nach
Bodenprobenahme an einem Schurf Æ Möglichkeit der Kalibrierung des Modells)
►Simulationsergebnisse:
- Ermittlung der Wasserhaushaltsgrößen Æ Ergebnisse s. Tabelle 4.2
Tabelle 4.2: Mittels BOWAM simulierte Wasserhaushaltsbilanzen 1.4. bis 6.8.83 (alle Größen in mm)
Zeitraum
April 83
Mai 83
Juni 83
Juli 83
01.08. - 06.08.83
P
RO
RH
RU
ETP
ETR
ΔSB
82,0
45,5
42,3
39,1
192,2
0,0
0,0
0,0
0,0
13,3
14,2
0,0
0,0
0,0
10,4
50,5
0,0
0,0
0,0
72,5
48,3
72,3
107,3
130,5
10,5
47,5
63,7
67,7
57,6
5,9
-29,3
-18,2
-25,4
-18,5
+90,1
P - Niederschlag
RU - Grundwasserneubildung
ΔSB - Bodenfeuchteänderung
RO - Oberflächenabfluss
ETP - potenzielle Verdunstung
RH - hypodermischer Abfluss
ETR - reale Verdunstung
- Simulation des Bodenfeuchteganges und Vergleich mit gemessenen Werten (Æ s. Bild 4.3)
►Ergebnisinterpretation:
- April 1983:
Æ überdurchschnittliche Niederschläge Æ Versickerung und GW-Neubildung
Æ im Verlaufe des Monats zwar leichte Bodenfeuchtezehrung (ΔSB < 0), jedoch noch ausreichend hoher Bodenfeuchtewert Æ ETR  ETP
- Mai - Juli 1983:
Æ deutlich unterdurchschnittliche Niederschläge Æ lang anhaltende Bodenfeuchtezehrung
Æ Abnahme der Bodenfeuchte Æ sich verschlechternde Bedingungen für das Pflanzenwachstum (äußert sich in der Abnahme der ETR: ETR < ETP)
Æ keine Versickerung und keine GW-Neubildung
Skript zum Modul Hydrologie II
69
- 01. - 06.08.1983:
Æ außergewöhnlich starke Niederschläge infolge mehrtägiger Vb-Wetterlage (Vb-Wetterlage Æ
vgl. Skript Hydrologie I, Abschnitt 3.1)
Æ konkrete Niederschlagsverteilung Æ s. Tabelle 1.3
Æ Auffüllung des Bodenfeuchtespeichers
Æ Bildung von Oberflächenabfluss und hypodermischem Abfluss
Æ beachtliche GW-Neubildung (RU) Æ auch im Sommerhalbjahr ist bei entsprechend großen
Niederschlägen eine GW-Neubildung denkbar (selbst bei geringer Bodenfeuchte zu Beginn
einer versickerungswirksamen Niederschlagsperiode)
- Bodenwasserhaushalt im Modell realistisch nachgebildet (Æ s. Vergleichsgröße Bodenfeuchte, Bild 4.3), Unsicherheit: Starkregenperiode Anfang August 1983 (da außer der Niederschlagsmessung keine weiteren Messungen erfolgt sind)
Tabelle 4.3: Stündliche Niederschläge P [mm/h] vom 01.08. - 06.08.1993 (Station Wildacker)
Uhrzeit
01.08.
02.08.
03.08.
04.08.
05.08.
06.08.
00-01 Uhr
01-02 Uhr
02-03 Uhr
03-04 Uhr
04-05 Uhr
05-06 Uhr
06-07 Uhr
07-08 Uhr
08-09 Uhr
09-10 Uhr
10-11 Uhr
11-12 Uhr
12-13 Uhr
13-14 Uhr
14-15 Uhr
15-16 Uhr
16-17 Uhr
17-18 Uhr
18-19 Uhr
19-20 Uhr
20-21 Uhr
21-22 Uhr
22-23 Uhr
23-24 Uhr
6,0
3,8
4,2
5,9
0,1
0,8
1,1
1,0
2,1
4,3
3,7
2,6
1,7
2,0
5,1
2,8
4,3
4,8
4,6
2,5
1,5
0,7
2,8
3,2
1,5
0,5
0,7
0,9
1,6
1,3
1,2
0,8
0,8
0,4
0,2
0,2
1,8
0,6
1,1
0,7
0,2
0,2
0,2
0,3
0,2
0,2
1,8
1,4
1,4
1,1
0,8
0,7
0,7
2,3
1,6
5,4
5,2
7,4
8,5
10,6
6,5
4,6
4,5
3,3
3,6
5,4
2,9
2,0
2,0
2,1
1,9
2,0
2,0
1,1
1,3
2,4
2,4
1,6
0,9
0,6
0,5
0,7
0,9
0,5
0,1
0,1
0,1
-
Tagessumme
9,8
10,1
57,2
24,3
84,8
2,8
Gesamtsumme: 189,0 mm Niederschlag
zum Vergleich (Werte für Dresden-Klotzsche):
- langjähriges Mittel der Monatssumme August: 72 mm
- langjähriger mittlerer Jahresniederschlag:
648 mm
Æ im Betrachtungszeitraum (6 Tage) fiel knapp 30 % der mittleren Jahresniederschlagsmenge
Skript zum Modul Hydrologie II
70
Bild 4.3: Bodenfeuchteverlauf und Abflussbildung, Standort Wildacker (April – August 1983), DUNGER (1985)
* Beispiel 2: Landwirtschaftliche Nutzfläche Börtewitz (bei Döbeln):
- Repräsentativfläche der ehem. Akademie der Landwirtschaftswissenschaften der DDR
- Testperiode: April bis Oktober 1980
- meteorologische Situation: nasses Sommerhalbjahr
- Nutzung: bis 24.7.1980 Æ Wintergerste (Ernte: 24.7.1980)
ab 25.7.1980 Æ abgeerntete Fläche (kein Zwischenfruchtanbau)
- Bodenart: Lehm (Lößfahlbraunerde)
Æ Sättigungswassergehalt des Bodens:
Æ Bereich der Feldkapazität:
Æ Bereich des permanenten Welkepunktes:
Æ gesättigte hydraulische Leitfähigkeit:
ca. 47 Vol.-%
ca. 35 Vol.-%
ca. 18 Vol.-%
ca. 1 ... 2 * 10-6 m/s
- meteorologische Messwerte: Station Mutzschen (ca. 8 km entfernt)
- Messung von Drainageauslaufmengen:
Æ Drainagenetz ca. 1 m u. Gel. (unterhalb der landwirtschaftlichen Nutzfläche)
Æ kontinuierliche Auslaufmessungen (Pegelschreiber)
Æ Vergleichsgröße für die simulierten Bodenwasserhaushaltswerte
►Simulationsergebnisse:
- Simulation des Bodenwasserhaushaltes für 10 Bodenschichten a 100 mm Mächtigkeit
- Vergleich der simulierten und gemessenen Drainageauslaufmengen Æ s. Bild 4.4
Æ Hinweis: Modell simuliert den Prozess der Abflussbildung, nicht der Abflusskonzentration
Æ gemessene Auslaufganglinie beinhaltet die Abflusskonzentration
Skript zum Modul Hydrologie II
71
Bild 4.4: Modellierte und gemessene Drainageausflussmengen, Testfläche Börtewitz, Sommer 1980
(DUNGER, 1985)
►Interpretation:
- nasses Sommerhalbjahr bewirkt Anspringen des Drainagesystems auch während des Sommers
- Anspringen des Drainagesystems gut modellierbar (April, Juli, Oktober)
- simulierte Auslaufmengen ca. 10 ... 50 % höher als gemessene Mengen
Æ Grund: nicht die gesamte Sickerwassermenge wird durch das Drainagesystem abgeführt
* Beispiel 3: Lysimterstation Brandis (östlich von Leipzig):
- Lysimetermessungen (Klima, Wasserhaushalt) ab 1981 Æ Kalibrierungszeitraum: 1981 – 2002
- Untersuchung von 9 typische Böden Mitteldeutschlands Æ in Summe 24 wägbare Lysimeter
- Böden repräsentieren verschiedene Böden Æ Ergebnisse der Kalibrierung für 2 ausgewählte Böden:
Æ Sand (geringe Wasserspeicherfähigkeit) Æ Lysimetergruppe 5
Æ Löß (sehr hohe Wasserspeicherfähigkeit) Æ Lysimetergruppe 9
- Ziel der Modellkalibrierung: Nachbildung des Wasserhaushaltes mit den Boden- und Bewuchsparametern der BOWAM-Datenbanken
- Ergebnisse für die Lysimetergruppe 5:
Æ geringe nutzbare Feldkapazität Æ geringe Bodenwasserdefizite im Sommer Æ Auffüllung
praktisch in jedem Winterhalbjahr Æ Sickerwasserbildung in jedem Winter/Frühjahr
Æ gemessene und modellierte Verdunstungswerte Æ Bild 4.5 Æ gute Übereinstimmung
Æ gleiches betrifft die Sickerwassermengen an der Modellbasis (Basis Lysimeter = 3 m Tiefe)
Æ Bild 4.6
Æ Gesamteinschätzung: gute Modellanpassung ohne wesentliche Veränderungen der Ausgangsparametersätze
- Ergebnisse für die Lysimetergruppe 9:
Æ sehr hohe nutzbare Feldkapazität Æ hohe Verdunstungsbeträge Æ hohe Bodenwasserdefizite
im Sommer Æ Bodenwasservorräte nicht in jedem Winterhalbjahr auffüllbar Æ fehlende
Sickerwasserbildung über viele Jahre
Æ gemessene und modellierte Verdunstungswerte Æ Bild 4.7 Æ häufige ETR-Unterbewertung
Skript zum Modul Hydrologie II
72
Messwerte (3 Lysimeter)
BOWAM-Modellwerte
Bild 4.5:
Modellierte und gemessene Verdunstungsmengen für die Lysimetergruppe 5 (BEAK, 2002,
DUNGER, 2006)
Messwerte (3 Lysimeter)
BOWAM-Modellwerte
Bild 4.6:
Modellierte und gemessene Sickerwassermengen an der Lysimeterbasis (kumulativ) für die Lysimetergruppe 5 (BEAK, 2002,
DUNGER, 2006)
Messwerte (3 Lysimeter)
BOWAM-Modellwerte
Bild 4.7:
Modellierte und gemessene Verdunstungsmengen für die Lysimetergruppe 5 (BEAK, 2002,
DUNGER, 2006)
Skript zum Modul Hydrologie II
73
Æ Überbewertung der Sickerwassermengen an der Modellbasis mit den Datenbankwerten Æ
Bild 4.8
Æ Abhilfe: Anpassungen der Verdunstungsparameter (kC-Faktoren) bzw. Anhebung der nutzbaren Felskapazität Æ Verbesserungen s. ebenfalls Bild 4.8 (beste Anpassung)
Messwerte (3 Lysimeter)
BOWAM-Modellwerte
BOWAM beste Anpassung
Bild 4.8:
Modellierte und gemessene Sickerwassermengen an der Lysimeterbasis (kumulativ) für die Lysimetergruppe 9 (BEAK, 2002,
DUNGER, 2006)
Æ Gesamteinschätzung: gute Modellanpassung nur durch zielgerichtete Veränderungen der Ausgangsparameter möglich
4.2.3. Beispiele für BOWAM-Modellanwendungen
* Bebauungsgebiet Richterweg (Chemnitz):
- Vergleich des Wasserhaushalts (insbesondere Oberflächenabflüsse) vor und nach einer geplanten
Bebauung
- wasserhaushaltliche Optimierung, in deren Ergebnis die Änderungen der Oberflächenabflüsse
möglichst gering ausfallen Æ Variantenuntersuchungen
* Gefährdung der Radeberger Exportbierbrauerei durch tritiumhaltiges Grundwasser:
- Modellierung des Ausbreitungsverhaltens von Tritium in der ungesättigten Bodenzone
- Klärung der Frage, ob die Anfang der 1990-er Jahre gemessenen erhöhten Tritiumaktivitäten
„natürlichen“ Ursprungs (Atombombentests in der freien Atmosphäre bis Anfang der 1960-er Jahre)
sind oder vom ehem. Kernreaktor (Leckagen) herrühren
* Variabilität der Grundwasserneubildung im Umfeld der Deponie Nadelwitz:
- Modellierung der räumlichen und zeitlichen Variabilität der Grundwasserneubildung im Umfeld der
Deponie Nadelwitz bei Bautzen
- räumliche Variabilität = f(Standortbedingungen) Æ hydrotopbezogene Betrachtung
- zeitliche Variabilität = f(Witterungsbedingungen) Æ Betrachtung langjährig mittlerer Verhältnisse,
Trocken- und Nassjahre mit verschiedenen Wiederkehrsintervallen
Skript zum Modul Hydrologie II
74
* zeitlich-räumliche Variabilität der Grundwasserneubildung eines teilversiegelten Großbetriebes:
- Modellierung der räumlichen und zeitlichen Variabilität der Grundwasserneubildung für den
Istzustand und mehrere Planungsoptionen (u. a. Zeitschienen 2015 und 2025)
- Kopplung mit einem Grundwasserströmungsmodell
Æ Ableitung von Auswirkungen verschiedener Versieglungsgrade
Æ Ableitung von Aussagen des Einflusses der Grundwasserwiederanstieg im Leipziger Raum
Anwendung des Modells BOWAM Æ Übung 10
4.3. Modellierung des Haldenwasserhaushaltes
4.3.1. Halden des ehemaligen Uranerzbergbaus der Wismut
* Problemstellung:
- ehem. DDR war hinter den USA und Kanada weltweit der drittgrößte Uranproduzent
- über 40-jähriger Uranerzbergbau hat vor allem in Sachsen und Thüringen besiedelte Flächen
devastiert Æ Folgen des Uranerzbergbaus und mögliche Gefahrenpotenziale s. Bild 4.9
Bild 4.9:
Mögliche Gefahrenpotenziale des
Uranerzbergbaus (DUNGER, HÄHNE,
1996)
- Umweltrisiken der Bergehalden (Æ s. auch Bild 4.10):
Æ Strahlenexpositionen (Luftpfad),
Æ Lösung und Migration von Schadstoffen aus den Halden in Boden und Grundwasser durch
infiltrierende Niederschlagswässer (Wasserpfad: Boden- und Grundwasser),
Æ Schadstoffeinträge in die Vorflut (Wasserpfad: Oberflächenwasser)
Æ physikalische und chemische Erosion (Standsicherheit der Haldenböschungen)
- Schlussfolgerungen:
Æ Halden bedürfen folglich in Abhängigkeit vom Grad der ausgehenden Gefahr ggf. einer Neuprofilierung, Abdeckung und Rekultivierung Æ Verminderung der radiologischen Exposition und
der Sickerwassermengen auf ein ökologisch akzeptables Niveau
Æ setzt haldenspezifische Untersuchungen voraus
Æ aus hydrologischer Sicht relevant: Betrachtungen zum Wasserhaushalt sowie zum Abflussbildungsverhalten (im langjährigen Mittel und während Starkregenereignissen)
Skript zum Modul Hydrologie II
75
Æ Optimierung der Haldenabdeckung
Optimierungskriterien:
- Oberflächenabflussreduzierung RO auf ein dem natürlichen Umfeld ähnliches Maß
- Maximierung der realen Verdunstung ETR bei Nutzung der Interzeption EI
- Minimierung der Sickerwassermengen RU auf ein ökologisch akzeptables Maß
- Vergleichmäßigung der Abflussbildung durch gezielte Bildung und Abführung von hypodermischen Abflussmengen RH innerhalb der Abdeckschichten
Bild 4.10:
Umweltrisiken nicht abgedeckter Uranerzbergehalden (HÄHNE U. A., 1995)
* Spezifik des Wasserhaushaltes von Halden:
- Wasserhaushalt von wasserungesättigten Bergehalden nicht generalisierbar
- Wirkung einer Vielzahl von Einflussfaktoren:
Æ atmosphärische Bedingungen im Bereich der zu untersuchenden Halde
Æ Haldenmorphologie (u.U. beachtliche Hangneigungen), die pedologischen Eigenschaften
des Haldenmaterials (Schüttechnologie, teilweise breites Kornspektrum) und deren Abdeckung sowie die Art der Begrünung
Æ Pedologie und Geologie des Untergrundes
* Wasserhaushaltliche Untersuchungen im Zusammenhang mit Bergehalden:
- Einschätzung der wasserhaushaltlichen Wirksamkeit von Oberflächensicherungsmaßnahmen in Bezug
auf die an der Basis der Oberflächensicherung ankommenden Versickerungsmengen (sog. Restdurchsickerung)
- Bilanzierung von Stofffrachten in der Ablagerung bzw. im Untergrund, ggf. bis zum Grundwasser
bzw. bis zur Vorflut
- Bewertung der Erosions- und Standsicherheit
- Planung der Wasserhaltung
- Einschätzung der Langzeitbeständigkeit von Sicherungsmaßnahmen hinsichtlich:
Æ möglicher Veränderungen der pedologischen Parameter der Sicherungsschichten (z. B. Eigenkonsolidierung)
Æ Dauer und Beständigkeit von Renaturierung und Bewuchs
- Maßnahmen zur Verminderung bzw. Verhinderung der Abwehung von Staub und anderen Substanzen
(Radionuklide, Metalle, Gase, …)
Skript zum Modul Hydrologie II
76
* Möglichkeiten der Beeinflussung des Haldenwasserhaushaltes: Æ vgl. auch Bild 4.11
Bild 4.11:
Möglichkeiten der Beeinflussung
des Haldenwasserhaushaltes
- wegen der Komplexität der ablaufenden hydrologischen Prozesse i.d.R. Modellierung notwendig
- derzeit in Deutschland gebräuchliche Modelle:
Æ Modell HELP (Hydrologic Evaluation of Landfill Performance Model) der U.S. Environmental Protection Agency, Modifikation für Deutschland durch die Universität Hamburg
Æ Modell BOWAHALD (Bodenwasserhaushaltsmodell für Halden und Deponien), Spezifikation des
Bodenwasserhaushaltsmodells BOWAM Æ vgl. Abschnitt 4.2
* Beispiel einer BOWAHALD-Anwendung (Hammerberghalde - Bergbaugebiet Aue-Schlema):
- Anwendungsziel: quantitative Ermittlung der Auswirkungen verschiedener Abdecksysteme auf den
Wasserhaushalt und die Abfluss- und Sickerwasserbildung (Szenarienrechnungen)
- Charakteristik der Hammerberghalde zum Zeitpunkt der Modellierung:
Æ zum Bearbeitungszeitpunkt sehr heterogen gestaltete Halde (Æ vgl. Tabelle 4.4)
Æ unabgedeckte Haldenbereiche bzw. natürliche Aufstandsflächen
Æ Ein- und Zweischichtabdeckung ohne und mit haldenspezifischer Begrünung
Tabelle 4.4: Kurzcharakteristik der Hammerberghalde(zum Zeitpunkt der Modellierung)
Flächencharakteristik
Abdeckungsanteile:
unabgedeckte Flächen
einschichtig abgedeckte Flächen
zweischichtig abgedeckte Flächen
Bewuchsanteile:
nicht oder spärlich bewachsene Flächen
mit einer geschlossenen Grasvegetation bewachsene Flächen
Flächen mit Baumbestand
Hangneigungsanteile:
Flächen mit für Bergehalden flacher Hangneigung (< 18 %)
Flächen mit mittlerer Hangneigung (18 ... 36 %)
Flächen mit großer Hangneigung (> 36 %)
Flächenanteil [%]
29
16
55
22
49
29
26
27
47
Skript zum Modul Hydrologie II
77
- Untergliederung der Halde in insgesamt 26 Einzelflächen und Ermittlung des Haldenwasserhaushaltes für alle 26 Einzelflächen für den Istzustand und für verschiedene Planungszustände
- Ergebnisse sollen lediglich für 3 ausgewählte, hinsichtlich Abdeckung, Bewuchs und Hangneigung repräsentative und vergleichbare Beispielshydrotope gezeigt werden (s. Tabelle 4.5):
- Hydrotop 1:
- Hydrotop 2:
- Hydrotop 3:
unabgedeckte Fläche ohne Vegetation
mit Gras bewachsener Mineralboden (Einschichtabdeckung)
mit Gras bewachsene Fläche (Zweischichtabdeckung: Kultur-, Mineralboden)
Tabelle 4.5: Charakteristik für die 3 ausgewählten Beispielshydrotope
Charakteristik, Parameter
Geographisch-morphometrische Parameter:
Hangneigung [%]
Exposition
Bodenparameter:
kf-Wert Oberfläche [m/s]
kf-Wert 2. Abdeckschicht [m/s]
Sättigungswassergehalt [Vol.-%]
Bereich der Feldkapazität [Vol.-%]
permanenter Welkepunkt [Vol.-%]
Bewuchsparameter:
Vegetationsart
Vegetationsbedeckungsgrad [%]
Vegetationsüppigkeit
maximale Wurzeltiefe [mm u. GOK]
Hydrotop 1
Hydrotop 2
Hydrotop 3
36
Süd
36
Süd
36
Süd
2,2 * 10-4
24
16
7
1,0 * 10-7
49
36
18
2,0 * 10-7
1,0 * 10-7
46
32
14
ohne Vegetation
-
Grasvegetation
90
durchschnittlich
650
Grasvegetation
90
durchschnittlich
650
- Parameterermittlung durch kombinierte Feld- und Laboruntersuchungen (Methoden zur Ermittlung hydrologisch-hydrogeologisch relevanter Parameter Æ Vorlesung Hydrogeologie)
- Verwendung einer 10-jährigen meteorologischen Reihe (1985 – 1994) für die Simulation
- Kalibrierungshilfen für das Modell: Messergebnisse aus insgesamt 10 Halden- und Oberflächenlysimetern
- Simulationsergebnisse Æ Bild 4.12
Bild 4.12: Ergebnisvergleich ausgewählter Hydrotope der Hammerberghalde
Skript zum Modul Hydrologie II
78
- Ergebnisinterpretation:
Æ RU-Reduzierung durch eine Haldenabdeckung und Begrünung (auf ca. ein Drittel bis die Hälfte
je nach verwendeter Abdeckung) durch die Erhöhung ETR (um 35 – 45 %)
Æ Begrünung Æ nicht automatisch Verringerung von RO, da sich die kf-Werte der Haldenoberfläche im Vergleich zur unabgedeckten Halde (Hydrotop 1) verschlechtern (s. Hydrotop 2)
Æ erst Zweischichtabdeckung (Hydrotop 3) bringt verglichen mit dem Ausgangszustand (unabgedeckte Halde - Hydrotop 1) vergleichbare RO-Mengen und eine deutliche RU-Verringerung
Æ Wollte man die Sickerwassermengen weiter reduzieren, so wäre eine dritte Abdeckschicht mit
guten Dichtungseigenschaften notwendig.
- Schlussfolgerungen:
Æ Wasserhaushalt von Halden (und Deponien) nicht verallgemeinerbar
Æ optimale Abdeckung richtet sich nach:
- den atmosphärischen Bedingungen (insbesondere abhängig vom Niederschlag)
- dem Stoffinventar der Halde/Deponie und davon abhängigen Risiken
- dem Speicher- und Rückhaltevermögen der Halde/Deponie
- den pedologischen und geologischen Bedingungen im Untergrund und im Umfeld
4.3.2. Modellanwendung und –kalibrierung am Beispiel der Kalihalde Bleicherode
* Ziel der Modellrechnungen:
- Nachbildung des Wasserhaushalts ausgewählter nicht wägbarer Lysimeter
- Vergleichsgröße: Sickerwassermengen an der Basis der Lysimeter
* Informationen zu den Lysimetern:
- Prüfung der Wirksamkeit der Abdeckungen auf der Halde Bleicherode gegenüber Wasser- und Salzlösungsaustritten
- 14 nicht wägbare Lysimeter, Betrieb ab 1995, Aufbau Æ s. Bild 4.13
- Messung aller meteorologischer Daten vor Ort
Bild 4.13:
Prinzipieller Lysimeteraufbau
(DUNGER, SCHÖNAU, 2006)
Skript zum Modul Hydrologie II
79
- Prüfung des wasserhaushaltlichen Verhaltens für 3 Abdeckmaterialien:
Æ Bauschutt (Lysimeter 5)
Æ Erdaushub-/Klärschlammgemisch (Lysimeter 7/9)
Æ Erdaushub-/Klärschlammkompostgemisch (Lysimeter 13/14)
- Vergleichszeiträume:
Æ Lysimeter 5:
01.11.1994 bis 31.10.2001 (7 hydrologische Jahre)
Æ Lysimeter 7/9:
01.11.1995 bis 31.10.2001 (6 hydrologische Jahre)
Æ Lysimeter 13/14: 01.11.1997 bis 31.10.2001 (4 hydrologische Jahre)
* Ergebnisse:
- Vergleich der Modellergebnisse mit den Lysimetermessungen Æ Gesamtbilanzen s. Tabelle 4.6
Tabelle 4.6:
Lysimeter
5
7/9
13/14
Vergleich der Simulationsergebnisse mit den Lysimetermessungen für die Ausgangsvariante
(Verwendung von BOWAHALD-Datenbankwerten) als Gesamtbilanzen in Form von mittleren Jahressummen über den jeweiligen Simulationszeitraum
Modell
Messung
BOWAHALD
Messung
BOWAHALD
Messung:
Lysimeter 7
Lysimeter 9
BOWAHALD
Messung:
Lysimeter 13
Lysimeter 14
P
[mm/a]
478
478
474
ETR
[mm/a]
385
403
RU
[mm/a]
93
96
72
DSB
[mm/a]
0
0
474
474
488
413
108
121
74
+1
488
488
-
73
77
-
- gute Übereinstimmung für die Lysimeter 5, 13/14, weniger gute für die Lysimeter 7/9
- wahrscheinliche Ursache bezüglich Lysimeter 7/9: Klärschlammkomponente im Boden-Klärschlammgemisch nicht ohne weiteres mit den gängigen Bodenparametern beschreib- und quantifizierbar Æ Abhilfe: Modifizierung der nutzbaren Feldkapazität (hier: Reduzierung auf 10 Vol.-%)
Æ RU = 112 mm/a Æ Höheres Maß an Übereinstimmung mit gemessenen Werten (s. Tabelle 4.6)
- jahreszeitliche Verläufe der gemessenen Sickerwassermengen unter Berücksichtigung der Bewuchsentwicklung modellseitig gut nachbildbar
Æ Anwendung BOWAHALD Æ Übung 11 und Projektarbeit Wasserhaushaltsmodellierung
4.4. Modellierung des Wasserhaushaltes von Deponien
4.4.1. Besonderheiten des Wasserhaushaltes von Deponiekörpern
- Wasserfreisetzung durch aerobe biologische Umsetzung in den Deponieaußenbereichen
- Wasserverbrauch durch anaerobe Umsetzungsprozesse innerhalb des Deponiekörpers Æ s. Bild 4.14
- extreme Inhomogenität und Vielfalt der Bestandteile der Müllablagerungen
Skript zum Modul Hydrologie II
80
- Kornverteilung mit außerordentlich hohem Ungleichförmigkeitsgrad und einem hohen Anteil
Mittel- und Grobmüll (Grobkies und Steinen vergleichbar)
- Doppelporositätssystem mit ausgeprägter kf-Wertanisotropie
- hoher Gehalt an organischer Substanz(10 ... 50 höher als bei Böden, Moorböden ausgenommen)
Bild 4.14:
Zeitliche Variabilität des Wasserverbrauches durch anaerober Abbauprozesse (nach EHRIG, 1989)
- prozessnahe Modellierung des Deponiewasserhaushaltes wegen der o.g. Besonderheiten ohne entsprechende Kalibrierungshilfen kaum möglich Æ Modellergebnisse = quantitative Schätzung
- verlässliche Ergebnisse ausschließlich mit Lysimetermessungen möglich
Æ sind allerdings immer standortbezogen
Æ nicht ohne weiteres auf andere Deponien übertragbar
Æ aufwendig im Bau und in der Unterhaltung
Æ beachte Unsicherheiten und Fehlermöglichkeiten beim Bau und Betrieb von Lysimetern (vgl.
