Teilprojekt 2: Oberflächen- und Bodenwasserregime Auenwaldökologie Teilprojekt 2: Oberflächen- und Bodenwasserregime Leiter: Prof. Dr.-Ing. habil. Gerd H. Schmitz, Dr. Franz Lennartz; Bearbeiter: Heike Puhlmann, Alexander Hartung Einleitung Die Lebensbedingungen der Auenwälder werden in entscheidendem Maße durch die Langzeitdynamik eines Flusses bestimmt. Diese den Standort prägende Beeinflussung geht von dem gesamten hydrologischen Regime aus, umfasst also sowohl Überschwemmungs- wie Trockenperioden und Mittelwasserbedingungen. Da im Auenbereich der Flusswasserspiegel und der Grundwasserspiegel in enger Wechselwirkung stehen, beeinflusst demzufolge der Flusswasserstand die Standortbedingungen. In diesem Zusammenhang stellen insbesondere Perioden mit, für das Pflanzenwachstum, kritischen Bereichen des Bodenwassergehaltes einen grundlegenden Einflussfaktor dar. Die Analyse der Wachstumsbedingungen für eine nachhaltige Renaturierung der Auenwälder erfordert deshalb eine Quantifizierung der Zusammenhänge zwischen Bestandesentwicklung und der Dauer und Häufigkeit bestimmter Oberflächen-, Grund- und Bodenwasserregime. 1 Ziel Die Erfassung des gekoppelten hydrologischen Regimes von Oberflächen-, Boden- und Grundwasser soll erlauben, standortprägende langfristige hydrologisch / meteorologische Charakteristika - im Sinne von Standorttypen - abzuleiten. Im Mittelpunkt steht eine Synthese aus einer, im Rahmen der finanziellen Möglichkeiten umfassenden Messkampagne (Feld- und Labormessungen) mit der Modellierung des langfristigen Bodenwasserhaushaltsregimes und seinen natürlichen Schwankungen. Die Modellierung erfolgt auf der Basis physikalisch begründeter numerischer Strömungsmodelle. Meteorologische Randbedingungen (z.B. Niederschlag) sowie hydrologische Randbedingungen (z.B. Flusswasserstand, Grundwasserstand) gehen dabei mit ihrer natürlichen, für die Aue charakteristischen, Variabilität (Stochastizität) in die Modellierung ein. Für die hydrologisch / meteorologischen Standortbedingungen der Elbe-Auenwälder werden die standortprägenden hydrologischen Regime in Form von Erwartungswerten und Varianzen abgeleitet. Klima - Nutzung verfügbarer Niederschlagsreihen des DWD; - zusätzlich eigene Messungen im Untersuchungsgebiet (Niederschlag, Windgeschwindigkeit, -richtung, Luftfeuchte, -temperatur, Globalstrahlung, PAR-Strahlung) - Modellierung der Verdunstung mit Penman-Monteith-Ansatz Oberflächenwasser - Übertragung der am Pegel Dessau gemessenen Ganglinie ins Untersuchungsgebiet - zusätzlich zeitlich hoch aufgelöste Messungen im Untersuchungsgebiet (Wasserstand der Elbe und des Altwassers) Grundwasser - Messung des Grundwasserstandes in mehreren Beobachtungsrohren (stündlich bzw. wöchentlich) - Aufbau des analytischen Grundwassermodells Bodenmodell - Bestimmung der bodenhydraulischen Parameter in Felduntersuchungen und mit Hilfe von Labormethoden - Umbau des vorhandenen numerischen Bodenwasserströmungsmodells in Hinsicht auf Verarbeitung stochastischer Beschreibungen der Randbedingungen Vegetation - Einbeziehung pflanzenphysiologischer Werte anderer Teilprojekte zur Modellierung der Transpiration Abb. 2: Modellkomponenten - Datenerhebung und Modellerierungskonzept. 2 Untersuchungsgebiet - Lage: NSG“ Saalberghau“ im Biosphärenreservat „Mittlere Elbe“ nordwestlich von Dessau, Elbe-km 265, Flussniederung mit alluvialen Ablagerungen - Geländehöhe: etwa 55 m über NN; weitläufig nur geringe Reliefausbildung; in Stromnähe Hochflutrinnen und Niederterrassen; 3 Datenerhebung Der eigentlichen Modellierung des Bodenwasserhaushalts im Untersuchungsgebiet muss eine Erfassung der aufgabenrelevanten physischen Charakteristika vorangehen, d.h. vor allem die Erhebung der bodenhydraulischen Kennwerte an mehreren Standorten.Weitere Grundlage für die Modellierung des Bodenwasserregimes ist die Erhebung von Messdaten, die der Beschreibung der Randbedingungen des Modells dienen. Im Untersuchungsgebiet NSG Saalberghau (Elbe-km 264.0 bis 264.4) werden umfangreiche Messungen durchgeführt, um - Wassergehalt und Saugspannungen in verschiedenen - Wasserstände in Elbe und Altwasser - Grundwasserstände - Klimatologische Größen (Niederschlag, Windrichtung, -geschwindigkeit, Lufttemperatur, -feuchte, Globalstrahlung) zu erfassen (siehe Abb. 2). Die Bestimmung der Parameter für den Feuchterückhalt