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Band/volume 17: ARMBRUSTER V. (2002): Grundwasserneubildung in Baden-Württemberg

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer Methode zur Bestimmung der langjährigen mittleren Grundwasserneubildung aus Niederschlag für großskalige Untersuchungsgebiete. Die Methode sollte die Einflüsse von Klima, Landnutzung, Böden, Grundwasser und Hydrogeologie auf die für die Grundwasserneubildung entscheidenden Prozesse der Verdunstung und Abflussbildung angemessen berücksichtigen. Ein Schwerpunkt war die Bestimmung der Grundwasserneubildung für Festgesteinsgebiete mit lateralem Abfluss. Dies beinhaltete die Ableitung eines verbesserten Ansatzes zur Beschreibung der schnellen lateralen Abflusskomponenten in der Makroskala. Die Methode wurde in Baden- Württemberg für die Periode 1961-1990 angewandt. Die Grundwasserneubildung GWN wird nach der Gleichung:

GWN = (N- V). (Qbas/Qges)

berechnet, indem vom Niederschlag N zunächst die Verlustgröße Verdunstung V abgezogen wird. In einem zweiten Schritt wird die Verlustgröße der schnellen lateralen Abflusskomponenten berücksichtigt, indem der resultierende Gesamtabfluss mit dem Quotienten Basisabfluss/Gesamtabfluss Qbas/Qges multipliziert wird.
Mit dem neu entwickelten detaillierten Verdunstungsmodell TRAIN-GWN (TRAnspirationINterzeption-GrundWasserNeubildung) wurden für gesamt Baden-Württemberg einheitlich Niederschlag und Verdunstung berechnet. Das Modell basiert auf dem Verdunstungsmodell TRAIN (MENZEL 1997a, 1999). TRAIN-GWN enthält konzeptionelle und physikalisch basierte Module, arbeitet in Tagesschritten auf einem 500 m x 500 m Raster und simuliert Verdunstung und Sickerung aus dem Boden. Im Folgenden werden die beinhalteten Module aufgeführt. Das Schneemodul basiert auf dem Tag-Grad-Verfahren. Das Bodenmodul gemäß dem HBV-Einzugsgebietsmodell und kapillarer Aufstieg entsprechend der Bodenkundlichen Kartieranleitung (AG BODEN 1994) wurden neu integriert. Die ebenfalls als Komponente neu aufgenommene Interpolation meteorologischer Eingangsdaten basiert auf einer Kombination von Nachbarschaftsbeziehung und Höhenabhängigkeit. Strahlungsberechnung, Interzeptionsberechnung nach der Theorie des latenten Wärmeübergangs gekrümmter Wasserflächen und Evapotranspiration gemäß dem Penman-Monteith-Ansatz sind stark physikalisch basiert. Es wurden umfangreiche Sensitivitätsanalysen durchgefiihrt. Die mittlere jährliche Grundwasserneubildung reagiert sensitiv gegenüber verschiedenen Landnutzungsparametern, insbesondere dem Blattflächenindex, und gegenüber den beiden Bodenparametern. Bei den meteorologischen Eingangsdaten ist vor allem der Niederschlag sehr sensitiv. Die Ergebnisse unterstreichen den Übersichtscharakter der langjährigen mittleren Grundwasserneubildung, der in den Eingangsdaten, jedoch nicht in der Methode begründet ist.
Für Acker und Grünland wurde das Modell an gemessenen Werten von Verdunstung und Grundwasserneubildung eines wägbaren und 20 nicht wägbarer Lysimeter überprüft. Dabei wurde eine Schätzfunktion zur Regionalisierung des empirischen Bodenparameters BETA abgeleitet und die Güte der Grundwasserneubildungssimulation auf Wochen- und Monatsbasis bewertet. Die Ergebnisse bestätigen das Bodenmodulkonzept, das Sickerung vor Erreichen der maximalen Bodenfeuchte zulässt. Es konnte sowohl die Jahressumme der Grundwasser- neubildung ohne systematische Differenz mit einem mittleren Abweichungsbetrag von 8%, als auch die innerjährliche Variation gut wiedergegeben werden. Ein Vergleich der Verdunstung mit Berechnungsergebnissen des Modells VEKOS (KLÄMT 1988) zeigt zwar eine gute Übereinstimmung der Jahressummen, jedoch erhebliche Abweichungen im Winterhalbjahr, die wahrscheinlich den Grund darin haben, dass TRAIN-GWN die Bodenevaporation nicht explizit simuliert.
Weiterhin wurde TRAIN-GWN an gemessenen Abflüssen von zehn vorwiegend bewaldeten, in den Mittelgebirgen liegenden Pegeleinzugsgebieten validiert. Die langjährigen Abflüsse werden vom Modell systematisch um 8% überschätzt. Ein Vergleich von Gebietsverdunstung und -niederschlag mit Werten nach Verfahren des Hydrologischen Atlasses von Deutschland ergab, dass die Verdunstung von TRAIN-GWN durchschnittlich 5% höher liegt. Der Niederschlag zeigt zwar keine systematische Abweichung, differiert in einzelnen Gebieten jedoch um bis zu 7%. Dies zeigt die Schwierigkeit der Niederschlagsermittlung im Gebirge, die bei der Berechnung der Grundwasserneubildung eine bedeutende Fehlerquelle darstellt. Die Ergebnisse deuten auf eine leichte systematische Überschätzung des Niederschlags hin.
