Modellierungswerkzeuge

Werkzeuge für die Modellrechnung und « Referenten »

Um prognosefähige Simulationen zur künftigen Qualität des Grundwassers durchführen zu können, und damit die Auswirkungen der menschlichen Aktivitäten im Rahmen der Fragestellung der diffusen Belastung durch Nitrat und Pflanzenbehandlungsmittel zu bewerten, ist es notwendig, mithilfe geeigneter Berechnungsmodelle die Mechanismen abzubilden, die im natürlichen Milieu wirksam sind.

Folgende grenzübergreifenden Instrumente stehen für den Grundwasserschutz im Oberrheingebiet zur Verfügung:

  • das Modell STOFFBILANZ zur Simulation des Nitrataustrags aus dem Boden, das grenzüberschreitend vom Landwirtschaftlichen Technologiezentrum Augustenberg (LTZ) gepflegt wird,
  • das Bodenwasserhaushaltsmodell GWN-BW zur Simulation der Grundwasserneubildung aus dem Niederschlag, das grenzübergreifend von der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW) gepflegt wird,
  • das numerische Grundwassermodell MODFLOW/MT3D zur Simulation der Grundwasserströmung und des Stofftransports, das grenzüberschreitend von der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW) gepflegt wird,
  • das Modul Q-Regio zur Berechnung der oberirdischen Abflüsse aus den Einzugsgebieten, das grenzüberschreitend von der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW) gepflegt wird und
  • das Modell MACRO zur Simulation des Austrags von Pflanzenschutzmitteln aus dem Boden, das grenzübergreifend vom Bureau de Recherches Géologiques et Minières (BRGM) gepflegt wird. 
  • das numerische Grundwassermodell zur Simulation der dichtebeeinflussten Salzausbreitung im südlichen Oberrheingraben zwischen Mulhouse im Südosten und Lahr im Nordwesten, das grenzübergreifend von der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW) gepflegt wird.

Die Datenbanken mit den modellrelevanten Daten zu einer Vielzahl von themenbezogenen Informationen über Geologie, Bodenkunde, Wasserführungen, Landwirtschaftliche Nutzung, Grundwasserqualität oder Grundwasserentnahmen sind im Metadatenkatalog (siehe Registerkarte “Datengrundanlagen“) zusammengestellt.

Das Modellsystem LOGAR

Die Werkzeuge zur Prognose der zukünftigen Belastung des Grundwassers mit Nitrat und Pflanzenschutzmitteln (PSM) im Oberrheingraben sind Modelle unterschiedlicher Konzeption und räumlicher bzw. zeitlicher Diskretisierung. Die Modellauswahl erfolgte im Wesentlichen unter dem Aspekt der Datenverfügbarkeit (raum-zeitliche Auflösung) und technischen Umsetzbarkeit. Zur Anwendung kamen numerische Simulationsmodelle (MODFLOW und MT3DMS sowie MACRO), ein deterministisches Bodenwasserhaushaltsmodell (GWN-BW), ein konzeptionelles Stickstoffbilanzmodell (STOFFBILANZ) und verschiedene Regressionsmodelle (QRegio, RheinWsp).

Die Modelle lassen sich einzelnen Modulen (Austrag von Nitrat und PSM aus dem Boden, Hydrologie, Grundwasser) zuordnen. Die Modelle sind untereinander mehr oder weniger eng gekoppelt. Der Austausch von Daten über Modellgrenzen hinweg erfolgt über definierte Datenformate. Im Folgenden werden die einzelnen Module einschließlich der darin verwendeten Modellansätze kurz beschrieben.

Couplage des modèles et flux des données

Abb. : Kopplung der Teilmodelle und Datenfluss

Modul Austrag von Nitrat und Pflanzenschutzmitteln aus dem Boden 

Der Nitrat-Austrag aus der Bodenzone wurde flächendeckend mit dem Modell STOFFBILANZ berechnet (Gebel, 2003). Es handelt sich um ein konzeptionelles N-Bilanzierungsmodell mit empirischen Berechnungsansätzen zur Quantifizierung einzelner Bilanzglieder (Mineralisierung, Denitrifikation). Das Modell wurde bereits im Rahmen des Projektes INTERREEG III-MoNit an regionale Gegebenheiten im Oberrhein angepasst (LUBW 2006, Finck 2010). Im aktuellen Projekt INTERREG IV-LOGAR (Région Alsace 2012) wurden weitere Modelloptimierungen vorgenommen, die darauf abzielen das standortbedingte Auswaschungsrisiko zu berücksichtigen und die Wirksamkeit von Bewirtschaftungsmaßnahmen abzubilden.