und die Leitfähigkeit der Böden erfolgt vorrangig im Labor, wobei im Mittelpunkt die Anwendung der sogenannten “inversen Methode” steht. Dazu wurde eine automatische Laborstation entwickelt, in welcher natürliche Bodenmonolithe in beliebigen Druckstufen be- und entwässert werden können. Intensivmessfeld - Tensiometer und TDR-Sonden in verschiedenen Tiefen - zwei Grundwassermesstellen - Wasserstandsmessung im Altwasser Grundwasserstands- und Flusswasserstandsmessung Grundwasserstandsmessung Klimamessung Abb. 1: Übersichstkarte des Untersuchungsgebietes. Modellierung der Grundwasseroberfläche Im Bereich der Grundwassermodellierung hat die Laplacegleichung eine zentrale Bedeutung. Ansätze zu deren analytischer Lösung existieren schon seit Anfang diesen Jahrhunderts, der erste stammt von Polubarinova-Kochina (1952). Um zu einer Lösung zu gelangen, verwendete sie, wie auch alle anderen Forscher nach ihr, einen vereinfachten Ansatz. Jetzt ist es gelungen, eine Lösung zu präsentieren, die keine vereinfachenden Annahmen mehr benötigt. Eine typische Problemstellung ist zum Beispiel die 2-dimensionale Modellierung eines homogenen und isotropen Grundwasserleiters, mit folgenden Voraussetzungen: er ist horizontal unbegrenzt, er verfügt über eine ausreichende Mächtigkeit und ist nach unten hin durch eine undurchlässige Schicht begrenzt. An der Bodenoberfläche können sich beliebig viele Formen von In- oder Exfiltrationen (z.B. Gräben, Dränagen, Flüsse) in beliebigem Abstand befinden, diese werden als parallel und gleichförmig vorausgesetzt. Die Beschreibung der In/Exfiltration im Modell wird in Form eines Polygonzuges realisiert, damit natürliche Verhältnisse mit der größtmöglichen Flexibilität beschrieben werden können. Das neu entwickelte Modell verwendet die exakte analytische Lösung der 2-dimensionalen Laplacegleichung. Es kommt ohne Linearisierungen oder andere Vereinfachungen wie zum Beispiel die sehr häufig verwendete Dupuit-Annahme aus. Die Vorteile diese Vorgehens liegen dabei klar auf der Hand: Erstens erhält man durch die analytische Lösung ein stabil laufendes und sehr schnell rechnendes Programm, dass keine numerischen Unsicherheiten wie nicht konvergierende Iterationen mehr enthält. Zweitens ist die verwendete Laplacegleichung in ihrem Ansatz so allgemein, dass sie sich zur Beschreibung und Lösung vieler praktischer Probleme hervorragend eignet. Drittens zeigte das Modell in Testläufen eine problemlose Anpassung auch an sehr steile Gradienten der Grundwasseroberfläche. Dies wurde anhand von Laborversuchen mit einem sandgefüllten Gerinne als künstlicher Grundwasserleiter überprüft. Oft wechselnde Zustände von Infiltration und Exfiltration in Kombination mit natürlichen, also selten symmetrischen Formen sind charakteristisch für die Auen. Gerade für diese komplizierten Zusammenhänge eignen sich nur stabile Modelle, die die natürlichen Verhältnisse aber mit der nötigen Genauigkeit und Komplexität erfassen und auch simulieren können. 2D Laplace Gleichung: Modellierung des Bodenwasserhaushaltes Einen Projektschwerpunkt stellt die Modellierung des Bodenwasserhaushaltes im Untersuchungsgebiet dar. Diese wird im wesentlichen durch folgende Aufgabenbereiche abgedeckt: Feldmessungen von Saugspannungen und Bodenfeuchten im Untersuchungsgebiet Ermittlung der bodenhydraulischen Charakteristika Weiterentwicklung eines vorhandenen Bodenwasserströmungsmodells zur Verarbeitung stochastischer Randbedingungen 1 Theorie der Bodenwasserströmung Für Böden, welche homogene und isotrope Eigenschaften besitzen, und deren Struktur unveränderlich ist, kann der ungesättigte Fluss unter isothermen Bedingungen durch das Buckingham-Darcy-Gesetz (Richards-Gleichung) beschrieben werden: Um den ungesättigten Wassertransport mit Hilfe der Richards-Gleichung modellieren zu können, müssen die Zusammenhänge Bodenfeuchte – Saugspannung und hydraulische Leitfähigkeit – Saugspannung des betrachteten Bodens bekannt sein. Untere Randbedingung: Obere Randbedingung: K= Durchlässigkeitskoeffizient N(x) = In/Exfiltrationsfunktion Abb. 3: Vorgehensweise bei der inversen Parameteridentifizierung. 