Skript Hydrologie I, Abschnitt 4.3)
Æ beachte o.g. zeitliche Veränderungen (zeitliche Begrenzung von Lysimeterergebnissen)
4.4.2. Wasserhaushalt von Oberflächensicherungen
* Oberflächensicherung als ein Sicherungselement im Multibarrierenkonzept:
- Oberflächensicherung = einfache Abdeckung … Abdichtung der Deponieoberfläche
- Zweck von Oberflächensicherungsmaßnahmen aus wasserhaushaltlicher Sicht Æ Minimierung der
Gefahren (Luft- und Wasserpfade), die von Deponien ausgehen können
- Integration der Oberflächensicherung in das Gesamtsicherungskonzept Æ s. Bild 4.15 Æ Multibarrierenkonzept
* gesetzgeberische Vorschriften zur Sicherung von Deponien:
- Deponieverordnung DepV (2009):
Æ gültig für Errichtung, Betrieb, Stilllegung und Nachsorge von Deponien
Æ nicht gültig für Deponien mit Beginn der Stilllegungsphase vor dem 01.01.1997, Deponien mit
Bestandsschutz, Deponien, die vor dem 16.07.2009 bereits durch einen bestandskräftigen Bescheid
endgültig stillgelegt sind, auch wenn sie den heutigen Anforderungen nicht entsprechen,
Altdeponien mit Bestandsschutz, neben Flüssen abgelagertes Baggergut, private Haushaltungen
Skript zum Modul Hydrologie II
81
Bild 4.15:
Die Oberflächensicherung als
Sicherungselement im Multibarrierenkonzept
- Art des Oberflächensicherungssystems in Abhängigkeit von der Gefährdung, die vom Abfallinventar
ausgeht Æ 5 Deponieklassen DK:
Æ DK 0: Innertstoffdeponie
Æ DK I: Siedlungsabfalldeponie mit geringem Anteil organischer Substanzen
Æ DK II: Siedlungsabfalldeponie mit hohem Anteil organischer Substanzen
Æ DK III: Sonderabfalldeponie
Æ DK IV: Untertagedeponie
- nach Deponieverordnung geforderte Oberflächensicherungskomponenten Æ s. Tabelle 4.7
Tabelle 4.7: Oberflächensicherungskomponenten nach Verordnung zur Vereinfachung des Deponierechts für
Übertagedeponien
DK 0
DK I
DK II
DK III
Rekultivierungsschicht
Entwässerungsschicht
Dichtungskomponente 1
Dichtungskomponente 2
Dichtungskontrollsystem
Gasdrainschicht
Ausgleichsschicht
notwendig
unter bestimmten Bedingungen notwendig
nicht notwendig
* Anforderungen an die Oberflächensicherungsschichten:
Rekultivierungsschicht:
- Schutz vor vielfältigen Einflüssen Æ mechanische Einwirkungen, Temperaturschwankungen, Frost,
Durchwurzlung, Tiergrabung, Erosion, Stauwasserbildung (Standsicherheit), Verschlämmung, …
- Gewährleistung guter Bewuchsbedingungen (mechanischer Halt, Wasser- und Nährstoffversorgung)
- Maximierung der Verdunstung durch optimierte Speicherung des pflanzenverfügbaren Wassers
- Reduzierung und Dämpfung der Versickerungsintensität, um die Entwässerungsschicht und ggf. eine
Kapillarsperre nicht zu überlasten und die Versickerung in den Abfallkörper zu minimieren
- Reduzierung der langjährig mittleren Versickerungsmenge RU Æ ggf. unter vorgegebene Grenzwerte Æ ggf. Wegfall anderer Schichten möglich
Æ für DK I: Wegfall von Entwässerungs- und Dichtungskomponente 1, falls RU ≤ 20 mm/a
Æ für DK II: Wegfall der Dichtungskomponente 2, falls RU ≤ 10 % von P, jedoch max. 60 mm/a
Æ Voraussetzung: Ausbildung der Rekultivierungsschicht als Wasserhaushaltsschicht (s. Tab. 4.8)
- Eignung von Bodensubstraten für Rekultivierungs-/Wasserhaushaltsschichten Æ s. Bild 4.16
Skript zum Modul Hydrologie II
82
Bild 4.16:
Eignung von Bodensubstraten für
Rekultivierungs- / Wasserhaushaltsschichten (nach KONOLD U. A.,
2004)
Tabelle 4.8: Mindestanforderungen an Rekultivierungs- bzw. Wasserhaushaltsschichten
Anforderung
Einfache Rekultivierungsschicht
Mächtigkeit
Luftkapazität
nutzbare Feldkapazität
≥ 1,0 m
> 5 Vol.-% Æ 50 mm auf 1,0 m
140 mm Æ 14,0 Vol.-%
Rekultivierungsschicht als
Wasserhaushaltsschicht
≥ 1,5 m
> 5 Vol.-% Æ 75 mm auf 1,5 m
220 mm Æ 14,5 Vol.-%
Entwässerungsschicht:
- Dichtungsartenarten: mineralische Drainschichten und Kunststoffdrainelemente
- Anforderungen:
Æ Mindestmächtigkeit mineralischer Drainschichten: 0,3 m
Æ Mindestwasserdurchlässigkeit: 1 * 10-3 m/s Æ langzeitbeständig
Æ Mindestgefälle: 5 %
Dichtungskomponenten:
- Dichtungsarten:
Æ mineralische Dichtung (Tondichtung), ≥ 0,5 m mächtig, kf ≤ 5 * 10-9 m/s (DK I und II) bzw. kf
≤ 5 * 10-10 m/s (DK III), zweilagiger verdichteter Einbau
Æ geosynthetische Tondichtungsbahnen (Betonitmatten), zweilagiger Einbau, nur ca. 7 mm dick,
kf ≤ 1 * 10-10 m/s
Æ vergütete mineralische Materialien:
Bentokies: ≥ 0,5 m mächtig, kf ≤ 1 * 10-10 m/s, Fuller-Verteilung Æ geringe Porosität,
Kiesanteil Æ hohe Standsicherheit (Böschungsneigungen bis ca. 1:2,5)
Trisoplast: 0,2 % Polymerketten Æ Verzahnung Æ geringere Schrumpfungsempfindlichkeit bei
Austrocknung, gutes Verformungsverhalten, Mächtigkeit: 7 cm, kf-Wert ≤ 3 * 10-11 m/s
Skript zum Modul Hydrologie II
83
Wasserglas: Zugabe von Wasserglaspulver Æ Bildung einer 5 %-igen Wasserglaslösung bei
BefeuchtungÆ Verkieselung des Untergrundes, Mächtigkeit: ≥ 50 cm, kf-Wert ≤ 10-10 m/s
Æ Kunststoffdichtungsbahn (KDB), praktisch wasserdicht Æ kf < 10-13 m/s, Wasserdurchtritte nur
durch Fehlstellen, Dicke: 2,5 mm, resistent gegenüber Austrocknung und Durchwurzlung
Æ sonstige Systeme:
Asphaltabdichtung: dreilagiger Aufbau Æ 2 * 6 cm Asphaltdichtungsschichten + 8 cm
Asphalttragschicht, Neigungen bis 1 : 2,5, hohe Austrocknungs- und Durchwurzelungsresistenz
Kapillarsperre: Aufbau Æ Kapillarschicht (Feinsand) über Kapillarblock (Kies) Æ Wirkung
von Unterschieden hinsichtlich der ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeiten, völlig austrocknungsresistent, Mindestneigung: ca. 8 – 10 %
Dichtungskontrollsysteme:
- Ziel: flächenhafte Überwachung eines Abdichtungssystems
- Prinzip: Messung der Verteilung physikalischer Größen (elektrisches Potenzial, elektrischer Widerstand, Dielektrizitätszahl, Temperatur) Æ Detektieren von Anomalien
Ausgleichsschicht:
- Ausgleich von Unebenheiten Æ Herstellung eines Planums für die darüber liegende Schicht
- wasserhaushaltlich neutrales Verhalten
Untersuchungen zum Schichtenaufbau Æ Übung 12
* rechtliche Alternativen zur Deponieverordnung:
- Realisierung eines Aufbaus nach Deponieverordnung nicht für alle Ablagerungen sinnvoll und
vorgeschrieben Æ s. o. (Gültigkeiten der Verordnung)
- alternative Sicherungsmöglichkeiten z. B. für Altdeponie auf Ebene der Bundesländer untersetzt
- Beispiel Sachsen:
- Erlass des SMU "Stillegung von Deponien" (1997) für Deponien, die zwischen 1990 und 1993
geschlossen bzw. nach 1993 nur noch kurzzeitig und untergeordnet Abfälle abgelagert wurden
- Kurzinhalt des Erlasses:
Æ Lösungen akzeptabel, die von der Regelabdichtung nach TASi abweichen, wenn auch damit
die Schutzziele (bezüglich Luft, Boden und Grundwasser) der TASi eingehalten werden
Æ alternative Sicherungssysteme (betr. Aufbau und Materialeigenschaften)
Æ Erreichen der Schutzziele damit i.d.R. mit geringerem Aufwand möglich
Æ allerdings: Nachweis der Gleichwertigkeit des alternativen Sicherungssystems unter Berücksichtigung gegenwärtiger und zukünftiger Gefahren (Gefahrenabwehr, Vorsorge)
Æ maßgebendes Bewertungskriterium: Gefährdungspotenzial (3 Klassen Æ s. Tabelle 4.9)
Tabelle 4.9: Gefährdungspotenzial und Handlungsbedarf entsprechend SMU-Deponiestilllegungserlass
Klasse
Gefährdungspotenzial
Handlungsbedarf
KI
nicht nennenswert
nicht erforderlich
K II
gering
beschränkt
K III
hoch
umfangreich
Skript zum Modul Hydrologie II
84
- Faktoren für die Einschätzung des Gefährdungspotenzials:
Æ deponiespezifische Kriterien
- abgelagertes Abfallvolumen, Mächtigkeit, Fläche
- Zeitraum Abfallablagerungen
- Abfallzusammensetzung (zeitlich, räumlich variabel)
- Emission aus dem Deponiekörper
Æ Standortkriterien:
- hydrogeologische Verhältnisse
- Wasserzutritte in den Deponiekörper
Æ sensible Nutzungen:
- Schutzgebiete, wasserwirtschaftliche Nutzungen
- Wohnbebauung, Kleingärten u.ä.
Æ geplante Nachnutzung (incl. unmittelbarer Deponieumgebung)
* technische Alternativen zur Deponieverordnung bezüglich der Oberflächensicherung:
►Oberflächenabdeckung für Deponiestandorte ohne Handlungsbedarf (K I, s. Tabelle 4.9):
- meist nur einschichtige Oberflächensicherung
- keine vollständige Dichtfunktion gegenüber Sickerwasser und Deponiegas
- keine festgelegten Anforderungen hinsichtlich Bewuchs
Æ i.d.R. keine Notwendigkeit einer Deponiewasserhaushaltsmodellierung
►qualifizierte Abdeckung:
- für Deponiestandorte mit beschränktem Handlungsbedarf (K II) unter der Voraussetzung, dass
keine relevanten Austritte von Deponiegas erfolgen
- ein- oder mehrschichtige Oberflächensicherung, in jedem Falle mit Rekultivierungsschicht
- Maximierung von Wasserspeicherung und Verdunstung durch verdunstungsfördernden Bewuchs
und gut speicherfähiges Abdeckmaterial Æ sog. Verdunstungskonzept
Æ Deponiewasserhaushaltsmodellierung immer sinnvoll
►Oberflächenabdichtungssystem:
- für Deponiestandorte der Klasse K II bei relevanten Austritten von Deponiegas und für Deponien
mit umfangreichem Handlungsbedarf (K III)
- mehrschichtiges System mit schichtspezifischen Funktionen, bestehend aus (von unten nach oben):
Ausgleichsschicht(en), Dichtungsschicht(en), Entwässerungsschicht(en), Rekultivierungsschicht(en) Æ Verdunstungs-Dichtungskonzept
Æ Deponiewasserhaushaltsmodellierung in Abhängigkeit von der Aufgabenstellung sinnvoll
* wasserhaushaltliche Einflussfaktoren auf Oberflächensicherungssysteme:
►klimatische Faktoren:
- Verhältnis von Niederschlag und Verdunstung (klimatische Wasserbilanz):
Æ in Überschussgebieten: Untersuchungen zur Restdurchsickerung in klimatisch mittleren und
nassen Jahren von besonderem Interesse
Æ in Defizitgebieten: neben Untersuchungen zur Restdurchsickerung auch Betrachtungen zum
Austrocknungsverhalten mineralischer Dichtungselemente (Rissbildung) besonders in
trockenen Jahren Gegenstand der Untersuchungen
- Faktoren des Kleinklimas im unmittelbaren Deponiebereich
Skript zum Modul Hydrologie II
85
►bewuchsspezifische Faktoren:
- mögliche Vegetationstypen für Oberflächensicherungen von Deponien:
Æ Grünlandvegetation (Gras-Kraut-Vegetation) Æ langfristig hoher Nachsorgeaufwand
Æ Buschvegetation z. B. bei Nachnutzung als Grünanlage
Æ natürliche Sukzession Æ langfristig geringe Pflegeaufwand, Erreichen des Endstadiums (Hochwald) erst nach mehr als 50 Jahren
Æ Wald (in Forstgebieten) mit guten wasserhaushaltlichen Eigenschaften
Æ Ackernutzung in Landwirtschaftsgebieten bei geringer Neigung
Æ beachte: maximale Wurzeltiefen der verschiedenen Bewuchsarten (ggf. Gefahr der Durchwurzlung mineralischer Dichtungskomponenten Æ vgl. Tabelle 4.10
Tabelle 4.10: Spannweiten üblicher Wurzeltiefen für ausgewählte Bewuchsarten
Pflanzenart
Gräser, Kräuter:
Wiesen-Hornklee
Gemeine Kratzdistel
Wiesenrispengras
Glatthafer
Löwenzahn
Ackerkratzdistel
Mehlige Königskerze
Krauser Ampfer
Sträucher und Bäume:
Kratzbeere
Scheinakazie
Silberweide
Buche
Wurzeltiefe [m]
0,3 – 1,2
bis 2,0
0,7 – 2,0
1,0 – 2,0
0,7 – 2,4
0,4 – 3,0
bis 3,2
0,7 – 3,2
bis 2,0
über 3,0
bis 3,0
1,8 – 3,0
- vorrangige Funktionen der Vegetation:
Æ Schutzfunktion (vor Witterungseinflüssen, Wind- und Wassererosion sowie Erhöhung der
Standsicherheit in Böschungsbereichen)
Æ Wasserhaushaltsfunktion (Herabsetzung des Oberflächenabflusses, Verzögerung der Abflussbildung, Erhöhung der Verdunstung und Verminderung der Sickerwassermenge
Æ ästhetische Funktion (Einbindung in die Umgebung, Verbesserung der Deponieansicht)
►Eigenschaften der zur Oberflächensicherung verwendeten Materialien:
- Schichtanatomie:
Æ Schichtenabfolge, Einfallen der Schichten, Schichtmächtigkeiten
- pedologische Eigenschaften von Rekultivierungsschichten:
Æ ausreichende Mächtigkeiten, nutzbare Feldkapazitäten und Luftkapazitäten Æ s.o.
►Schlussfolgerungen bezüglich des Wasserhaushaltes von Oberflächensicherungen:
- Vielzahl von Einflussmöglichkeiten auf den Wasserhaushalt einer Oberflächensicherung
- Oberflächensicherungssysteme in entscheidendem Maße durch Betrachtungen zum Wasserhaushalt analysierbar und optimierbar Æ Kostenoptimierung
- dabei u.U. ganz unterschiedliche Optimierungskriterien zu betrachten Æ vgl. Tabelle 4.11)
Skript zum Modul Hydrologie II
86
- i. d. R. Modellierung mehrerer klimatischer Situationen Æ vgl. ebenfalls Tabelle 4.11):
Æ langjährig mittlere Verhältnisse (Aussagen zum mittleren wasserhaushaltlichen Verhalten)
Æ Nassjahre (Abschätzung maximaler Abflüsse, insbesondere max. Sickerwassermengen)
Æ Trockenjahre (Einschätzung der Austrocknungsgefahr von mineralischen Schichten
Tabelle 4.11: Optimierungskriterien bezüglich des Wasserhaushaltes von Oberflächensicherungen
Kriterien (Reihenfolge = Wertigkeit)
wesentliche Abhängigkeiten
Klimatisch von
bes. Interesse
1. SICKERWASSERMENGEN
- innerhalb der Deponie/Halde
- in den Untergrund
- ins Grundwasser
- atmosphärische Bedingungen
- Schichtenaufbau
- Bewuchs
- Abbaustadium (bei Deponien)
langj. mittlere
Verhältnisse
Nassjahre
2. AUSTROCKNUNG MINERALISCHER DICHTSCHICHTEN
- Rissbildung
- Durchwurzelung
- atmosphärische Bedingungen
- Schichtenaufbau / -mächtigkeiten
- Schrumpfungsverhalten der mineralischen Dichtschicht
Trockenperioden
Trockenjahre
3. OBERFLÄCHENABFLUSSBILDUNG
- max. Einleitmengen in die Vorflut
- Bodenerosion
- atmosphärische Bedingungen
- Oberflächenmorphologie / -pedologie
- Bewuchs
Nassjahre
Starkregenereignisse
4. STAUWASSERBILDUNG
- Standsicherheit
- ggf. erhöhte Sickerwasserbildung
- atmosphärische Bedingungen
- Schichtenfolge
- Pedologie der Schichten
Nassperioden
Nassjahre
5. VEGETATIONSENTWICKLUNG
- Verdunstungserhöhung
- Standsicherheit
- Bodenerosion
- atmosphärische Bedingungen
- Bewuchsart
- Exposition (Ausrichtung)
- Pedologie und Nährstoffangebot
Trockenperioden
Trockenjahre
* Methodik der Ermittlung von Nassjahren zur Charakterisierung der Sickerwassermengen für
verschieden starke Nassjahre am Beispiel der Deponie Leinestraße in Leipzig:
a) Auswahl der Klimastationen:
- Niederschlagsmessstation Großpösna-Oberholz
- Klimastationen Leipzig-Mockau (bis 1972) bzw. Schkeuditz (ab 1973) Æ alle Klimaelemente
b) Auswahl des Beobachtungszeitraumes:
- Länge der Beobachtungsreihe: > 20 ... 30 a (WMO-Empfehlung: Referenzreihe 1961 – 1990)
- Datenquelle: Jährliche Witterungsberichte des Meteorologischen Dienstes der DDR
- Messwerte Æ Jahressummen des messfehlerkorrigierten Niederschlages P Æ Tabelle 4.12
Tabelle 4.12: Jahressummen des messfehlerkorrigierten Niederschlages P der Messstation Großpösna-Oberholz, Reihe 1961 – 1990
Jahr
1961
1962
1963
1964
1965
P
[mm/a]
650
505
471
408
772
Jahr
1966
1967
1968
1969
1970
P
[mm/a]
766
752
745
570
974
Jahr
1971
1972
1973
1974
1975
P
[mm/a]
590
604
560
707
601
Jahr
1976
1977
1978
1979
1980
P
[mm/a]
408
647
707
565
778
Jahr
1981
1982
1983
1984
1985
P
[mm/a]
724
541
661
623
484
Jahr
1986
1987
1988
1989
1990
P
[mm/a]
658
700
563
612
531
Skript zum Modul Hydrologie II
87
c) Ordnen der Jahresniederschläge P(a):
- beginnend mit dem kleinsten P(a), endend mit dem größten
- Ordnungszahlen (lfd. Nr.): m = 1 ... n (hier: n = 30), 1 - kleinster Wert, n - größter Wert
- geordnete Niederschlagswerte Æ Tabelle 4.13
Tabelle 4.13: Berechnungstabelle zur Ermittlung von Nass- und Trockenjahren mit verschiedenen Wiederkehrsintervallen für die Messstation Großpösna-Oberholz
Nassjahre
Ordnungszahl
Nassjahre
m[]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Jahresniederschlag
P [mm/a]
408
448
471
484
505
531
541
560
563
565
570
590
601
604
612
623
647
650
658
661
700
707
707
724
745
752
766
772
778
794
P
Trockenjahre
Unterschreitungs-WK
PU [%]
3,2
6,5
9,7
12,9
16,1
19,4
22,6
25,8
29,0
32,3
35,5
38,7
41,9
45,2
48,4
51,6
54,8
58,1
61,3
64,5
67,7
71,0
74,2
77,4
80,6
83,9
87,1
90,3
93,5
96,8
= 625 mm/a
s(P) = 106 mm/a
Ordnungszahl
Trockenjahre
m[]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Jahresniederschlag
P [mm/a]
794
778
772
766
752
745
724
707
707
700
661
658
650
647
623
612
604
601
590
570
565
563
560
541
631
505
484
471
448
408
P
Überschreitungs-WK
PÜ [%]
3,2
6,5
9,7
12,9
16,1
19,4
22,6
25,8
29,0
32,3
35,5
38,7
41,9
45,2
48,4
51,6
54,8
58,1
61,3
64,5
67,7
71,0
74,2
77,4
80,6
83,9
87,1
90,3
93,5
96,8
= 625 mm/a
s(P) = 106 mm/a
d) Berechnung der Unterschreitungswahrscheinlichkeiten Pu für alle Jahresniederschläge P(a):
Pu = m / (n + 1) * 100 %
mit
Pu
m
n
- Unterschreitungswahrscheinlichkeit [%]
- Ordnungszahl
- Anzahl der HQ(a) insgesamt
(4.1)
Skript zum Modul Hydrologie II
88
- Verwendung von n + 1 (und nicht von n Werten), weil angenommen werden kann, dass der
größte Jahresniederschlag der Reihe nicht der größtmögliche ist, sondern es noch mindestens ein
größeren Jahresniederschlag gibt
- Eintragen der Unterschreitungswahrscheinlichkeiten Pu in die Tabelle 4.13
- direkte Verbindung von Unterschreitungswahrscheinlichkeit Pu und dem Wiederkehrsintervall T
(sog. Jährlichkeit) eines P(a)-Ereignisses:
T = 1 / [1 - (Pu / 100 %)]
mit T
Pu
(4.2)
- Wiederkehrsintervall [a]
- Unterschreitungswahrscheinlichkeit [%]
e) Wahl der Verteilungfunktion, die an die P(a)-Werte angepasst werden sollen:
- hydrologisch relevante Verteilungsfunktionen in Bezug auf die Extremwertproblematik (hier
kleine/große Niederschläge:
┌── - Extremwertverteilung Typ I (EI)
│
- Pearson-Verteilung Typ III
│
- logarithmische Pearson-Verteilung Typ III
│
- logarithmische Normalverteilung
└──> in der Niederschlagsstatistik häufig verwendet
- zu jeder Verteilungsfunktion gibt es einen speziellen Netzdruck (für die EI Æ s. Bild 4.17)
- Wenn eine Verteilungsfunktion an die Beobachtungsreihe angepasst werden kann, so strecken sich
die Werte im Netzdruck zu einer Geraden.
