Untersuchungen der längerfristigen Wechselwirkung zwischen Klima und Grundwasserständen auf der regionalen Skala Jan van Heyden1, Roland Barthel1, Thorben Römer1, András Bárdossy2 1Jungwissenschaftlergruppe Grundwasserhydraulik und Grundwasserwirtschaft, 2Lehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart

Untersuchungen der längerfristigen Wechselwirkung zwischen Klima und Grundwasserständen auf der regionalen Skala Motivation der Untersuchung Datenlage Ergebnisse Fazit und Ausblick

Glowa-Danube: Einzugsgebiet der oberen Donau Ao ca. 77.000 km² ‚Global Change‘ Folgen im Donaueinzugsgebiet (Wasser, Landnutzung, Landwirtschaft, Ökonomie, Tourismus ….) ‚Integrierter / Interdisziplinärer Ansatz: 12 Gruppen aus unterschiedlichen Disziplinen (Meteorologie … Tourismusforschung) Entscheidungs- Unterstützungs-System ‚DANUBIA‘, bestehend aus 16 voll gekoppelten Einzelmodellen A B A B Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Motivation und Zielsetzung „…Beurteilung des mengenmäßigen Zustands sämtlicher Grundwasserkörper oder Gruppen von Grundwasserkörpern einschließlich der Beurteilung der verfügbaren Grundwasserressource…“ (WRRL, 2000) Welches sind die wirksamen Einflüsse auf das längerfristige Verhalten des Grundwasser auf der regionalen Skala? In dieser Präsentation: Welchen Einfluss hat die Grundwasserneubildung aus Niederschlag? Lassen sich weitere Einflussfaktoren identifizieren? Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Ca. 800 ausgewählte GW-Messstellen Datenlage Auswahl an Messstellen anhand der Grund.- und Landesmessnetze der Länder Ca. 800 ausgewählte GW-Messstellen 535 über 10a 75 über 30a 25 über 50a Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Vergleich verschiedener Grundwasserstandsmessreihen Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Vergleich verschiedener Grundwasserstandsmessreihen Wie lässt sich die unterschiedliche Variabilität erklären? Viele verschiedene Einflussfaktoren Standortfaktoren (quasi stationär) (Hydro-) Geologie Mittlerer Flurabstand Landnutzung … Zu.-/Abflüsse (instationär) Grundwasserneubildung aus Niederschlag Oberflächenwasser - Grundwasserinteraktion Grundwasserentnahme Zusickerung aus anderen Grundwasserstockwerken Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Grundwasserneubildung aus Niederschlag Niederschlag – ET - RD Grundwasserneubildung aus Niederschlag ungesättigte Zone gesättigte Zone Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Grundwasserneubildung aus Niederschlag ? Niederschlag – ET - RD Grundwasserneubildung aus Niederschlag ? ? ungesättigte Zone ? Viele Unsicherheiten auf regionaler Skala Zeitlicher Versatz/Dämpfung? Zwischenabfluss ? ET ? gesättigte Zone Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Direkte Grundwasserneubildung ! ? Niederschlag – ET - RD Grundwasserneubildung aus Niederschlag ? ? ungesättigte Zone ? ! Viele Unsicherheiten auf regionaler Skala Zeitlicher Versatz/Dämpfung? Zwischenabfluss ? ET ? Längerfristig: Niederschlag ≈ Grundwasserstand gesättigte Zone Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Klima - Grundwasserinteraktion Erste Auswahl Zeitraum 1956-2006 10 GW Messstellen des Alluviums Sandig/kiesige Aquifere Mittlere Flurabstände 1,5m – 13,5m 7 benachbarte Klimastationen Entfernung 10 bis 40km Teils unterschiedliche EZG Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Absolutwerte des Niederschlags deutliche Unterschiede Übersicht Klima 648 mm 8.5 °C 1805 mm 6.3 °C Zeitraum 1956-2006 Absolutwerte des Niederschlags deutliche Unterschiede Mittlerer Jahresgang ähnlich Längerfristiges Verhalten auch ähnlich? Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Wie bestimmt man das „längerfristige“ mittlere Verhalten? Periodogram JG dominiert Kurzfristige Wellenlängen original Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Wie bestimmt man das „längerfristige“ mittlere Verhalten? JG dominiert Kurzfristige Wellenlängen LP Filter JG schwächer Langwellige Komponenten deutlicher original Wellenlängen kleiner 1a eliminiert Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Wie bestimmt man das „längerfristige“ mittlere Verhalten? JG dominiert Kurzfristige Wellenlängen LP Filter JG schwächer Langwellige Komponenten deutlicher JG eliminiert Nur längerfristiges Verhalten übrig original Wellenlängen kleiner 1a eliminiert Wellenlängen kleiner 2a eliminiert Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Vergleich des langfristigen Verhaltens von Klima und GW Vergleich Klimastationen untereinander Pearson Korrelation der gefilterten Zeitreihen Klimadaten zeigen mittlere bis stark positive Zusammenhänge untereinander Temperaturen zwischen 0.83 – 0.98 Niederschlag zwischen 0.51 – 0.88 Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Vergleich des langfristigen Verhaltens von Klima und GW Vergleich Klimastationen untereinander Pearson Korrelation der gefilterten Zeitreihen Klimadaten zeigen mittlere bis stark positive Zusammenhänge untereinander Temperaturen zwischen 0.83 – 0.98 Niederschlag zwischen 0.51 – 0.88 Längerfristiges Klimaverhalten für das Untersuchungsgebiet ähnlich! Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Vergleich des langfristigen Verhaltens von Klima und GW Vergleich Grundwassermessstellen Pearson Korrelation der gefilterten Zeitreihen Grundwasserstände überwiegend keine bis schwach positive Zusammenhänge untereinander Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Vergleich des langfristigen Verhaltens von Klima und GW Vergleich Grundwassermessstellen Pearson Korrelation der gefilterten Zeitreihen Grundwasserstände überwiegend keine bis schwach positive Zusammenhänge untereinander Größtenteils keine Zusammenhänge trotz ähnlichem Klimaverhalten Andere Einflussfaktoren Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Niederschlag - Grundwasserinteraktion Vergleich Klimastationen (Niederschlag) und Grundwassermessstellen Schwach bis stark positive Zusammenhänge (0,26 - 0,84) Zeitversatz 2 bis 60 Wochen Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Niederschlag - Grundwasserinteraktion Vergleich Klimastationen (Niederschlag) und Grundwassermessstellen Schwach bis stark positive Zusammenhänge (0,26 - 0,84) Zeitversatz 2 bis 60 Wochen Niederschlag je nach Standort wechselnd starker Einfluss Statt Niederschlag andere Einflussfaktoren dominierend? Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Niederschlag - Grundwasserinteraktion 1 km Donau Max. Korrelation 0,84 bei -28 Wochen Filtertiefe 0,6m – 5,0m Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Niederschlag - Grundwasserinteraktion Lineare Regression 58,7% der Varianz aus Niederschlag Wie lässt sich die restliche Variabilität erklären? Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Wie lässt sich die restliche Variabilität erklären? 1 km Donau 1,5 km Zusätzlich längerfristige Wasserstand Donau: 85,7% der Varianz Einflussfaktor: Oberflächengewässer Interaktion Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Wie lässt sich die restliche Variabilität erklären? 1 km Donau Kraftwerk Geisling BJ 1985 1,5 km Weitere Faktoren: Anthropogene Einflüsse Landnutzung Entnahmen? 1985 Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Fazit Anteil der durch Niederschlag erklärbaren längerfristigen Variabilität des Grundwasserstandes stark standortabhängig Zeitversatz von 2 bis 60 Wochen identifizierbar Wasserstand benachbarter Oberflächengewässer kann weitere Variabilitäten erklären Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Ausblick Einflussanteil Oberflächengewässer/Niederschlag Einfluss Temperatur (Verdunstung) Wechselwirkung unter Instationarität Anthropogene Einflüsse abgrenzen Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

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Übersicht Grundwasserstandszeitreihen 1 1 2 2 1 2 Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden

Beispiel Stausee Dingolfing Landau siehe Donauried Hessisches Ried 1 2 3 Tag der Hydrologie, 27.03.2009 Dipl.- Hydrol. Jan van Heyden