2 Ermittlung der bodenhydraulischen Charakteristika Die Parameter der Saugspannung-Sättigungs-Beziehung (Retentionsvermögen) und der Saugspannung-Leitfähigkeits-Beziehung (Wasserleitvermögen) können auf verschiedenen Wegen gefunden werden. Ein flexibles Verfahren stellt die inverse Parameterbestimmung aus transienten Infiltrationsversuchen im Labor dar. Hierbei kann das Fließproblem für beliebige Anfangs- und Randbedingungen formuliert werden und mit entsprechenden analytischen oder numerischen Methoden gelöst werden. Eine Möglichkeit der inversen Parameterbestimmung ist die Annahme eines bodenhydraulischen Modells und die Bestimmung der Parameter dieses Modells unter Verwendung eines Optimierungsalgorithmus. Je nach Versuchsanordnung kann die Zielfunktion die Abweichung der berechneten von gemessenen Flüssen, Saugspannungen, Wassergehalten oder anderen Eigenschaften, welche den ungesättigten Fluss beschreiben, sein. Die inverse Parameterbestimmung erfolgt in zwei Schritten: 1. Vorwärtssimulation Unter beliebigen Anfangs- und Randbedingungen wird die Fließgleichung mit geschätzten Parametern für das bodenhydraulische Modell direkt gelöst. 2. Nachlaufrechnung In einer nichtlinearen Parameteroptimierung werden die Parameter solange verändert, bis der (beobachtete) Modellinput dem (berechneten) Modelloutput entspricht. Abbildung 3 verdeutlicht die Vorgehensweise bei der inversen Parameteridentifizierung. Beregner 140 Kanülen über gesamte Querschnittsfläche Bodenprobe Tensiometer 1 - 6 Einbautiefen 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 cm von oben TDR 1- 3 Einbautiefen 6, 12, 18 cm Für die Realisierung transienter Infiltrationsversuche zur inversen Bestimmung der Bodenparameter wurde eine automatische Laborstation entwickelt (siehe Abb. 4). Mit dieser können Bodenmonolithen mit einem Volumen von etwa 700 cm³ in einstellbaren Druckstufen be- und entwässert werden. Saugspannungen werden in sechs, Bodenfeuchten in drei verschiedenen Tiefen gemessen. Nach eingehender Bodenansprache im Feld können Bodenmonolithe aus verschiedenen Tiefen entnommen werden und so für einzelne Bodenschichten repräsentative bodenhydraulische Parameter bestimmt werden. Durch Bodenentnahme an mehreren Stellen im Untersuchungsgebiet kann eine flächenhafte Aussage zu Retentions- und Leitfähigkeitscharakteristik getroffen werden. Druckaufnehmer zur Überprüfung der unteren Randbedingung Druckregelung untere Randbedingung Zu- und Abflußmessung Abb. 4: Laborstation zur Parameterbestimmung. Abb. 5: Beispielberechnung GW-Modell. 3 Feldmessungen Die Feldmessungen von Bodenfeuchten und Saugspannungen konzentrieren sich an mehreren Standorten, die sich durch ihre Geländehöhe und damit das Grundwasser- und Überflutungsregime unterscheiden. Die Messungen erfolgen an jedem Standort in drei für das Wasserspeicher- und Leitfähigkeitsverhalten relevanten Bodenhorizonten: - Oberboden (Tiefen zwischen 15 und 30 cm), - Auenlehmdeckschicht (Tiefen zwischen 70 und 100 cm), - Sand (Tiefen zwischen 150 und 200 cm). Bodenfeuchten und Saugspannungen werden simultan in der gleichen Tiefe erfasst. Bodenfeuchten des Oberbodens werden zusätzlich durch wöchentliche Stichtagsmessungen, punktuell über die Untersuchungsfläche verteilt, gemessen. Stationäre GW-berechnung für den Elbe-km 261.2 Zeitraum: 23.08.1998 bis 10.06.1999 Ganglinie Elbe Ganglinie GW obere RB für Bodenwasser-Modell Niederschlag, Verdunstung GIS Überflutungshöhe Bodenwasser-Modell GW-Neubildung Fluss-Modell Wasserstand im UG obere RB für GW-Modell untere RB für Bodenwasser-Modell Abb. 6: Bodenfeuchteverlauf am altwassernahen Standort. GW-Modell GW-Stand seitliche RB für GW-Modell 4 Bodenwasserströmungsmodell Das vorhandene eindimensionale numerische Bodenwasserströmungsmodell wurde dahingehend modifiziert, dass eine zeitliche Stochastizität der Randbedingungen eingebracht werden kann. Vorerst werden der Wasserstand in der Elbe und der Niederschlag als stochastische Ereignisse angenommen. Andere Randbedingungen (z.B. Grundwasserstand, Verdunstung) werden deterministisch als Zeitreihe beschrieben. Eine flächenhafte Modellierung des Bodenwasserregimes wird möglich über einen quasi-zweidimensionalen Ansatz, indem Austauschprozesse zwischen benachbarten Profilen quantifiziert werden und als lateraler Fluss in den verschiedenen Bodenhorizonten in die Modellierung eingehen. hangseitiger GW-Zustrom RB = Randbedingung GW = Grundwasser Abb. 7: Kopplung der Einzelmodelle. Abb. 8: Testberechnung GW-Modell. Eine Fördermaßnahme des BMBF