f) Übertragen der P(a)-Werte mit dazugehörigen Pu in den Netzdruck (hier am Beispiel der EI):
- y-Achse: beobachtete P(a) (aus Tabelle 4.13)
- x-Achse: Unterschreitungswahrscheinlichkeiten Pu (aus Tabelle 4.13) mit dazugehörigen Wiederkehrsintervallen T [a]
Bild 4.17: Jahressummen des Niederschlages und deren Wahrscheinlichkeiten im Netzdruck der EI
Skript zum Modul Hydrologie II
89
g) Ermittlung der Ausgleichsgeraden:
- Überblick über Verfahren zur Ermittlung der Ausgleichsgeraden Æ s. Bild 4.18
┌──────────────────────────────────┐
│ Ermittlung der Ausgleichsgeraden │
└────────────────┬─────────────────┘
┌───────────────┴────────────────┐
┌───────────────┴─────────────┐ ┌───────────────┴─────────────┐
│ Freie Anpassung (Augenmaß) │ │
Analytische Anpassung
│
├─────────────────────────────┤ ├─────────────────────────────┤
│ setzt Erfahrung des Bear- │ │ Geradengleichungen mit Pa- │
│ beiters
voraus,
oftmals │ │ rametern der Verteilungs- │
│ Überbewertung der großen HQ │ │ funktion
│
└─────────────────────────────┘ └─────┬─────────────────┬─────┘
┌────────┴────────┐┌───────┴────────┐
│ Momentenmethode ││ Gumbel-Methode │
└────────┬────────┘└───────┬────────┘
┌────────┴─────────────────┴────────┐
│
im Falle der EI
│
└───────────────────────────────────┘
Bild 4.18: Methoden zur Ermittlung der Geradengleichungen
h) Schätzung der für die Geradengleichungen notwendigen Parameter:
− Momentenmethode:
- Geradengleichung der Momentenmethode:
───
P(T) = P + s(P) * k(T)
mit P(T)
───
P
s(P)
k(T)
(4.3)
- Jahressumme des Niederschlages [mm/a] mit dem Wiederkehrsintervall T [a]
- Mittelwert aller P(a) [m3/s]
- Standardabweichung aller P(a) [m3/s]
- k(T)-Beziehung
- Ermittlung der k(T)-Beziehung durch Gleichung 4.4:
6 0,5
T
k(T) = – ──── [ γ + ln ln ──── ]
π
T–1
mit
k(T) - k(T)-Beziehung
T
- Wiederkehrsintervall [a]
γ
- EULER'sche Konstante (γ = 0,5772)
- für das Beispiel erhält man:
───
P
= 625 mm/a
s(P) = 106 mm/a
k(T) = - 0,7797 60,5772 + ln ln [T / (T - 1)]>
(4.4)
Skript zum Modul Hydrologie II
90
− Gumbel-Methode:
- Geradengleichung der Gumbel-Methode:
P(T) = mod (P) + 1/a * y(T)
mit
───
mod (P)
(4.5)
──
= P – yn * s(P) / σn
(4.6)
und y (T)
= – ln ln (T / (T – 1))
(4.7)
und 1/a
= s (P) / σn
(4.8)
mit P(T)
mod P
- Jahressumme des Niederschlages [mm/a] mit dem Wiederkehrsintervall T [a]
- Modalwert aller P(a) [mm/a]
───
P
s(P)
y(T)
T
-
yn
- arithmetisches Mittel des reduzierten Ordnungsmerkmals Æ statistische Tafeln,
lediglich abhängig von der Anzahl der Werte insgesamt Æ s. Tabelle 4.14)
- Streuung des reduzierten Ordnungsmerkmals Æ statistische Tafeln, lediglich abhängig
von der Anzahl der Werte insgesamt Æ s. Tabelle 4.14)
──
σn
Tabelle 4.14:
Mittelwert aller P(a) [mm/a]
Standardabweichung aller P(a) [mm/a]
y(T)-Beziehung
Wiederkehrsintervall [a]
──
Arithmetisches Mittel yn und Streuung σn des reduzierten Ordnungsmerkmals in Abhängigkeit vom Probenumfang n
n
15
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
──
yn
0,5128
0,5236
0,5268
0,5296
0,5320
0,5343
0,5362
0,5380
0,5396
0,5410
0,5424
0,5436
0,5448
σn
n
1,0206
1,0628
1,0755
1,0865
1,0961
1,1047
1,1124
1,1193
1,1255
1,1313
1,1363
1,1413
1,1458
44
46
48
50
55
60
70
80
90
100
500
1000
──
yn
0,5458
0,5468
0,5477
0,5485
0,5504
0,5521
0,5548
0,5569
0,5586
0,5600
0,5724
0,5745
σn
1,1499
1,1538
1,1574
1,1607
1,1681
1,1747
1,1854
1,1938
1,2007
1,2065
1,2588
1,2685
- für das Beispiel erhält man:
mod P
= 625 – 0,5362 (106 mm/a / 1,1124) = 574 mm/a
1/a
= 106 mm/a / 1,1124 = 96 mm/a
i) Aufstellen der Geradengleichung:
- für das Beispiel erhält man:
Momentenmethode:
P(T) = 625 mm/a + 106 mm/a * k(T)
(4.9)
Gumbel-Methode:
P(T) = 574 mm/a + 96 mm/a * y(T)
(4.10)
Skript zum Modul Hydrologie II
91
j) Einzeichnen der Geraden in den Netzdruck der EI:
- Einsetzen mindestens zweier verschiedener Wiederkehrsintervalle T in die Geradengleichungen
für die Momentenmethode (Gleichung 4.9) bzw. für die Gumbel-Methode (Gleichung 4.10)
- für das Beispiel gewählt: T = 5 a, 20 a und 50 a (Æ s. Tabelle 4.15)
- Einzeichnen der berechneten Geraden in den Netzdruck der EI (Æ s. Bild 4.18)
Tabelle 4.15: Jahresniederschlagssummen (korrigiert) [mm/a] der Station Großpösna-Oberholz für unterschiedliche Wiederkehrsintervalle T nach verschiedenen Schätzverfahren
Anpassungsmethode
Momentenmethode
Gumbel-Methode
freie Anpassung
k(T)
HQ(T) [m3 /s]
y(T)
HQ(T) [m3 /s]
HQ(T) [m3 /s]
T=5a
0,72
701
1,15
718
695
T = 20 a
1,87
823
2,97
859
795
T = 50 a
2,59
900
3,90
950
865
k) Extrapolation:
- Extrapolation ohne Kenntnis der "wahren" Verteilungsfunktion streng genommen nicht statthaft
(ausschließlich Interpolation)
- Fehler steigen mit Extrapolationsbereich (Datenprüfung!)
- Faustwert für Festlegung des Extrapolationsbereiches:
Æ T ≤ 3 n (falls keine Zusatzinformationen)
Æ T > 3 n (falls Zusatzinformationen, z. B. Übertragung von Klimadaten einer benachbarten
Station mit längerer Messreihe, Klimagutachten des DWD)
Æ Extrapolation ohne Zusatzinformation im betrachteten Beispiel (n = 30 a) bis max. 100 Jahre
l) Interpretation:
- Niederschlagswerte in Nassjahren Æ Voraussetzung für die Modellierung des Deponiewasserhaushaltes für verschiedene Witterungszustände
- im Falle der Depinie Leipzig-Leinestraße insbesondere von Interesse: Restdurchsickerungsmengen
an der Basis der Oberflächenabdeckung in Abhängigkeit vom Bewuchs der Deponie (Bewuchsanteile Æ s. Bild 4.19)
Bild 4.19:
Aufbau und Bewuchsanteile der Deponie Leinestraße
in Leipzig
Skript zum Modul Hydrologie II
92
- Charakteristik der Oberflächensicherung:
Æ einfache einschichtige Abdeckung aus Erdstoffen (überwiegend sandig-lehmig), zu DDRZeiten realisiert
Æ 0,3 – 2,0 m mächtig (Mittel: 0,5 m)
Æ kf-Werte: ca. 10-6 – 10-7 m/s
Æ nFK: ca. 16 – 23 Vol.-%
Æ nur mäßig gut transportfähiges, gut speicherfähiges Material, aber z.T. nur gering mächtig
- Simulationsergebnisse:
Æ Jahressummen der Restdurchsickerungsmengen in normalen und nassen JahrenÆ s. Bild 4.20
Normales Nassjahr: T = 5 a
Extremes Nassjahr: T = 50 a
Bild 4.20:
Jahressummen der Restdurchsickerungsmengen in
Normaljahren und in Nassjahren mit verschiedenen
Wiederkehrsintervallen
Æ deutliche Bewuchsabhängigkeit
Æ deutliche Abhängigkeit von den meteorologischen Bedingungen:
50 – 150 mm/a im Mittel
ca. 60 % mehr im Nassjahr (5 a)
ca. 160 % mehr im Nassjahr (50 a)
Æ Wasserrückhalt begrenzt, da kein dichtendes Element Æ begrenzte wasserhaushaltliche Wirksamkeit des Systems besonders in Nassjahren
Untersuchungen zu Nass- und Trockenjahren Æ Übung 13
4.4.3. Beispiele für Wasserhaushaltmodellierungen von Oberflächensicherungen
* Beispiel 1: Wasserhaushaltliche Optimierung einer Oberflächensicherung am Beispiel der Altdeponie Borsdorf bei Leipzig
► allgemeine Charakteristik:
- Volumen: 108 000 m³
- Schließung: vor 1990 Æ Altdeponie
- Ablagerungen: Hausmüll, Fäkalien, Industrieabfälle (Metalle, Teeranstriche, Färberei, …)
► behördliche Zielvorgaben:
- Reduzierung der langjährig mittleren Restdurchsickerungsrate RU auf etwa 100 mm/a
- Unterbindung hoher Oberflächenabflussmengen (RO im Mittel maximal 50 mm/a)
Skript zum Modul Hydrologie II
93
► Zielstellung:
- Planung einer Oberflächensicherung als qualifizierte Abdeckung nach Sächsischer Stilllegungsmethodik Altdeponien
- möglichst Sicherung nur durch eine Rekultivierungsschicht bestehend aus Ober- und Unterboden
- wasserhaushaltliche Optimierung der Rekultivierungsschicht bezüglich:
Æ Rekultivierungsschichtmächtigkeit
Æ Rekultivierungssubstraten (Wassertransport uns -speicherfähigkeit)
Æ Bewuchs
- Charakterisierung des Wasserhaushalts für mittlere, nasse und trockene Jahre
► Optimierungsschritt 1 (langjährig mittleres Verhalten für ein ausgewähltes Hydrotop):
- Optimierung für verschiedene Rekultivierungssubstrate, -mächtigkeiten und Bewuchsarten
- Hydrotopeinteilung Æ s. Bild 4.21
Bild 4.21:
Hydrotopeinteilung der Deponie Borsdorf
- ausgewähltes Hydrotop für den Optimierungsschritt 1: Hydrotop 4 (Westplateau)
- Modellierung einer Grasvegetation für Wasserdurchlässigkeiten der Rekultivierungsschicht von
1 * 10-5 … 1 * 10-7 m/s, nutzbare Feldkapazitäten von 5 … 25 Vol-% und Mächtigkeiten von 1,0
… 1,5 m
- Prüfung bezüglich der Einhaltung der o.g. Randbedingungen (RO < 50 mm/a, RU < 100 mm/a)
- Ergebnis: keine der Varianten erfüllt die o.g. Randbedingungen Æ Grasbewuchs nicht möglich
- Randbedingungen für Strauchbewuchs erfüllt für einen kf-Wert der Rekultivierungsschicht von 1
* 10-6 m/s
► Optimierungsschritt 2 (langjährig mittleres Verhalten für die gesamte Deponie):
- Optimierung für Strauchbewuchs und einen kf-Wert der Rekultivierungsschicht von 1 * 10-6 m/s
- Ergebnis der Optimierung: Rekultivierungsschichtdicke von 2 m und eine nutzbare Feldkapazität
von 20 Vol.-% notwendig, Strauchbewuchs jedoch prinzipiell möglich
Skript zum Modul Hydrologie II
94
► Optimierungsschritt 3 (Verhalten der Gesamtdeponie bei verschiedenen Witterungszuständen):
- Ergebnisse bezüglich des Verhaltens in mittleren, trockenen und nassen Jahren am Beispiel der
Restdurchsickerungsmengen RU Æ s. Bild 2.22
Bild 4.22:
Restdurchsickerungsmengen RU in mittleren, trockenen und nassen
Jahren
- in Nassjahren wegen des Fehlens eines Dichtungselements keine Begrenzung der Restdurchsickerung auf ca. 100 mm/a
► Schlussfolgerungen:
- Oberflächensicherung als qualifizierte Abdeckung ohne Dichtelement unter den gegebenen
Standortbedingungen prinzipiell möglich Æ Begrenzung der langjährig mittleren Oberflächenabflüsse auf ca. 40 mm/a und der Restdurchsickerungsmengen auf ca. 100 mm/a
- wegen des mittleren Jahresniederschlages von ca. 650 – 660 mm/a allerdings relativ hohe
Anforderungen an die Gestaltung der Oberflächensicherung:
Æ 2 m mächtige Rekultivierungsschicht
Æ Gras-Strauchbewuchs
Æ gute Speicherfähigkeit des Rekultivierungsmaterials bezüglich pflanzenverfügbarem Wasser
* Beispiel 2: Leistungsfähigkeit von Rekultivierungsschichten
► Veranlassung:
- nach Verordnung zur Vereinfachung des Deponierechts (vgl. auch Abschnitt 4.4.2):
Æ Anerkennung der Wasserhaushaltsschicht als eine Dichtungskomponente, falls maximale
Durchsickerung ≤ 10 % von P, höchstens jedoch 60 mm/a (für den Fall einer DK II)
Æ Anerkennung als alleinige Abdichtungskomponente, falls Durchsickerung ≤ 20 mm/a (für
den Fall einer DK I)
- Problemstellung: Unter welchen Standortbedingungen ist die Rekultivierungs-/Wasserhaushaltsschicht in der Lage, diese Anforderungen zu erfüllen? Æ Modellrechnungen für unterschiedliche Standortbedingungen Deutschlands
► Definition der Standortbedingungen:
- 7 klimatisch verschiedene Standorte Æ klimatische Wasserbilanz:
Æ Standort 1: Atzendorf - 190 mm/a (deutlich negative klimatische Wasserbilanz)
Æ Standort 2: Erfurt: - 60 mm/a (leicht negative klimatische Wasserbilanz)
Skript zum Modul Hydrologie II
Æ
Æ
Æ
Æ
Æ
Standort 3:
Standort 4:
Standort 5:
Standort 6:
Standort 7:
95
Berlin-Charlottenburg: + 5 mm/a (ausgeglichene klimatische Wasserbilanz)
Görlitz: + 90 mm/a (leicht positive klimatische Wasserbilanz)
Buchholz: + 330 mm/a (deutlich positive klimatische Wasserbilanz)
Hohenpeißenberg: + 720 mm/a (stark positive klimatische Wasserbilanz)
Balderschwang: + 2 160 mm/a (extrem positive klimatische Wasserbilanz)
- Morphologie: 1 : 3 geneigte Böschung, 50 m lang, Expositionen: Nord, Süd, West/Ost
- Bewuchsvarianten: Grasbewuchs, Strauchbesuchs, Baumbewuchs
- Charakteristik der Rekultivierungsschichten:
Æ Mächtigkeiten: 1,0 bzw. 1,5 m (Grasbewuchs) 2,0 m (Strauchbewuchs) bzw. 2,5 m (Bäume)
Æ kf-Wert: 5 * 10-6 m/s, nutzbare Feldkapazität nFK = 20 Vol.-%
► Modellergebnisse (Modell BOWAHALD):
- langjährig mittlere reale Verdunstungswerte ETR Æ s. Bild 4.23:
Æ Abhängigkeit vom Wasser- und Energiedargebot: zunehmende ETR mit zunehmender klimatischer Wasserbilanz sowie südlicher Exposition (s. Bild 4.24)
Æ Abhängigkeit vom Bewuchs: Verdunstungswerte Gras < Sträucher < Bäume
750
Gras, 1 m Re-ku.
Sträucher
700
Gras, 1,5 m Reku
Nadelbäume
ETR [mm/a]
650
600
550
500
450
400
Balderschwang
Hohenpeißenberg
Görlitz
Berlin
Erfurt
Atzendorf
Buchholz
Bild 4.23:
350
Langjährig mittlere Jahressummen der
realen Verdunstung ETR für verschiedene Bewuchsarten für eine west- bzw.
ostexponierte Böschung
850
800
Nord
West
Süd
700
650
600
550
500
Bild 4.24:
Balderschwang
Hohenpeißenberg
Görlitz
Berlin
Erfurt
400
Buchholz
450
Atzendorf
ETR [mm/a]
750
Abhängigkeit der langjährig mittleren
Jahressummen der realen Verdunstung
ETR für Baumbewuchs (2,5 m mächtige
Rekultivierungsschicht) von der Exposition (Ausrichtung)
Skript zum Modul Hydrologie II
96
- langjährig mittlere Restdurchsickerungsmengen RU an der Basis der Rekultivierungs-/Wasserhaushaltsschicht Æ s. Bild 4.25
► Schlussfolgerungen:
- RU-Werte für Gebiete mit negativer klimatischer Wasserbilanz (Atzendorf, Erfurt) in einer
Größenordnung, dass die Wasserhaushaltsschicht ein Dichtungselement ersetzen kann Æ hohe
wasserhaushaltliche Wirksamkeit
- RU-Werte für Gebiete mit ausgeglichener klimatischer Wasserbilanz (Berlin) nur im Fall eines
verdunstungsintensiven Bewuchses oder im Fall einer Südexposition (s. Bild 4.26) in einer
Größenordnung, dass die Wasserhaushaltsschicht ein Dichtungselement ersetzen kann
Bild 4.25:
Langjährig mittlere Sickerwassermengen RU für verschiedene Bewuchsarten
für eine west/ostexponierte Böschung
Bild 4.26:
Langjährig mittlere Sickerwassermengen RU für verschiedene Bewuchsarten
für eine nach Süd exponierte Böschung
* Beispiel 3: Optimierung von Zusatzwassergaben am Beispiel der Altdeponie Deutzen bei Leipzig
► Allgemeine Charakteristik:
- Lage: Nahe Borna, ca. 20 km südlich von Leipzig
- Altdeponie im Sinne der Sächsischen Altlastenverordnung (Schließung vor 1993)
- hydraulische Randbedingungen: keine Basisdichtung
Skript zum Modul Hydrologie II
97
- Untergrund: Kippenmaterial (kf ≤ 10-8 m/s), GW-Scheide unter dem Deponiekörper
- Abfallinventar: 40.000 m³ Haus-/Sperrmüll, 140.000 m³ - 150.000 m³ Erdstoffe/ Bauschutt
- tolerierbare langjährig mittlere Restdurchsickerungsrate (ausgehend vom Gefährdungspotenzial): maximal 100 – 110 mm/a
- Schichtenaufbau: 1,2 m Rekultivierungsschicht über 1,0 m Profilierungs-/Ausgleichsschicht
- Bewuchs: Weiden
► Problemstellung:
- Weiden = hohes Verdunstungsvermögen Æ Reduzierung der Restdurchsickerung
- jedoch zusätzliche Beregnung während der Hauptwachstumsperiode zur Bestandserhaltung
erforderlich, ansonsten partielle Ausfälle Æ erhöhte Restdurchsickerungsmengen
- Gefahr der Erhöhung der Restdurchsickerung auch durch Zusatzwassergaben gegeben
Æ Quantifizierung des wasserhaushaltlichen Verhaltens der Weiden
Æ Erarbeitung eines prozessorientierten Bewässerungskonzeptes
► Methodik zur Lösung der Aufgabe:
- Modellrechnungen (Modell BOWAHALD) + Beobachtungen/Messungen zur Kalibrierung
- meteorologische Daten: Stationen Leipzig-Schkeuditz, Borna und Zwenkau, Zeitraum 1973 –
2002
- Bewuchsparameter: In-situ-Arbeiten (Schurfe) + Literaturwerte
- pedologische Parameter: In-situ-Arbeiten (Schurfe, Bohrstockuntersuchungen, Infiltrometerversuche) Æ kf-Werte, Lagerungsdichten + Bodenprobenahmen mit anschließender Laboranalyse Æ pF-Kurven, kf-Werte + 2 Dauerbeobachtungsflächen (Sandstandort, Lehmstandort)
Æ Unterteilung der Deponie in 18 Hydrotope
► Untersuchungsergebnisse zur Modellkalibrierung:
0
45
40
Bodenfeuchte [V ol.%]
35
50
30
25
N iederschlag [mm/d]
- Ergebnisse der BOWAHALD-Modellkalibrierung für den Kalibrierungszeitraum April bis
Dezember 2003 Æ Bild 4.27 Æ Kalibrierungsergebnis zufriedenstellend
100
20
15
10
150
Apr
Niederschlag
Mai
Jun
Jul
Messung 60 cm
Aug
Sep
Messung 100 cm
Okt
Nov
Modell 60 cm
Dez
Modell 100 cm
Bild 4.27:
Gegenüberstellung von
modellierter und gemessener Bodenfeuchte in
verschiedenen Tiefen
Skript zum Modul Hydrologie II
98
- langjährig mittlere Wasserbilanz ohne zusätzliche Beregnung:
Æ Pkorr = 625 mm/a
Æ ETR = 525 mm/a
Æ RO =
8 mm/a
Æ RU =
92 mm/a Æ tolerierbare Obergrenze von RU: 110 mm/a Æ Reserve: 18 mm/a
► Bewässerungsstrategien:
- Bodenfeuchtegrenzwerte:
Æ Variante 1: Konstanthalten eines für die Weiden verfügbaren Wassergehaltes während
der Sommermonate Mai bis September auf 80 % nutzbare Feldkapazität
Æ Variante 2: dto. Æ Konstanthalten auf 67 % nutzbare Feldkapazität
Æ Variante 3: dto. Æ Konstanthalten auf 50 % nutzbare Feldkapazität
- Bewässerungsstrategien:
Æ Strategie 1: Konstanthalten der o.g. Wassergehalte (vgl. Varianten 1 – 3) über die gesamten 1,2 m Rekultivierungsschicht
Æ Strategie 2: Konstanthalten der o.g. Wassergehalte nur über einen Bereich der obersten
50 cm Æ 70 cm Pufferzone
► Untersuchungsergebnisse zu den Bewässerungsstrategien:
- Ergebnisse zur Bewässerungsstrategie 1 Æ s. Bild 4.28
Bild 4.28:
Langjährig mittlere Restdurchsickerungsmengen
für die verschiedenen Bewässerungsvarianten der
Bewässerungsstrategie 1
- Ergebnisse zur Bewässerungsstrategie 2 Æ s. Bild 4.29
Bild 4.29:
Langjährig mittlere Restdurchsickerungsmengen
für die verschiedenen Bewässerungsvarianten der
Bewässerungsstrategie 2
Skript zum Modul Hydrologie II
99
- Fazit:
Æ Restdurchsickerungsmengen RU der Bewässerungsstrategie 1 liegen alle über dem
tolerierbaren Wert Æ Bewässerungsstrategie 1 ungeeignet
Æ Restdurchsickerungsmengen RU der Bewässerungsstrategie 2 liegen alle unter dem
tolerierbaren Wert Æ Bewässerungsstrategie 2 geeignet
Æ optimal Bewässerungsstrategie: oberste 50 cm Rekultivierungsmaterial während der
Hauptwachstumsperiode auf 80 % nutzbarer Feldkapazität halten
Æ Zielvorgabe maximaler Restdurchsickerungsmengen von 100 – 110 mm/a unter den
konkreten Standortbedingungen durch ein einfaches (aber wasserhaushaltlich optimiertes)
Oberflächen-sicherungssystem auch für zusätzliche Beregnungswassergaben möglich,
wenn diese prozess-orientiert erfolgen
Æ kontinuierliches ganzjähriges Monitoring für die Dauer der Zusatzwassergaben im
Interesse einer Risikominimierung unabdingbar
* Beispiel 4: Austrocknungsmodellierung mittels konzeptioneller Modelle (hier: BOWAHALD)
► Problemstellung:
- Forderung der Verordnung zur Vereinfachung des Deponierechts (Anhang 1) bezüglich
Austrocknungsverhalten von mineralischen Dichtungselementen: zu berücksichtigen sind
Materialzusammensetzung, Einbautechnik und Einbindung im Abdichtungssystem, um eine
sehr niedrige Durchlässigkeit zu erreichen und die Gefahr einer Trockenrissbildung zu
minimieren
- Austrocknungsgefährdung bei allen mineralischen Dichtungskomponenten mit Ausnahme der
Kapillarsperre vorhanden Æ s. auch Abschnitt 4.4.2
- Austrocknungsprozesse und Ursachen Æ s. Tabelle 4.16 Æ hohe Komplexität
Tabelle 4.16: Austrocknungsprozesse in mineralischen Dichtungsschichten und treibende Kräfte
Prozess
Austrocknung von oben
Kapillarwasseraufstieg
Wasserdampftransport
Wasserdampfdiffusion
Durchwurzelung
Ionenaustausch, Ausfällung
treibende Kraft
Feuchtegradient
Feuchtegradient
Feuchtegradient
Temperaturgradient
Bewuchs
chemische Potenziale
- durch das Modell BOWAHALD erfassbare Prozesse: Austrocknung von oben durch
Pflanzenwurzeln
- Problemstellung: Eignung konzeptioneller Modelle wie BOWAHALD für Austrocknungsproblematik?
► Anwendungsbeispiel:
- fiktiver Deponiestandort im Raum Leipzig
Æ hinsichtlich klimatischer Situation repräsentativ für weite Teile Ostdeutschlands
Æ verfügbare meteorologische Daten für die DWD-Klimastation Leipzig-Schkeuditz
Skript zum Modul Hydrologie II
100
- Modellierung einer Deponie der Deponieklasse I
Æ Plateaufläche: Neigung: 5 %, Hanglänge: 20 m, Exposition: West/Ost, normal
entwickelter Gras-/Krautbewuchs
Æ Rekultivierungsschicht als Wasserhaushaltsschicht: Mächtigkeit: 1,5 m, kf-Wert: 1 * 10-6
m/s, nFK: 15 Vol.-% (Gesamtprofil: 225 mm)
Æ 0,3 m mineralische Drainschicht (kf = 1 * 10-3 m/s)
Æ 0,5 m mineralische Dichtschicht (kf = 5 * 10-9 m/s)
- Modellergebnisse:
Æ langjährig mittlere Jahresbilanzen Æ s. Bild 4.30
Bild 4.30:
Langjährig mittlere Jahresbilanzen (alle Werte in
mm/a)
Æ Ergebnisse zur Austrocknung der mineralischen Dichtschicht Æ s. Bild 4.31
Bild 4.31:
Austrocknung der mineralischen
Dichtschicht in Abhängigkeit von
der Wurzeltiefe
Æ Ergebnisse plausibel, aber Modell BOWAHALD trotz Plausibilität nur bedingt geeignet,
Austrocknungsprozesse in mineralischen Dichtschichten zu erfassen:
Æ von den austrocknungsrelevanten Prozessen modellseitig ausschließlich der Wasserentzug durch Pflanzenwurzeln nachgebildet
Æ keine modellinternen Steuermechanismen, die Austrocknung bewirken, hier: Steuerung durch Vorgabe der maximalen Wurzeltiefe
Æ unzureichende Validierung von BOWAHALD bezüglich Dichtschichtaustrocknung
Æ Ergebnisse zur Austrocknung der Wasserhaushaltsschicht Æ s. Bild 4.32
Skript zum Modul Hydrologie II
101
Bild 4.32:
Bodenfeuchtewerte für eine 1,5 m
mächtige Rekultivierungsschicht mit 15
Vol.-% nFK (insgesamt 225 mm)
Æ Häufigkeitsverteilung von Austrocknungsbeträgen in der Wasserhaushaltsschicht Æ s.
Bild 4.33
Bild 4.33:
Häufigkeitsverteilung von Austrocknungsbeträgen in der Wasserhaushaltsschicht in Abhängigkeit von der
nutzbaren Feldkapazität des Rekultivierungssubstrats (Zeitraum 1973 –
2002)
Æ Szenarien zu den Auswirkungen des Klimawandels auf die Häufigkeitsverteilung von
Austrocknungsbeträgen in der Wasserhaushaltsschicht (s. auch Beispiel 6) Æ s. Bild 4.34
Bild 4.34:
Häufigkeitsverteilung von Austrocknungsbeträgen in der Wasserhaushaltsschicht im Vergleich der Zeiträume 1973 – 2002 bzw. 2031 – 2050
(A2-Szenario, trockener Lauf)
Skript zum Modul Hydrologie II
102
- Fazit:
Æ Deponiewasserhaushaltsmodelle wie z. B. BOWAHALD = brauchbares Instrumentarium
bezüglich Aussagen zum Austrocknungsverhalten der Rekultivierungsschicht
Æ Ermittlung von Häufigkeiten von Wassergehaltsabnahmen der Rekultivierungsschicht bis
in kritische Bodenfeuchtebereiche hinein Æ Variantenvergleiche im Rahmen von
Planungsarbeiten (Schichtenaufbau, - mächtigkeiten, -parameter, Klimaszenarien)
Æ nur bedingte Eignung in Bezug auf die Nachbildung von Austrocknungsprozessen in
mineralischen Dichtschichten (Ausnahme: Wassergehaltsabnahmen infolge Wurzelaktivität).