Mit dem Modell wird der jährliche N-Austrag mit einer räumlichen Auflösung von 500 x 500 m2 im inneren Projektgebiet (Lockergesteinsaquifer der Rheinebene) und 1.000 x 1.000 m2 im äußeren Projektgebiet (Einzugsgebiet des Schwarzwaldes und der Vogesen) berechnet. Für die Nutzungsformen Acker, Grünland, Weinbau und Obstbau, Nadelwald, Laubwald, Siedlung, Gewässer und Devastierung werden spezifische Bilanzierungsansätze verwendet. Die zur Bilanzierung notwendigen räumlichen Daten liegen entweder in annähernd flächendeckender Form vor (z. B. Bodeneigenschaften, Sickerwassermenge) oder es werden gebietsbezogene Informationen (z. B. Viehbesatz, Erträge) verwendet, die bestimmten räumlichen Einheiten wie Bewirtschaftungs­regionen, Gemeinden/Cantons oder Gemarkungen/Communes zuzuordnen sind. Beide Datentypen werden durch geeignete Aggregations- bzw. Regionalisierungsmethoden auf das Modellraster übertragen.

Da die Modelleingangsdaten für STOFFBILANZ nicht vollständig für ein Einzeljahr vorliegen und auch kein Einzeljahr mit besonders extremen Bedingungen (z.B. geringe Erträge in 2003) abgebildet werden sollte, wurden Mittelwerte generiert, welche die Situation um die Zeitpunkte 1980, 1990, 2000 und 2009 wiedergeben. Die zeitliche Auflösung der STOFFBILANZ-Berechnungen beträgt also 10 Jahre. Aus den Ergebnissen wurden durch Interpolation jährliche flächendeckende N-Austragsfrachten aus der Bodenzone generiert, welche als obere Randbedingung für den N-Eintrag an das Grundwassermodell übergeben wurden.

Der Austrag von Pflanzenschutzmitteln (PSM) aus dem Boden wurde mit MACRO, einem physikalisch-basierten eindimensionalen numerischen Modell für Sickerwasserbewegung und reaktiven Transport von gelösten Substanzen in Freilandböden; entwickelt in 1991 von Nicholas Jarvis, Swedish University of Agricultural Sciences (SLU), simuliert. Analog zur N-Austragsmodellierung wurde der PSM-Austrag für verschiedene Zeitschritte berechnet, wobei mittlere Abschätzungen zur Anwendungspraxis zu Grunde lagen. Die Berechnung erfolgte für repräsentative Standorteigenschaften (Boden-Niederschlag) in der Rheinebene. Die Ergebnisse zum Austrag von Atrazin und Desethylatrazin wurden unter Berücksichtigung der Kulturartenverteilung auf Gemarkungs-/Cantonebene räumlich differenziert und als PSM-Eintragsverteilung an das Grundwassermodell übergeben.

Modul Hydrologie 

Die lokale Grundwasserneubildung aus Niederschlag wurde mit Hilfe des Modells GWN-BW (Grundwasserneubildung-Bodenwasserhaushalt) bestimmt (Morhard 2010). GWN-BW ist ein deterministisches, flächendifferenziertes Modell zur Berechnung der tatsächlichen Evapotranspiration, zur Simulation des Bodenwasserhaushaltes sowie zur Bestimmung der unterhalb der durchwurzelten Bodenzone gebildeten Sickerwasserrate. In den einzelnen Teilmodulen von GWN-BW kommen sowohl physikalisch basierte als auch konzeptionelle Ansätze zur Beschreibung der an den Vorgängen von Verdunstung und Sickerwasserbildung beteiligten Prozesse zur Anwendung. Die Berechnung erfolgt auf Basis von Tagesschritten. Die räumliche Diskretisierung kann wahlweise durch beliebig aufgelöste Raster oder in Vektorgeometrien erfolgen. Die in Form von Stationswerten vorliegenden meteorologischen Eingangsdaten (Niederschlag, Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Sonnenscheindauer oder Globalstrahlung, Windstärke oder Windgeschwindigkeit) können nach verschiedenen Verfahren auf die Fläche übertragen werden. Alternativ ist die Vorgabe extern regionalisierter Daten möglich.