Die räumliche Verteilung der langjährigen mittleren Verdunstung ist geprägt von den Einflussfaktoren Klima, Landnutzung, Böden und Grundwasser. Der Mittelwert beläuft sich auf 555 mm, für Acker und Grünland beträgt er 533 mm, für Wald 635 mm.
In Gebieten mit schnellen lateralen Abflusskomponenten wird diese Verlustgröße mit Hilfe des langjährigen mittleren Quotienten Qbas/Qges beschrieben. Dabei wurde der Basisabfluss mit einem modifizierten Wundt/Kille-Verfahren, dem Demuth-Verfahren, aus der Abflussganglinie ermittelt. Der damit bestimmte Basisabfluss zu Niedrigwasserzeiten ist nicht gleichzusetzen mit Basisabfluss, der sich durch Herkunftsraum und Fließweg definiert. Im Testeinzugs gebiet der Brugga im kristallinen Hochschwarzwald beispielsweise setzt er sich neben dem Festgesteinsgrundwasser zusätzlich aus langsamem Hanggrundwasser, dem Zwischenabfluss, zusammen. Da das gewählte Demuth-Verfahren auf Abflussdaten basiert, stand ein genügend großes Datenkollektiv zur Regionalisierung des Quotienten mit Hilfe der multiplen linearen Regression zur Verfügung. Die ermittelten Quotienten der 105 Testeinzugsgebiete bewegen sich zwischen 16% und 80% Basisabflussanteil und sind skalenunabhängig. Das Regressionsmodell wurde an einem Kalibrierungsdatensatz von 70 Einzugsgebieten und deren Gebietsmerkmalen entwickelt. Es umfasst elf Gebietsparameter, die zur Beschreibung der Abflussbildung plausibel sind. Die Merkmale charakterisieren Böden, Geologie, Hydrogeologie und Gewässernetzdichte. Niederschlags- und Reliefparameter waren statistisch nicht signifikant. Die hohe Güte des Modells mit einem Bestimmtheitsmaß von 0,76 konnte an einem unabhängigen Validierungsdatensatz von 35 Einzugsgebieten mit einem Bestimmtheitsmaß von 0,74 bestätigt werden.
Es erfolgte eine Raumgliederung Baden- Württembergs in Gebiete ohne schnelle laterale Abflusskomponenten, vornehmlich gut durchlässige, reliefarme Lockergesteinsbereiche, und Gebiete mit lateralen Komponenten. Letztere wurden in 1696 Einzugsgebiete untergliedert, mit deren Gebietsmerkmalen Qbas/Qges regionalisiert wurde. Die räumliche Verteilung von Qbas/Qges spiegelt die naturräumlichen Unterschiede Baden- Württembergs plausibel wider.
Die Grundwasserneubildung ergibt sich aus der Verknüpfung des langjährigen mittleren Gesamtabflusses mit dem regionalisierten Qbas/Qges. Niederschlag und Qbas/Qges prägen stark die großräumige Variabilität der Grundwasserneubildung, die Verdunstung und deren Einflussfaktoren hingegen die kleinräumige. Der Mittelwert in Baden- Württemberg beträgt 237 mm, 86% der Fläche weisen Werte zwischen 50 und 400 mm auf. TRAIN-GWN kann auf der hohen zeitlichen Auflösung den innerjährlichen Verlauf und die Neubildung von Einzeljahren bereitstellen. Letztere variieren erheblich, so dass der Mittelwert nur als Näherung rur Einzeljahre betrachtet werden kann.
Die Kombination eines detaillierten Verdunstungsmodells mit dem langjährigen mittleren Quotienten Qbas/Qges stellt einen neuen Ansatz zur Bestimmung der Grundwasserneubildung aus Niederschlag dar. Er beinhaltet eine verbesserte Methode zur Berücksichtigung schneller lateraler Abflusskomponenten in der Makroskala. Sie stützt sich auf zahlreiche verfügbare Gebietsmerkmale, deren Relevanz für die Abflussbildung gegeben ist. Das Verfahren ist sowohl in Locker- als auch in Festgestein anwendbar. Mit seiner Anwendung in Baden-Württemberg liegt die Grundwasserneubildung im gesamten Land erstmals flächendeckend nach einheitlicher Methode vor. Das Verfahren bietet sich für zahlreiche wasserwirtschaftliche Fragestellungen an. Die langjährige mittlere Grundwasserneubildung dient als Planungsgrundlage für nachhaltige Ressourcennutzung, Monatswerte als Eingangsdaten für instationäre Grundwassermodelle. Mit dem Ansatz können Auswirkungen von Klimaänderungen auf die Grundwasserneubildung und deren innerjährliche Verteilung abgeschätzt werden.