* Beispiel 5: Austrocknungsmodellierung – Vergleich konzeptionelles Boxmodell / komplexes
numerisches Strömungsmodell
► Veranlassung:
- Einrichtung eines Testfeldes zur Bewertung des mineralischen Dichtungsmaterials Trisoplast
(u. a. Dichtungs- und Austrocknungseigenschaften) durch die Firma Trisoplast Deutschland
Umwelttechnik GmbH
- Standort: ehem. Hausmülldeponie Wassenberg-Rothenbach (an der deutsch-holländischen
Grenze ca. 20 km südsüdwestlich von Mönchengladbach)
- Angaben zum Testfeld:
Æ Schichtenaufbau: 1,0 m Rekultivierungsschicht, Drainmatte, 7 cm Trisoplast, Auflager
Æ Messung aller meteorologischer Größen vor Ort
Æ Messung der wesentlichen pedologischen und Bewuchsparameter
- verwendete Modelle:
Æ konzeptionelles Boxmodell BOWAHALD
Æ numerisches Strömungsmodell SIWAPRO-DSS
► Modellergebnisse:
- Modellvergleich BOWAHALD / SIWAPRO-DSS Æ s. Bild 4.35
Bild 4.35:
Gemessene und mittels der
Modelle BOWAHALD bzw.
SIWAPRO-DSS modellierte
Feuchtewerte der mineralischen Dichtungsschicht aus
Trisoplast
Skript zum Modul Hydrologie II
103
- Fazit:
Æ Feuchteverlauf mittels Modell BOWAHALD trotz einfacherem Modellaufbau und
geringerem Bearbeitungsaufwand besser nachgebildet als mittels Modell SIWAPRO-DSS
Æ Modelleinlaufphase notwendig
* Beispiel 6: Austrocknungsmodellierung – Veränderungen im Zuge des prognostizierten Klimawandels
► Veranlassung:
Wie gestalten sich die wasserhaushaltlichen Bedingungen in Rekultivierungsschichten und damit
die Gefahren bezüglich Austrocknung von mineralischen Dichtschichten unter dem Aspekt des
Klimawandels?
► Methodik:
- Vergleichsrechnungen Istzustand (Reihe 1961 – 90) vs. zukünftiger Zustand (2001 – 2050)
- Modell: Deponiewasserhaushaltsmodell BOWAHALD
- BOWAHALD-Modellanwendung für 3 fiktive Deponiestandorte: Trockenstandort Torgau,
wasserhaushaltlich ausgeglichener Standort Görlitz, Feuchtstandort Fichtelberg
- Modellierung mit täglichen meteorologischen Klimadaten (Datenquelle Istzustand:
www.dwd.de, zukünftiger Zustand: Klimamodell des MPI - Hamburg ECHAM5/MPI-OM
T63L31, A2-Szenario, trockene, mittlere und feuchte Zeitreihe)
► Oberflächensicherung nach Deponieklasse I (DK I):
- Südböschung, Neigung: 1:3 (33 %)
- Bewuchs: Gras-/Krautbewuchs, maximale Wurzeltiefe: 1,5 m
- Schichtenaufbau:
Æ Rekultivierungsschicht (1,5 m mächtig, kf-Wert: 1 * 10-6 m/s, nFK: 20 Vol.-% Æ gut
wasserspeicherfähig)
Æ 0,3 m Drainschicht (kf: 1 * 10-3 m/s)
Æ 0,5 m Dichtschicht (kf: 5 * 10-9 m/s)
► Modellergebnisse:
- Wasserhaushalt Istzustand (1961 – 1990) Æ s. Bild 4.36
Bild 4.36:
Langjährig mittlere Wasserhaushaltsbilanzen für den Istzustand (alle Werte in mm/a)
Skript zum Modul Hydrologie II
104
- Wasserhaushalt zukünftiger Zustand (2001 – 2050) Æ s. Bild 4.37:
Æ zum Teil große Differenzen gegenüber dem Istzustand nach oben und unten
Æ Ursache: Unterschiede in den Niederschlagswerten für trockene, mittlere und feuchte
Zeitreihe Æ Auswahl plausibler Zeitreihen Æ Ergebnis der Auswahl: plausibel =
trockene Zeitreihen für die 3 Standorte
Bild 4.37:
Änderungen der langjährig mittleren Wasserhaushaltsbilanzen des zukünftigen Zustandes gegenüber dem Istzustand (alle Werte in mm/a)
- Austrocknungsverhalten der Rekultivierungsschicht Ist- und zukünftiger Zustand (A2Szenario, trockener Lauf Æ s. Bilder 4.38 und 4.39
Bild 4.38:
Austrocknungshäufigkeiten des gegenwärtigen
und zukünftigen Zustandes
Bild 4.39:
Änderungen der Austrocknungshäufigkeiten des
zukünftigen Zustandes gegenüber dem Istzustand
Skript zum Modul Hydrologie II
105
Æ Standorte Torgau und Görlitz: Zunahme von kritischen Austrocknungszuständen der
Rekultivierungsschicht
Æ Standort Fichtelberg: indifferentes Verhalten
- Vergleich des Austrocknungsverhalten von feuchtem, mittleren und trockenen Lauf für die
Standorte Torgau und Görlitz Æ s. Bilder 4.40 und 4.41 (Standort Fichtelberg: keine
kritischen Austrocknungszustände) Æ Zunahme kritischer bzw. sehr kritischer Austrocknungswerte in den Jahren 2021 – 2050 gegenüber 1961 – 1990 unabhängig vom Witterungsschwankungsverhalten
Bild 4.40:
Austrocknungshäufigkeiten des zukünftigen Zustandes gegenüber dem Istzustand in Abhängigkeit vom Lauf (feucht, mittel, trocken) für den
Standort Torgau
Bild 4.41:
Austrocknungshäufigkeiten des zukünftigen Zustandes gegenüber dem Istzustand in Abhängigkeit vom Lauf (feucht, mittel, trocken) für den
Standort Görlitz
► Schlussfolgerungen:
- Quantifizierung von Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushalt durch
geeignete hydrologische Modelle wie HELP oder BOWAHALD möglich
- Änderungen gegenüber dem derzeitigen Zustand betreffen auf der Zeitebene langjähriger
Wasserbilanzen vor allem die Größen Niederschlag, Verdunstung und Sickerwasserbildung
(hypodermischer Abfluss, Restdurchsickerung).
- Erhöhung der Oberflächenabflussmengen infolge einer künftigen Häufigkeitszunahme von
Starkregenereignissen nicht nachweisbar (auf Tagesbasis)
- spürbare Veränderungen gegenüber dem derzeitigen Zustand: Austrocknungshäufigkeit und
-intensität der Rekultivierungsschicht Æ Vegetation gerät häufiger in Trockenstress Æ Effekt
wird unabhängig davon modelliert, ob den zukünftigen, Klimaszenarien trockene, mittlere
oder feuchte Verhältnisse zugrunde gelegt werden
- Erhöhung der Gefahren für unterliegende Schichten, insbesondere für mineralische Dichtungselemente (Trockenrissbildung, Durchwurzelung)
Untersuchungen zur Austrocknung von Rekultivierungsschichten Æ Übung 14
Skript zum Modul Hydrologie II
106
* Beispiel 7: Untersuchungen zum Starkregenfall – Oberflächenentwässerung am Beispiel der
Deponie Leipzig – Leinestraße
► Notwendigkeit von Untersuchungen zur Oberflächenentwässerung im Starkregenfall:
- Fließgeschwindigkeit Æ Erosions-, Sedimentations- und Standsicherheit der Gräben
- Durchfluss Æ Abführbarkeit der Durchflüsse, Bemessung von Rückhalteräumen
► Schritt 1: Erarbeitung der Entwässerungsstrategie
- Entwässerungsstrategie = Untergliederung in Entwässerungsteilflächen, Ermittlung der Fließrichtungen, Knotenpunkte (Zusammenflüsse) Æ s. Bild 4.42
- in Summe 10 Entwässerungsteilflächen
Bild 4.42:
Entwässerungsstrategie eines Teils der Deponie Leinestraße in Leipzig
► Schritt 2: Ermittlung morphologischer Parameter für jede Entwässerungsteilfläche
- morphologische Parameter Æ Beeinflussung von Abflussbildung und -konzentration
- Flächengröße, mittlere Hanglänge, mittleres Gefälle, höchster und niedrigster Punkt
► Schritt 3: Ermittlung Boden-/Bewuchsparameter
- Bewuchsart
- Mächtigkeit, Wassertransport- und -speicherfähigkeit der Oberflächensicherung (insbesondere
Rekultivierungs- bzw. Wasserhaushaltsschicht
► Schritt 4: Ermittlung des Bemessungsregens
- Grundlagen: Niederschlagsmengen-Dauer-Häufigkeitsdiagramme, KOSTRA-Atlas
- Ermittlung der Starkregenmenge entsprechend Regendauer und Wiederkehrsintervall
- hier: 14,7 mm für T = 3,3 a und D = 15 min
► Schritt 5: Ermittlung der Abflussbildung
- mögliche Verfahren: Abflussbeiwert- bzw. Curve-Number-Verfahren, Infiltrationsmodelle
- Ermittlung des Oberflächenabflusses RO
- hier: RO = 2,3 mm nach Curve-Number-Verfahren (für Teilfläche 1/1)
Skript zum Modul Hydrologie II
107
► Schritt 6: Ermittlung der Abflusskonzentration
- mögliche Verfahren: US-SCS-Dreickshydrograph, Speicherkaskadenmodell, …
- Transformation des gebildeten Oberflächenabflusses in eine Durchflusswelle Æ Ermittlung
der relevanten Parameter Scheitelwert HQ, Scheiteleintritsszeit tS, Dauer des Ereignisses, …
- hier: HQ = 13 l/s, tS = 19 min nach Speicherkaskadenmodell (für Teilfläche 1/1)
► Schritt 7: Ermittlung des Abflussverlaufs
- Überlagerung von Wellen, die auf unterschiedlichen Entwässerungsteilflächen gebildet
worden sind Æ nicht additiv, sondern unter Berücksichtigung von Laufzeitverzögerungen
- beispielhaft: Überlagerung der Durchflussganglinien (Wellen) der Entwässerungsteilflächen
1/1 und 1/2:
Æ Gesamtdurchflussganglinie am Punkt 1/2 = Durchflussganglinie der Teilfläche A 1/2 +
laufzeitkorrigierte Durchflussganglinie der Teilfläche A 1/1
Æ Laufzeitkorrektur durch Anwendung des Weg-Zeit-Gesetzes: ∆t = s /v
Æ s Æ vorgegeben (Grabenlänge 1/1 – 1/2), hier: 105 m
Æ v Æ Ermittlung z. B. durch Anwendung der Fließformel nach MANNING & STRICKLER
(vgl. Abschnitt 5.3, Skript Hydrologie I) für vorgegebene Maße des Entwässerungsgrabens und ein vorgegebenes Grabengefälle
- hier: v = 1,3 m/s Æ ∆t = 105 m / 1,3 m/s = 80 s Æ Durchflusswelle von Punkt 1/1 (aus A 1/1)
benötigt 80 s (d.h. ca. 1,5 min) bis zum Punkt 1/2 Æ Verzögerung der am Punkt 1/1
gebildeten Welle um 1,5 min
- Ergebnis der laufzeitkorrigierten Wellenüberlagerung am Punkt 1/2: HQ = 32 l/s, tS = 20 min
(zum Vergleich: nicht laufzeitkorrigierten Wellenüberlagerung würde HQ = 33 l/s und tS = 19
min liefern)
- Ergebnis der Superposition aller Ganglinien bis zum Entwässerungsknotenpunkt Ost KP E
(Lage Æ vgl. Bild 4.42): HQ = 77 l/s bei tS = 21 min
- Ergebnisse der Scheiteldurchfluss- und Fließgeschwindigkeitsberechnungen Æ s. Bild 4.43
Bild 4.43:
Scheiteldurchflüsse und Fließgeschwindigkeiten
eines Teils der Deponie Leinestraße in Leipzig
Skript zum Modul Hydrologie II
108
► Schritt 8: Bemessung eines (ggf. mehrerer) Rückhaltebecken RHB (falls notwendig)
- Ziel: Ermittlung des für den Bemessungsfall minimal notwendigen Speichervolumens eines
RHB mit bekannter Zuflussganglinie QZ(t) unter der Maßgabe einer konstanten Regelabgabe
QA(t)
- Methodik: Bemessung eines RHB bei vorgegebener konstanter Regelabgabe basiert auf der
Anwendung der vereinfachten Kontinuitätsgleichung (Voraussetzung: QZ > QA):
dS(t) / dt = QZ (t) - QA (t)
mit: dS(t)
QZ(t)
QA(t)
(4.11)
- Änderung des Speicherinhaltes [l/Δt bzw. m3 /(s Δt)]
- Zuflussganglinie [l/Δt bzw. m3 /(s Δt)]
- Ausflussganglinie [l/Δt bzw. m3 /(s Δt)] (QA = QR = Regelabgabe = konstant)
Æ Umsetzung der Kontinuitätsgleichung Æ s. Bild 4.44
Bild 4.44:
Prinzip der Bemessung eines Rückhaltebeckens mit konstanter Regelabgabe
Æ Beispiel für die Berechnung des Speichervolumens Æ 1. Zeitintervall für QZ > QA (t = 3
… 4 min):
Æ QZ = 420 l/s, QA = QR = 400 l/s, Δt = 1 min = 60 s
Æ ΔS = QZ – QA = 420 l/s – 400 l/s = 20 l/s
Æ für Δt = 1 min = 60 s: 1 200 l = 1,2 m3
- Ergebnisse für die Deponie Leinestraße: Speichervolumina für verschiedene Regelabgaben
Æ s. Tabelle 4.17
Tabelle 4.17:
Minimal notwendige Speichervolumina S für verschiedene konstante Regelabgaben
QR für die Deponie Leinestraße
QR [l/s]
70
60
50
40
30
20
10
S [m3]
2
9
19
32
48
68
94
Skript zum Modul Hydrologie II
109
* Sonderfall: Bemessungsaufgaben im Gebirge (Schneeschmelzproblematik) am Beispiel der ehem.
Wismut-Halde 381 in Erla/Crandorf bei Schwarzenberg:
- Fragestellung: Sind sommerliche Starkregenereignisse oder Schneeschmelzereignisse maßgebend?
- Methodik: Ermittlung von täglichen Schneeschmelzmengen mittels Tagesgradverfahren (s.
Abschnitt 3.8, Skript Hydrologie I), hier: Anwendung des Tagesgradverfahrens für 30 Winterhalbjahre (Reihe 1961 – 90) Æ 30 a Æ statistische Sicherheit
- Bilanzgleichung in BOWAHALD zur Ermittlung der täglichen Schneeschmelzmenge:
WSCHMELZ = P – ETR + WSVORTAG – WS
mit: WSCHMELZ
P
ETR
WSVORTAG
WS
(4.12)
- Schneeschmelzmenge [mm/d]
- Niederschlag [mm/d]
- reale Evapotranspiration [mm/d]
- Äquivalentwassergehalt der Schneedecke am Vortag [mm]
- Äquivalentwassergehalt der Schneedecke am Schneeschmelztag [mm]
- Ergebnisse für die 30-jährige Reihe: maßgebende Schneeakkumulations- und Schneeschmelzperiode: 26.12.1986 – 09.04.1987 Æ s. Tabelle 4.18
Tabelle 4.18:
Bilanzgrößen zur Ermittlung der maximalen täglichen Schneeschmelzmengen für den
Standort Erla/Crandorf (alle Werte in mm/d, Bedeutung Symbolik Æ s. Gleichung 4.12)
Datum
26.12.1986
P
15,4
31.03.1987
01.04.1987
14,0
0,0
05.04.1987
12,0
09.04.1987
0,0
ETR
0,2
…
0,1
1,5
…
1,8
…
1,7
WS
15,2
WSCHMELZ
0,0
221,1
194,8
0,0
24,7
96,5
71,6
0,0
7,7
kursiv und fett: maximale tägliche Schneeschmelzmenge
Æ Wiederkehrsintervall der maximalen täglichen Schneeschmelzmenge von 71,6 mm: ca. 30 a
Æ Vergleich mit der 24-h-Starkregenmenge aus KOSTRA: 117,5 mm (für T = 10 a)
Æ maßgebend: Starkregenmenge und nicht Schneeschmelzmenge (erst recht für Ereignisdauern
< 24 h, weil Regenintensitäten für kürzere Dauern überproportional zunehmen)
* Beispiel 8: Untersuchungen zum Starkregenfall – Drainentwässerung
- Drainwasserbildung an der Schichtgrenze Drainschicht / Dichtung Æ kf-Wertsprung
- von Interesse im Zusammenhang mit wasserhaushaltlichen Untersuchungen:
Æ langjährig mittlere Drainwassermengen Æ langjährig mittlere Einleitmengen in die Vorflut,
mittlere jährliche Kosten, …
Æ Drainwassermengen in sickerwasserreichen Jahren Æ maximale jährliche Einleitmengen in die
Vorflut, maximale jährliche Kosten, …
Æ Drainwassermengen infolge von Starkregen-/Schneeschmelzereignissen Æ max. Belastung des
Drainsystems Æ maßgebend für die Bemessung des Drainsystems (ereignisbezogen)
Skript zum Modul Hydrologie II
110
- Parameter, die die Bemessung beeinflussen (Æ s. auch Bild 4.45):
Æ Zuflüsse von oben (Versickerung aus der Rekultivierungsschicht) RZU
Æ Abflüsse von unten (Versickerung in die Dichtschicht) RAB
Æ Wasserdurchlässigkeit kf und Gefälle I des Drainelements
Æ Entwässerungslänge d (Drainrohrabstand)
Æ maximaler Drainwasserspiegel hMAX Æ maßgebende Bemessungsgröße
Bild 4.45:
Die Entwässerungsschicht als hydraulisches Element im System
der Oberflächensicherung
- Bemessungskriterium: hMAX Æ Vergleich von hMAX mit der Drainmächtigkeit mDRAIN
Æ mDRAIN ≥ hMAX Æ Drainelement akzeptabel
Æ mDRAIN < hMAX Æ Drainelement nicht akzeptabel
- denkbare Veränderungen des Systems, falls Drainelement nicht akzeptabel:
Æ Erhöhung der Speichereigenschaften der oberhalb des Drainelements liegenden Schichten
(durch Erhöhung von Mächtigkeit u./o. Porosität) Æ Erhöhung der mittleren Verweildauer
der Sickerwässer Æ Vergleichmäßigung der zusitzenden Wassermengen
Æ Erhöhung der Wasserdurchlässigkeit der unterhalb des Drainelements liegenden Schicht
Æ Erhöhung des Gefälles des Drainelements
Æ Erhöhung des kf,h-Wertes des Drainelements
Æ Verringerung des hangparallelen Drainrohrabstandes
Æ Erhöhung der Mächtigkeit des Drainelements
Æ letzte 3 Möglichkeiten in der Praxis am häufigsten realisiert, weil Aufwendungen gegenüber
anderen Möglichkeiten noch vergleichsweise gering + Beibehaltung der Leistungsfähigkeit
des Systems (vor allem bezüglich Rekultivierungsschicht und Dichtelement)
- Berechnungsfälle in Abhängigkeit von der hydraulischen Konstellation:
Æ a) hang- und talseitiges Drainrohr
Æ b) ausschließlich talseitiges Drainrohr
- Berechnungsgleichung nach LESAFFRE für den Berechnungsfall a (hang- und talseitiges Drainrohr):
d
4 kf,h
kf,h
─── = ────── + ──────
RZU – RAB
RZU – RAB
hmax
2
0,5
-1
I2
(4.13)
Skript zum Modul Hydrologie II
mit:
hmax
RZU
RAB
kf,h
I
d
111
- maximaler Aufstau über der Drainsohle (normal zur Sohle) [m]
- Sickerwasserzufluss zur Drainage von oben [m/s] (z. B. aus BOWAHALD)
- Sickerwasserabstrom nach unten [m/s] (z. B. aus BOWAHALD)
- kf-Wert in horizontaler Richtung [m/s]
- Draingefälle [ ]
- Drainabstand (hangparallel) [m]
- Berechnungsgleichungen nach SCHMID für den Berechnungsfall b (ausschließlich talseitiges
Drainrohr) für 3 Berechnungsfälle:
Fall A: Δ > 0 (mit Δ = 4 . [(Rzu - Rab ) / kf,h ] – I 2 ):
0,5
hmax =
RZU – RAB
──────
kf,h
.
d.eA
(4.14)
I
kf,h . I 2 – 2 (RZU – RAB )
mit: A = ─── arctg ──────────────
Δ 0,5
kf,h . I . Δ0,5
– arctg
I
───
Δ 0,5
(4.15)
mit: e - EULER´sche Zahl (e = 2,71828)
(alle weiteren Größen Æ s. Gleichung 4.13)
Fall B: Δ = 0 (mit Δ = 4 . [(RZU – RAB ) / kf,h ] – I 2 ):
0,5
hmax =
RZU – RAB
──────
kf,h
d
──
e
(4.16)
(alle Größen s. Gleichungen 4.13 – 4.15)
Fall C: Δ < 0 (mit Δ = 4 . [(Rzu - Rab ) / kf,h ] – I 2 ):
0,5
hmax =
RZU – RAB
──────
kf,h
.
0,5
{ 0,5 I (- Δ) }
|B|
– 2 (RZU – RAB ) + kf,h . I . [ I – ( – Δ0,5 ) ]
mit: B = ────────────────────────
– 2 (RZU – RAB ) + kf,h . I . [ I + ( – Δ0,5 ) ]
(alle Größen s. Gleichungen 4.13 – 4.15)
(4.17)
.
I + ( – Δ0,5 )
───────
I – ( – Δ0,5 )
(4.18)
Skript zum Modul Hydrologie II
112
- Anwendungsbeispiel: Drainbemessung für die Deponie Spremberg-Cantdorf (ca. 20 km
südlich von Cottbus)
Æ Einteilung der Deponie in Hydrotope sowie längste Drainentwässerungsstrecken Æ Bild
4.46
Bild 4.46:
Deponie Spremberg/Cantdorf mit Hydrotopeinteilung und Drainentwässerungsstrecken
Æ Schichtenaufbau: 1,5 m Rekultivierungsschicht
≥ 0,3 m Drainschicht (kf ≥ 1 * 10-3 m/s)
≥ 2,5 mm Kunststoffdichtung
► Bemessungsschritt 1: Ermittlung der maßgebenden Drainspenden RZU (Sickerwasserzutritte von oben)
- behördliche Vorgabe: Bemessungswiederkehrsintervall: 10 Jahre
- Berechnung täglicher Werte der Drainwasserspenden über einen langjährigen Zeitraum
(hier: 30 Jahre: 1961 – 90) mittels Deponiewasserhaushaltsmodell (hier: HELP-Modell
- beispielhaft für den Plateaubereich (Hydrotop 1) Æ s. Bild 4.47
Bild 4.47: Tägliche Drainwasserspenden im langjährigen Zeitraum von 1961 – 1990
Skript zum Modul Hydrologie II
113
- Ordnen der Werte (vom kleinsten zum größten Wert Æ beispielhaft für Hydrotop 1 Æ s.
Tabelle 4.19) und Ermittlung der Drainspenden-Dauerlinie
- Berechnung der Unterschreitungswahrscheinlichkeiten PU [%] entsprechend Gleichung 4.1
(Æ s. Abschnitt 4.4.2) Æ beispielhaft für Hydrotop 1 Æ s. Tabelle 4.19
Tabelle 4.19:
Reihenfolge der täglichen Drainwasserspenden RZU im Zeitraum 1961 – 1990 mit
Ordnungsziffern und Unterschreitungswahrscheinlichkeiten
Datum
01.01.1961
02.01.1961
…
06.03.1986
28.12.1980
13.03.1979
29.12.1961
25.08.1967
11.05.1990
12.04.1961
RZU [mm/d]
0,0
0,0
…
21,5
21,5
23,8
25,9
26,8
28,6
35,3
m
1
2
…
10 951
10 952
10 953
10 954
10 955
10 956
10 957
PU [%]
0,009
0,048
…
99,936
99,945
99,954
99,963
99,973
99,982
99,991
- grafische Darstellung (x-Achse: PU, y-Achse: RZU) Æ Bild 4.48
- Berechnung der Unterschreitungswahrscheinlichkeit für ein Wiederkehrsintervall von 10
Jahren Æ Ein Ereignis mit T = 10 a tritt statistisch gesehen 3 Mal in einem Zeitraum von
30 Jahren auf (hier: Reihe 1961 – 1990) und wird folglich nur von 2 noch größeren der
Reihe und dem weiteren einen sehr großen außerhalb der Reihe überschritten:
PU = 10 955 / 10958 * 100 % = 99,97 %
- Ablesen der maßgebende Drainspende Æ hier für die Hydrotope 1 (Plateau mit der
längsten Entwässerungsstrecke) und 6 (Böschung mit der längsten Entwässerungsstrecke)
Æ Bild 4.48
Plateauhydrotop 1
Böschungshydrotop 6
Bild 4.48: Tägliche Drainwasserspenden im langjährigen Zeitraum von 1961 – 1990
Skript zum Modul Hydrologie II
114
► Bemessungsschritt 2: Hydraulische Drainbemessung
- notwendige Vorinformationen:
Æ Bemessungsdrainspenden RZU (Ermittlung Æ s. Bemessungsschritt 1):
Plateau: 25,5 mm/d, Böschung: 24,5 mm/d
Æ Angaben zu hydraulischen Parametern und zur Geometrie:
Plateau: Entwässerungslänge L = 35 m, Gefälle I = 4 %
Böschung: Entwässerungslänge L = 105 m, Gefälle I = 33 %
Plateau und Böschung: Drainstärke mDRAIN = 0,3 m, kf, h, DRAIN = 1 * 10-3 m/s
nur talseitiges Drainrohr
- Anwendung des Lösungsansatzes nach Schmid, Fall C: ∆ < 0 Æ vgl. Gleichungen 4.17 und
4.18 mit ∆ = 4 (RZU / kf, h) – I2 Æ hier: ∆ = - 4,2 * 10-4
- Ergebnisse:
Æ maximale Drainaufstauhöhe hMAX für das Plateau: 0,1 m
Æ maximale Drainaufstauhöhe hMAX für die Böschung: 0,2 m
- Interpretation:
Æ geplante Drainmächtigkeit: mDRAIN = 0,3 m
Æ maximale Drainaufstauhöhen < geplante Drainmächtigkeit
Æ Planung O.K., Drainmächtigkeit ausreichend, keine Systemveränderungen notwendig
Praktische Bemessung eines Drainelements Æ Übung 15
4.4.4. Nachnutzung von Deponien
* Phasen der Deponiebewirtschaftung:
- Bewirtschaftungsphasen und deren wesentliche Inhalte Æ s. Bild 4.49
Bild 4.49:
Phasen der Deponiebewirtschaftung und
deren Inhalte (Bildgrundlage: Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz
Nordrhein-Westfalen)
- Ziele der Nachsorgephase:
Æ Integration in die Umgebung
Æ Gewährleistung der Nachhaltigkeit der Sicherungsmaßnahmen
Skript zum Modul Hydrologie II
115
* Nachnutzungskonzepte – Nachnutzungsmöglichkeiten:
a) natürliche Sukzession:
- natürliche Sukzession = selbständige ungestörte Bewuchsentwicklung
- Sukzessionsstadien auf Rekultivierungs- bzw. Wasserhaushaltsschichten von Deponien Æ s.