Im Rahmen von LOGAR wurden Klimadaten für den Zeitraum 01.01.1986 bis 31.12.2008 der folgenden Institutionen verwendet:

  • Deutscher Wetterdienst (DWD)
  • Meteo France
  • Meteo Schweiz
  • DRAF-SRPV Alsace
  • UMEG

Das Modell wurde in einer räumlichen Diskretisierung von 250m und 500m eingesetzt. Der Einfluss der unterschiedlichen Landnutzungen auf die Wasserbilanz wurde auf jeder Zelle entsprechend ihres Flächenanteils berücksichtigt.

Als Regionalisierungsansatz zur Ermittlung von Zuflüssen aus den oberirdischen Einzugsgebieten wurde QRegio angewendet (IWK 2005). Damit wurden für sämtliche Oberflächengewässer monatliche Zufluss­ganglinien am Rand des inneren Projektgebietes erzeugt. QRegio arbeitet auf der Basis monatlicher Gebietsniederschlagszeitreihen und einer gebietsspezifischen Regressions­beziehung zwischen Abfluss und mehreren Gebiets­kenngrößen (Formfaktoren, Landnutzung und Landschaftsfaktoren). Die Gebietsniederschlagszeitreihen wurden mit GWN-BW bereitgestellt. Die Regressions­beziehungen wurden für alle mit Pegeln ausgestatteten Zuflüsse aus Schwarzwald und Vogesen kalibriert.

Zur Ermittlung der täglichen Wasserspiegellagen des Rheins wurde eine vereinfachte Vorgehensweise durch Aufstellung von Wasserstands-Abflussbeziehungen (W-Q-Beziehungen) gewählt. Die W-Q-Beziehungen wurden entlang der benötigten Rheinstrecke an etwa 2.100 Querprofilen auf Grundlage der vorliegenden hydrodynamisch berechneten täglichen Wasserspiegel von 1986 bis 2002 (BAW 2005) sowie den gemessenen Abflüssen am Pegel Basel und den abschnittsweise hinzu addierten gemessenen Oberrheinzuflüssen für diese Zeitspanne aufgestellt. Um eine bestmögliche Approximation an die hydrodynamisch berechneten Wasserspiegellagen zu erzielen wurden in allen Querschnitten zwei Ausgleichskurven angepasst, die für den Abflussbereich unter 1000 m³/s sowie den Abflussbereich über 1000 m³/s verwendet wurden.

Modul Grundwasser 

Auf der Grundlage eines 3-dimensionalen hydrogeologischen Modells des Oberrheinaquifers wurde mit Hilfe von MODFLOW2000 (Harbaugh et al., 2000, USGS, 2006) die instationäre dreidimensionale Grundwasserströmung sowie mit MT3DMS der instationäre Transport und Abbau von Nitrat sowie der Transport von PSM im Grundwasser des Oberrheingrabens simuliert. Die räumliche Auflösung beträgt horizontal 100m, vertikal wurde der Aquifer in jeweils 10 Schichten variabler Mächtigkeit aufgelöst (LUBW 2006).

Das Strömungsmodell wurde unter Berücksichtigung folgender hydraulischer Randbedingungen aufgebaut:

  • Grundwasserneubildung aus Niederschlag als flächenhafte Zuflussrandbedingung
  • Leakagerandbedingung an dem feinmaschigen Netz der Fließgewässer und Baggerseen mit jeweils gekoppelter Wasserbilanzbetrachtung
  • Leakagerandbedingung für den Rhein und den Rheinseitenkanal mit vorgegebenem Potenzial aus der numerischen Wasserspiegelberechnung
  • Grundwasserentnahmen als Randbedingung 2. Art
  • Unterirdischer Zufluss an den Grabenrändern, der über eine Bilanzierung der angrenzenden oberirdischen Einzugsgebiete bestimmt wurde

Mit einer monatlichen Zeitdiskretisierung wurden die saisonalen und langjährigen Schwankungen der Grundwasserverhältnisse im Zeitraum 01.01.1986 bis 31.12.2008 im numerischen Modell erfasst, wobei folgende Randbedingungen instationär angesetzt wurden:

  • Monatliche Grundwasserneubildung aus Niederschlag
  • Monatlicher Zufluss in den oberirdischen Gewässern am Grabenrand
  • Mittlere monatliche Wasserspiegel im Rhein und Rheinkanal
  • Monatliche bzw. auch jährliche Grundwasserentnahmen in Abhängigkeit der verfügbaren Daten

Die langjährigen Nitrattransportrechnungen wurden für den Zeitraum 1950 bis 2009 durchgeführt (Lang & Durach 2012). Grundlage war das stationäre Strömungsfeld aus der Eichung für mittlere Grundwasserverhältnisse (20.10.1986).