english summary: 

The objective ofthis study was the development of a method to determine the lang term mean groundwater recharge from precipitation für large scale areas. This method was supposed to account für the influence of climate, land use, soil and groundwater level on the goveming processes of evapotranspiration and runoff generation. Olle focus of the study was the determination of groundwater recharge in hard rock regions. This implied to improve the description of fast lateral runoff components in the macro scale. The method was applied in the federal state of Baden-Württemberg für the time period 1961-1990. Groundwater recharge GWR is determined according to following equation:

GWR = (P-ET)' (Dbas/Dtot)

In a first step the sink term Evapotranspiration ET is subtracted from Precipitation P. In a second step fast lateral runoff components are considered by multiplying the resulting total discharge with the ratio of baseflow divided by total discharge Dbas/Dtot.
The detailed evapotranspiration model TRAIN-GWN (TRAnspirationINterzeption-GrundWasserNeubildung) was newly developed in this study. Its application provides precipitation and evapotranspiration für the whole study area. The model is based on the evapotranspiration model TRAIN (MENZEL 1997a, 1999). TRAIN-GWN consists of conceptual and physically based modules. It works on a daily time step on a 500 m x 500 m grid and simulates evapotranspiration and percolation out of the rooted soil zone. The snow module is based on the degree dar method. The soil module according to the HBV -model and capillary rise according to the 'Bodenkundliche Kartieranleitung' (AG BODEN 1994) are newly integrated. Another new module is the interpolation of meteorological input data, based on a combination of Inverse Distance Weight and a regression on altitude. Radiation calculation, interception according to the theory of latent heat transfer over droplets, and evapotranspiration according to the Penman-Monteith-relation are strongly physically based components. Extended sensitivity analysis were conducted. The lang term mean groundwater recharge is sensitive to different land use parameters, especially the leaf area index and to the two soi! parameters. Among the meteorological input data, precipitation hag a large impact on recharge.
For the land use agriculture and grass the model was validated on measured evapotranspiration and percolation of Olle weighable and twenty non-weighable lysimeters. A regionalization function für the empirical soil parameter BETA was derived and groundwater recharge was simulated on a weekly and monthly basis. The results confmn the concept of the soi! module, accounting für percolation before maximum soil water content is reached. The mean ready groundwater recharge could be determined without systematic deviation, showing a mean deviation of 8%. In addition, the inter-annual variation could be reproduced weIl. A comparison of the evapotranspiration with results of the model VEKOS (KLÄMT 1988) showed good agreement of ready totals, while considerable deviations occurred in winter times. This might be due to the fact, thai TRAIN-GWN does not simulate soil evaporation separately.
In a next step TRAIN-GWN was validated on measured discharge of tell mainly forested, mountainous catchments. The systematic overestimation of the modeled lang term discharge amounts to 8%. Furthermore, catchment evapotranspiration and precipitation were compared to values from the Hydrological Atlas of Germany. Evapotranspiration is weIl comparable, with TRAIN-GWN showing only 5% higher values. Precipitation does not show systematic deviation, while single catchments show differences ofup to 7%. This demonstrates the difficulties of precipitation determination in mountains, which presents a main source of erraT für groundwater recharge simulations. Overall the results show, that precipitation is slightly overestimated.