Bild 4.50
Bild 4.50:
Sukzessionsstadien auf Rekultivierungs- bzw.
Wasserhaushaltsschichten von Deponien (Bildgrundlage: Encarta)
- Vorteile:
Æ kein Pflegeaufwand
Æ standortangepasster Bewuchs
Æ steigende wasserhaushaltliche Wirksamkeit
Æ Bereicherung der Standortvielfalt
- Nachteile:
Æ langer Etablierungszeitraum Æ vgl. Bild 4.50
Æ anspruchsvoller Schichtenaufbau Æ u. a. mächtige (> 2,5 m) und gut wasserspeicherfähige Wasserhaushaltsschicht
b) landwirtschaftliche Nutzung:
- praktiziert vor allem in typischen Landwirtschaftsgebieten
- Voraussetzung: bei Ackerbau geringes Gefälle Æ nur im Plateaubereich einer Deponie
möglich
- Nutzung landwirtschaftlicher Flächen als Ackerflächen bzw. als Weideflächen
- Vorteil bei Nutzung als Ackerflächen:
Æ schnelle Bewuchsentwicklung nach Stilllegung der Deponie
- Vorteile bei Nutzung als Weideflächen mit Tierbesatz:
Æ keine zusätzliche Bewirtschaftung der Deponie Æ Eignung für Flächen, die schwer zu
bearbeiten sind (z. B. steil geneigte Böschungsflächen)
Æ keine Kosten für Futtermittel notwendig (zumindest in der Wachstumsperiode)
Æ wasserhaushaltliche Wirksamkeit auch im Winter
Æ wirksame Verhinderung der Verbuschung
- Nachteile bei Nutzung als Ackerflächen:
Æ starke überjährliche als auch innerjährliche Schwankungen des Wasserumsatzes durch
Verdunstung (verursacht durch Fruchtfolge, wechselnde Bewuchsentwicklung, …)
Æ geringe Vegetationsbedeckungsgrade gerade im sickerwasserreichen Winterhalbjahr
Æ Notwendigkeit hoher Mächtigkeiten der durchwurzelbaren Bodenschicht (je nach Pflanzenart und Substrateigenschaften 0,5 – 2,0 m Æ ähnlich hoch wie bei Bäumen)
Æ wasserhaushaltlich nicht optimal
Skript zum Modul Hydrologie II
116
- Nachteile bei Nutzung als Weideflächen mit Tierbesatz:
Æ Verdichtung des Oberbodens Æ Erhöhung der Oberflächenabflüsse
Æ nur mäßig hohe Verdunstungsbeträge (ca. 450 – 550 mm/a)
Æ wählerisches Fraßverhalten (tierabhängig) Æ häufig bleiben tief wurzelnde Kräuter
stehen Æ ggf. Gefährdung von mineralischen Dichtschichten durch Tiefenwurzlung
c) forstwirtschaftliche Nutzung Æ Deponiewald:
- Rekultivierungsziel Wald vor allem in Gebieten die vor Errichtung der Deponie bewaldet
waren
- Vorteile:
Æ höchste wasserhaushaltliche Wirksamkeit aller Nachnutzungsarten
- Verdunstungsleistungen von > 700 mm/a (Nadelwald in Gebieten mit hohem Niederschlag)
- kaum nennenswerte Oberflächenabflüsse
Æ ganzjährig wasserhaushaltlich wirksam (insbesondere Nadelwald)
- Nachteile:
Æ langer Etablierungszeitraum (> 100 Jahre, vergleichbar mit natürlicher Sukzession)
Æ hohe wasserhaushaltliche Wirksamkeit nach frühestens 20 Jahren (Nadelwald) bis 30
Jahren (Laubwald) erreicht
Æ hohe Anforderungen an die Rekultivierungsschicht Æ Ausbildung als Wasserhaushaltsschicht:
- Mächtigkeit: minimal 2 m (besser 2,5 – 3,0 m wegen Wurzeltiefenwachstum)
- hohes pflanzenverfügbares Wasserspeichervermögen (nFK ≥ 200 mm)
Æ Windwurfgefährdung an steilen Hängen (Deponieböschung)
d) Wohn-/Gewerbebebauung:
- vielfältige Bebauungsart denkbar: Versieglung (z. B. Parkplatz, Lagerplatz), Gebäude, Großanlagen, …
- Vorteile:
Æ bei vollständiger Versieglung Æ Unterbindung der Restdurchsickerung (Æ Schadstofftransport)
Æ keine/geringere Inanspruchnahme von „wertvolleren“ Flächen zur Bebauung
- Nachteile:
Æ hohe Oberflächenabflüsse
Æ schwierig auf steilen Deponieböschungen
Æ keine Tiefgründung von Gebäuden/Anlagen (Beeinträchtigung Dichtschicht)
Æ Gefahren für Fundamente/Gebäude infolge Setzungen
e) Grünanlagen, Flächen zur Freizeitgestaltung:
- vor allem Freizeitanlagen in den letzten Jahren zunehmend von Interesse
- vielfältige Typen von Freizeitanlagen auf Deponien denkbar: Wanderwege, Spiel,-/Sportplätze, Sommerrodelbahnen, Golfplätze, …)
- Vorteile:
Æ häufig Verbesserung des Mikroklimas
Æ Grünanlagen, Sportplätze: ganzjährig hohe Verdunstungsleistungen
Skript zum Modul Hydrologie II
117
- Nachteile:
Æ hohe Anforderungen an Rekultivierungsschicht (insbesondere Mächtigkeit)
Æ i. d. R. keine großen Freizeitparks mit Gebäuden möglich (Tiefgründung)
Æ beachte Gefälleverhältnisse: Sommerrodelbahnen Æ nur in Böschungsbereichen, Sportplätze Æ nur auf Plateauflächen
Æ beachte bei Golfanlagen: häufig Zusatzwassergaben notwendig Æ Gefahr einer erhöhten
Restdurchsickerung
f) Energieerzeugung:
- vorrangige Formen der Energieerzeugung im Zusammenhang mit Deponien: Nutzung nachwachsender Rohstoffe (Energiepflanzen), Wind- und Sonnenenergie
- Vorteile:
Æ Energiepflanzen: mehrjährige Kulturen i.d.R. hohe Verdunstungsleistungen
Æ Windenergie: Windexponiertheit von Deponien Æ hohe Energieausbeute
Æ Sonnenenergie: südexponierte Böschungen (i.d.R. etwa 1 : 3) Æ hohe Energieausbeute
- Nachteile:
Æ Energiepflanzen: hohe Anforderungen an die Rekultivierungsschicht (Wurzeltiefenwachstum)
Æ Windenergie: Gründung auf Deponien nicht unproblematisch: Flachgründungen Æ
Gefahr durch Setzungen, Tiefgründung Æ in den Abfallkörper hinein
Æ Sonnenenergie: ggf. Erhöhung der Oberflächenabflüsse (Abflussbeiwert der Solarpanelen
ca. 95 %)
Schlussfolgerungen:
- Ein universelles Nachnutzungskonzept gibt es nicht.
- Durch eine geeignete Nachnutzung können das Sicherheitsniveau einer Deponie erhöht und die
Gefahren für die Schutzgüter Boden und Grundwasser durch belastetes Sickerwasser verringert
werden.
4.5. Vertiefende Literatur zur Wasserhaushaltsmodellierung
Berger, K. (1998):
Validierung und Anpassung des Simulationsmodells HELP zur Berechnung des Wasserhaushaltes von
Deponien für deutsche Verhältnisse. Schlussbericht. Universität Hamburg, Institut für Bodenkunde.
Herausgeber: Umweltbundesamt Berlin.
Dunger, V. (2006):
Entwicklung und Anwendung des Modells BOWAHALD zur Quantifizierung des Wasserhaushaltes
oberflächengesicherter Deponien und Halden. Habilitationsschrift, TU Bergakademie Freiberg,
Fakultät für Geowissenschaften, Geotechnik und Bergbau.
GDA E2-30 (2003):
Modellierung des Wasserhaushalts der Oberflächenabdichtungssysteme von Deponien. GDAEmpfehlungen Geotechnik der Deponien und Altlasten, Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e.V.
(DGGT) – Entwurf, als pdf-Datei unter http://www.gdaonline.de/downloads.htm.
Skript zum Modul Hydrologie II
118
Konold, W., P. Wattendorf, O. Ehrmann, A. Bieberstein, H. Reith, G. Bönecke und H. Schnack-Kirchner
(2004):
Wasserhaushalt und Bodenentwicklung qualifizierter Rekultivierungsschichten. Forschungsbericht FZKABWPLUS. Förderzeichen: BWD 21010.
Ramke, H.-G., K. Berger, K. und K. Stief (Hrsg.) (2000):
Wasserhaushalt der Oberflächenabdichtungssysteme von Deponien und Altlasten – Anwendung des
HELP-Modells und Gestaltung der Rekultivierungsschicht. Fachtagung, Hamburg, Hamburger Bodenkundliche Arbeiten, Band 47, Institut für Bodenkunde, Universität Hamburg.
Ramke, H.-G. u. a. (2002):
Tagungsband zum Status-Workshop "Austrocknungsverhalten mineralischer Abdichtungsschichten in
Oberflächenabdichtungssystemen" vom 31.01. bis 01.02.2002 in Höxter, Höxeraner Berichte zu
angewandten Umweltgeowissenschaften. Band 3.
Anhang 1
Übungen zum Modul Hydrologie II
Übung 1:
Regionale Hydrologie 1 – Langjähriges wasserhaushaltliches Verhalten
Übung 2:
Regionale Hydrologie 2 – Aussagen zur innerjährlichen wasserhaushaltlichen Situation und
zum Verhalten im Starkregenfall
Übung 3:
Regionale Hydrologie 3 – Extreme Ereignisse
Übung 4:
Bemessung dezentraler Versickerungsanlagen
Übung 5:
Durchführung und Auswertung von Infiltrometermessungen
Übung 6:
Grundwasserneubildung 1 – Anwendung von Schlüsselkurven
Übung 7:
Grundwasserneubildung 2 – Wasserhaushaltsmethoden
Übung 8:
Grundwasserneubildung 3 – Analyse von Durchflussganglinien zur Ermittlung langjährig
mittlerer Grundwasserneubildungswerte
Übung 9:
Grundwasserneubildung 4 – Analyse von Durchflussganglinien zur Ermittlung aktueller
Werte der Grundwasserneubildung
Übung 10:
Modellierung des Bodenwasserhaushaltes
Übung 11:
Modellierung des Haldenwasserhaushaltes
Übung 12:
Deponiewasserhaushalt 1 – Untersuchungen zum Schichtenaufbau
Übung 13:
Deponiewasserhaushalt 2 – Ermittlung von Nass- und Trockenjahren mit verschiedenen
Wiederkehrsintervallen
Übung 14:
Deponiewasserhaushalt 3 – Austrocknungsmodellierung
Übung 15:
Deponiewasserhaushalt 4 – Drainbemessung
Hydrologische Übung 1:
Regionale Hydrologie 1 – Langjähriges wasserhaushaltliches Verhalten
Aufgabenstellung:
Umfassende regionalhydrologische Charakterisierung eines gewählten Ortes (Heimat-, Studienort, …)
hinsichtlich des langjährigen wasserhaushaltlichen Verhaltens
Methodik:
Æ s. Skript Hydrologie II, Abschnitt 1
Gegebene Informationen:
- HAD Hydrologischer Atlas von Deutschland (pdf-File Übung-01-HAD)
- ggf. NAU-Atlas für das Gebiet der ehem. DDR (falls Gebiet in Ostdeutschland gewählt)
Teilaufgaben:
1.
Geben Sie die langjährig mittleren Werte für die folgenden Wasserhaushaltsgrößen an:
- unkorrigierter Jahresniederschlag
- korrigierter Jahresniederschlag
- unkorrigierte und korrigierte Niederschläge im hydrologischen Sommer- und Winterhalbjahr
- Anteile von Sommer- zu Winterniederschlag bezogen auf den mittleren Jahresniederschlag
- Variationskoeffizient der monatlichen Niederschlagshöhe
- Andauer von Nass- und Trockenperioden im hydrologischen Sommer- bzw. Winterhalbjahr
- mittleres Eintrittsdatum des ersten und letzten Schneedeckentages sowie mittlere Schneedeckendauer und mittleres maximales Wasseräquivalent der Schneedecke
- potenzielle Jahresverdunstung
- jährliche klimatische Wasserbilanz
- jährliche Abflusshöhe
- Tiefe des effektiven Wurzelraums
- Feldkapazität, nutzbare Feldkapazität und Luftkapazität der Böden bezogen auf die Tiefe des
effektiven Wurzelraums
- jährliche Sickerwasserrate aus dem Boden sowie Grundwasserneubildung
- hydrogeologische Region und Ergiebigkeit der Grundwasservorkommen
2
Geben Sie den jährlichen mittleren Niederschlagskorrekturfaktor an! Vergleichen Sie den Niederschlagskorrekturfaktor mit dem im HAD angegebenen Korrekturfaktor! Ändern sich die Korrekturfaktoren bezogen auf die hydrologischen Sommer- bzw. Winterhalbjahre? Geben Sie mögliche
Ursachen für dieses Verhalten an!
3.
Vergleichen Sie die Niederschlagsverteilung (Sommer, Winter) mit anderen Gebieten Deutschlands!
4.
Geben Sie mögliche Gründe bezüglich der Größenordung des Variationskoeffizienten der monatlichen Niederschlagshöhe an (auch im Vergleich zu anderen Gebieten Deutschlands)! Charakterisieren Sie die Situation bezüglich der Dauer von Nass- und Trockenperioden im hydrologischen
Sommer- bzw. Winterhalbjahr!
5.
Nehmen Sie eine Wertung bezüglich der mittleren Schneesituation vor! Ermitteln Sie den Anteil der
im Mittel in der Schneedecke zwischengespeicherten Wassermenge am mittleren korrigierten Jahresniederschlag!
6.
Charakterisieren Sie das Gebiet hinsichtlich der potentiellen Verdunstungsbeträge und bezüglich der
klimatischen Wasserbilanz im Vergleich zu anderen Gebieten in Deutschland!
7.
Wie sind die Abflussverhältnisse (auch im Vergleich zur klimatischen Wasserbilanz) einzuschätzen?
Schätzen Sie den mittleren Durchfluss MQ (in l/s) für ein Einzugsgebiet von 10 km2!
8.
Wie gestalten sich das Wassertransport- und -speichervermögen der Böden im gewählten Gebiet im
Vergleich zu anderen Gebieten Deutschlands? Beziehen Sie in die Wertung des Vermögens des
Bodens, pflanzenverfügbares Wasser zu speichern, die klimatischen Verhältnisse bezüglich der
klimatischen Wasserbilanz mit ein!
9.
Werten Sie die jährliche Sickerwasserrate aus dem Boden sowie die Grundwasserneubildung im
Vergleich zu anderen Gebieten in Deutschland! Beziehen Sie in die Wertung die klimatische
Wasserbilanz mit ein! Stellen Sie die Werte für die Sickerwasserrate und die Grundwasserneubildung
gegenüber und leiten Sie daraus ab, wie hoch der Anteil an hypodermischem Abfluss in etwa ist.
Welche Ursachen zeichnen für das Auftreten von hypodermischem Abfluss verantwortlich? Welche
Ursache hat das Auftreten von hypodermischem Abfluss in Ihrem Gebiet (nur für den Fall, dass sich
hypodermischer Abfluss in Ihrem Gebiet bildet)?
10. Charakterisieren Sie das Gebiet in Bezug auf die hydrogeologische Region und Ergiebigkeit der
Grundwasservorkommen (ebenfalls im Vergleich mit anderen Gebieten Deutschlands)!
Hydrologische Übung 2:
Regionale Hydrologie 2 – Aussagen zur innerjährlichen wasserhaushaltlichen
Situation und zum Verhalten im Starkregenfall
Aufgabenstellung:
Umfassende regionalhydrologische Charakterisierung eines gewählten Ortes (Heimat-, Studienort, …)
hinsichtlich der innerjährlichen wasserhaushaltlichen Situation und des Verhaltens im Starkregenfall
Methodik:
Æ s. Skript Hydrologie II, Abschnitt 1
Gegebene Informationen:
- Internetseite des Deutschen Wetterdienstes DWD: http://www.dwd.de
Æ Klimadaten Deutschland Æ monatliche und jährliche Mittelwerte Æ zip-Files der Größen
Temperatur, Sonnenscheindauer und Niederschlag Æ innerjährliche klimatische Situation
- KOSTRA-Starkregenatlas
- Gewässerkundliche Informationen der Landesämter Æ s. Internet
Teilaufgaben:
1.
Übertragen Sie die im Internet verfügbaren langjährig mittleren Monats- und Jahressummen für die
Klimaelemente Temperatur, Sonnenscheindauer und Niederschlag von benachbarten DWD-Stationen
in die folgende Tabelle!
Tabelle Ü 2.1:
Langjährig mittleren Monats- und Jahressummen für die Klimaelemente Temperatur,
Sonnenscheindauer und Niederschlag
J
F
M
A
M
J
J
A
S
O
N
D
Jahr
Temperatur [°C]
Sonnenscheind. [h]
Niederschlag [mm]
DWD-Stationen:
- für die Temperaturen:
………………………………………. (Entfernung: ca. …… km)
- für die Sonnenscheindauern: ………………………………………. (Entfernung: ca. …… km)
- für die Niederschläge:
………………………………………. (Entfernung: ca. …… km)
2.
Charakterisieren Sie den gewählten Standort hinsichtlich:
- Absolutbeträge für die 3 Klimaelemente
- Grad der maritimen bzw. kontinentalen Klimabeeinflussung (unter Nutzung der Temperaturamplitude, der Sonnenscheindauer und des Niederschlages)
- Niederschlagstyp
3.
Ermitteln Sie für den gewählten Standort unter Zuhilfenahme des KOSTRA-Starkregenatlasses
Starkregenmengen mit Dauern von 5 min – 72 h und Wiederkehrsintervallen von 0,5 – 100 a! Gehen
Sie dabei folgendermaßen vor:
- Bestimmung der KOSTRA-Koordinaten für den Standort (pdf-File Übung-02-KOSTRAKarten)
- Start des KOSTAB-Programms (Uebung02-KOSTAB.EXE)
- Ablesen der Starkregenmengen für die vom Programm geforderten Regendauern und
Wiederkehrsintervalle (pdf-File Uebung02-KOSTRA-Karten)
- Eingabe der abgelesenen Werte in das Programm KOSTAB Æ Achtung!: Eingabe „.“ (Punkt)
anstatt „,“ (Komma) für Dezimalzahlen, bei der Abarbeitung möglichst nicht vertippen,
ansonsten Neustart und Neueingabe!
- nach Programmabarbeitung (letzter Wert: Niederschlagsmenge für einen 72-stündigen Regen
mit einem Wiederkehrsintervall von 100 Jahren) Æ Erzeugung einer Ergebnistabelle (Dateiname: Tabelle) Æ Ansicht mittels Editor bzw. Einladen in Text- bzw. Tabellenkalkulationsprogramme möglich
4.
Werten Sie die ermittelten Starkregenmengen unter folgenden Gesichtspunkten:
- Höhe der Starkregenmengen kurzer Dauer (Minutenbereich), mittlerer Dauer (Stundenbereich)
und langer Dauer (Tag bzw. mehrere Tage)
- Abhängigkeiten vom Wiederkehrsintervall
- Vergleich mit Starkregenwerten anderer Gebiete in Deutschland
5.
Geben Sie die einstündigen Starkregenmengen (in mm) und Starkregenspenden (in l/s ha) für folgende
Bemessungsfälle an:
- Straßenentwässerung (Gully) einer Nebenstraße in einer Kleinstadt
- Rohrdurchlass durch eine Bundesstraße außerorts
- ökologischer Rückbau eines Gewässers unmittelbar neben einem U-Bahnschacht
- kleines Hochwasserrückhaltebecken außerorts
Begründen Sie Ihre Festlegungen!
6.
Recherchieren Sie einen Oberflächenwasserpegel in der Nähe Ihres gewählten Standortes und
versuchen Sie Angaben zu Hoch- und Niedrigwasserereignissen für den aktuellen Monat bzw. das
aktuelle Jahr zu finden. Sie können hierfür die Internetseiten der Bundesländer nutzen:
- Baden-Württemberg: www.lubw.baden-wuerttemberg.de
- Bayern: www.lfu.bayern.de
- Berlin: www.berlin.de/sen/umwelt
- Brandenburg: www.mugv.brandenburg.de
- Bremen: www.lafez.bremen.de
- Hamburg: www.hamburg.de Æ Bürger-Service Æ Umwelt
- Hessen: www.hlug.de
- Mecklenburg-Vorpommern: www.lung.mv-regierung.de
- Niedersachsen: www.mu.niedersachsen.de
- Nordrhein-Westfalen: www.lanuv.nrw.de
-
Rheinland-Pfalz: www.luwg.rlp.de
Saarland: www.saarland.de/landesamt_umwelt_arbeitsschutz.htm
Sachsen: www.smul.sachsen.de/lfulg
Sachsen-Anhalt: www.mu.sachsen-anhalt.de
Schleswig-Holstein: http://www.schleswigholstein.de/MELUR/DE/Behoerden/LandesamtNaturUmwelt/LLUR_node.html
- Thüringen: www.tlug-jena.de
Versuchen Sie, Informationen zu extremen Hoch- und Niedrigwasserwerten zu finden und
vergleichen Sie diese mit den Hoch- und Niedrigwasserereignissen für den das aktuelle Jahr!
Hydrologische Übung 3:
Regionale Hydrologie 3 – Extreme Ereignisse
Aufgabenstellung:
Umfassende meteorologische/regionalhydrologische Charakterisierung eines gewählten Ortes (Heimat-,
Studienort, …) hinsichtlich extremer Witterungsabschnitte und hydrologischer Situationen
Teilaufgaben:
1. Recherchieren Sie im Internet nach extremen Witterungsabschnitten und hydrologischer Situationen!
Geben Sie brauchbare Internetquellen an!
2. Charakterisieren Sie Extremereignisse (Extremtemperaturen, -niederschläge, Trockenperioden, Hochund Niedrigwasserperioden, Sturmereignisse, …) bezüglich:
- Jahr des Auftretens
- Verlauf des Ereignisses
- Besonderheiten
Für den Fall, dass Sie kleinregional keine Informationen finden, vergrößern Sie das Gebiet schrittweise!
3. Geben Sie Unsicherheiten an, die bei historischen Ereignissen auftreten können!
Internetquelle:
CLIMDAT-Datenbank: http://www.wetterzentrale.de/cgi-bin/wetterchronik/home.pl
Hydrologische Übung 4:
Bemessung dezentraler Versickerungsanlagen
Aufgabenstellung:
- Bemessung verschiedener Arten von dezentralen Versickerungsanlagen:
Æ Flächenversickerungsanlage
Æ Muldenversickerungsanlage
Æ Rigolenversickerungsanlage
Æ Schachtversickerungsanlage
- Herausarbeiten der optimalen Versickerungsvariante
Methodik:
Æ s. Skript Hydrologie II, Abschnitt 2
Gegebene Informationen:
- bebaute (versiegelte) Fläche: 1520 m2 Æ s. Bild Ü 4.1
- zur Verfügung stehende Versickerungsfläche: 45 m * 4 m Æ s. ebenfalls Bild Ü 4.1
Bild Ü 4.1:
Skizze des Entwässerungssystems für eine
dezentrale Versickerung
- Vertikalaufbau der Aerationszone Æ s. Bild Ü 4.2
Bild Ü 4.2:
Vertikaler Aufbau der Aerationszone im
Bereich der dezentralen Versickerung
- kf, v-Werte aus in-situ-Infiltrometerversuchen (Mittel aus insgesamt 5 Versuchen je Bodenschicht
(Ober- und Unterboden) bzw. aus Schluckversuchen (Bohrlochversickerung, Grundwasserzone),
Gesamtporositäten n laborativ ermittelt
- Angaben zum Bemessungsregen: Ergebnisse einer KOSTRA-Analyse Æ s. Tabelle Ü 4.1
Tabelle Ü 4.1:
T
D
hN
RN
Starkregenhöhen und -spenden für das Beispielsgebiet (Ergebnisübersicht einer KOSTRAAnalyse)
- Wiederkehrzeit (in a): mittlere Zeitspanne, in der ein Ereignis einen Wert einmal erreicht oder überschreitet
- Niederschlagsdauer einschließlich Unterbrechungen (in min, h)
- Niederschlagshöhe (in mm)
- Niederschlagsspende (in l/(s ha))
Aufgaben:
1. Nehmen Sie die Bemessung für den Fall einer indirekten Flächenversickerung vor! Ist eine indirekte
Flächenversickerung unter den gegebenen Bedingungen möglich? Begründen Sie Ihre Entscheidung!
2. Nehmen Sie die Bemessung für den Fall einer Muldenversickerung vor! Berechnen Sie hierzu für die
Niederschlagsdauern von 5 - 180 min das jeweils mindestens notwendige Speichervolumen der
Versickerungsmulde! Geben Sie das maßgebende notwendige Speichervolumen sowie die sich hieraus
abzuleitende mittlere Muldentiefe an! Ist eine Muldenversickerung unter den gegebenen Bedingungen
möglich? Begründen Sie Ihre Entscheidung!
3. Nehmen Sie die Bemessung für den Fall einer Rigolenversickerung (ohne Rohr) vor! Berechnen Sie
hierzu für die Niederschlagsdauern von 5 - 30 min die jeweils mindestens notwendige Rigolenlänge für
den Fall, dass mit einem Schachtgerät gearbeitet wird, in Folge dessen eine ca. 2 m breite und 1,3 m
tiefe Rigole entsteht! Geben Sie die maßgebende Rigolenlänge an! Ist eine Rigolenversickerung unter
den gegebenen Bedingungen möglich? Begründen Sie Ihre Entscheidung!