Die im Projekt realisierte Kopplung der Modelle und der Datenfluss zwischen den Einzelmodellen ist in Abb. 1 dargestellt.

Literatur

Armbruster, V. (2002): Grundwasserneubildung in Baden-Württemberg. Dissertation. Freiburger Schriften zur Hydrologie, Bd.17, Institut für Hydrologie, Universität Freiburg.
BAW (2005): Wasserspiegellagen des Rheins zwischen Basel und Karlsruhe von 1996 bis 2002, Tagesmittelwerte. Unveröffentlichter Bericht. Karlsruhe.
Elsass .P. Surdyk.N. (2009): Etude prospective de l’évolution des concentrations en phytosanitaires en nappe d’Alsace. Rapport BRGM/RP-57404-FR à la commande de l’Agence de l’Eau Rhin-Meuse
Finck (2010): Modellierung des N-Austrags unter besonderer Berücksichtigung regionaler N-Umsetzungsprozesse. Hohenheimer Bodenkundliche Hefte (96), S. 271.
Gebel, M. (2003): Die Berücksichtigung von N-Umsatzprozessen auf Ackerflächen bei der Quantifizierung diffuser Stickstoffeinträge in Flussgebieten mit dem Modell STOFFBILANZ. In: Geoökodynamik 24 (3/4), 249-259.
Harbaugh, A.W., Banta, E.R., Hill, M.C., and McDonald, M.G. (2000): MODFLOW-2000, the U.S. Geological Survey modular ground-water model — User guide to modularization concepts and the Ground-Water Flow Process: U.S. Geological Survey Open-File Report 00-92.
IWK (2005): Bereitstellung von Zuflussdaten auf französischer und deutscher Seite des Grundwassermodells des Oberrheingrabens (INTERREG III). Institut für Wasserwirtschaft und Kulturtechnik der Universität Karlsruhe.
Lang, U. & Durach, A. (2012): Révision de modèle hydrodynamique transfrontalier, actualisation du transport de nitrates et réalisation de simulations de scénarios complémentaires. Ingenieurgesellschaft Prof. Kobus und Partner GmbH im Auftrag der Région Alsace (Projet INTERREG IV LOGAR, 2012). Stuttgart.
LUBW (2006): Prognosen zur Entwicklung der Nitratbelastung / Perspectives d’évolution de la pollution par les nitrates. Abschlussbericht zum INTERREG IIIA-Projekt Modellierung der Grundwasserbelastung durch Nitrat im Oberrheingraben (MoNit). LUBW Karlsruhe (Hrsg.).
LUBW (2006): Grundwasserströmung und Nitrattransport / Modélisation hydrodynamique et transport des nitrates. Teilprojektbericht zum INTERREG IIIA-Projekt Modellierung der Grundwasserbelastung durch Nitrat im Oberrheingraben (MoNit). LUBW Karlsruhe (Hrsg.).
Menzel, L. (1997): Modellierung der Evapotranspiration im System Boden-Pflanze-Atmosphäre. Zürcher Geographische Schriften, Nr. 67. Geographisches Institut ETH, Zürich.
Morhard, A. (2010): Aktualisierung des grenzüberschreitenden Bestands an Klimadaten und Berechnung der flächenhaften Grundwasserneubildung für den Grundwasserkörper im Oberrheingraben zwischen Basel und Karlsruhe und die angrenzenden oberirdischen Einzugsgebiete. GIT Hydros Consult GmbH im Auftrag der Région Alsace. Freiburg.
Surdyk.N., Urban.S.(2011): Modélisation des transferts de produits phytosanitaires dans les sols de la vallée du Rhin Supérieur. Rapport BRGM/RP-60246-FR à la commande de la Région Alsace (Projet INTERREG IV-LOGAR, 2012)
USGS (2006): http://water.usgs.gov/nrp/gwsoftware/modflow2000/modflow2000.html (10.3.2006).

Modul Austrag Nitrat / PSM Modul Hydrologie Modul Grundwasser