The spatial distribution of the lang term mean evapotranspiration is influenced by climate, land use, soils and groundwater levels. The mean evapotranspiration für the whole study area amounts to 555 mm, the mean für agricultural areas and grasslands is 533 mm, while it is 635 mm für forests.
In areas with fast lateral runoff components this sink term is accounted für by the lang term mean ratio of baseflow divided by total discharge (Dbas/Dtot). Base flow was determined from time series of discharge, using a modified Wundt/Kille-method, the Demuth-method. This results in baseflow during low flow conditions, which is not the same as baseflow, defmed by source areas and flow paths. In the mountainous crystalline test catchment Brugga in the Black Forest, für example, the baseflow according to the Demuth-method originates from slow inter flow from the debris cover of slopes in addition to groundwater from hard rock aquifers. Since the used Demuth-method is based on discharge data, the data base is large enough to allow the regionalization of the ratio with a multiple linear regression. 105 test catchments were selected. Their determined Dbas/Dtot ranges from 16 to 80% and is scale independent. The regression model was developed based on a calibration data set of 70 catchments and their characteristics. The model consists of eleven catchment parameters, which are all plausible to describe runoff generation. They characterize soils, geology, hydrogeology and drainage density. Parameters describing precipitation and topography were statistically insignificant. Model performance is satisfying with a coefficient of determination of 0.76. Its validation on an independent data set of 35 catchments yield a coefficient of determination of 0.74, confirming the developed model.
In a next step Baden- Württemberg was delineated into areas without fast lateral runoff components, mainly weIl permeable alluvial aquifers, and into areas with lateral components. The latter Olles were further subdivided into 1669 sub catchments. On the basis of their characteristics Dbas/Dtot was regionalized. The spatial distribution of Dbas/Dtot plausibly reflects the physiographic differences of the regions.
Groundwater recharge results from the combination of the lang term mean total discharge with the regionalized Dbas/Dtot. Precipitation and Dbas/Dtot strongly influence the large scale variability of the groundwater recharge, while the small scale variability is mainly govemed by evapotranspiration and its influencing factors. The mean evapotranspiration in Baden-Württemberg amounts to 237 mm, 86% of the area shows values between 50 and 400 mm. Due to the high temporal resolution, TRAIN-GWN can simulate the inter-annual distribution of groundwater recharge, in addition to values of single years. As the latter vary strongly, the lang term mean groundwater recharge can only be considered as a first estimate für single years.
The combination of the detailed evapotranspiration model with the lang term mean Dbas/Dtot presents a new approach in the modeling of groundwater recharge from precipitation. It contains an improved method to ac count für fast ateral runoff components in the macro scale.. This method is based on several catchment characteristics, being plausible für runoff generation. Required input data sets are available für most large scale study areas. The approach is applicable in alluvial aquifers as weIl as in hard rock regions. With its application in BadenWürttemberg spatially detailed groundwater recharge, determined with a unique method, is available in the whole federal state für the fIrst time. The approach presents an adequate tool für different practical questions ofwater management. Long term mean groundwater recharge is the basis für the sustainable management of groundwater resources, while monthly time series are needed für transient groundwater models. Impacts of climate change on groundwater recharge and its inter annual variation can also be estimated.

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