4. Nehmen Sie die Bemessung für den Fall einer Schachtversickerung (für einen Schacht DN 1000) vor!
Verwenden Sie das Näherungsverfahren! Ermitteln Sie durch Interpolation mit Hilfe der Tabelle 2.2
(Skript Hydrologie II):
- den maximalen Wasserspiegel im Schacht z (und folglich die minimal notwendige Höhe des
Schachtes)
- das sich hieraus ergebende minimal notwendige Speichervolumen des Schachtes VS und
- die maximale Versickerungsmenge QS aus dem Schacht in den Untergrund
Ist eine Schachtversickerung unter den gegebenen Bedingungen möglich? Begründen Sie Ihre Entscheidung!
5. Stellen Sie die sich im Ergebnis der Bemessung (Aufgaben 1 - 4) ergebenden verschiedenen Varianten
einer dezentralen Versickerung gegenüber und arbeiten Sie die Ihrer Meinung nach optimale Variante
heraus! Nutzen Sie hierfür auch die Tabelle 2.1 (Skript Hydrologie II)!
Hydrologische Übung 5:
Durchführung und Auswertung von Infiltrometermessungen
Aufgabenstellung:
Aufbau, Durchführung und Auswertung zweier Infiltrometerversuche zur Bestimmung der gesättigten
hydraulischen Leitfähigkeit in-situ
Methodik:
Æ s. Skript Hydrologie I, Abschnitt 5.6.3
Lageskizze der Versuchsstandorte:
Skizze Versuchsaufbau:
Arbeitsschritte, Aufgaben:
1. Versuchsaufbau:
- Auswahl der beiden Versuchsstandorte:
beide Standorte mit Grasbewuchs
Versuch 1: Gelände unmittelbar neben dem Hörsaal Otto-Meißer-Bau
Versuch 2: Gelände jenseits des Arno-Hermann-Müller-Weges
- vorsichtiges Einschlagen der beiden Infiltrometerringe
- Aufstau des äußeren Infiltrometerringes, Aufstauhöhe max. 2 - 3 cm, bei Notwendigkeit während der
Versuche nachfüllen!
2. Versuchsdurchführung:
- Realisieren einer während der Versuchsdauer konstanten Aufstauhöhe von max. 2 – 3 cm im inneren
Infiltrometerring (ständige Kontrolle!)
- Registrieren der Infiltrationsmengen in regelmäßigen Zeitintervallen
- Versuch ist solange weiter zu führen, bis stationäre Verhältnisse zu verzeichnen sind
3. Versuchsauswertung je Standort:
- Berechnung des Wertes der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit entsprechend Skript Hydrologie
I, Abschnitt 5.6.3
4. Gegenüberstellung und Wertung der Ergebnisse beider Standorte:
- Gegenüberstellung des zeitlichen Verhaltens der hydraulischen Leitfähigkeiten
- Vergleich der Werte der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeiten
- Ursachen für Gemeinsamkeiten/Unterschiede im Hinblick auf das Infiltrationsvermögen der beiden
Standorte
- Schlussfolgerungen bezüglich der Übertragbarkeit der Ergebnisse
Hydrologische Übung 6: Grundwasserneubildung 1 – Anwendung von Schlüsselkurven
Aufgabenstellung:
- Ermittlung der mittleren Grundwasserneubildung GWN (in mm/a und l/(s * km2)) für ein abgeschlossenes Einzugsgebiet
- Verfahren:
Æ überschläglich mittels Schlüsselkurven aus Lysimeteruntersuchungen
Æ Schlüsselkurven nach GABRIEL & ZIEGLER
Gegebene Informationen:
- unterirdische Einzugsgebietsgröße:
AE = 53,1 km2
- Angaben zum Wasserhaushalt:
Æ mittlerer Jahresniederschlag:
P = 554 mm/a (Wert des DWD)
Æ mittlere potentielle Jahresverdunstung: ETP= 575 mm/a (nach Berechnung)
- Informationen zu den Hydrotopen des Einzugsgebietes Æ s. Tabelle Ü 6.1
Tabelle Ü 6.1: Charakteristik der Hydrotope des Einzugsgebietes
Hydrotop Nr.
Bodenart
Stratigraphische
Einordnung
Fläche
[km2 ]
Hauptnutzung
1
2
3
4
5
6
7
toniger Schluff
schluffiger Ton
Mittelsand
Grobsand
Schluff (Lehm)
Mittelsand
-
mu
mo
sm
sm
Quartär
Quartär
-
14,8
13,1
8,2
4,3
6,7
4,8
1,2
Ackerfläche
Ackerfläche
Wald
Wald
Grünland
Ackerfläche
Gewässer
Arbeitsschritte, Aufgaben:
1. Berechnung der Grundwasserneubildung nach den o.g. Verfahren für die 7 Hydrotope
2. Ermittlung des gewichteten Mittelwertes der GWN (Werte in mm/a und l/(s * km2))
3. Tabellarische Gegenüberstellung der Ergebnisse
4. Interpretation und Wertung der Ergebnisse
- Interpretationshilfen:
Æ Welche Stärken und Schwächen haben die Verfahren?
Æ Für welche Bedingungen sind die Verfahren anwendbar?
Æ Welches Verfahren ist folglich zu priorisieren?
- zur Einordnung der Ergebnisse:
Æ Überlegen Sie, ob die angegebenen pedologisch-geologischen Informationen eher für ein gutes
oder weniger gutes Versickerungsvermögen des Untergrundes sprechen!
Æ Beziehen Sie auch den Niederschlag in die Betrachtungen ein! Schwankungsbreite des Jahresniederschlages für Deutschland: < 500 (Regenschatten Harz) ... > 1500 mm/a (Alpen, Alpenvorland)
Hydrologische Übung 7:
Grundwasserneubildung 2 – Wasserhaushaltsmethoden
Aufgabenstellung:
- Ermittlung von langjährig mittleren Jahreswerten der Grundwasserneubildung das in den Übungen 1 –
3 ausgewählte und bereits regionalhydrologisch untersuchte Gebiet mittels folgender Methoden:
Æ BAGROV-GLUGLA-Verfahren,
Æ Regressionsbeziehungen nach RENGER und WESSOLEK sowie
Æ mindestens ein weiteres Verfahren, das auf der Wasserhaushaltsmethode basiert (frei wählbar)
- Gegenüberstellung und Wertung der Verfahren sowie der Ergebnisse
Methodik:
Æ s. Skript Hydrologie II, Abschnitt 3.2.2
Gegebene Informationen:
- zwei Nutzungsarten:
Æ Ackerfläche (genaue Fruchtarten/Fruchtfolge unbekannt)
Æ Wald (Nadelbäume)
- Grundwasserflurabstand: flurfern (> 3 m u. GOK)
Aufgaben:
1. Überlegen Sie, welches bzw. welche frei wählbare Verfahren Sie unter den gegebenen Randbedingungen anwenden können! Begründen Sie Ihre Wahl!
2. Erstellen Sie eine Übersicht mit notwendigen Primärdaten, die Sie zur Berechnung brauchen (getrennt
für die verwendeten Verfahren)! Stellen Sie klar, welche Parameter Sie genau kennen und für welche
Parameter Sie in Ermangelung von Werten Annahmen treffen müssen! Begründen Sie Ihre Annahmen!
Schätzen Sie die Unsicherheiten, die sich hieraus größenordnungsmäßig ergeben, rein qualitativ (ohne
Angabe von Werten)!
3. Geben Sie die Randbedingungen an, für die die mindestens 3 Verfahren anwendbar sind und die sich
daraus ergebende Eignung!
4. Ermitteln Sie die langjährig mittleren Werte der Grundwasserneubildung! Dokumentieren Sie lückenlos
den Lösungsweg (inklusive der Datenquellen)!
5. Stellen Sie die Grundwasserneubildungsmengen, die sich im Ergebnis der Anwendung der verschiedenen Verfahren ergeben, gegenüber! Werten Sie die Verfahren dahingehend, dass Sie ein
Verfahren priorisieren! Begründen Sie Ihre Aussagen!
Hydrologische Übung 8:
Grundwasserneubildung 3 – Analyse von Durchflussganglinien zur Ermittlung langjährig mittlerer Grundwasserneubildungswerte
Aufgabenstellung:
- Ermittlung eines langjährig mittleren Jahreswertes der Grundwasserneubildung [in mm/a und l/(s *
km2)] für ein abgeschlossenes Einzugsgebiet
- Verfahren: MoMNQ-Verfahren nach WUNDT und KILLE
Methodik:
Æ s. Skript Hydrologie II, Abschnitt 3.2.3.1
Gegebene Informationen:
- oberirdisches Einzugsgebiet eines Baches, Einzugsgebietsgröße: AE = 53,1 km2
- langjährige monatliche Niedrigwasser-Durchflusswerte Æ s. Tabelle Ü 8.1
Tabelle Ü 8.1: Niedrigwasserdurchflüsse NQ [m3/s] für die hydrologischen Jahre 1971 – 1990
Jahr
Nov. Dez.
Jan.
Febr. März April
Mai
Juni
Juli
Aug. Sept.
Okt.
Wi.
So.
Jahr
1971
0,22
0,16
0,23
0,29
0,20
0,15
0,15
0,17
0,13
0,14
0,14
0,12
0,15
0,12
0,12
1972
0,27
0,28
0,22
0,28
0,31
0,49
0,30
0,27
0,17
0,16
0,17
0,17
0,22
0,16
0,16
1973
0,15
0,07
0,07
0,17
0,12
0,08
0,10
0,12
0,12
0,10
0,08
0,08
0,07
0,08
0,07
1974
0,13
0,12
0,12
0,21
0,17
0,17
0,09
0,08
0,06
0,06
0,06
0,07
0,08
0,06
0,06
1975
0,13
0,13
0,13
0,14
0,13
0,14
0,14
0,13
0,13
0,14
0,12
0,10
0,13
0,10
0,10
1976
0,13
0,20
0,30
0,36
0,30
0,30
0,15
0,11
0,11
0,13
0,11
0,13
0,13
0,11
0,11
1977
0,15
0,28
0,44
0,48
0,38
0,34
0,23
0,28
0,20
0,17
0,17
0,12
0,15
0,12
0,12
1978
0,15
0,17
0,20
0,20
0,17
0,20
0,15
0,17
0,10
0,04
0,10
0,15
0,15
0,04
0,04
1979
0,17
0,15
0,15
0,13
0,15
0,44
0,20
0,12
0,07
0,07
0,06
0,07
0,13
0,06
0,06
1980
0,05
0,06
0,08
0,09
0,24
0,40
0,34
0,29
0,40
0,34
0,26
0,26
0,05
0,26
0,05
1981
0,34
0,29
0,22
0,29
0,17
0,17
0,23
0,31
0,20
0,15
0,17
0,15
0,17
0,15
0,15
1982
0,17
0,15
0,15
0,13
0,13
0,17
0,15
0,10
0,08
0,04
0,02
0,02
0,13
0,02
0,02
1983
0,17
0,14
0,16
0,17
0,18
0,20
0,13
0,13
0,16
0,13
0,14
0,10
0,14
0,10
0,10
1984
0,07
0,06
0,07
0,09
0,11
0,15
0,15
0,13
0,15
0,12
0,07
0,12
0,06
0,07
0,06
1985
0,15
0,13
0,15
0,13
0,13
0,20
0,17
0,20
0,08
0,07
0,08
0,06
0,13
0,06
0,06
1986
0,08
0,13
0,13
0,14
0,13
0,14
0,14
0,13
0,13
0,14
0,12
0,10
0,08
0,10
0,08
1987
0,15
0,17
0,20
0,20
0,17
0,20
0,15
0,17
0,10
0,04
0,04
0,03
0,15
0,03
0,03
1988
0,04
0,06
0,08
0,09
0,24
0,40
0,34
0,29
0,40
0,34
0,26
0,26
0,04
0,26
0,04
1989
0,15
0,07
0,07
0,17
0,12
0,08
0,10
0,12
0,12
0,10
0,08
0,08
0,07
0,08
0,07
1990
0,15
0,13
0,15
0,13
0,13
0,20
0,17
0,20
0,08
0,07
0,08
0,06
0,13
0,06
0,06
Arbeitsschritte, Aufgaben:
1. Tabellarische Ermittlung der Einzelhäufigkeiten der monatlichen NQ-Werte
2. Tabellarische Ermittlung der Summenhäufigkeiten der monatlichen NQ-Werte
3. Grafische Darstellung der Summenhäufigkeiten
4. Ermittlung der mittleren Grundwasserneubildungsmenge in m3/s
5. Umrechnung der mittleren Grundwasserneubildung in mm/a und in l/(s * km2)
6. Interpretation und Wertung der Ergebnisse
Æ Wie ist der Wert bezüglich seiner Größenordnung einzuschätzen?
Æ Welche Randbedingungen müssen erfüllt sein, um das MoMNQ-Verfahren anwenden zu
können?
Hydrologische Übung 9:
Grundwasserneubildung 4 – Analyse von Durchflussganglinien zur Ermittlung
aktueller Werte der Grundwasserneubildung
Aufgabenstellung:
- Ermittlung aktueller (kurzfristiger) Werte der Grundwasserneubildung (in mm/a und l/(s * km2)) für ein
abgeschlossenes Einzugsgebiet aus Rückgangslinien des Durchflusses (graphische Verfahren) für 2
Sommermonate mittels zweier Verfahren:
Æ Trockenwetterlinie und
Æ Durchflussganglinien-Separationsverfahren
- Gegenüberstellung und Wertung der Verfahren sowie der Ergebnisse
Methodik:
Æ s. Skript Hydrologie II, Abschnitte 3.2.3.2 und 3.2.3.3
Gegebene Informationen:
- oberirdische Einzugsgebietsgröße: AE = 14,4 km2
- Angaben zu gemessenen Tageswerten des Durchflusses über einen Zeitraum von 2 Monaten am
Gebietsauslass Æ s. Tabelle Ü 9.1
Tabelle Ü 9.1: Tageswerte des Durchflusses Q in l/s am Auslass des Einzugsgebietes (Messzeitraum 01.07. bis
31.08.1990)
Datum
Q [l/s]
Datum
Q [l/s]
Datum
Q [l/s]
Datum
Q [l/s]
01.07.
78 !
17.07.
111 !
01.08.
64
17.08.
35
02.07.
93 !
18.07.
109
02.08.
54
18.08.
34
03.07.
110 !
19.07.
77
03.08.
49
19.08.
33
04.07.
132 !
20.07.
68
04.08.
45
20.08.
32
05.07.
160 !
21.07.
63
05.08.
43
21.08.
32
06.07.
155
22.07.
58
06.08.
42
22.08.
31
07.07.
152
23.07.
54
07.08.
41
23.08.
35 !
08.07.
155 !
24.07.
52
08.08.
51 !
24.08.
39 !
09.07.
141
25.07.
58 !
09.08.
55 !
25.08.
44 !
10.07.
145 !
26.07.
80 !
10.08.
54 !
26.08.
50 !
11.07.
101
27.07.
113 !
11.08.
52
27.08.
56 !
12.07.
86
28.07.
110 !
12.08.
47
28.08.
65 !
13.07.
76
29.07.
101
13.08.
44
29.08.
80 !
14.07.
70
30.07.
103 !
14.08.
41
30.08.
75
15.07.
74 !
31.07.
101
15.08.
39
31.08.
64
16.07.
84 !
16.08.
37
! Tage mit Niederschlag
Arbeitsschritte, Aufgaben:
Trockenwetterlinie:
1. Stellen Sie die in der Tabelle Ü 9.1 gegebenen Durchflusswerte graphisch dar!
Æ lineare Achseneinteilung
Æ Ermittlung der Durchflussganglinie
2. Konstruieren Sie die Trockenwetterlinie unter dem Gesichtspunkt der Beseitigung von Störungen der
Durchflussganglinie durch Niederschlagsereignisse!
3. Ermitteln Sie die mittlere Grundwasserneubildungsmenge [mm] nach dem Trockenwetterlinienverfahren für den betrachteten Zeitraum!
Durchflussganglinien-Separationsverfahren:
4. Stellen Sie die in der Tabelle Ü 9.1 gegebenen Durchflusswerte graphisch dar!
Æ halblogarithmische Achseneinteilung (y-Achse = Q Æ logarithmisch, x-Achse = t Æ linear)
Æ Ermittlung der Durchflussganglinie (halblogarithmisch)
5. Konstruieren Sie die Ausgleichsgeraden der Auslauflinie des Grundwassers!
6. Ermitteln Sie die mittlere Grundwasserneubildungsmenge [mm] nach dem DurchflussganglinienSeparationsverfahren für den betrachteten Zeitraum!
7. Interpretation:
Æ Gegenüberstellung und Wertung der Ergebnisse
Æ mögliche Ursachen für Unterschiede
Hydrologische Übung 10:
Modellierung des Bodenwasserhaushaltes
Aufgabenstellung:
- zeitlich hochauflösende Modellierung des Bodenwasserhaushalts für unterschiedliche Standort- und
meteorologische Bedingungen mittels des Modells BOWAM
Methodik:
- Anwendung des Bodenwasserhaushaltsmodells BOWAM
- s. Skript Hydrologie II, Abschnitt 4
Gegebene Informationen:
-
Lage des Gebietes: bei Moritzburg (nördlich von Dresden)
zwei verschiedene Nutzungen: Ackerfläche und Waldfläche
zwei verschiedene Böden: sandig und schluffig
zwei verschiedene meteorologische Situationen: nasses Jahr (2002) und trockenes Jahr (2003)
- Flächencharakteristik im Detail Æ s. Tabelle 10.1 Æ Grundlage für die Modelleingabe
Tabelle Ü 10.1: Flächencharakteristik
Fläche 1
Fläche 2
Fläche 3
Fläche 4
Lage und Morphologie:
Geograph. Lage [° und min. n. Br.]
Höhe [m NN]
Hangneigung [%]
Exposition
Böschungslänge [m]
51 : 09
175
5
West
100
51 : 09
175
5
West
100
51 : 09
175
5
West
100
51 : 09
175
5
West
100
Nutzung:
Nutzungsart
Bewuchsentwicklung
Wuchsform
Bestandsaufbau
Acker
normal
-
Acker
normal
-
Nadelwald
normal
Altholz
mehrschichtig
Nadelwald
normal
Altholz
mehrschichtig
Schichtmächtigkeiten:
- A-Horizont
- B-Horizont
- C-Horizont
30
80
40
30
80
40
30
80
40
30
80
40
Mittelsand
Mittelsand
Grobsand
st. schluff. Sand
sandiger Schluff
reiner Schluff
Mittelsand
Mittelsand
Grobsand
st. schluff. Sand
sandiger Schluff
reiner Schluff
3,5
3,5
2,5
2,5
mittel
mittel
mittel
mittel
+ 10 %
+ 10 %
+ 10 %
+ 10 %
Bodenarten:
- A-Horizont
- B-Horizont
- C-Horizont
Humusgehalt A-Horizont [%]
Lagerungsdichte A – C-Horizont
Niederschlagskorrekturfaktor
- meteorologische Daten:
Æ Tageswerte der Station Dresden-Klotzsche für die hydrologischen Jahre 2002 und 2003
Æ Datenquelle: Internetseite des Deutscher Wetterdienstes DWD: www.dwd.de
Æ Das meteorologische Datenfile ist im Vorfeld der Simulation bereits erstellt worden. Es ist im
Ordner „C:Uebung10/Metdaten“ als File "Dresden" abrufbar und kann ohne Modifikationen für die
Simulationsrechnungen verwendet werden.
Arbeitsschritte:
1. Starten Sie das BOWAM-Eingabeteilmodell BOWAMINP.EXE im Ordner „C:Uebung10/ Programm“!
2. Wählen Sie die CONFIG.BOW im Ordner „C:Uebung10/Programm“ aus!
3. Erstellen Sie die Nutzungsparameterfiles für die beiden Nutzungen (Acker und Nadelwald)! Beachten
Sie folgende Dinge:
Æ Der Zeitraum für die hydrologischen Jahre 2002 und 2003 beginnt am 1.11.2001 und endet am
31.10.2003.
Æ fehlende Informationen bitte kenntlich machen!
Æ Dateinamen mit maximal 8 Buchstaben wählen!
4. Erstellen Sie die Hydrotopparameterfiles für die 4 Flächen unter Nutzung der in der Tabelle Ü 10.1
angegebenen Informationen! Vereinbaren Sie ferner:
Æ Berücksichtigung des Bewuchses bezüglich des kf-Wertes der Bodenoberfläche
Æ Abgleich der Wasserhaushaltsbilanzen für den Fall ∆S Æ 0
Æ Ausgabe kompletter Wasserhaushaltsbilanzen als Tages-, Monats- und Jahreswerte sowie als
Gesamtbilanzen über den betrachteten zweijährigen Zeitraum
Æ Ausgabe von täglichen Bodenfeuchtewerten für jede Schicht
Æ Ausgabe des Files, in dem alle vereinbarten Eingabeinformationen zusammengestellt sind (Infofiles)
5. Arbeiten Sie für die 4 Flächen das BOWAM-Berechnungsteilmodell BOWACALC im Ordner
„C:Uebung10/Programm“ ab!
Aufgaben:
1. Stellen Sie die Ergebnisse der 4 Flächen für die beiden Jahre gegenüber! Sie finden diese im Ordner
„C:Uebung10/ Ergebnis“ (Dateibezeichnungen j = Jahresbilanzen bil1) Æ Öffnen mittels Editor.
Tragen Sie die wesentlichen Simulationswerte für den Niederschlag P, die potenzielle Verdunstung
ETPU, die reale Verdunstung ETR, die Interzeptionsverdunstung EI, den Oberflächenabfluss RO und
die Sickerwassermenge an der Basis der untersten Bodenschicht RU (hier 1,5 m u. GOK) in die Tabelle
Ü 10.2 ein!
Tabelle Ü 10.2: Simulationsergebnisse für die 4 Flächen (alle Werte in mm/a)
Fläche 1 – Acker auf Sandboden
Jahr
2002
2003
P
ETPU
ETR
EI
RO
RU
Fläche 2 – Acker auf Schluffboden
Jahr
P
ETPU
ETR
EI
RO
RU
RO
RU
RO
RU
2002
2003
Fläche 3 – Nadelwald auf Sandboden
Jahr
P
ETPU
ETR
EI
2002
2003
Fläche 4 – Nadelwald auf Schluffboden
Jahr
P
ETPU
ETR
EI
2002
2003
2. Werten Sie die Simulationsergebnisse unter folgenden Gesichtspunkten:
- Wie stark weichen die Jahresniederschläge in den beiden betrachteten Jahren vom langjährigen
Mittel (Æ vgl. Tabelle Ü 10.3) ab?
- Welche Monate fallen besonders extrem aus? Nutzen Sie dazu die in der Tabelle Ü 10.3
aufgeführten Normalwerte des korrigierten Niederschlages für den Zeitraum 1961 – 1990! Sie finden
die diesbezüglichen Ergebnisse im Ordner „C:Uebung10/ Ergebnis“ (Dateibezeichnungen m =
Monatsbilanzen bil1).
Tabelle Ü 10.3: Langjährig mittlere korrigierte Niederschläge für Dresden-Klotzsche (alle Werte in mm)
Jan
Feb
Mrz
Apr
Mai
Jun
Jul
Aug
Sep
Okt
Nov
Dez
Jahr
50
42
46
58
70
82
76
84
56
50
57
63
734
- Wie wirken sich die Parameter Nutzung und Bodenart auf das wasserhaushaltliche Verhalten aus?
Betrachten Sie insbesondere ETR, RO und RU!
- Welche Auswirkungen ergeben sich auf Grund der unterschiedlichen Witterungssituationen? Gehen
Sie vor allem auf das Verhältnis ETR/ETPU sowie die Werte für RO und RU ein!
- Wie stark reagiert die Bodenfeuchte in Abhängigkeit von den Witterungsbedingungen? Sie finden
die Bodenfeuchteergebnisse im Ordner „C:Uebung10/ Ergebnis“ (Dateibezeichnungen d = Tagesbilanzen bof0).
- Welche Vor- und Nachteile hat eine Bodenwasserhaushaltsmodellierung im Vergleich zu
anderen Verdunstungs- und Sickerwasserbestimmungsmethoden?
Hydrologische Übung 11:
Modellierung des Haldenwasserhaushaltes
Aufgabenstellung:
- Bilanzierung langjährig mittlerer Restdurchsickerungsmengen für eine einfache Oberflächenabdeckung für verschiedene Abdecksubstrate, -mächtigkeiten und Bewuchsarten
- anschließende Optimierung des Systems hinsichtlich einer maximalen Restdurchsickerungsmenge
Methodik:
- Anwendung der Deponie- und Haldenwasserhaushaltsmodelle HELP und BOWAHALD
- s. Skript Hydrologie II, Abschnitt 4
Gegebene Informationen:
- Standort: ca. 0,1 ha große Halde mit Rückständen aus der Braunkohleverbrennung bei Cottbus
- Flächencharakteristik:
Æ geografische Lage: 51 ° und 43 min nördlicher Breite (51,72 ° – HELP-Modell)
Æ geodätische Höhe: 92 m NN
Æ Plateaufläche, 5 % Neigung, 60 m lang, nach Westen exponiert
Æ Schichtenaufbau:
30 cm Oberboden mit 3 % Humusanteil (HELP-Schichttyp 1 Æ Vertical Percolation Layer)
darunter Unterboden (humusfrei), Mächtigkeiten bewuchsabhängig Æ s. u. (HELP-Schichttyp 1)
- Bewuchsvarianten:
Æ Variante 1: Grasbewuchs, maximale Wurzeltiefe (Tiefe der evaporativen Zone): 80 cm
Æ Variante 2: Baumbewuchs (Nadelbäume, Altholzbestand) mit sekundärem Grasbewuchs, maximale Wurzeltiefe (Tiefe der evaporativen Zone): 150 cm
Æ Annahmen für beide Bewuchsvarianten: normale (mittelmäßige) Bewuchsentwicklung (maximale
Blattflächenindizes: 3,5 für Gras, 15 für Nadelbäume), Wachstumsperiode: 01. April (120.
Kalendertag) bis 15. Oktober (289. Kalendertag)
Æ Vegetationstypen für die Berechnung des CN-Faktors beim HELP-Modell:
Im Fall des Grasbewuchses: Typ 4
Im Fall des Baumbewuchses: Typ 5
- Varianten bezüglich der Mächtigkeit der Unterbodenschicht:
Æ Variante 1: 70 cm (im Falle des Grasbewuchses)
Æ Variante 2: 120 cm (im Falle des Baumbewuchs mit sekundärem Grasbewuchs)
- Informationen zu den Abdecksubstraten:
Æ Variante 1: schwach lehmiger Sand
Æ Variante 2: reiner Schluff
Æ Bodenarten einheitlich für Ober- und Unterboden
Æ Lagerungsdichte: mittel (einheitlich für Ober- und Unterboden)
Æ HELP-Modell: Verwendung der Schichtparameter entsprechend Benutzerhandbuch HELP 3.95 D
(im Ordner „Programme/HELPMod/HELP395D/Documentation“, Tabelle 6 (mittlere Lagerungsdichte, Seite 43)
- meteorologische Daten:
Æ Tageswerte der Station Cottbus (Brandenburg) für den langjährigen Zeitraum 1977 – 2007
Æ Datenquelle: Internetseite des Deutscher Wetterdienstes DWD: www.dwd.de
Æ Die meteorologischen Datenfiles sind im Vorfeld der Simulation bereits erstellt worden und
können ohne Modifikationen für die Simulationsrechnungen verwendet werden:
- Ordner: „C:Uebung11/Metdaten“
- Filename zur Anwendung des Modells BOWAHALD: „Cottbus“
- Filenamen zur Anwendung des Modells HELP:
Æ Tagesmittelwerte der Lufttemperatur: T.D7
Æ Tagessummen der Globalstrahlung: G.D13
Æ Tagessummen des Niederschlages: P.D4
Æ Quartalsmittel der relativen Luftfeuchte: RLF
Æ langjähriges Mittel der Windgeschwindigkeit: WIND
Arbeitsschritte Modell HELP:
1. Starten Sie das Modell HELP 3.95 D im Ordner Programme/HELPMod/HELP395D! Zunächst sind die
Daten und Parameter einzugeben Æ Feld „Data Input“.
2. Abarbeitung des Menüpunktes 1 – Bewuchs-/Verdunstungsparameter:
- Feld „Evaporation Parameter“ Æ „New“
- Füllen Sie die Felder aus! Beachten Sie, dass das HELP-Modell die geografische Breite in Grad mit
Nachkommastelle benötigt (nicht wie die Modelle BOWAM und BOWAHALD in Grad und
Minuten).
- Speichern Sie das erzeugte Bewuchs-/Verdunstungsfile in einem selbst gewählten Ordner (Empfehlung: Ordner „Examples“ unter „Programme/HELPMod/HELP395D“) unter einem selbst gewählten Dateinamen (Empfehlung: „Gras“).
3. Abarbeitung des Menüpunktes 2 – Wetterdaten:
- Die Dateien für die Größen Lufttemperatur, Globalstrahlung und Niederschlag liegen vor (vgl.
Ordner: „C:Uebung11/Metdaten“).
- Bitte kopieren Sie die 3 Dateien „G.D13“ (Globalstrahlungsfile), „P.D4“ (Niederschlagsfile) und
„T.D7“ (Temperaturfile) vor der weiteren Programmabarbeitung in den HELP-Ordner „Programme/
HELPMod/HELP395D/Examples“. Die Struktur der Dateien können Sie mittels Editor oder über
das Feld „Data Input“ Æ „Precipitation“ bzw. „Temperature“ bzw. „Global Radiation“ Æ „Open
File & Edit …“ betrachten. Eine Änderung der Files ist nicht notwendig.
4. Abarbeitung des Menüpunktes 3 – Schichtenaufbau und Bodenparameter:
- Erstellen Sie die Datenfiles für die 4 Varianten! Sie gelangen zur Eingabeoberfläche über die Felder
„Data Input“ Æ „Soil and Design Data“ Æ „Create New …“. Alle Informationen sind Ihnen
gegeben. Tragen Sie diese in die entsprechenden Felder ein! Nutzen Sie die Schichtparameter
entsprechend Tabelle 6 der HELP-Dokumentation (mittlere Lagerungsdichte Æ S. 43).
- Nutzen Sie die Möglichkeit der HELP-internen Berechnung des CN-Faktors entsprechend
Neigung, Hanglänge, …! Bestimmen Sie die Kennziffer der US-Bodentextur unter Zuhilfenahme
der Tabelle 5 (S. 40 der HELP-Dokumentation), in dem Sie prüfen, welcher US-Boden der deutschen Bodenarten (Tabelle 6, S. 43 der HELP-Dokumentation) hinsichtlich des kf-Wertes in etwa
entspricht. Bezüglich der Typisierung der Vegetation verwenden Sie die gegebenen Bewuchsinformationen (s. o.). ACHTUNG!: Sie müssen, ehe Sie die Daten speichern auf das Feld „Program will
use runoff curve number of“ gehen, damit eine HELP-interne Berechnung des CN-Faktors auch
wirklich erfolgen kann.
- Speichern Sie das erzeugte Bodenparameterfile in einem selbst gewählten Ordner (Empfehlung:
Ordner „Examples“ unter „Programme/HELPMod/HELP395D“) unter einem selbst gewählten
Dateinamen (Empfehlung: „Boden 1“).
5. Abarbeitung des Menüpunktes 4 – Ausführung der Simulation:
- Feld „Simulation“ Æ „New“
- Klicken Sie auf die Felder „Precipitation“, … und rufen Sie die bereits vorhandenen bzw. zuvor
erstellten Datenfiles auf. Geben Sie dem Outputfile einen Dateinamen (Empfehlung: „Variante 1“).
Im konkreten Anwendungsfall brauchen Sie keine täglichen, monatlichen bzw. jährlichen Bilanzen,
da nur langjährig mittlere Gesamtbilanzen (vgl. Aufgabenstellungen) gefordert sind (langjährige
Mittelwerte werden in jedem Fall erzeugt, auch wenn Bilanzen auf Tages-, Monats- bzw.
Einzeljahresschrittweite abgewählt wurden). Die Simulation wird mit der „F10“-Taste ausgelöst.
- Geben Sie dem sog. Simulationskontrollfile (File, aus dem alle Ein- und Ausgabeinformationen
hervorgehen) einen beliebigen Dateinamen (Empfehlung: analog des Outputfiles, hier: „Variante
1“)!
- Gehen Sie auf das Feld „Simulate“! Für den Fall einer erfolgreichen Simulation erhalten Sie eine
dementsprechende Information. Ansonsten Müssen Sie auf Fehlersuche gehen. Prüfen Sie die
Existenz aller Dateien (Ordner, Dateinamen), die Formate aller Eingabemasken (betr. insbesondere
die meteorologischen Datenfiles) und ggf. die eingegebenen Werte im Bewuchs-/Verdunstungsfile
und im Bodenparameterfile!
- Einsicht der Ergebnisse über das Feld „Results“ bzw. durch Öffnen des/der Ergebnisfiles im Ordner
„Examples“ mittels Editor.
6. Für alle weiteren Modelläufe können Sie auf bereits erzeugte Files zurückgreifen und brauchen nur
noch die Parameter zu ändern, die sich von der vorherigen Variante unterscheiden (Feld „Open File
& Edit“). Versehen Sie das modifizierte File mit einem neuen Dateinamen, um ein Überschreiben
der Ausgangsdatei zu vermeiden!
Arbeitsschritte Modell BOWAHALD:
1. Starten Sie das BOWAHALD-Eingabeteilmodell BOWAMINP.EXE im Ordner „C:Uebung11/
Programm“!
2. Wählen Sie die CONFIG.HAL im Ordner „C:Uebung11/Programm“ aus!
3. Erstellen Sie die Nutzungsparameterfiles für die beiden Bewuchsvarianten! Beachten Sie:
Æ Der Zeitraum für die hydrologischen Jahre 1977 – 2007 beginnt am 1.11.1976 und endet am
31.10.2007.
Æ fehlende Informationen bitte kenntlich machen!
Æ Dateinamen mit maximal 8 Buchstaben wählen!
4. Erstellen Sie die Hydrotopparameterfiles für die insgesamt 4 Varianten (2 Bewuchs- und 2 Substratvarianten)! Vereinbaren Sie ferner:
Æ Berücksichtigung einer 10 %-igen Niederschlagskorrektur
Æ Berücksichtigung des Bewuchses bezüglich des kf-Wertes der Bodenoberfläche
Æ Abgleich der Wasserhaushaltsbilanzen für den Fall ∆S Æ 0
Æ Ausgabe kompletter Wasserhaushaltsbilanzen als Gesamtbilanzen über den betrachteten langjährigen Zeitraum
Æ Ausgabe des Files, in dem alle vereinbarten Eingabeinformationen zusammengestellt sind (Infofiles)
5. Arbeiten Sie für die 4 Varianten das BOWAHALD-Berechnungsteilmodell BOHACALC im Ordner
„C:Uebung11/Programm“ ab!
Aufgaben:
1. Stellen Sie die mittels HELP bzw. BOWAHALD modellierten Restdurchsickerungsmengen für die 4
betrachteten Varianten gegenüber! Sie finden diese in folgenden Ordnern:
- HELP: „C:HELP395D/Examples“ Æ Dateiname, Kennung „OUT“ (Öffnen mittels Editor)
- BOWAHALD: „C:Uebung11/ Ergebnis“ Æ Dateibezeichnungen g = Gesamtbilanzen über den
langjährigen Zeitraum bil1 sowie Identifikationsnummer (Öffnen mittels Editor)
- Tragen Sie die langjährig mittleren Restdurchsickerungsmengen in die Tabelle Ü 11.1 ein!
Tabelle Ü 11.1: Langjährig mittleren Restdurchsickerungsmengen RU in mm/a
Variante
Abdeckstärke [m]
Abdecksubstrat
Bewuchs
RU (HELP)
RU (BOWAHALD)
1
2
3
4
2. Werten Sie die Simulationsergebnisse unter folgenden Gesichtspunkten:
- Durch welche Faktoren werden die Restdurchsickerungsmengen maßgeblich beeinflusst?
- Welchen Einfluss haben die Faktoren Abdeckstärke, Abdecksubstrat und Bewuchs auf die anderen
Wasserhaushaltsgrößen (insbesondere auf die Verdunstung und die Oberflächenabflussbildung)?
- Wodurch sind Ergebnisunterschiede hinsichtlich der beiden Modelle erklärbar?
3. Optimieren Sie das System hinsichtlich des Abdecksubstrats solange, bis sich rein rechnerisch eine
langjährig mittlere Restdurchsickerung von knapp unter 100 mm/a ergibt! Gehen Sie dabei von 1 m
Abdeckmächtigkeit und Grasbewuchs aus! Welches der beiden Modelle Sie zur Anwendung bringen,
bleibt Ihnen überlassen (Sie können auch mit beiden Modellen operieren).
- optimales Abdecksubstrat: ……………………………………………………………………………
- modellierte langjährig mittlere Restdurchsickerung RU [mm/a]: …………………………………….
- verwendetes Modell: …………………………………………………………………………………
Kann man davon ausgehen, dass ein solches, aus wasserhaushaltlicher Sicht optimales, Abdecksubstrat
im Raum Cottbus vorhanden ist?
Hydrologische Übung 12:
Deponiewasserhaushalt 1 – Untersuchungen zum Schichtenaufbau
Aufgabenstellung:
- Ermittlung der langjährig mittlerer Wasserhaushaltsgrößen für eine Oberflächensicherung einer
Deponie der Deponieklasse I (DK I)
- Prüfung, ob bei Ausbildung der Rekultivierungsschicht als Wasserhaushaltsschicht die geforderte
Dichtungskomponente 1 unter den gegebenen Standortbedingungen entfallen kann
Methodik:
- Anwendung des Deponie- und Haldenwasserhaushaltsmodells HELP
- s. Skript Hydrologie II, Abschnitt 4
Gegebene Informationen:
- Lage der Deponie: ehem. Siedlungsabfalldeponie am südlichen Stadtrand von Halle (Saale)
- Charakteristik des zu betrachtenden Deponiebereichs:
Æ geografische Lage: 51 ° und 25 min nördlicher Breite (min in Nachkommastellen umrechnen!)
Æ geodätische Höhe: 115 m NN
Æ 0,3 ha Böschungsfläche, 33 % Neigung, 60 m lang, nach Westen exponiert
Æ Bewuchs: gut entwickelter Grasbewuchs, evaporative Zone: 100 cm, maximaler Blattflächenindex:
3,5, Wachstumsperiode: 01. April (120. Kalendertag) bis 15. Oktober (289. Kalendertag)
- in Standortnähe zur Verfügung stehende Rekultivierungs- bzw. Dichtungssubstrate:
Æ Rekultivierungssubstrate: a) schwach sandiger Lehm Ls2
b) sandiger Schluff Us
Æ Dichtungssubstrate:
a) mineralisches Dichtungsmaterial (Ton) mit kf = 1 * 10-9 m/s
b) mineralisches Dichtungsmaterial (Mergel) mit kf = 5 * 10-9 m/s
Æ Einbaudichte des Rekultivierungsmaterials: mit mittlerer Trockenrohdichte ρt3
Æ HELP-Modell: Verwendung der Schichtparameter für die Rekultivierungsschicht entsprechend
Tabelle 5 (mittlere Lagerungsdichte) der Dokumentation (Æ s. S. 48)
- meteorologische Daten:
Æ Tageswerte der Station Halle (Sachsen-Anhalt) für den langjährigen Zeitraum 1973 – 2002,
Datenquelle: Internetseite des Deutscher Wetterdienstes DWD: www.dwd.de
Æ Die meteorologischen Datenfiles sind im Vorfeld der Simulation bereits erstellt worden und
können ohne Modifikationen für die Simulationsrechnungen verwendet werden:
- Ordner: „C:Uebung12/Metdaten“
Æ Tagesmittelwerte der Lufttemperatur: T.D7
Æ Tagessummen der Globalstrahlung: G.D13
Æ Tagessummen des Niederschlages: P.D4
Æ Quartalsmittel der relativen Luftfeuchte: RLF
Æ langjähriges Mittel der Windgeschwindigkeit: WIND
- Metdaten vor Abarbeitung des Modells HELP in den Ordner „Examples“ kopieren!
Aufgaben:
1. Erfüllen die in Standortnähe zur Verfügung stehende Rekultivierungssubstrate die Anforderungen an
eine Wasserhaushaltsschicht? Begründen Sie Ihre Aussage! Wie mächtig muss die Rekultivierungsschicht mindestens sein, um als Wasserhaushaltsschicht anerkannt zu werden? Nehmen Sie diese
Schichtstärke als Grundlage für alle nachfolgenden Untersuchungen!
2. Welche Anforderung bezüglich der langjährig mittleren Restdurchsickerung muss erfüllt sein, damit die
Rekultivierungs-/Wasserhaushaltsschicht als alleiniges Oberflächensicherungselement fungieren kann?
Prüfen Sie, ob diese Anforderung für die beiden Rekultivierungssubstrate im konkreten Anwendungsfall erfüllt ist! Verwenden Sie zur Prüfung das HELP-Modell! Gehen Sie bezüglich der Modellanwendung analog Übung 11 vor! Beachten Sie dabei:
Æ Informationen zu den HELP-Schichttypen finden Sie in der Dokumentation auf Seite 34 (pdf-File
im Ordner „C:Übung12/HELP-Dokumentation oder Im Ordner „HELP395D/Documentation).
Rekultivierungs- bzw. Wasserhaushaltsschichten fallen in die Gruppe der Perkolationsschichten.
Æ Nutzen Sie die Möglichkeit der HELP-internen Berechnung des CN-Faktors entsprechend
Neigung, Hanglänge, …! Bestimmen Sie die Kennziffer der Bodentextur unter Zuhilfenahme der
Tabelle 5 (S. 40 der HELP-Dokumentation), in dem Sie prüfen, welche US-Böden hinsichtlich
des kf-Wertes den deutschen Bodenarten (Tabelle 6, S. 43 der HELP-Dokumentation) in etwa
entsprechen.
3. Ergänzen Sie das vorhandene Oberflächensicherungssystem um eine Entwässerungsschicht aus
mineralischem Material (Kies) und um eine mineralische Dichtungskomponente aus Ton bzw. Mergel
(Wasserdurchlässigkeiten Æ s. gegebene Informationen). Bezüglich Schichttypisierungen und Schichtparametern können Sie analog Aufgabe 2 vorgehen. Parametrisieren Sie die beiden zusätzlichen
Schichten so, dass die Mindestanforderungen (z. B. hinsichtlich der Schichtmächtigkeiten) erfüllt sind.
Beachten Sie, dass Sie im Fall der Entwässerungsschicht die Drainagelänge und die Neigung
vereinbaren müssen (Werte Æ s. gegebene Informationen). Rezirkulationsmengen sind im vorliegenden
Beispiel nicht relevant. Dokumentieren Sie die Ergebnisse bezüglich der langjährig mittleren
Restdurchsickerungsmengen (Tabelle Ü 12.1)!
Tabelle Ü 12.1: Langjährig mittleren Restdurchsickerungsmengen RU in mm/a
Variante
Ausschließlich Rekultivierungs-/Wasserhaushaltsschicht, Rekultivierungssubstrat a)
Ausschließlich Rekultivierungs-/Wasserhaushaltsschicht, Rekultivierungssubstrat b)
Dreischichtabdichtung, Rekultivierungssubstrat a) Æ Ls2, Dichtungssubstrat a) Æ kf = 1 * 10-9 m/s
Dreischichtabdichtung, Rekultivierungssubstrat a) Æ Ls2, Dichtungssubstrat b) Æ kf = 5 * 10-9 m/s
Dreischichtabdichtung, Rekultivierungssubstrat b) Æ Us, Dichtungssubstrat a) Æ kf = 1 * 10-9 m/s
Dreischichtabdichtung, Rekultivierungssubstrat b) Æ Us, Dichtungssubstrat a) Æ kf = 5 * 10-9 m/s
RU (HELP)
4. Interpretieren Sie die verschiedenen Oberflächensicherungsvarianten unter folgenden Gesichtspunkten:
- Wie wirken sich Schichtenaufbau und Schichtparameter (Wassertransport- und -speicherparameter)
wasserhaushaltlich aus?
- Welche der betrachteten Varianten können zur Sicherung der Deponie (DK I) empfohlen werden?
Beachten Sie dabei sowohl den wasserhaushaltlichen Aspekt langjährig mittlerer Restdurchsickerungsmengen < 20 mm/a als auch den geotechnischen Aspekt (Standsicherheit).
Hydrologische Übung 13:
Deponiewasserhaushalt 2 – Ermittlung von Nass- und Trockenjahren mit verschiedenen Wiederkehrsintervallen
Aufgabenstellung:
- Bestimmung von Nass- und Trockenjahren mit Wiederkehrsintervallen von 10, 50 und 100 Jahren
mittels statistischer Auswertung von gemessenen Jahresniederschlägen
Methodik: Æ s. Skript Hydrologie II, Abschnitt 4
Gegebene Informationen:
- Jahressummen der unkorrigierten Jahresniederschläge P(a) der DWD-Station Magdeburg, Reihe 1961 –
1990 Æ s. Tabelle Ü 13.1
Tabelle 13.1: Primärdaten für die statistischen Untersuchungen zu Nass- und Trockenjahren
Jahr
1961
1962
1963
1964
1965
1966
1967
1968
1969
1970
P(a) [mm/a]
691
481
386
466
533
652
594
490
501
677
Jahr
1971
1972
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
P(a) [mm/a]
415
555
327
447
374
315
580
454
518
541
Jahr
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
P(a) [mm/a]
662
381
441
513
478
553
582
435
335
481
Arbeitsschritte zur Ermittlung der Nassjahre:
1. Nehmen Sie zunächst eine Messfehlerkorrektur der Jahresniederschläge vor! Ordnen Sie die Werte der
Größe nach (beginnend mit dem kleinsten Wert), berechnen Sie die dazugehörigen Unterschreitungswahrscheinlichkeiten und tragen Sie diese in die Tabelle Ü 13.2 sowie in den Netzdruck der
Extremwertverteilungsfunktion Typ I (Æ Bild Ü 13.1) ein!
2. Ermitteln Sie die Jahresniederschlagssummen mit Wiederkehrsintervallen von T = 10, 50 und 100 a
durch die 3 Methoden: freie Anpassung, Momentenmethode und Gumbel-Methode.
3. Geben Sie den aus hydrologischer Sicht maximal möglichen Extrapolationszeitraum an!
4. Werten Sie die Ergebnisse hinsichtlich folgender Gesichtspunkte:
- Für welche Bemessungsaufgaben sind die o.g. Wiederkehrsintervalle relevant?
- Welche Wiederkehrsintervalle sind für normale bzw. extreme Nassjahre in etwa anzusetzen?
- Für welche Werte (für welche Methode) entscheiden Sie sich und warum?
- Welche Herangehensweise schlagen Sie vor, falls z. B. ein P(200) gefordert werden würde?
Tabelle 13.2: Daten für die statistischen Untersuchungen zu Nass- und Trockenjahren
Nassjahre
Jahresniederschlag
P [mm/a]
Ordnungszahl
Nassjahre
m[]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Mittelwert:
P =
Standardabweichung: s(P) =
Unterschreitungs-WK
PU [%]
mm/a
mm/a
Trockenjahre
Jahresniederschlag
P [mm/a]
Ordnungszahl
Trockenjahre
m[]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
Mittelwert:
P =
Standardabweichung: s(P) =
Überschreitungs-WK
PÜ [%]
mm/a
mm/a
Arbeitsschritte zur Ermittlung der Trockenjahre:
1. Ordnen Sie die Werte der Größe nach (beginnend mit dem größten Wert), berechnen Sie die dazugehörigen Überschreitungswahrscheinlichkeiten und tragen Sie diese in die Tabelle Ü 13.2 sowie in den
Netzdruck der Extremwertverteilungsfunktion Typ I (Æ Bild Ü 13.2) ein!
2. Ermitteln Sie die Jahresniederschlagssummen mit Wiederkehrsintervallen von T = 10, 50 und
100 a durch freie Anpassung!
Bild Ü 13.1: Jahresniederschlagsmengen und deren Wahrscheinlichkeiten im Netzdruck der EI (Nassjahre)
Bild Ü 13.2: Jahresniederschlagsmengen und deren Wahrscheinlichkeiten im Netzdruck der EI (Trockenjahre)
Hydrologische Übung 14:
Deponiewasserhaushalt 3 – Austrocknungsmodellierung
Aufgabenstellung:
- Ermittlung von Austrocknungshäufigkeiten und Austrocknungsintensitäten von Rekultivierungsschichten in Abhängigkeit von der Ausrichtung und den klimatischen Bedingungen für eine Deponie
der Deponieklasse 1
- Prüfung von Veränderungen im Zuge des zu erwartenden Klimawandels
Methodik:
- Anwendung des Deponie- und Haldenwasserhaushaltsmodells BOWAHALD
- s. Skript Hydrologie II, Abschnitt 4
Gegebene Informationen:
- Lage des Gebietes: Siedlungsabfalldeponie bei Cottbus
- Flächencharakteristik:
Æ geografische Lage: 51 ° und 40 min nördlicher Breite
Æ geodätische Höhe: 87 m NN
Æ 3 Böschungsflächen, jeweils 33 % geneigt und 125 m lang, nach Nord, West bzw. Süd exponiert
Æ Schichtenaufbau:
150 cm Rekultivierungsschicht, schwach lehmiger Sand, mittlere Lagerungsdichte (vereinfachende
Betrachtung ohne Humusgehalt)
darunter 30 cm mineralische Drainschicht
darunter 50 cm mineralische Dichtschicht (entsprechend Deponieverordnung bzw. Technischer
Anleitung Siedlungsabfall TASi)
Æ Bewuchs: Gras-/Strauchbewuchs, maximale Wurzeltiefe: 150 cm, normale Bewuchsentwicklung
- meteorologische Daten:
Æ gemessene Tageswerte der Station Cottbus für den Zeitraum 1977 – 2007 (Quelle: www.dwd.de)
Æ synthetisierte Tageswerte der Station Cottbus für die Zeiträume 2020 – 2049 und 2071 – 2100
(Quelle: Klimamodell ECHAM5/MPI-OM)
Æ Die meteorologischen Datenfiles sind im Vorfeld der Simulation bereits erstellt worden und
können mit Ausnahme der Niederschlagskorrektur ohne Modifikationen für die Simulationsrechnungen verwendet werden:
- Ordner: „C:Uebung11/Metdaten“
- Filenamen: Æ Zeitraum 1977 – 2007: „C-Ist“
Æ Zeitraum 2020 – 2049, feuchter Lauf: „C-F-2020“
Æ Zeitraum 2020 – 2049, normaler (mittlerer) Lauf: „C-N-2020“
Æ Zeitraum 2020 – 2049, trockener Lauf: „C-T-2020“
Æ Zeitraum 2071 – 2100, feuchter Lauf: „C-F-2070“
Æ Zeitraum 2071 – 2100, normaler (mittlerer) Lauf: „C-N-2070“
Æ Zeitraum 2071 – 2100, trockener Lauf: „C-T-2070“
Arbeitsschritte:
1. Starten Sie das BOWAHALD-Eingabeteilmodell BOWAMINP.EXE im Ordner „C:Uebung14/
Programm“!
2. Wählen Sie die CONFIG.HAL im Ordner „C:Uebung14/Programm“ aus!
3. Erstellen Sie das Nutzungsparameterfile! Sie brauchen für die 3 Zeiträume nicht 3 getrennte Nutzungsfiles erstellen. Ein File, beginnend am 01.11.1976 und endend am 31.10.2100, ist ausreichend.
4. Erstellen Sie 3 Hydrotopparameterfiles für die insgesamt 3 Expositionen des Istzustandes (Reihe 1977 –
2007)! Vereinbaren Sie ferner:
Æ Berücksichtigung einer 10 %-igen Niederschlagskorrektur
Æ Berücksichtigung des Bewuchses bezüglich des kf-Wertes der Bodenoberfläche
Æ Abgleich der Wasserhaushaltsbilanzen für den Fall ∆S Æ 0
Æ Ausgabe kompletter Wasserhaushaltsbilanzen als Tages-, Monats- und Jahreswerte sowie als
Gesamtbilanzen über den betrachteten zweijährigen Zeitraum
Æ Ausgabe von täglichen Bodenfeuchtewerten für jede Schicht
Æ Ausgabe des Files, in dem alle vereinbarten Eingabeinformationen zusammengestellt sind (Infofiles)
5. Im Hinblick auf die Modellierung der zukünftig zu erwartenden Situation (Zeitreihen 2020 – 2049 bzw.
2071 – 2100) reicht es aus, lediglich eine Exposition zu betrachten. Es empfiehlt sich, die Südexposition
auszuwählen, da sich dort die Austrocknung am ausgeprägtesten darstellt. Erstellen Sie 6
Hydrotopparameterfiles für die insgesamt 6 Läufe des zukünftigen Zustandes (jeweils trocken, mittel,
feucht für Reihen 2020 – 2049 bzw. 2071 – 2100)! Vereinbaren Sie die gleichen Dinge wie für den
Istzustand (vgl. Punkt 5)
6. Arbeiten Sie für die 9 Simulationsläufe das BOWAHALD-Berechnungsteilmodell BOHACALC im
Ordner „C:Uebung14/Programm“ ab!
Aufgaben:
1. Stellen Sie die Gesamtbilanzen der 9 Simulationsläufe gegenüber! Sie finden diese im Ordner
„C:Uebung14/ Ergebnis“ (Dateibezeichnungen g = Gesamtbilanzen bil1) Æ Öffnen mittels Editor.
Tragen Sie die wesentlichen Simulationswerte für den Niederschlag P, die potenzielle Verdunstung
ETPU, die reale Verdunstung ETR, den Oberflächenabfluss RO, den hypodermischen Abfluss in der
Entwässerungsschicht RH und die Sickerwassermenge an der Basis der untersten Bodenschicht RU
(hier: Basis der mineralischen Dichtschicht) in die Tabelle Ü 14.1 ein! Diskutieren Sie die Ergebnisse!
Wie würden die Ergebnisse für ein besser speicherfähiges Rekultivierungssubstrat ausfallen (rein
qualitative Aussagen reichen aus)?
Tabelle Ü 14.1: Simulationsergebnisse für die 9 Simulationsläufe (alle Werte in mm/a)
Istzustand (Reihe 1977 – 2007)
Exposition
Nord
West
Süd
P
ETPU
ETR
RO
RH
RU
Zukünftiger Zustand im Zuge zu erwartender Klimaveränderungen (Reihe 2020 – 2049)
Gewählte Exposition: ……………………………………………..
Klimatischer Zustand
P
ETPU
ETR
RO
RH
RU
Trockener Lauf
Mittlerer Lauf
Feuchter Lauf
Zukünftiger Zustand im Zuge zu erwartender Klimaveränderungen (Reihe 2071 – 2100)
Gewählte Exposition: ……………………………………………..
Klimatischer Zustand
P
ETPU
ETR
RO
RH
RU
Trockener Lauf
Mittlerer Lauf
Feuchter Lauf
2. Untersuchen Sie die Häufigkeiten und die Intensitäten der Austrocknung der Rekultivierungsschicht in
Abhängigkeit von der Exposition (Istzustand) und in Abhängigkeit von der klimatischen Situation
(zukünftige Zustände). Sie können dabei folgendermaßen vorgehen:
- Einladen der Datenfiles mit den täglichen Bodenfeuchtewerten in EXCEL (Filekennung:
„DXXX.bof0“ mit XXX = Identifikationsnummer)
- EXCEL-Vereinbarungen beim Einladen:
Æ Dateityp: feste Breite
Æ Spaltenumbrüche genau am Ende einer jeden Ziffer (Sie müssen zuvor über den Eingangstext
nach unter scrollen)
Æ weitere Optionen: Dezimalkennzeichen Æ „.“ (Punkt), 1000-er Trennzeichen Æ „ „ (Leerzeichen)
- EXCEL-Bearbeitungen nach Einladen:
Æ Löschen aller Textzeilen (Zeilen 1 – 9) sowie der Abschlusszeile (Istzustand: Zeile 11 323,
zukünftige Zustände: Zeile 10 951)
Æ Markieren der Spalte mit den Bodenfeuchtewerten der Rekultivierungsschicht (6. Spalte =
Spalte F)
Æ aufsteigende Sortierung der Bodenfeuchtewerte (Markierung für alle anderen Spalten erweitern)
- Ermittlung von Austrocknungshäufigkeiten der Rekultivierungsschicht:
Æ Häufigkeit von Austrocknungsbeträgen < 10 % nFK Æ sehr hohes Stresspotenzial
Æ Häufigkeit von Austrocknungsbeträgen < 25 % nFK Æ hohes Stresspotenzial
Æ Häufigkeit von Austrocknungsbeträgen < 40 % nFK Æ geringes Stresspotenzial
Æ nFK = nutzbare Feldkapazität, Berechnung: Feldkapazität – Welkepunkt = 100 % nFK
Æ Bodenfeuchtewert bei 10 % nFK: Welkepunkt + 10 % nFK
Æ Bodenfeuchtewert bei 25 % nFK bzw. 40 % nFK analog
Æ Berechnung der Austrocknungshäufigkeiten < 10 % nFK : Anzahl Bodenfeuchtewerte < 10 %
nFK bezogen auf die Gesamtanzahl der Werte * 100 %
Æ Austrocknungshäufigkeiten < 25 % nFK bzw. 40 % nFK analog
Tragen Sie die ermittelten Austrocknungshäufigkeiten in die Tabelle Ü 14.2 ein und diskutieren Sie
die Ergebnisse!
Tabelle Ü 14.2: Austrocknungshäufigkeiten n [%] der Rekultivierungsschicht für die 9 Simulationsläufe
Istzustand (Reihe 1977 – 2007)
Exposition
Häufigkeit n [in %] für
Austrocknungen < 10 % nFK
Häufigkeit n [in %] für
Austrocknungen < 25 % nFK
Häufigkeit n [in %] für
Austrocknungen < 40 % nFK
Nord
West
Süd
Zukünftiger Zustand im Zuge zu erwartender Klimaveränderungen (Reihe 2020 – 2049)
Gewählte Exposition: ……………………………………………..
Klimatischer Zustand
Häufigkeit n [in %] für
Austrocknungen < 10 % nFK
Häufigkeit n [in %] für
Austrocknungen < 25 % nFK
Häufigkeit n [in %] für
Austrocknungen < 40 % nFK
Trockener Lauf
Mittlerer Lauf
Feuchter Lauf
Zukünftiger Zustand im Zuge zu erwartender Klimaveränderungen (Reihe 2071 – 2100)
Gewählte Exposition: ……………………………………………..
Klimatischer Zustand
Häufigkeit n [in %] für
Austrocknungen < 10 % nFK
Häufigkeit n [in %] für
Austrocknungen < 25 % nFK
Häufigkeit n [in %] für
Austrocknungen < 40 % nFK
Trockener Lauf
Mittlerer Lauf
Feuchter Lauf
3. Benennen Sie mögliche Unsicherheiten bezüglich der Simulationsergebnisse für die zukünftigen
Zustände (Zeiträume 2021 – 2050 bzw. 2071 – 2100)!
Hydrologische Übung 15:
Deponiewasserhaushalt 4 – Drainbemessung
Aufgabenstellung:
- Bemessung einer mineralischen Entwässerungsschicht in Abhängigkeit von der Ausrichtung und den
klimatischen Bedingungen für eine Deponie der Deponieklasse 1
- Prüfung von Veränderungen im Zuge des zu erwartenden Klimawandels
Methodik: Æ s. Skript Hydrologie II, Abschnitt 4
Gegebene Informationen:
- Siedlungsabfalldeponie bei Cottbus Æ Nutzung aller Ergebnisse aus Übung 14
Aufgaben:
1. Ermitteln Sie die maßgebenden Drainwasserspenden (Sickerwasserzuflüsse zur Entwässerungsschicht
von oben) für ein Wiederkehrsintervall von 30 Jahren! Sie können hierbei folgendermaßen vorgehen:
- Einladen der Datenfiles mit den täglichen Wasserhaushaltsbilanzen in EXCEL (Ordner
„C:Uebeung15/Ergebnis“, Filekennung: „DXXX.bil1“ mit XXX = Identifikationsnummer)
- EXCEL-Vereinbarungen beim Einladen:
Æ Dateityp: feste Breite
Æ Spaltenumbrüche genau am Ende einer jeden Ziffer (Sie müssen zuvor über den Eingangstext
nach unter scrollen)
Æ weitere Optionen: Dezimalkennzeichen Æ „.“ (Punkt), 1000-er Trennzeichen Æ „ „ (Leerzeichen)
- EXCEL-Bearbeitungen nach Einladen:
Æ Löschen aller Textzeilen (Zeilen 1 – 9) sowie der Abschlusszeilen
Æ Markieren der Spalte mit den hypodermischen Abflussmengen in der Entwässerungsschicht (14.
Spalte = Spalte N)
Æ aufsteigende Sortierung der Bodenfeuchtewerte (Markierung für alle anderen Spalten erweitern)
- Ermittlung der maßgebenden Drainwasserspenden mit Wiederkehrsintervallen von 30 Jahren:
Æ entsprechen in guter Näherung der Summe aus dem größten RH-Wert und dem an diesem Tage
aufgetretenen RU-Wert (Summe der Werte der Spalten N und O) Æ Auftreten etwa 1 Mal in 30
Jahren
Æ Eintragen der maßgebenden Drainwasserspenden in die Tabelle Ü 15.1
Tabelle Ü 15.1: Maßgebende Drainwasserspenden RZU für die 9 Simulationsläufe (Wiederkehrsintervall: ca. 30 Jahre, alle Werte in mm/d)
RZU
RZU
RZU
Istzustand Nord
2020 – 2049 feucht
2071 – 2100 feucht
Istzustand West
2020 – 2049 mittel
2071 – 2100 mittel
Istzustand Süd
2020 – 2049 trocken
2071 – 2100 trocken
2. Interpretieren Sie die maßgebenden Drainwasserspenden unter folgenden Gesichtspunkten:
- Warum existieren kaum expositionsbedingte Unterschiede (betr. Istzustand) bezüglich der maßgebenden Drainwasserspenden mit T = 30 a?
- Warum existieren für Drainwasserspenden mit deutlich kleineren Wiederkehrsintervallen (z. B.
für T = 1 a) spürbar größere Unterschiede?
- Wie ist erklärbar, dass ein trockener Lauf (hier: 2020 – 2049) eine höhere Drainwasserspende
(30 Jahre Wiederkehrsintervall) aufweist als ein mittlerer bzw. feuchter Lauf?
3. Nehmen Sie die hydraulische Bemessung der mineralischen Entwässerungsschicht für das Wiederkehrsintervall von 30 Jahren vor! Prüfen Sie, ob die Entwässerungsschicht in der Lage ist, die
anfallenden Drainwasserspenden in einem Zuge, d.h. über die gesamte Böschungslänge ohne
Zwischenfassung, schadlos abzuführen. Gehen Sie von dem Fall aus, dass nur am Böschungsfuß,
also ausschließlich talseitig eine Fassung der anfallenden Drainagewässer stattfindet. Es reicht,
wenn Sie für den Istzustand lediglich die Böschung mit der größten Drainwasserspende betrachten.
Gleiches trifft für die zukünftigen Zustände zu. Wählen Sie auch hier nur den Fall mit der größten
Drainwasserspende aus (beide Zeiträume zusammengefasst). Nutzen Sie für die Drainbemessung
das Modell DRAINAGE im Ordner „C:Uebung15/Programm“
Vorgehensweise:
- Starten des Modells DRAINAGE
- für die Bemessung notwendige Übergabedatenfiles bereits vorhanden (in Übung 14 erstellt) Æ s.
Ordner „C:Uebung15/Uebergabe“ Æ Einlesen je eines Übergabefiles für den Istzustand bzw. die
zukünftigen Zustände mit der größten Drainwasserspende (Identifikationsnummer eingeben)
- Eintrag der jeweils größten Drainwasserspende als Regenmenge (Dauer: 24 h, T = 30 a),
Achtung: bei Ziffern mit Nachkommastellen Æ Punkt statt Komma
- Bewuchsinformationen: Sträucher, normal entwickelt, mehrschichtiger Aufbau, 100 % Vegetationsbedeckungsgrad
- Modellierung des stationären Endzustandes (nicht des Einbauzustandes)
4. Ist die mineralische Entwässerungsschicht unter den gegenwärtigen und zukünftig zu erwartenden Randbedingungen ausreichend bemessen? Begründen Sie Ihre Aussage!
5. Ist die Entwässerungsschicht auch während der Bauphase, in der diese Schicht zumindest
vorübergehend offen liegt, ausreichend dimensioniert, wenn Sie auch hierfür ein Wiederkehrsintervall von 30 Jahren ansetzen? Näherungsweise können Sie diesen Fall in der Art und Weise
betrachten, dass Sie die Wirksamkeit der Rekultivierungsschicht auf Null setzen. Sie erreichen
dies dadurch, dass Sie den Bemessungsregen (für Cottbus nach KOSTRA: 88 mm für T = 30 a
und D = 24 h) ohne Abminderung als Drainwasserspende ansetzen.
Anhang 2
Anleitung zur Projektarbeit Wasserhaushaltsmodellierung
1. Zielstellung
Für ein kleines, maximal 5 km2 großes Untersuchungsgebiet (muss kein Einzugsgebiet sein) eigner Wahl
sollen wasserhaushaltliche Untersuchungen, das langjährige wasserhaushaltliche Verhalten betreffend,
durchgeführt werden.
Die damit im Zusammenhang stehenden Teilaufgaben sind folgendermaßen zu umreißen:
- Abhängigkeit des wasserhaushaltlichen Verhaltens von der klimatischen Situation (im langjährigen
Mittel, in Nass- und Trockenjahren sowie während innerjährlicher hydrologisch interessanter Perioden)
- Einfluss der Morphologie (Ausrichtung, Gefälle), der Pedologie (Bodenarten, vertikale Schichtung) und
der Nutzung (Nutzungsarten) auf den Wasserhaushalt
- Abschätzung von Veränderungen des langjährigen wasserhaushaltlichen Verhaltens in der Zukunft
- Erarbeitung von Vorschlägen zur Verbesserung der wasserhaushaltlichen Situation und Prüfung der
wasserhaushaltlichen Wirksamkeit der erarbeiteten Lösungen
Je nach Größe und Heterogenität des zu bearbeitenden Untersuchungsgebiets bearbeiten Sie die
Teilaufgaben entweder allein oder im Team (Zweier- oder Dreiergruppen) und fertigen einen maximal 30
Seiten Textteil umfassenden Bericht. Der Bericht ist in Papierform (einfache Ausfertigung) oder als pdfbzw. Wordfile abzugeben. Alle Eingabe- und Ergebnisdaten sind dem Bereicht auf externem Datenträger
beizulegen. Gleiches betrifft ausgewählte Anlagen (solche, die sehr umfangreich ausfallen).
2. Arbeitsunterlagen
Zur Lösung der Aufgaben werden die Wasserhaushaltsmodelle BOWAM und HELP zur Verfügung
gestellt. Welches der beiden Modelle (BOWAM, HELP) Sie verwenden, bleibt Ihnen überlassen.
HINWEISE ZUR NUTZUNG DER ZUR VERFÜGUNG GESTELLTEN SOFTWARE:
ALLE COMPUTERPROGRAMME DÜRFEN AUSSCHLIESSLICH IM RAHMEN DER ABARBEITUNG DES
PROJEKTS ZUR WASSERHAUSHALTSMODELLIERUNG VERWENDET WERDEN! DIE SOFTWARE DARF
NICHT FÜR ANDERE ZWECKE VERWENDET BZW. ANDEREN PERSONEN ODER FIRMEN/EINRICHTUNGEN
ZUGÄNGLICH GEMACHT WERDEN! HIERVON AUSGENOMMEN SIND ALLE DATEIEN (EIN- UND AUSGABESOWIE TEXTDATEIEN), DIE SIE SELBST ERZEUGT HABEN. IM INTERESSE DES ZÜGIGEN FORTGANGS DER
PROJEKTBEARBEITUNG KÖNNEN SIE DIE PROGRAMME AUF IHREN PRIVATEN COMPUTER ÜBERNEHMEN.
NACH BEENDIGUNG DER ARBEITEN SIND SIE DAZU VERPFLICHTET, ALLE COMPUTERPROGRAMME
VOLLSTÄNDIG ZU DEINSTALLIEREN!
Die zur Modellierung benötigten meteorologische Daten finden Sie auf den Internetseiten des Deutschen
Wetterdienstes (www.dwd.de). Wählen Sie eine für Ihr Untersuchungsgebiet repräsentative Klimastation
aus! Begründen Sie die Auswahl! Diskutieren Sie eine evtl. notwendige Anpassung der Daten der
Klimastation auf die Bedingungen Ihres Untersuchungsgebiets! Anpassungen können z. B. prozentuale
Erhöhungen/ Verkleinerungen bzw. additive/subtraktive Zu-/Abschläge sein. Sie können für den Abgleich
u. a. den HAD (Hydrologischer Atlas von Deutschland), das NAU-Kartenwerk für das Gebiet der ehem.
DDR sowie die im Internet (www.dwd.de) abrufbaren langjährigen Mittelwerte ausgewählter
Klimaelemente nutzen.
Die für die Wasserhaushaltsmodellierung notwendigen Tageswerte können problemlos heruntergeladen
und als ASCII-, Word- oder EXCEL-Datei zwischengespeichert werden. Der Messzeitraum sollte
mindestens 20 – 30 Jahre umfassen. Die Strukturen für die meteorologischen Datenfiles entnehmen Sie
bitte den HELP- bzw. BOWAM-Programmdokumentationen (je nach dem, mit welchem Modell Sie
arbeiten wollen).
Beachten Sie, dass das Modell HELP auf Basis von Kalenderjahren, das Modell BOWAM hingegen mit
hydrologischen Jahren arbeitet. Nutzen Sie für die Modellierung ausschließlich vollständige Kalenderbzw. hydrologische Jahre.
3. Ermittlung des langjährigen mittleren wasserhaushaltlichen Verhaltens des Einzugsgebiets im gegenwärtigen Zustand (Ausgangszustand)
Sie wählen sich Ihr Untersuchungsgebiet (maximal 5 km2 groß) selbst. Recherchieren Sie im Internet frei
verfügbare digitale Karten, auf deren Grundlage Sie die morphologische, pedologische und Nutzungssituation des Gebietes ermitteln können! Grenzen Sie zunächst das Untersuchungsgebiet ab!
Verschneiden Sie alle morphologischen, pedologischen und Nutzungsinformationen und erarbeiten Sie
eine Karte Ihres Untersuchungsgebiets, auf der die Hydrotope (hydrologisch gleichartig reagierende Teilgebiete) dargestellt sind. Sie sollte dabei die folgenden Gesichtspunkte berücksichtigen:
-
Nutzung
Exposition (Ausrichtung), Hangneigung, Hanglänge
Boden, Untergrund
sonstiges (z. B. Vernässungsflächen)
Versuchen Sie im Interesse eines nicht zu hohen Arbeitsaufwands, Ihr Gebiet in maximal 10 Hydrotope
(Einzelbearbeitung), 15 – 20 Hydrotope (Zweier-) bzw. 20 – 30 Hydrotope (Dreiergruppe) zu unterteilen.
Im Zusammenhang mit der Bewertung/Quantifizierung der langjährig mittleren hydrologischen Situation
des Untersuchungsgebiets im gegenwärtigen Zustand (Ausgangszustand) ist zunächst die Wasserbilanz
mittels BAGROV-Verfahren zu ermitteln. Erarbeiten Sie auf Basis der Kartenunterlagen die hierfür notwendigen Informationen! Bestimmen Sie für alle Hydrotope die Hydrotopparameter (Nutzungs- und
Bodenparameter)! Bezüglich der Bodenparameter sollten Sie auch auf Angaben der BODENKUNDLICHEN
KARTIERANLEITUNG zurückgreifen. Dokumentieren Sie detailliert den Weg der Parameterbestimmung
(Schritte der Werteermittlung, Begründung der Werte, Begründung von Annahmen)!
Alle nachfolgenden Untersuchungen können nur mittels eines Wasserhaushaltsmodells zufriedenstellend
bewerkstelligt werden. Bauen Sie im Folgenden das Wasserhaushaltsmodell (HELP bzw. BOWAM) auf
und führen Sie für alle Hydrotope die Wasserhaushaltsmodellierung durch!
Sie sollten die wesentlichen Simulationsergebnisse zum langjährig mittleren Verhalten der einzelnen
Hydrotope in kurzer Form darstellen (Tabellen, Grafiken), gegenüberstellen und interpretieren:
- Spannweiten der Werte der Wasserhaushaltsgrößen
- Ursachen für Unterschiede im Vergleich der Hydrotope
- ggf. Ursachen für (scheinbare oder tatsächliche) Ungereimtheiten
In einem letzten Schritt sollten Sie die langjährigen Mittel der Wasserhaushaltsgrößen für das gesamte
Untersuchungsgebiet (als flächengewichtetes Mittel aller Hydrotope) für beide Verfahren (BAGROV,
Wasserhaushaltsmodell) angeben, kurz gegenüber stellen und interpretieren.
4. Modellierung des wasserhaushaltlichen Verhaltens in Nass- und Trockenjahren
Wählen Sie zunächst ein repräsentatives Hydrotop aus, für das Sie die Untersuchungen zu Nass- und
Trockenjahren durchführen wollen. Begründen Sie die Auswahl! Wählen und begründen Sie die
Wiederkehrsintervalle, die Sie sowohl normalen (d. h. relativ häufig auftretenden) bzw. extremen
(seltenen) Nass- bzw. Trockenjahren zugrunde legen.
Ziel der folgenden Untersuchungen soll es sein, repräsentative hydrologische Jahre aus der verwendeten
meteorologischen Datenreihe herauszufiltern, die normalen bzw. extremen Nass- bzw. Trockenjahren
entsprechen. Für diese Untersuchungen sind die Jahresniederschlagssummen extremwertstatistisch zu
analysieren.
Sie sollten für die normalen Trocken- bzw. Nassjahre mehrere Jahre auswählen und Ihre Entscheidung,
welches der ausgewählten Jahre das repräsentativste ist, zunächst aufschieben und erst nach Analyse der
Modellergebnisse insbesondere unter Beachtung der simulierten Abflussmengen (vor allem der
unterirdischen Abflüsse) eine endgültige Entscheidung treffen. Dies hängt damit zusammen, dass ein
Nassjahr mit einem Wiederkehrsintervall von X Jahren noch keine Garantie dafür ist, dass alle anderen
Wasserhaushaltsgrößen automatisch auch ein Wiederkehrsintervall von X Jahren aufweisen.
Betrachten Sie sich deshalb die Wasserhaushaltsbilanzen für mehrere normale Nass- und Trockenjahre und
wählen Sie jeweils ein normales Nass- bzw. Trockenjahr aus, das Sie als repräsentativ ansehen (Ein
repräsentatives Nassjahr sollte z. B. überdurchschnittliche Versickerungsmengen aufweisen, ein repräsentatives Trockenjahr hingegen unterdurchschnittliche). Begründen Sie Ihre Entscheidungen!
Es ist durchaus wahrscheinlich, dass extreme Trocken- bzw. Nassjahre, d. h. solche mit großem
Wiederkehrsintervall in der Beobachtungsreihe nicht existent sind. In diesem Fall sollten Sie ein solches
Jahr näherungsweise dadurch synthetisieren, dass alle Monatswerte des Jahres, das dem Wiederkehrsintervall nahe kommt, mit einem konstanten Faktor abgeglichen werden. Dokumentieren Sie kurz den Weg zur
Ermittlung der extremen Nass- bzw. Trockenjahre!
Interpretieren Sie die Unterschiede der Jahresbilanzen im Vergleich zum langjährigen Mittel! Geben Sie
mögliche Unsicherheiten an, die das Ergebnis beeinflussen!
5. Wasserhaushaltliches Verhalten des Untersuchungsgebiets während hydrologisch
interessanter Perioden
Filtern Sie für ein ausgewähltes Hydrotop (Auswahl begründen!) hydrologisch besonders interessante
Perioden heraus! Dies können sein:
-
sommerliche Zehrperioden
Perioden mit deutlich vom Mittel abweichenden Niederschlägen
länger andauernde winterliche Frostperioden
Perioden mit deutlich erhöhten Sickerwassermengen
Charakterisieren Sie die ausgewählten Perioden hinsichtlich ihres wasserhaushaltlichen Verhaltens!
Folgende Kriterien sollten Sie nach Möglichkeit berücksichtigen:
-
Werte/Größenordnungen der einzelnen Elemente des Wasserhaushaltes
Abweichungen zum Normalen
Ursachen für Abweichungen
Häufigkeiten derartiger Perioden
Geben Sie bitte auch mögliche Gründe an, die zu Unsicherheiten Ihrer Charakteristik führen (welche
Informationen fehlen bzw. sind für eine genauere Charakteristik zu ungenau?).
6. Abschätzung der Veränderungen des langjährigen wasserhaushaltlichen Verhaltens in der Zukunft
Beschreiben Sie die prinzipielle Herangehensweise bezüglich der Berücksichtigung von zukünftigen
Klimaänderungen für Wasserhaushaltsuntersuchungen. Passen Sie die Werte einer ausgewählten Klimastation für Ihr Untersuchungsgebiet an! Begründen Sie die Auswahl der Klimastation und dokumentieren
Sie die Schritte der Anpassung! Anpassungen können analog den Untersuchungen zum Verhalten der
Vergangenheit z. B. prozentuale Erhöhungen/Verkleinerungen bzw. additive/subtraktive Zu-/Abschläge
sein. Nutzen Sie für den Abgleich, so möglich, den HAD, den NAU-Kartenwerk sowie die im Internet
(www.dwd.de) abrufbaren langjährigen Mittelwerte ausgewählter Klimaelemente.
Hinweis: Sie können aus Kostengründen im Zuge des Projekts nicht mit realen Klimaprojektionen/Klimadaten arbeiten. Sie können mögliche Klimaveränderungen folglich nur durch plausible Annahmen beschreiben und ganz grob quantifizieren.
Simulieren Sie das wasserhaushaltliche Verhalten eines ausgewählten Hydrotops für ausgewählte, jeweils
ca. 20 – 30 Jahre lange Zeiträume der Zukunft. Diskutieren Sie Unsicherheiten der Berechnungsergebnisse.
7. Beurteilung der Chancen einer Bewuchsentwicklung unter dem Gesichtspunkt
von Trockenstresssituationen
Prüfen Sie für das Hydrotop, das aus Ihrer Sicht am meisten austrocknungsgefährdet ist, ob aus Sicht des
Wasserhaushalts ganzjährig ausreichend gute Bedingungen bezüglich einer Bewuchsentwicklung vorhanden sind, in dem Sie die Austrocknungsverhältnisse im Wurzelraum untersuchen.
Führen Sie die Untersuchungen sowohl für den gegenwärtigen Zustand (Ausgangszustand) als auch für
ausgewählte, jeweils ca. 20 – 30 Jahre lange Zeiträume der Zukunft (analog Aufgabe 6) durch. Diskutieren
Sie die Stressrelevanz der Austrocknungsverhältnisse im Wurzelraum für die betrachteten Zeiträume sowie
ggf. notwendige Maßnahmen zur Verbesserung der Situation.
8. Konzept zur Verbesserung der wasserhaushaltlichen Situation
Erarbeiten Sie ein Konzept zur Verbesserung der wasserhaushaltlichen Situation im Untersuchungsgebiet!
Definieren Sie die Zielgrößen, die Ihnen als Maß für die Verbesserung der wasserhaushaltlichen Situation
dienen. Prüfen Sie die wasserhaushaltliche Wirksamkeit der erarbeiteten Lösungen durch entsprechende
Modellrechnungen.
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